（机械制造及其自动化专业论文）数控系统交互界面仿真及相关数据操作.pdf

中文摘要 数控机床的加工仿真是虚拟制造的重要内容，也是国内外研究的热点领域。 数控机床的人机交互界面的仿真是虚拟制造的基础工作。本文以德国的 s i n i j 狐r i k8 0 2 c 数控操作系统为基础，开发了在w i n d o w s 环境下运行的仿真交 互界面软件系统。 通过对国内外人机交互界面设计理论发展现状进行较为系统的探讨和研 究，在有关交互设计理论和分析s i n u m e r i k8 0 2 c 数控系统界面及其操作功能 基础上，应用基于m v c 模型提出构建数控仿真人机交互系统模型及其实现方式。 基于人机交互界面理论研究，以德国s i i 叫m e r i k8 0 2 c 数控系统为原型研究 开发出一套以w i n d o w s 操作系统为运行平台的数控仿真系统人机交互界面操作系 统，该系统可实现数控程序的编辑、删除和新建程序、地址符和功能字的查找； 刀具参数和机床数据的设置等一系列人机交互操作功能的要求。 研究基于数控仿真平台的支持系统虚拟运行的数据库系统。包括建立刀具数 据库、机床参数数据库和n c 程序数据库，实现刀具，n c 程序和机床参数的管理 功能，能够完成刀具、n c 程序和机床参数的模糊查找、编辑、添加、删除及选 刀形成机床刀库等功能。 关键词：数控系统，人机交互系统，m v c 模型，数据库 a b s t r a c t a sac r i t i c a lc o m p o n e n to fv i r t u a lm a n u f a c t u r e ，c n cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ni s t h ef o c u so fr e s e a r c ha r o u n dt h ew o r l d i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h eg e r m a n i c s 1 n u m e r i k8 0 2 cn cs y s t e m , t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fu s e ri n t e r f a c eo ft h e s y s t e mh a sb e e nd o n eo nw i n d o w sx p t h r o u g hs y s t e m a t i c a lr e s e a r c hi n t ot h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fi n t e r a c t , t h em o d e lo fn cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e ma n di t sr e a l i z e dm e a n si sp u tf o r w a r d b a s e do nt h em v cm o d e la n da n a l y s i so f i n t e r f a c eo f s i n u m e r i k8 0 2 cn c s y s t e m a n do p e r a t i n gf u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nu s e ri n t e r f a c ea n dg e r m a n i c s i n u m e r i k8 0 2 cn cs y s t e m ，w eh a v ed e s i g n e das e to fo p e r a t i n gs i m u l a t i o n s o f t w a r eo fu s e ri n t e r f a c eo nw i n d o w sx p , w h i c hc 觚r e a l i z ep r o g r a me d i t i n g d e l e t i n ga n dm a k i n gan e wp r o g r a m s e a r c h 锄a d d r e s sa n daf u n c t i o nw o r d , t o o l p a r a m e t e rs e t t i n g ，m a i na x i sd a t as e t t i n ga n do t h e rf u n c t i o no ft h eu s e ri n t e r f a c e o p e r a t i n g t h ed a t a b a s es y s t e m ，w h i c hs u p p o r t sv i r t u a lr u n n i n go ft h en cm a c h i n i n g s i m u l a t i o ns y s t e m , i sr e s e a r c h e d i ti n c l u d e ds e t t i n gt o o l d a t a b a s e ，m a c h i n i n g p a r a m e t e rd a t a b a s ea n dn cp r o g r a md a t a b a s e ，r e a l i z i n gm a n a g e m e n to ft o o l ，n c p r o g r a ma n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r t h i ss y s t e mc a na c c o m p l i s ht h el o o k u p ，e d i t i n g ， a d d i n ga n dd e l e t i n gt o o l ，n cp r o g r a ma n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r k e y w o r d ：n cs y s t e m ；i n t e r a c t s y s t e m ；m v c m o d e l ；d a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在寻师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了 文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得叁注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本 研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名： 签字日期：歹彩量年护月刎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁叠盘壁有关保留、使用学位论文的规定特授权鑫壅 盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：) 签字日期：名年伊月卅日 导师签名： 签字日期：弘加年于 a 日 2 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 数控机床作为一种高度机电一体化的典型的成熟产品，以其广泛的通用性， 很高的自动化程度、加工精度及较好的柔性加工方式在现代化机械制造领域得到 了广泛而深入的应用。它对于制造业企业提高生产率，增加经济效益，提高并稳 定产品质量，以及减轻工人劳动强度和改善劳动环境等方面起到了举足轻重的作 用。因此，对制造业企业而言，用先进的数控机床装备生产车间，已成为其适应 市场竞争和推动企业发展的首要选择；而对于教育和技能培训部门来说，使自己 培养的技术人员具有一定水平的数控技术知识和数控机床的操作经验，是其人才 顺利走向市场、具有更强的竞争力和适应现代制造业发展的当务之急。然而，数 控机床作为一种先进制造技术装备，不仅价格昂贵，需要企业投入巨额资金；而 且技术含量强，功能多且结构复杂，对操作人员和维护人员的技术水平都有很高 的要求。特别是在我国，工业现代化水平相对较低，大部分制造业企业的数控机 床拥有量很有限。而传统机床的操作人员的技术水平无法达到当前数控机床所要 求的程度，因此对数控机床的操作技术人员进行培训己成为现代制造业中面i 临的 一个重要问题。传统的培训方法是师傅操作，学员观摩，常导致受培训者的实际 操作能力不高。这一方面是由于企业没有能力提供足够数量的数控机床供每个学 员亲自操作；另一方面是由于让技术生疏的受培训者操作昂贵的数控机床，对设 备和学员本身都具有很大的不安全性。而即使对于一些具备一定数控机床操作能 力的技术人员，由于加工时的误操作或程序编写的错误，也会带来不安全性。因 此，开发一种数控机床的拟实仿真系统，在拟实逼真的生产环境下，实现对技术 人员机床操作能力的培训和进行正式加工前的预检验( 如刀具的轨迹和加工流程 的预先演示) 是解决当前操作人员培训问题和提高真实数控系统安全性的有效途 径。 本课题正是基于以上问题而提出，力求在针对系统功能分析和模块设计的基 础上，模拟s i n u m e r i k8 0 2 c 数控系统的交互界面编制出相应的仿真操作系统软件。 1 2 课题的意义 开发出数控机床仿真操作系统的优势在于操作者可以脱离真实的车间生产 环境，在一个相对安静和安全的条件下，实现对真实数控机床的模拟操作。 对于一些大型的现代化企业，斥巨资引进的先进数控机床设备，可以使用仿 真操作系统来培训机床操作和管理的技术人员，以确保设备运转的安全，减少由 第一章绪论 于盲目操作而带来的损失。 另外，在很多工科院校，经常需要开设让学生对机器设备进行实际操作的实 验课，以检验学生对课本知识的掌握程度和提高其实际操作的经验技能。但对于 一些昂贵的数控机床，一方面学校缺乏购买和维护的资金；另一方面学生毕竟缺 乏实际工作经验，出现误操作的可能性很大，严重时会对设备造成重大损坏。另 外，数控机床在实际运转过程中，往往具有很大的危险性，且工作在恶劣的环境 下，振动强烈噪声较大，不利于教师的现场实验讲解，也不利于学生的安全。因 此，开发数控机床的仿真操作系统，并用于教学实验，为学生提供一个良好的模 拟操作环境，已成为各高校普遍采取的方式和进行研究开发的方向。 由此可见，计算机仿真操作系统改善了传统培训方法的周期长、成本高、效 率低、安全性差的缺点，并显著地提高了培训效果。 数控机床的仿真操作系统在实现与真实机床通信联接的情况下，可以作为实 际加工前的预检测手段。在数控加工前将程序送入仿真系统，经处理分析后模拟 出刀具的轨迹路线从而评估判定程序的正确性，及时解决实际加工中可能出现的 问题和重新考虑程序运行时反映出的干扰因素，使得操作者及时改进加工程序和 调整机床参数，以保证实际运行过程的顺利与安全。 1 3 人机交互系统的研究现状 1 3 1 人机交互系统发展的几个阶段 用户界面( u s e r i n t e r f a c e ) 又称人机界面( h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ) ，它 作为计算机系统的一个重要的组成部分，是介于用户和计算机系统之间，是人与 计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作环境。它 是计算机科学、心理学、认知科学和人素学( h u m a nf a c t o r ) 的交叉研究领域“1 ， 也是计算机行业竞争的焦点从硬件转移到软件之后，又一个新的、重要的研究领 域。在强调“以人为中心”的前提下，研究人机匹配，使人机系统发挥人与机器 各自所长，克服所短，达到最佳配合。人机界面从命令行界面发展到图形用户界 面、多媒体用户界面，最终发展到多通道用户界面和n o n w i m p 界面。建立面 向用户、自然、高效的用户界面成为了用户界面的发展方向。以下是人机交互界 面的发展趋势： 第一章绪论 智能人机界面( i n t e l l i g e n th u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ) ( 耍) p o s t - w i m p 界面 感知用户界面( p e r c e p t u a lu s e ri n t e r f a c e ) 网络用户界面n u i ( n e t w o r ku s e ri n t e r f a c e ) 多通道用户界面 多媒体用户界面 图形用户界面( g u i ) 直接操纵用户界面( d m u i ) 命令语言界面( c l i ) 下面简单介绍各个发展阶段的人机界面 命令语言界面( c l i ) ， 计算机用户和计算机之间借助一种双方都能理解的语言进行交互式对话。早 期用户非常熟悉的u n i x ，m s - d o s 等操作系统和b a s i c 、l i s p 等编程语言以及数 据库查询愈s q l 等向用户提供了不同级别的形式语言和具有自然语言特征的半 形式语言界面。命令语言要求大量的训练和记忆，并很容易出现操作错误。但它 比较灵活、高效，适合专业人员使用。 直接操纵用户界面( d m u i ) 直接操纵用户界面( d i r e c tm a n i p u l a t i o nu s e ri n t e r f a c e ) 是s h n e i d e r m a n 首先提出的概念，其特点是以物理动作或带标记的按钮取代复杂的语法，采用特 别的操作以及目标的连续显示，并使用户作用在目标上的效果立即可见，同时还 允许快速而可逆的交互动作。在直接操纵形式下，用户是动作的指挥者，处于控 制地位，从而在人机交互过程中获得完全掌握和控制权，同时系统对于用户操作 的响应也是可预见的。 图形用户界面( g u i ) 图形用户界面( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 是当前比较成熟和通用的用户 界面，被广泛地应用于各种微机和图形工作站。比较成熟的商品化系统有a p p l e 的m a c i n t o s h 、i b m 的p m 、m i c r o s o f t 的w i n d o w s 和运行于u n i x 环境下的x - w i n d o w 、 o p e n l o o k 等等。各类图形界面的共同特征是以窗口管理系统为核心，使用的交 互设备较单一，主要是键盘和鼠标。g u i 从界面的表达形式上又被称作w i m p 界 面，其中w 表示w i n d o w 、i 表示i c o n 、m 表示m e n u 、p 表示p o i n t e r ( 指点设备) 。 基于图标按钮的界面蕴涵了文化和语言独立性，并提高了视觉目标搜索的效率。 其缺点在于需要占用较大的屏幕空间，并难以表达和支持非空间性的抽象信息的 交互。同时图形交互界面的人机交互过程极大地依赖于视觉和手动控制的参与， 第一章绪论 具有强烈的直接操纵特点 多媒体用户界面 多媒体用户界面将图形用户界面的媒体形式进行了扩展。图形用户界面只有 两种媒体：文本和图形，他们都是静态的媒体。多媒体技术引入了动画、音频、 视频等动态媒体，大大丰富了计算机信息的表现形式，拓宽了计算机输出的带宽， 提高了用户接收信息的效率。 多通道用户界面 多通道用户界面是伴随着多种交互设备进入人机交互系统的。它综合采用视 线、语音、手势等新的交互通道、设备和交互技术，使用户利用多个通道的精确 和不精确的输入来捕捉用户的交互意图，提高人机交互的自然性和高效性。多通 道用户界面丰富了信息的表现形式，发挥了用户感知信息的效率，拓宽了用户到 计算机的通讯宽带。其优点在于允许用户使用自然的交互方式与计算机系统进行 协同工作，根本改变了传统交互手段的局限性，以人和人之间交互那样与计算机 进行交流。 网络用户界面n u i ( n e t w o r ku s e ri n t e r f a c e ) n u i 的特点是以一种统一的、类似网络浏览器形式的界面来管理和浏览所有 本地和远程的文件系统。n u i 的产生和发展不仅使普通台式机用户能够以更加通 用的方式对系统进行浏览，同时也方便了便携式用户，特别是在设备环境受约束 的条件下仍然能够对目的信息进行有效的交互。可以说，n u i 是g u i 的更广方向 的扩展。 感知用户界面( p e r c e p t u a lu s e ri n t e r f a c e ) 交互系统硬件设备的发展，使得计算机逐渐拥有了自己的感知基于计算机感 知的用户界面称作感知用户界面。从计算机交互来看感知界面也就是期望计算机 能够象人一样基于多种感知器完成各式各样的任务。感知界面能够通过各种信道 ( c h a n n e l s ) 和用户进行交互，与传统界面相比，这些通道的数量更多，类型也 更丰富。传统的界面对于图象和文字的反映只能通过键盘敲击和鼠标移动来实 现，而感知界面则可以通过说话、触摸、手势、表情和凝视来实现信息的反馈。 感知界面中首先强调的是人与计算机之间的多种通道信息的交换，其中包 括对感知拥有者和感知类型的明确定义。其次，感知界面中包含对感知的分类， 同时感知界面中还包涵了信息的传递交换模型和感知领域模型。 感知界面从计算机的角度向人类感知靠近，在未来的计算机系统中，感知 界面使得计算机可以通过和人类类似的感知类型和人进行信息传递。 p o s t - w l m p 界面 p o s t - w i m p 界面区别于w l m p 界面的特点在于：w i m p 界面中将所有用户操 4 第一章绪论 作均映射为计算机中的离散事件，而p o s t - w i m p 界面则将用户操作以连续和离 散相结合的方式进行表达；w i m p 界面只能允许用户交互以线性的方式顺序进 行，而p o s t - w i 卿界面则允许用户和计算机交互以并行对话的方式进行；w i m p 界面采用的是单一的键盘+ 鼠标操作，而p o s t - w i m p 界面则支持用户采用多种 交互设备，以多通道的显示进行交互：w l m p 界面对于用户交互的处理是离散的， 而p o s t - w i m p 界面将时间因素考虑到对用户交互的处理中，交互事件之间存在 时序关系，通过基于时序的交互处理，力图实现实时交互；w i m p 界面对用户交 互的处理是基于参数匹配，要求用户交互必须是准确无误的，而p o s t - w i m p 界 面则允许用户提交的交互带有模糊性，能够真正满足自然交互模糊的特点。 用户界面经历了多个发展阶段，在此基础上，出现了一种智能化的界面形 式，它通过结合认知科学人工智能、交互技术等多种新技术，为用户提供自然、 智能的用户界面，即 智能人机界面( i n t e l l i g e n th u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ) 交互式系统的重要组成部分是用户界面。交互式系统的发展促进和推动着 用户界面的出现和发展。 智能人机界面的出现是和直接操纵界面、多媒体界面、多通道界面、感知 界面等各种界面范式的发展分不开的。直接操纵界面为用户操作界面元素提供 了方便的交互模式；多媒体界面为用户理解计算机所表达的意义提供了表达方 式的支持；多通道界面使得计算机能够以用户自然交互的方式来获得交互信 息；网络界面为用户获取更多、更广的信息提供了界面表示解决方案；感知界 面从人的感知出发，建立适合人的感知模型的交互机理，更加拉近了人和计算 机之间的距离。交互式系统的发展趋势是“以人为主”、建立“人机和谐”的 交互环境。智能人机界面综合了上述的各种界面的优点，同时结合了认知科学 中任务模型和用户认知模型，力图实现面向用户的智能界面。 目前，人们所公认的对于智能人机界面的定义是 。p r o v i d e st o o l s t oh e l pm i n i m i z et h ec o g n i t i v ed i s t a n c eb e t w e e nt h em e n t a lm o d e lt h a t t h eu s e rh a dt h et a s ka n dt h ew a yi nw h i c ht h et a s ki sp r e s e n t e di nt h e u s e rb yt h ec o m p u t e rw h e nt h et a s ki sp e r f o r m e d ” 智能界面将界面看作是一个智能实体，这个智能实体能够实现在多个交互 a g e n t 之间进行信息通讯。每个交互a g e n t 本身具有其它交互a g e n t 的部分知 识，这种知识包括交互a g e n t 的运行知识或传递信息的知识，这些知识都不是 完整的，所以它们之间需要智能界面来进行协调。智能人机界面则是处于人和 计算机之间的智能实体。在计算机只了解部分关于人的运行和通讯机制的情况 下，它协同用户执行任务或进行通讯。 第一章绪论 智能人机界面通过将人工智能技术、认知科学、计算机科学等多种科学结 合起来，对交互中的任务模型、人类行为、用户模型等交互系统要素进行研究， 缩短计算机交互系统和人之间的认知距离，创造人和计算机交流的快捷通道。 智能人机界面基于面向用户于的原则，将人工智能技术引入了界面交互， 实现“e a s y t o - l e a r n ，e a s y t o - r e m e m b e r ，e a s y t o - u s e ”的交互风格。智能 人机界面的特点在于： 1 采用认知模型作为交互的基础。 2 具有面向用户、符合感知模型的自由多通道交互机制。 3 具有面向用户的、更加灵活、更加丰富的媒体界面形式。 4 支持非精确的交互，并对用户错误有兼容性。 5 有交互助理的职能，动态掌握用户交互意。 1 3 2 人机交互系统研究现状 二十世纪八十年代开始，许多西方发达国家在不同的研究计划中均资助了对 人机交互界面的研究嘲在美国国家关键技术研究计划中，用户界面被列为六项 关键信息技术之一，而且也是二十一世纪信息技术基础研究的四个主要方面之 一 s t a n f o r d 大学从心理学的角度，对智能人机界面中的感知界面做了研究， 他们将现实世界中的感知进行分类，通过对人感知的分析，提出通过多通道的结 合方式，扩大人和计算机之间的感知带宽。 卡内基一梅隆大学在多通道界面的研究方面处于世界的前沿，在i n t e r a c t 项 目的研究中，以改善人一机和人一人的通讯为目的，致力构造一个合理而有用的自 然多通道界面。这个界面不仅能够识别语音，还能识别手势、书写、唇读以及面 部表情等信息通道，并且可以摆脱头戴装置和按钮等的束缚。 美国海军研究所n r l ( n a v yr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 的海军人工智能应用研 究中心下属的人机交互实验室，从事着高效的人机交互方式的研究。该项目在多 通道用户界面、自然语言界面整合方面取得了较大的成果。 欧共体委员会c e c ( c o m m i s s i o no ft h ee u r o p e a nc o m m u n i t i e s ) 制定了一 个欧洲信息技术战略计划e s p r i t ( e u r o p e a ns t r a g e t i cp r o g r a m m e rf o rr e s e a r c h i ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) ，对人机界面进行了系统的研究，其中包括语音识 别、语音合成、声音的空问化、笔式输入和手写体等各个支撑技术的研究。在欧 洲基础研究计划的倡导下，欧洲各大学相关学科的研究团体联起手来，在人机交 互领域做了相当多的工作，尤其在自然人机交互的研究上，他们从理论基础到实 际应用进行了系统的研究。 我国在智能人机界面方面也做了许多研究工作，如认知科学中对用户的认 6 第一章绪论 知模型、行为模型的研究0 1 ，心理学开展的对于汉语理解、儿童交互心理的研 究”。模式识别领域对于语音识别、手写体识别嘲恻、手势识别“”以及表 情识别“”“”等交互技术的研究，人机工效学和软件体系结构领域对多通道用户 界面的模型“”、描述方法及整合算法“”“”、多通道用户界面开放环境的研究 “，这些研究均取得了一定的成果。 北京大学计算机系、杭州大学工业心理学国家专业实验室和中国科学院软 件所三个单位合作承担的国家自然科学基金重点项目“多通道用户界面研究” ( 1 9 9 5 - - 1 9 9 7 ) ，在我国首次对智能人机截面中多通道交互方式进行了系统性 的研究，对多通道用户界面的模型、描述方法及整合算法、多通道用户界面开 发环境、多通道用户界面的评估等方面都进行了一定的探索“”“”，取得了基础 性的研究成果。中科院软件所、北京大学计算机系、清华大学人机交互与媒体 集成研究所、中科院计算所等单位在基于互联网的多通道用户界面、智能接口、 笔输入用户界面、自然语言交互等方向也都做了大量工作。 交互式系统的发展从“以机器为中心”，转移到“以人为中心”“、人机和 谐交互”的方向上。人机交互方式的发展也从“命令方式、项目菜单方式，到 直接操纵方式、基于i c o n 、多窗口方式和分布多用户协同方式。这些界面和 交互方式的发展，极大地方便了用户和系统之间的交互。计算机技术的飞速发 展、计算机的广泛应用，特别是基于因特网的主流应用，对人机交互提出了自然、 高效的性能要求，智能人机界面允许用户使用自然的交互方式如语音、手势、 眼神、表情等计算机系统进行协同工作。新一代的用户界面和交互方式的发展 方向将是建立“人机和谐”的交互环境，不断增加交互系统的灵活性和自适 应能力，更加有效地帮助用户与系统的交互作用。未来的自然人机交互体系必 然是以多种感知交互为主要特征，结合认知科学中的用户模型，充分发挥人在 交互中的主导作用和能动性，更好地满足用户对自然性的要求。 1 4 论文的主要研究内容 1 4 1 研究目标 设计总任务将根据德国的s i n u m e r i k8 0 2 c 数控系统开发出一套以w i n d o w s 操作系统为运行平台的仿真操作人机交互系统软件，该系统将具有培训软件的所 有功能，使用鼠标和计算机键盘就可以完全实现对虚拟数控系统全部操作功能的 仿真操作，把机床操作面板和系统显示屏集成在一起，同时显示在计算机的屏幕 上。通过在微机上运行该软件便可实现对数控机床的模拟操作、编程训练及加工 仿真。本论文将要完成的任务目标是仿真系统的人机交互界面设计和支持交互运 第一章绪论 行的相关数据库设计 1 4 2 研究内容 在课题研究中将要完成的主要工作内容有： ( 1 ) 构建数控仿真人机交互系统模型及其实现方式。在研究人机交互界面 的理论和分析s i n u 狐r i k8 0 2 c 数控系统界面和操作功能基础上，应用基于 m v c 模型提出构建数控仿真人机交互系统模型及其实现方式。 ( 2 ) 仿真系统的交互界面设计。主要包括仿真操作软件的界面设计和功能 代码的实现两个部分。界面设计主要指与数控系统显示屏相对应的显示图片 框、编辑区域标签及按钮控件的设计；功能代码的实现是指编写实现各按钮功 能，转换显示图片框的状态及其他与数控系统操作功能相对应的仿真操作的源 代码。 ( 3 ) 研究基于数控仿真平台的支持系统虚拟运行的数据库系统。包括建立 刀具数据库、机床参数数据库和n c 程序数据库，实现刀具、n c 程序和机床 参数的管理功能，能够完成刀具、n c 程序和机床参数的查找、编辑、添加、 删除及选刀形成机床刀库等功能。 第二章面向用户、资源的人机交互模型 第二章面向用户、资源的人机交互模型 2 1 交互式系统的模型概念 人机交互模型是对人机交互系统中的交互机制进行描述的结构模型。它主要 描述人机界面的内部构成及它们分别与应用程序、最终用户之间的关系。 交互式系统的概念模型是用户界面管理系统( u i i s ) 的基础，第一个支持u i m s 概念的交互式系统概念模型是1 9 8 5 年在德国s e e h e i m 提出来的s e e h e i m 模型“”。 它为研究用户界面软件体系结构提供了基础。 1 s e e h e i m 模型 该模型基于对话独立性原则，即对话与应用通过控制单元的松耦合来实现其 联系。如图2 - 1 所示，s e e h e i m 模型将交互式系统划分为几个逻辑部件，这些部 件有不同的功能及不同的描述方法。 图2 - 1s e e h e i m 模型 表示部件：涉及界面的外部表示，包括屏幕生成、图形生成、输入设备管理、 词法反馈、将用户动作转化为内部形式，具体技术包括基本图形和窗口系统的接 口、交互技术、实现技术、词法反馈和界面布局。 对话控制部件：是用户和应用程序之间的协调器，它定义两者对话的结构。 一方面用户通过表示部件提出请求，并提供数据给应用程序，这些请求及数据的 词法元素，经过对话部件的检验，传输给应用程序中合适的例程；另一方面，应 用程序也将对请求的回答及其他的数据请求传输给表示部件的合适部分。对话部 件应维持一定的状态，以执行对输入输出活动的控制或协调。 应用接口部件：是从人机交互角度看到的应用程序的一种表述。它包括：应 用程序所维护的数据对象；人机交互可使用的应用程序相关的例程：应用程序的 使用限制。它使人机交互可以检查输入的语义合法性。 在界面设计时，以上三部分可对应于词法、语法及语义的三个阶段。s e e h e i m 模型基于对话独立性原则，因而使界面设计的结构比较清晰，适合界面与应用程 第二章面向用户、资源的人机交互模型 序分别执行。 但s e e h e i m 模型本身不支持直接操作的语法与语义的要求，因此它对于直接 操作的图形界面不适用。 2 a r c h 模型 a r c h 模型是在s e e h e i m 模型基础上提出来的。a r c h 模型强调在交互系统开 发期间，从纵向角度o a 用户到应用程序) 将系统分解为层次结构。a r c h 模型支 持利用已有的应用软件( 如d b m s ) 和界面工具箱( 如xw i n d o w s ) 开发用户界面。 这样，交互系统在设计期问可以被分为层次化、模块化结构，从而简化交互系统 的实现。a r c h 模型由五个部件组成，如图2 2 所示。 协调 图2 - 2 r c h 模型 a r c h 模型显示了有关部件及部件之间传输的对象类型。这里的“对象”是 指明部件间传输信息采用的格式，是描述通讯机制的一种抽象，而非面向对象技 术中的正式概念。 应用部件和协调部件使用廑旦盟垒，但两者使用的目的不同。在应用部件 中，应用对象采用的数据及操作所提供的功能与用户界面无直接的联系。在协 调部件中，应用对象采用的数据及操作所提供的功能与用户界面有关： 盘丞墅鑫是控制用户交互的虚拟交互对象。表示对象含有为用户显示的数据以 及用户产生的事件。但对于显示数据或事件产生方式却未定义。例如，具有职 员姓名和薪水的一系列信息可以表示为具有两列数据单一选择的一个表格。 銮亘墅盈是用来实现与用户交互有关的物理介质的方法。这些对象可由交互工 具箱软件提供，如与上述表格对象所对应的交互对象为单选按钮。 在a r c h 模型中，人们可以对各个部件的功能进行不同的定义。但部件之 间的联系采用图2 _ 2 所示的方式。 上图中五个部件的作用： 交互部件：实现与终端用户的物理交互： i o 第二章面向用户、资源的人机交互模型 表示部件：协调对话部件和交互部件，并为对话部件提供一系列与工具箱 无关的交互对象( 例如“选择对象在工具箱中可以通过菜单或者单选按钮来实 现) ： 对话部件：负责任务排队，维护多个窗口的一致性，对应用部件信息格式 和用户界面信息格式进行映射； 协调部件：用于协调对话部件和应用部件之间的通讯，它可以对应用有关 的数据进行重组，并为用户对话任务提供面向应用的功能。同时，协调部件还用 来检测和报告语义错误。例如，若用户要查询某公司中年龄大于3 0 的职员信息。 应用部件将查询结果返回给协调部件，协调部件对这些数据进行重组，如按列表 方式存储数据。 应用部件：控制、操作及检索与应用有关的数据，并完成应用的具体非交 互式的功能。 结构化的用户界面模型都基于对话独立性的原则，将交互系统的设计大体分 为两个部分：对话部件和计算部件。在具体实现时对话与计算的分离常常带来语 义反馈的延迟。因此提供较强的语义反馈是结构化的界面模型支持直接操作图形 用户界面的记忆个关键所在。 2 2 面向对象的交互模型 在以往的研究中，以开发了一些面向对象的用户界面交互模型和相应的实现 工具。 1 m v c 模型 m v c ( m o d e l v i e w - c o n t r o l l e r ) 模型”是最早提出的面向对象的交互式系统 概念模型。该模型是在面向对象语言s m a l l t a l k 编程环境中提出来的。模型由三 类对象组成：模型( m o d e l ) 、视图( v i e w ) 和控制器( c o n t r o l l e r ) 。如图2 3 ： 模型m 一表示应用对象的状态属性和行为，是用于表示应用领域知识的 接口模型( 抽象数据类型) 的构件。 视图v 一负责对象的可视属性，是将模型m 映射为用户可感知形式的构 件。在环境中，v 是预定义基类，其子类提供了各种用于构造应用主窗 口内内容的功能，如f o r m v i e w 等。 控制器洲理用户的输入行为并给控制器发送事件，是用于表示和实 现用户与之交互的构件。在环境中c 是预定义基类，其子类提供了各种 用于实现交互式技术( 如输入设备、w i m p 构件等) 的功能。 用户输入 视图消息显示输出 第二章面向用户、资源的人机交互模型 图2 - 3s a a l l t a l k 的蝌c 模型 用户和系统的交互循环过程开始于用户在一个控制器上的动作。该动作被作 为一种抽象操作，传至相应的模型，要求模型改变其状态，然后模型要求视图和 控制器改变它的显示和状态。 m v c 模型的一个特征是在对话独立的前提下，允许语义和它的视图直接相 互通讯。其另一个特征是将人机交互处理与输出显示部分分离，以减少一方改变 对另一方的影响，但在直接操作方式下，输入事件与及时的输出反馈是紧密相关 的。m v c 中的各种对象之间要通过消息传递才能维持系统的一致性。 2 p a c 模型 p a c ( p r e s e n t a t i o n ，a b s t r a c t i o n ，c o n t r o l 表示，抽象，控制) 模型是一种 多智能体( m u r i a g e n t ) 的交互式系统概念模型，它将一个交互式系统递归构造 为多个对象组成的层次结构。如图2 4 ，将交互式系统的各个功能模块表示为一 系列相互可以进行通讯的a g e n t 。其中箭头表示了通讯关系，垂直流表示对象之 间的通信，而水平流表示一个对象内部不同方面之间的通信。每个p a c 对象均由 三个方面构成。 表示面：表现定义用户的输入和应用的输出行为 抽象面：抽象对应于功能的语义信息，实现应用要完成的功能 控制面：负责对话控制并维护表示和抽象的一致性 p a c 强调了纵向地抽象用户界面的功能，不同的功能，模块都可以用p a c a g e n t 来表示，只是不同p a c a g e n t 的表现、抽象和控制器的具体内容不同。 图2 - 4p a c 模型 体系结构中处于最底层的p a c 实现与终端用户的交互，而顶层的p a c 则实 第二章面向用户、资源的人机交互模型 现交互系统中应用有关的功能。 3 队c 一a m o d e u s 模型 在p a c 模型的基础上进行了改进，欧洲的a m o d e u s 项目提出了p a c - a m o d e u s 模型，它将对话控制细化为一组p a c a g e n t 。见图2 5 这种风格使用了a r c h 模型作为功能分解的基础，并使用p a ca g e n t 作为对 话控制器。其中，功能核心对应于a r c h 模型中的应用领域构件，功能核心适配 器对应于领域适配器构件，对话控制器对应于对话构件，而表示构件包括图中的 两个层次的抽象 功能核, l , ( f u n c t i o nc o r e ) 以与显示无关的方式实现应用领域( d o m a i ns p e c i f i c c o n c e p t s ) 。功能核心适配器( i n t e r f a c ew i t ht h ef u n c i o n a lc o r e ) 将域对象从功能 核心映射到对话控制( d i a l o g u ec o n t r o l l e r ) ，将概念对象d c 映射到f c 。d c 是 整个模型的重点，它负责任务层的进程调度，每个用户的任务对应一个对话线程。 这要求与线程有关的a g e n t s 的多a g e n t 分解。对一个特定的系统，用一组规则确 定它所必须的a g e n t s 。表示构件( p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u e sc o m p o n e n t ) 定义了链 接显示对象和交互对象的多值映射函数。它为应用软件的输入，输出命令实现了 可感知的行为，只有有了这层抽象，交互的模式才可被考虑。底层交互构件( l o w l e v e li n t e r a c t i o nc o m p o n e n t ) 负责硬件平台和下层软件。它支持与用户的物理交 互，管理从不同媒体来的用户输入事件，并负责词法分析。一些底层的事件，例 如更改窗口大小就不传给表示构件而在本地由底层交互构件处理。 图2 - 5p a c - - a m o d e u s 模型 第二章面向用户、瓷源的人机交互模型 2 3 面向用户、资源的人机交互 1 面向用户的人机交互 计算机计算能力和输入输出的发展推动着人机交互模型的发展。从面向用 户的角度来看人机交互界面的发展，存在三个发展阶段： 原始、单调的交互界面系统是以简单实现功能为目的，完全没有考虑用 户在人机交互中所处的位置和作用 群体特征的交互界面显示技术、图形图象技术的发展形成了现有的 交互界面范式一图形用户界面风格。，这种模型的开发是在对群体用户的使用方 式进行分析的基础上建立的，用户界面模型是以用户群体作为分析单位来进行的 面向用户的交互界面模型用户个体之间的差异被考虑到用户界面模型 中，同一个用户群体中不同的用户之间不仅存在着使用上的共性，还存在着使用 上的差异。交互界面模型在用户群体分析的基础上，结合用户个体分析来进行。 这种交互界面具有自适应的特征，不仅考虑了用户群体的特征，而且考虑到用户 个体的特征，能够在一定程度上给予用户个体以界面适应性。 2 面向资源的人机交互 图形用户界面在过去的软件体系中以成为人机交互的界面标准被广泛采用。 这是因为在图形用户界面时代拥有与之相适应的图形输出设备。但对于有一些应 用设备，如移动设备、手机、p d a 等，只能提供有限的资源可供界面发挥作用； 同时虚拟现实技术在输出资源的极大丰富，也使得界面形式和信息的输出方式无 法协调。这些资源的缩减和扩张，形成了用户界面在显示输出上的问题。同样， 输入带宽的扩大也属于资源的变化。现在交互设备的扩展，不仅包含了已有的鼠 标、键盘，还加入了语音、手势、眼动等新型的交互设备，大大扩展了交互系统 的范围。 3 面向用户、资源人机交互模型( u r s m - - u s e rs e n s i t i v eh c im o d e l ) 在基于多维空间的人机交互分析的基础上，将传统的a r c h 模型进行扩展， 将传统的用户界面构件扩展为资源a g e n t 组，并加入了用户a g e n t 组。用户a g e n t 组的扩展将用户个体特征引入了用户界面的框架中，使人机交互更加具有用户适 应性，同时在支持多用户群体协作中，能够根据用户的特点设计群体合作的形式。 资源模型定义了所有和交互相关的交互设备、信息类型、计算环境和界面类型。 通过资源模型中定义的资源和信息媒体之间的关联，为用户提供合适和高效的交 互界面。资源构件的扩展对移动计算系统中的用户界面有着很好的支持。 图2 6 中构件的含义： ( 1 ) 用户a g e m ：用户在交互系统中的隐喻。实现对用户特点的分类、用户拥 第二章面向用户、资源的人机交互模型 有知识的描述和用户建模，量化用户特性与对话中的关键功能之间的关系。 ( 2 ) 用户认知构件：为用户构件和对话构件之间的中介，实现与交互相关的用 户特性参与，使交互中不仅考虑了用户群体的特征，而且考虑到用户个体的特征， 能够在一定程度上给予用户个体以界面适应性。用户和系统之间的交互是建立在 共识空间和差距空间之上。共识空间表征用户和系统之间存在着对交互和任务的 共同理解，差距空间表征用户和系统之间认识的差异。 图2 - 6 面向用户、资源的交互模型 ( 3 ) 资源a g e n t 组：实现交互环境中的资源分类，输入到输出，定义通道的感 应模型分析，以及通道之间的互动关系。 ( 4 ) 资源适配器构件：实现资源a g e n t 和交互对话之间的映射关系，并维护对 话与输入输出之间的协调一致，实现不同资源之间的互相弥补和交叉采用。 人机交互系统从概念模型( s e e h e i m 模型，a r c h 模型) 的提出，到侧重于交 互系统的层次化、模块化处理的面向对象的交互模型，到侧重于交互系统分解为 不同级别的a g e n t 的用户界面模型，从不同的角度对交互系统进行划分。结构化 的用户界面模型强调从纵向角度分解交互系统，面向对象和基于a g e n t 的用户界 面模型从横向交互分解交互系统。 4 人机交互用户模型和资源模型 传统的人机交互系统提交给用户去操作的是一个没有”柔度”的系统。用户 只有硬性的跟随系统建立好的执行方式和执行顺序来操作 以用户为中心的交互技术，是使计算机了解用户的意