Моделирование и анализ человеко-компьютерного взаимодействия на основе логирования событий Мартынов Петр Николаевич

Введение к работе

Актуальность работы. Расширение числа программно-аппаратных платформ и операционных систем приводит к появлению большого разнообразия интерфейсов, ставя, тем самым, перед пользователем проблему выбора и необходимость хранить в памяти большое количество способов человеко-компьютерного взаимодействия. В свою очередь, рост возможностей и расширение функциональности программных приложений, приводит к разнообразию и усложнению интерфейса пользователя человеко- компьютерных систем, перегруженность которого негативно сказывается на эффективности работы человека, поскольку возникает необходимость концентрации внимания не только на рабочих задачах (что нужно сделать), но и на способах их решения (как это сделать). Сложная структура интерфейса порождает значительный информационный поток между человеком и компьютерной системой, и, при таком взаимодействии, пользователь программного обеспечения (ПО) является «узким местом» системы, поскольку его возможности по оперативной обработке данных как физически, так и психологически лимитированы. В связи с этим объективной необходимостью является создание интерфейсов человеко-компьютерного взаимодействия (ЧКВ), ориентированных на возможности и задачи конечного пользователя.

Для оценки ЧКВ, в структуре модели управления качеством ПО, разработанной Международной организацией по стандартизации, существует дополнительная комплексная характеристика качества - пригодность использования (юзабилити, usability), которая согласно ГОСТ Р ИСО 9241-112010, определяется как «свойство продукции, при наличии которого установленный пользователь может применить продукцию в определенных условиях использования для достижения установленных целей с необходимой результативностью, эффективностью и удовлетворенностью».

В силу широкого распространения, особый интерес представляет класс WIMP-интерфейсов (Window, Image, Menu, Pointing device), который характеризуется работой пользователя в «окнах», использованием пиктограмм, графических образов, различных меню и взаимодействием пользователя с ПО посредством указывающих устройств. Для оценки и улучшения юзабилити WIMP-интерфейса существуют различные методики, при этом для большинства характерны следующие основные недостатки:

- практически все методики имеют ограниченное применение, в связи с чем, возникает необходимость их комбинирования, что существенно увеличивает стоимость исследований;

преобладают методики исследований, позволяющие качественно, а не количественно оценивать юзабилити, результаты применения которых имеют субъективную интерпретацию;

уровень автоматизации большинства методик всё ещё достаточно низкий, большая часть рутинной работы выполняется специалистами по исследованию и проектированию интерфейсов пользователя ПО.

При этом во многих практических областях применения ПО (промышленные автоматизированные системы управления, медицинские и образовательные информационные системы), наиболее важными параметрами работы человека являются скорость его реакций и производительность, в то время как существующие методики либо совсем не позволяют количественно оценить эти параметры на статистически значимой выборке пользователей, либо стоимость таких исследований очень высока и не сопоставима со стоимостью разработки ПО.

Степень разработанности проблемы. Основополагающие и наиболее популярные методики исследования и улучшения характеристик ПО с точки зрения пользователя базируются на знаниях, полученных на стыке таких научных областей, как эргономика, человеко-машинное взаимодействие, психология и социология. В течение последних десятилетий свой вклад в их создание и развитие внесли многие зарубежные (Я. Нильсен, С. Кард, Б. Шнейдерман, А. Купер, Д. Норман, Дж. Раскин, Д. Кирас и другие) и ряд отечественных учёных (А.Н. Костин, П.И. Падерно, А.Н. Анохин и другие). Были разработаны методики когнитивного моделирования ЧКВ, различные вариации тестирований с участием пользователей ПО и экспертной оценки, а также адаптированы методики психолого-социологических исследований. В последние годы в работах молодых отечественных учёных предлагается ряд новых подходов к исследованию, проектированию и оценке интерфейса пользователя, большинство из которых имеют либо узкую направленность, либо ограниченное применение. Например, Пономаревым И.А. предложена методика формализованного анализа графического интерфейса статических экранных форм без участия пользователей. Бакаев М.А. в своей диссертационной работе предлагает систему поддержки принятия решений для проектирования интерфейсной части интернет ресурсов. Сухов А.А. в рамках своей научной работы реализует программную систему повышения качества промышленных компьютерных тренажерных систем (интерфейсы на мнемосхемах). Кораблев Д.А. предлагает критерии и методику оценки эффективности интерфейсов пользователя систем электронного документооборота.

Несмотря на большое число теоретических и практических работ и публикаций, в исследуемом научном направлении всё ещё существует ряд нерешённых задач и возможностей для инноваций. В частности, вопросы снижения стоимости исследований с участием большого числа пользователей и получения на их основе количественной оценки реального человеко- компьютерного взаимодействия.

Таким образом, актуальной задачей является разработка новой, менее трудоёмкой методики исследования интерфейса пользователя ПО, позволяющей снизить стоимость и продолжительность различных этапов тестирования с участием большого числа пользователей, с целью обеспечения объективности оценки эргономических характеристик человеко-компьютерного взаимодействия.

Объектом исследования диссертационной работы является WIMP- интерфейс пользователя ПО, предназначенного для работы на персональной ЭВМ под управлением операционной системы (ОС) Microsoft Windows.

Предметом исследования является модель человеко-компьютерного взаимодействия, построенная на основе аккумулирования и анализа данных, собираемых о работе пользователя с ПО или выполнения им тестовых заданий.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с п. 5 «Разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях; ...» и п. 6 «Разработка методов, языков и моделей человеко -машинного общения; ...» Паспорта специальностей ВАК РФ по специальности 05.13.17 - «Теоретические основы информатики» (технические науки).

Целью работы является разработка новой методики исследования интерфейса пользователя, обеспечивающей моделирование и анализ человеко - компьютерного взаимодействия на основе логирования событий, с целью повышения удобства и продуктивности работы с программным обеспечением.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие научные задачи:

1. 1. Анализ существующих методик исследования и оценки интерфейсов пользователя компьютерных систем, их аппаратно-программного, информационного и нормативного обеспечения.

   2. Анализ преимуществ и недостатков существующих методик, формирование концепции исследования интерфейса пользователя, обеспечивающей упрощение его тестирования.

   3. Разработка модели количественной оценки человеко-компьютерного взаимодействия на основе работы пользователя с ПО и выполнения им тестовых заданий.

   4. Разработка метрик и алгоритмов для автоматизации анализа математической модели человеко-компьютерного взаимодействия.

   5. Разработка исследовательского программного комплекса, обеспечивающего фиксацию взаимодействий конечного пользователя с интерфейсом ПО на основе логирования событий с последующей визуализацией и предварительным анализом данных, полученных в ходе исследований.

   Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы системного анализа и проектирования, методы кластерного анализа, эволюционного моделирования и математической статистики, дискретной математики (теории алгоритмов, теории графов), теории реляционных баз данных, теории объектно-ориентированного моделирования и программирования.

   Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:

   1. 5. 1. Разработана математическая модель человеко-компьютерного взаимодействия, позволяющая формировать количественную оценку основных пользовательских характеристик исследуемого WIMP- интерфейса программного обеспечения.

         2. Разработаны метрики и алгоритмы автоматизированного анализа математической модели, а также генетический алгоритм (ГА) поиска эффективных и неэффективных путей взаимодействия пользователя с программным обеспечением с целью выработки рекомендаций по модификации интерфейса пользователя.

         3. Разработана новая методика тестирования юзабилити интерфейса пользователя программного обеспечения, позволяющая снизить трудоёмкость и стоимость исследований путём автоматизации наиболее рутинных этапов сбора экспериментальных данных, их обработки и анализа.

         Практическая значимость. Применение разработанной методики позволяет получить статистически значимую оценку количественных характеристик человеко-компьютерного взаимодействия при сопоставимой стоимости исследований в сравнении с существующими методиками юзабилити тестирования. Благодаря автоматизации разработанной методики обеспечивается снижение трудоёмкости исследований эргономических характеристик интерфейса пользователя при проведении тестирования в условиях ограниченных сроков разработки ПО.

         Основные положения, выносимые на защиту:

         1. 5. 3. 1. Модель человеко-компьютерного взаимодействия, позволяющая формировать количественную оценку основных пользовательских характеристик исследуемого WIMP-интерфейса программного обеспечения.

                  2. Генетический алгоритм поиска эффективных (неэффективных) путей взаимодействия пользователя с программным обеспечением.

                  3. Методика автоматизированного тестирования юзабилити программного обеспечения с участием пользователей.

                  Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием базовых методов исследования и математического аппарата. Достоверность результатов работы подтверждается результатами экспериментальных исследований и сравнением данных, полученных в ходе экспериментов, с данными, полученными ранее по рассматриваемой тематике.

                  Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и в настоящее время используются при подготовке бакалавров по направлению 230700.62 «Прикладная информатика» (курс «Информационные системы»). Материалы диссертационной работы использованы в качестве методологической основы при разработке общеуниверситетских курсов лекций и практических занятий по дисциплинам «Информатика», «Программирование и основы алгоритмизации», «Человеко-машинные системы управления».

                  Предложенная методика и разработанный на её основе программный комплекс внедрены в процесс разработки и сопровождения прикладного ПО информационных систем в научно-практических разработках малого инновационного предприятия ООО «Компьютерные системы и технологии» (г. Москва).

                  Результаты работы подтверждены актами внедрения, имеющимися в приложении к диссертации.

                  На программный комплекс «Распределённая система тестирования интерфейса пользователя программных приложений» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013613413 от 04.04.2013 г.

                  Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Межвузовской научной конференции молодых учёных и студентов «Инновации в экономике» (Москва, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2009, 2010, 2011); III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Прикладная информатика и математическое моделирование» (Москва, ФГБОУ ВПО МГУП им. Ивана Федорова, 2009); Международной научно- практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте ^Л2009» (Одесса, УКРНИИМФ, 2009); III научно- образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2010); Всероссийской молодёжной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (Москва, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2011); Научно-технической международной молодёжной конференции «Системы, методы, техника и технология обработки медиаконтента» (Москва, ФГБОУ ВПО МГУП им. Ивана Федорова, 2011); Международной конференции «New Information Technologies in Image Processing» (Тампере, Технологический университет Тампере, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии (I2T)» (Прага, Российский центр науки и культуры в Праге, 2012).

                  Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

                  Похожие диссертации на Моделирование и анализ человеко-компьютерного взаимодействия на основе логирования событий

                  

                  Моделирование и сравнительный анализ процессов распознавания и классификации многомерных объектов пересекающихся классов на основе представлений теории нечетких множеств и нейросетевых технологий Кручинин Илья Игоревич

                  

                  Структурный анализ и компьютерное моделирование лингвистической среды информационных ресурсовВоронина, Ирина Евгеньевна

                  Теория и технология построения баз знаний на основе взаимодействия методов приобретения знанийОсипов, Геннадий Семенович

                  

                  Моделирование информационного взаимодействия когнитивного агента с внешней средой на основе псевдофизических логик и обобщенных ограниченийКалуцкая, Анастасия Петровна

                  

                  Моделирование адаптивного логического анализа в процессе человеко-машинного взаимодействия на естественном языкеКрайванова Варвара Андреевна

                  

                  Математическое моделирование динамики показателей деятельности предприятия на основе журналов событий информационных системХодырев Иван Александрович

                  

                  Интерфейс бесконтактного человеко-машинного взаимодействия на основе данных сенсора-дальномераКотюжанский Леонид анатольевич

                  Методы выявления аномальных событий в многокомпонентных измерительных сигналах на основе мультимасштабных и спектральных методов высокого разрешенияКлионский Дмитрий Михайлович

                  

                  Разработка информационной системы моделирования природных событий для управления региональными народно-хозяйственными объектамиСтаркова, Надежда Владимировна

                  Разработка отказоустойчивых мульти-агентных средств имитационного моделирования систем с дискретными событиямиПодкорытов, Дмитрий Игоревич