（电路与系统专业论文）智能用户界面中自适应性的研究与开发.pdf

北方交通大学硬学垃论文 北方交通大学9 6 级硕士学位论文摘要 钱肿瓶帕髓糊研絮魏毒 电子与信息工程学院硕士研究生吴青粟 关键字：智能用户界面，自适应用户界面，用户模型，s m a b o ， 多模态表示，c a u a i ，u a m p ，a t m s ，g b i ，面向对象设计 本文介绍了作者在日本富士施乐公司i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 研究中心从事的有关智能用户界面的自适应性的研究和开发工作。 智能用户界面是当前人工智能和信息技术领域研究的热门课题之 一。本文的研究是基于一个智能多媒体系统s m a b o ，该系统被用 于验证有关智能用户界面设计理论的有效性、正确性和实用性。 s m a b o 中自适应于用户的多模态表示子系统u a m p 集中体现了 s m a b o 中自适应用户的功能。 本文首先综述了智能用户界面及其研究现状，随后介绍了自适 应用户界面，重点论述了其主要课题及相关技术，同时还讨论了自 适应用户界面研究的主要问题。f 随后章节阐述了本文所做的工作： 1 提出了s m a b o 中关于智能用户界面的新思想。文中提出 了一个用于建造自适应用户界面的a g e n t 合作式框架，称为 c a u a i 。通过该框架，本文提出，应该在整个自适应界面的框架 中考虑各种自适应功能的设计。 2 运用了两种有效的关键技术实现u a m p ： ( 1 ) 采用a t m s 机制实现对用户动作进行高效准确的解释。 ( 2 ) 采用并改进了g b i 方法用于建造用户模型。 在u a m p 中，本文重点研究了如何在与用户的交互过程中动 态地获取用户模型，因此本文的研究与大多的自适应多模态表示的 研究有所不同，实现了自适应多模态表示与领域有关的最少性。 3 论述了u a m p 中的面向对象设计，例示了使用u m l 表示 ( u n i f l e dm o d e l i n gl a n g u a g en o t a t i o n ) 的对象模型图( o b j e c tm o d e l d i a g r a m ) 和剧本( s c e n a r i o ) 设计，并重点介绍了所采用的几种较为新 颖的设计模式。同时，还进一步分析了可用于a g e n t 系统的面向 对象设计模式。 + ：s m a b o 版权归日本富士施乐公司所专有 j e 方交通大学硕士学位论文 4 使用j a v a 语言完成了整个u a m p 子系统及s m a b o 系统 的智能用户界面的设计、编程、调试及实装工作。 文中最后重新强调了本研究中的要点，并对今后工作方向作了 分析和讨论o i i 托方交通大学碗学位论文 a s t u d y o n a d p a p t i v i t yi ni n t e l l i g e n t u s e r i n t e r f a c e m i s s w u q i n g s u e l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gc o l l e g e n o r t e r n j i a o t o n gu n i v e r s t i y m a s t e rt h e s e s ( s u m m a r y ) 1 9 9 8 ，1 2 k e yw o r d s ：i n t e l l i g e h t u s e r i n t e r f a c e ，a d a p t i v e u s e ri n t e r f a c e ，u s e r m o d e l ，s m a b o ，m u l t i m o d a lp r e s e n t a t i o n ，c a u a i ，u a m p ，a t m s ， g b i ，o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n t h i s p a d e rp r e s e n t s ar e s e a r c ha n d d e v e l o p i n g w o r ko nu s e r a d a p t i v ei n t e r f a c e ，w h i c hi sb a s e d o na l li n t e l l i g e n tm u l t i m e d i as y s t e m ， s m a b o i nt h i ss y s t e m t h eu s e r - a d a p t i v ef e a t u r e sa r em a i n l yr e f l e c t e d b y a n d i m p l e m e n t e d i na n u s e r - a c t a p t i v e m u l t i m o d a l p r e s e n t a t i o n s u b s y s t e m w h a t a r cc a i lu a 【p t h i sp a p e rf i r s tg i v e sa no v e r v i e wo f i n t e l l i g e n tu s e ri n t e r f a c e a n d g o0 n t oh a v ea ni n t r o d u c t i o no f a d a p t i v eu s e ri n t e r f a c e ，e s p e c i a l l yt h e m a j o rs u b j e c t s a n dt e c h n i q u e si nt h ef i e l d a l s o i n e f 矗c i e n c y a n d p r o b l e m sa r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ef o r m e rd i s c u s s i o n ，o u rw o r ka r e i n t r o d u c e di nt h e f o l l o w i n g s e c t i o n s t h en e wc o n c e p t i o no fu s e r i n t e r f a c ei ns m a b oi se x p l a i n e d a na g e n t sc o l l a b o r a t i o nf r a m e w o r k c a u a ii sp r o p o s e df o rt h eu s e r a d a p t i v ei n t e r f a c e a n dw ea r g u et h a t t h e d e s i g no fa c t a p t i v e f u n c t i o n ss h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ew h o l e a d a p t i v ei n t e r f a c ef r a m e w o r k ： w i t l l i nu a m p t w o p o w e r f u lt e c h n i q u e sa r ee m p l o y e d a t m sa r e u s e dt or e a l i z ea ne m c i e n tw a yo fa c t i o ni n t e r p r e t a t i o n w h i l eg b i m e t h o di s i m p l e m e n t e da n da d a p t e df o rc o n s t r u c t i n gu s e rm o d e l i n u a m p w ef o c u so nt h ed y n a m i ca c q u i s i t i o no fu s e rm o d e lt h r o u g h i n t e r a c t i o n ，w h i c hh a v em a d et h ew o r kl e s sd o m a i n - d e p e n d e n tt h a n t h o s eu s u a lr e s e a r c h e so na d a p t i v em u l f i m o d a lp r e s e n t a t i o n w ea l s oi l l u s t r a t et h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nf o ru a m p a n dh a v e a r ta n a l y s i so nt h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g np a t t e r n sf o rt h ed e v e l o p m e n t o f a g e n ts y s t e m w ec o n c l u d eb ya ne m p h a s i so nt h em a i n p o i n t so f t h ep a d e ra n da f u r t h a r _ d i s c u s s i o no ff u t u r ew o r k i l i 托方交通大学硬士学位论文 第一章引言 随着i n t e r n e t 的日益普及，计算机应用程序所需处理的信息急 剧增多，同时，系统所面临的用户也不断增加。不同信息类型，加 之不同的用户需求，对应用程序提出了更多更高的要求。 另一方面，新型输入输出设备层出不穷，使得用户与计算机的 交互手段不断扩展。相应地，用户程序的界面在不断发生着变化， 从直接操作的图形界面到语音输入、自由手书支持的界面，甚至虚 拟现实的界面等等。 以上特点对应用程序的影响就是，为了处理各种各样的信息， 为了适应各种各样的用户，为了使用各种各样的输入输出设备以实 现不同的交互方式，计算机应用软件的功能越来越多，也变得越来 越复杂。这必然引起有关软件的易用性和系统性能下降等问题。 如何在增加功能的同时，不仅保证、甚至提高系统的整体性 能，又改善软件的易用性等，是现代系统应用软件设计中的一个重 要的问题。解决这个问题的核心之一，就是如何实现有效的人机交 互。为解决这个问题，目前主要针对以下两个方面进行研究： ( 1 ) 智能用户界面与自适应用户界面。主要考虑的是系统如何 通过智能行为，辅助用户，改善人机交互，提高系统性能。 ( 2 ) 多模态多媒体表示。主要考虑的是如何运用各种表示形 式，更有效地进行信息表示。 这两个方面又各自有多个研究方向。但是，在它们的研究重点 中，有一个共同的特点，就是都对如何实现用户自适应性的问题进 行了较深入的研究。 本文结合一个智能多媒体系统的设计与开发，重点对智能用户 界面的用户自适应性作了研究与探讨。在该系统中，自适应性主要 体现在用户自适应性的多模态信息表示上。本文对用户自适应性的 多模态表示的研究是从自适应用户界面的角度出发的，因此与一般 的研究有所不同。目前的大多数研究的重点主要放在多模态表示的 调节过程上，而本文则在对上述( 1 ) ( 2 ) 两方面有关问题的研究中， 着重分析人机交互问题，并用分析结果来指导多模态表示。 本文第二章从人机交互的角度对智能用户界面的概念、结构和 发展等作了一个综述。 第三章对自适应用户界面作了较为详细的论述，重点分析了那 些与本文工作有关的概念，并列举了用户建模等关键技术的发 展。最后还对发展中的自适应用户界面的研究状况作了研究和评 价，研究中提出的一些问题，即是下面讨论的基础。 j e 方交通大学硕士学位论文 第四章对作者与其他人共同开发的一个名为s m a b o 的智能 多媒体系统作了介绍。s m a b o 主要是用作本文研究的实验环境。 本章强调了其中用户自适应性界面的新思想。 第五章提出了一种a g e n t 合作式自适应用户界面构造框架 c a u a i ，并对其主要思想及优点作了讨论。本章提出的这种框 架，被作为s m a b 0 系统中各种自适应功能开发的起点和基础， 也使得下面对自适应多模态表示功能的研究重点有别于其它相关研 究。 第六章详细论述了在构成s m a b o 的智能用户界面的u a m p 子系统中，用户自适应性的多模态表示的研究与实现。其中，结合 对当前有关研究的评价，指出u a m p 的研究的不同思想，提出了 通过在人机交互的过程中动态地获取用户模型指导多模态表示的问 题。首先介绍了如何使用a t m s 机制实现对用户动作的有效解释 和重新描述，其次介绍了用户建模技术，重点探讨了如何利用及改 进基于图的归纳方法，发现用户使用模态的规律。并且还对照第三 章提出的一些问题总结了u a m p 中的解决方案。 第七章介组了对u a m p 的面向对象的设计，重点是结合 j a v a 设计，介绍一些新型设计模式在其中的运用。另外，本章还 对使用面向对象的设计模式将u a m p 设计为a g e n t 系统的可行性 作了探讨。 第八章总结了本文的工作，对其主要思想及特征作了强调。同 时还展望了今后可能的工作方向。 2 托方交通大学硕士学位论文 第二章智能用户界面综述 智能用户界面( i n t e l l i g e n tu s e ri n t e r f a c e ) 是目前计算机人工 智能领域非常热门且争议颇多的一个课题。对于智能用户界面的定 义，不同的研究者从不同的角度提出了不同的定义，而且随着计算 机技术及人工智能理论的成熟与发展，它也在不断地发展变化着。 一些最早在人工智能方面的研究工作包括有关人类自然语言的研究 等等都涉及到了智能用户界面。 对用户界面的研究最基本的问题就是用户怎样能够与系统更好 的交互以解决非常复杂而棘手的问题。所以本章首先介绍几种人机 交互模型借以反映交互系统。 2 1 人机交互模型 研究者们提出了几种用来描述用户界面和人机交互的模型。这 些模型都是从技术和设计者的角度来描述用户界面的。本节将介绍 其中几个较为典型的模型。 s e e h e i m 模型是由p f a f f 等人提出的最知名的用户界面模型如 图2 1 所示。 图2 ，ls e e h e i m 的用户界面模型 该模型将用户模型描述为包括三个组成部份； 1 表示组件，在词汇层次上描述可视的交互对象。 2 对话组件，在符号层次上描述对话的结构化元素和交互对 象的行为。 3 应用程序界面，在语义层次上描述在应用程序的上下文中 对话的目的。 s e e h e i m 模型显然不足以描述当前复杂的图形用户界面，因此 人们对它进行了改进，扩展，或者替之以其它预规定( p r e s c r i p t i v e ) 模型，但是对哪种模型最好缺乏共识，而且仅仅只定义一个预规定 的模型是不能描述所有类型的交互系统的。 因此，研究者们采用了另外一种方法，提出了一个描述交互系 北方交通大学礤士学位论文 统运行时体系结构的a r c h 模型。模型的开发者为了将用户界面功 能与其它功能分离，常常需要检查交互系统的功能，而a r c h 模型 的设计并不是这样，它转而对交互系统中在用户界面和非用户界面 组件之间通信的数据的特性进行考查，如图2 2 所示。 图2 2 交互系统中进行时结构的a r c h 模型 每一个交互系统所必需的功能有：控制和重组领域数据，执 行领域任务，排序，支持多个视图的一致性，决定恰当的媒体，交 互对象的选择，支持与用户的物理交互，领域体系和和用户界面体 系之间的转换。对这些功能，不同的交互系统可以有不同的强调重 点。 根据功能分配，a r c h 模型中定义了以下五个组件： 1 针对领域的组件( t h ed o m a i n - s p e c i f i cc o m p o n e n t ) 控制，操 作和检索领域数据并且还完成与领域有关的其他功能。 2 交互工具包组件( t h ei n t e r a c t i o nt o o l k i tc o m p o n e n t ) 实现与 终端用户的物理交互( 通过软件和硬件) 。 3 对话组件( t h ed i a l o gc o m p o n e n t ) 负责在任务级管理用户任 务和应用程序中的依赖于用户的任务部分。另外，该组件还负责提 供多个视图的一致性，以及针对领域的和针对用户界面的体系之间 4 北方交通大学硕士学位论文 的对应转换。 4 表示组件( t h ep r e s e n t a t i o nc o m p o n e n t ) 充当对话组件和交互 工具包组件之间的中介( m e d i a t o r ) 或缓冲组件。它为对话组件提供 一套独立于工具包的对象( 例如，一个实数值，对应地可以在工具 包中用一个滑条或一个进程条实现) 。表示组件还要决定媒体对象 的实际表现。 5 领域调节组件( t h ed o m a i n ，a d a p t o rc o m p o n e n t ) 是对话组件 和针对领域的组件之间的中介组件。领域调节组件负责实现那些由 于要求用户操作，从而针对领域的组件不能完成的任务，例如，将 针对领域的项目排列成列表供用户选择。它触发领域起动的对话任 务( d o m a i n i n i t i a t e dd i a l o g u et a s k ) ，重组领域数据，检测并汇报语 义错误。 另外，该模型中使用对象一词来形容和抽象在各个组件和有关 机制之间传递的信息： 1 领域对象( d o m a i no b j e c t s ) 被两个组件使用。针对领域的组 件用它来使用领域数据和操作，以便提供与用户界面无直接关系的 功能( 例如，从数据库中按性别检索学生的姓名和年级) 。领域调节 组件用它来使用领域数据和操作，以便实现与用户界面有关的领域 数据的操作( 例如，不断更新列表以显示中间信息) 。 2 表示对象( p r e s e n t a t i o no b j e c t s ) 是虚拟的交互对象，它们控 制着用户交互。它们包括表示给用户的数据和用户产生的事件，但 是并不定义用于表示和产生事件的媒体。 3 。交互对象( i n t e r a c t i o no b j e c t s ) 是针对媒体的，是表示对象 的实例化。它们由交互工具包软件( t h ei n t e r a c t i o nt o o l k i ts o f t w a r e l 提供。 为了减少今后技术更新可能带来的影响，人们又对这种模型进 行了修正。s l i n k y 元模型通过在组件之间的功能转换，可以提供一 系列的a r c h 模型。从这个元模型出发，根据开发者的不同日标， 可以引出各种各样的体系结构，还可以根据不同的目标对这些体系 结构进行评价。 这种模型较适合于用户界面管理系统f t h eu s e ri n t e r f a c e m a n a g e m e n ts y s t e m ( u i m s ) ) 中的用户界面的设计与实现，但是它很 难支持自适应智能系统的实现。对自适应智能系统的研究产生了一 种被称为三元a g e n t 模型( t r i p l ea g e n tm o d e l ) 的人机交互模型，如 图2 3 所示。 这里，可能的交互循环有： 1 任务由用户直接观察。 2 任务由传感器、计算机、显示器等间接观察，由任务机器 j t 方交通大学硕士学位论文 传感，任务机器的反馈与用户会话机器的反馈进行交互。 t a s k i s d i r e c t t y o b s e r v e db y t h eu s e r ( 1 ) t a s ki so b s c r v c - di n d i r e c t l y ( 2 ) 图2 3 三兀a g e n t 模型 3 任务机器以自动的方式控制任务。 4 任务在被传感( 例如，通过传感器) 的过程受到影响。 5 任务影响执行机构并反过来被执行机构影响。 6 人类用户直接影响任务。 7 用户通过控制或用户会话机器，执行机构等间接影响任 务。这种控制与第3 项中的控制交互。 8 用户从用户会话机器处得到反馈。 9 用户调整控制参数。 1 0 用户调整显示参数。 三元a g e n t 模型反映出在人机交互界面设计中重视人的因素， 但是对于如今日渐复杂的图形化的具有多模态交互和动态表示功能 的人机交互界面来说，它是不足以满足设计和实现的要求的。 为了利用上述a r c h 方法的优点来实现系统结构并且进行适当 的扩展使其成为自适应智能系统，h e f l e y 等人提出将三元a g e n t 模型与a r c h 模型集成起来，这种集成的新模型被称为自适应智能 人机界面的a r c h 模型( t h ea r c hm o d e lf o ra na d a p t i v ei n t e l l i g e n t h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) ，如图2 4 所示。 在这里，智能用户界面被设计为a r c h 模型中的领域调节组件 的实例化，因此，就需要对交互系统增加一些新的功舱。这些功能 与智能表示、智能帮助和高级用户交互管理等有关。所有的这些功 能都需要访问用户数据库和知识数据库。扩展后的a r c h 模型与三 元a g e n t 模型的主要连接是任务上的，而与原a r c h 模型的连接则 北方交通大学硕士学位论文 主要是在领域上。它的主要组件有 图2 4 自适应人机界面的a r c h 模型 1 针对领域的组件f t h ed o m a i n s p e c i f i cc o m p o n e n t ) 可以被认 为是用户模型数据的存放地点，针对领域的知识库和动态知识库的 地点所在。 2 嵌入1 的用户模型可以与领域调节组件( t h ed o m a i na d p a t o r c o m p o n e n t ) 连接影响上层的对话组件。 3 其它的靠近用户界面的层次应该完成任务识别( 例如，在用 户动作，对话和用户目标意图之间建立联系) 、表示、解释和用户 调节( u s e rt a i l o r i n g ) 等等。一个健壮的智能用户界面除了应该包括 提供自适应和智能表示的层次以外，还应包括以下的几个组件： ( 1 ) 领域适应。包括目标管理和高层次( 例如认知) 的用户建 模。 ( 2 ) 对话管理。它主要负责管理交互，以及动作级和表示级上 的用户建模。 这种模型集成了a r c h 模型的优点，例如，提供非预描述的框 架，以运行时体系结构的形式来描述一个交互系统中的所有功能， 描述设计者的目标，描述设计出来的功能分配是怎样支持目标的。 丁 托方交通大学硕士学位论文 它同时还具有c a r d 的模型在的智能行为描述上的优点。这样，以 它为基础，既能看到将来所期望的系统的功能，又能协助利用现有 的技术，模型和其他领域的研究成果来创建实际的系统。 2 2 图形用户界面及其存在的问题 用户界面经历了从命令行界面到图形操作界面的飞跃。在过去 的几年中，图形操作界面成为操作界面的标准。对于用户所需要完 成的许多任务来说，图形操作界面要比命令行操作界面方便，有效 的多。w i n d o w s 的桌面操作系统使原先复杂难记忆的命令行操作 变得简单起来。但是随着图形操作用户界面的广泛使用，随着任务 的规模和复杂度越来越大，它的一些缺点也逐渐暴露出来。图形用 户界面的主要缺点有： 1 搜索空间大。在大规模分布式系统中，很难通过浏览或使 用传统的检索方法找到所需要的内容。尤其是项目越多，就会越困 难，越不实际。 2 只能响应即时的用户交互。对于图形界面来说，用户交互 的事件，系统都会立即作出相应的反应。但是，在某些时候用户并 不希望系统立刻执行响应动作，而是希望能够在指定时刻得到它， 或者也许用户希望在他离机后软件也能自动响应系统所产生的事 件。 3 无法合成。无法将基本的动作和对象合成到更高的层次 上。例如，用户在编辑文件时使用的粘帖功能，用户就需要进行一 系列的操作才能实现。首先必需选择要粘帖的部份，然后将鼠标 移到相应的位置，然后从菜单上选择“粘帖”才能完成整个功能。 4 面向功能。软件一般都是按照软件的基本功能组织的，而 不是根据用户个人的情况和任务内容。 5 死板。用户界面的一致性、被动性，使其对于简单的任 务，可预知且易于学习，但是对于复杂的任务并不是优点。 6 无学习功能。传统的软件都没有学习交互过程，以改进行 为的能力。例如，注意并学习重复的动作，以便更好地决定缺省响 应行为。 为了解决这些问题，最普遍的作法是将这种直接操作方式与 a g e n t 间接管理的交互风格相结合，目前对智能用户界面的研究与 开发多属于这种模式。 2 3 智能用户界面 对智能用户界面的研究由来已久。最早的工作是在人工智能领 域中对自然语言界面的研究。其基本思路就是，在系统的后台使用 8 北方交通大学硬士学位论文 a g e n t 负责与用户使用自然语言进行对话，用户查询，系统响应。 随着用户界面的发展和变迁，以直接操作( d i r e c tm a n i p u l a t i o n l 为主要特征的图形用户界面逐渐成为主流。但是如上一节所述，图 形用户界面并菲在各个方面都优于自然语言界面等其它类型的界 面。图形用户界面带来的新特征以及它所存在的问题和缺点，进一 步推动了智能用户界面的研究，扩展了研究的领域，从不同类型界 面的结合到交互技术与人工智能的结合等等。但是对智能用户界 面研究总的目标并未改变，主要在于以下几个方面： 1 使用户与用户界面之间的交互更加清晰和高效。 2 为用户的任务，规划和目标提供更有效的支持。 3 更加有效地表示信息。 4 简化一个好的用户界面的设计和实现。 智能用户界面实现“智能”的方法各种各样，总的来说，它可 以体现于以下几个方面： i 用户界面可以根据不同用户的不同需要进行调节。 2 用户界面具有学习功能。 3 用户界面可以猜测用户的需求和目标。 4 用户界面能够给用户适时提供用户所需要的帮助和建议。 5 用户界面可以对自己的行为作出恰当的解释。 2 - 4 智能用户界面的组成 图2 5 显示了智能用户界面的组成部份。当然，根据研究方向 和具体内容的不同，各个实际系统中根据可能只包含这其中的某些 部份。 1 多模态通讯f m u l t i m o d a lc o m m u n i c a t i o n ) 多模态通讯的作用主要有以下两点： ( 1 ) 它支持用户通过使用符号语言等更加直观地使用系统。 ( 2 ) 它允许用户在工作时更加独立于他们的计算机桌面，从而 给他们更多的自由和灵活。 多模态通讯使用多种模态表示同个信息，使得表示更加详 细、有效。特别是当用户正在使用某种感官获取信息，同时又想 通过别的感官来得到更加详细的信息时，多模态通讯显得特别重 要。例如，当用户正在通过计算机来观察某种机器的组成时，对 其中的某一个部件感兴趣，如果采用放大该部件的方法，由于这样 同样占用视觉感官，必然或多或少地会破坏用户对机器整体的认 识。这时，如果采用语音解释部件的多模态通讯方式，无疑将起到 更好的作用。 2 动态表示( d y n a m i cp r e s e n t a t i o n ) 就蠢交通大学硕士学位论文 为了表示同一个信息或数据，系统应该能够根据不同用户的不 同背景，不同的喜好，以及表示的数据类型和内容等情况以不同的 形式表现出来，从而使用户可以最大限度地理解这些信息和数据。 这样就要采用用户界面能够根据不同的用户动态地改变同一信息或 数据的表现方式。 图2 5 智能用户界面的组成部分 3 自然语言对话f n a t u r a l l a n g u a g ed i a l o g u e ) 自然语言对话是使系统更加直观的最好的方法之一。用户可以 通过自然语言直接向系统提出自己的要求，而不必记忆那些命令或 者对象与动作之间的关系。但是，自然语言对话仍然是目前人工智 能领域研究和开发的最具挑战的课题之一。一些比较令人满意的系 统往往需要特殊的硬件来支持，因此不适合于日常使用的用户界 面。另一方面，软件语音识别的功能是很有限的。 4 智能帮助( i n t e l l i g e n th e l p ) 在一般的用户界面系统中，当用户向系统要求帮助时，系统提 供的帮助信息往往比用户所真正需要的信息要多，或者与当前环境 无关，或者与用户的需求不同。智能帮助致力于在特定的情形下为 用户提供所需的帮助。根据需要或要求帮助的不同情形，用户帮 助可以分为以下几种： f 1 、被动式帮助。用户显示地要求帮助，目前为大家所熟悉的 1 0 托方交通太学硬士学位论文 帮助系统多属于此类。 ( 2 ) 主动式帮助。系统可以主动地为用户提供帮助。例如，系 统建议使用宏代替一系列经常使用的命令序列，以简化用户操作。 ( 3 1 合作式帮助。当用户发生错误的时候，给出改正错误的建 议和帮助，例如微软公司的办公室助理o 伍c ea s s i s t a n t 。 ( 4 ) 隐式帮助。例如，通过改变布局来间接地进行帮助。 智能帮助可能包括以上多种形式。智能帮助系统可以根据同 一用户的不同需要，同一需要的不同用户为用户提供必需的帮助。 同时，它也为用户下一步可能进行的操作提供帮助。 5 界面可适应性( i n t e r f a c ea d a p t a b i l i t y ) 所谓界面可适应性，是指系统允许用户通过变更用户界面的某 些参数和配置，使其呈现出不同的布局或具有不同的功能。根据用 户的需要对系统的用户界面布局进行调节的目的是，通过修改针对 某一任务的配置来达到方便用户日常工作。由于所有与当前工作无 关的功能都被忽略了，所以用户界面变得简单，从而提高了工作效 率。并且，界面可适应性可以在一定程度上实现用户的喜好。用户 喜好的界面也许不是最优的界面配置，但对于用户个人来说却是最 易于与应用程序交互的界面。还有一些方法研究如何根据屏幕空间 等物理约束优化界面配置。 这种界面适应性是由系统自动决定的，还是由用户控制的是问 题的关键所在。本文研究的重点即是智能用户界面中的适应性问 题，第三章将对这一部分作详细论述。 2 5 智能用户界面的发展状况 尽管智能用户界面作为一个研究课题已有超过1 0 年的历史， 但是到现在为止仍很少有成功投入市场的系统。商业化应用软件缺 少智能用户支持主要有以下几个原因： 1 许多智能用户支持的方法是嵌入在一个测试应用系统中 的。其主要目的是验证已经实现的智能的概念，这仅仅对开发者和 特定应用系统的用户有兴趣，而对其他的终端用户来说并没有兴 趣。有些基本的智能方法、技术等可以运用于真正的应用系统中， 但是代价过大。 2 其它方法的开发是基于一些复杂的用户界面开发环境( u s e r i n t e r f a c ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s ( u i d e ) ) 。虽然这些方法的应 用可以不仅仅局限于一个系统中，但是它却有另外的限制，即应用 系统的用户界面必须在特定的用户界面开发环境上开发。 在少数已实用化的智能图形用户界面系统中，都有一些共同 的趋势，主要就是集成现代人机交互技术与人工智能的技术，具体 北方交通大学硕士学位论文 地说有： 1 将智能行为局限于用户支持而不是过程的自动化上。 2 将智能局限制于负责人机对话的组件中，这些组件对系统 的错误不是特别敏感，系统行为的错误是不可避免的。 3 保持用于实现智能用户支持的嵌入于系统的人工智能技术 的数量最少，因为这些人工智能技术往往是开销很大的。 4 给用户提供渠道控制，优化或者解释智能用户支持。 但是，这些支持智能用户界面的方法仍然局限于它们各自的合 适的环境中。一方面，这样可以使用户支持组件最好地适应于整个 应用系统；另一方面，它又并不是适用于所有的交互式图形系统， 因此，用户支持组件并不是系统的必要组件。 因此，目前对智能用户界面的主要工作多是将智能用户支持作 为已有的复杂的交互式图形应用系统的一种p l u g i n 功能来实现 的，这就需要在以下几点上达成折衷： 1 提供的智能用户支持的数量和种类。 2 智能用户支持与应用系统的集成的难度和开销。 3 集成的人工智能方法和技术的难度和影响。 4 扩展和加强的灵活性。 应该说，目前智能用户界面还主要停留在研究阶段。一方面， 智能用户界面本身尚无统一的定义，以及统一的框架用以遵循；另 一方面，智能用户界面的研究领域很广，使用的理论技术千差万 别，有些理论、技术，尤其是人工智能本身尚未完善。但是，对智 能用户界面的研究越来越热，这也反映了当前软件发展的趋势。 北方交通大学硕士学位论文 第三章自适应用户界面概念、技术与问题 由第二章对智能用户界面的介绍可知，用户界面设计系统中 “智能”是关键，如何体现系统的智能特性是要考虑的主要问题。 解决系统智能问题的方法有多种多样，一个系统不可能采用所有智 能问题解决方法，一般情况下，研究者多集中于解决某一方面的智 能问题。本文重点对智能用户界面中的自适应性作了研究与探讨， 而由此产生的自适应界面，则被看作反映系统智能的一个特征。 自适应用户界面已经成为智能用户界面研究中的一个重要分 支，甚至在有些研究中直接把自适应界面看作系统智能性。从理论 上看，自适应界面和系统智能性两者之间还是存在着一些基本概念 上的差别。 本章将具体描述自适应用户界面的基本概念，还讨论了有关自 适应界用户面中的一些关键课题和使用的理论、技术，并对其作了 相应的评价。 3 1 自适应用户界面( a d p a t i v eu s e ri n t e r f a c e ) 最初的人机交互中自适应行为，主要由用户承担，因为那时计 算机系统还无法在交互中实现自适应行为。随着图形用户界面的出 现，先进的多媒体技术，新的输入输出设备，多模态交互技术被广 泛应用于软件界面，从而推动了计算机用户数量不断增长。随着计 算机用户数量的增长，用户层次的划分也日趋明显。不同层次的用 户有着不同的能力、需求和喜好。另外，人类用户所面对的交互式 计算机系统也发生了巨大的变化，系统越来越复杂，越来越要求用 户了解更多的专业知识。正是这种变化，促进了系统适应性行为的 研究。 可适应( a d a p t a b l e ) 与自适应( a d a p t i v e ) 是有关自适应用户界面的 两个基本概念。 为了适应不同用户的需求，信息系统应该允许用户人工她调节 系统，或者由系统本身自动调节以满足用户需要。系统允许用户更 改某些参数，并相应地调节系统的行为就被称为系统的可适应性。 而系统能根据对用户的假设自动地进行调节，以适应于用户就称为 系统的自适应陛。 自适应用户界面是智能用户界面系统中非常重要的一个组成部 部分。所谓自适应用户界面，是指这种用户界面能够对用户进行一 系列的猜想、假定或者判断，并自动地调节用户界面。自适应用户 界面的智能性不仅表现在它考虑了用户正在使用的系统和数据，还 北方交递大学6 3 t i - 学位论文 考虑了用户为了在某一个应用系统中完成某项特定任务而产生的需 求，因此它需要解决以下四个问题： 1 有不同需求的多个用户使用同一个系统。 2 一个系统被一个用户使用，但是用户的需求是不断变化 的。例如，用户从开始对该系统不熟悉到成为这个系统的使用专 家，他对系统的需求是不同的。 3 一个用户工作在不断变化的系统环境中。例如，系统环境 的变化是由于前面所介绍的系统可调节性而引起的。 4 一个用户工作在不同的系统环境中。 如果不采用自适应用户界面方案，则可使用以下两种方法解决 这些问题： 1 强迫用户调整自身以适应当前的用户界面。 2 重新构造更好的非自适应的用户界面来适应所有的用户和 情况，但这看起来并不可行。 实际上，这两种方法都没能很好地解决问题，相比之下，实现 自适应性，使用户界面个人化( i n d i v i d u a l i z a t i o n ) 是更合理的解决方 案。 一般地，具有自适应功能的系统，在运行时要作以下三件事： ( 1 ) 注意( n o t i c i n g ) ：试图检测出相关事件。 ( 2 ) 解释( i n t e r p r e t i n g ) ：试图识别这些事件。 ( 3 ) 响应( r e s p o n d i n g ) ：对于解释的事件，或执行相应的动作 影响用户，或改变系统的机制、策略等( 学习) 。 图2 5 曾显示了智能自适应用户界面的组成，为了实现前面所 描述的根据不同用户，不同任务而自我调节的自适应用户界面，还 必须构造它的两个另外两个组件：用户建模和规划识别。这在第二 章未作介绍，因为它们是自适应用户界面的主要特征部分。它们的 有关理论、技术本章将分节单独介绍。 3 - 2 自适应用户界面的分类 关于用户界面的调节是由系统控制还是由用户控制的众多讨论 并没有考虑用户界面中适应性的应用、目标和技术上的差异。自适 应界面的开发者需要考虑界面适应性的几个方面，这些方面包括适 应过程的起动者，它的目标与构成，它所依赖的信息以及使用的策 略。决定采用自适应还是可适应应该从用户的角度来决定而不是从 开发者的角度来决定。这是因为最终的系统的使用者是用户，他们 才是真正评判系统优劣的人。 托壳交通大学硬士学位论文 图3 ，1 从用户角度对自适应界面的分类 d i e t e r i c h 提出了一种很吸引人的分类方法。这个分类方法将 适应过程的不同工作划分为起动( i n i t i a t i v e ) ，建议( p r o p o s a l ) ，决策 ( d e c i s i o n ) ，执行( e x e c u t i o n ) 四个阶段。每一个阶段可能由系统控制 或由用户控制。图3 1 的右上部份表示了自适应用户界面可能实现 的的各种组合。这些组合是阶段控制任务和控制代理的组合。图 3 1 的左部显示了任务与代理最有价值的组合。图3 1 的右下部份 表示了其它的一些组合( 例如，系统所有的起动工作都由用户来 做，这样也就失去了用户界面的智能性) ，这些组合不是很有研究 意义。 3 3 用户建罐葜( u s e rm o d e l i n g ) 一、用户建模问题 在目前信息化的社会中，用户界面越来越需要综合全面地支持 易于访问和高效性这两个特征。实现这两个特征的核心是，用户界 面能够适应不同的用户，不同的平台，不同的交互类型。为了达到 这些目标，“u s e ri n t e r f a c ef o ra l l 的概念紧随着“d e s i g nf o ra l l ” 和“u n i v e r s a la c c e s s i b i l i t y 的概念被提出来。基本的目标是通过考 虑用户群中每个用户的能力、需求和喜好来确保交互的高效性和易 于访问性。在面向这个目标的各种研究中，用户建模这一领域应该 托方变通大学硕士学位论文 是最具有代表性的。 对自适应用户界面来说，为了根据用户决策对系统进行调整， 关键在于系统对用户所做出的一些假设，从而使用户不必自己起动 或选择这种自适应行为。这些假设需要存储在知识库中并由知识库 管理，知识库中可能还存放着一些更详细的数据如用户的登录i d 或登录名等。用户建模的任务是，根据应用系统的用户建立和管理 这种知识库，并提供一种可以正确存取用户模型的机制。具体地 说，作为自适应用户界面组成部分之一的用户建模组件，应当具有 以下功能： ( 1 ) 在用户与系统进行交互时建立起用户模型。 ( 2 ) 不断地更新用户模型。 r 3 ) 从最初的假设中推导出更深的假设。 f 4 ) 确保假设的一致性。 ( 5 ) 应要求为智能系统的其它组件提供正确的假设。 用户模型中表示的知识类型是取决于它在应用程序中的用途， 并且需要由系统设计者事先定义。 在过去的几年中，研究者们开发出了各种方法，来使一个交互 软件系统能够自己作出一些有关用户的假设。这些方法的可用性主 要依赖于系统的类型，特别是依赖于它的应用领域，依赖于用户使 用这个系统需要完成什么样的任务，还部分依赖于系统的用户界 面。目前，大多数自适应用户界面系统采用的方法可以按照以下几 个方面分类： 1 对用户的假设的类型 ( 1 ) 用户已知的和未知的知识。 ( 2 ) 用户的目标和规划。 ( 3 ) 用户的喜好和趋向。 ( 4 ) 用户的经验和技能。 ( 5 ) 用户的误解。 2 将用户模型获取集成到人机对话中的方式 ( 1 ) 集成式获取( t h ei n t e r g r a t e da c q u i s i t i o n ) 发生在人机交互的 后台，因此对于用户来说是最大限度隐蔽的。它可能使用下面将要 叙述的每一种技术。 ( 2 ) 分离式获取( t h es e p a r a t e da c q u i s i t i o n ) 是基于面向用户的对 话框。这种对话框可能会出现在用户与系统第一次交互之前，或者 在交互之中出现多次。这种分离式获取又分为两种情况。第一种是 系统控制的获取，即对话是由系统自动起动的。系统首先通过最初 的对话或测试建立用户模型，然后通过在交互过程中提出问题来完 成与改善建立的用户模型。第二种是用户控制的获取，即对话是由 1 6 北方交通大学硕士学位论文 用户起动的。用户自己填写反映自身情况和喜好等的文件，这些文 件可能直接表示用户模型，也可以被间接地用于用户建模型。由于 在第二种情况下用户可以自己决定是否有必要，如果有必要在什么 时候定义这些数据，所以在人机交互中，第二种情况比第一种情况 对用户的打扰要少得多。 3 使用的技术。最经常使用的技术有： f 1 ) 基本的启发式获取方法