Методы проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах

Абдулин, Евгений Рудольфович

Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методы проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах

кандидата технических наук: Абдулин, Евгений Рудольфович
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.13.11

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Методы проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах»

Автореферат диссертации по теме "Методы проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах"

На правах рукописи

а—

АБДУЛИН ЕВГЕНИЙ РУДОЛЬФОВИЧ

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ КОМПЛЕКСАХ

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность:

05.13.11 "Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей"

- з НОЯ 2011

Москва 2011

4858738

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт проблем информатики РАН

Научный руководитель — доктор технических наук

Будзко Владимир Игоревич

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук

Синицин Владимир Игоревич

кандидат технических наук Басок Борис Моисеевич

Ведущая организация — Учреждение Российской академии наук

Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

Защита диссертации состоится «30» ноября 2011 г. в 16 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д002.073.01 при Учреждении Российской академии наук Институт проблем информатики РАН по адресу: 119333, Москва, ул. Вавилова, 44, корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институт проблем информатики РАН.

Автореферат разослан « {3» 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д002.073.01 доктор технических наук, профессор

Гринченко С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сфера применения многофункциональных мультимедийных комплексов (ММК) постоянно расширяется. Сегодня она охватывает широкий спектр приложений, включая учебные аудитории, конференц-залы, комплексные системы мониторинга, ситуационные центры и центры управления и т.д. Развитие ММК характеризуется возрастанием сложности их архитектуры. В крупных приложениях управление ММК требует значительного количества обслуживающего персонала, в связи с этим для автоматизации управления ММК применяются интегрированные системы управления (ИСУ). Отказы в работе ИСУ нарушают работу всего ММК: делают недоступными его сервисы, в частности, своевременную выдачу пользователям аудио и видеоинформации. Это может привести к принятию пользователями неверных решений и нарушениям в функционировании удаленных управляемых объектов. Причинами отказов могут быть человеческий фактор и ошибки в программном обеспечении (ПО) ИСУ. Человеческий фактор может сыграть отрицательную роль в человеко-машинном взаимодействии операторов ИСУ с системой, особенно в случае плохо построенного человеко-машинного (пользовательского) интерфейса ПО ИСУ ММК. ПО ИСУ ММК и его пользовательский интерфейс во многом определяют функциональные возможности, производительность и надежность ММК в целом.

При этом актуальной является задача минимизации совокупной стоимости владения ММК с ИСУ при достижении требуемых параметров функционирования ММК.

Исследованию вопросов, связанных с проектированием эффективного ПО, анализу его надежности и отказоустойчивости, а также с проектированием и реализацией человеко-машинного взаимодействия с использованием различных интерфейсных средств (клавиатура, "мышь" и др.), в различные годы были посвящены труды таких ученых, как В.М. Глушков, В.П. Иванников, С.А. Орлов, У. Ройс, Б. Боэм, X. Фам, М. Фаулер, К. Бек (проектирование ПО); В.В. Липаев, Г. Майерс, Б. Бейзер (надежность ПО); А.П. Ершов, C.B. Емельянов, В.П. Зинченко, В.И. Медведев, А.Б. Леонова, С. Кард, А. Ньювелл, Д. Раскин, Д. Кирас, Б. Джон, Д. Андерсон (человеко-машинное взаимодействие).

Однако, вопросы проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия для ИСУ ММК с учетом использования в данных системах в качестве интерфейсных средств среднеформатных сенсорных панелей, исследованы недостаточно.

В связи с этим можно сформулировать актуальную научно-техническую задачу повышения эффективности проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК с пользовательским интерфейсом на среднеформатных сенсорных панелях с целью обеспечения снижения затрат на разработку и функционирование ИСУ ММК, что приводит к снижению совокупной стоимости владения системой в целом.

Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы разработать методику проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК, позволяющую решить поставленную научно-техническую задачу.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка технологического подхода к проектированию ПО ИСУ ММК;

2. Разработка метода построения программного кода, обеспечивающего надежную работу ИСУ ММК;

3. Анализ подходов к проектированию пользовательского интерфейса, с целью разработки метода, позволяющего сократить количество обслуживающего персонала ИСУ ММК и время выполнения задач пользователем;

4. Анализ и разработка формальных критериев качества пользовательского интерфейса на среднеформатных сенсорных панелях;

5. Экспериментальная проверка точности моделирования интерфейса формальными методами и сравнения различных подходов к проектированию интерфейса;

6. Разработка методики применения данных подходов и методов при проектировании ПО ИСУ ММК.

Данные задачи были решены в ходе работы.

Объектом исследования являются интегрированные системы управления многофункциональными мультимедийными комплексами. Предметом исследования является: 1) технологический подход к проектированию программного обеспечения таких систем; 2) мультипрограммный режим работы ПО ИСУ ММК и проблема возникновения "тупиков" на уровне прикладного ПО; 3) человеко-машинный интерфейс ИСУ ММК.

Содержание диссертационного исследования соответствует специальности 05.13.11 "Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей" (пункты 1, 3, 6, 7, 10 паспорта специальностей ВАК).

Методическая база исследования построена на достижениях отечественных и зарубежных ученых в области проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия, а также методах структурного программирования, семантического анализа и других научных дисциплинах.

При анализе разработанных методов и алгоритмов использовались следующие методы моделирования: инженерные модели интерфейсов Keystroke-Level Model (KLM), методы построения сетевых графиков с выделенным критическим путем, модели прогнозирования надежности ПО Джелински-Моранды и Миллса.

В качестве информационной базы исследования использовались: материалы специальных периодических изданий, нормативная документация (ГОСТы, стандарты международных организаций), открытые ресурсы сети Интернет.

Новизна работы состоит в том, что:

■ разработана методика проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК;

■ разработан метод предотвращения "тупиков" на уровне прикладного ПО ИСУ ММК с помощью языковых средств разработки ПО ИСУ ММК;

■ проведена формализация пользовательского интерфейса ИСУ ММК и на её основе предложены критерии качества пользовательских интерфейсов на среднеформатных сенсорных панелях;

■ применен сигнатурный анализ в целях выявления ошибок в гипотезах о расстановке ментальных операторов в модели KLM;

■ в целях синтеза адекватных моделей KLM разработан алгоритм построения сетевых графиков с выделенным критическим путем на основе результатов моделирования (визуализации) с помощью когнитивной архитектуры ACT-R (Adaptive Control of Thought— Rational).

Достоверность полученных результатов подтверждается теоретической обоснованностью применяемых к исследованию научных методов, практическим применением разработанной методики для задач проектирования и внедрения ПО ИСУ ММК и их пользовательских интерфейсов а также экспериментальной проверкой характеристик ПО ИСУ ММК, разработанного в соответствии с предложенной в работе методикой.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанная методика проектирования ПО и человеко-машинного

взаимодействия ИСУ ММК повышает эффективность разработки и функционирования различных ММК в учебных аудиториях, конференц-залах, комплексных системах мониторинга, ситуационных центрах и центрах управления.

Разработанная методика позволяет также сократить совокупную стоимость владения ММК с ИСУ за счет повышения надежности их ПО, производительности труда обслуживающего персонала и сокращения его численности. Снижается необходимое время обучения для работы с системой и вероятность ошибки пользователя. Общие методические рекомендации по разработке ПО ИСУ ММК позволяют унифицировать процессы проектирования, моделирования, реализации и внедрения ПО ИСУ, в состав которого входит интерфейсы на сенсорных панелях. Такая унификация обеспечивает разработку ПО ИСУ ММК с заданным уровнем качества и снижает материальные затраты на создание и внедрение ИСУ в интересах различных заказчиков.

Реализация результатов исследования. Методика проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия для интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными комплексами была реализована при разработке и внедрении более 30 проектов в интересах Национального Банка Республики Татарстан, Главных управлений Банка России по Астраханской, Брянской, Ульяновской, Воронежской областям, и других Территориальных учреждений Банка России.

Реализация подтверждается четырьмя Актами о внедрении результатов исследований. В дальнейшем полученные результаты планируется использовать при создании новых систем управления и мониторинга в реальном времени, а также расширении функциональных возможностей и масштабировании уже созданных систем.

■ международная конференция "Human Factors in Computing Systems", CHI 2011, ACM SIGCHI, Ванкувер, Канада;

■ международная конференция "Новые информационные технологии и менеджмент качества", NIT&QM'2010, Белек, Турция;

■ научно-техническая конференция "Ситуационные центры и информационно-аналитические технологии поддержки принятия решений-2010", Москва, Россия;

■ 59-я и 60-я Научно-Технические конференции Московского Института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) Москва, Россия.

Отдельные результаты планируется использовать в учебном процессе в технических вузах при преподавании курсов "Человеко-машинное взаимодействие" и "Тестирование программного обеспечения" и сопряженных с ними дисциплин.

На защиту выносятся следующие полученные автором научные результаты:

1. Технологический подход к проектированию программного обеспечения интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными комплексами, ориентированный на повышение надежности функционирования ПО ИСУ ММК и реализацию эффективного пользовательского интерфейса;

2. Метод построения программного кода интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными комплексами, предотвращающий возникновение "тупиков" на уровне прикладного программного обеспечения;

3. Средства формализации основных понятий человеко-машинного (пользовательского) интерфейса и допустимых над ними математических действий;

4. Метод построения адекватных моделей KLM с корректирующей обратной связью.

Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 8 публикациях общим объемом 4,6 печатных листа, из них 4,5 авторских (в гаданиях, рекомендованных ВАК - 3 публикации, общим объемом 3 печатных листа, из них 3 авторских).

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, 16 таблиц, 24 рисунков, заключения, четырех приложений, списка литературы, включающего 108 наименований. Объем основного текста работы -144 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, проводимого в рамках диссертационной работы, сформулирована научно-техническая задача исследования, указана степень разработанности проблемы, обозначены цель работы, объект, предмет и область исследования, перечислены составляющие его методической и информационной базы, приведены основные задачи исследования. Обоснованы научная новизна, достоверность результатов исследования, приведена практическая ценность работы, сведения о реализации результатов исследования.

В первой главе - «Методические вопросы построения управляющих систем и их программного обеспечения» - проводится анализ существующих методов, составляющих теоретическую и практическую базу проектирования ПО, обозначаются основные проблемы их применения при разработке ПО ИСУ ММК. Формулируется также описательная и формализованная постановка задачи.

Рассматривается архитектура изучаемых систем - ИСУ ММК, а также особенности их интерфейсных средств, в качестве которых применяются среднеформатные (диагональ от 7 до 17 дюймов) сенсорные панели. Приводятся результаты исследований рынка устройств, использующих такие интерфейсные средства - данный сегмент рынка демонстрирует бурный рост, темпы которого, согласно прогнозам, будут увеличиваться. Производится обзор методического обеспечения организации процесса разработки ПО.

Проанализированы три основных технологических подхода к проектированию ПО (водопадный, инкрементный, эволюционный), рассмотрены типовые требования к ПО, критерии, показатели, параметры и индикаторы, особенности организации процесса разработки ПО ИСУ ММК, взаимодействия между заказчиком и исполнителем. Требования по надежности к ПО ИСУ ММК выражены в конкретных значениях сопряженных параметров (индикаторов).

Поскольку в ИСУ ММК в качестве системного ПО используется операционная система реального времени (ОСРВ), показано, что при разработке методики создания прикладного ПО ИСУ ММК необходимо учитывать особенности ОСРВ. Программный код прикладного ПО ИСУ ММК состоит из нескольких компонентов, в том числе: подпрограмм, инициализирующей части, обработчиков прерываний и регулярной части. Алгоритм выполнения данного кода средствами ОСРВ можно обобщённо представить в виде модели на основе асинхронной нераскрашенной

неингибиторной сети Петри без приоритетов и свойства самомодификации

Если данный алгоритм не учитывается, возникает проблема взаимных блокировок, или "тупиков" (deadlocks), которые приводят к потере работоспособности ИСУ ММК. Возникновение такой ситуации рассмотрено на примере типовой задачи при реализации алгоритмов управления. Возникновение "тупика" показано с помощью матричного метода расчета достижимости маркировок в сетях Петри (1):

MK=M0+f(c)D, (1)

где Мк - конечная маркировка, А/о - начальная маркировка,/^ - вектор срабатывания переходов, D=D+-D \ D+ - матрица входных дуг, D~ - матрица выходных дуг.

Матричное уравнение (1) для сети на рис. 1 сводится к решению системы линейных уравнений (2):

~*4 ~Х> +Х6 =0

*2-*4=о (2)

xt-xt=l xs-x6=\

Система уравнений (2) имеет следующие корни: xt=l; х2=0; x3=ci; х4=0; Х}=0; Хв=-1; cteN В связи с тем, что один из корней указанной системы

уравнений является отрицательным, конечная маркировка, обозначающая успешное завершение обработки прерывания, недостижима. "Тупик" определяется маркировкой Mj=(0 I 0 с, 0 1), с, eN, при которой не может сработать ни один переход, кроме /2.

Обосновано существование решений задачи по предотвращению "тупиков", представлен один из вариантов такого решения (на основе базовых методов программирования).

Обоснована важная роль пользовательского интерфейса в аппаратно-программных комплексах, в частности, системах управления, а также важность своевременного проектирования пользовательского интерфейса.

В работе качество пользовательского интерфейса оценивается с помощью двух ключевых параметров - времени выполнения задач пользователем и информационная эффективность. Данный параметр представляет собой соотношение объема информации, которую теоретически необходимо системе получить от пользователя для начала работы, к объему информации, который фактически необходимо передавать системе пользователю через её пользовательский интерфейс.

Рассмотрены существующие подходы к проектированию интерфейса для аппаратно-программных систем от ведущих мировых производителей прикладного ПО - Sun, Apple, Microsoft, произведен их семантический анализ. Результат данного анализа показал наличие дополнительных неявных направлений. Данные направления нередко являются отступлениями или даже прямыми нарушениями изложенных производителями основных положений их подходов в области создания пользовательских интерфейсов. Как результат, снижается эффективность внедрения новых систем, увеличиваются материальные и временные издержки, связанные с владением новой системой.

В первой главе также показано, что существует актуальная научно-техническая задача повышения эффективности проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК с целью обеспечения снижения затрат на разработку и функционирование ИСУ ММК, что приводит к снижению совокупной стоимости владения системой в целом. Данная задача рассматривается в работе как совокупность следующих подзадач:

• Разработка технологии проектирования ПО ИСУ ММК;

• Предотвращение "тупиков" на уровне ПО ИСУ ММК;

• Разработка метода проектирования эффективного пользовательского интерфейса ИСУ ММК;

• Построение и проверка гипотез о расстановке ментальных операторов в модели KLM пользовательского интерфейса ИСУ ММК;

• Разработка методики применения разработанных методов при проектировании ПО ИСУ ММК.

Во второй главе - «Разработка подходов и методов проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах» - основное внимание уделено описанию разработанных подходов и методов, производится их теоретический анализ.

Проанализированы существующие технологические подходы к проектированию ПО на предмет соответствия требованиям, указанным в постановке задачи. Показано, что наиболее близко данным требованиям соответствует эволюционный подход.

На основе данного подхода, сформулированных требований, результатов проведенного анализа, а также теоретического обобщения опыта развертывания ИСУ ММК, разработан и представлен технологический подход к проектированию ПО ИСУ ММК. Данный технологический подход призван обеспечить необходимое качество продукта (соответствие ГОСТ Р ИСО 90012008), а также надежность работы системы как неотъемлемой части качественной реализации человеко-машинного взаимодействия на наиболее высоком иерархическом уровне - уровне управления проектом.

Поскольку время выполнения задачи пользователем при работе с системой и информационная эффективность являются количественными характеристиками (показателями качества разработки интерфейса), по их значению возможно проводить сравнение различных вариантов интерфейса, а также оценивать качество их разработки. При введении разработчиком ПО индикаторов (пороговых значений), возможно оценивать необходимость внесения изменений в разработанный интерфейс. В связи с этим в работе проанализированы следующие варианты реализации процесса разработки и тестирования пользовательского интерфейса ИСУ ММК по отношению к проектированию системы в целом:

• по результатам внедрения;

• по результатам разработки;

• на стадии проектирования.

Показано, что наиболее экономически выгодным является третий вариант. Это происходит за счет того, что первый и второй вариант предусматривают повышенный уровень затрат материальных, временных и человеческих ресурсов на внесение изменений в уже готовом к выпуску продукте, а в первом варианте, дополнительно - в уже внедренной системе. В третьем варианте необходимость внесения изменений определяется на стадии моделирования, т.е. до осуществления цикла разработки подготовки продукта для подготовки его к выпуску. Это снимает необходимость повышенных затрат ценных ресурсов.

Своевременное проектирование интерфейса позволит решить ещё один существенный вопрос - создать структуру человеко-машинного взаимодействия максимально близкой для выполнения стоящих перед пользователем будущей системы задач, что позволяет спроектировать и реализовать интуитивно понятный интерфейс.

Ввиду необходимости априорного анализа ключевых свойств интерфейсов, разработанных на стадии проектирования системы в целом, произведен выбор средств моделирования процесса человеко-машинного взаимодействия. Рассмотрены два основных класса методов моделирования, обладающих заданными характеристиками - когнитивные архитектуры и инженерные модели. На основании сравнительного анализа выбран класс методов - инженерные модели GOMS (models of Goals, Operators, Methods and Selection rules), в данном классе выбрана модель KLM как удовлетворяющая заданным требованиям и при этом наиболее простая по сравнению с другими (CPM-GOMS (Cognitive-Perceptual-Motor GOMS), NGOMSL (Natural GOMS Language) и т.д.). Данная модель основана на спецификации действий пользователя на элементарном уровне, как физических - нажатие клавиши, перемещение указателя "мыши", так и ментальных - ментальной подготовке (например, выборка из рабочей памяти названия команды). Каждое действие пользователя, называемое оператором, ассоциировано с некоторым временным значением. Суммируя значения всех операторов в модели, можно получить априорную оценку времени выполнения задачи пользователем на конкретном варианте интерфейса.

Необходимо отметить, что временное значение ментального оператора является наибольшим среди определенных в модели KLM, в связи с чем при анализе интерфейсов количество ментальных операторов в структуре модели имеет важное значение. Однако, их расстановка (и, соответственно, общее количество) является нетривиальной задачей ввиду отсутствия четких правил, которые можно применить на всём множестве ситуаций. Существуют лишь приближенные эмпирические правила, в связи с чем расстановка ментальных

операторов для модели KLM основывается на некоторой гипотезе. Если эта гипотеза неверна, то ввиду большой весовой доли временных значений ментальных операторов, итоговая оценка модели будет обладать значительной погрешностью, а сами модели будут признаны неадекватными. Таким образом, существует научная проблема построения и коррекции гипотез о ментальных действиях пользователя при реализации человеко-машинного взаимодействия. С связи с этим сформулирована задача разработки метода, ориентированного на решение данной проблемы.

Технологический подход к проектированию ПО ИСУ ММК предусматривает включение в процесс проектирования создание макетов пользовательского интерфейса ИСУ ММК и получения априорных оценок его ключевых характеристик. Данный подход подразумевает введение понятий большого и малого циклов. Результатом применения большого цикла является конечная полнофункциональная версия ПО, а малого - модификация существующей полнофункциональной версии с целью устранения выявленных ошибок. На рис. 2. приведена структурная схема циклов, цветом выделены начальные этапы каждого их них:

Анализ требований

/-я итерация -

i+1-я итерация

Тестирование,

отладка I) <"я итерация

j+i-я итерация Анализ

Iнеисправностейт Комплексное ( (

тестирование

Эскиз

Выпуск

Оптимизаци (минимизация,| рефакторинг)

Проект

Реализация

о-о Элементы большого цикла

Элементы малого цикла

Этап

M----•)

Этапч-

Рис 2. Структурная схема циклов

В работе определены и обоснованы длительности каждой из стадий. Формирование алгоритма применения циклов с целью определения количества применений каждого из них (Пщ и пмц) и их очередности основано

на результатах, полученных в ходе теоретических изысканий, а также эмпирическим путем. Число последовательных применений большого цикла не должно быть меньше двух. В противном случае теряется одно из основных свойств эволюционного подхода - возможность разработки следующей конечной версии ПО на основе высказанных заказчиком уточненных требований. Требования уточняются (как правило, при этом происходит их существенное расширение), заказчиком на основании результатов пробного применения более ранних версий продукта, а также (по возможности) - участия в его разработке. Такое уточнение сопровождается внесением соответствующих изменений в ТЗ с целью более достижения более полного соответствия требованиям по реализации производственных задач заказчика.

Согласно определению, малый цикл предусматривает модификацию продукта, которая в случае внесений новых элементов в его структуру, должна быть протестирована на предмет внесенных ошибок. В связи с этим число последовательных применений малого цикла также не должно быть меньше двух.

Ограничения по времени разработки ПО предусматривают оптимизацию временных затрат, следовательно их увеличение производится лишь в случае выявления такой необходимости. Разрабатываемый подход в заданных условиях предусматривает двукратное применение большого цикла, а затем -двукратное применение малого цикла, т.е. пщ=2; пщ=1\

■ первое применение большого цикла (выпуск версии 1.0) -разработка исходной версии ПО с учётом пожеланий заказчика, выраженных формализованным образом (ТЗ);

■ второе применение большого цикла (выпуск версии 2.0) -разработка версии ПО, с учётом скорректированных требований заказчика и выявленных особенностей реализации;

■ первое применение малого цикла (выпуск версии 2.1) -устранение выявленных проблем функционирования (ошибок), внедрение программных средств защиты от неверных действий;

• ■ второе применение малого цикла (выпуск версии 2.2) -устранение ошибок, внесенных на предыдущем шаге.

Для обеспечения надежной работы системы на более низком иерархическом уровне - уровне выполнения программного кода, разработан метод построения программного кода прикладного ПО ИСУ ММК с учетом особенностей ОСРВ. Данный метод направлен на решение проблемы возникновения "тупиков" на уровне прикладного ПО ИСУ ММК. Эта проблема может быть решена также путем применения базовых методов программирования (рис. 1), однако, такое решение имеет ряд недостатков по

сравнению с разработанным методом: а) приоритетность выполнения ключевых элементов кода становится самой низкой из возможных; б) такое решение имеет меньшую надежность и масштабируемость; в) существует риск изменения области памяти, выделенной обрабатывающей алгоритмической структуре, из-за прерывания её выполнения.

Модель сети Петри для данной задачи, при применении предлагаемого метода, выглядит во многом схоже с вариантом, представленным на рис. 1, с той лишь разницей, что переход 15 и позиция вЗ соединяются дополнительным ребром. Это позволяет исключить отрицательные корни в системе уравнений, описывающих данную сеть Петри. Следовательно, "тупиков" при реализации данного решения не возникнет.

На основе результатов применения предлагаемого метода сформулированы практические рекомендации к разработке программного обеспечения в условиях ОСРВ применительно к ИСУ ММК.

Дальнейшее решение поставленной в главе 1 задачи производится непосредственно на иерархическом уровне построения интерфейса пользователя. На основании дополненной понятийной базы, обобщения существующего методического аппарата проектирования пользовательских интерфейсов, а также практики его применения, предложен метод построения пользовательского интерфейса ИСУ ММК. Данный метод основан на следующих десяти положениях:

1. Немодальность (отсутствие режимов);

2. Монотонность (наличие единственного способа выполнения конкретной задачи);

3. Унификация (применение набора команд, одинакового для всех приложений);

4. Видимость (доступность для восприятия пользователем всех доступных в данный момент действий);

5. Модели "предмет-действие" (пользователь сначала выбирает предмет действия, а затем - необходимое действие);

6. Структурная оптимизация для любых алгоритмов действий пользователя;

7. Защита контента (от последствий нештатных ситуаций и случайных действий пользователя);

8. Однородность рабочей среды (независимость представления данных пользователю от текущего приложения);

9. Обеспечение обратной связи для любых действий пользователя;

Ю.Состоятельность (очевидность для пользователя способа

применения того или иного элемента интерфейса).

В качестве дополнения к существующей теоретической базе в научную практику автором введены новые элементы формализованной понятийной базы. Определение интерфейса сформулировано на основе теории множеств следующим образом: пользовательский интерфейс - это набор и1=(Е,Б,А,У,Я,Р,1), где Е=(е11е2,.~е,...е^ - множество элементов интерфейса;

.4,...з^ - множество состояний элемента; А=(а1,а2,...а,...а^ -множество операций по входу; - множество операций по

воздействию; К=(г!,г2,...г1...г^ - множество операций по результату; Р=(р1,р},...р1...р^ - множество параметров по входу, I -

множество операций индикации. Определены также функциональные составляющие интерфейса, предложена их классификация по функциональной нагруженное™.

Помимо определений, введены понятия допустимых действий над обозначенными элементами, т.н. кванторов вызова. Квантор вызова имеет три вида, показанные формулами:

о атРт у

т у т - квантор вызова первого вида, когда с помощью

некоторой операции по входу ат е А и некоторого подмножества (набора)

параметров Рт е Р вызывается некоторое упорядоченное подмножество (набор)

операций по воздействию Уг;

" ^Н-т - квантор вызова второго вида, когда система в ответ на появление на её входе упорядоченного подмножества (набора) операций по воздействию Ут через временные интервалы (упорядоченное множество)

множество операций по результатам Ят

Щ 1 квантор вызова третьего вида, когда с помощью

некоторого множества элементов операций индикации /г, соответствующего элементам множества Нг элементы интерфейса переводятся в некоторое новое состояние 5„

Кванторы первого и второго, второго и третьего вида можно объединять, образуя сложные кванторы из двух или трех кванторов. Объединение возможно тогда и только тогда, когда соответствующие множественные аргументы кванторов эквивалентны. Например, У, -»Я, можно объединить с Л, —> 5,, получив сложный квантор Г, -> К1 -> , но не с Я2 -у £3.

Функционально полным квантором вызова называется такой составной квантор вызова, который включает в себя последовательно кванторы вызова первого, второго, и третьего вида, например:

Физический смысл функционально полного квантора вызова состоит в активации пользователем определенного элемента интерфейса и изменение состояния данного интерфейса в соответствии с реакцией системы.

Применительно к пользовательским интерфейсам, данные понятия дополняют существующий аппарат математической теории множеств.

В главе 2 также формализованы в виде критериев основные положения метода проектирования интерфейса ИСУ ММК, изложенные в главе 1. Так, например, критерий немодальности определен следующим образом: любому элементу множества А и, связанному с ним множеству Р в любой момент времени соответствует определенное упорядоченное подмножество элементов V. Состав и порядок элементов в указанном подмножестве является константой.

Иначе говоря: для любого элемента а, е. А, такого, что существуют функции с(а) и £(а^, отображающие данный элемент на множества Е и Р соответственно, существует функция р(а¡), значение которой есть некоторое подмножество К, е К, причем данное отображение является константой, и не существует другого отображения на множество V для указанного элемента множества А. Данное функциональное сопоставление элементов множеств А и Е единственно.

Математическая запись критерия немодальности представлена формулой

При выполнении данного условия активация пользователем каждого элемента интерфейса в любой момент времени будет воспринято системой независимо от состояния других элементов этого интерфейса.

Для решения проблемы построения и проверки гипотез о расстановке ментальных операторов в модели KLM, разработан специальный метод, который также используется для коррекции данных гипотез. Метод включает в себя два последовательно выполняемых этапа:

St —> ï^j —> 7?! —> S.

(3):

a, s А;

(3)

1. Специальные подготовка к проведению и обработка результатов экспериментов; при этом эксперимент проводится таким образом, чтобы каждый шаг пользователя при выполнении задачи (а не только начало и окончание её выполнения), при взаимодействии с системой фиксировался с соответствующей временной меткой. Обработка же результатов должна подразумевать получение на её выходе полной экспликации действий пользователя на уровне, максимально приближенном к уровню операторов модели KLM;

2. Применение специально разработанного алгоритма, позволяющего преобразовывать визуальное представление (визуализацию) ACT-R в сетевой график с выделенным критическим путем для уточнения гипотезы о расстановке ментальных операторов, используемой в модели KLM, что позволяет повысить точность временных прогнозов модели. Выявление и коррекция ошибок производятся с помощью сигнатурного анализа (под сигнатурой в данной работе понимается последовательность временных интервалов, каждый из которых соответствует элементарному действию в смысле модели KLM, т.е. может быть сопоставлен с оператором KLM.).

Метод позволяет получать модели KLM с достаточным уровнем адекватности (погрешность - менее 10%).

В третьей главе - «Разработка программного обеспечения для интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными комплексами» - рассмотрены вопросы применения разработанной методики на практике. Обоснована эффективность разработанных подходов и методов посредством исследования статистических результатов их применения. Приведены примеры реализованных проектных решений (ИСУ ММК учебного класса с возможностью оперативного преобразования в опорный центр технической поддержки, ИСУ ММК актового и конференц-залов, ИСУ ММК кабинетов руководителей высшего звена, ИСУ ресурсами системы многоточечной видеоконференцсвязи ММК). Разработаны практические рекомендации по применению предлагаемой методики.

Представлены результаты проверочного расчета надежности ПО данных ИСУ ММК, разработанного с использованием технологического подхода к проектированию ПО ИСУ ММК. Для оценки надёжности ПО использовались модели Джелински-Моранды и Миллса (табл. 1):

Табл. 1. Результаты обработки полученных статистических данных на _основе моделей Джелински-Моранды и Миллса

Объект 1 2 3

Объём кода, строк 1320 3612 1642

Интервал времени между обнаружением первой и последней ошибки (в скобках - общее время наблюдения), дни 41(45) 44(45) 24(45)

Число обнаруженных ошибок,шт. 9 11 6

Число внесенных ошибок, шт. 20 32 32

Число найденных внесенных ошибок, шт. 19 30 31

Оценка числа ошибок по модели Джелински-Моранды, шт. 9,773 11,641 5,731

Оценка числа ошибок по методу максимального правдоподобия по методу Миллса, шт. 9,474 11,733 6,194

Оценка времени до обнаружения следующей ошибки, дни 19,856 18,843 —

Вероятностная величина, характеризующая достоверность оценки по методу Миллса 0,690 0,549 0,842

Данные результаты показывают, что требования по надежности, предъявляемые к ПО ИСУ ММК, выполнены. Снижение обнаруженного и ожидаемого количества ошибок на единицу объема кода, а также повышение оценки достоверности в третьем случае связано с тем, что при создании ПО ИСУ ММК данного объекта использовался компонентный подход.

В данной главе также приведены результаты экспериментального исследования, целью которого являлась проверка эффективности метода построения интерфейса ПО ИСУ ММК на среднеформатных сенсорных панелях. Исследование проводилось на действующих ИСУ ММК. Участниками являлись сотрудники эксплуатирующих подразделений. В ходе исследования рассматривались три варианта интерфейса - интерфейс с модальным всплывающими окнами (далее - интерфейс 1), интерфейс с немодальными всплывающими окнами, но включающий в себя другие модальные элементы (далее - интерфейс 2), и полностью немодальный интерфейс (далее -интерфейс 3). Интерфейс 3 построен в соответствии с методом, предлагаемым в данной работе.

Задача построения модели KLM и произведения необходимых вычислений была решена при помощи автоматизированного программного средства CogTool. Исходные данные для CogTool собирались при помощи лог-системы, реализованной автором в ПО ИСУ ММК. Основная задача лог-системы — генерация логов, соответствующих всем событиям, значимым для

эксперимента, с присвоенной временной меткой, в виде текстовых файлов. При первичной обработке данных текстовых файлов использовалось ПО EventsAnalyzer, разработанное лично автором. Указанное ПО, используя в качестве входных данных текстовый файл лог-системы и заданную пару событий, разницу во времени которых необходимо измерить, генерировало таблицу в формате MS Excel, в которой были вписаны разности во времени между каждой парой событий, встречающейся в лог-файле. Далее, используя функциональный инструментарий пакета MS Excel, полученные результаты измерений анализировались на предмет получения описательной статистики.

Результаты экспериментального исследования свидетельствуют о том, что модель KLM при применении предложенной в диссертации методики применима к интерфейсам ИСУ ММК на среднеформатных сенсорных панелях, а также о том, что интерфейс 1 имеет существенно большее время выполнения задач на нём, чем на других интерфейсах. Лучшим вариантом с точки зрения выполнения задач пользователем является интерфейс 3 (табл. 2, рис. 3). Дополнительно интерфейс 3 обеспечивает более высокий уровень комфорта пользователя при работе.

Табл. 2. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных

для рассматриваемых вариантов интерфейсов

Номер интерфейса 1 2 3

Результат измерений, секунд 22,522 12,157 10,747

Предварительная оценка по СодТоо/, секунд 22,718 12,2 55 10,598

Расхождение по модели СодТоо!, % 0,863% 0,800% 1,406%

30,000

g 25,000

g 20,000 о

g 15,000 х

| 10,000

m 5,000 0,000

ll Предварительная оценка no CogTool И Результаты измерений

Интерфейс

Рис 3. Результаты проверки прогнозов ПО CogTool

На промежуточном этапе исследования оценивалась информационная эффективность интерфейса. Полученные значения информационной эффективности (табл. 3) также подтверждают преимущество интерфейса 3.

Табл. 3. Исходные данные для расчета и результаты расчета информационной

эффективности

№ задачи Интерфейс с модальными рорир-окнами (интерфейс I) Интерфейс немодачъными окнами fuiimcpQ с рорир-jcuc 2) Полностью немодальный интерфейс (интерфейс 3)

минам, необх. кол-во инф., бит фактич. необх. кол-во инф., бит инф. эффект. миним. необх. кол-во инф., бит фактич. необх. кол-во инф., бит инф. эффект. миним. необх. кол-во инф., бит фактич. необх. кол-во инф., бит инф. эффект.

4 15,299 35,405 43,2% 15,299 33,405 45,8% 15,299 27,791 55,1%

При построении модели KLM была принята гипотеза о расстановке ментальных операторов, построенная в соответствии с существующими подходами и рекомендациями. В дальнейшем на основе базовых экспериментальных данных и визуальном представлении когнитивной архитектуры ACT-R гипотеза была скорректирована в соответствии с предложенным методом. Показано увеличение точности исходной модели за счет уменьшения её погрешности с 8% до 1-2%.

Можно утверждать, что метод применим и для более сложных по содержанию и структуре моделей KLM. При решении более масштабных задач прогнозируется уменьшение погрешности с 15% до уровня не более чем 5%. Ещё более значимого эффекта возможно достигнуть при моделировании работы системы, предусматривающей одновременное выполнение оператором систем управления нескольких операций, так как в этом случае потенциал аппарата сетевого моделирования будет задействован наиболее полно. Данный аспект применения метода, равно как и работу оператора рассматриваемых систем управления в экстремальных условиях, можно оценить при проведении дополнительного исследования.

В заключении приводятся основные выводы по работе:

1. Разработанная методика проектирования ПО ИСУ ММК позволяет существенно снизить совокупную стоимость владения ИСУ ММК и управляемым объектом. Это происходит за счет увеличения производительности труда персонала, что приводит к сокращению его

необходимой численности; а также сокращения временных затрат на разработку и функционирование системы;

2. Технологический подход к проектированию ПО ИСУ ММК, позволяет разрабатывать ПО ИСУ ММК с заданными параметрами времени разработки и надежности, что подтверждено проверочными расчетами по моделям Джелински-Моранды и Миллса;

3. Разработанный метод построения программного кода ПО ИСУ ММК с учетом особенностей ОСРВ позволяет предотвращать взаимные блокировки -"тупики" на уровне прикладного ПО, предотвращая временные задержки по восстановлению работоспособности системы. Эффективность метода подтверждена результатами моделирования на основе сетей Петри, показана его роль в реализации человеко-машинного взаимодействия в разрабатываемом ПО;

4. Метод построения пользовательских интерфейсов ИСУ ММК на среднеформатных сенсорных панелях позволяет разрабатывать эффективные интерфейсы, ориентированные на цели человека и его особенности, что повышает его потребительские характеристики - снижает время обучения работе с системой, время выполнения пользовательских задач, а также необходимое количество обслуживающего персонала. Метод основан на разработанных формальных критериях качества пользовательских интерфейсов. В диссертации проведено экспериментальное исследование, подтверждающее точность моделирования пользовательских интерфейсов формальными методами, а также более высокую эффективность пользовательских интерфейсов, созданных по предложенному методу, по сравнению с базовыми;

5. Метод построения моделей KLM с корректирующей обратной связью позволяет синтезировать модели KLM, которые обладают необходимым и достаточным уровнем адекватности для моделирования пользовательских интерфейсов ИСУ ММК на среднеформатных сенсорных панелях, что также подтверждено результатами экспериментального исследования;

6. Разработанная методика проектирования ПО ИСУ ММК на основе ОСРВ может быть применена при проектировании широкого спектра аппаратно-программных комплексов, в которых осуществляется человеко-машинное взаимодействие посредством среднеформатных сенсорных панелей.

В приложения вынесены поясняющие и вспомогательные материалы.

Перечень публикаций по теме диссертации:

1. Абдулин Е. Р. Разработка прикладного программного обеспечения для систем реального времени с заданными параметрами функционирования / Системы высокой доступности., М.: "Радиотехника", №1, т.б 2010. С.19-34.

2. Абдулин Е. Р. Решение задачи разработки прикладного программного обеспечения для интегрированных систем управления на базе операционных систем реального времени в условиях ограниченности временных ресурсов. / Системы высокой доступности, М.: "Радиотехника", № 4 2010. С.4-13.

3. Абдулин Е. Р. Метод построения и проверки гипотез о ментальных действиях пользователя при реализации человеко-машинного взаимодействия / Управление большими системами. Специальный выпуск 30.1 "Сетевые модели в управлении". М.: ИПУ РАН, 2010. С. 104-127.

4. Abdulin Е. (2011) Using the Keystroke-Level Model for designing user interface on middle-sized touchscreens. Extended Abstracts of CHI 2011 (Vancouver, ВС, Canada, May 7 - 12,2011) ACM, New York;

5. Абдулин E. P. "Организация структуры человеко-машинного взаимодействия при создании интегрированных систем управления", VII международная конференция "Новые информационные технологии и менеджмент качества, NIT&QM'2010", 2010;

6. Абдулин Е. Р. "Научно-методический подход к разработке интерфейсов интегрированных систем управления", 59-я Научно-Техничесхая конференция МИРЭА, 2010;

7. Абдулин Е. Р. "Метод построения инженерных моделей пользовательского интерфейса с корректирующей обратной связью ", 60-я Научно-Техническая конференция МИРЭА, 2011;

8. Абдулин Е. Р., Абросимов В.К. "Организация управления многофункциональным мультимедийным комплексом ситуационной комнаты", конференция "Ситуационные центры и информационно-аналитические технологии поддержки принятия решений", 2010 (личный вклад диссертанта -описание структуры интегрированных систем управления и опыта применения таких систем)-,

Подписано в печать: 13.10.11

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 785 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Абдулин, Евгений Рудольфович

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Методические вопросы построения управляющих систем и их программного обеспечения.

1.1 Обзор области применения ИСУ ММК и их архитектуры.

1.2 Обзор развития .технологических подходов к проектированию ПО.

1.3 Возникновение "тупиков" на уровне прикладного ПО ИСУ ММК.

1.4 Исследование существующих подходов и методов к разработке пользовательских интерфейсов.

1.4.1 Обобщение рассмотренных подходов к проектированию интерфейсов, их недостатки.

1.4.2 Основные положения подхода к разработке человекоориентированных интерфейсов.

1.5 Описательная и формализованная постановка задачи.

1.6 Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка подходов и методов проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах.

2.1 Технологический подход к проектированию ПО ИСУ ММК.

2.1.1 Проектирование и оценка пользовательских интерфейсов.

2.1.2 Выбор модели интерфейса применительно к ИСУ ММК.

2.1.3 Основные структурные элементы подхода — большой и малый циклы.

2.1.4 Алгоритм применения большого и малого циклов.

2.2 Разработка ПО ИСУ ММК с заданными параметрами функционирования в условиях ОСРВ.

2.2.1 Разработка вариантов решения типовых задач.

2.2.2 Сравнительный анализ вариантов последовательной и структурной реализации.

2.3 Аспекты разработки интерфейсов ПО ИСУ ММК. Основные положения и критерии.

2.3.1 Формализация определений пользовательского интерфейса и ввод классификации его элементов.

2.3.2 Формализация основных положений метода разработки пользовательского интерфейса ПО ИСУ ММК.

2.4 Метод построения моделей KLM с корректирующей обратной связью.

2.5 Методика проектирования ПО ИСУ ММК.

2.6 Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка программного обеспечения для интегрированных систем управления многофункциональными мулътимедийнымшкомплексами.

3.1 Разработка ИСУ ММК - проектные решения комплекса аппаратно-программных средств.

3.2 Проектирование ПО ИСУ ММК согласно разработанному технологическому подходу.

3.2.1 Использование технологического подхода к проектированию ПО ИСУ ММК при исходных данных, превышающих рассмотренные диапазоны.

3.3 Разработка интерфейса пользователя ПО ИСУ ММК.

3.3.1« Методическое обеспечение экспериментального исследования.

3.3.1 Применение метода построения моделей KLM с корректирующей обратной связью.

3.3.2 Результаты экспериментального исследования и их обработка.

Введение 2011 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Абдулин, Евгений Рудольфович

Актуальность работы. Сфера применения многофункциональных мультимедийных комплексов (ММК) постоянно расширяется. Сегодня она охватывает широкий спектр приложений, включая учебные аудитории, конференц-залы, комплексные системы мониторинга, ситуационные центры и центры управления и т.д. Развитие ММК характеризуется возрастанием сложности их архитектуры. В крупных приложениях управление ММК требует значительного количества обслуживающего персонала, в связи с этим для автоматизации управления ММК применяются интегрированные системы управления (ИСУ). Отказы в работе ИСУ нарушают работу всего ММК: делают недоступными его сервисы, в частности, своевременную выдачу пользователям аудио и видеоинформации. Это может привести к принятию пользователями неверных решений и нарушениям в функционировании удаленных управляемых объектов. Причинами отказов могут быть человеческий фактор и ошибки в программном обеспечении (ПО) ИСУ. Человеческий фактор может сыграть отрицательную роль вч человеко-машинном взаимодействии операторов ИСУ с системой. В человеко-машинном взаимодействии существует множество проблем, решение которых требуют научного подхода. К их числу, относятся такие, как: выбор решений по построению пользовательского интерфейса, в том числе на основе принципиально новых средств - голосового, жестового ввода информации, сенсорных панелей и т.д.; восприятие информации и реагирование на её поступление человеком; повышение производительности труда пользователя при использовании системы; обеспечение стабильности работы системы, её адекватности командам пользователя.

От качества решения первой проблемы напрямую зависит подход к решению остальных и количество затрачиваемых при этом ресурсов — человеческих, материальных, временных, и т.д. Здесь и далее в работе под понятием "интерфейс" будет пониматься именно пользовательский интерфейс, применительно к ИСУ — графический интерфейс пользователя (ГИП). Интерфейс — точка сопряжения двух главных элементов системы "человек-машина", посредством его осуществляется человеко-машинное взаимодействие. Некачественно реализованный интерфейс увеличивает срок обучения персонала при внедрении новой системы, время выполнения производственных задач, время реакции персонала на сигналы системы, в том числе и экстренного характера. Подчас требуется увеличение численности персонала. Всё это ведет к увеличению расходов на внедрение и владение системой.

В- связи с этим актуальной является задача минимизации совокупной стоимости владения ММК с ИСУ при достижении требуемых параметров функционирования ММК. Поэтому методы построения, интерфейса, предусматривающие его оптимизацию, должны обеспечивать оптимизацию ресурсов, затрачиваемьгх в. процессе внедрения- и эксплуатации создаваемой системы управления и. минимизировать риски, ошибок в управлении. Данные ошибки, как правило, имеют необратимый характер и способны привести к причинению значительного материального ущерба, а в критических системах — к трагическим последствиям и жертвам.

Кард, А. Ньювелл, Д. Раскин, Д. Кирас, Б. Джон, Д. Андерсон (человеко-машинное взаимодействие).

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка технологического подхода к проектированию ПО ИСУ ММК;

2. Разработка метода построения программного кода, обеспечивающего надежную работу ИСУ ММК;

6. Разработка методики применения данных подходов и методов при проектировании ПО ИСУ ММК.

Данные задачи были решены в ходе работы.

Содержание диссертационного исследования соответствует специальности 05.13.11 "Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей" (пункты 1, 3, 6, 7, 10 паспорта специальностей ВАК).

При анализе разработанных методов и алгоритмов использовались следующие методы моделирования: инженерные модели, интерфейсов Keystroke-Level Model (KLM), методы построения сетевых графиков с выделенным критическим путем, модели прогнозирования надежности ПО Джелински-Моранды и Миллса.

В качестве информационной базы исследования использовались: материалы специальных периодических изданий, нормативная документация

ГОСТы, стандарты международных организаций), открытые ресурсы сети Интернет.

Новизна работы состоит в том, что: разработана методика проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК; разработан метод предотвращения "тупиков" на уровне прикладного ПО ИСУ ММК с помощью языковых средств разработки ПО ИСУ ММК; проведена формализация пользовательского интерфейса ИСУ ММК и на её основе предложены критерии качества пользовательских интерфейсов на среднеформатных сенсорных панелях; применен сигнатурный анализ в целях выявления ошибок в гипотезах о расстановке ментальных операторов в модели KLM; в целях синтеза адекватных моделей KLM разработан алгоритм построения сетевых графиков с выделенным, критическим путем на основе результатов моделирования (визуализации) с помощью когнитивной архитектуры ACT-R.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанная методика проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК повышает эффективность разработки и функционирования различных ММК в учебных аудиториях, конференц-залах, комплексных системах мониторинга, ситуационных центрах и центрах управления. и

Разработанная методика позволяет также сократить совокупную стоимость владения ММК с ИСУ ММК за счет повышения надежности их ПО, производительности труда обслуживающего персонала и сокращения его численности. Снижается необходимое время обучения для работы с системой и вероятность ошибки пользователя. Общие методические рекомендации по разработке ПО ИСУ ММК позволяют унифицировать процессы проектирования, моделирования, реализации и внедрения ПО ИСУ ММК, в состав которого входит интерфейсы на сенсорных панелях. Такая унификация обеспечивает разработку ПО ИСУ ММК с заданным уровнем качества и снижает материальные затраты на создание и внедрение ИСУ ММК в интересах различных заказчиков.

Реализация результатов исследования. Методика проектирования программного обеспечения и человеко-машинного' взаимодействия для интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными комплексами,была реализована при разработке и внедрении более 30 проектов в интересах Национального Банка Республики Татарстан, Главных управлений Банка России.* по Астраханской, Брянской, Ульяновской, Воронежской областям, и других Территориальных учреждений Банка России.

Реализация подтверждается> четырьмя Актами' о внедрении результатов исследований. В дальнейшем полученные результаты планируется использовать при создании новых систем управления и мониторинга в реальном времени, а также расширении функциональных возможностей и масштабировании уже созданных систем.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены на пяти научных конференциях, посвященных информационным технологиям и человеко-машинному взаимодействию: международная конференция "Human Factors in Computing Systems", CHI 2011, ACM SIGCHI, Ванкувер, Канада; международная конференция "Новые информационные технологии и менеджмент качества", ЖГ&С)М'2010, Белек, Турция; научно-техническая конференция "Ситуационные центры и информационно-аналитические технологии поддержки принятия решений-2010", Москва, Россия;

59-я и 60-я Научно-Технические конференции Московского Института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) Москва, Россия.

На защиту выносятся следующие полученные автором научные результаты:

1. Технологический подход к проектированию программного обеспечения интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными. комплексами, ориентированный на повышение надежности функционирования ПО ИСУ ММК и реализацию эффективного пользовательского интерфейса;

4. Метод построения адекватных моделей KLM с корректирующей обратной связью.

Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 8 публикациях общим объемом 4,6 печатных листа, из них 4,5 авторских (в изданиях, рекомендованных ВАК - 3 публикации, общим объемом 3 печатных листа, из них 3 авторских).

Заключение диссертация на тему "Методы проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах"

3.4 Выводы по главе 3>

В главе 3 представлены, основные результаты проектирования и внедрения программного обеспечения' интегрированных систем управления на основе операционных систем реального времени в соответствии с разработанной в главе 2 методикой и приведены практические рекомендации по проектированию данного программного обеспечения.

1. ПО ИСУ ММК, спроектированное по методике, разработанной в главе 2, внедрено в ИСУ ММК более трёх десятков различных объектов в Территориальных Учреждениях Банка России с 2008 года. С помощью комбинирования- функций- подсистем, входящих в ММК, обеспечивается-возможность проектирования ММК для различных помещений (ситуационные комнаты, конференц-залы, актовые залы, учебные аудитории), с учетом их актуальных потребностей в мультимедийных и телекоммуникационных сервисах. Это показано на примере четырех объектов, которые условно можно отнести к типовым. Внедренные системы позволяют оперативно предоставлять пользователям мультимедийные и телекоммуникационные сервисы с высокой степенью интеграции, которая обеспечивается применением ИСУ ММК.

2. Надежность ПО ИСУ ММК, разработанного в соответствии с технологическим подходом к проектированию ПО ИСУ ММК (раздел 2.1) и метода построения программного кода ПО ИСУ ММК (раздел 2.2), подтверждена с помощью результатов проведенного проверочного расчета надежности с использованием моделей Джелински-Моранды и Миллса. Данные результаты подтверждают эффективность применения предложенных методов в том числе как части решения задачи проектирования человеко-машинного взаимодействия для ИСУ ММК. Применение метода- позволяет предотвратить временные задержки по восстановлению работоспособности системы. Определены . пути совершенствования их основных положений- при применении в других областях.

3. Преимущества*, интерфейса ПО ИСУ ММК, разработанного в соответствии- с методом, предложенным в разделе. 2.3, по ключевым параметрам (время выполнения задач пользователем и информационная эффективность, а также комфорт в использовании и обучении), по сравнению с другими» вариантами интерфейса, разработанными, в соответствии- с базовыми методами, подтверждена результатами исследования свойств интерфейса ПО ИСУ ММК внедренных. ММК. Это обеспечивается за счет применения принципа ориентации, на цели пользователя и особенности человека, а также исключения режимов и всплывающих страниц, реализации взаимодействия'по-модели "предмет-действие". Повышение эффективности по указанным параметрам позволяет снизить время обучения работе с системой, время выполнения пользовательских задач, а также необходимое количество обслуживающего персонала.

4. Инженерная модель KLM применима для получения априорной оценки времени выполнения типовой задачи пользователем на конкретном варианте интерфейса ПО ИСУ ММК, что также подтверждено результатами экспериментального исследования на внедренных ММК. В ходе эксперимента погрешность модели не превысила 2%, для более сложных моделей погрешность прогнозируется на уровне не выше 5%. Данная модель является средством реализации технологического подхода к проектированию ПО ИСУ ММК и разработки пользовательского интерфейса одновременно с остальным ПО.

5. Разработанный в разделе 2.4 метод построения моделей KLM с корректирующей обратной связью, позволяет строить модели KLM с необходимым и достаточным уровнем адекватности (погрешность оценки, полученной по модели, не превышает 10%), повышая их точность по сравнению с применением базовых методов. Это подтверждается результатами экспериментального исследования, в ходе проведения которого засчет применения указанного метода удалось снизить погрешность модели с 8% до менее чем 2%. Указанный метод обеспечивает возможность применения синтезированных моделей KLM для решения широкого круга задач, связанных с моделированием современных пользовательских интерфейсов на среднеформатных сенсорных панелях.

Предложенная' в диссертационной работе методика - проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия интегрированных систем управления многофункциональными мультимедийными^ комплексами, результаты практического, применения которой представлены в главе 3, может быть использована при построении таких систем в интересах широкого спектра государственных и частных структур.

Заключение

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют сделать следующие выводы:

3. Разработанный метод построения программного кода ПО ИСУ ММК с учетом особенностей ОСРВ позволяет предотвращать взаимные блокировки - "тупики" на уровне прикладного ПО, предотвращая временные задержки по восстановлению работоспособности системы. Эффективность метода подтверждена результатами^ моделирования^ на основе сетей» Петри, показана его роль в реализации человеко-машинного1 взаимодействия в разрабатываемом ПО;

4. Метод построения пользовательских интерфейсов ИСУ ММК на среднеформатных сенсорных панелях позволяет разрабатывать эффективные интерфейсы, ориентированные на цели человека и его особенности, что повышает его потребительские характеристики — снижает время обучения работе с системой, время выполнения пользовательских задач, а также необходимое количество обслуживающего персонала. Метод основан на разработанных формальных критериях качества пользовательских интерфейсов. В диссертации проведено экспериментальное исследование, подтверждающее точность моделирования пользовательских интерфейсов формальными методами, а также более высокую эффективность пользовательских интерфейсов, созданных по предложенному методу, по сравнению с базовыми;

Разработанная методика доведена до уровня конкретных практических рекомендаций и может быть использована как в дальнейших теоретических исследованиях, так и при решении практических задач. Основные результаты опубликованы и реализованы, доступны широкой' научной общественности. Работа* в достаточной для подтверждения квалификационной мере-апробирована. На защиту выносятся следующие результаты, в комплексе представляющие собой основу разработанной методики:

4. Метод построения адекватных моделей КЬМ с корректирующей обратной связью.

Таким образом, в диссертации, с использованием современных научных методов, получено решение актуальной, обладающей новизной, теоретической и практической значимостью научно-технической задачи исследования и разработки методов проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия в многофункциональных мультимедийных комплексах. Поставленная диссертационной работе цель - разработать методику проектирования программного обеспечения и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК, позволяющую решить поставленную научно-техническую задачу повышения эффективности проектирования ПО и человеко-машинного взаимодействия ИСУ ММК с пользовательским интерфейсом на среднеформатных сенсорных панелях с целью обеспечения снижения затрат на разработку и функционирование ИСУ ММК, достигнута.

Библиография Абдулин, Евгений Рудольфович, диссертация по теме Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

1. Абдулин Е. Р. Метод построения и проверки гипотез о ментальных действиях пользователя при реализации человеко-машинного взаимодействия / Управление большими системами. Специальный выпуск 30:1 "Сетевые модели в управлении". М.: ИПУ РАН, 2010; С. 104-127

2. Абдулин Е. Р. Метод построения: инженерных моделей пользовательского интерфейса с корректирующей обратной связью, 60-я Научно-Техническая конференция МИРЭ А, 2011

3. Абдулин Е. Р. Научно-методический подход к разработке интерфейсов . интегрированных систем; управления;. 59-я Научно- . Техническая конференция МИРЭА, 2010

4. Абдулин Е. Р. Организация . структуры человеко-машинного взаимодействия5 при создании интегрированных систем управления; VII международная конференция: "Новые информационные технологии и менеджмент качества, МТ&рМ'2010", 2010

5. Абдулин Е. Р. Разработка прикладного программного: обеспечения для систем реального; времени с заданными параметрами функционирования / Системы, высокой доступности:,, М.: "Радиотехника", №1, т.6 2010. С. 19-34.

6. Абдулин Е. Р., Абросимов В.К. Организация управления многофункциональным мультимедийным комплексом ситуационной комнаты, конференция . "Ситуационные центры и информационно-аналитические технологии поддержки принятия решений", 2010

7. Бейзер Б. Тестирование черного ящика. Технологии функционального тестирования программного обеспечения и систем. — СПб: Питер, 2004

8. Богданов Д.В., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Стандартизация процессов обеспечения качества программного обеспечения. Апатиты, КФ ПетрГУ, 1997

9. Ю.Бурдонов И.Б., Косачев A.C., Пономаренко В.Н. Операционные системы реального времени 2006 г. Препринт Института системного программирования РАН, URL: http://www.citforum.ru/operatingsystems/rtos/

10. П.Бурков В. Н. и др. Сетевые модели и задачи управления. М., Советское радио, 1967.

11. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. Изд 11-е, стереотип. — М.: Кнорус, 2010.

12. Гмурман, В. Е. «Теория вероятностей и математическая статистика»: Учеб. пособие — 12-е изд., перераб.- М.: Юрайт, 2010.

13. Гордеев A.B. Системное программное обеспечение: Уч. -М.:Питер, 2001-2003.-736 с.

14. ГОСТ 34.003-90 Автоматизированные системы. Термины и определения16.ГОСТ Р ИСО 9001-2008

15. Дейтел Г. М. Введение в операционные системы.М.: Мир. 198718.3уховицкий С. И., Радчик И. А., Математические методы сетевогопланирования, М., 1965;

16. Илюшкин Б.И. Операционные системы. Процессы и потоки.— СПб.: СЗТУ, 2005. — 103 с.

17. Ключев А.О., Кустарев П. В., Ковязина Д. Р., Петров Е. В. Программное обеспечение встроенных вычислительных систем. — Санкт-Петербург: ИТМО, 2009.

18. Котов В.Е. Сети Петри М.: Наука, 1984.

19. Купер А. Психбольница в руках пациентов. Алан Купер об интерфейсах. Почему высокие технологии сводят нас с ума и как восстановить душевное равновесие, М.: Символ-Плюс, 2009

20. Купер А., Рейман Р., Кронин Д. Алан Купер об интерфейсе. Основы проектирования взаимодействия.—пер. с англ.—СПб: Символ-Плюс, 2009

21. Лаврищева Е.М., Петрухин В.А. Методы и средства инженерии программного обеспечения: МФТИ (ГУ), Москва, 2006

22. Майерс Г. Надёжность программного обеспечения.: Москва, «Мир», 1980

23. Международный информационный портал по информационной безопасности URL: http://www.cybersecurity.ru/27.0лифер В.Г., Олифер H.A. Сетевые операционные системы. — СПб.: Питер, 2003. — 539 с.

24. Орлов С.А. Технологии разработки программного обеспечения: Учебник для вузов. 3-е изд./—СПб.: Питер, 2004. — 524 с.

25. Раскин Д. Интерфейс: новые направления в проектировании компьютерных систем.—пер. с англ.—СПб: Символ-Плюс, 2005

26. Сеов С. Проектируем время. Психология восприятия времени в программном обеспечении, М.: Символ-Плюс, 2009

27. Столингс В. Операционные системы, 4-е издание. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. — 848 е.;

28. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд.—СПб.: Питер, 2003. —704 е.;

29. Таненбаум Э., Вудхалл А. Операционные системы. Разработка и реализация., 3-е изд.—СПб.: Питер, 2007. — 704 с.

30. Фаулер М. Рефакторинг. Улучшение существующего кода.—пер. с англ.—СПб: Символ-Плюс, 2009

31. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: учебник в 3-х томах, изд 9-е, стереотип. М.: Лань, 2009.

32. Зб.Электронный учебник по математической статистике. URL: http://www.statsoft.ru/home/textbook/

33. Abdulin Е. Using the Keystroke-bevel Model for designing user interface on middle-sized touchscreens. Extended Abstracts of СШ 2011 (Vancouver, ВС, Canada, May 7 12,2011)

34. Anderson J.R. How can the Human Mind Occur in the Physical Universe?, Oxford Scholarship Online, 2007

35. Anderson J.R., Lebiere C. The Atomic Component of Thought. -Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1998.

36. Anderson, J. R. et al. An integrated theory of the mind. Psychological Review 111, (4), 2004 1036-1060.

37. Apple* Computer. Human Interface Guidelines: The Apple Desktop Interface Reading, MA: Addison-Wesley, 1987.

38. Apple Human Interface Guidelines, Apple Inc.,2009

39. Boehm B. A View of 20th and 21st Century Software Engineering ICSE 2006 Keynote Address, 2006 URL: http://www.isr.uci.edu/icse-06/program/keynotes/Boehm-Keynote.ppt

40. Boehm В., A spiral model of software development and enhancement, ACM SIGSOFT Software Engineering Notes, v. 11 n.4, August 1986, p. 14-24

41. Boland, P. J. Challenges in Software Reliability and Testing. Department of Statistics National University of Ireland — Dublin, 2002

42. Card, S. K., Moran, T. P., & Newell, A. The keystroke-level model for user performance time with interactive systems. Communications of the ACM , 23(7), 1980,396-410.

43. Card, S. K., Moran, T. P., Newell, A. The psychology of humancomputer interaction. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1983

44. Caroll, J. M., HCI models, theories, and frameworks: toward a multidisciplinary science, Morgan Kaufmann Publishers, 2003

45. Chi-Hyuck Jun. A Comparison of Software Reliability Models. Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers. Vol. 15, No. 2, Dec., 1989

46. David Kieras A Guide to GOMS Model Usability Evaluation using NGOMSL On-line handout, 1996 URL: http://www.eecs.umich.edu/~kieras/docs/GOMS/

47. Eight Golden Rules of Interface Design, 1998 http://faculty.washington.edu/jtenenbg/courses/360/f04/sessions/schneidermanGo ldenRules.html

48. Fitts P.M. The information capacity of the human, motor system in controlling the. amplitude of movement // Journal of Experimental Psychology. — 1954.-№47.-P. 381-391.

49. Gong, R. J. Validating and refining the GOMS model methodology for software: user interface: design and evaluation. PhD> Dissertation, University of Michigan; 1993

50. Goubko M. V., Danilenko A. I. An automated routine for menu structure optimization // Proceedings of the 2nd ACM SIGCHI sympo sium on Engineering interactive computing systems, Berlin, Germany, June 19,-23,2010. p; 67-76.

51. Hewlett-Packard. User Interface Design Rules for the New Wave Office System Cupertino, CA: Hewlett-Packard Personal Software Division, 1987

52. IBM. System Application Architecture, Common User Access, Panel Design and User Interaction. Boca Raton, FL: IBM, 1988.

53. Jelinski, Z. and; Moranda, P. Software reliability research. In W. Freiberger (Ed.) Statistical Computer Performance Evaluation, New York: Academic, 1972 pp. 465-484.

54. John B.E. et al. Integrating models and tools in the context of driving and in-vehicle devices. Proceedings of International Conference on Cognitive Modeling 2004 (Pittsburgh. PA, July 30 August 1,2004).

55. John B.E. Gray W.B GOMS analysis for parallel activities, Proceedings CHI '94 Conference companion on Human factors in computing systems, ACM New York, NY, USA 1994

56. John, B. E. & Salvucci, D. D. Multi-Purpose Prototypes for Assessing User Interfaces in Pervasive Computing Systems. IEEE Pervasive Computing 4 (4), 2005, 27-34.

57. John, B. E., & Kieras, D. E. (1996). Using GOMS for user interface design and evaluation: Which technique?, ACM Transactions on ComputerHuman Interaction (TOCHI), V. 3 Ii 4, Dec. 1996

58. John, B. E., & Kieras, D. E. The GOMS family of analysis techniques: Tools for design and evaluation. Technical Report CMU-CS-94-181, School of Computer Science, Carnegie-Mellon University, 1994.

59. Kerzner, Harold Project Management: A Systems Approach to Planning, Scheduling, and Controlling (8th Ed. ed.). Wiley., 2003

60. Kieras, D. & Meyer, D.E. An overview of the EPIC architecture for cognition and performance with application to human-computer interaction, Human-Computer Interaction, V. 12 I. 4, 1997,

61. Kieras, D. E. Towards a practical GOMS model methodology for user interface design. In M. Helander (Ed.), The handbook of human-computer interaction, (pp. 135-158). Amsterdam: North-Holland., 1988

62. Kieras, D. E., & Poison, P. G. An approach to the formal analysis of user complexity, International Journal of Human-Computer Studies Special issue: 1969-1999, the 30th anniversary, Y. 51 I. 2, Aug. 1999

63. Kieras, D. E., Using the Keystroke-Level Model to Estimate Execution Times, On-line handout, 2001, URL: http://www.eecs.umich.edu/~kieras/docs/GOMS/

64. Kieras, D. E., Wood, S. D., & Meyer, D. E. Predictive engineering models using the EPIC architecture for a high-performance task. In Proceedings of CHI, 1995, Denver, CO, USA, May 7-11, 1995. New York: ACM. pp. 11-18.

65. First AGI<Conference, IOS Press Amsterdam, The Netherlands, 2008«i

66. Laird J.E., Rosenbloom P.S., Newell A. Soar: An Architecture for General Intelligence. Artificial Intelligence, 33, 1987: 1-64.

67. Lu Luo, Designing Energy and User Efficient Interactions with1 Mobile Systems, PhD dissertation. CMU-ISR-08-102, 2008

68. Microsoft. The Windows Interface Guidelines for Software Design. Redmond, WA: Microsoft Press, 1995.

69. Mills H. Top-down programming in large systems // Rustin R. (Ed.). Debugging Techniques in Large Systems. Englewood Cliffs, N. J. : Prentice-Hall, 1971.

70. Newell A., Unified Theories of Cognition, Harvard University Press,1990

71. Newell, A., & Simon, H. A. Human problem solving. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. 1972

72. Norman, D. A. Design rules based on analyses of human error, Communications of the ACM, v.26 n.4, April 1983, p.254-258,

73. Norman, D. A. The Design of Everyday Things. New York: Doubleday.,1988

74. O'Brien, James J.; Plotnick, Fredric L. CPM in Construction Management, Seventh Edition. McGraw Hill, 2010

75. Olson, J. R., & Olson, G. M. The growth of cognitive modeling in human-computer interaction since GOMS. Human-Computer Interaction, 5, 1990, 221-265.88,OpenStep User Interface Guidelines, Sun Microsystems, 1996

76. Palanque, P, Navarre, D., and Gaspard-Bouline, H . MEFISTO Method version 1. September 2000. The Mefisto Project ESPIRIT Reactive LTR 24963 Project WP2-7. 2000

77. Paternô, F. Mefisto: Designing User Interfaces for Air Traffic Control ERCIM News No.32 January 1998

78. Pham, H. System Software Reliability. Springer London. Series: Springer Series in Reliability Engineering. 2007, ISBN: 978-1-85233-950-0

79. Raskin, J, The Humane Interface, Addison-Wesley, 2000

80. Rhoda A. iPad and Competitors Spur Touch Screen Boom Pave Way for Wider PC Usage June 16, 2010

81. Rhoda A. Portable & Desktop Computing Systems are Ready to Feel the Touch Emerging Display Technologies Q2 2010 Special Report Touch Screen Portable & Desktop Computing

82. Ritter, F. E. et al., High-level behavior representation languages revisited. In Proceedings of ICCM 2006, Seventh International Conference on Cognitive Modeling (Trieste, Italy, April 5-8, 2006) Edizioni, Goliardiche

83. Royce W. Managing' the Development of Large Software Systems, Proceedings of IEEE WESCON 26 (August), 1970: 1-9.

84. Rung-Tsong Lyu, M. Software Reliability Theory. The Chinese University of Hong Kong. Encyclopedia of Software Engineering; 2002.

85. Sanju K. Touch-Screen Interfaces Continue to Drive Growth in Signage and Professional Applications iSuppli 4Q-2009 market research report

86. Shneiderman, B., Designing the User Interface: Strategies for Effective Human-Computer Interaction: Third Edition, Addison-Wesley Publ. Co:, Reading, MA (1998)

87. Shooman, M. L.Software Reliability Models for Use During Proposal and Early Design Stages, Hunter College, CUNY, New York, 1999.

88. TeoL., JohnB.E. Comparisons of Keystroke-Level Model predictions to observed data / Extended Abstracts of CHI. 2006. - P. 1421 - 1426.

89. Teo, L., & John, B. E. Comparisons of Keystroke-Level Model predictions to observed data. Extended Abstracts of CHI 2006 ACM, New York, 2006

90. The Windows Interface Guidelines — A Guide for Designing Software, Microsoft Corp, 1995

91. Timmerman M., Perneel L. Understanding RTOS Technology and Markets. 2005 URL: http://es2.be/encyc/BuyersGuide/RTOS/Evaluations/ downloaddocpreview.asp?DOC=samplestartosl 1

92. Дополнительный список используемой литературы

93. РМД-БР.72052864.1.05-08 Комплект руководящих методических документов по оснащению помещений системами аудио и видео сопровождения для проведения коллективных мероприятий в территориальных учреждениях Банка России. Типовые проектные решения

94. ИВТЮ.466534.740 Рабочий проект на создание системы аудио и видеопредставления информации в учебном классе Регионального центра информатизации НБ Республики Татарстан Банка России, Москва, 2008

95. ИВТЮ.466534.743 Рабочий проект на создание системы аудио- и видеопредставления информации в зданиях ГУ Банка России по Астраханской области, Москва, 2008

96. ИВТЮ.466535.023 Технорабочий проект на создание системы аудио- и видеосопровождения мероприятий системы аудио и видео сопровождения в кабинетах руководителей НБ Республики Татарстан, Москва, 2010

97. ИВТЮ.466535.024 Технорабочий проект на создание системы аудио и видео сопровождения система управления видеопотоками НБ Республики Татарстан, Москва, 2010

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00