一種HCI自適應(yīng)的解決辦法

摘要： 在嵌入式系統(tǒng)工程開發(fā)及現(xiàn)場施工實(shí)踐中，為了解決由于嵌入式系統(tǒng)資源退化引起的人機(jī)交互復(fù)雜性和不確定性問題，從可適應(yīng)性角度討論，分析了嵌入式系統(tǒng)中人機(jī)交互界面（HCI）的可適應(yīng)性需求，應(yīng)該針對資源退化提供一種HCI自適應(yīng)的解決辦法，故對于嵌入式設(shè)備交互特點(diǎn)進(jìn)行了研究，詳細(xì)描述了嵌入式設(shè)備的HCI模型和內(nèi)存結(jié)構(gòu)的建立，并給出具有實(shí)踐意義的HCI可適應(yīng)性策略，最后以一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。從實(shí)例可知，為嵌入式系統(tǒng)的項(xiàng)目開發(fā)提供了一種可行性解決方案。

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能，對可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其工程實(shí)踐正逐漸地引起研究人員的關(guān)注，在實(shí)際工程中有諸多因素需要考慮，比如微處理器的功耗，器件的可靠性，設(shè)備的抗惡劣環(huán)境能力，人機(jī)交互界面（HCI），現(xiàn)場通信等等問題。HCI是嵌入式系統(tǒng)工程中的一個(gè)重要課題。由于某些嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的復(fù)雜性和工程實(shí)施中的不確定性，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)HCI有僵化的趨勢，對此提出一種可適應(yīng)性的解決思路是必要的。

　　1 嵌入式工程的HCI

　　圖形用戶界面是當(dāng)前用戶界面的主流。HCI是決定嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是否友好的一個(gè)重要因素。嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互功能主要靠輸入輸出的設(shè)備與相應(yīng)的軟件協(xié)同來實(shí)現(xiàn)?？晒┤藱C(jī)交互使用的設(shè)備主要有鍵盤、顯示以及各種模式識(shí)別設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)交互因其特殊性而與PC有所區(qū)別，多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都是顯示屏幕與鍵盤，或者帶觸摸屏定位的設(shè)備組成。對用戶而言，需要用按鍵或觸摸屏的動(dòng)作告知系統(tǒng)如何按照人的意圖去輸出，絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都有個(gè)HCI系統(tǒng)供用戶使用。問題是在工程中交互設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往會(huì)把交互界面和系統(tǒng)的資源聯(lián)系起來，使得界面的設(shè)計(jì)不獨(dú)立于系統(tǒng)資源。軟件設(shè)計(jì)勢必在很大程度上受限于硬件資源。實(shí)踐中，通常的做法是根據(jù)現(xiàn)有的硬件條件臨時(shí)組織一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把一系列字符串值“串”起來，之間可以實(shí)現(xiàn)相互跳轉(zhuǎn)。一個(gè)交互節(jié)點(diǎn)的快照描述一般需要幾部分組成：1）狀態(tài)枚舉量；2）顯示常量狀態(tài)值；3）前趨狀態(tài)；4）后繼狀態(tài)。還可能需要包含節(jié)點(diǎn)Id標(biāo)識(shí)等其他的輔助信息。顯然，這是用一種靜態(tài)的方法來生成一個(gè)菜單對象，代碼易讀性強(qiáng)，但各個(gè)部分相互依賴，編碼和調(diào)試比較繁瑣，需要設(shè)計(jì)者對各部分都十分清楚。最大的問題是可擴(kuò)展性受限，對后續(xù)規(guī)模的增加造成一定的影響。工程實(shí)踐中，用戶的需求及隱含需求往往是復(fù)雜和不確定的。

　　本文的研究目的是建立一套能夠適應(yīng)應(yīng)用復(fù)雜性和不確定性的實(shí)現(xiàn)方案，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供一個(gè)工程性的解決思路。

　　2 可適應(yīng)的嵌入式HCI

　　可適應(yīng)的HCI是指可根據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算環(huán)境或應(yīng)用情境進(jìn)行伴隨調(diào)節(jié)的界面?？梢赃M(jìn)一步區(qū)分為被動(dòng)性適應(yīng)和主動(dòng)性適應(yīng)（或自適應(yīng)）。

　　可適應(yīng)性HCI在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有著越來越迫切的要求。通常該需求來源于2個(gè)方面，一個(gè)是用戶需求的變更；另一個(gè)是系統(tǒng)執(zhí)行中的應(yīng)用環(huán)境變化。由這2種因素出發(fā)，依據(jù)可適應(yīng)性的行為模式，嵌入式HCI的可適應(yīng)性從以下2個(gè)方面展開研究：

　　所謂靜態(tài)可適應(yīng)性是指與系統(tǒng)靜態(tài)配置相關(guān)的可適應(yīng)性，通常適應(yīng)行為發(fā)生在2次系統(tǒng)啟動(dòng)之間。這種適應(yīng)的需求通常是外來的，比如用戶需求的修改，設(shè)計(jì)方案的變化。在工程中，常常出現(xiàn)迭代式的適應(yīng)性修改，所以靜態(tài)可適應(yīng)性也是一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的需求。這種可適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)必須借助非易失性存儲(chǔ)器來進(jìn)行，用來存儲(chǔ)變化后的定義及配置參數(shù)，使得順利完成適應(yīng)行為。

　　動(dòng)態(tài)可適應(yīng)性是指在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以依據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行在線自適應(yīng)修改，即普適環(huán)境下的修改。通常普適設(shè)備在使用環(huán)境中遷移，引起了環(huán)境參數(shù)的強(qiáng)制性變化，系統(tǒng)的HCI與環(huán)境就會(huì)產(chǎn)生矛盾，因此普適策略下的自適應(yīng)調(diào)整是很有必要的。依據(jù)收集到的系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷是否HCI與系統(tǒng)配置同步，依靠算法實(shí)時(shí)糾正系統(tǒng)配置來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。普適環(huán)境下的自適應(yīng)特點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性，只有在出現(xiàn)矛盾的時(shí)候才做普適調(diào)整，在設(shè)計(jì)中必須對匹配性進(jìn)行考慮。

　　3 基于多重鏈表的嵌入式HCI

　　3.1 模型建立

　　多重鏈表在組織順序型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)具有較快的搜索速度，下面給出一個(gè)基于多重鏈表的模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)扇出為4，分別指向上層節(jié)點(diǎn)、下層節(jié)點(diǎn)及左、右的鄰居節(jié)點(diǎn)，扇入不限。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰的節(jié)點(diǎn)之間都有雙向連接，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可帶子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　模型從功能上講是個(gè)層次結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)模型上看是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，允許有一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)無雙親，并且一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親。每層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不固定，可視實(shí)際情況而變化。每層都是一個(gè)閉環(huán)的雙向回路，可進(jìn)行水平雙向遍歷。層與層之間由父節(jié)點(diǎn)與長子節(jié)點(diǎn)雙向連接。父層節(jié)點(diǎn)對子層節(jié)點(diǎn)是一對一聯(lián)系，由父節(jié)點(diǎn)進(jìn)入子層時(shí)在長子節(jié)點(diǎn)駐足；子層節(jié)點(diǎn)對父節(jié)點(diǎn)是多對一聯(lián)系，意味著由每個(gè)子節(jié)點(diǎn)都可回溯至父節(jié)點(diǎn)。由父層切換至子層的每次遍歷必須經(jīng)過長子節(jié)點(diǎn)，然后可由長子節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行水平循環(huán)遍歷，子層切換至父層則比較靈活，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)均可到達(dá)其父節(jié)點(diǎn)。

　　3.2 方案實(shí)現(xiàn)

　　3.2.1 內(nèi)存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備4個(gè)域，除了標(biāo)示身份外還至少應(yīng)該具備指向上層父節(jié)點(diǎn)的指針域、指向下層子節(jié)點(diǎn)的指針域以及指向同層左、右兄弟的指針域。

　　圖1是一個(gè)簡單的HCI結(jié)構(gòu)圖，從功能上看，它分為5層，第一層有5個(gè)節(jié)點(diǎn)項(xiàng)形成一個(gè)閉環(huán)，第二層閉環(huán)是第一層第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)組，該子節(jié)點(diǎn)組的第二項(xiàng)又有子節(jié)點(diǎn)組。如此下去共有5層，處在最高位置的節(jié)點(diǎn)其父指針為空，最低位置的節(jié)點(diǎn)的兒子指針為空。

圖1 一個(gè)簡單的HCI結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.2 類設(shè)計(jì)

　　依據(jù)模型定義如圖2所示的類對象。左邊所示是個(gè)基本的菜單節(jié)點(diǎn)類，除了模型中提到的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)指針，還增加了幾個(gè)相關(guān)的屬性域，Id用來標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)身份，displayValue用來存儲(chǔ)菜單的顯示標(biāo)題，布爾成員editable指明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否可編輯，另外還增加一個(gè)ptr_function域，用來指向一個(gè)功能函數(shù)，該函數(shù)完成節(jié)點(diǎn)在接受確定消息后要做的工作。

圖2 菜單結(jié)點(diǎn)的類定義和菜單代理類定義

　　在節(jié)點(diǎn)類中還定義了幾個(gè)成員方法，與私有屬性相關(guān)的命名符合OOP的命名規(guī)定，均使用Get—Set前綴規(guī)則。除針對幾個(gè)成員屬性的方法外，還引入了另外幾個(gè)成員方法，CoUp執(zhí)行向父節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)，CoDown執(zhí)行向長子節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)，CoLeft和GoRight負(fù)責(zé)向左右鄰居的跳轉(zhuǎn)。

　　從軟件設(shè)計(jì)獨(dú)立與資源來考慮，提出一個(gè)界面代理的概念，界面代理就是基于事件驅(qū)動(dòng)，處在界面與環(huán)境之間一個(gè)中間對象。外界事件的消息均由代理來接收識(shí)別，并由它調(diào)用界面元素，對界面做出改變。圖2右邊上部所示的定義的是菜單代理類MenuManageAgent。該類對象用來作為菜單體系與外界交互的媒介物，它用來記錄菜單的頭指針，菜單體系的規(guī)模以及菜單的總體狀態(tài)；初始化菜單結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建菜單系統(tǒng)并代表菜單接受外來的消息，并對消息加以識(shí)別和做出合理的響應(yīng)。圖2右下是對外部消息的定義。消息的列表可以依據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展和修正。

　　4 嵌入式HCI的可適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)

　　靜態(tài)可適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)是基于用戶主觀意圖進(jìn)行的。這個(gè)過程強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互，因此用戶的工作內(nèi)容很重要，一般也作為靜態(tài)可適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)的輸入?yún)?shù)。而實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)相對簡單。在算法設(shè)計(jì)上，該種可適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)工作重點(diǎn)仍然放在用戶交互內(nèi)容的管理上，由用戶的“交互內(nèi)容”綜合系統(tǒng)功能可以得到界面的“變更差”，進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)HCI的具體參數(shù)集的變化。

　　如圖3所示，設(shè)備在使用環(huán)境中的動(dòng)態(tài)可適應(yīng)以系統(tǒng)狀態(tài)檢測開始，這是一個(gè)周期性的行為，頻率依據(jù)系統(tǒng)在HCI上的實(shí)時(shí)性要求而定。系統(tǒng)狀態(tài)檢測應(yīng)該包含幾部分的工作：1）應(yīng)該有監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的手段，比如傳感器、接入信號(hào)等；2）要依據(jù)特定的算法來測定這個(gè)矛盾，其中包括差異的獲取，尺度的制定。狀態(tài)檢測的結(jié)果是，是否有矛盾輸出，如果有矛盾出現(xiàn)的情況下，還需要做決策分析，其主要任務(wù)是基于系統(tǒng)現(xiàn)有條件是否可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可適應(yīng)，比如已經(jīng)達(dá)到了臨界狀態(tài)時(shí)，就喪失了這種可能性。所以這里涉及到對系統(tǒng)資源的管理調(diào)度。下一步就是在動(dòng)態(tài)適應(yīng)的情況下，采用動(dòng)態(tài)適應(yīng)策略對系統(tǒng)HCI給出合適的調(diào)整，從而達(dá)到普適環(huán)境下可動(dòng)態(tài)適應(yīng)的目的。

圖3 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性算法流程