（计算机系统结构专业论文）基于知识管理的界面生成研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于知识管理的界面生成研究 摘要 人机界面( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ) 和人机交互( h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ) 是用户和计算机内部数据之间的桥梁，从用户的角度分析，程序界面是程序内部数据管 理和操作的外部形式表现，亦即内部数据的外部界面视图。 界面设计是软件系统设计的重要组成部分，特别是对于交互式软件系统，用户界面 设计的好坏常直接影响到软件系统设计的成败。其中基于知识的用户界面设计方法以 其对界面描述的高层次抽象、以用户为中心的开发周期、界面设计的重用等优势脱颖 而出。成为研究热点。本论文提出一种新的基于知识管理的界面生成方法。 首先本论文对传统的现有界面设计方法极其研究现状进行了分析和讨论，明确了 个优秀界面设计的原则和目标，对现有界面设计的不足极其根源进行了详细分析， 界面生成能够很好的解决这些不足。据此提出了基于知识管理的界面生成的界面设计 思想。将知识管理引入到界面生成主要体现在两点：一个是构建了一个基于i t - k i d 模式的知识库；另一个是根据知识管理理论对界面显示和业务逻辑进行分解，使复杂 界面生成成为可能。同时阐述了该思想的意义。 然后本文应用i t - k i d 分析设计模型对要实现的基于知识管理的界面生成系统进行 了分析和设计。分析工作确定了系统的基本类以及基本类之间的关系。设计工作是在 根据分析结果上对系统的架构、用户界面、任务以及对象结构进行了设计，确定了系 统所需的边界类和控制类。 再然后在对系统进行详细分析和设计的基础上对该系统进行了实现。该系统实现 主要分为三部分：第一部分是配置管理知识库，用户通过该部分来维护和管理知识库。 第二部分是显示界面部分，该部分通过读取知识生成界面并显示给用户，该部分是整 个系统的核心。第三部分是用户操作，该部分用于控制界面的业务逻辑，根据用户操 作动态执行业务方法，完成操作。 最后，本文将知识管理和反射技术应用于了界面设计，也是对运行时的软件体系 结构的一个初探。同时通过该系统在沈阳市契税征收管理系统中的应用为例对该 系统的应用进行了说明。 关键词：知识管理，k m ，界面设计，界面生成，u i ，反射 i i 查些垄兰翌主兰堡垒圭竺坐三! 生 r e s e a r c ho nk n o w l e d g em a n a g e m e n t - b a s e du s e ri n t e r f a c e a u t o m a t i cg e n e r a t i o n a b s t r a c t h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ea n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o na r et h eb r i d g eb e t w e e n u s e r sa n dd a t ai nt h ec o m p u t e r f r o mu s e r s p o i n to fv i e w , t h eu s e ri n t e r f a c ei s t h e p r e s e n t a t i o no ft h em a n a g e m e n ta n do p e r a t i o no fi n n e rd a t a ，n a m e l y , t h eo u t e ri n t e r f a c e v i e wo fi n n e rd a t a u id e s i g ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h es o f t w a r es y s t e md e s i g n ， e s p e c i a l l yi nt h ei n t e r a c t i o ns o f t w a r es y s t e m a n das u c c e s s f u ls o f t w a r es y s t e md e s i g nm u s t h a v eas u c c e s s f u lu id e s i g n k n o w l e d g e - b a s e du id e s i g nh a sb e c o m et h er e s e a r c hc e n t e r b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g h l e v e la b s t r a c t ，u s e r - o r i e n t e dd e v e l o p m e n t a lp e r i o d a n dt h er e u s eo fu id e s i g n t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc r e a t i v em e t h o db a s e do nk n o w l e d g e m a n a g e m e n t f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e ss o m et r a d i t i o n a lu id e s i g nm e t h o d sw h i c h a r eu s i n gn o w , a n dc l e a r st h eg o a l sa n dp r i n c i p l e so fa ne x c e l l e n tu i t h e n ，i tm a k e sf u r t h e r a n a l y s e so ft h ed i s a d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d s h o w e v e r , t h eu ia u t o m a t i cg e n e r a t i o nc a n s o l v et h e s ev e r yw e l l t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wu id e s i g nm e t h o d - - k n o w l e d g e m a n a g e m e n t b a s e du s e ri n t e r f a c ea u t o m a t i cg e n e r a t i o n u id e s i g nm e t h o da p p l i e s k n o w l e d g em a n a g e m e n tt ou id e s i g n t h e r ea r et w op o i n t s ，o n ei st h a tar e p o s i t o r yb a s e d o ni t - k i dm o d e li sc o n s t r u c t e da n dt h eo t h e ri st h a tt h eu id i s p l a ya n du il o g i ca r e d e c o m p o s e da c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g em a n a g e m e n tt h e o r y , w h i c hm a k e sc o m p l e xu i g e n e r a t i o np o s s i b l e a sw e l la st h es i g n i f i c a n c eo f t h i sm e t h o d n e x t ，w ea n a l y z ea n dd e s i g nt h ek n o w l e d g ea n dm a n a g e m e n t b a s e du s e ri n t e r f a c e a u t o m a t i cg e n e r a t i o ns y s t e mb ya p p l y i n gi t - k i da n a l y s i sa n dd e s i g nm o d e l t h e nw e c o n f i r mt h eb a s i cc l a s s e sa n dc l a s s c l a s sr e l a t i o n s h i p si nt h es y s t e mi nt h ea n a l y z i n g p r o c e s s i nt h ed e s i g np a r ta r c h i t e c t u r e ，u s e ri n t e r f a c e ，t a s ka n do b j e c t s t r u c t u r ea r e d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n gr e s u l t s ，a n dt h eb o u n d a r yc l a s s e sa n dc o n t r o lc l a s s e s a r ea i s oc o n f i r m e d - i 东北大学硕士学位论丈 a b s t r a c t t h e nw ei m p l e m e n tt h es y s t e mb a s e do na n a l y s i sa n dd e s i g n i n gr e s u l t t h e r ea r et h r e e p a r t si nt h es y s t e m i nt h ef i r s tp a r tw ei m p l e m e n tt oe o n f i ga n dm a n a g et h ec o r eo ft h e s y s t e m 一- r e p o s i t o r y , u s e r sc a l lm a i n t e n a n c er e p o s i t o r yb yu s i n gt h i sm o d u l e i nt h es e c o n d p a r t ，w ei m p l e m e n tt od i s p l a yu ii n t e r f a c et ou s e r s t h i sm o d u l ed i s p l a y su ii n t e r f a c et o u s e r sb yr e a d i n gk n o w l e d g e ，w h i c hi st h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m t h el a s tp a r ti su s e r o p e r a t i o nm o d u l e ，w h i c hc o n t r o l si n t e r f a c eb u s i n e s sl o g i c ，d y n a m i ce x e c u t e sb u s i n e s s m e t h o d ，a n dt h e nf i n i s h e so p e r a f i o n f i n a l l y , t h i sp a p e ra p p l i e sk n o w l e d g em a n a g e m e n ta n dr e f l e c t i o nt e c h n o l o g yt ou i i n t e r f a c ed e s i g n i ti sa l s oa na t t e m p tt or u n t i m es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e m e a n w h i l ew e e x p l a i nt h eu s a g eo ft h i ss y s t e mt h r o u g ht h ee x a m p l e - - a p p l y i n gt h es y s t e mo nt h et a x c o l l e c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fs h e n y a n gc i t y k e yw o r d s ：k n o w l e d g em a n a g e m e n t ；k m ；u id e s i g n ；u i , g e n e r m i o n ；u i ；r e f l e c t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：多宁鸺 日 期：易。口6 ，f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 查些苎兰堡主兰堡垒墨 一一一一一= 鳖! 量鱼 第一章绪论 本章总括全文，目的在于明确本文研究的课题及其意义。首先，本章概述了界面 设计研究的意义以及界面生成的意义与发展现状，接着提出了基于知识管理的界面设 计生成问题，着重论述了把界面设计集成到i t - k i d 的重要意义。最后，列出本文所做 的主要工作和本文的结构。 1 1 人机界面 几乎所有的软件都要有一个人机界面，因为任何一个软件都要为人所用，都要和 人交互，可见界面在任何一个软件中都是一个重要组成部分1 1 4 j 。 1 1 1 软件工程及其生命周期的概念 软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科。采用工程的概念、原理、技 术和方法来开发与维护软件，把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到 的最好的技术方法结合起来，这就是软件工程1 2 j 。 软件工程强调使用生存周期方法学和各种结构分析及结构设计技术。它们是在七 十年代为了对付应用软件日益增长的复杂程度、漫长的开发周期以及用户对软件产品 经常不满意的状况而发展起来的。人类解决复杂问题时普遍采用的一个策略就是“各 个击破”，也就是对问题进行分解然后再分别解决各个子问题的策略。软件工程采用的 生存周期方法学就是从时间角度对软件开发和维护的复杂问题进行分解，把软件生存 的漫长周期依次划分为若干个阶段，每个阶段有相对独立的任务，然后逐步完成每个 阶段的任务【2 1 。采用软件工程方法论开发软件的时候，从对任务的抽象逻辑分析开始， 一个阶段一个阶段地进行开发。前一个阶段任务的完成是开始进行后一个阶段工作的 前提和基础，而后一阶段任务的完成通常是使前一阶段提出的解法更进一步具体化， 加进了更多的物理细节。每个阶段的开始和结束都有严格标准，对于任何两个相邻 的阶段而言，前一阶段的结束标准就是后一阶段的开始标准。在每一个阶段结束之前 都必须进行正式严格的技术审查和管理复审，从技术和管理两方面对这个阶段的开发 成果进行检查，通过之后这个阶段才算结束；如果检查通不过，则必须进行必要的返工， 并且返工后还要再经过审查。审查的一条主要标准就是每个阶段都应该交出“最新式 的”( 即和所开发的软件完全一致的) 高质量的文档资料，从而保证在软件开发工程结 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 束时有个完整准确的软件配置交付使用。文档是通信的工具，它们清楚准确地说明 了到这个时候为止，关于该项工程已经知道了什么，同时确立了下一步工作的基础l l “。 把软件生存周期划分成若干个阶段，每个阶段的任务相对独立，而且比较简单， 便于不同人员分工协作，从而降低了整个软件开发工程的困难程度【2 1 ；在软件生存周期 的每个阶段都采用科学的管理技术和良好的技术方法，而且在每个阶段结束之前都从 技术和管理两个角度进行严格的审查，合格之后才开始下一阶段的工作，这就使软件 开发工程的全过程以一种有条不紊的方式进行，保证了软件的质量，特别是提高了软 件的可维护性功率 1 】。总之，采用软件工程方法论可以大大提高软件开发的成，软件 开发的生产率也能明显提高。 目前划分软件生存周期阶段的方法有许多种【2 1 。一般说来，软件生存周期由软件 定义、软件开发和软件维护三个时期组成每个时期又进一步划分成若干个阶段。软件 定义时期的任务是确定软件开发工程必须完成的总目标：确定工程的可行性，导出实现 工程目标应该采用的策略及系统必须完成的功能：估计完成该项工程需要的资源和成 本，并且制定工程进度表。这个时期的工作通常又称为系统分析，由系统分析员负责 完成。软件定义时期通常进一步划分成三个阶段，即问题定义、可行性研究和需求分 析。开发时期具体设计和实现在前一个时期定义的软件，它通常由下述四个阶段组成： 设计，详细设计，程序编码，软件测试。维护时期的主要任务是使软件持久地满足用 户的霰要。具体地说，当软件在使用过程中发现错误时应该加以改正：当环境改变时应 该修改软件以适应新的环境；当用户有新要求时应该及时改进软件满足用户的新需要。 通常对维护时期不再进步划分阶段，但是每一次维护活动本质上都是一次压缩和简 化了的定义和开发过程。 1 1 2 界面设计在软件工程生命周期中的作用 随着各种各样的软件工具的面市，软件的用户界面作为人机接口起着越来越重要 的作用。它的好坏直接影响到软件的寿命。具有正确，合理，高效，友好的用户界面 的软件对于用户来说，无疑是一种享受。用户会毫不犹豫的选择它，即使另个软件 可能在功能、性能方面与它类似【l 】。 在软件工程的生命周期中，界面设计起着一个承上启下的作用。如图1 1 所示。 一方面，它要将系统设计的正确性和有效性在用户界面一级继承的体现出来。如果用 户界面设计一级的工作没有做好，再好的系统设计都有可能无法准确，友好的展现出 来；另方面，用户界面设计的内容很大程度上决定程序编码过程中的相关细节【2 1 。 一2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 软件定义 + 系统设计 ? 用户界面设计。 软 件 开 软件编码 发 软件测试 j 软件维护 图1 1 软件工程生命周期中的界面设计 f i g 。i 。lu id e s i g ni ns el i f e c y c l e 因此，界面设计在软件工程生命周期中的占有重要的地位，在软件开发过程中， 我们要充分重视用户界面设计【1 5 1 。 1 2 界面生成研究现状 由于用户界面在软件开发中的重要性，使得人们对它的研究产生了极大的兴趣。 从而导致一些支持用户界面自动生成工具的产生，如：m bu i d e s 、g e n e x u s 、v i s u a l c a s e 、基于u m l 的r e t i o n mr o s e 以及国内北大青鸟的c a s e 工具系列等 6 - 1 7 】。这些工 具都在一定程度上取得了很大的成功。正是因为这些成功为用户界面的研究带来了希 望。并且有的用户晃面自动生成工具，如，m bu i d e s 中的m a s m n n i n d 、t e l i e a c b 、 t f i d e m 等还得到了广大用户的认可和好评【1 3 也6 】。但是这些自动生成工具只支持规定的 活动和用户界面同等重要的应用功能的交互。这也是它们所不能被广泛应用的主要原 因通用性太差专用性太强。交互式系统基于模型的开发方法通过将用户界面分解 成一些独立的模型组件强调地指出了这一缺陷。交互系统中基于模型的方法是以一个 普通的模型库系统的分析、设计和实施为基础的。它不同于普通的软件工程方法，设 计者可以创建含义和关联能够通过传递代码获得的模拟组件。在基于模型的方法中， 设计者创建严格的系统属性并且进行分析、优化和合成这些模型从而得到运行系统。 3 东北大荦硕士学位论文 第一章绪论 软件定义l l + 系统设计 ? 一 7 誊用户界面设谱誊氍 软 件 开 软件编码 发 软件测试 i 软件维护 图1 1 软件程生命周期中的界面设计 f i g 1 1u i d e s i g n i ns e l i f e e y e l e 因此，界面设计在软件工程生命周期中的占有重要的地位，在软件丌发过程中， 我们要充分重视用户界面设计【” 。 1 2 界面生成研究现状 由于用户界面在软件开发中的重要性，使得人们对它的研究产生了极大的兴趣。 从而导致一些支持用户界面自动生成工具的产生，如：m bu i d e s 、g e n e x u s 、v i s u a l c a s e 、基于u m l 的r e f i o n a lr o s e 以及国内北大青鸟的c a s e 工具系列等 6 - 1 ”。这些f 具都在一定程度上取得了很大的成功。正是因为这些成功为用户界面的研究带来了希 望。并且有的用户界面自动生成工具，如，m bu i d e s 中的m a s t e r m i n d 、t e l l e a c h 、 t r i d e n t 等还得到了广大用户的认可和好评【1 3 - 2 6 。但是这些自动生成工具只支持规定的 活动和用户界面同等重要的应用功能的交互。这也是它们所不能被广泛应用的主要原 因通用性太差专用性太强。交互式系统基于模型的开发方法通过将用户界面分解 成一些独立的模型组件强调地指出了这一缺陷。交互系统中基于模型的方法是以一个 普通的模型库系统的分析、设计和实施为基础的。它不同于普通的软件工程方法，设 计者可以创建含义和关联能够通过传递代码获得的模拟组件。在基于模型的方法中， 设计者创建严格的系统属性并且进行分析、优化和合成这些模型从而得到运行系统。 设计者创建严格的系统属性并且进行分析、优化和合成这些模型从而得到运行系统。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 基于模型的用户设计器中的一个模型就是用户界面一些独立连接部分的陈述说明。通 过将用户的精力集中到一个用户界面的独立的方面上，这样一个模型就可以通过专业 的符号体系来表示。这恰恰就说明了使用基于模型的用户界面开发方法进行界面开发 比其它的方法更加容易而且易于维护【6 4 】。 界面模型大致分为概念模型和陈述模型两类【1 3 】。总之在这两类模型的研究中都取 得了一定的成果，但是又存在着不足之处。另外，在基于数据和应用模型的界面设计 方面，有模型合成的界面生成和根据数据模型结构的界面生成。这些说明了基于设计 模型的界面代码生成是可能的。这些基于模型的方法和扩展软件工程方法，在分析界 面构成时采用了过于简单的信息单元作为分析对象，没有充分考虑对象自身以及对象 间关系对于界面形式的影响，并且缺乏描述界面布局的能力，因此其处理界面复杂性 的能力受到限制。另外，模型自身的复杂性也影响了这些方法的可用性。论文所描述 的系统的目标就是创建出可视的并且支持直接操纵的用户界面自动生成的图形用户界 面开发工具。利用它能够建立支持软件工程的对象图、类图、逻辑关系图和组件图并 且能够实现从非形式化语言描述的用户需求到计算机可识别的形式化语言的转换。最 终通过它们来实现整个应用工程的全部目标代码的自动生成。它的侧重点是图形用户 界面( g u i 一研a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) 源代码的生成而不是系统功能的实现。 概念模型采用三种模型支持界面的自动生成，即应用模型a p p l i c a t i o n m o d e l 、对话模型d i a l o gm o d e l 和表示模型p r e s e n t a t i o nm o d e l 。该类模 型的典型代表有s e e h e i m ，m v c 和p v c 模型【1 3 】。s e e h e i m 模型是一种基于语言的模型， 基于词法、语法和语义划分的逻辑结构决定了它处理的对话交互逻辑是线性的、可预 见的，为其他的u i m s ( u s e ri n t e r f a c em a n a g e m e n ts y s t e m ) 模型奠定了理论基础。 m v c 和p a c 模型属于多代理模型，其思想是把界面及界面元素看作由应用部分、对 话控制部分和表示部分组成，每一部分又是一个或多个a g e n t ( 代理) 的集合体。模块 化、并行和分布式处理是其突出特点，这有助于用户界面的迭代设计开发，为分布式 的应用系统和处理多线程的对话控制提供了条件【1 3 - 1 6 】。 1 3 本论文的主要内容 本论文从引入知识管理和改进界面效能、以用户为中心界面设计等几个方面来研 究界面的生成。仟么是知识? 能够改变你的观念、思维和行为的那些东西叫做知识。 哲学和认知心理学典型观点认为，知识主要分为陈述性知识和过程性知识 1 ”。陈述性 知识( d e c l a r a t i v ek n o w l e d g e ) 主要包括定义、概念、观点、规则、定理等，这些知识 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 都属于实事，所以这种实事被称为陈述性知识、过程性知识( p r o c e d u r a lk n o w l e d g e ) 主要包括感知过程、思维过程、推理过程、试验过程、操作过程等。而界面就是一种 很好的包含了陈述性知识和过程性知识的知识。 界面设计是软件系统设计的重要组成部分，特别是对于交互式软件系统，用户界面 设计的好坏常直接影响到软件系统设计的成败，其中基于知识管理、基于模型的用户界 面自动生成方法以其对界面描述的高层次抽象、以用户为中心的开发周期、界面设计 的重用等优势脱颖而出，成为研究热点。 知识获取，知识表示和知识运用是知识工程中的三大问题，知识管理就是对知识 加以有效的识别、获取、开发、分解、存储和传递，从而改进和提高个人、部门和组 织的创新能力、响应能力、生产力和技能素质h 7 1 。在本论文就是一种基于知识管理的 用户界面生成研究。本论文主要内容包括： ( 1 ) 将知识引入界面设计，将界面中元素分为“描述性”和“过程性”两种。 ( 2 ) 将知识管理引入界面设计，提出一种基于知识管理的界面生成新思想。 ( 3 )构建一个基于i t - k i d 框架的知识库。 ( 4 )通过面向对象的p a r s e r 和a u t o 方法来分析设计该系统。 ( 5 ) 将该思想应用于实践，对传统的界面设计进行了革新。 1 4 本文的结构 本论文在对软件工程的生命周期中界面设计这环节进行详细研究和探讨的基础 上提出的，主要工作是设计了一个通过知识管理、知识工程将界面描述出来，再通过 一定的约束和规则最后自动生成一个可用的界面。 首先，在第一章介绍界面设计在整个软件设计过程中的重要地位和作用；以及界 面自动生成的重要意义和研究现状；然后介绍本文的主要内容基于知识的界面生成； 最后说明论文的整体结构。 在第二章中探讨现有软件工程研究领域中对于用户界面设计的一般方法。通过对 现有方法的探讨，找出在现有的用户界面设计方法中存在的诸多问题和不足之处，并 试图找出造成这些不足之处的根源和症结所在。 然后，我将在第三章中提出自己的新思想一将知识管理引入界面设计，基于知识 的界面生成。详细阐述该种思想的概念，内涵和意义。通过将知识管理引入用户界面 设计领域，再在其中融入人工智能和智能决策理论，试图解决现有用户界面设计方法 中的种种不足。 5 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 进而，我将在第四章中提出自己的有关基于知识的界面生成的总体设计方案。这 个方案正是在i t - k i d 和p a r s e r 分析的思想的基础上，全面提出一套按照该知识管理 框架建立起来的完整的用户界面自动生成的流程方法。试图通过这套方法来规范软件 工程领域中有关用户界面设计部分的分析和设计。并最大可能的提高整个软件的可靠 性、安全性和可维护性。 再进而，我将在第五章中谈一谈基于本文所述思想的这套用户界面设计方法的实 现和在实际工程中的应用。我在攻读硕士撰写论文期间，参与了沈阳市契税征收管 理系统的设计和开发工作。整套系统全部基于i t - k i d 知识管理系统开发，同时我将 本文所述的用户界面生成方法应用于该套系统，进行了有益的尝试和探索。实践证明， 这套方法确实在规范用户界面设计过程，加强可靠性、安全性，并提高可维护性等方 面起到相当程度的积极和有效的作用。 在最后章对本论文做一个总结和展望。 6 东北大学硕士学位论文 第二章界面生成基础 第二章界面生成基础 本章概述了基于知识管理的界面生成所需要的相关基础。首先通过介绍现有的传 统界面设计方法及其不足，以及这些不足产生的原因；然后介绍了软件设计的三层框 架及其相互关系，详细介绍了用户界面的工作过程，生成的界面也遵循该过程；介绍 了知识管理的相关概念，详细介绍了该思想所用到的i t - k i d 知识管理系统；最后将知 识管理引入到界面设计，对界面进行了有效的分离。其为该思想的基础。 2 1 界面设计方法概述 2 1 1 用户界面设计的原则和目标 2 1 1 ，1 原则 用户界面设计是软件生命周期中的重要一环【2 】。它负责提供计算机应用系统和操 作用户之间的接口。当系统设计和数据库设计进行完毕后，用户界面设计将起到一个 承前启后的关联作用。它要在应用系统和用户界面之间架起一座沟通的桥梁，使得用 户能够正确和良好的通过该桥梁完成相关的工作和任务。基于以上用户界面设计担负 的功能，我们可以得出用户界面设计所应当满足的基本原则：有效原则和友好原则1 6 】。 ( 1 ) 有效原则 所谓有效性，就是要保证用户界面的正确性尽管用户界面部分只是提供用户和系 统的接口，具体系统功能的实现都是由后台来实现的( 系统功能的正确性是由系统设 计和数据库设计来保证的) 。但是，在单纯的用户界面处理中，仍然存在着大量的逻辑 控制需要进行设计和处理( 尤其是在大型的商业m i s 系统中，这种界面中蕴涵的逻辑 控制更为繁多，更为复杂) 。比如，菜单选项中哪些应当先出现，哪些应当后出现，不 同权限的用户进入同界面，看到的界面样式有哪些不同等等。对于这些问题的解决 自然就是涉及到一个正确性，也就是有效性问题。在下面的章节中，我们将对如何保 证用户界面设计的有效性方面做更深入的探讨和研究f 3 】。 ( 2 ) 友好原则 所谓友好性，就是要保证用户界面的良好交互性。任何一个计算机系统的开发最 终都是要服务于终端客户的。不可能要求每一个客户都有着丰富的计算机专业知识。 所以，我们设计出来的用户界面要求具有良好的亲善性。比如，界面的设计要符合用 7 - 东北大学硕士学位论文 第二章界面生成基础 户习惯，界面操作简单易学。界面布局要美观大方，赏心悦目等等。这些问题历涉及 到的就是一个友好性的问题。有关界面设计的友好性原则，则传统的用户界面设计方 法中己经有很多很好的设计方法和思路，在这里，就不一一赘述了。而且，本论文对 于用户界面设计的着眼点是在其有效性原则上，力图解决目前困扰用户界面设计领域 的正确性问题。所以，对于界面设计的友好性原则，在本论文的后部分将不再多加论 述。下面，我将把所有的精力放在对用户界面设计的有效性原则的研究上 “t 。 2 _ 1 1 2 目标 在实现有效性的原则下，应当达到的目标有： ( 1 ) 可靠性目标 可靠性是指不能因为用户的误操作( 如错误点击按钮，数据输入不完整) 而出现 数据库中的数据错误、丢失和数据不完整、不一致等问题【1 6 1 。一个可靠性高的用户界 面应当能够防止用户的误操作。譬如，当某个业务没有进行到某一步时( 或在某个状 态下) ，一些不能使用的操作要屏蔽掉，以引导用户按照正确的业务流程进行操作。 ( 2 ) 安全性目标 安全性是指界面设计应当将用户的权限和用户所能够控剿的界面联系起来。安全 性高的用户界面应当具有对没有授权的用户的拒绝访问和操作的功能，以防止数据的 泄密和出现伪数据( 即用户作弊) 。这样，如果出现数据泄密和伪数据可以追究授权用 户的安全责任。譬如，用户界面的基本结构是一棵树，这棵树应当是一棵动态的界面 树，对应于不同权限的用户，其所能看到和操纵的界面树的样式是不一样的1 4 】1 1 6 。 2 1 2 现有的界面设计方法及研究现状 现有的界面设计方法大致经历了这样一个过程【1 卅【1 6 】： 第一阶段，在软件工程研究的初期，人们还没有意识到用户界面设计的重要性， 因而还没有开始对用户界面设计进行系统的研究。在软件生命周期中，人们将用户界 面设计这一阶段认为是可有可无的。当软件开发小组做完工程的系统设计后，往往并 不考虑对用户界面的详细设计，( 即使考虑，也只是简单的想象一下界面的分布等极其 粗糙的表面工夫) 就开始投入到实际的编码中去。在很多的软件工程的论著中，我们 可以看到，用户界面设计竟然没有被列为软件生命周期中的一个必不可少的步骤，那 么在这种情况下，对用户界面设计的研究就无从谈起了。 第二阶段，随着软件工程的进一步发展，人们开始意识到用户界面设计在整个软 件生命周期中的确是一个不可或缺的步骤。研究人员开始有意识和系统的研究用户界 8 东北大学硕士学位论文 第二章界面生成基础 面设计的方法。但是在这个阶段中，由于研究的不够深入，人们还只是将用户界面设 计的任务定位在如何保证人机界面的友好性上。在这一阶段中，人们开始提出了提高 人机界面友好性的一系列原则和方法。但是，由于这一阶段的研究还没有深入到用户 界面设计的另一个很重要的方面有效性。所以整个用户界面无论是从设计还是到编码， 其可靠性都不高。 第三阶段，随着人们对用户界面设计方法的深入研究，人们开始将注意力放在了 如何保证用户界面设计的正确性和有效性上。并试图找到一些有效的方法来保证其有 效性的实现。但是，遗憾的是，由于一直没有一个有效和合理的思想来指导整个用户 界面的设计研究，人们始终无法对用户界面设计的要素进行有效的分离，找到最合适 的知识表达和知识实现的方式。因而始终也没有能够更加深入有效的实现对用户界面 设计的规范化和有效性保障。 2 1 3 现有设计方法中存在的不足 通过对现有界面设计方法的介绍，我们可以看到在现有的用户界面设计方法和流 程中存在着如下不足之处： ( 1 )可靠性不高经常出现由于用户的误操作导致数据库中的数据错误，丢失或 者不完整，不一致现象。 用户处理工作流程中的控制不清晰，是导致这一现象的主要原因。也就是说，如 果某项工作没有进行到某一步( 或者不在某个状态下) 时，某些操作是不应当提供给 用户的。在这些方面，很多界面设计都没有考虑迸去。 ( 2 ) 安全性不够。 用户界面的基本结构是一棵树。用户可以按照程序的控制达到响应的界面。但是， 事实上，这棵界面树并不是一棵静态树。不同身份，不同级别的用户看到和所能操纵 的界面树应当是不一样的。、这一点在很多界面设计中并没有被考虑到。从而导致系统 的安全性能不够圆【4 1 。 ( 3 ) 灵活性不好。 在很多系统中，如果发生功能上的添加和删减，经常要对用户界面设计的源代码 进行大幅度的修改和维护( 这种修改和维护的正确性和安全性本身就是一个问题) 。导 致整个系统的灵活性非常不好，极大的降低了整个系统的效率和有效性。 9 东北大学硕士学位论文 第二章界面生成基础 2 、l ，4 分析现有界面设计方法存在问题所产生的根源 从以上的现象，我们可以分析得出，造成这些不足之处的原因是： ( 1 ) 没有充分认识用户界面设计的重要性或低估了界面设计的复杂性这是导致 很多软件的最终用户界面设计效果很差的一个很根本的原因【l 】【1 6 l 。 很多软件开发在分析和设计过程中根本就没有将用户界面设计作为软件生命周期 的一个步骤去认真研究。作完系统设计，规划和设计好数据库后，就开始进入了实际 的用户界面的编码工作。这种草率的作风无疑会给最终软件的用户界面部分带来致命 的缺陷。 ( 2 ) 低估了界面设计的复杂性。 当人们在经受了没有用户界面设计方法指导而导致用户界面编码效率低下的痛苦 之后，开始试图考虑将用户界面设计作为软件生命周期的一个重要步骤进行对待的时 候，很多界面设计的方法又走入了另外一个误区。即：重视界面的友好性，轻视界面的 有效性1 1 6 j 。很多人都将用户界面设计的任务简单的理解成“如何将软件的界面设计得 漂亮点，好用些”。然后，不遗余力的在用户的友好性上下足了工夫。当然，我们首先 不否认提高用户界面的友好性是用户界面设计的一个很重要的功能和任务。但是，用 户界面设计最重要的或者说是首要的任务是要保证用户界面的有效性。“皮之不存，毛 将焉附，如果连用户界面的有效和正确都保证不了，那么界面做的再漂亮，再好看，、 都成了无源之水，无本之木了。存在这种想法的人们就是在于低估了用户界面设计的 复杂性。实际上在用户界面设计这个环节，如何保证界面的正确性，如何提高界面 的安全性，和如何提高界面的扩充性等等具体领域，都有着很强的逻辑控制在里面， 绝对不仅仅是一个可有可无的“修饰”的作用 3 1 。( 有关这方面的内容，我将在后续的 章节中详细讲述。) 当软件规模比较小的时候，可能还勉强能够对付过去，但是当面对 大型的商业应用时，用户界面的逻辑性和复杂性都比小型软件要高得多，不注重对用 户界面的有效性进行研究必将带来致命的缺陷。 ( 3 ) 没有规范化的界面设计流程。 当用户界面设计的重要性己经被越来越多的软件工程研究人员所认可时，我们还 是遗憾的发现，在现有的诸多有关用户界面设计的方法研究中，都没有形成一个完整 而行之有效的规范化的用户界面设计流程。而如何进行用户界面设计的流程的规范化 将是本论文的一个很重要的研究内容【t 3 - 1 7 1 。 ( 4 ) 没有合理、有效的思想指导整个界面设计的过程。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章界面生成基础 当我们在进行用户界面设计的规范化流程的过程中，又发现了一个很重要的问题。 即：用什么样的思想去指导整个界面设计的过程。在现有的用户界面设计方法中，不但 没有成型的设计流程，更没有一个合理、有效的设计思想去指导整个界面设计的过程。 在本论文中，我提出了基于知识的界面设计生成的思想去指导整个用户界面设计的过 程，并在此基础上形成了一套完整的用户界面设计的流程规范【1 6 】。 2 2 用户界面工作过程 对于软件尤其是比较复杂的应用程序，一定要符合软件工程思想，对于解决方案 一定要有一个合理的架构。对于复杂应用程序一般由跨越多个抽象级别的大量组件组 成，为了合理的组织这些组件，一般采用分层架构，将解决方案的组件分隔到不同的 层中f 1 7 - 1 8 。每一层中的组件应保持内聚性，并且应大致在同一抽象级别。每一层都应 与它下面的各层保持松散耦合。对于自动生成的界面也应该符合一定的软件架构。该 论文采用已经广泛认可的三层架构。而界面正是三层架构中的一层，而且界面是在业 务层和数据层的基础上才能正常工作的，所以其他两层是界面自动生成的基础。 2 2 1 什么是架构 由于在软件业迈向组件装配工业( s o f t w a r ec o m p o n e n ti n d u s t r y ) 的过程中，不断 发现组件设计者对其组件之应用场合的预想环境与应用软件师的软体结构常无法完美 地整合起来，导致应用软件工程师难以灵活地再使用( r e u s e ) 他人设计之组件，造 成软件组件工业成长上的瓶颈。在这里“组件”一词指总体解决方案中的一个片段或 部分。面向对象软件专家也逐渐认识到其问题是来自于软件主架构的不相合 ( m i s m a t c h ) 2 1 1 17 1 。 软件主架构的重要性并非今天才呈现出来，2 0 多年前软件大师f r e d p b r o o k s 就 提到：软件设计的参与者之间，其设计的概念必须一致才能共同创造出简单亲切的软 件，同时他也强调软件主架构在达到概念一致的过程中，居于核心角色。这个2 0 多年 来的老问题，仍是今天面向软件工程师必须努力去克服的。 体系结构亦可称为架构，所谓软件架构，根据p e r r y 和w o l f c 之定义：s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e = e l e m e n t s ，f o r m s ，r a t i o n a l e c o n s t r a i n t ) ，也就是软件主架构= 组件元 素，元素互助合作之模式，基础要求与限制 。p h i l i p p ek r u c h t e n 采用上面的定义，并 说明主架构之设计就是：将各组件元素以某些理想的合作模式组织起来，以达成系统 的基本功能和限制。体系结构又分为多种样式，如p i p e sa n df i l t e r s 等 1 8 - 1 9 】。 1 1 东北大学硕士学位论文 g _ - 章界面生成基础 2 ，2 2 三层架构 层( 1 a y e r ) 这个概念在计算机领域是非常了不得的一个概念。计算机本身就体现 了一种层的概念：系统调用层、设备驱动层、操作系统层、c p u 指令集。每个层都负 责自己的职责。网络同样也是层的概念，最著名的t c p ，i p 的七层协议。 层到了软件领域也一样好用。为什么呢? 我们看看使用层技术有什么好处f ： ( 1 ) 使用层，但是不需要去了解层的实现细节。 ( 2 ) 可以使用另一种技术来改变基础的层，而不会影响上面的层的应用。 ( 3 ) 可