Эффективность кодирования информации

Термин «кодирование» взят из теории информации и обозначает преобразование любого сообщения в иную форму, сигнал, передаваемый по каналу связи.

Для кодирования информации, предъявляемой оператору, чаще всего используются такие категории кодов: буквы, цифры, простые геометрические фигуры, линии различной длины и ориентации (часто в виде курсовой стрелки для обозначения направления и скорости перемещения движущегося объекта), размер фигур одного типа, сложные условные знаки, цвет, мерцание, яркость, звуки, слова, форма объемных предметов и т. п.

Для технических систем главным качеством кода является удобство его передачи по каналу связи с минимальным искажением. При включении в систему человека оценка кода усложняется: необходимо учитывать его связь с возможностями и функциями оператора. Выбор той или иной категории кодирования диктуется назначением кодовых символов — представлять оператору информацию в форме, наиболее соответствующей его задачам контроля и управления и в наибольшей степени отвечающей его психофизиологическим возможностям. При оценке степени соответствия используемых символов своему назначению применяется понятие эффективности кодирования информации. Оно включает в себя оценку информации, выдаваемой прибором, по ряду параметров: по скорости и точности ее восприятия, по степени пригодности для построения концептуальной модели, по качеству возникающих на ее основе оперативных образов.

Для решения проблемы оптимального кодирования необходимо соблюдение ряда требований. Прежде всего, надо правильно выбрать модальность сигналов. В современных системах управления подавляющее количество информации адресуется зрительному анализатору. И это понятно: это ведущий анализатор человека, обладающий по сравнению с другими анализаторами оптимальными характеристиками приема и переработки информации. Но при непосредственном взаимодействии с объектом человек всегда пользуется и данными других органов чувств, которые наряду со зрением раскрывают какие-то существенные особенности этих предметов, что позволяет человеку более эффективно организовать свою деятельность. Так, шофер, ведущий автомобиль, не только видит, но и чувствует по тряске качество грунта, слышит звук работающего мотора, учитывает запахи, которые появляются в кабине и т. п. Легко представить, насколько деятельность в таких условиях для человека проще, чем, например, вождение лунохода, где вся информация об этом процессе воспринимается только через показания приборов и имеет в основном зрительную форму. Такие особенности управления в современных автоматизированных системах нередко приводят к крайней перегрузке зрительного анализатора. В целях повышения качества и объема переработки информации оператором необходимо часть ее адресовать и другим анализаторам — слуховому, тактильному, двигательному.

Установлено, например, что звуковые сигналы в сочетании со зрительными часто дают значительно больше преимуществ, чем каждый из них в отдельности. Прием звуковых сигналов имеет те преимущества, что он может осуществляться без поворота головы, т. е. не отвлекает от зрительной переработки информации. Кстати, вообще замечено, что при одновременном выполнении нескольких работ способность к звуковому восприятию выше, чем к зрительному. Но в то же время слуховое восприятие имеет ряд существенных недостатков, обусловленных тем, что оно носит последовательный характер. Это приводит к быстрой перегрузке оперативной памяти, ограничивает возможности восприятия сообщений большой длины, особенно если нужно точно запомнить детали, и создает серьезные трудности для восприятия нескольких одновременно возникающих звуковых сигналов.

Правильное перераспределение информации по разным каналам— серьезная задача, для решения которой требуется тщательный анализ степени загрузки оператора, алгоритмов его деятельности, требований к оперативности его решений, сравнительной эффективности приема и переработки информации в условиях выполнения конкретных функций.

В проблему оптимального кодирования включается также выбор способа кодирования и оптимального алфавита внутри системы знаков одной модальности.

Одно из первых требований — соответствие выбираемого кода задачам, решаемым оператором: код, пригодный для задач одного класса, нередко оказывается малоэффективным в задачах другого класса. Так, для задач обнаружения оптимальным является цветовой код. При его использовании для кодирования типа объектов появление любого нового объекта обнаруживается гораздо быстрее и точнее, чем в тех случаях, когда объекты кодируются формой, размером, яркостью без изменения цвета. Задачи количественной оценки обычно лучше всего решаются при использовании цифрового кода (в сочетании со стрелочным индикатором или в чистой форме), но в ряде случаев, когда, например, необходимо учитывать динамику изменений количественных показателей, лучшими оказываются способы типа диаграмм, графиков. Важно учитывать и величину нагрузки на оперативную память. Для оператора, от которого требуется запоминание результатов промежуточных действий по переработке информации, многие коды, эффективные в задачах счета, нахождения места, определения координат и др., оказываются неприемлемыми, и тогда приходится отдавать предпочтение буквенно-цифровым способам кодирования, ибо только в этом случае обеспечивается конечный высокий эффект деятельности.

При выборе способов кодирования необходимо соблюдать и уже рассмотренные ранее психофизиологические требования к параметрам сигналов: яркости, контрасту, угловым размерам, цвету. При выборе кодовых алфавитов необходимо ограничить количество элементов в пределах каждой категории кодирования. Дело в том, что наши возможности различать какие-то свойства зрительной информации не совпадают с нашими возможностями использовать отличающиеся чем-то сигналы для условного обозначения параметров и состояний объектов. Глаз человека различает тысячи цветовых оттенков, но при использовании цвета для кодирования признаков в автоматизированной системе максимально допустимым числом градаций является 10: при более длинном алфавите время декодирования, т. е. соотнесение определенного цвета с содержанием сообщения, резко возрастает при существенной потере точности. Точно так же каждому хорошо известна способность человеческого глаза различать формы, но при использовании признака формы в качестве условных знаков существенные трудности в их различении и узнавании возникают уже при длине алфавита в 15—20 знаков. Максимальная длина алфавита яркостей или мельканий — 4 градации, с их помощью обычно кодируются такие признаки, как важность и новизна.

Но и выбирая небольшое число градаций, в пределах каждого алфавита следует соблюдать и допустимые различия между отдельными символами одной категории. Дело не только в том, чтобы использовать, например, не более четырех градаций яркости или 20 условных знаков, а и в том, чтобы выбираемые символы значительно отличались друг от друга, намного превышая величину порога различения. Так, например, проводилось исследование состояний, кодируемых различными цветами электролюминесцентных индикаторов, скомпонованных в виде табло. В условиях последовательного изменения цвета свечения одного индикатора человек практически не смешивает белый и голубой цвета. Но при работе с табло, где одновременно светятся разными цветами не менее 20 элементов, человек допускает много ошибок, не замечая или замечая с большим опозданием переходы от голубого цвета к белому и наоборот. В то же время

изменения голубого цвета свечения люминесцентных индикаторов на оранжевый (и наоборот) отмечаются с минимальной задержкой и весьма высокой точностью.

Одним из существенных требований к кодовым знакам является требование легкости их декодирования, т. е. их форма должна обеспечивать возможность практически мгновенного опознавания без сложного процесса расшифровки, преобразований и вычислений. Очень часто наилучшие в этом отношении условия обеспечиваются при выборе таких кодов, которые по каким-то свойствам напоминают кодируемый объект, признак или состояние. Такие коды называют конкретными. Они широко применяются при выведении информации на мнемосхемы, карты, экраны. Так, многие топографические знаки или символы на мнемосхемах напоминают те предметы, которые они обозначают.

Степень конкретности кодов может быть различной. Вообще следует отметить, что при кодировании абсолютная идентичность невозможна, всегда происходит потеря какой-то информации по сравнению с реальным объектом. При наибольшей внешней близости к отображаемому объекту конкретный код называют символом-изображением. Однако в большинстве случаев сходство с отображаемым объектом обеспечивается по очень небольшому числу признаков (чаще всего по форме), а остальные параметры имеют чисто условный характер.

При наибольшей степени условности знака коды называют абстрактными. Типы предметов, их свойства и состояния обозначаются в этом случае с помощью цифр, букв, геометрических фигур, яркости и т. п. Но и при абстрактном кодировании для обеспечения высокой эффективности выбранных кодов стремятся исходить из естественно сложившихся у оператора представлений о свойствах объекта и отношениях между разными свойствами. Так, если для обозначения разных видов объектов одного типа используется размер какой-то геометрической фигуры (например, разные по величине квадратики), то объекты наибольшей важности обозначают фигурой наибольшего размера. Точно так же наиболее распространенный способ кодирования аварийных состояний — использование красного цвета. Конечно, о каком-то сходстве с обозначаемым объектом в подобных случаях говорить не приходится, но эти символы легко увязываются со сложившимися у каждого человека представлениями о важности или опасности.

Однако указанные требования обеспечить связь свойств кода как знака с содержанием сообщений или представлением о свойствах кодируемых объектов не являются абсолютными. Далеко не все отображаемые признаки могут быть выражены такими символами. Да это и не всегда целесообразно. Изучение опознания дорожных знаков показало, что наихудшими по времени и точности опознания оказались реальные изображения объектов, а лучшими являются знаки, в которых наглядность сохраняется лишь в обобщенно-символической форме. То же самое относится и к мнемосхемам. Во многих операциях именно применение абстрактного кода облегчает быструю ориентировку в происходящих событиях. Такие условия складываются при контроле за исправностью системы, за процессом ее перехода с одного рабочего режима на другой и т. п. Основная задача в этих случаях при подборе оптимального кода заключается не в воссоздании реальной обстановки, а в обеспечении процесса логической классификации кодируемых объектов.

Такие характеристики объектов, как принадлежность к какому-то виду, состояние объектов, режим работы, характер неисправностей в подавляющем большинстве случаев можно кодировать сигналами, мало похожими и даже совсем не похожими на то содержание, которое в них вкладывается. Но некоторые свойства, такие, например, как наличие движения объекта, направление перемещения, требуют конкретных способов кодирования. И не случайно, на ряде приборов в кабине самолета стрелка сделана в виде силуэта самолета, и летчик как бы «видит» курс самолета или его крен по отношению к горизонту [40].

Результатом комплексного учета структуры событий, алгоритмов деятельности операторов и технических возможностей системы является и решение вопроса о мерности кодовых символов. Если кодируемые признаки принадлежат одному классу или разным классам, но между ними нет определенной законе мерной связи, и последовательность их учета случайная, используется обычно одномерный код, где каждый объект (признак объекта) кодируется отдельной элементарной единицей. Пример, такого кода приведен на рис. 53 [35]. В случаях, когда необходимо отображать различные свойства объектов в их тесной связи и соподчинении, применяются многомерные коды, где в одном знаке совмещен ряд деталей, каждая из которых несет определенное сообщение. В качестве признаков многомерного кода можно использовать любые сигналы, которые используются и самостоятельно в качестве одномерных кодов. Кроме того, могут быть и специфические алфавиты типа фигур, залитых темным цветом, штриховки, различных точек, черточек. Пример многомерного кода приведен на рис. 54 [35]. Следует отметить, что многомерные коды обладают большими преимуществами перед одномерными благодаря их информативности (суммарное число отображаемых признаков может достигать нескольких сот) и скорости восприятия при равном числе включенных признаков (например, один сложный знак с несколькими деталями или такое же количество одномерных символов разного типа).

При комплектовании сложных символов многомерного кода следует учитывать, что восприятие их не является простой суммой процессов различения: существует определенная последовательность различения разных признаков стимула, имеющая значение для его расшифровки. Так, экспериментально установлено, что в первую очередь различается общее положение и яркость сигнала по отношению к фону, затем цветовой тон и только после этого — форма. Возможна маскировка одних признаков другими. Степень различимости деталей зависит от их положения по отношению к основному символу (наиболее крупной детали); наружные детали обычно различаются хуже внутренних; имеют значение и угловые размеры знака и его деталей (общий угловой размер знака должен быть порядка 35', а наименьших деталей — 6').

Итак, успешность решения задачи создания эффективного способа кодирования определяется рядом факторов, требующих комплексного подхода к анализу этого вопроса. На выбор окончательного варианта большое влияние оказывает учет таких факторов, как: воздействие рассматриваемых сигналов на органы зрения и слуха, длина алфавитов различных категорий сообщений, допустимая длина алфавитов различных категорий символов, вероятность появления сообщений разного типа (изолированно и в различных комбинациях), требуемая точность количественных оценок, необходимость экстра- и интерполяции процессов и т. п. В результате в одних системах при кодировании скорости движения используются цифры, в других — курсовые стрелки с различным числом штрихов, в третьих — графики или диаграммы при кодировании режимов работы оборудования системы— то буквы, то цифры, то цвет, то речевые команды и сообщения; при кодировании особо важных сообщений — то цвет, то

мерцание, то яркость; при кодировании категорий объектов — то буквы, то геометрические фигуры и т. п.

Существенная роль отводится и учету общего состава кодовых категорий: далеко не всегда можно использовать одновременно, например, и буквы, и цифры, или цвет и яркость, ибо, хорошо различая символы в пределах одного алфавита, оператор может допускать существенные ошибки при декодировании сообщений, смешивая символы разных кодовых категорий. Окончательный вариант не может обеспечивать максимальную эффективность кодов по всем показателям, а лишь оптимальную, сочетающую преимущества одних показателей и некоторые недостатки других таким образом, что последние в конечном итоге компенсируются и будет получен максимально возможный эффект [103].