ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР

Когнитивный аспект САПР

После получения визуальной информации и инициирования процесса восприятия обработка информации происходит в со­ответствии с требованиями задачи. Когнитивная стадия про­цесса обработки информации человеком включает суждение, принятие решения и решение задачи. Два важных для САПР компонента познания — это пространственное суждение и ре­шение задачи, каждый из них обсуждается ниже (краткие итоги приведены в табл. 6.4).

Таблица 6.4. Основные результаты исследования процесса познания применительно к САПР

Литературные

Тема исследования Результаты источник

Время, необходимое для поворота трех­мерного объекта, является линейной функ­цией углового расстояния между изобра­жениями; результат соответствует аналого­вой модели

Время для решения задачи мысленного вращения статистически независимо от сложности изображения; результат соответ­ствует аналоговой модели Участники эксперимента мысленно вращали простые изображения, а для более слож­ных изображений они выполняли сравне­ние отдельных элементов изображения; ре­зультаты исследования подтверждают гиб­ридную модель

Задачи САПР описываются в терминах иерархической структуры целей; структура представлена общей целью, фазами, пред­ставляющими подцели, отдельными зада­чами и событиями, т. е. командами для достижения этих подцелей

Способность мысленно представить изображенный объект в пространстве есть одна из наиболее важных характеристик умственной деятельности хорошего проектировщика. В отно­шении познания важным аспектом для проектировщика САПР является форма внутреннего, или мысленного, представ­ления объекта. Внутренняя форма представления содержит умолчания на типы внутренних преобразований, которые мо­гут выполняться над объектом. Чтобы разделить теории о фор­ме представления, в ряде психологических экспериментов про­водились исследования решения задачи мысленного вращения объекта. В упомянутой задаче от участника эксперимента тре­бовалось мысленно вращать объект, сравнивая его с некото­рым эталонным объектом. Измерялись время и точность вы­полнения задачи участниками в зависимости от значений ряда переменных, например от сложности изображения и числа вращений объекта.

Предложено две теории, устанавливающие способ разгра­ничивающего представления объектов. В соответствии с теори­ей воображения, или аналоговых моделей, утверждается, что человек представляет визуальную информацию в памяти по­средством образов. Эти образы имеют однозначное соответст­вие физическому представлению объекта. Согласно теории
представлений, визуальная информация в памяти преобразу­ется в так называемые представления. Представление есть наименьший элемент знания, который может существовать в виде отдельного суждения. Поскольку представление гипоте­тически может возникать во многих формах, Кинтш [56] пред­ложил выразить произвольное представление в виде списка, содержащего отношения (т. е. глаголы), сопровождаемые упо­рядоченным списком аргументов (т. е. отношений между гла­голами).

В этих двух теориях делаются различные предположения относительно того, каким образом происходит внутреннее преобразование информации. Поскольку в аналоговой теории предполагается, что мысленное вращение должно соответство­вать йнешним манипуляциям с объектом, сложность вращае­мого изображения не должна влиять на время выполнения опе­рации, однако количество вращений оказывает влияние при сравнении времен. В соответствии с теорией представлений каждая часть изображения может быть подвергнута преобра­зованиям независимо при выполнении мысленного вращения. Сложность изображения, следовательно, должна влиять на вре­мя выполнения мысленного вращения, но при выполнении ря­да вращений зафиксировано ее слабое влияние при сравнении затрат времени. Таким образом, выполнение задачи мыслен­ного вращения по-разному объясняется этими двумя теориями.

При выполнении задачи мысленного вращения участнику эксперимента предъявляется двух - или трехмерное изображение объекта. С началом эксперимента участнику предъявляют дру­гое изображение, которое является либо изображением объек­та после выполнения поворота, либо зеркальным изображени­ем повернутого объекта. Испытуемому предлагается опреде­лить, получено ли новое изображение в результате поворота исходного объекта или это его зеркальное изображение; время й точность выполнения фиксируются.

Выполнение ряда поворотов и изменение сложности изо­бражения помогают выявить различия между двумя! теория­ми. В своих экспериментах по мысленному вращению Шепард и Метцлер [89] использовали пары трехмерных изображений объектов из кубиков, в которых имелось угловое различие между двумя изображениями (т. е. выполнялось сравнение исходного изображения и изображения повернутого объекта). Авторы обнаружили, что время, необходимое для выполнения мысленного вращения, есть линейная функция величины угло­вого различия фигур на двух изображениях. В работе [26] исследовалось влияние сложности изображений на время вы­полнения мысленных преобразований повернутых и зеркально отображенных фигур. В эксперименте использовались двумер­ные изображения с различным числом углов или точек как мера сложности изображения. Было установлено, что время выполнения задачи мысленного вращения статистически неза­висимо от сложности изображения. Результаты обеих серий экспериментов подтверждают превосходство аналоговой теории над теорией представлений.

Бар„филд [9, 10] провел эксперименты по мысленному вра­щению с использованием каркасного моделирования в САПР с высокой разрешающей способностью. Участники эксперимен­та запоминали графические изображения, а затем отвечали на вопросы относительно повернутого варианта того же самого изображения. Их просили сообщить, было ли изображенное тело повернуто в глубине или на переднем плане, повернуто ли тело относительно оси х, у или z, а также указать угол по­ворота. Сложность изображения сказывалась на ответах об осях вращения и на оценках угла поворота, но не влияла на ответы относительно глубины и переднего плана. Для всех трех групп вопросов необходимое вращение статистически зна­чимо влияло на время выполнения задач.

Результаты экспериментов Барфилда свидетельствуют о том, что выполнение задачи не укладывается точно ни в одну из теоретических схем и не позволяет исключить из рассмот­рения другую. Несоответствие угла поворота затратам време­ни, необходимым для ответа на три вопроса, и отсутствие влия­ния сложности на ответы относительно глубины — переднего плана, казалось бы, указывают на то, что аналоговая теория лучше подходит для объяснения экспериментальных данных. Влияние сложности на ответы по двум другим вопросам гово­рит в пользу большего соответствия полученных данных тео­рии представлений. Гибридная модель выполнения задачи мысленного вращения (например, [105]) представляется наи­более подходящей для объяснения полученных данных. В слу­чае простых уровней сложности изображений человек мыслен­но выполняет вращение изображения в аналоговой форме в соответствии с вариантом тестового изображения, который он предварительно запомнил. С увеличением сложности изобра­жения человек, по-видимому, начинает выполнять задачу ме­тодом поэлементного анализа. В устных отчетах руководи­телю эксперимента некоторые из его участников указывали, что использовали именно эту стратегию. В частности, один из участников сообщил, что «при усложнении предъявляемых изо­бражений я сосредоточивал внимание на специфических дета­лях и вращал их независимо».

Другим интересным результатом экспериментов Барфилда является получение количественных оценок информации, пере­даваемой оператором САПР, в виде функции сложности изо­бражения. Если оператора уподобить каналу передачи инфор­мации, то доля переданной им информации соответствует ко­личеству информации, сохраненной в исходном образе после прохождения его через «информационный процессор», в роли которого выступает человек. Эти результаты означают, что применительно к изображениям средней сложности передается наименьший процент информации по сравнению с простыми или очень сложными изображениями. Полученные результаты также соответствуют гибридной модели. В случае простых изо­бражений участники эксперимента, вероятно, использовали аналоговую модель для относительного облегчения выполнения мысленного вращения изображения. При изображениях высо­кой сложности участники эксперимента выполняли, по-види­мому, сравнение характерных черт, что относительно проще, поскольку в сложных изображениях имеется широкий выбор характерных особенностей. В случае изображений средней сложности ни один из методов не является оптимальным для выполнения задачи, что отражается на процессе ее выполне­ния.

Результаты экспериментов по мысленному вращению изо­бражений находят применение в задачах САПР. В частности, эти результаты показывают, когда проектировщик в состоя­нии выполнить преобразования мысленно, а когда необходи­мо отобразить эти преобразования средствами САПР. Если изображения являются относительно простыми, операторам САПР нет необходимости осуществлять физические преобра­зования объектов на экране, чтобы рассмотреть их при раз­личных положении и ориентации. Эти преобразования могут быть выполнены мысленно по представленному изображению в соответствии с предсказаниями аналоговой теории. Однако если изображения относительно сложные, то оператор может выполнить некоторые мысленные преобразования над отдель­ными элементами объекта, но не над всем объектом в целом. Эти заключения имеют важным следствием возможность ука­зания типов допускаемых ошибок. Работа с отдельными дета­лями объекта в памяти означает, что целостность представле­ния объекта нарушается и взаиморасположение его составля­ющих может быть восстановлено некорректно. На память опе­ратора полагаться в этом случае нельзя, а изображение объ­екта на экране должно претерпевать физические преобразова­ния. Для простых изображений целостность объекта не нару­шается, а взаиморасположение его отдельных частей остается корректным после выполнения мысленного преобразования.

Как было отмечено выше, второй важный компонент по­знания, используемый в САПР, — решение задач. Процесс проектирования в САПР подразумевает решение множества задач. Моделирование решения задач полезно для понимания процесса. Кард, Моран и Ньюэлл [19] на основе предшеству­ющей работы [71], посвященной решению задач человеком, создали модель решения задач, связанных с ЭВМ. Это так называемая модель ЦДМВ' что означает цели, действия, методы и правила выбора, которые используются при описа­нии работы модели. Модель ЦДМВ широко использовалась при работе с редакторами текста, но она применима и к ра­боте с САПР. Целью создания модели ЦДВМ были предска­зание работы с конкретной САПР и анализ задач в соответст­вии как с входной информацией системы, так и с планирова­нием и выполнением действий по постановке задачи и ее реше­нию. Она дает возможность получить точные оценки времени решения задач для различных систем и оказывает помощь в понимании поведения оператора при оценке и решении задач.

В соответствии с этим анализом задача может рассматри­ваться как некоторая обобщенная проблема, которую необ­ходимо решить оператору. Решение задачи предполагает раз­бивку задачи на подзадачи и поиск решения каждой из них для получения общего решения. Методы и соответствующие действия следует комбинировать с использованием правил вы­бора для получения решения подзадач. Обобщенная схема решения может быть построена путем деления задачи на це­ли и подцели. Анализируя поведение оператора через его дей­ствия с использованием видеозаписи и словесных протоколов (т. е. записей отчета оператора экспериментатору о его мыс­ленных действиях на каждом этапе решения задачи), можно проанализировать структуру цели. В структуре цели могут быть выделены четыре различных уровня в соответствии с мо­делью ЦДМВ. Начиная с наивысшего концептуального уров­ня и двигаясь к нижнему уровню, различают следующие уров­ни: обобщенная цель; фазы, которые представляют деление цели на подцели; отдельные задачи, получаемые в результате дальнейшего деления подцелей, и события, соответствующие командам системы, которые необходимо выполнить для реше­ния отдельных задач. Каждая фаза, отдельная задача и собы­тие могут быть выделены и отмечены при анализе временной записи выполнения проектирования с помощью САПР с уче­том возникающих пауз. Эти паузы указывают, что оператор, возможно, переходит к следующему событию, отдельной зада­че или фазе.

Авторы работы [19] использовали описанную технику анализа при исследовании проектирования сверхбольших ин­тегральных схем (СБИС) с помощью САПР. Тестированию

•> По-английски GOMS, т. е. Goals, Operations, Methods, Selection rules.

Экспериментатора был подвергнут оператор САПР, имевший опыт работы в течение года и ~300 ч практической наработки на данной САПР. Исследовалась отдельная задача, заключав­шаяся во внесении изменений в имеющийся проект; решение задачи занимало ~40 мин. При анализе задачи эксперимен­таторы полагали, что все нажатия на клавиши, интервал вре­мени между которыми не превосходил 0,3 с, могут рассматри­ваться как составляющие одной команды. Паузы длительно­стью более 0,3 с, но менее 5 с гипотетически считались пауза­ми между отдельными задачами. Остальные паузы продолжи­тельностью до 80 с рассматривались как паузы между фаза­ми. Экспериментаторы анализировали данные с помощью •ЭВМ для деления целей на уровни, а затем полученные дан­ные корректировались в соответствии со словесным протоко­лом оператора САПР.

По результатам анализа всех источников данных была оп­ределена [19] структура целей САПР при выделении отдель­ных задач, фаз и выполнении оценки затрат времени, связан­ных с ними. Отмечены отдельные задачи четырех различ­ных типов, а фазы — трех типов. Задача подготовки чертежей заключалась в проектировании новых элементов электрической цепи в топологии СБИС. Задача изменения сводилась к пе­ремещению элементов цепи или изменению их конфигурации. Задача размерности использовалась для установления разме­ров подструктур, расстояния между элементами цепи, вырав­нивания элементов. Задача контроля сводилась к проверке соединений и контролю отсутствия нарушений правил проек­тирования СБИС. Указанные четыре отдельные задачи в со­вокупности образуют структуру из трех фаз. Фаза транскрип­ции длилась ~14 мин и использовалась оператором для ввода топологии схемы в соответствии с выполненным вручную эски­зом в САПР. Фаза вертикального сжатия продолжалась ~7 мин и предназначалась для сжатия цепей в вертикальном направлении посредством взаимного перемещения подструктур для достижения нх более плотной компоновки. Фаза горизон­тального сжатия занимала ~ 15 мин и использовалась для сжатия цепей в горизонтальном направлении.

Посредством деления задачи автоматизированного проек­тирования на основные компоненты модель ЦДМВ предостав­ляет возможность предсказать время выполнения каждого из них, когда эти компоненты комбинируются в другом порядке для решения иных задач. Лица, проводившие эксперимент, установили, что модель ЦДМВ позволяет предсказать время выполнения в ходе эксперимента всех команд с ошибкой, не превосходящей 16%. По предсказанию в соответствии с мо­делью требовалось 1192 с для выполнения всех команд, a one - ратор САПР фактически выполнил их за 1028 с. Как полага­ют, расхождение этих двух значений времени вызвано высокой квалификацией оператора САПР, т. е. тем, что он затрачивает меньше времени на выполнение мысленных операций, чем ожидалось.

Анализ поведения оператора САПР при решении задач и соответствующая структура целей, построенная с помощью модели ЦДМВ, имеют различные приложения. Тестирование операторов и определение среднего времени выполнения основ­ных задач, которые могут входить в состав других задач САПР, позволяют получить полезную информацию. Структура обобщенной цели может быть установлена и для других задач автоматизированного проектирования, а затем можно полу­чить априорные оценки временных затрат для их решения. Возможно также исследование процесса проектирования с ис­пользованием альтернативных рабочих станций САПР для установления того, какая САПР оказывается более быстрой и легкой в использовании. Такой анализ также полезен при под­готовке операторов САПР. Работу опытных операторов САПР можно сравнить с поведением начинающих в терминах струк­туры целей у каждого из них. Если начинающий оператор не использует ту же самую структуру целей, методы или дейст­вия, сравнение их поведения выявит это и позволит указать, каким образом уподобить работу начинающего оператора по­ведению опытного. Начинающий оператор может не подозре­вать, что более короткая последовательность действий может применяться для выполнения той же команды. Наконец, этот метод дает возможность оценить уровень квалификации. Ав­торы метода обнаружили, что квалифицированный оператор САПР, деятельность которого они исследовали, расходовал 96% времени на выполнение физических операций и только 4%—для выполнения мысленных действий. Начинающие опе­раторы вынуждены думать о том, что они делают, и поэтому расходуют больше времени на мысленные действия.