基于组件的交互设计：原理与应用

# 基于组件的交互设计：原理与应用 ## 1 引言 在信息服务设计中，合适的对话结构设计至关重要。为降低设计过程及其验证的时间和成本，复用方法被引入该领域。常见的对话结构，如导航和搜索支持结构、帮助功能、人为错误处理和引导游览等，被识别、描述并归类为交互模式。 一些交互模式模型较为非正式但独立于系统，而另一些则较为正式但依赖于系统。同时，也存在一些正式且独立于系统的交互设计和验证模型，但这些方法通常忽略了组合性。 本文采用基于网的方法，将之前的模型扩展到有色Petri网，即交互网。通过定义组件语义，使得可以在不了解子网具体结构的情况下，从基本规范的属性推导出组合规范的属性。 ## 2 交互网 ### 2.1 有色Petri网基础 有色Petri网（CP网）是一个元组 \(N = (E,P,T,A,N,C,G,E,I)\)，满足以下要求： 1. \(E\) 是有限的非空数据类型集合，称为颜色集。 2. \(P \subseteq \mathcal{P}\) 是有限的位置集合。 3. \(T \subseteq \mathcal{T}\) 是有限的转换集合。 4. \(A \subseteq \mathcal{A}\) 是有限的弧集合。 5. \(N : A \to P \times T \cup T \times P\) 是节点函数，将弧与节点对关联。 6. \(C : P \to \mathcal{S}\) 是颜色函数，将位置与数据类型关联。 7. \(G : T \to EXP\) 是防护函数，将转换与表达式关联，确保表达式类型为布尔型。 8. \(E : a \to EXP\) 是弧表达式函数，控制转换消耗或产生的数据元素多集。 9. \(I: P \to EXP\) 是初始化函数，将位置与封闭表达式关联。 ### 2.2 交互网定义 交互网 \(\mathcal{N}^* = (N,P^i,P^o)\) 由CP网 \(N = (E,P,T,A,N,C,G,E,I)\) 和两个不相交的位置集 \(P^i,P^o \subseteq P\) 定义，需满足特定条件，以确保输入位置仅用于接收数据，输出位置仅用于提供数据。 从实用角度，可区分输入位置、输出位置、上下文位置和转换： - **输入位置**：外部组件可写入的位置，对应用户发起的事件、其他网发布的参数或用于同步的控制信息。 - **输出位置**：外部组件可读取的位置，交互网通过输出位置传达信息。 - **上下文位置**：非输入/输出位置，代表网在交互场景执行期间的内部上下文。 - **转换**：定义上下文变化，反映交互双方在每次输入后的上下文变化。 ### 2.3 重命名操作 为实现组合的结合律和交换律，引入重命名操作符。重命名操作通过一个全的、单射的函数 \(f : P \to P\) 对交互网的位置进行重命名。 ### 2.4 交互网的组合 交互网的组合通过合并共享的输入/输出位置来定义。组合操作 \( \mathcal{N}_1 \circ \mathcal{N}_2 \) 定义了一个新的CP网，需满足一定条件，确保交互网仅在输入/输出位置连接，且连接兼容。组合操作具有结合律和交换律。 以下是交互网相关操作的总结表格： | 操作 | 描述 | | --- | --- | | 有色Petri网定义 | 元组 \(N = (E,P,T,A,N,C,G,E,I)\) 满足特定要求 | | 交互网定义 | \(\mathcal{N}^* = (N,P^i,P^o)\) 并满足条件 | | 重命名操作 | 通过函数 \(f : P \to P\) 重命名位置 | | 组合操作 | \( \mathcal{N}_1 \circ \mathcal{N}_2 \) 合并共享输入/输出位置 | mermaid格式流程图展示交互网的组合过程： ```mermaid graph LR A[交互网1] -->|组合| C[组合后的交互网] B[交互网2] -->|组合| C ``` ## 3 基于流的组件模型 ### 3.1 组件模型介绍 Broy等人定义了基于流的系统独立组件模型。流是数据元素（消息）的有限或无限序列，代表有向通道的通信历史。 一个基本组件 \(C\) 由名称、框架标签列表、输入声明、输出声明和主体组成。主体是谓词逻辑中的公式，定义了输入流和输出流之间的关系。 组件的动态语义通过一些缩写和公式来表示，例如，定时基本组件 \(C\) 的表示为 \([C] := is \in Is^- \land os \in Os^- \land Bs\)，其输入/输出行为由关系 \(\mathcal{R}_S\) 指定。 ### 3.2 组件组合的行为特征 组件的组合通过合并组件来定义，其行为完全由基本组件的行为决定。对于两个组件 \(C_1\) 和 \(C_2\) 的组合，其组合的输入/输出行为关系 \(io(C)\) 可以通过自然连接来确定： \[io(C) = \pi_{is_1,is_2,os_1,os_2} (io(C_1) \bowtie_{ls} io(C_2))\] 这表明存在从组件规范到相应组件行为的（部分）同态，即组件组合的输入/输出行为完全由其基本组件的输入/输出行为决定。 以下是组件模型相关概念的总结表格： | 概念 | 描述 | | --- | --- | | 流 | 数据元素的有限或无限序列 | | 基本组件 | 由名称、标签、声明和主体组成 | | 组件组合 | 通过合并组件定义，行为由基本组件决定 | | 组合行为关系 | 通过自然连接确定 | mermaid格式流程图展示组件的组合过程： ```mermaid graph LR A[组件1] -->|组合| C[组合后的组件] B[组件2] -->|组合| C ``` ## 4 交互网的组件语义 ### 4.1 交互网的输入/输出行为 将交互网视为黑盒组件，通过观察者来研究其外部行为。观察者是一个与被研究的交互网可组合的交互网，通过记录发送消息和接收响应之间的关系来探索黑盒的行为。 为了基于流来描述网的动态，引入了轨迹的概念。轨迹记录了运行过程中数据元素的流动，包括步骤的轨迹、运行的输入/输出轨迹以及网的轨迹。 将流和消息的概念应用于交互网的行为，定义（网）消息为相同数据类型的数据元素的多集。可以验证，步骤的轨迹、输入/输出轨迹、运行的输入/输出轨迹以及网的轨迹分别对应消息、消息、流、流关系的元素和流关系。 通常，我们只关注某些位置的输入或输出轨迹，这对应于关系代数中的投影操作。交互网的输入/输出行为 \(io(\mathcal{N})\) 定义为与所有观察者组合后的轨迹在接口流上的投影的并集。 为了实现自然的行为组合，引入了移位轨迹的概念，它与普通轨迹类似，但移除了输入流的最后一个消息（如果有限）和输出流的第一个消息。 以下是交互网输入/输出行为相关概念的总结表格： | 概念 | 描述 | | --- | --- | | 观察者 | 与交互网可组合，用于探索其外部行为 | | 轨迹 | 记录运行过程中数据元素的流动 | | （网）消息 | 相同数据类型的数据元素的多集 | | 输入/输出行为 | 与所有观察者组合后的轨迹在接口流上的投影的并集 | | 移位轨迹 | 移除输入流最后一个消息和输出流第一个消息 | mermaid格式流程图展示交互网输入/输出行为的确定过程： ```mermaid graph LR A[交互网] -->|与观察者组合| B[组合后的网] B -->|记录轨迹| C[轨迹集合] C -->|投影到接口流| D[输入/输出行为] ``` ### 4.2 行为组合 研究交互网的组合模型是否与基于流的组件框架一致，即行为函数 \(io()\) 是否表示从（交互网，\(\circ\)）到（流关系，\(\bowtie_{ls}\)）的（部分）同态。 在组合操作中，需要注意输入流和连接的输出流的连接，通过忽略关系模式中的上标“+”和“ - ”来实现预期的连接。 通过一个示例说明了如果存在元素 \((i_1,o_1) \in io(\mathcal{N}_1)\) 和 \((i_2,o_2) \in io(\mathcal{N}_2)\) 且 \(i_2 = o_1\)，则存在元素 \((i_1,o_2) \in io(\mathcal{N}_1 \circ \mathcal{N}_2)\)。 定理表明，对于两个交互网 \(\mathcal{N}_1\) 和 \(\mathcal{N}_2\)，如果网组合 \(\mathcal{N}_1 \circ \mathcal{N}_2\) 存在，则有 \(io(\mathcal{N}_1 \circ \mathcal{N}_2) = \pi_{is_1,is_2,os_1,os_2} (io(\mathcal{N}_1) \bowtie_{ls} io(\mathcal{N}_2))\)。 ## 5 讨论与未来工作 ### 5.1 接口策略保证 交互网的组件语义可用于确保接口策略。例如，握手协议要求交互双方满足一些动态属性，这些属性可以通过对交互网的输入/输出行为关系的断言来表达。如果断言针对一个交互网得到验证，那么它在任何组合中都会表现出该属性。未来工作将详细处理接口策略。 ### 5.2 验证与质量保证 使用形式化模型的主要动机之一是验证，它可以回答一些有助于确保交互式组件质量的问题，如支持哪些用户场景、可以实现哪些目标、是否存在无法有效实现的目标以及网的上下文变化是否与用户心理模型的上下文变化一致等。目前正在形式化一组适当的交互式组件，其组合支持不同类型的交互式搜索机会。 ### 5.3 专业化关系推导 通过交互网的组件语义，可以直接应用Broy等人的组件框架中关于组件专业化的定义，来推导或验证交互网之间的专业化关系。 ## 6 结论 介绍了一种独立于系统的方法来建模、验证和组合交互规范，支持信息服务中交互式结构的复用。除了标准的网语义，还引入了外部行为的组件语义，其组合与引入的网组合一致。可以通过以下步骤利用这一成果： 1. 识别有意义的交互模式。 2. 通过交互网设计形式化模型。 3. 通过分析其组件语义来验证交互网的行为属性。 4. 组合组件以编译应用程序或设计复杂组件。 综上所述，这种基于组件的交互设计方法为交互式系统的设计和开发提供了一种有效的途径，有助于提高设计效率和保证系统质量。