Технология синтеза адаптивных пользовательских интерфейсов для мультипредметных информационных систем

УДК 004.5

12 1 М.Г. Шишаев ' , В.В. Диковицкии

1 Институт информатики и математического моделирования технологических процессов

Кольского нц Ран

2 Кольский филиалПетрозаводского государственного университета

ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗА АДАПТИВНЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ ИНТЕРФЕЙСОВ ДЛЯ МУЛЬТИПРЕДМЕТНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ*

Аннотация

В статье рассмотрена технология синтеза адаптированных к ментальным стереотипам пользователя навигационных структур пользовательских интерфейсов. Технология ориентирована на использование в мультипредметных информационных системах, основанных на знаниях. Технология базируется на предложенных авторами формальных моделях: мультипредметной ИС, модели ментальных стереотипов пользователя, модель навигационного интерфейса.

Ключевые слова:

мультипредметная ИС, когнитивный пользовательский интерфейс, навигационная структура.

M.G. Shishaev, V.V. Dikovitsky

TECHNOLOGY FOR SYNTHESIS OF ADAPTIVE USER INTERFACES OF MULTISUBJECT INFORMATION SYSTEMS

Abstract

The article describes the technology for synthesis of user interfaces adapted to the user's mental stereotype. Technology is focused on the use within multisubject information systems based on knowledge. The technology is based on formal models proposed by the authors: multisubject IS, model of user's mental stereotypes, model of.

Keywords:

multisubject IS, cognitive user interface, navigation structure.

Введение

В настоящее время широкое распространение получают информационные системы (ИС) обладающие крупными информационными базами и специализированные для удовлетворения информационных потребностей одновременно нескольких различных категорий пользователей. Авторы предложили именовать подобные системы мультипредметными [1]. Для эффективного (в смысле удовлетворения нужд пользователей в быстром доступе к релевантной их запросам информации) функционирования подобных систем очень важно обеспечить адаптацию их пользовательских интерфейсов к особенностям восприятия и интерпретации информации пользователями различных категорий. Такая адаптация должна обеспечить свойство привычности интерфейса, а через это - и его лучшие когнитивные свойства [2].

* Работа выполнена в рамках проекта №2.8 программы фундаментальных исследований ОНИТ РАН «Интеллектуальные информационные технологии, системный анализ и автоматизация», при поддержке РФФИ (грант № 13-07-01016 «Методы динамического синтеза когнитивных интерфейсов мультипредметных информационных систем»).

101

В данной работе предложено формальное определение мультипредметной информационной системы (МПИС) и описана технология синтеза навигационной структуры пользовательского интерфейса систем подобного класса, адаптированного под ментальные стереотипы пользователей. Поскольку в рамках данной статьи обсуждается вопрос организации функционирования ИС, относящихся к категории информационно-поисковых, то есть нацеленных, в первую очередь, на предоставление доступа пользователю к некоторому пулу информации, или информационному ресурсу, то здесь и далее понятие «мультипредметная ИС» отождествляется с понятием «мультипредметный информационный ресурс».

Формальное определение мультипредметного информационного ресурса

На качественном уровне определение мультипредметного ресурса (МПР) таково: МПР - это информационный ресурс, который субъективно полезен, в приблизительно равной степени, для более одной категории пользователей, при этом его полезность для всех прочих категорий существенно ниже.

Пусть U = {и.) - множество категорий пользователей, R = {ri) - множество информационных ресурсов. Определим на их декартовом произведении некоторую функцию, характеризующую полезность ресурса для соответствующей категории пользователей:

f : R х U ^ Ш, где Ш - множество вещественных чисел.

Определим понятие «проблемно-ориентированный информационный ресурс» от обратного. Проблемно-ориентированным будем называть ресурс г, НЕ удовлетворяющий условию «равнополезности» для всех категорий пользователей:

Vu,,uj е U', f(r,иi) * f(r,uj) .

Монопредметным информационным ресурсом будем называть ресурс г, удовлетворяющий условию:

Зиг e U: f (r, иt) >> f (r,u}), Vuy e U,j * i.

Мультипредметным ресурсом будем называть информационный ресурс, удовлетворяющий условию:

з U c U: Vut, Uj eU,f (r, и ) * f (r, иj ) л f (r, и ) >> f (r, uk ), Vuk eU \ U .

Знак приближенного равенства функций может быть определен следующим образом:

f (r, и-) * f (r, uj) «• |f (r, и-) - f (r uj ^ ^ d ,

где d - константа, задающая порог идентичности субъективной полезности ресурса.

Очевидно, что при данных определениях монопредметные и мультипредметные ресурсы относятся к категории проблемно-ориентированных.

102

Модель категории пользователей

В работе [3] предложен подход к определению категории пользователей, основанный на эмпирическом наблюдении о различиях в способах классификации одних и тех же понятий людьми с различными ментальными стереотипами. Формально это различие описывается для каждой категории пользователей множеством идентифицирующих атрибутов понятия предметной области.

Пусть C - некоторое множество понятий, U - множество пользователей. Множество атрибутов концепта с обозначим следующим образом:

A(c) = {а{с)г}, а{с)г е С, i = 1, Nc .

Упорядочив множество атрибутов по убыванию степени их значимости для пользователя и, получим последовательность, характеризующую его представление о данном концепте:

Аи(с) = {au(c)i}, i

1,Nc: au(c),puau(c).

Vi < j,

где

Г -

отношение, задающее значимость атрибутов для пользователя и;

ау>иЪ означает, что «для пользователя и а не менее значим, чем b».

Также можно определить группу пользователей, имеющих схожие представления о понятиях из некоторого множества C. Назовем подобную группу пользовательской категорией k-го порядка на множестве концептов С, и определим ее следующим образом:

Ukc = {и{аи(c).} = {au'(c)i}, i = 1,к,Vc еС, Vu'eUkc} .

Модель навигационного интерфейса

Назначением пользовательского интерфейса ресурса является обеспечение доступа человека к информационным элементам, образующим ресурс. Такой доступ в современных ИС реализуется двумя путями:

1) С помощью поискового механизма, позволяющего выбрать информационные элементы, удовлетворяющие заданным пользователем критериям. Будем называть интерфейс такого типа «поисковым».

2) С помощью некоторой навигационной структуры, реализующей функцию каталога. Назовем такой тип интерфейса «навигационным».

Навигационный интерфейс, как правило, представляет собой некоторую иерархическую структуру, группирующую все множество информационных элементов системы в разделы. Используя подобную структуру, пользователь может удовлетворять собственные информационные потребности, которые слабо определены («меня интересует что-либо похожее на...») или не определены вовсе («какая вообще информация доступна в пределах данного ресурса?»). Опыт использования крупных информационных систем показывает, что чем в большей степени навигационная структура интерфейса соответствует структуре понятий ментальной модели пользователя, тем выше субъективное качество навигации, определяемое затрачиваемым временем на поиск интересующей пользователя информации и релевантностью его результатов [4].

В работе [3] авторами предложен формальный критерий качества навигационной структуры интерфейса. Критерий основан на предположении о

103

том, что чем более значимый для пользователя атрибут используется в качестве классификационного признака для формирования разделов информационных элементов на некотором уровне иерархии навигационной структуры, тем с большей вероятностью пользователь выберет раздел, содержащий интересующий его информационный элемент. В данной работе мы предложим уточненный критерий, учитывающий объективные ограничения размеров разделов навигационной структуры.

Введем следующие обозначения:

Г1 = {G1} - множество разделов /-го уровня навигационной структуры;

G. - i-й раздел информационных элементов /-го уровня навигационной структуры;

Sl = max\Gia - размер максимального (в количестве информационных элементов) раздела l-го уровня;

N1 - общее количество информационных элементов в разделах /-го

уровня;

p : Г1 ^ [0,1] - функция, задающая числовую оценку степени уверенности пользователя в принадлежности некоторого информационного элемента соответствующей группе. Эта уверенность тем выше, чем более точно представляет пользователь потенциальное содержимое группы. В соответствии со сделанным ранее предположением, степень уверенности зависит от используемого при построении Г1 классификационного признака (идентифицирующего атрибута). Тогда, для некоторого фиксированного уровня навигационной структуры, эта функция может быть переопределена следующим образом:

Р : A(c) ^ [0,1].

Равенство функции нулю означает, что пользователь не может строить каких-либо предположений о содержимом разделов соответствующего уровня. Равенство единице, наоборот, подразумевает полную уверенность пользователя в том, что искомый информационный элемент принадлежит тому или иному разделу структуры. Тогда, оценка времени, требуемого для доступа к искомому информационному элементу, в рамках навигационной структуры на /-м уровне для данных предельных случаев будет равна:

tl = 0( N1) при p(a) = 0; tl = 0(Si ) при p(a) = 1.

Таким образом, ожидаемое время доступа транзитивно зависит от используемого для классификации атрибута и является убывающей функцией от р. Если предположить, что эта зависимость линейна, то:

tl (a) = 0(Nl - p(a)(Nl - Sl (a))) .

Тогда оптимальная навигационная структура интерфейса есть решение следующей задачи с ограничениями:

l

min L (N - p(aI)(N - Sl (a1))), Ml < K,

s 1=1

I

104

Здесь l (5) - количество уровней в навигационной структуре s;

Ml - количество разделов структуры на уровне l; а1 - идентификационный атрибут, используемый для построения структуры на уровне l; K - когнитивная константа, определяющая максимальное число одновременно предъявляемых пользователю информационных элементов для их эффективного восприятия; K’ - когнитивная константа, определяющая максимальное число уровней навигационной структуры, в рамках которых поиск информации для пользователя остается комфортным.

Утверждение.

Для любых а, а G Au (c) таких, что i < j справедливо неравенство:

t (а)+1+1 (а) < t (а)+t1+l (а.).

То есть, если для формирования навигационной структуры на верхних уровнях используются более значимые атрибуты, нежели на нижних, то ожидаемое время доступа будет не больше, чем в противном случае.

Справедливость данного утверждения следует из того факта, что

Sl+1 < Nl и p(ai) > р(а.) при i < j, at, aj g Au (c).

Опираясь на данное утверждение можно предложить технологию формирования навигационного интерфейса, близкого к оптимальному в смысле критерия (1), путем последовательного разбиения исходного множества информационных элементов на разделы с использованием убывающих по значимости идентификационных атрибутов.

Технология формирования навигационного интерфейса мультипредметной ИС

Рассматриваемая технология предназначена для использования в интел-лектуализированных мультипредметных информационных системах, имеющих обобщенную структуру, представленную на рис.1 [5].

Исходной информацией для формирования навигационного интерфейса, обладающего свойством когнитивности, являются формализованные модели ментальных стереотипов пользователя (ФММ) и модель предметной области (СМПО). Данные модели формируются в результате семантического индексирования и атрибутирования вновь поступающих в систему информационных элементов (документов) и мониторинга активности пользователя в отношении поиска и использования содержащейся в них информации. Ядра моделей представляют собой взвешенные семантические сети.

На начальном этапе синтеза навигационной структуры осуществляется определение информационной потребности пользователя, которая формально представляется некоторым множеством концептов (понятий предметной области).

105

Рис. 1. Обобщенная структура мультипредметной ИС

Информационная потребность может быть сформулирована пользователем явно, в виде поискового запроса. В этом случае осуществляется выделение из запроса ключевых понятий, которые используются далее для формирования структуры разделов навигационного интерфейса МПИС. Если же поисковый запрос пользователем не представлен, то формирование информационной потребности осуществляется на основании ФММ пользователя, если пользователь идентифицирован, или на основании СМПО, если идентификация пользователя не производилась. В этих случаях во множество концептов, составляющих информационную потребность пользователя, включаются понятия из соответствующих моделей (ФММ или СМПО), имеющие наибольший вес. Далее для каждого концепта, образующего текущую информационную потребность, с учетом ментальных стереотипов пользователя осуществляется синтез навигационной структуры, удовлетворяющей критерию (1). Диаграмма последовательности, описывающая основные процессы, задействованные в процедуре синтеза интерфейса, представлена на рис. 2.

Непосредственно алгоритм синтеза навигационного интерфейса представлен на рис. 3. На каждой итерации алгоритма осуществляется формирование одного уровня навигационной структуры до тех пор, пока не будет достигнута заданная глубина структуры (константа K'). Процедура начинается с формирования интерфейса на базе наиболее значимого идентификационного атрибута. Если в результате максимальный раздел полученной структуры оказывается слишком велик, то осуществляется переход к следующему по значимости идентификационному атрибуту. Если в результате работы алгоритма не удается получить «хорошую» в смысле размера максимального раздела структуру, то осуществляется возврат к наиболее значимому идентификационному атрибуту и разбиение очередного уровня осуществляется на его основе.

106

Рис. 2. Диаграмма последовательности процесса синтеза интерфейса

Кроме контроля глубины навигационной структуры и размера разделов, в рамках алгоритма осуществляется контроль количества разделов одного уровня. Если это количество превышает заданный лимит (когнитивная константа K), то осуществляется агрегация нескольких разделов в один. Агрегация производится таким образом, чтобы полученные в результате разделы имели схожие размеры. Для решения этой задачи используются модификации алгоритмов решения задачи о ранце [6].

Рис. 3. Алгоритм формирования навигационной структуры

107

Заключение

Предложенная в данной работе технология синтеза навигационных структур пользовательских интерфейсов, адаптированных к ментальным стереотипам пользователей, позволяет эффективно организовывать функционирование мультипредметных информационных систем, основанных на знаниях. Формирование навигационной структуры, исходя из принципа наибольшего соответствия ментальной модели пользователя, обеспечивает высокие когнитивные свойства интерфейса.

Литература

1. Диковицкий, В.В. Современные методы создания мультипредметных веб -ресурсов на базе визуализации и обработки формализованной семан -тики / В.В. Диковицкий и др. //Вестник Кольского научного центра РАН. -3/2011.-Апатиты: Изд-во КНЦ РАН. -2011. -С.63-73.

2. Раскин, Д. Интерфейс: новые направления в проектировании компью-терных систем /Д. Раскин.-Пер. с англ.-СПб:Символ-Плюс, 2003. -272с.

3. Шишаев, М.Г. Формализация задачи построения когнитивных пользовательских интерфейсов мультипредметных информационных ресур -сов / М.Г. Шишаев, П.А. Ломов, В.В. Диковицкий // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып.4. -4/2013(17).

- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2013. -С.90-97.

4. Коробейников, П.А. Исследование семантической структуры навигационных интерфейсов типовых веб-ресурсов / П.А. Коробейников, М.Г. Шишаев // Труды Кольского научного центра РАН. Информацион-ные технологии. - Вып. 4. -4/2013(17). - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2013. -С.98-102.

5. Диковицкий, В.В. Технология формирования адаптивных пользователь -ских интерфейсов для мультипредметных информационных систем промышленных предприятий / В.В. Диковицкий, М.Г. Шишаев // Информационные ресурсы России. -2014. -№ 1(137). -С.23-26.

6. Бурков, В.Н. Прикладные задачи теории графов / В.Н. Бурков, И.А. Горгидзе, С.Е. Ловецкий. - Тбилиси: ВЦ АН ГССР. - 1974. - 232с.

7. Шишаев, М.Г. Использование концепции «user as an expert» в разработке мультипредметных веб-ресурсов, основанных на онтологиях / М.Г. Шишаев, П.А. Ломов, В.В. Диковицкий // Труды Института системного анализа РАН: Прикладные проблемы управления макросистемами. -2012.

- Т.62.-С.40-47.

Сведения об авторах

Шишаев Максим Геннадьевич - д.т.н., заведующий лабораторией, е-mail: shishaev@iimm.ru

Maksim G. Shishaev - Dr. of Sci (Tech), head of laboratory

Диковицкий Владимир Витальевич - младший научный сотрудник.

е-mail: dikovitsky @rambler.ru

Vladimir V. Dikovitsky - junior researcher

108