用户界面模型语义一致性研究

摘要

用户界面作为用户和计算机进行沟通和交互的桥梁，往往是一个系统成功与否的核心方面。但即使在一些可视化界面设计工具的支持下，用户界面的开发仍然是一个困难和耗时的工作。基于模型的用户界面设计环境已成为人机交互领域的研究热点。
　　 在基于模型的软件开发中，模型的质量决定了软件产品的质量，而模型的语义一致性是关于模型质量的一个重要方面。和其他模型错误相比，模型在语义一致性方面的错误更具有隐蔽性和破坏性，因此，在建模过程中必须要发现和解决这些错误。
　　 用户界面的各分层模型分别描述用户界面构成、功能和展示等方面的特性，而这些特性往往具有错综复杂的联系和复杂的语义约束。而在各分层界面模型的递增式开发中，需要逐步添加与描述方面相关的特性，由于存在可能的需求冲突，设计矛盾，特别是模型中可能存在语义相互影响的冗余信息，在用户界面分层模型中都可能会出现语义矛盾的语义特性描述，即模型可能存在内部语义不一致性。
　　 在用户界面模型化设计方法中，考虑到界面设计的复杂性，往往都采用从不同视角建立不同分层模型的方法。但这些模型并不是孤立存在的，而是相互依赖、相互约束的，语义约束需要在不同的分层模型之间进行映射和转换，不正确的映射转换将会造成分层模型间的语义不一致，也会影响整个模型的质量。
　　 在目前的用户界面模型化设计方法研究中，还很少有研究涉及用户界面模型的语义一致性问题。现有方法中所建立的界面模型，模型之间仍然是孤立的，之间缺少清楚和灵活的转换和映射。即使一些研究提出过模型间的转换映射方法，但仍然不是形式化的，更没有考虑转换映射对模型间语义一致性的影响。由于缺少有效的语义一致性描述和检测手段，用户界面模型的语义一致性更多地依赖于设计者的经验和设计。故为保证用户界面模型本身的正确性和有效性，而且为用户界面模型中各分层模型间的转换映射提供正确性保证等，用户界面模型的构建需要考虑语义的一致性。
　　 本文总结吸收模型语义一致性和基于模型的用户界面设计方法两方面研究成果，主要针对在基于模型的用户界面设计方法中缺乏语义一致性研究的现状，在用户界面模型构建研究中对模型的语义一致性进行深入研究和探讨，系统建立一种能保证模型语义一致性的用户界面模型化设计方法，提高模型的质量，使所设计用户界面的正确性和有效性程度得以提高。主要研究内容包括：
　　 为能有机融合用户界面模型描述和模型的语义一致性考查，本文以范畴理论和代数规范为理论基础，为用户界面模型提出一种统一的模型构成和模型语义形式化描述机制，此描述机制能同时精确描述用户界面模型的构成和语义。其中对象规范对应各模型元素，态射则指明模型元素是如何组合在一起的，对象规范的层次组合为用户界面模型的结构化构建和考查模型间语义一致性提供基础。而模型内部语义的一致性判定是通过检查所有模型元素本身语义描述是否存在语义矛盾以及所有对象规范态射是否满足结构态射和行为态射定义而完成的。
　　 基于用户界面模型的形式化描述，将界面模型各分层模型之间的映射看作是范畴之间的映射转换，而这种映射转换必须保证模型间的语义一致性。本文用对象规范映射形式化模型元素的映射，用规范态射映射形式化模型元素关系的映射，研究分层模型间的映射语义，并给出模型间语义一致性的判定方法，该方法用分层模型组合对象规范间语义特性保持性考查模型间的语义一致性。这些研究成果可用于指导分层模型间映射转换规则的定义，为分层模型之间映射关系的正确性验证提供依据。
　　 建立一种用户界面模型的构建方法。该方法采用分层处理的方式，分层建立领域模型，扩展对象描述、界面交互图、界面展示描述，分解处理用户界面的复杂性方面。为处理界面布局的复杂性，建立界面模板，为处理展示形式的多样性和重用性，采用用户界面设计模式，并把它作为模型设计的模型元素。所建立方法是一个从领域模型开始，逐层向上映射参与模型构建的过程，而在分层模型的构建和映射中，必须保证语义的一致性。由此研究用户界面模型中各分层模型的模型构成及模型语义，关注在底层模型的映射参与下，上层模型的构建过程，并考查映射对模型语义一致性的影响以及研究模型语义一致性的保证方法。
　　 开发用户界面模型化设计的原型工具，研究工具对模型语义一致性的支持方法。工具可以采用图形表示的方式帮助设计者建立所需的各种分层模型，并帮助完成模型之间的映射转换。另外，工具通过模型语义检查、自动维持、强制约束等手段提供对界面模型语义一致性的保证。
　　 本文工作的主要贡献体现在：
　　 (1)建立了一种能保证模型语义一致性的用户界面模型化设计方法，能将界面模型的构建和语义一致性的考查有机融合，更容易更准确地实现模型语义的一致。
　　 (2)为用户界面模型提出了一种统一的模型构成和模型语义形式化描述机制，通过形式化，模型的构成和语义可以精确的进行定义和研究，这也为描述模型间的映射关系和语义奠定了基础。将范畴理论用于研究用户界面模型的构成和模型语义一致性是一种新的尝试，为其他学者的研究提供了一种新的思路。
　　 (3)通过检查模型组合对象的语义矛盾性来判断模型的内部语义一致性，检查各分层模型组合对象之间的语义特性保持性来判断分层模型间语义一致性，为模型语义一致性考查提供了一种新的方法。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 问题的提出

1.3 主要研究内容和贡献

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要贡献

1.4 论文的组织

1.5 小结

第2章 相关研究

2.1 用户界面模型

2.2 模型语义一致性

2.2.1 建模中的语义一致性

2.2.2 模型转换或精化中的语义一致性

2.3 小结

第3章 用户界面层次化模型

3.1 用户界面模型化设计方法的体系结构

3.2 层次化用户界面模型

3.2.1 领域模型

3.2.2 扩展对象描述

3.2.3 界面交互图

3.2.4 界面展示描述

3.3 用户界面模型中的语义一致性

3.3.1 用户界面模型的语义

3.3.2 用户界面模型的语义一致性

3.3.3 语义一致性保证方法

3.4 小结

第4章 用户界面模型内部语义一致性

4.1 模型形式化定义

4.1.1 用户界面模型的形式化

4.1.2 对象规范的层次组合

4.1.3 对象规范的组合计算

4.2 模型内部语义一致性

4.3 小结

第5章 用户界面分层模型间语义一致性

5.1 模型元素映射

5.2 模型元素关系映射

5.3 用户界面分层模型间的映射语义

5.4 分层模型间的语义一致性

5.5 模型间语义一致性的表现方面

5.6 小结

第6章 用户界面模型构建中的语义一致性保证

6.1 领域模型

6.1.1 模型语义一致性

6.2 扩展对象描述

6.2.1 模型构成及语义描述

6.2.2 模型构建及语义一致性

6.3 界面交互图

6.3.1 模型构成及语义描述

6.3.2 模型构建及语义一致性

6.4 界面展示描述

6.4.1 模型构成及语义描述

6.4.2 模型构建及语义一致性

6.5 相关工作对比

6.6 小结

第7章 用户界面模型构建工具对语义一致性的支持

7.1 工具环境

7.2 工具对语义一致性的支持

7.3 工具能力分析

7.4 小结

第8章 总结与展望

8.1 本文主要工作总结

8.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

攻读学位期间参与科研项目情况

学位论文评阅及答辩情况

附录 英文论文