автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Программное обеспечение системы повышения качества интерфейса компьютерных тренажерных систем

Г, Л:

На правах рукописи

Сухов Антон Александрович

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИНТЕРФЕЙСА КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I1 3 МАЙ 2010

Москва-2010

004602038

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Михайлов Б. М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Никольский С. II.

кандидат технических наук, доцент Валев О. В.

Ведущая организация:

ГУП Мое НПО «Радон»

Защита состоится «() » М^сУ 2010г. в/? * на заседании диссертационного совета Д 212.119.02 в ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, Д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Автореферат разослан » 2010г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.119.02

к.т.н., доцент Зеленко Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Разработка и реализация современных методов оценки качества интерфейса управления в любых человеко-машинных системах - это фактор, определяющий защищенность персонала, а также надежность, радиационную и экологическую безопасность технологических объектов.

Произошедшие техногенные катастрофы национального и транснационального масштаба на радиационно-опасных объектах привлекли внимание научных кругов к вопросу о регламентации систем подготовки и тренировки персонала. В первую очередь это касается оценки человеко-машинных интерфейсов тренажеров для предприятий госкорпорации «Росатом».

Основное требование к интерфейсу тренажера является максимально быстрое распознавание опасной ситуации и принятие решения, т.е. конструкция и расположение средств отображения информации, предупреждающих о возникновении опасных ситуаций, должны обеспечивать безошибочное, достоверное и быстрое восприятие информации, особенно в условиях монотонной деятельности.

Пели и задачи исследования

Целью работы является совершенствование методов оценки человеко-машинного интерфейса тренажеров управления технологическими процессами. Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач:

1. Определение факторов оказывающих влияние на качество человеко-машинных интерфейсов (далее интерфейсов) тренажеров радиационно-опасных технологических процессов;

2. Разработка метода оценки интерфейсов на мнемосхемах;

3. Разработка программного комплекса оценки интерфейсов на мнемосхемах.

Методы исследований.

Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретически с использованием понятий и методов математического анализа, теории вероятностей, структурного анализа, современных методологий построения программных комплексов, теории нейронных сетей, теории автоматов, методов интеллектуального анализа данных, систем и системного программирования, а также с помощью разработанных в диссертационной работе методик оценки эффективности человеко-машинных интерфейсов.

Научная новизна исследования

Научную новизну диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена модель сети, на основе нейронной сети и сети Петри.

2. Предложен метод оценки качества интерфейса, позволяющего совместить достоинства экспертных и статистических методов оценок и стандартизировать сам процесс оценки.

3. Разработана система повышения качества интерфейса на мнемосхемах компьютерных тренажерных систем.

Практическая значимость результатов исследования и их внедрения в практику состоит в разработке программного комплекса, который позволил одновременно совместить процесс создания и тестирования, позволив избежать зависимости от конкретной среды разработки интерфейса. Программный комплекс внедрен на российском предприятии ООО «Альянс-Гамма». На разработанную программу «нейросетевой редактор человеко-машинного интерфейса» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009613812.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Сочи, 2009), научно-практической интернет-конференции «Актуальные вопросы современной науки и образования» (Красноярск, 2010).

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения, библиографии (127 наименований) и приложений. Изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы, поставлены цели и задачи.

В первой главе проведен обзор существующих методов оценки качества интерфейсов. Методы определения показателей качества интерфейса различаются:

по способам получения информации - измерительный, регистрационный, органолептический, расчетный;

по источникам получения информации - экспертный, юзабилити тестирование персонала.

Проведено исследование работ, которые велись в данном направлении, а также нерешенные проблемы оценки человеко-машинных интерфейсов.

В работах Дозорцева остается не решенным вопрос комплексной автоматизированной качественной оценки интерфейса, не рассматривается проблема разработки тренажеров для опасных технологических процессов.

В ряде работ не учтена специфика интерфейсов ТП, базирующихся на мнемосхемах. Так, работы Пономарева И. А., Бабенко А. П. и Приваловой Д. В.,

рассматривают графические методы и модели, которые не могут быть использованы в опасных ТП, а также не учитывают ряд субъективных факторов, влияющих на пользователя.

Кроме того, есть работы которые рассматривают разработку специализированных тренажеров, либо рассматривают вопросы проектирования стандартного оконного пользовательского интерфейса.

Для решения поставленных задач был разработан метод оценки качества интерфейса тренажера управления опасными технологическими процессами, а также определенны понятие качества интерфейса и параметры человеко-машинного интерфейса, характерные для тренажера управления опасными технологическими процессами, а именно количество человеческих ошибок, субъективное удовлетворение пользователей, способность сохранения пользователями навыков работы с системой в течение длительного времени. Качество интерфейса К,. представляет собой кортеж из трех значений:

К1 = {К3-,Кп-,Ку\,TRQ\ Кэ- значение эффективности - влияния интерфейса на полноту и точность достижения пользователем целевых результатов. К„ - значение продуктивности или влияния интерфейса на число ошибок пользователя.

Ку- степень (субъективной) удовлетворенности конечного пользователя интерфейсом.

Определение соответствует стандарту ISO 9241-10-98. В основу метода положен принцип настройки интерфейса в зависимости от персонала рабочей смены. В качестве основного интерфейса понимается интерфейс, основанный на мнемосхемах. Рассмотрим интерфейс основанный на мнемосхемах, (рис. 1)

ПРЕССОВАНИЕ

Ручной режим ВЫХОД

Гидростанция

-ХЫХ1-

Манмпулятор загрузки ЦиЛ 800 Выдв. Втян. Цил 700 Выдв. Втян. Захват ^„р. | закр.

ГИДРОСТАНЦИЯ Насос М1 ПУСК ; СТОП Насос М2 ПУСК СТОП

I Колокол накрыл бочку 80 М1 5 Копокоп накрып бочку 20 о

СЭОбОб Снижение с•

Рисунок 1. Интерфейс действующего тренажера на предприятии Радон

В первой главе определены задачи исследования: Разработка методов оценки человеко-машинного интерфейса, включающих в себя: оценку параметров элементов управления, оценку эмоциональной составляющей интерфейса, оценку степени (субъективной) удовлетворенности конечного пользователя интерфейсом. Разработка программного комплекса автоматизации использования имитационных моделей технологических процессов, а также оценки человеко-машинного интерфейса, которая включает в себя: разработку библиотеки классов, реализующих поведение сети Петри, и нейронных сетей, разработку и программную реализацию имитационных моделей технологических процессов, разработку библиотеку классов для распределенного проектирования, создания и оценки интерфейса.

Во второй главе разработаны методы оценки качества человеко-машинных интерфейсов тренажеров управления опасными технологическими

процессами.

В основе метода оценки качества тренажерной системы используется метод юзабилити тестирования, и оценка цветового решения на основании серии тестов.

Для оценки цветового решения на конкретном тесте вводится следующая зависимость:

•К,, - оценка цветовой карты на конкретном тесте;

Я„-оценка эмоциональной характеристики цветового решения. Этот параметр характеризует то, насколько предполагаемое цветовое решение соответствует предполагаемому уровню опасности. Я„~ оценка цветовой гаммы изображения;

Оценку интерфейса, на конкретном тесте, можно получить с помощью показателя , используя зависимость (1), а также оценку персонала:

- оценка интерфейса на конкретном тесте;

число испытуемых; оценка испытуемого на конкретном тесте; Яц - оценка цветовой карты на конкретном тесте; 5 - коэффициент стресса конкретного теста;

Общую оценку качества интерфейса можно получить с помощью показателя Ктт, который вычисляется на основе зависимостей (1) и (2):

К = К + К, где: (1)

¡=о

где: (2)

— '=0

ичт

N >тде: (3)

Кшт - качество интерфейса;

число тестов, на данном интерфейсе; Я„- оценка интерфейса на конкретном тесте;

Для получения данных предложено общее описание интерфейса I:

1 = (Р,В),гт (4)

Р - Множество структурного описания элементов из которых состоит интерфейс.

В - описания интерфейса как целостного графического образа - битовой карты.

Оценка эмоциональной составляющей и оценка удовлетворенности являются в большей степени субъективными, и могут быть получены с помощью экспертов или с помощью пользователей.

Для автоматизации процесса оценки применен механизм нейронных сетей, а именно персептрона (рис. 2). Используется метод аналогичный одному из методов распознавания образов, а именно классификация изображений.

Рис. 2 Однослойная нейронная сеть (персептрон)

На вход нейронной сети будут подаваться элементы множества

в = [6,У = -1),} = о.Щ -1), (5)

представляющие собой матрицу значения пикселей изображения интерфейса.

Для уменьшения объем вычислений, изображение предварительно обрабатывается (масштабируется до размера 160 на 120 пикселей).

Проведенный анализ элементов управления показал, что наибольшее влияние на качество интерфейса оказывают следующие параметры:

- размер элемента относительно размеров экрана.

- цвет элемента интерфейса.

- параметр яркости элемента управления.

- параметр частоты мерцания элемента управления.

Для оценки этих параметров предлагается совместное использование механизмов разновидностей сетей Петри и нейронных сетей.

Модель сети на основе раскрашенной сети Петри и многослойного персептрона НИ имеет следующий вид:

Ш = {Р,Т,С1,Р,0,С), где: (6)

Р- непустое конечное множество позиций; Т— непустое конечное множество переходов и РпТ=0; С/ - непустое конечное множество цветов;

Р :(РхТиТхР)хС1 ->МиН(С1) - сопоставляет каждой тройке ре Р,1еТ,с1еС(1) мультимножество из МиИ(С(р)).

О- непустое конечное множество позиций, результирующее работу нейронной сети и Об Р;

С : Р и Т -> 2е'- функция, ставящая в соответствие каждой позиции допустимое подмножество цветов из С/;

Для настройки сети необходимо провести серию тестов, с различными параметрами интерфейса. Настроенная нейронная сеть представляет собой модель действий пользователя, в зависимости от параметров элементов управления, и в дальнейшем используется для автоматизированной оценки качества интерфейса компьютерной тренажерной системы без привлечения

механизмов юзабилити тестирования. Собранная статистика позволяет провести комплексную оценку интерфейса и предложить рекомендации по качественному изменению параметров для каждой конкретной смены персонала.

Пример одной из частей имитирующей сети Петри представлен на рисунке 3.

Выдаииутъ цилиндр

Рисунок 3. Часть имитирующей сети Петри.

Нейронная сеть представляет собой многослойный персептрон с 2 промежуточными слоями. При обучении нейронной сети используется сеть Петри. Входными параметрами нейронной сети являются параметры элементов управления, такие как: размер относительно всего рабочего экрана, цвет элемента, яркость элемента, частота мерцания элемента. Во время тестирования персонала накапливается информация для обучения нейронной сети. Это позволит: выявить закономерность между параметрами элементов интерфейса и качеством интерфейса, использовать настроенную нейронную сеть в качестве унифицированной модели пользователя для дальнейшего тестирования при разработке новых интерфейсов. Структура подобной нейронной сети представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. структура нейронной сети, где:

Б - размер элемента относительно размеров экрана. С1 - цвет элемента интерфейса. Вг - параметр яркости элемента управления. В1 - параметр частоты мерцания элемента управления. В качестве функции активации используется сигмоид:

оит=-

1

I + e-NET , где:

OUT - выходной сигнал нейрона; NET - входной сигнал нейрона; Чтобы проводить настройку нейронной сети, необходимо:

• Преобразовать все входные сигналы так, чтобы они принимали значения от 0 до 1.

• Определить проверочную функцию.

• Преобразовать выходное значение сети Петри к виду, позволяющему оценивать результат работы нейронной сети.

Чтобы преобразовать параметр цвета, была составлена палитра из 1000 цветов в формате RGB, которым соответствуют сигналы от 0 до 1; Параметр

яркости в цветовой модели HSB принимает значение от 0 до 100, что можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски. Соответственно значение входного сигнала вычисляется по формуле: Вг = Вг/100. Параметр мерцания принимает значения от 0 до 8 Гц. Соответственно значение входного сигнала вычисляется по формуле В1 = В1/8.

Выходным параметром сети Петри является состояние системы, который можно преобразовать в параметр завершенности Осп. Параметр принимает значения от 0 до 1. что соответствует границам выходного сигнала Онс нейронной сети.

В качестве алгоритма настройки нейронной сети используется метод обратного распространения ошибки (back propagation). Величина ошибки рассчитывается как сумма квадратов расстояний от выходных сигналов сети до их требуемых значений.

Для настройки весовых коэффициентов используется рекурсивный алгоритм, который сначала применяется к выходным нейронам сети, а затем проходит сеть в обратном направлении до первого слоя. Синаптические веса настраиваются в соответствии с формулой:

wiJ(t + l) = wiJ(t) + rgJx'hrne:

Wjj - вес от нейрона i или от элемента входного сигнала i к нейрону j в момент времени t,

х;' - выход нейрона i или i-ый элемент входного сигнала,

г - шаг обучения,

gj - значение ошибки для нейрона j. Если нейрон с номером j принадлежит последнему слою, то

g^O^l-OJiO^-OJ

Если нейрон с номером j принадлежит одному из слоев, с первого по предпоследний, то:

gJ=xj{\-xJ)YJgkwJk

к

где к пробегает все нейроны слоя с номером на единицу больше, чем у того, которому принадлежит нейрон

Основываясь на проведенных исследованиях, сформулировано полное описание интерфейса I:

1 = (Р,В),гт: (7)

Р - Множество структурного описания элементов из которых состоит интерфейс.

р(дГ,,Л-2,..,Д:4) ^ ,*2-Л ) >",*» ) >"•** ) ^

5- размер элемента относительно размеров экрана.

С/ - цвет элемента интерфейса.

Вг - параметр яркости элемента управления.

В1 - параметр частоты мерцания элемента управления.

В - описания интерфейса как целостного графического образа - битовой

карты.

В = ОД = 0..(ЫХ -1),у = 0..(Ыу -1) (матрица чисел). Выводы по второй главе:

1. Определенны факторы, оказывающие наибольшее влияние на качество человеко-машинных интерфейсов тренажеров управления опасными технологическими процессами.

2. На основе проведенного анализа методов проектирования и создания интерфейсов был разработан метод создания и оценки, использующий механизмы сетей Петри и нейронных сетей.

В третьей главе проведена экспериментальная оценка предложенного метода

повышения качества компьютерных тренажерных систем.

За время тестирования интерфейса, на основе полученной информации, можно построить модель оператора для автоматизированного тестирования интерфейса.

Пример тестирования того, как размер и цвет одного элемента, влияют на качество интерфейса, приведен на рис. 5.

Рисунок 5. Влияние размера и цвета одного элемента на качество интерфейса.

, Было проведено сравнение предложенного метода и метода юзабилити тестирования, а также сравнение с экспертными оценками. Учитывалось число найденных недостатков интерфейса, а также число сессий, которые понадобились для их обнаружения. Результаты тестирования показали, что метод юзабилити тестирования обнаруживает 3 основных недостатка интерфейса за 110 сессий (период времени, за который конкретный испытуемый выполнит серию тестов для конкретного интерфейса).

1 2 3 - Оптимальные значения - 4 5 6 - Неудовлетворительные

значения

Предложенный метод автоматизированной проверки обнаружил 5 основных недостатков в параметрах интерфейса (размер, цвет, яркость и частоту мерцания, а также влияние стресса).

При проведении юзабилити тестирования учитывается большое количество субъективных факторов, не оказывающих значительное влияние на качество интерфейса, использование предложенного метода позволяет объективно оценивать интерфейс, на основе наиболее значимых параметров.

На основании проведенных экспериментальных исследованиях был сделан вывод о том, что применение предложенного метода позволяет объективно оценивать качество человеко-машинного интерфейса.

В четвертой главе описаны методы и способы программной реализации системы повышения качества интерфейса реализованного в виде программного комплексе «Нейросетевой редактор интерфейса».

Апробация программного комплекса производилась на базе существующей автоматизированной системы управления технологическим процессом переработки радиоактивных отходов методом прессования на установке «Суперкомпактор». Нейросетевой редактор интерфейса использовался для создания компьютерного тренажерного комплекса. Структура комплекса показана на рисунке 7.

Рисунок 6. Структура нейросетевого редактора интерфейса.

Имитационный модуль отвечает за выбор технологического процесса для имитации и прием команд управления от персонала. На основании сети Петри взятой из базы происходит имитация процесса, и результаты работы оператора поступают на модуль оценки элементов управления. Модуль комплексной оценки содержит настроенные нейронные сети цветовой оценки и нейронные сети, моделирующие поведение операторов. Собирая информацию об элементах управления и цветовом решении интерфейса, он выдает рекомендации службе сопровождения по качественному улучшению интерфейса.

Нейросетевой редактор интерфейса может работать в режиме обучения, когда информация от результатов работы персонала идет на настройку нейронных сетей или в режиме оценки, когда интерфейс оценивается без участия персонала, а после того, как будет достигнуто необходимое качество

интерфейса, комплекс можно использовать как тренажер для аттестации персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, проведенных в настоящей диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на качество человеко-машинных интерфейсов тренажеров управления опасными технологическими процессами.

2. На основе проведенного анализа методов оценки интерфейсов был разработан метод, использующий механизмы сетей Петри и нейронных сетей.

3. Разработан распределенный программный комплекс оценки человеко-машинного интерфейса.

На программный комплекс Нейросетевой редактор интерфейса в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009614935 от 10.09.2009г.

Получен акт о внедрении научных результатов в российской фирме ООО «Альянс-гамма».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сухов А. А. Обзор метода создания и оценки эффективности человеко-машинного интерфейса тренажеров управления опасным технологическим процессом. // Научные труды XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Информатика» -М.: МГУПИ, 2009. С.152-156.

2. Сухов А. А. Обзор метода оценки эмоциональной составляющей интерфейса, на основе нейронных сетей.// Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 12. / Под ред. Михайлова Б.М. - М.: МГУПИ, 2009. С.104-108.

3. Сухов А. А. Распределенный метод проектирования и создания пользовательского интерфейса. // Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 12. / Под ред. Михайлова Б.М.-М.: МГУПИ, 2006. С. 108-112.

4. Сухов А. А. Проблема человеко-машинного интерфейса в информационных системах. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. №5. - СПб.: СПбГПУ, 2009. С.18-23.

5. Сухов А. А. Оценка эмоциональной составляющей интерфейсов тренажеров. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. №5. - СПб.: СПбГПУ, 2009. С.140-145.

6. Сухов А. А. Критерии качества человеко-машинного интерфейса компьютерных тренажерных систем // В мире научных открытий. №1. -Кр.: Научно-инновационный центр, 2010. С.188-190.

7. Сухов А. А. Система повышения качества человеко-машинного интерфейса компьютерных тренажерных систем. // В мире научных открытий. №1. - Кр.: Научно-инновационный центр, 2010. С.190-193.

Формат 60x90 '/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Заказ 641. Отпечатано в филиале ГУП МО «Мытищинская типография» «Загорская типография» 141300, Московская обл., г. Сергиев Посад, пр. Красной Армии, д. 212Б Тел. (496) 547-60-60, (496) 540-25-70, факс 540-25-70