（设计艺术学专业论文）西安文化景点交通导航系统设计研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 论文依托陕西省资助研究课题“陕西省文化产业信息化发展研究”，属 于前沿课题项目。 旅游业作为文化产业的重要组成部分，近年来发展迅猛，急需建立旅游相 关信息系统。交通导航系统是游客出行最为实用的工具之一，但已有的g i s 系 统只能满足少数人的需要，忽视了广大实地游客的真实需求。因此在研究游客 心理与行为特征的基础上，提出将认知地图与g i s 相结合的新模式，为游客创 建一种新型的交通导航系统。 论文针对地图设计、g i s 、传统桌面软件和公用信息服务软件( k i o s ks y s t e m ) 的人机交互特性以及界面视觉元素进行了深入的分析研究。在交通导航系统的 设计研究过程中，总结公用信息服务软件产品的人机交互设计原则，建立了西 安文化景点交通导航系统的交互框架和用户界面，并通过实地调研与评测，使 软件的可用性和易用性达到最佳。测试结果表明系统的交互界面符合以用户为 中心设计( u c d ) 的原则，能够较好满足游客旅游的交通导航需求。 关键词：人机交互，k i o s ks y s t e m ，用户界面，g i s ，认知地图 西北工业大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e du p o naf u n d e dr e s e a r c hp r o g r a mo fs h a a n x ip r o v i n c e ，t h e s h a a n x ip r o v i n c ec u l t u r ei n d u s t r yi n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n tr e s e a r c h ，a n di ti sa f u r t h e rp r o j e c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fc u l t u r ei n d u s t r y , t o u r i s md e v e l o p ss w i f t l yi nr e c e n t y e a r s s oe s t a b l i s h i n gt o u r i s mi n f o r m a t i o ns y s t e mh a se x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c e t h ew a f f l en a v i g a t i o ns y s t e mi sak i n do f u s e f u lt 0 0 1 b u tt h ep r e s e n tg i ss y s t e mc a n o n l ys a r i s f ys o m ep e o p i e sn e e dw i t h o u tt a k i n gt h er e a ld e m a n do fc o m m o nt o u r i s t s i n t oc o n s i d e r a t i o n w h i l es t u d y i n gt o u r i s t s p s y c h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n db e h a v i o r p a r e m ，t h i sr e s e a r c hp r o p o s e st oc o m b i n et h ec o g n i t i v em a pw i t ht h eg i ss y s t e m a n dc r e a t e san e wt r a n s p o r t a t i o nn a v i g a t i n gs y s t e m t h i sp a d e ra l l a l y s e st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i n gc h a r a c t e r i s t i e sa n di n t e r f a c e v i s u a le l e m e n t sb a s e do nm a 口d e s i g nt h e o r y , g i s ，t r a d i t i o n a ls o f t w a r ea n dk i o s k s v s t e m i nt h ep r o c e s so ft h er e s e a r c ho ft r a n s p o r t a t i o nn a v i g a t i n gs y s t e m ，w e s u m m a r i z e dt h ep r i n c i p l eo fk i o s ks y s t e mo fh u m a n - c o m p u t e ri m e r a c t i v e t h i s r e s e a r c he s t a b l i s h e dt h ei n t e r a c t i v ef r a m e w o r ka n du s e r s i n t e f f a e eo fx i a nc u l t u r a l s i g h ts p o t st r a n s p o r t a t i o nn a v i g a t i n gs y s t e m 1 1 1 es o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e dt o a c h i e v et h eu pm o s tu s a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t ya f t e re v a l u a t i o na n de x p e r i m e n t a f t e rt h eo n - t h e - s p o te x p e r i m e n ta n dt e s t i n g ，t h es y s t e mi sp r o v e dt ob ec a p a b l eo f s a t i s f y i n gt o u r i s t s t r a n s p o r t a t i o nn a v i g a t i n gr e q u i r e m e n t s a n dt h ei n t e m o t i v e i n t e f f a c ec o m p l i e sw i t ht h eu c d p r i n c i p l e k e yw o r d s ：h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v e ，k i o s ks y s t e m ，u s e ri n t e r f a c e ，g i s c o g n i t i v em a p s i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 软件产品设计概述 第一章绪论 现代大多数的软件产品的生产一般都是从工程角度开发开始的，在这些软 件产品的开发过程中，开发者一般都不是与客户起规划和执行，而是一直在 单方面的努力寻求解决技术问题的途径，以实现软件的具体功能为目标。虽然 最终的产品能够获得技术上的功能实现，但是对于用户实际上需求什么而言开 发者知之甚少。这些主要归咎于开发者有着与用户完全不同的职责：开发者需 要通过技术手段完成他们最初设定的软件功能，而用户主要是利用软件工具满 足自己的需求，或者帮助自己完成目标。因此软件工程师和用户的关注点集中 在不同的方面，工程师关心的主要在于技术和工程方法，而用户主要关心通过 什么方法可以最简单的满足自己的需要。然而当用户在被直接问到他们所希望 得到的产品时，却很少有用户能够完整、清晰地阐述他们的目标，这些都为软 件的设计带来了极大的障碍。根据工业设计师v i c t o rp a p a n e k 的定义，设计 ( d e s i g n ) 是为构建有意义的秩序而付出的直觉上的努力u 】。工业设计的主要目 标之一就是协调人机环境之间的关系，就是通过一系列的视觉化手段， 体现并满足日益增长的社会需要，为使用者提供最佳的操作方式，满足用户的 需求【2 】。而在现实的软件产品开发过程中，设计往往没有起什么实际的作用， 或者只是成为了补救糟糕交互界面的最终措施。因此，为了确保产品真正能够 满足于用户的需求，设计过程必须位于代码编写和测试之前进行，以指导产品 开发者进行软件产品开发。 工业设计的主要目标是解决物( 产品) 与人之间的关系，但凡存在物与人 发生交互关系的情况，如与人视觉、听觉、触觉等相互产生联系时，就需要工 业设计师付出自己专业知识方面的努力。目前很多工业设计组织中都将解决物 人关系作为工业设计的定义。 随着计算机用户的不断增加，促使软件交互设计不断成熟，可以看到交互 设计和工业设计有越来越多的相似之处。微软桌面应用软件部产品设计经理 b r a dw e e d 认为：与平面设计相比，交互设计更接近于工业设计。虽然平面设计 是软件交互设计中的一个较为重要的环节，但它现在被看成是软件界面设计的 西北工业大学硕士学位论文 第章绪论 最重要因素的原因是由于交互设计的大部分工作由软件工程师和人机工程专家 分担了。不过，交互设计正逐步成长为软件行业的正规学科。以前，很多人认 为软件的界面设计仅仅是对软件产品的界面进行美化，平面设计师也是到了软 件产品开发的后期才参与进来，因此软件的交互界面设计属于平面设计的范畴。 然而随着交互设计的成熟与其理论的不断完善，我们可以了解到平面设计虽然 有着悠久的历史，但是它缺乏与人的沟通的途径和整合工程约束的能力，它主 要解决的问题也不是物人关系。与此相反，工业设计则从一开始就是建立在机 械、人机工程、生产、市场和美学等综合的基础上。这些原则同样可以被引入 到软件工业。因此，从某种意义上讲，软件交互设计可以看作是工业设计在软 件业中的延伸【3 】。 早在1 9 7 7 年，t h n e l s o n 在( h o m ec o m p u t e rr e v o l u t i o n ) ) 一书中就指出： 设计对象时，要想让它既简单又清楚，至少要花费比用一般的设计方法多一倍 的时间。首先，要集中精力弄明白简单清楚的系统将怎样工作，接下来的步骤 是让这套系统确实按照我们的构思进行工作。通常这些步骤比实现普通系统的 步骤要困难和复杂许多，但是实现这个系统需要我们对简单性不懈的追求，即 使障碍重重，也决不放弃【4 】。 由于软件产品界面不友好、市场导向错误、行为不当、晦涩难懂等原因， 很多具备强大功能的软件产品渐渐被人们遗忘或者抛弃。这是一个悲哀的事实： 数字化技术产业界没有很好的理解到底是什么能够让用户感到快乐。实际上。 这主要是因为大多数的技术产品在开发时，忽视了对用户的真正了解。软件开 发商在开发一件数字软件产品前，通过市场调研，应该已经了解到了用户属于 哪个市场划分，他们有多高的购买能力，他们愿意买什么样的产品，甚至知道 他们的职业和他们主要完成哪些方面的任务，但这些并不能告诉开发者如何才 能让这些用户快乐的使用。在这种技术至上的时代，开发者对于技术的狂热并 不一定能为自己带来更多的用户【5 】。 使用过计算机的人都了解，在现有的计算机软件产品中，一个按钮代表了 一个功能，一个界面区域代表了数据输入，一些页面代表了事务的步骤，这些 是屡见不鲜的情况，至少在工作时常常和这些控件打交道。尽管这些通常反映 了工程实践的基础，但是并不能提供对用户目标和用户要迭到这些目标需求完 成任务的一致反映。计算机界经常使用“计算机文化”这个词语，然而所谓的 “计算机文化”只不过是一种委婉的说法让用户极力的去理解计算机奇怪 的逻辑，而不是让基于软件的产品灵活的去适应用户的思考【6 1 。 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 论文背景，目的及意义 本论文来源于陕西省资助研究课题“陕西省文化产业信息化发展研究”。 是该项目的延伸课题。 文化与经济结合形成的文化产业，在半个多世纪前发端于美国。在高科技的 支持下，文化产业蓬勃发展，不仅满足了人们精神文化生活的需求，而且成为经 济增长的新亮点。新世纪，以互联网为代表的当代信息革命，不仅带来了崭新的 经济形态数字经济和网络经济，而且也带来了崭新的文化形态数字文化 和网络文化。现代文化产业是一个与现代高新技术日益融合的产业，特别是一个 与信息产业相互关联、互为表里的产业，代表了一种新型的产业力量，而文化产 业的信息化就成为发展文化产业的必然趋势和重中之重。 旅游业是文化产业中非常重要的组成部分，而且目前已经成为陕西省的一大 支柱产业。陕西省旅游资源内涵丰富，种类繁多。特别是人文景观历史悠久，独 具特色，旅游业己经具有了相当的规模，尤其是在西安市城区，旅游资源相对集 中，极具旅游竞争优势。 陕西省不但具有悠久和灿烂的周秦汉唐文化积淀，同时还具有高新技术产业 的技术与人才优势，在我国的传统与现代文化中具有举足轻重的地位。然而，在 开放条件下，文化资源不再为文化原产地所独有，国际化的运作方式与现代高新 信息技术使文化资源的转移变为可能，文化遗产不再是搬不动移不走的文化资 产。一个严峻的现实是：不仅是国内甚至在国外，已经出现了利用信息技术对陕 西省独有的文化资源进行转移，甚至形成产业化的趋势。国外目前很多研究机构 已经开始对西安市古文化开始组织研究，并相继发布了重要的研究成果。 在信息文化产业大发展的机遇面前，陕西省的文化产业却陷于了一种红而不 火的尴尬局面。究其原因，主要在于对文化产业信息化缺少足够的认识和深入而 系统的研究，导致了在实际中政策法规不配套，市场化环境欠佳，产业化程度低， 文化产业间缺少整合，没有形成文化产业链，缺少本土的文化产业品牌，文化产 业经营与文化遗产保护脱钩，可持续发展能力低等诸多问题。以信息技术提高西 安传统文化的竞争力已经是刻不容缓的大事了。以信息技术提高传统文化产业的 贡献率和竞争力，不但是陕西省文化产业发展的要求，也符合科学的发展观。信 息产业与文化产业的发展是一种资源节约型的经济，而且具有投入小、见效快的 特点，而且由于文化产业生产的多是精神文化产品，因此在获得经济利益的同时， 1 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 还可以促进精神文明的发展【”。作为西安文化产业中非常重要的一环，建立西安 旅游相关信息系统具有极其重要的意义。 随着人们生活水平的提高，旅游越来越成为一种时尚的活动，游客对旅游服 务质量和管理水平提出了越来越高的要求。以前游客几乎在旅游过程中，只能通 过传统的旅游地图来获取旅游信息，由于传统的旅游地图提供的旅游信息量过于 单一，信息量不够丰富，因此已经远远不能满足游客的需要。现代地理信息系统 ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 与多媒体技术针对这个问题提出了 有效的解决方案。如果把g i s 技术和计算机技术应用于旅游业，建立相应的旅游 信息系统，则能够为游客提供全面的、现实感强的旅游信息，而借助于多媒体技 术，又可以丰富旅游信息的内容，增强旅游信息的表现力。旅游信息系统的建立， 我们可以把它看作是一本面向游客的旅游指南手册，为广大的游客提供全面、详 细的旅游信息，从而为游客的出行提供决策。把g i s 技术应用于旅游业，利用 g i s 独特的空间分析功能、网络分析和缓冲区分析，将g i s 技术和旅游有机地结 合在一起，从而建立一个基于g i s 的旅游信息系统，可以促进旅游以及旅游业的 发膨钔。同时旅游业的发展过程中所遇到的问题又对g i s 技术提出了更高的要 求，这又推动了g i s 技术的完善和更新。两者相互促进，互相影响。从而可以更 快、更好的发展。 西安文化景点交通导航系统是建立在空间g i s 系统基础之上的，其实现则可 以通过简洁、直观的界面为游客提供需要的旅游信息。该系统主要是面向游客的 旅游目的地信息、线路的查询、分析系统。可以帮助游客在旅游过程中迅速寻址， 选择恰当的交通方式和多个景点旅游路线的决策。g i s 是融计算机图形和数据库 于一体，储存和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有机结合起 来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，借助其独有的空间分析功 能和可视化表达，进行各种辅助决策1 9 l 。由于g i s 是一种专业的地理信息工具， 为用户提供了强大的功能，很多专业用户都非常看好g i s 的发展前景。因此很多 厂商在开发g i s 系统时，也都希望将自己的软件做的越大越全越好，希望用户在 使用时，都能够获得自己所需要的信息。但是，当很多非专业用户接触到一个庞 大数据库支持的软件系统时，很多用户感到一片茫然，被它庞大的功能和界面搞 季导不知所措了。g i s 系统大多数都从市场方面出发，提供了对用户强大而全面的 支持，但是从操作角度、软件的可用、易用性上还远远不足，这就为g i s 和用户 的交互提出了新的要求。 计算机技术发展一直向着更完善实现其功能目的的方向迅速发展着，其中非 常重要一项就是更完美地实现人机交互。早期的软件界面设计都是由程序员利用 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 编程语言在软件代码编写的过程中同时完成。而现在计算机交互界面设计已经成 为独立的一个学科，并由在软件产品开发后期对软件产品进行美化转变为前期对 软件设计的一种指导。这种思路现在已经被各大软件开发商所接受。g i s 作为一 种面向专业用户的地理信息系统软件，其在公共信息服务软件中的应用也是非常 广泛的，比如网络电子地图的工具，就是g i s 与网络结合后的w e bg i s ，它在一 定程度上方便了用户的查询，但在其操作和可用性方面还与用户的实际需求相距 甚远，并且由于网络速度的限制，客户端对主机服务器大型数据库数据的读取 都使得这种工具的使用效率低下。对一个不熟悉某地环境的旅游用户而言，是无 法顺利通过使用它去帮助自己进行工作的。因此，在本文中一个重点的内容即是 研究用户到底需要一个怎样的地理信息系统，他们会如何去进行操作以获得自己 有用的信息。这些都属于人机交互设计的范畴。 用户在对一款计算机软件进行操作时，其实就是在对软件表达的内容进行理 解和接受的过程。在使用过程中，如果交互设计合理，内容丰富有趣，则用户会 沉浸在软件提供的信息中去。乐意接受软件灌输的信息，并且从被动接受转变为 主动探索【lo 】。本论文的一个目标就是通过认知地图在g i s 中的应用，使西安城 市的印象主动地印刻在游客心目中，以获得游客对西安市整体意象的认知和对城 市文化的理解。 1 3 论文的主要内容 本论文是基于旅游业的需求，以西安市为研究区域对象，通过实地的调查、 分析，运用g i s 相关技术提高西安市旅游业的信息化建设，并通过该系统的设 计，总结公共信息服务系统软件( k i o s ks y s t e m ) 人机交互界面设计的方法和原 则。研究内容分为以下几个部分： ( 1 ) 对西安市旅游业进行实地调查和研究，通过调查获得游客对西安城市 旅游的认知，并以此为支撑进行系统设计研究，建立西安市文化景点导航系统 交互界面框架； ( 2 ) 通过对软件产品的人机交互方式进行研究，总结公共信息服务软件人 机交互界面设计中的一些乐则，以更好的服务客户，目前理论界对这一领域的 研究较少； ( 3 ) 通过认知地图在本系统中的应用，从人类认知心理角度提升游客对西 安城市意象的认知程度。 本文将通过对地图设计、g i s 、传统桌面软件以及公用服务信息软件的研究， 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 建立西安文化景点交通导航系统的原型框架，并通过调研与评测，使得软件的 可用性和易用性达到最佳。 传统旅游地图通常只提供旅游景点的信息，其他要素体现得则不够，已经 不能满足旅游者个性化的需求。随着现代旅游中散客和自助游客的增多，旅游 行为的个性化趋势增强。很多游客，尤其是青年游客，为了实施自订的旅游计 划，提高旅游效率和满意度，不愿意聘用导游或随同旅游团队的线路和节奏， 喜欢自己查询和搜集信息，然后做出决策，自己来设计旅游线路。 根据需求分析和用户调查，西安文化景点交通导航系统应该满足如下的总 体功能需求： 能够为用户提供有意义的旅游信息；解决游客在旅游过程遇到的最实际、 最急切的问题；能够通过一定的技术手段，丰富旅游信息的表现能力；能够为 游客出游提供决策帮助。 要实现一个结构完整、功能齐全、技术先进、适合行业特点、可用性强， 用户操作简单、方便，能够迅速获得相关帮助的信息系统，必须经过较长时间 的努力。因此科学合理地确定系统的建设目标是非常必要的。本文所设计开发 的关于西安市文化景点交通导航系统，具体应实现以下目标： ( 1 ) 地图设计满足用户目标需求：游客在旅游过程中，主要的必趣和目标主 要集中在目的景点信息上，虽然对整个城市的文化和民俗等了解也是必不可少 的，但重点仍是通过对旅游景点的游览来获取该方面信息的。 ( 2 ) 目的地交通信息查询：能够获得必要的旅游信息。在旅游过程中，游客 最关心的问题便是住宿与交通，尤其是交通，在很大程度上限制了游客对景点 游览数量上的要求。在交通上花费的时间越短，用在景点游览上的时间就越多， 因此，游客在旅游过程中都会选择最为便捷、经济、迅速的线路。而本系统将 在单一目的地路线和多目的地路线决策上成为游客最佳的帮助工具。 ( 3 ) 通过精美的视觉界面使游客对西安城市产生良好的印象，促使游客主动 地去了解西安市，从认知心理角度提井西安市的意象认知度，提升西安旅游城 市的形象。 ( 4 ) 地图输出：根据用户的需要，生成个人旅游的个性化线路图，这样既满 足了用户对寻址的需求，又可以使用户得到一份属于自己的个性化地图，符合 定制设计的要求，可以使用户通过使用本系统得到一种独特的旅游体验。 为了完成这些目标，我们首先得对本系统的相关内容进行研究，并将实现 软件的可用与易用性作为最重要的目标。 西北工业大学硕士学位论文 第二章交通导航系统基础理论 第二章交通导航系统基础理论 2 1 人机交互设计 交互设计的目的是为了使人与物之间信息交换方式更科学、更合理、更为 人性化，使得人与物之问的信息传递更可靠、更能减轻人的生理与心理负担， 使物更可用、易用。交互设计应用人机工程学、心理学等学科的研究成果和研 究方法，在人机对话中创造最为和谐的关系，可以说，工业设计是交互设计的 原型。交互设计和工业设计有很多共同点，和工业设计一样，交互设计综合工 程、人机和市场的因素，对用户的问题提出解决方案。它和工业设计的唯一区 别仅在于二者处理的对象稍有不同：工业设计主要面向三维的实体造型而软件 交互设计主要面向的是二维计算机屏幕，但若从广义的产品角度来讲，软件本 身即是一个产品，因此我们可以认为人机交互设计仍然是属于工业设计范畴。 交互设计虽然主要仍然依靠图形界面，但是需要通过可行的方式与人们沟通， 使其能完成复杂的工作【i n 。 2 1 1 人机交互的概念 人在使用机器作为完成任务的工具时，达到最高效率的方式是使入和机器 各自发挥自己的优势。机器的优势在于可以准确的几乎无限次的重复工作，但 缺乏决策和判断能力；人的优势在于可以灵活的针对完成任务过程中的各种情 况进行决策，并支配系统的各项行为，但是人在重复某些工作时的质量却无法 和机器相比。人机交互是研究如何把机器和人联系起来，使机器在最大程度人 性化。而在软件产品中，人机交互的主要对象是计算机，也就是说是使计算机 技术最大程度的人性化。在人使用计算机的条件下，人机交互研究的就是设计 计算机界面以使用户使用系统时达到最高效率和满意程度【1 2 】。 要做到这一点，就必须研究人的认知心理学、审美心理学与人的动作行为 等理论与规律。在人机交互界面设计中，充分运用人们容易理解与记忆的图形 与少量文字，以及运用色彩，静止与运动的画面等，使人在操作计算机及计算 机向人显示其工作状态的交互关系中，达到最大方便与高效。因而就必须结合 7 西北工业大学硕士学位论文第二章交通导航系统基础理论 设计师、心理学家、软件工程师等专家，进行表面上貌似简单，肤浅，实则复 杂、深刻、系统的设计工作。人机交互界面设计曾经被人们理解为软件开发最 终阶段对软件界面的美化，是一件可有可无的事情。而现代软件设计已经将交 互界面设计提前到了软件的设计规划阶段，结合软件目标为软件设计做出指导 性作用，如图2 1 所示。 i 疆序员l 编码测试发布 厂。、 。罡哦嫩艘， 初始叫编碣测试_ 外观与感知l _ 发布 i 一一- ，一 庠懿嫩捌。 初始呻l 设计i 一编码叫用户测试州发布 1 k “ 图2 - 1 软件开发过程的演变 众所周知，计算机要实现其功能目的，就必须通过计算机应用软件来实现； 计算机应用软件要接受用户输入的指令，反馈指令的执行情况，就必须通过人 机交互界面来实现。如何使这个界面更简洁更高效地完成任务、更直观通畅地 实现人机交互，达到更美观的视觉效果、甚至个性鲜明的特色，给用户留下强 烈的视觉冲击和深刻的印象的工作，就是计算机软件交互界面设计。也就是在 计算机行业里的人机交互设计。在人机交互系统中，计算机内部复杂的信息处 理和存储过程可以理解为一个“黑箱”，对于使用计算机的用户而言，他们对计 算机系统的状态和运行过程的理解和操作都是通过用户界面来实现的【l3 1 。用户 界面设计的原则，并不是训练每一个用户都成为操作计算机的专家，而是要赋 予计算机软件更多的人性，让人们更容易理解和使用。 人机交互学正在从- - f g 为那些专门从事人机交互方面工作的专业人员的单 纯学科，逐渐变成- - 1 7 为广大计算机工作人员和高级设计工程师所使用的应用 学科。今天，这些高级设计人员不仅要考虑成本、速度、灵活性、可靠性，而 且要考虑如何使所设计的系统满足人在使用中的需要这实际上就是入机交 互学。人机交互学的惟一目标就是最大限度地满足用户的需求和期望。现在， 越来越多的工业设计师也已经加入到交互设计行列，就像以前很多建筑师开始 从事产品设计一样。 幽北工业大学硕士学位论文第二章交通导航系统基础理论 2 1 2 人机交互技术的发展 计算机技术发展一直向着更完善实现其功能目的的方向迅速发展着，其中 重要的一项就是更完美地实现人机交互。图形用户界面的开发为计算机图形和 软件界面开辟了崭新的舞台，人们逐渐脱离了敲击键盘，察看字符命令的时代， 也使得计算机应用领域的艺术设计显得前所未有的重要。 二十世纪八十年代初，美国硅谷施乐公司的一家研究机构提出了图形用户 界面( g r a p h i c s u s e r i n t e r f a c e ，简称g u i ) 的构想，以此为核心，苹果公司和微软 公司联手进行了研究。1 9 8 4 年苹果公司推出了使用了微软公司所开发的核心软 件的图形电脑m a c i n t o s h ，又在1 9 9 0 年推出了使用本公司操作系统的p o w e r m a c i n t o s h ；微软公司则在1 9 8 5 年1 1 月推出了w i n d o w s 的1 0 1 版，具备了图 形界面，但只有平面式和弹出式窗口，1 9 8 7 年1 1 月上市的w i n d o w s 2 0 版提供 了对重叠窗口的支持【l4 1 。这段时间里，图形操作系统成为软件界面设计的先驱， 给应用软件图形界面设计提供了范例和标准，极大地影响了不同操作系统平台 上应用软件界面设计的风格【”】。我们现在的界面设计深受着操作系统风格的影 响。从那时起，“风格”也开始成为计算机行业里一个重要的术语。 早期的软件界面设计都是由程序员利用编程语言在软件代码编写的过程中 同时完成的。可视化的编程开发环境如v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + 等的出现，使 得软件界面设计可以从软件代码的编写中脱离出来，成为一项独立的工作。此 时的计算机使用者已经不仅仅满足于功能目的的实现，开始追求美而合理的界 面，于是一部分艺术设计师参与到软件设计开发中，与程序员合作进行软件界 面的设计。随着计算机技术的飞速发展和人们在计算机使用过程中对出于对美 和合理的不断追求，软件界面设计上升到越来越重要的地位。界面设计在许多 地方已经成为单独的工作和科目，由专业的艺术设计师完成。而s k i n ，p l u g - i n s 等开放性软件概念和技术使得无数专业或业余的艺术设计人员可以按自己的意 愿进行界面艺术设计的创作。 但是，当交互界面得到进一步发展的时候，我们不能忽视软件行业中蕴藏 的交互设计的成分。就像早期的工业设计先驱为实现产品的可用和易用的目标 与工程师并肩作战，今天软件行业更需要软件工程师和设计师的协作，为了一 个共同的目标：软件产品的可用和易用【l6 1 。 西北工业人学硕士学位论文第二章交通导航系统基础理论 2 1 3 人机交互设计的原则 斯坦福的两位社会学家，c l i f r o r dn a s s 和b y r o nr e e v e s 研究发现，人类有 一种本能，告诉他们如何与周围有意识的生物交往，一旦任何一种人工制品表 现出了足够的交互性，人的这种本能就会被激活。当我们使用计算机时，我们 对软件的反应是无意识和不可避免的【1 7 1 。这些研究说明了一些问题：如果希望 用户喜欢一款软件，那么在设计软件时，应该让它表现的像一位举止可爱的人， 具有宜人的交互能力；如果希望用户能高效率的使用软件，那么就应该将它的 行为设计成一个有支持能力的人类伙伴。 n a s s 和r e e v e s 认为，软件首先应该是礼貌的，或者说是体贴的。体贴的软 件最关心的是用户的目标和需求，其次才是它的基本功能。c o o p e r 在总结数字 产品设计的现状时，提出现代数字产品存在的几种缺陷：软件不友好、软件主 观臆测、软件晦涩以及软件行为不当等。这些都是软件开发者对用户的不了解 造成的【1 8 1 。如果这样，那么无论软件的界面多么漂亮，多么具有代表性，内容 多么充实，用户的体验都会不愉快。 交互设计在很大程度上是使软件能够更加人性化，更易用。而无论科技如 何发展，可用性和易用性都将是产品最重要的特征，也是设计师进行设计的重 要标准。 2 2 地理信息系统g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称o l s ) 作为获取、处理、 管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和 迅猛发展。g i s 是融计算机图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的高新 技术，它把地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要准确、真实、图 文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活等对空间信息的要 求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。g i s 的上 述特点使之成为与传统方法迥然不同的解决问题的先进手段，作为现代社会必 不可少的基础设施，渗透到生产生活的每一细节i l 。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章交通导航系统基础理论 2 2 1g i s 的发展与趋势 1 9 7 9 年美国学者g u n n 提出了旅游功能系统的概念，在这个动态系统中， “信息与引导”是连接旅游者与目的地的关键环节，如图2 - 2 所示。信息与引 导在旅游功能系统中虽然不是直接创造经济效益的环节，但对开发旅游市场实 际上是至关重要的。旅游者在旅行以前需要了解旅游目的地的信息，到了目的 地以后还是需要了解这方面的信息，随着旅游业的日趋成熟，游客的要求同趋 多样，客观上使的这种信息的提供越来越重要，也越来越困难【2 0 j 。如果旅游信 息易于获得，就可以降低在策划和组织线路时所需的费用，从而使的旅游市场 的交易容易达成。因而关于旅游地与旅游设施信息获取的难易程度成为衡量当 地旅游业是否成功以及游客是否满意的一个重要因素。 民 圃匮圈 匝遁固 2 2 2g i s 的主要内容 图2 - 2 旅游功能系统 地理信息系统g i s 以其混合数据结构和独特的地理空间分析功能独树一 帜，可以通俗地认为： g i s = c a d + d a t a b a s e + s p a t i a lo p e r a t i o n 1 2 1 从上面可以看出，g i s 主要建立在c a d 技术、数据库技术以及空间操作技 术上，它的主要内容也就和这几种知识体系相关。 ( 1 ) g i s 主要由以下部分组成： 计算机硬件平台； g i s 专业软件； 地理数据： g i s 人员； 西北工业大学硕士学位论文 第二章交通导航系统基础理论 方法等。 ( 2 ) g i s 的工作原理 作为一种强大的信息处理工具，g i s 的工作原理其实非常简单，它主要包 括以下几个重点： 1 ) 空间模型 2 ) 地理参考系 3 ) 矢量和栅格数据结构 ( 3 ) g i s 的功能主要有以下几个方面： 1 ) 数据输入、预处理 空间数据只有加工为适合的形式才能被g i s 系统利用，将空间数据输入计 算机的过程称为数字化。通过各种方式获取的不同类型空间数据必须经过标准 化处理，包括不同比例尺、坐标投影的转换匹配等。 2 ) 数据管理 采用文件结构构造g i s 数据对于小型应用或许足够，但当数据规模和使用 者人数急剧增长时，必须通过大型数据库系统进行严格有效的组织管理。 3 ) 空闯查询与分析 一旦涉足g i s 领域。最基本的问题随之而来：谁是某个场所的所有者? 出发点和目的地之间的距离? 哪里是工业用地区? 还有更多非赢接的咨询等待 回答，例如：区域内最适宜的商业中心的布局是什么? 公路建成后对周围环境 将产生哪些影响? 如何安排公交车的班次和站点从而使区域交通效益最优化等 等。 2 2 3 认知地图 地图是最早的文字，比书还要古老。为了在物质环境中生产和生活，人必 须能在环境中定位和寻址，并能在付诸行动之前，理解环境所包含的意义，这 是生存的基本需要。心理学家认为，人之所以能识别和理解环境，关键在于能 在记忆中重现空间环境的形象。曾经感知过的事物在记忆中重现的形象，称为 “意象”或“表象”，具体空间环境的意象称“认知地图”( c o g n i t i v em a p ) 2 2 o 认知地图是人通过多种手段获取空闻信息后，在头脑中形成的关于认知环境( 空 间1 的“抽象替代物”，又叫“心象地图”( i m a g em a p ) 。 对认知地图的研究始于2 0 世纪6 0 年代。认知心理学家为了揭示人类认知 世界的过程和方法，对认知地图进行了研究。他们研究了认知地图的作用和特 西北工业大学硕士学位论文 第二章交通导航系统基础理论 征，探索认知地图和客观对象的关系和图形记忆的优越性【2 3 1 。艺术心理学家通 过揭示视知觉的理性本质，寻求感知与思维的关系。阿恩海姆认为感知是发现 的源泉和起点，感知中就己经包含着高贵的理性和对真理的发现【2 4 】。感知，尤 其是视知觉，具有思维的一切本领，本身具备了认识能力和理解能力，感知中 形成的意象在思维中起重要作用。亚里士多德甚至认为心灵没有意象就永远不 能思考。阿恩海姆还通过大量的事实证明任何思维，尤其是创造性思维。都是 通过意象进行的，只不过这种意象是通过知觉的选择作用生成的意象【2 5 】。思维 科学也探讨了类似的问题，心理学家认为在人的思维过程中，有一种称为“相 似块”或“记忆”的东西在起作用，在认知和感受一个新事物时，总是通过和 “相似块”进行比较，进而通过判断来解决认识问题【2 6 1 。这里的相似块就是人 们已经获得的意象，这些都阐明了认知地图研究在解决思维问题中的重要性和 实际意义。 在早期的研究中，除了心理学家外，对认知地图产生浓厚兴趣的是地理学 家和制图学家。他们极力想要了解认知地图在认识环境和表示环境中的作用， 而且研究范围和心理学家有所不同，在结构和功能上更接近于通常制图意义上 的地图。 认知地图学的研究可大致分为两种类型：一种是对不同的人利用地图完成 相同任务而采取不同策略的方式进行研究，即认知策略的研究，如t h o m d y k e 和s t a s z 研究专家和新手在使用地图中所采用的认知策略( t h o m d y k e s t a s z 1 9 8 0 ) 。另一种是研究特定的认知现象并从中摸索认知过程，目的是通过对人与 地图关系的研究，增强地图在人类空间认知中的作用，提高地图的空间认知价 值，增强地图，特别是电子地图和地图数据产品作为空间认知工具的效能。地 图空间认知理论的研究，有望对地图制图专家系统、地理信息系统、虚拟地形 环境仿真等地图学新领域的研究提供理论支持。凯文林奇的都市意象一书 是城市环境意象研究的里程碑。所谓城市意象空间，是人的大脑通过想象可以 回忆出来的城市意象【2 ”。通过城市意象来分析城市空间结构，是现代城市空间 结构研究的方法之一。 认知地图这一概念兴起之初，表示的名称甚多，有c o g n i t i v em a p s ，m e t a l m a p s ，i m a g em a p s ，m e n t a li m a g e s 等等，d o w n 和s t e a 的( m a p si nm i n d ) 把认 知地图的研究推到一个崭新的阶段。制图学家及时地认识到这种认知研究对地 图制图产生的影响，随后各方面的研究接踵而至【2 8 l 。认知地图是地图空间认知 理论中的重要概念。认知地图与地图之间存在着一定的联系，认知地图具有常 规地图的许多类似结构，它不是“头脑中的图画”的复制品，而是象地图一样， 西北工业大学硕士学位论文第二章交通导航系统基础理论 经过智能处理或综合的空间信息的内部表征形式，与地图一样，地图是人类认 知、制图能力的外部表征。 认知地图与地图的共性体现在三方面：它们都是具有概念性和符合性的 客观世界模型；用图的形式来表达主观和客观意象，符合人的图形感受； 它们都是空间环境信息的载体，具有可传输性。它们的区别体现在：存储和 显示的媒介不同。认知地图存在于人的大脑，可以外化显示，而地图需存储在 有形的介质上，比如纸、光盘等。这决定了认知地图的信息“无限性”。地图， 特别是传统地图会受存储介质的影响，信息量有限。地图稳定性强，而认知 地图受外界影响较大，它的稳定性是动态的。这也是未来科学需研究的，如何 利用认知地图的动态稳定性，提高地图的数据更新和交互性。认知地图的语 言表达比较直观，不像地图是符号化的语言，它在表达空间环境时，往往是比 较具体的j 。 2 3 最短路径算法 在现代g i s 中，最重要的支持来自于空间数据库和路径算法的研究。其中， 一个优秀算法的产生可以大大缩短用户在目的地查询或寻址过程中等待计算机 响应的时间，出于对软件易用性的考虑，尽量缩短用户等待时间是g i s 需要解 决的一个重要问题。最佳路径的选择，最后都要归结到交通网络的最短问题。 以最短路径为主的最优路径问题一直是计算机科学、运筹学、交通工程学、地 理信息科学等学科的一个研究热点。通过最短路径的选择，可以将无序的交通 出行变得有序，优化客流分布，减少出行的盲目性，提高城市道路网的运行效 率。 但是，两点间的“最短路径”可能需要考虑的并非仅仅是“空间距离”的 最短，还有“时间最短”和“经济上的最省”等等。所以在确定最佳路径之前， 应该首先对游客出行心理进行研究，不同的出行心理决定他们将选择不同的交 通工具进而影响最优路径的选择问题【3 0 】。 虽然游客的需求不一，经济能力各不相同，但是这一切可以通过他们对交 通工具的选择体现出来。仔细分析，我们可以根据游客的出行心理需求把出行 划分为步行模式、出租车模式和公交车模式。在这三种模式中，游客的出行心 理不同，导致选择的交通方式也不同，从而决定在构建系统时网络拓扑关系的 选择和算法的实现有很大的不同。 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章交通导航系统基础理论 2 3 1 路径算法 进行最佳路径选择的问题一直是算法研究中个经典的问题，许多学者都 提出了有新意的算法，也有很多算法目前已经应用在了g s 中。为解决空间点 阵之间寻找最佳路径的问题做出了有效的解答，常用的路径算法通常有以下几 种： ( 1 ) 蚂蚁寻路算法 蚂蚁寻路算法是一个比较经典的路径算法，从其衍生的算法有很多种。蚂 蚁寻找最短路径的原理如图2 3 a 所示。当蚂蚁走到分支路口需要决定往哪一个 方向走，初始没有任何线索可供选择，于是它们只能以相同的概率选择路径， 结果是一半蚂蚁走上面条路，另一半蚂蚁走下面一条路，如图2 3 b 所示。它 们在途中分别留下信息素( 蚂蚁行进中留下的身体外激素) 。假设蚂蚁都具有相 同的行进速度，信息素的挥发性在较短的路径( 图中所示是下面一条路) 上会 大些。由于蚂蚁能以大的概率选择信息素强度大的路径，所以后来的蚂蚁多数 会走下面一条短路径，如图2 3 c 所示。短路径上的蚂蚁多了，信息素强度继续 增大进而会吸引更多的蚂蚁，于是形成一种正反馈。经过一段时间后，两条路 径上的信息素的强度将会有更明显的区别，就使新到来的蚂蚁选择较短路径的 概率越来越大，如图2 3 d 所示，最终绝大多数的蚂蚁都将选择这条较短的路径 行走【3 l 】。 ； ： i ： l i i 葱蜷 c 冲阃状态d 最终状森 图2 3 蚂蚁寻路算法原理 l s 县 球 西北工业大学硕士学位论文第二章交通导航系统基础理论 ( 2 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 是一类借鉴生物界的进化规律( 适者生存， 优胜劣汰遗传机制) 演化而来的随机化搜索方法。它是由美国的j h o l l a n d 教 授1 9 7 5 年首先提出的，其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和 函数连续性的限定；具有内在的隐蔽性和更好的全局寻优能力。采用概率化的 寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需 要确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广泛地应用于组合优化、机器 学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。它是现代有关智能计算中的 关键技术之一。遗传算法也属