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

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 человекомповышение производительности труда пользователя при использовании системыобеспечение 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.

Всвязи 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 внедренияи 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.

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 ММКразработан метод предотвращения «тупиков» на уровне прикладного ПО ИСУ ММК с помощью языковых средств разработки ПО ИСУ ММКпроведена формализация пользовательского интерфейса ИСУ ММК и на её основе предложены критерии качества пользовательских интерфейсов на среднеформатных сенсорных панеляхприменен сигнатурный анализ в целях выявления ошибок в гипотезах о расстановке ментальных операторов в модели KLMв 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.

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. 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, Канадамеждународная конференция «Новые информационные технологии и менеджмент качества», ЖГ&С)М'2010, Белек, Турциянаучно-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 изданиях, 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.

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 комбинированияфункцийподсистем, 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 методапозволяет предотвратить временные задержки по восстановлению работоспособности системы. Определены. пути совершенствования их основных положенийпри применении в других областях.

3. Преимущества*, интерфейса ПО ИСУ ММК, разработанного в соответствиис 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 соответствиис 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:

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 численностиа 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-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;

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.

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:

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 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.