Введение

Подход к проектированию интерфейса
Экологический дизайн интерфейса (EID) – это подход к проектированию интерфейса, разработанный специально для сложных социотехнических систем, работающих в реальном времени и характеризующихся динамичностью. Он находит применение в различных областях, включая управление технологическими процессами (например, на атомных электростанциях, нефтехимических предприятиях), авиацию и медицину. EID отличается от некоторых методологий проектирования интерфейса, таких как проектирование, ориентированное на пользователя (UCD), тем, что в центре анализа находится рабочая область или среда, а не конечный пользователь или конкретная задача. Цель EID – сделать ограничения и сложные взаимосвязи в рабочей среде наглядно воспринимаемыми пользователем (например, видимыми, слышимыми). Это позволяет высвободить больше когнитивных ресурсов пользователя для решения задач и принятия решений. EID базируется на двух ключевых концепциях, разработанных в области когнитивной инженерии и инженерии когнитивных систем: иерархии абстракций (AH) и модели навыков, правил и знаний (SRK). Снижая ментальную нагрузку и поддерживая рассуждения, основанные на знаниях, EID направлен на повышение эффективности работы пользователя и общей надежности системы как при ожидаемых, так и при непредвиденных событиях в сложной системе.

История и происхождение EID

Экологический дизайн интерфейса был предложен Кимом Висенте и Йенсом Расмуссеном в конце 1980-х – начале 1990-х годов как основа для проектирования интерфейсов, после масштабных исследований надежности «человек-система» в Национальной лаборатории Рисо в Дании (Rasmussen & Vicente et al, 1989; Vicente, 2001). Термин «экологический» в EID происходит из школы психологии, разработанной Джеймсом Дж. Гибсоном, известной как экологическая психология. Эта область психологии фокусируется на взаимосвязи человека и окружающей среды, особенно в контексте человеческого восприятия в реальных, а не лабораторных условиях. EID заимствует из экологической психологии идею о том, что ограничения и взаимосвязи рабочей среды в сложной системе должны быть перцептивно отражены (через интерфейс) для формирования поведения пользователя. Для разработки экологических проектов были адаптированы аналитические инструменты, разработанные ранее исследователями Национальной лаборатории Рисо, включая Иерархию абстракций (AH) и фреймворк «Навыки, Правила, Знания» (SRK). Фреймворк EID впервые был применен и оценен в системах атомных электростанций (Vicente & Rasmussen, 1990, 1992). Эти инструменты также используются в когнитивном анализе работы. На сегодняшний день EID применяется в различных сложных системах, включая управление компьютерными сетями, анестезиологию, военное командование и управление, а также авиацию (Vicente, 2002; Burns & Hajdukiewicz, 2004).

Мотивация

Быстрый прогресс в технологиях, наряду с экономическими требованиями, привел к заметному увеличению сложности инженерных систем (Vicente, 1999a). В результате дизайнерам становится все труднее предвидеть события, которые могут произойти в таких системах. Непредвиденные события по определению нельзя задать заранее и, следовательно, нельзя предотвратить посредством обучения, процедур или автоматизации. Сложная социотехническая система, разработанная исключительно на основе известных сценариев, часто теряет гибкость, необходимую для поддержки непредвиденных событий. Безопасность системы часто оказывается под угрозой из-за неспособности операторов адаптироваться к новым и незнакомым ситуациям (Vicente & Rasmussen, 1992). Экологический дизайн интерфейса стремится предоставить операторам необходимые инструменты и информацию, чтобы они стали активными решателями проблем, а не пассивными наблюдателями, особенно при развитии непредвиденных событий. Интерфейсы, разработанные в соответствии с принципами EID, направлены на снижение ментальной нагрузки при работе с незнакомыми и непредвиденными событиями, которые связаны с повышенным психологическим давлением (Vicente, 1999b). Это позволяет высвободить когнитивные ресурсы для эффективного решения проблем. Помимо предоставления операторам средств для успешного управления непредвиденными событиями, EID также предлагается для систем, требующих от пользователей достижения экспертного уровня (Burns & Hajdukiewicz, 2004). Используя Иерархию абстракций (AH) и структуру «Навыки, Правила, Знания» (SRK), EID позволяет начинающим пользователям легче формировать продвинутые ментальные модели, для разработки которых обычно требуются годы опыта и обучения. Кроме того, EID обеспечивает основу для непрерывного обучения и распределенной совместной работы (Vicente, 1999b). При работе со сложными социотехническими системами дизайнерам не всегда удается узнать у операторов, какую информацию они хотели бы видеть, поскольку каждый понимает систему на своем уровне (но редко в полной мере) и даст разные ответы. Фреймворк EID позволяет дизайнерам определить, какая информация необходима, когда опрос пользователей невозможен или нецелесообразен (Burns & Hajdukiewicz, 2004). EID не предназначен для замены существующих методологий проектирования, таких как UCD и анализ задач, а для их дополнения.

UCD и EID: Зачем вообще использовать EID?

Как мы видим из современных оконных интерфейсов, User Centered Design (UCD) отлично справился с задачей выявления предпочтений и ограничений пользователей и их учётом при разработке интерфейсов. До появления UCD дизайн интерфейса был практически второстепенной задачей, следующей за программированием, и полностью зависел от программистов, при полном игнорировании конечного пользователя.

Как это связано с EID?

Подход UCD обычно фокусируется на отдельных взаимодействиях между пользователем и интерфейсом, чего недостаточно для работы с современными, все более сложными системами, где требуется централизованный контроль информации, которая отображается на различных интерфейсах с разной степенью детализации. EID является предпочтительным дополнением к процессу проектирования сложных систем, особенно когда даже опытные пользователи не обладают полным пониманием функционирования всей системы в целом (например, электростанции, атомной электростанции, нефтеперерабатывающего завода и т.д.). Известно, что пользователи не всегда понимают, и даже не осознают необходимость понимать, все взаимосвязи, лежащие в основе сложных процессов, которыми они управляют через свои интерфейсы. Более того, пользователи не всегда осведомлены об ограничениях, влияющих на систему, с которой они работают, и выявление этих ограничений может потребовать дополнительных усилий (Burns & Hajdukiewicz, 2004). EID интегрирует подход, основанный на ограничениях, в процесс проектирования, анализируя ограничения предметной области до получения обратной связи от пользователей. EID направлен на понимание сложной системы – ее структуры, архитектуры и первоначального замысла, а затем на передачу этой информации конечному пользователю, что снижает порог вхождения и помогает достичь более высокого уровня квалификации. Такой подход к проектированию интерфейсов, основанный на ограничениях, также упрощает обработку непредвиденных событий, поскольку нарушение ограничения становится видимым для пользователя, который может оперативно взаимодействовать с интерфейсом для восстановления ограничения и устранения неполадки. Это ни в коей мере не умаляет полезности UCD, но подчеркивает, что EID предлагает уникальный взгляд на процесс проектирования и может использоваться в сочетании с другими методами когнитивной инженерии для улучшения пользовательских интерфейсов и повышения надежности взаимодействия человека и машины.

Иерархия абстракции

Иерархия абстракции (AH) — это пятиуровневая функциональная декомпозиция, используемая для моделирования рабочей среды, или, чаще называемой рабочей областью, для сложных социотехнических систем (Rasmussen, 1985). В рамках EID, AH используется для определения того, какая информация должна отображаться на системном интерфейсе и как эта информация должна быть организована. AH описывает систему на различных уровнях абстракции, используя связи «как» и «почему». Переход вниз по уровням модели отвечает на вопрос о том, как достигаются определенные элементы системы, а переход вверх — почему эти элементы существуют. Элементы на верхнем уровне модели определяют цели и задачи системы. Элементы на нижних уровнях модели указывают и описывают физические компоненты (т.е. оборудование) системы. Связи «как» и «почему» на AH отображаются в виде связей «средство-цель». AH обычно разрабатывается с использованием систематического подхода, известного как анализ рабочей области (Vicente, 1999a). Не редкость, когда анализ рабочей области приводит к созданию нескольких моделей AH, каждая из которых рассматривает систему на разном уровне физической детализации, определяемом с помощью другой модели, называемой иерархией «часть-целое» (Burns & Hajdukiewicz, 2004). Каждый уровень в AH представляет собой полное, но уникальное описание рабочей области.

Функциональное назначение

Уровень функционального назначения (ФН) описывает цели и задачи системы. Автоматизированная система (АС) обычно включает в себя более одной цели системы, которые могут конфликтовать или дополнять друг друга (Burns & Hajdukiewicz, 2004). Взаимосвязь между целями указывает на потенциальные компромиссы и ограничения в рабочей среде системы. Например, цели холодильника могут заключаться в охлаждении продуктов до определенной температуры при минимальном потреблении электроэнергии.

Абстрактная функция

Абстрактный уровень функции (AF) описывает базовые законы и принципы, определяющие цели системы. Это могут быть эмпирические законы в физической системе, юридические законы в социальной системе или даже экономические принципы в коммерческой системе. В общем случае, эти законы и принципы касаются величин, которые необходимо сохранять или которые циркулируют в системе, таких как масса (Burns & Hajdukiewicz, 2004). Работа холодильника (как теплового насоса) подчиняется второму закону термодинамики.

Общая функция

Уровень обобщенной функции (GF) объясняет процессы, лежащие в основе законов и принципов, выявленных на уровне AF, то есть, как реализуется каждая абстрактная функция. Между элементами, присутствующими на уровне GF, существуют причинно-следственные связи. Холодильный цикл в холодильнике предполагает перенос тепла из области с низкой температурой (источник) в область с более высокой температурой (поглотитель).

Физическая функция

Уровень физической функции (PFn) раскрывает физические компоненты или оборудование, связанные с процессами, идентифицированными на уровне GF. Возможности и ограничения этих компонентов, такие как максимальная производительность, также обычно указываются в AH (Burns & Hajdukiewicz, 2004). Например, холодильник может состоять из теплообменных труб и газового компрессора, способного создавать определенное максимальное давление на хладагент.

Физическая форма

Уровень физической формы (PFo) описывает состояние, местоположение и внешний вид компонентов, представленных на уровне PFn. В примере с холодильником теплообменные трубы и газовый компрессор расположены определенным образом, что наглядно демонстрирует их расположение. К физическим характеристикам могут относиться цвет, размеры и форма.

Иерархия причинной абстракции

Иерархия, описанная ранее, представляет собой функциональную иерархию абстракции. Функциональная иерархия абстракции акцентирует внимание на связях "средство-цель" или "как-почему" в иерархии. Эти связи являются прямыми и иллюстрируются на всех пяти уровнях иерархии абстракции. По мере усложнения систем, нам необходимо отслеживать структуру потоков, а также понимать принцип работы системы. В этом случае становится необходима причинно-следственная иерархия абстракции. Когда схемы потоков становятся все более сложными и извлечение потоков непосредственно из схемы системы затрудняется, мы добавляем причинно-следственные модели к функциональным моделям. Причинно-следственные модели помогают детализировать структуру потоков и понять более сложные закономерности потоков на определенном уровне иерархии абстракции. Причинно-следственное представление иерархии абстракции имеет ту же структуру, что и функциональное представление, но с добавленными причинно-следственными связями. Причинно-следственные связи также известны как связи "внутри уровня". Они показывают, как процессы и потоки связаны между собой на каждом уровне. Оба представления тесно связаны, но обычно разрабатываются раздельно, поскольку это позволяет создать более четкую модель, отражающую большинство системных ограничений. В очень сложных потоковых системах причинно-следственные модели могут использоваться для упрощения или абстрагирования потоков. В таких случаях может оказаться проще сначала определить основные линии подачи и выпуска продукции, а затем линии управления, аварийного снабжения или переключения (Burns & Hajdukiewicz, 2004). Причинно-следственные связи наиболее полезны на уровнях обобщенной функции и абстрактной функции, которые отображают потоки материалов, процессов, массы или энергии.

Рамочная структура навыков, правил и знаний (SRK)

Рамочная структура навыков, правил и знаний (SRK) или таксономия SRK определяет три типа поведения или психологических процессов, возникающих при обработке информации оператором (Vicente, 1999a). Рамочная структура SRK была разработана Расмуссеном (1983) для помощи разработчикам в объединении информационных требований к системе и аспектов человеческого познания. В EID, SRK используется для определения того, как следует представлять информацию, чтобы максимально использовать возможности человеческого восприятия и психомоторные навыки (Vicente, 1999b). Поддержка поведения, основанного на навыках и правилах, при выполнении знакомых задач позволяет высвободить больше когнитивных ресурсов для поведения, основанного на знаниях, что особенно важно при управлении непредвиденными ситуациями. Эти три категории по сути описывают возможные способы извлечения и понимания информации, например, из интерфейса «человек-машина».

Уровень квалификации

Поведенческий навык – это тип поведения, который требует минимального или отсутствующего сознательного контроля при выполнении действия после формирования намерения; также известен как сенсомоторное поведение. Выполнение происходит плавно, автоматически и состоит из высокоинтегрированных поведенческих паттернов в большинстве случаев управления на основе навыков (Rasmussen, 1990). Например, езда на велосипеде считается поведенческим навыком, требующим очень небольшого внимания для управления после его освоения. Эта автоматизация позволяет операторам освободить когнитивные ресурсы, которые затем могут быть использованы для выполнения более сложных когнитивных функций, таких как решение проблем (Wickens & Hollands, 2000). Ошибки в поведенческих навыках – это типичные ошибки.

Уровень, основанный на правилах

Для поведения, основанного на правилах, характерно использование правил и процедур для выбора действий в знакомой рабочей ситуации (Rasmussen, 1990). Эти правила могут представлять собой набор инструкций, усвоенных оператором на основе опыта или полученных от руководителей и опытных коллег. Для выполнения управления, основанного на правилах, оператору не требуется знание базовых принципов работы системы. Например, в больницах существуют четко регламентированные инструкции на случай пожарной тревоги. Таким образом, при обнаружении пожара можно выполнить необходимые действия для обеспечения безопасности пациентов, не обладая знаниями о поведении огня. Ошибки в поведении, основанном на правилах, возникают из-за недостатка технических знаний.

Уровень знаний

Поведение, основанное на знаниях, представляет собой более высокий уровень рассуждений (Wirstad, 1988). Этот тип управления необходим, когда ситуация новая и непредсказуемая. Операторы должны обладать фундаментальными знаниями принципов и законов, управляющих системой. Поскольку операторам требуется формулировать осознанные цели, исходя из текущего анализа системы, когнитивная нагрузка обычно выше, чем при использовании поведения, основанного на навыках или правилах.