32、人机交互设计中的模型与挑战探索

人机交互设计中的模型与挑战探索

1. 领域控制面板的目标导向设计

在领域控制面板设计中，控制小部件与操作相映射，当用户执行操作时应用相应功能。执行者通常是与面板相关联的人类代理。操作参数来源于小部件的输入能力（如加速度率）以及其他可观察状态（如巡航控制中使用的当前速度作为设定点），还可利用实例信息表达额外约束（如速度适用于代理控制的列车）。

以列车启动场景为例，其流程如下：
1. 用户扮演“司机”角色请求启动列车。
2. 请求被转发到模拟器。
3. 模拟器接收请求（因车门关闭，条件满足）。
4. 发生相应状态转换。
5. 列车开始移动，控制面板（速度计）和侧视图（“前进”箭头）触发状态刷新。

若请求启动时车门处于打开状态，用户操作将被拒绝，这可通过信息小部件在用户界面层面发出信号，有助于模拟人类代理背后的自动化备份机制。

2. 相关工作对比

FAUST及其动画器与现有基于模型的集成开发环境（MB - IDE）方法有显著差异。FAUST借鉴了需求工程中的四种模型，能在不同模型中同时处理功能需求（FR）和非功能需求（NFR），而传统MB - IDE主要关注用户视角和部分非功能需求，如可移植性、可用性等，且仅在任务模型中处理部分NFR。

以下是不同动画方法的对比：
| 方法类型 | 特点 | 工具示例 | 局限性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 基于状态机 | 如Statecharts或UML状态图，工具可执行有限状态机（FSM）并与图形视图耦合 | Statemate、Rhapsody | |
| 基于表格 | 用多个表格建模输入 - 输出关系 | SCR - toolset、SpecTRM | SCR库缺乏概念结构 |
| 标记转换系统（LTS） | 依赖场景豆（scenebeans），提供低级动画原语 | LTSA | |
| 现有MB - IDE中的对话模型 | 通常通过任务模型创建，但问题往往未充分指定 | | 需要设计师手动选择设计选项并调整模型 |

其他目标导向方法如Formal Tropos虽有动画器但无可视化能力。

3. 目标导向设计的优势与未来展望

目标模型为控制面板设计提供了基于属性的范式，替代了传统的数据导向或任务导向范式。提出了从目标模型设计一致控制面板用户界面的方法，并提供了目标导向的小部件库。该成果已应用于需求动画器，用于设计面向代理的动画，且在多个案例研究中得到测试，目前正应用于更大规模的工业案例。

FAUST及其动画器与现有MB - IDE的主要区别在于：
- 利用需求工程模型生成完全可执行的用户界面，底层模型可执行、动态且更具表现力，能自动生成对话和完整动画。
- 现有MB - IDE需人工运行模型检查技术验证属性，而FAUST生成的界面通过构建满足FR和NFR，无需依赖此类技术。
- 目标模型包含FR和NFR交织的内容，与传统任务模型仅关注用户目标不同。

未来工作旨在解决当前的一些局限性，包括支持具有全局监控/控制能力的监督代理，改进数据类型映射的结构机制，促进预组装子面板的重用，以及集成目标监控器以在界面层面报告警报。

4. 基于模型设计的未来挑战

在人机交互领域的基于模型设计（MBD）方法中，第一代用户界面构建工具基于数据库模型，第二代包含用户模型、任务模型等，而第三代模型面临着当前和未来的挑战。

用户是复杂的实体，其行为、情感等会影响所代表的模型。MBD通常从无错误的角度考虑，但需扩展边界以处理用户的错误操作。此外，难以在模型中捕捉模糊信息、情感等，也难以确定在多大程度上能对用户界面设计的质量方面进行建模并融入经验。

在软件工程领域，MBD方法取得了很大成功，如UML被广泛接受，但软件工程和人机交互中使用的模型存在差距。需要解决模型的可访问性、可用性、集成和一致性问题，同时在需求收集时弥合不同社区MBD之间的差距。MBD还应支持更多交互技术，适应多用户环境。

UCD通常是迭代过程，MBD中模型的重新设计应更轻松，且模型应具有可重用性。此外，还需考虑将指南、模式、模板和非功能需求（如安全性）融入模型，以改进未来的用户界面。

以下是MBD未来挑战的mermaid流程图：

graph LR
    A[用户因素] --> B[捕捉模糊信息]
    A --> C[处理用户错误]
    D[模型差距] --> E[可访问性与可用性]
    D --> F[模型集成与一致性]
    G[交互技术] --> H[支持多种交互方式]
    G --> I[适应多用户环境]
    J[模型特性] --> K[轻松重新设计]
    J --> L[可重用性]
    M[其他方面] --> N[融入指南等]
    M --> O[考虑非功能需求]

5. 设计过程中支持可用性和性能之外的价值

设计计算机系统时，除了效率、可靠性、可用性和性能等常见设计要求，还应考虑支持人类和社会价值。这些价值因应用领域而异，可从技术与用户、组织和社会的交互角度进行考虑。

在人机交互层面，除了可用性，创造力、美学和趣味性等价值也能提升用户满意度和体验，但企业接受这些价值还需时间。

对于公司和组织，设计面临着保证隐私和公平性、调和文化差异等挑战。这不仅涉及技术设计，组织也需将这些价值作为优先事项，以影响其绩效和财务增长。

随着互联网的发展，伦理问题在设计中变得越来越重要。互联网的无监管性导致一些犯罪活动，设计不佳的系统也会引发事故，这对设计师的角色提出了挑战。伦理要求设计师和众多利益相关者（如采用组织、用户、政府和监管机构）都具备专业性。

6. 移动性与环境交互带来的设计挑战

移动用户改变了与系统交互的上下文，为设计带来了新的维度。应用程序有时需适应不同上下文，这增加了应用构建的复杂性。在“环境”交互中，系统需理解用户意图并提供相关且适当的响应。

从设计角度看，需确定上下文的哪些部分与用户任务或特定应用相关，考虑上下文模型所需的详细程度和复杂性。在建模上下文时，需要有用的抽象来推理与用户相关的上下文方面以及系统响应和适应的上下文方面。

面临的具体问题包括上下文切换和上下文叠加，可能需要工具支持。还需探讨是否需要特定的上下文模型，以及任务模型的扩展是否足够。上下文模型可能需要考虑实时问题、模式、自适应界面、用户模型、领域模型和设备模型等额外维度。

对于环境应用，需要了解用户意图以提供适当的系统行为。可探索避免典型错误的方法和提供特定环境“服务”的模式，以及如何将用户意图与上下文的依赖关系融入模型。

以下是移动性与环境交互设计挑战的列表：
1. 确定相关上下文部分
2. 考虑上下文模型的详细程度和复杂性
3. 处理上下文切换和叠加问题
4. 确定是否需要特定上下文模型
5. 考虑上下文模型的额外维度
6. 建模用户意图
7. 融入用户意图与上下文的依赖关系

人机交互设计中的模型与挑战探索

7. 领域控制面板设计的深入剖析

领域控制面板设计是一个复杂且关键的领域，其核心在于控制小部件与操作的精准映射。这种映射关系确保了用户操作能够准确地转化为系统响应。

从操作参数的来源来看，它不仅依赖于小部件本身的输入能力，还与其他可观察状态紧密相关。例如在列车控制系统中，加速度率作为小部件的输入能力，而当前速度作为可观察状态，共同构成了操作参数。通过这种方式，系统能够根据实际情况进行精确的控制。

在列车启动场景中，每一个步骤都有着明确的逻辑和目的。用户请求启动列车是整个流程的起点，这一请求通过特定的机制转发到模拟器。模拟器在接收到请求后，会根据预设的条件进行判断，如车门是否关闭。只有当条件满足时，才会允许状态转换，从而使列车开始移动。随后，控制面板和侧视图的状态刷新，为用户提供了直观的反馈，让用户能够实时了解列车的运行状态。

为了更清晰地展示这一过程，我们可以用以下表格进行总结：
| 步骤 | 操作描述 |
| ---- | ---- |
| 1 | 用户扮演“司机”角色请求启动列车 |
| 2 | 请求被转发到模拟器 |
| 3 | 模拟器接收请求（因车门关闭，条件满足） |
| 4 | 发生相应状态转换 |
| 5 | 列车开始移动，控制面板（速度计）和侧视图（“前进”箭头）触发状态刷新 |

8. 不同动画方法的详细对比

在相关工作中，不同的动画方法各有特点和局限性。FAUST及其动画器凭借借鉴需求工程中的四种模型，在处理功能需求和非功能需求方面具有独特的优势。

基于状态机的方法，如Statecharts或UML状态图，通过工具如Statemate和Rhapsody，能够实现有限状态机的执行并与图形视图耦合。这种方法在处理复杂的状态转换时具有较高的效率，但可能在某些特定场景下缺乏灵活性。

基于表格的方法，如SCR和RSML，利用多个表格来建模输入 - 输出关系。虽然这种方法能够清晰地展示系统的逻辑，但SCR库缺乏概念结构，可能会给开发和维护带来一定的困难。

标记转换系统（LTS）依赖场景豆（scenebeans），提供了低级动画原语。这种方法具有较好的可扩展性和可重用性，但在处理复杂的交互逻辑时可能会显得力不从心。

现有MB - IDE中的对话模型通常通过任务模型创建，但由于问题往往未充分指定，需要设计师手动选择设计选项并调整模型。这不仅增加了设计的难度，还可能导致设计结果的不一致性。

以下是不同动画方法的详细对比表格：
| 方法类型 | 特点 | 工具示例 | 优势 | 局限性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 基于状态机 | 利用状态图实现状态转换 | Statemate、Rhapsody | 处理复杂状态转换效率高 | 灵活性不足 |
| 基于表格 | 用表格建模输入 - 输出关系 | SCR - toolset、SpecTRM | 逻辑展示清晰 | 缺乏概念结构 |
| 标记转换系统（LTS） | 依赖场景豆提供低级动画原语 | LTSA | 可扩展性和可重用性好 | 处理复杂交互逻辑能力弱 |
| 现有MB - IDE中的对话模型 | 通过任务模型创建 | | | 问题未充分指定，需手动调整 |

9. 目标导向设计优势的进一步阐述

目标导向设计为控制面板设计带来了诸多优势。通过提供基于属性的范式，它能够更好地满足系统的功能需求和非功能需求。

从功能需求的角度来看，目标模型能够明确系统需要实现的具体功能，从而指导设计过程。例如在列车控制系统中，目标模型可以确定列车启动、加速、减速等功能的具体要求。

在非功能需求方面，目标导向设计能够考虑到系统的可靠性、可用性、性能等方面的要求。通过将这些要求融入到设计中，能够提高系统的整体质量。

目标导向的小部件库为面板的组装提供了便利，使得设计过程更加高效和灵活。同时，将成果应用于需求动画器，能够实现系统的可视化和动态展示，帮助设计师更好地理解和验证设计方案。

以下是目标导向设计优势的mermaid流程图：

graph LR
    A[目标导向设计] --> B[满足功能需求]
    A --> C[考虑非功能需求]
    B --> D[明确具体功能要求]
    C --> E[提高系统整体质量]
    A --> F[目标导向小部件库]
    F --> G[便利面板组装]
    A --> H[应用于需求动画器]
    H --> I[实现可视化和动态展示]

10. 基于模型设计挑战的应对策略

针对基于模型设计面临的挑战，我们可以采取一系列的应对策略。

在处理用户因素方面，为了捕捉模糊信息和处理用户错误，我们可以采用机器学习和人工智能技术。通过对大量用户数据的分析和学习，系统能够更好地理解用户的行为和意图，从而提高对模糊信息的处理能力。同时，建立错误处理机制，当用户出现错误操作时，系统能够及时给予提示和纠正。

对于模型差距问题，提高模型的可访问性和可用性可以通过优化模型的接口和文档来实现。加强模型的集成和一致性，可以采用统一的建模标准和工具，确保不同模型之间的兼容性和协同工作能力。

在支持多种交互技术和适应多用户环境方面，我们可以开发通用的交互框架，支持虚拟现实、触觉触摸、多模态、手势和语音识别等多种交互方式。同时，设计多用户管理机制，确保不同用户之间的交互不会相互干扰。

为了实现模型的轻松重新设计和可重用性，我们可以采用模块化设计思想，将模型分解为多个独立的模块，每个模块具有明确的功能和接口。这样，在需要重新设计时，只需要对相关模块进行修改，而不会影响到其他模块。同时，模块的可重用性也能够提高开发效率。

在融入指南、模式、模板和考虑非功能需求方面，我们可以建立设计知识库，收集和整理各种设计指南、模式和模板。在设计过程中，设计师可以参考这些知识库，快速生成符合要求的设计方案。同时，将非功能需求纳入到设计评估指标中，确保设计方案在满足功能需求的同时，也能够满足非功能需求。

11. 设计中支持多元价值的重要性及实践

在设计计算机系统时，支持可用性和性能之外的价值具有重要的意义。随着技术的发展，计算机系统已经不仅仅是工具，而是与人类社会紧密相连的一部分。因此，设计过程中需要考虑到人类和社会价值。

在人机交互层面，创造力、美学和趣味性等价值能够为用户带来全新的体验。例如，在游戏设计中，富有创意的游戏玩法和精美的画面能够吸引更多的用户。然而，企业接受这些价值还需要时间，因为他们往往更关注传统的可用性和性能指标。为了推动这些价值的应用，设计师可以通过案例展示和用户反馈，让企业认识到这些价值对用户满意度和忠诚度的影响。

对于公司和组织，保证隐私和公平性、调和文化差异等挑战是设计过程中不可忽视的问题。在设计技术系统时，需要采用先进的加密技术和隐私保护机制，确保用户的隐私不被泄露。同时，在设计界面和功能时，要考虑到不同文化背景的用户需求，避免出现文化冲突。

伦理问题在设计中也越来越受到关注。设计师需要遵守职业道德规范，确保设计的系统不会对用户和社会造成危害。同时，企业和政府也需要加强监管，制定相关的法律法规，规范设计行为。

以下是设计中支持多元价值的实践步骤列表：
1. 明确设计目标，将人类和社会价值纳入到设计要求中。
2. 进行用户调研，了解用户对不同价值的需求和期望。
3. 制定设计方案，在方案中体现多元价值。
4. 进行设计评估，评估设计方案是否满足多元价值的要求。
5. 根据评估结果进行优化和改进，确保设计方案的最终实施。

12. 移动性与环境交互设计挑战的解决方案

针对移动性与环境交互带来的设计挑战，我们可以采取以下解决方案。

在确定相关上下文部分方面，我们可以采用上下文感知技术。通过传感器收集用户的位置、时间、环境等信息，系统能够自动识别与用户任务或特定应用相关的上下文部分。例如，在导航应用中，系统可以根据用户的位置和目的地，提供相关的导航信息。

对于上下文模型的详细程度和复杂性，我们可以根据具体的应用场景进行调整。在简单的应用场景中，可以采用较为简单的上下文模型；而在复杂的应用场景中，则需要采用更详细和复杂的上下文模型。

处理上下文切换和叠加问题，可以采用智能切换机制。当上下文发生变化时，系统能够自动切换到合适的模式或界面。同时，对于上下文叠加的情况，系统可以采用分层显示或自适应调整的方式，确保用户能够清晰地获取所需信息。

在确定是否需要特定上下文模型方面，我们可以根据应用的需求进行判断。如果任务模型的扩展能够满足需求，则可以不使用特定的上下文模型；否则，需要开发专门的上下文模型。

考虑上下文模型的额外维度，如实时问题、模式、自适应界面、用户模型、领域模型和设备模型等，可以采用多模型融合的方法。将不同的模型进行整合，形成一个综合的上下文模型，能够更好地反映实际情况。

建模用户意图可以采用机器学习和自然语言处理技术。通过对用户的行为和语言进行分析，系统能够推断出用户的意图，并提供相应的服务。同时，将用户意图与上下文的依赖关系融入到模型中，可以提高系统的智能性和适应性。

以下是移动性与环境交互设计挑战解决方案的表格：
| 挑战问题 | 解决方案 |
| ---- | ---- |
| 确定相关上下文部分 | 采用上下文感知技术 |
| 考虑上下文模型详细程度和复杂性 | 根据应用场景调整 |
| 处理上下文切换和叠加问题 | 采用智能切换机制 |
| 确定是否需要特定上下文模型 | 根据应用需求判断 |
| 考虑上下文模型额外维度 | 采用多模型融合方法 |
| 建模用户意图 | 采用机器学习和自然语言处理技术 |
| 融入用户意图与上下文依赖关系 | 优化模型结构 |