用戶界面設計中任務建模方法研究

摘 要：基于模型的用戶界面設計方法是通過用戶界面模型開發用戶界面的新方法。任務模型作為其中一個主要模型，刻畫的是用戶與界面交互過程中動態行為方面的信息。詳細介紹了HTA，UAN，GOMS，CTT，Wisdom五種常用的任務模型建模方法，分析了各方法的優缺點及適用環境，并對任務建模方法的未來發展方向進行了展望。

關鍵詞：用戶界面設計;任務建模; 任務模型

中圖法分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3695(2006)10-0191-03

Research on Task Modeling Methods for User Interface Design

ZHAO Zhonglei1，QIN Zheng1，2

(1.College of Software， Tsinghua University， Beijing 100084， China;2.Dept. of Computer Science Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China)

Abstract:Modelbased user interface design is a new method of designing user interfaces through models. As one of the important models， task model depicts the behaving information of interaction between users and user interfaces. This article introduces five common methods for creating task models:HTA， UAN， GOMS， CTT， Wisdom. We summarize advantages， disadvantages and appropriate enviroment of each method. We also get some future development directions of task modeling methods.

Key words:User Interface Design；Task Modeling；Task Model

交互系統中大約有50％的代碼是與圖形用戶界面有關的[1]，可見用戶界面設計是否合理對于一個系統的成功與否具有相當重要的意義。模型的使用作為用戶界面開發的一部分是廣大設計者長期積累經驗的結果[3，4]。模型可以捕獲用戶的需求、任務以及涉及的多種因素，以避免盲目開發帶來的損失。任務模型是任務分析的結果，主要描述了在特定應用領域用戶為了得到特定目標所需要執行的活動，它用于理解和捕捉用戶、用戶的工作環境、目標和工作活動等的性質和結構。任務模型在交互系統開發的需求分析、用戶界面設計、可用性評估以及測試等階段均有著重要的作用。

用于任務建模的方法比較多，總的來講有基于工程和基于認知兩類。其中有形式化的，也有非形式化的。表示方法也多種多樣，有用文本的，也有用圖型表示的。本文介紹了幾個具有代表性且常用于用戶界面任務模型設計的方法，考察它們對任務模型的表示能力，以及它們各自的優缺點。這有助于對任務模型作進一步研究，同時也為在任務建模時選擇更適合的方法提供幫助。

1 任務模型

在基于模型的用戶界面設計方法中，任務模型刻畫的是用戶與界面交互過程中動態行為方面的信息，必不可少。在文獻［5］中提到的15個基于模型的用戶界面設計環境中，除了JANUS 沒有任務模型外，其余的設計環境均有任務模型。任務模型是需求分析人員與用戶溝通的橋梁，是系統設計和測試人員工作的基礎。它可以作為設計的起點，由此能得到對話模型[8]以及用戶界面體系結構。任務模型是在特定應用領域內為了達到某種目標，用戶執行活動的集合。任務模型包括任務、任務之間的層次關系和時序關系。

1．1 任務規范

任務可以通過屬性來描述，任務規范包含如下屬性[7]：①名稱。區別不同任務的標志，一般用有意義的短語。②類型。F.Paterno 等人將任務分成了四類，即用戶任務、應用任務、交互任務以及抽象任務。用戶任務是需要用戶完成，但不需要與系統交互的任務，如用戶閱讀書目，選擇其中的一本；應用任務由系統完成，它們負責從系統接收信息后提供給用戶；交互任務是用戶與系統通過交互控件來實現的任務，如編輯圖表；抽象任務是需要由復雜活動組成但還沒有具體確定的任務。③父任務。指明該任務是哪個任務的子任務。④對象。任務所涉及到的對象。每個對象可以由名稱、類型、輸入對象動作表、輸出對象動作表組成。⑤循環。一個表示該任務是否循環的布爾變量。⑥可選。一個表示任務是否必須執行的布爾變量。⑦初始活動集。⑧結束活動集。

1．2 任務之間的時序關系

任務之間的時序關系直接影響著界面設計中交互對象的放置問題。本部分詳細介紹了任務之間存在的各種時序關系[10，15]。為了便于描述，下面使用兩個任務來闡述下列關系，一些關系是可以發生在多個任務之間的。①順序關系：第二個任務必須在第一個任務執行成功后才能進行。②選擇關系：在同一時間只能執行其中的一個任務，另一個任務只有在執行的任務結束之后才會變得可用。③并行關系：兩個任務之間沒有約束，可以任意執行。④同步關系：兩個任務可以任意執行，但相互之間需要同步并傳遞消息。⑤次序無關：兩個任務可以按任意次序執行，且兩個均必須執行，但同一時間只能有一個任務執行。⑥鈍化關系：當第二個任務開始執行時，第一個任務完全變為不可活動。⑦中斷關系：第二個任務可以在第一個任務運行中開始運行，此時第一個任務停止運行，并且運行環境存入堆棧；當第二個任務結束時，第一個任務恢復運行。

2 比較對象的選擇

到目前為止，交互界面設計中用于描述任務建模的方法和符號有很多，如HTA，UAN，GOMS，TKS，CTT等。隨著UML成為面向對象設計方法的主流，也出現了一些通過擴展UML描述交互系統任務建模的方法，如Wisdom[9]， LOTOS，ObjectZ，Petri Net等形式化語言也可以用于任務建模。雖然形式化語言有其優越性，但考慮到這些形式化語言對設計者的要求比較高，并且用戶不容易理解和接受，使用形式化語言在一定程度上不利于設計者與用戶之間的交流。本文選擇的方法著重集中在容易被設計者接受，有利于設計者與用戶交流的描述任務建模的方法和符號上。下面簡單介紹一下要比較的各種方法。

(1)HTA(Hierarchical Task Analysis)[10，16] ：1967 年，由Annett 和 Duncan 開發，用于分析和描述任務模型。它使用具有樹型結構的圖或結構文本來描述用戶任務。

(2)UAN(User Action Notation)[14，15] ：一個用于描述異步直接操縱系統界面行為的符號。該方法是以任務和用戶為中心，并通過半層次化的異步任務來描述界面。

(3)GOMS 家族[6，12，13]：GOMS家族的方法使用目標（Goal）、操作（Operator）、方法（Method）、選擇規則（Rule）來描述任務模型。GOMS 有四種變體：KLM(KeystrokeLevel Model)，CMNGOMS，NGOMSL，CPMGOMS。本文所講 GOMS 的性質總結了整個 GOMS 家族方法的性質。

(4)CTT(Concur Task Tree)[11]：由 Fabio Paternò 開發的，主要用于描述任務模型規范的符號。CTT 語義嚴密，且容易理解，不僅可以描述并行和交互的活動，而且還支持多用戶之間的合作和中斷。

(5)Wisdom[9]：Wisdom 方法通過約束擴展機制來整合 UML 和 CTT，使UML也可對用戶界面進行建模。

3 比較

3．1 任務模型構造部分的表示能力比較

HTA 對任務模型的表現有兩種方式，即文本描述和樹型結構的圖。在樹型結構圖中，方框代表操作（Operation），使用半形式化文本表示的計劃（Plan）。計劃描述了為完成總目標，子目標執行的條件和順序。圖中也隱含了被操作的領域對象。任務通過操作表示，計劃在一定程度上表示了任務之間的時序關系，但表現的時序關系比較有限，僅僅表現了順序、選擇以及循環。

UAN 采用半層次化的描述方法，提供了兩種不同級別的符號來分別描述抽象任務和用戶執行的具體動作。UAN 規范由兩部分組成，一部分描述任務之間的時序關系，一部分用表格的形式描述基本任務。表格由三列組成，即用戶動作、系統反饋和狀態信息。

在 GOMS 中，任務模型描述是由目標、操作、方法、選擇規則四個方面完成的。任務之間的時序關系通過選擇規則來表示，且只能表示相對較簡單的選擇和循環關系。CMNGOMS 相對比較寬松地定義了如何表達層次關系、方法、操作以及準確表示選擇規則的方法；KLM 是一個簡化版本，只有基于按鍵的操作，沒有目標、方法和選擇規則；NGOMSL則更嚴格，它接近于計算機編程語言。上述三種方法只能表示順序的活動。CPMGOMS 通過不同類型的操作表示并行活動，更適合描述基于窗口的圖形用戶界面。該類型的方法可以配合使用。

CTT 中任務模型由一個樹型結構來表示，在樹型結構中有表示任務關系的時序符號。任務通過任務屬性來描述，支持任務規范中提到的所有屬性。特別的，CTT將任務分成了用戶任務、應用任務、交互任務以及抽象任務四類。任務關系的時序符號使用的是擴展了的LOTOS運算符，可以表示任務之間的順序、選擇、并行、同步、鈍化和中斷關系。CTT還支持多用戶之間的合作與中斷。

Wisdom 是在 CTT 的基礎上發展起來的。但是其任務表示具有 UML 的語義。在 Wisdom 中 定義了一個 <> 類來表示任務。父任務與子任務之間的關系用 <> 關聯表示。任務之間的時序關系是通過關聯之間的約束 {xor}，{sequence}，{deactive}等來表示的，任務之間信息傳遞用帶虛線的箭頭表示。表1和表2總結了各種方法對任務與任務之間時序關系的支持能力。

3．2 各種方法的優缺點

HTA 方法在用戶界面出現以前就已被廣泛地用于用戶任務分析，是一種基于系統而不是用戶的設計方法。根據HTA的性質，它容易應用于復雜任務建模，支持任務的細化，可以根據需要對任務進行進一步細化。HTA 表示的模型較易被用戶接受，有利于設計者和用戶交流。但是該方法本身對任務的描述并不詳細，任務僅僅用一個名字來表示，沒有過多的屬性。同時也只能表示很少的時序關系。這些特點決定了該方法只能從整體上把握用戶任務，對任務的具體細節表現能力不夠。HTA方法經常與別的方法聯合使用來增強表達能力。基于 HTA 的模型可以用多種方式表示，如文本、圖以及 XML 表示；可以使用通常的文本編輯工具編輯。

UAN 是一個以用戶為中心的設計方法，適合描述異步直接操作系統的用戶界面。UAN 的兩組規范使得它可以描述抽象級別比較高的任務之間的關系，也可以描述具體的任務。該方法可以描述任務之間的一些高級關系，如中斷、并行等。UAN 雖然沒有提供上述任務規范中的屬性，但是它以表格的形式詳細地給出了為完成該任務用戶需要執行的操作、用戶界面的反饋以及系統狀態，我們可以根據這個信息生成用戶手冊。該方法描述的任務模型用戶比較難以理解，更適合于設計人員與程序員之間的交流。

GOMS 最大的優點在于模型可以用于評估系統（已有系統或未建系統）的性能。 通過使用 GOMS對不同系統進行評估，可以選出更優的系統。該方法的不足之處有：①該家族的方法比較多，差別也比較大，不同的方法提供不同的功能；②任務模型的構造很費時；③支持的任務之間的關系比較少，一般只適應任務順序事先安排好的系統；④一般均假設系統沒有錯誤。

CTT 方法的優點：①具有層次結構，可以應用于任務求精；②對任務屬性描述比較詳細；③由于任務之間的關系以Lotos 為基礎，所以該方法建立的模型易被轉換成形式化方法Lotos 描述的模型，從而使沒有形式化知識的人可以容易地建立靈活且內容豐富的任務模型；④支持任務的分類；⑤可以適應多種平臺上的用戶界面的建模；⑥支持多用戶協同工作任務的建模；⑦有供研究的工具Ctte。其不足之處：①只能在此基礎上作一些簡單的統計，不能評估系統的性能；②工具中對用戶界面中其他模型的支持不足，還沒有自動生成代碼的工具。

Wisdom 方法的主要優點：①繼承了 CTT 方法在任務屬性與任務之間關系等方面的表示優勢；②符合 UML 規范，可以用現有的 UML 建模工具；③可以將用戶界面任務方面的建模與表示模型和領域模型聯系起來。該方法的不足之處：①需要設計者同時掌握 UML 和 CTT，可能在一定程度上加重設計人員的負擔；②相關工具還需要作進一步的研究。

通過上面的比較分析，表3給出了各種方法的表示形式、適用范圍以及相關的建模工具。

4 任務建模方法發展方向展望

隨著軟件工程的不斷向前發展，通過上述五種方法的比較，在用戶界面設計過程中，一個好的任務模型建模方法應該具備以下的一些特點：

(1）表達能力強，靈活且相關人員都容易理解的表示方法。

(2）應該有形式化的基礎或很容易自動生成形式化模型。這樣有利于模型的形式化驗證，檢測模型深層次的邏輯錯誤。

(3）應該能與用戶界面其他模型有效配合。

(4）方法相對應的自動化工具。在用戶界面設計過程中，自動化工具在快速建模、代碼生成、模型驗證、分析等方面的性質可以決定一個方法的生存空間。

(5）對基于瀏覽器的用戶界面設計的支持。隨著互聯網和分布式技術的廣泛應用，基于瀏覽器的用戶界面已經成為一些應用系統的主要交互界面。

5 結束語

本文介紹了HTA，UAN，GOMS，CTT，Wisdom五種常用的任務建模方法，給出了各種方法對任務模型的表達能力，并分析了這些方法的優缺點，由此為任務建模方法的選擇提供了依據，為將來對基于模型的用戶界面設計方法的進一步研究提供支持。同時本文還展望了有關用戶界面中任務建模的發展方向。今后我們將主要研究任務模型與其他模型配合自動生成代碼問題，并將其推廣到Web用戶界面。

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作者簡介：

趙忠雷(1981-)，男，山西晉城人，碩士研究生，主要研究方向為人機交互界面;覃征(1956-)，男，湖南石門人，教授，博導，主要研究方向為軟件工程、電子商務、軟件體系結構、移動計算的研究。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文