Seminar Heuristische Verfahren Das Tastatur-Anordnungs-Problem optimiert mit Ameisen Susin Savas 03.02.2004

Layout einer Tastatur scheinbar ungeordnet? 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 Standard Verbesserungen in Ergonomie und Trefferrate (Marsan, Dvorak) nicht durchgesetzt

6 theoretisch abgeleitete heuristische Regeln, experimentell geprüft 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

Das Tastatur-Anordnungs-Problem Lösungs-Ansatz: Ein abstraktes Tastatur Modell definieren Eine Bewertungsfunktion (Optimierungsfunktion) definieren, basierend auf ergonomischen Regeln

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

Kriterien für Ergonomie Ziele Ermüdungsfreies Tippen Maximieren der Tipp-Geschwindigkeit Vermindern von Tipp-Fehlern Einfaches Erlernen des Layouts Optimierungs-Funktion lineare Kombination aus 6 Teilfunktionen liefern quantitative Ergebnisse ergonomischer Kriterien

Kriterien für Ergonomie Erreichbarkeit & Belastung Lastverteilung möglichst auf Alle Finger Beide Hände Unterschiedliche Erreichbarkeit von Tasten Anzahl der Tasten-Drücke Möglichst minimal Hand-Wechsel Aufeinanderfolgende Tasten-Drücke möglichst mit wechselnder Hand

Kriterien für Ergonomie Fortlaufender Gebrauch des gleichen Fingers Möglichst abwechselnde Finger Vermeiden großer Sprünge Aufeinanderfolgende Tasten möglichst eng zusammen Treffer-Richtung Aufeinanderfolgende Tasten bei gleicher Hand möglichst von Außen nach Innen

Zeichen-nach-Taste Zuordnung: Ameisen-Algorithmus Grundidee: Basiert auf natürlichem Verhalten der Ameisen Ameisen finden kürzesten (optimalen) Weg Nest ↔ Nahrungsquelle Verwendung von Pheromon-Spuren Beschreibung: Initiale Phase Parameter auf Anfangswerte setzen Iterative Phase solange wiederholen bis vordefinierte Bedingung erreicht Zeichen-nach-Taste Zuordnung: Berechnung der wahrscheinlich günstigsten Taste für das Zeichen

Initiale Phase: Ameisen-Algorithmus 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

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

Zuordnung der Zeichen-nach-Taste: 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

Beste Tastatur-Anordnung: 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

Für Deutsche und Englische Tastaturen: 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

Ameisen Algorithmus effektiv und liefert effizient sehr gute Lösungen 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

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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