Seminar Heuristische Verfahren – Das Tastatur-Anordnungs-Problem mit Ameisen 1
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SeminarSeminarHeuristische VerfahrenHeuristische Verfahren
Das Das Tastatur-Anordnungs-Tastatur-Anordnungs-
ProblemProblem
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Das Das Tastatur-Anordnungs-Tastatur-Anordnungs-
ProblemProblem
Susin Savas
03.02.2004
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Motivation
• Layout einer Tastatur scheinbar ungeordnet? Alphabetisch Treffer-Rate Ergonomisch
• Ursprünglich für Schreibmaschinen entworfen• QWERTY Layout, Sholes Brüder, 1873• Keine Verklemmungen der Tasten• Entworfen für Remington II
Jahrzehnte lang StandardVerbesserungen in Ergonomie undTrefferrate (Marsan, Dvorak) nicht durchgesetzt
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Motivation
Ergonomische Nachforschung für das Anordnungs-Problem erfolglos
Grund: unrealistische Modelle, keine Optimierungs-Methode
Beispiele: Tipp-Geschwindigkeit, schnelles Erlernen des Tipp Systems von Norman und
Fischer, 1982 komplexere ergonomische Kriterien von Pollatschek 1975, Burkard und
Offermann 1977
Lösung: 6 theoretisch abgeleitete heuristische Regeln, experimentell geprüft
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Das Tastatur-Anordnungs-Problem
Lösungs-Ansatz:
Ein abstraktes Tastatur Modell definieren
Eine Bewertungsfunktion (Optimierungsfunktion) definieren, basierend auf ergonomischen Regeln
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Repräsentation einer Tastatur
Aufteilung der Tastatur in: Rechte Hand, linke Hand Spalten (0-7 rechte Hand und 0-8 linke Hand) Zeilen (0-5)
Zur exakten Identifikation jeder einzelnen Taste
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Kriterien für Ergonomie
•ZieleErmüdungsfreies TippenMaximieren der Tipp-GeschwindigkeitVermindern von Tipp-FehlernEinfaches Erlernen des Layouts
•Optimierungs-Funktionlineare Kombination aus 6 Teilfunktionenliefern quantitative Ergebnisse ergonomischer Kriterien
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Kriterien für Ergonomie
1. Erreichbarkeit & Belastung Lastverteilung möglichst auf
Alle Finger
Beide Hände
Unterschiedliche Erreichbarkeit von Tasten
2. Anzahl der Tasten-Drücke Möglichst minimal
3. Hand-Wechsel Aufeinanderfolgende Tasten-Drücke
möglichst mit wechselnder Hand
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Kriterien für Ergonomie
4. Fortlaufender Gebrauch des gleichen Fingers Möglichst abwechselnde Finger
5. Vermeiden großer Sprünge Aufeinanderfolgende Tasten
möglichst eng zusammen
6. Treffer-Richtung Aufeinanderfolgende Tasten
bei gleicher Hand möglichstvon Außen nach Innen
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Grundidee: Basiert auf natürlichem Verhalten der Ameisen Ameisen finden kürzesten (optimalen) Weg Nest ↔ Nahrungsquelle Verwendung von Pheromon-Spuren
Beschreibung:1. Initiale Phase
Parameter auf Anfangswerte setzen
2. Iterative Phasesolange wiederholen bis vordefinierte Bedingung erreicht
Zeichen-nach-Taste Zuordnung: Berechnung der wahrscheinlich günstigsten Taste für das Zeichen
Ameisen-Algorithmus
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Ameisen-Algorithmus
Initiale Phase:
Ameisen-Sammlung von N Agenten Text-Quelle definieren Jeder Ameise leere Zeichen Kette der fixen Länge l zuweisen Jeder Ameise eine leere Tastatur zuweisen Eine Pheromon-Matrix erstellen,
u.U. ihre Elemente auf Werte, die von Lösung einer hoch qualitativen Tastatur-Anordnung stammen, initialisieren
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Ameisen-Algorithmus
Iterative Phase: Die zu Ameisen zugeordneten Tastaturen werden geleert Den Ameisen werden Zeichen-Ketten aus dem Text zugeordnet
Jede Ameise liest ihre Zeichen-Kette Produziert Menge kombinierte Zeichen (CCS) CCS werden der Tastatur zugeordnet bis Ende der Zeichen Kette Restliche CCS werden zufällig der restlichen Tasten zugeordnet
Jede Ameise bewertet ihre Lösung Mit dem Koeffizient ρall Pheromon Matrix verdampfen ד ← ρall ד
Auswahl der besten Lösungen mit ∆ד ·q(k) verstärken Pheromon Matrix auf das Intervall [דmin ,דmax] beschränken
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Ameisen-Algorithmus
Zuordnung der Zeichen-nach-Taste:
Für alle freie Tasten j Berechnung einer Wahrscheinlichkeit gemäß:
CCS an der gewählten Taste platzieren Die Zuordnung verdampfen lassen
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Ergebnisse
Beste Tastatur-Anordnung: Französische Tastatur AZERTY als Referenz (Wert 1.0) 2000 Iterationen in 14h an einem 400 MHz PC Textquelle „Le Monde“ Endergebnis 0.487
Gute Tastaturen haben gleiche Haupteigenschaften: Alle Vokale mit einer Hand Seltene Konsonanten auf der gleichen Seite wie Vokale Position von Vokalen und häufig benutzten Konsonanten zueinander gleich
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Ergebnisse
Für Deutsche und Englische Tastaturen: Textquelle „Spiegel“ und „USA Today“ Referenz-Tastaturen QWERTZ bzw. QWERTY (1.0) Werte der Optimierungsfunktionen 0.592, 0.593 Zum Vergleich: Dvorak 0.61
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Fazit
Die Arbeiten zeigen:
Ameisen Algorithmus effektiv und liefert effizient sehr gute Lösungen
Dvorak- und Marsan-Tastaturen sind übertroffen Theoretisches Tastatur-Modell wertvoll für (andere)
Simulationen Spezielle Rechts- oder Linkshänder-Tastaturen Mehrsprachige Tastaturen Besondere Tastaturen, z.B. Industrie-Einsatz
Praktische Überprüfung der Ergebnisse bisher ausgeblieben
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Literatur
Jan Eggers et al., „Optimization of the keyboard arrangement problem using an Ant Colony algorithm“, European Journal of Operational Research 148 (2003), Seiten 672-686
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Fragen
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