一種HCI自適應的解決辦法

摘要： 在嵌入式系統工程開(kāi)發(fā)及現場(chǎng)施工實(shí)踐中，為了解決由于嵌入式系統資源退化引起的人機交互復雜性和不確定性問(wèn)題，從可適應性角度討論，分析了嵌入式系統中人機交互界面（HCI）的可適應性需求，應該針對資源退化提供一種HCI自適應的解決辦法，故對于嵌入式設備交互特點(diǎn)進(jìn)行了研究，詳細描述了嵌入式設備的HCI模型和內存結構的建立，并給出具有實(shí)踐意義的HCI可適應性策略，最后以一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了驗證。從實(shí)例可知，為嵌入式系統的項目開(kāi)發(fā)提供了一種可行性解決方案。

　　嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能，對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統，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，設備的抗惡劣環(huán)境能力，人機交互界面（HCI），現場(chǎng)通信等等問(wèn)題。HCI是嵌入式系統工程中的一個(gè)重要課題。由于某些嵌入式系統研發(fā)的復雜性和工程實(shí)施中的不確定性，導致嵌入式系統HCI有僵化的趨勢，對此提出一種可適應性的解決思路是必要的。

　　1 嵌入式工程的HCI

　　圖形用戶(hù)界面是當前用戶(hù)界面的主流。HCI是決定嵌入式計算機系統是否友好的一個(gè)重要因素。嵌入式系統人機交互功能主要靠輸入輸出的設備與相應的軟件協(xié)同來(lái)實(shí)現?？晒┤藱C交互使用的設備主要有鍵盤(pán)、顯示以及各種模式識別設備等。嵌入式系統的人機交互因其特殊性而與PC有所區別，多數的嵌入式系統都是顯示屏幕與鍵盤(pán)，或者帶觸摸屏定位的設備組成。對用戶(hù)而言，需要用按鍵或觸摸屏的動(dòng)作告知系統如何按照人的意圖去輸出，絕大多數嵌入式系統都有個(gè)HCI系統供用戶(hù)使用。問(wèn)題是在工程中交互設計時(shí)，設計者往往會(huì )把交互界面和系統的資源聯(lián)系起來(lái)，使得界面的設計不獨立于系統資源。軟件設計勢必在很大程度上受限于硬件資源。實(shí)踐中，通常的做法是根據現有的硬件條件臨時(shí)組織一個(gè)數據結構，把一系列字符串值“串”起來(lái)，之間可以實(shí)現相互跳轉。一個(gè)交互節點(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)。還可能需要包含節點(diǎn)Id標識等其他的輔助信息。顯然，這是用一種靜態(tài)的方法來(lái)生成一個(gè)菜單對象，代碼易讀性強，但各個(gè)部分相互依賴(lài)，編碼和調試比較繁瑣，需要設計者對各部分都十分清楚。最大的問(wèn)題是可擴展性受限，對后續規模的增加造成一定的影響。工程實(shí)踐中，用戶(hù)的需求及隱含需求往往是復雜和不確定的。

　　本文的研究目的是建立一套能夠適應應用復雜性和不確定性的實(shí)現方案，為后續嵌入式系統開(kāi)發(fā)提供一個(gè)工程性的解決思路。

　　2 可適應的嵌入式HCI

　　可適應的HCI是指可根據系統的計算環(huán)境或應用情境進(jìn)行伴隨調節的界面?？梢赃M(jìn)一步區分為被動(dòng)性適應和主動(dòng)性適應（或自適應）。

　　可適應性HCI在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中有著(zhù)越來(lái)越迫切的要求。通常該需求來(lái)源于2個(gè)方面，一個(gè)是用戶(hù)需求的變更；另一個(gè)是系統執行中的應用環(huán)境變化。由這2種因素出發(fā)，依據可適應性的行為模式，嵌入式HCI的可適應性從以下2個(gè)方面展開(kāi)研究：

　　所謂靜態(tài)可適應性是指與系統靜態(tài)配置相關(guān)的可適應性，通常適應行為發(fā)生在2次系統啟動(dòng)之間。這種適應的需求通常是外來(lái)的，比如用戶(hù)需求的修改，設計方案的變化。在工程中，常常出現迭代式的適應性修改，所以靜態(tài)可適應性也是一個(gè)很有現實(shí)意義的需求。這種可適應性的實(shí)現必須借助非易失性存儲器來(lái)進(jìn)行，用來(lái)存儲變化后的定義及配置參數，使得順利完成適應行為。

　　動(dòng)態(tài)可適應性是指在系統運行過(guò)程中，可以依據環(huán)境的變化進(jìn)行在線(xiàn)自適應修改，即普適環(huán)境下的修改。通常普適設備在使用環(huán)境中遷移，引起了環(huán)境參數的強制性變化，系統的HCI與環(huán)境就會(huì )產(chǎn)生矛盾，因此普適策略下的自適應調整是很有必要的。依據收集到的系統狀態(tài)信息，判斷是否HCI與系統配置同步，依靠算法實(shí)時(shí)糾正系統配置來(lái)實(shí)現自適應。普適環(huán)境下的自適應特點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性，只有在出現矛盾的時(shí)候才做普適調整，在設計中必須對匹配性進(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構數據時(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)節點(diǎn)扇出為4，分別指向上層節點(diǎn)、下層節點(diǎn)及左、右的鄰居節點(diǎn)，扇入不限。每個(gè)節點(diǎn)與相鄰的節點(diǎn)之間都有雙向連接，并且每個(gè)節點(diǎn)均可帶子節點(diǎn)進(jìn)行擴展。

　　模型從功能上講是個(gè)層次結構，從數據模型上看是網(wǎng)狀結構，允許有一個(gè)以上的節點(diǎn)無(wú)雙親，并且一個(gè)節點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親。每層節點(diǎn)的數目不固定，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。層與層之間由父節點(diǎn)與長(cháng)子節點(diǎn)雙向連接。父層節點(diǎn)對子層節點(diǎn)是一對一聯(lián)系，由父節點(diǎn)進(jìn)入子層時(shí)在長(cháng)子節點(diǎn)駐足；子層節點(diǎn)對父節點(diǎn)是多對一聯(lián)系，意味著(zhù)由每個(gè)子節點(diǎn)都可回溯至父節點(diǎn)。由父層切換至子層的每次遍歷必須經(jīng)過(guò)長(cháng)子節點(diǎn)，然后可由長(cháng)子節點(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)子節點(diǎn)均可到達其父節點(diǎn)。

　　3.2 方案實(shí)現

　　3.2.1 內存結構設計

　　節點(diǎn)應該具備4個(gè)域，除了標示身份外還至少應該具備指向上層父節點(diǎn)的指針域、指向下層子節點(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(jiǎn)單的HCI結構圖，從功能上看，它分為5層，第一層有5個(gè)節點(diǎn)項形成一個(gè)閉環(huán)，第二層閉環(huán)是第一層第一個(gè)節點(diǎn)的子節點(diǎn)組，該子節點(diǎn)組的第二項又有子節點(diǎn)組。如此下去共有5層，處在最高位置的節點(diǎn)其父指針為空，最低位置的節點(diǎn)的兒子指針為空。

圖1 一個(gè)簡(jiǎn)單的HCI結構圖

　　3.2.2 類(lèi)設計

　　依據模型定義如圖2所示的類(lèi)對象。左邊所示是個(gè)基本的菜單節點(diǎn)類(lèi)，除了模型中提到的幾個(gè)節點(diǎn)指針，還增加了幾個(gè)相關(guān)的屬性域，Id用來(lái)標識節點(diǎn)身份，displayValue用來(lái)存儲菜單的顯示標題，布爾成員editable指明當前節點(diǎn)是否可編輯，另外還增加一個(gè)ptr_function域，用來(lái)指向一個(gè)功能函數，該函數完成節點(diǎn)在接受確定消息后要做的工作。

圖2 菜單結點(diǎn)的類(lèi)定義和菜單代理類(lèi)定義

　　在節點(diǎn)類(lèi)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的命名規定，均使用Get—Set前綴規則。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執行向父節點(diǎn)的跳轉，CoDown執行向長(cháng)子節點(diǎn)的跳轉，CoLeft和GoRight負責向左右鄰居的跳轉。

　　從軟件設計獨立與資源來(lái)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(lái)接收識別，并由它調用界面元素，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(lèi)MenuManageAgent。該類(lèi)對象用來(lái)作為菜單體系與外界交互的媒介物，它用來(lái)記錄菜單的頭指針，菜單體系的規模以及菜單的總體狀態(tài)；初始化菜單結構，創(chuàng )建菜單系統并代表菜單接受外來(lái)的消息，并對消息加以識別和做出合理的響應。圖2右下是對外部消息的定義。消息的列表可以依據實(shí)際情況擴展和修正。

　　4 嵌入式HCI的可適應性實(shí)現

　　靜態(tài)可適應的實(shí)現是基于用戶(hù)主觀(guān)意圖進(jìn)行的。這個(gè)過(guò)程強調人機交互，因此用戶(hù)的工作內容很重要，一般也作為靜態(tài)可適應性實(shí)現的輸入參數。而實(shí)現的技術(shù)細節相對簡(jiǎn)單。在算法設計上，該種可適應性實(shí)現工作重點(diǎn)仍然放在用戶(hù)交互內容的管理上，由用戶(hù)的“交互內容”綜合系統功能可以得到界面的“變更差”，進(jìn)而推導出系統HCI的具體參數集的變化。

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

圖3 動(dòng)態(tài)自適應性算法流程