ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ НАСТРОЙКИ СЦЕНАРИЕВ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ ЗДАНИЯМИ

Введение


Мы живем в век цифровизации и термин «Индустрия 4.0» уже ни для кого не является секретом. За последние годы наша жизнь претерпела значительные изменения благодаря понятию Интернета вещей (IoT – Internet of Things) –

глобальной инфраструктуре информационного общества, позволяющей предоставлять передовые услуги путем объединения физических и виртуальных вещей в единую сеть [1].

В наши дни дома, офисы, аэропорты и даже целые города стали «умными», что подразумевает их оснащенность интегрированными инженерными системами, автоматизирующими процессы управления. Для управления интеллектуальными зданиями необходимы модули информационных систем, которые функционируют на основе созданных человеком сценариев.

На сегодняшний день вопрос настройки сценариев очень актуален. На рынке есть много продуктов для управления «умными» вещами. Однако, ни один из них не обладает возможностью настройки на предметную область. Работа с такими инструментами требует специфических знаний и не позволяет неподготовленному пользователю просто и быстро настраивать сценарии управления [2].

Кроме того, важно отметить, что в целом все интеллектуальные здания управляются одинаково. Отличие заключается в том, что для разных типов интеллектуальных зданий используется различная терминология, так как они включают разные «умные» объекты и связи между ними. Но на рынке не было найдено инструментов, позволяющих настраивать сценарии управления различными интеллектуальными зданиями в рамках одного приложения. Это существенно затрудняет работу пользователей, одновременно настраивающих сценарии управления несколькими типами интеллектуальных зданий.

Такая ситуация противоречит основам человеко-компьютерного взаимодействия (HCI – Human Computer Interaction) [3] и человеко-центричного

дизайна (HCD – Human Centered Design). Человеко-центричный дизайн предполагает создание продукта, ориентированного на человека и его потребности, возможности и ограничения. Основной целью такого подхода выступает удобство использования (usability) и формирование положительного опыта пользователя (user experience) [4].


5

Участие в международном финансово-техническом хакатоне (FinTech Hackathon 2019), проводимом инновационной школой Talent Garden в г. Вена, Австрия, позволило осмыслить перспективность продуктов, ориентированных на пользователя. В рамках хакатона проводились образовательные мастер-классы и презентации успешных людей из сферы интернет-банкинга и ИТ-технологий.

Большинство спикеров говорили о растущем спросе на человеко-ориентированные ИТ-продукты и нехватке качественных решений. На одной из презентаций представитель инновационного отдела Райффайзен банка четко определила, от чего зависит успех выпускаемых ИТ-продуктов. По ее мнению, продукты, ориентированные на пользователя, имеют в десять раз больше шансов на успех, чем ИТ-продукты, разработанные традиционными методами.

Для преодоления существующего разрыва необходимо разработать универсальный модуль настройки сценариев, который позволит интегрировать онтологические модели различных предметных областей (домов, офисов, аэропортов и др.) в процесс создания сценариев управления и позволит настраиваться на конкретную предметную область путем извлечения понятий из онтологической модели. При этом при разработке дизайна продукта особо важно уделить большое внимание пользователю как центральной фигуре.

Таким образом, объектом исследования выступают интеллектуальные здания.

Предмет исследования – модуль настройки сценариев для системы управления интеллектуальными зданиями.

Целью данной работы является проектирование универсального модуля настройки сценариев для системы управления интеллектуальными зданиями, ориентированного на потребности пользователя и настраивающегося на конкретную предметную область.

Для достижения цели были определены следующие задачи:

Изучить предметные области интеллектуальных зданий: домов, офисов, производств, отелей и др.


Изучить существующие редакторы и модули настройки сценариев управления.





6

Сформулировать функциональные требования к модулю настройки сценариев.


Описать метод онтологического моделирования как способ настройки на предметную область.

Построить онтологическую модель сценария управления.


Построить онтологическую модель интеллектуальных зданий.


Написать SPARQL-запросы для извлечения понятий из онтологической модели и настройки модуля на предметную область.


Сформулировать нефункциональные требования к модулю настройки сценариев, используя методы человеко-центричного подхода. Спроектировать пользовательский интерфейс модуля.


Определить способ хранения сценариев и пользовательских данных. Разработать прототип модуля настройки сценариев для системы управления интеллектуальными зданиями.

Протестировать разработанный прототип модуля настройки сценариев.


Для реализации поставленных задач были определены методы работы.

В данной работе используются несколько общих методов, таких как анализ, описание и аналогия. Эти методы применяются при обзоре литературы, анализе существующих систем и выявлении функциональных требований.

Разработка нефункциональных требований основана на человеко-центричном подходе, с использованием таких методов как наблюдение, интервьюирование, опрос.

Непосредственное проектирование модуля настройки сценариев базируется на онтологическом моделировании в сочетании с методами человеко-центричного подхода: прототипирование и пользовательское тестирование.

Оглавление


Введение 5

Глава 1 Анализ предметной области 8

1.1 Описание объекта исследования 8

1.2 Назначение модуля настройки сценариев 11

1.3 Степень разработанности данной проблемы 12

1.4 Обзор существующих систем 15

1.5 Функциональные требования к модулю настройки сценариев 25

Глава 2 Применение онтологического моделирования для кастомизации модуля

настройки сценариев 27

2.1 Описание метода настройки на предметную область 27

2.2 Разработка онтологической модели сценария управления 27

2.3 Разработка онтологической модели интеллектуальных зданий 29

2.4 Написание SPARQL запросов для кастомизации модуля настройки

сценариев 33

Глава 3 Разработка требований, обеспечивающих удобство использования и

эргономичность модуля настройки сценариев 40

3.1 Основы человеко-центричного подхода 40

3.2 Этический анализ проектируемого модуля настройки сценариев 44

3.3 Интервьюирование 46

3.4 Персона и контекстный сценарий 50

3.5 Требования к удобству использования и эргономичности модуля настройки

сценариев 54

Глава 4 Проектирование модуля настройки сценариев 55

4.1 Создание сценария ключевого пути модуля настройки сценариев 55

4.2 Выбор формата хранения данных 61

4.3 Разработка графического дизайна 66

Глава 5 Прототипирование и тестирование модуля настройки сценариев 71

5.1 Выбор инструмента для прототипирования модуля настройки сценариев . 71

5.2 Создание первой версии цифрового прототипа модуля 78

5.3 Разработка плана тестирования функций ключевого пути 83

5.4 Анализ результатов пользовательского тестирования 85

5.5 Доработка прототипа модуля настройки сценариев 96

5.6 Оценка результатов работы и перспективы развития 100



3

Заключение 103

Список использованных источников 106

Приложение А Диаграмма последовательности 111

Приложение Б XML Schema 113

Приложение В Пример XML документа 114

Приложение Г Инструкция к тестированию прототипа 115

Приложение Д Результаты пользовательского тестирования 117

Приложение Е Техническое задание 124

Приложение Ж Руководство пользователя 134

Добрый день! Уважаемые студенты, Вашему вниманию представляется дипломная работа на тему: «ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ НАСТРОЙКИ СЦЕНАРИЕВ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ ЗДАНИЯМИ»

Список использованных источников


ITU [Электронный ресурс] // ITU-T Recommendation database. URL:


http://handle.itu.int/11.1002/1000/11559 (дата обращения: 12.10.19).

Earnshaw R.A., De Silva M., Excell P. S. Ten Unsolved Problems with the Internet of Things // 2015 Int. Conf. on Cyberworlds (CW). 2015. P. 1–7. Teeni D., Carey J., Zhang P. Human computer interaction: developing


effective organizational information systems. Hoboken: John Wiley & Sons, 2007.

Patterson R. E. Intuitive Cognition and Models of Human-Automation Interaction // Human Factors. 2017. vol. 59. no. 1. PP. 101–115.


Lee I., Lee K. The Internet of Things (IoT): Applications, investments, and challenges for enterprises // Business Horizons. 2015. vol. 58. no. 4. P. 431–440.


Perera C., Liu C. H., Jayawardena S. The Emerging Internet Of Things Marketplace From An Industrial Perspective: A Survey // IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing. 2015. vol. 3. no. 4. P. 585–598.


Coronato A., De Pietro G., Esposito M. A Semantic Context Service for Smart Offices // 2006 Int. Conf. on Hybrid Inform. Tech. 2006. P. 391–399.


Викентьева О. Л., Кычкин А. В., Дерябин А. И., Шестакова Л. В. Архитектура сетевого управляющего комплекса здания на базе IoT устройств // Датчики и системы. 2018. № 5. С. 32–38.


Агеева Д. Ю. Использование онтологического моделирования при разработке прототипа редактора правил для IOT // Математика и междисциплинарные исследования. 2019 [Электронный ресурс]: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых с междунар. участием. / гл. ред. А. П. Шкарапута; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Пермь,

2019, с. 19–23. Режим доступа:

http://www.psu.ru/files/docs/science/books/sborniki/mmi2019.pdf.

Кычкин А. В., Дерябин А. И., Викентьева О. Л., Шестакова Л. В. Проектирование IoT-платформы для управления энергоресурсами интеллектуальных зданий // Прикладная информатика. 2018. Т. 13. № 4.

С. 29–41.


106

Byun J., Kim S. H., Kim D. Lilliput: Ontology-Based Platform for IoT Social Networks // 2014 IEEE International Conference on Services Computing. 2014. P. 139–146.

Hype Cycle for Emerging Technologies [Электронный ресурс] // Gartner Research. 2017. URL: https://www.gartner.com/en/documents/3768572 (дата обращения: 12.10.19).

Seydoux N., Drira K., Hernandez N., Monteil K. IoT-O, a Core-Domain IoT Ontology to Represent Connected Devices Networks // Lecture Notes in Computer Science Knowledge Engineering and Knowledge Management. 2016. P. 561–576.

Top 10 strategic technology trends for 2020 [Электронный ресурс] // Gartner Research. 2017. URL: https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology-trends-for-2020/ (дата обращения: 12.10.19).

Norman D. A. The design of everyday things. New York: Basic Books, 2013.

Cooper A., Reimann R., Cronin D., Noessel C., Csizmadi J., LeMoine D. About face: the essentials of interaction design. 4th ed. Indiana: John Wiley & Sons, Inc., 2004.

Schlenoff C., Prestes E., Madhavan R., Goncalves P., Li H., Balakirsky S., Kramer T., Miguelanez E. An IEEE standard ontology for robotics and automation // Proc. 2012 IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots and Syst. 2012. P. 1337–1342.

Barthelemy M., Chow E., Eliassi-Rad T. Knowledge Representation Issues in Semantic Graphs for Relationship Detection // AAAI Spring Symp.: AI Tech. for Homeland Security. 2005.

Ehrlinger L., Wöß W. Towards a definition of knowledge graphs // Joint Proc. Posters and Demos Track 12th Int. Conf. Semantic Syst. vol. 1695. Leipzig: CEUR-WS.org., 2016. P. 13–14.

Wang S., Hou Y., Gao F. Ontology-Based Resource Description Model for Internet of Things // 2016 International Conference on Cyber-Enabled Distributed Computing and Knowledge Discovery. 2016. P. 105–108.







107

Ryabinin K.V., Chuprina S.I., Bortnikov A.Yu. Automated adaptation of scientific visualization systems to the specifics of various data sources // Nauchn. vizualizatsiya. 2016. vol. 8. no. 4. P. 1–14.

Ryabinin K., Chuprina S., Kolesnik M. Calibration and Monitoring of IoT Devices by Means of Embedded Scientific Visualization Tools // Shi Y. et al. (eds) Computational Science – ICCS 2018. ICCS 2018. Lecture Notes in Computer Science. vol 10861. Cham: Springer, 2018.

SciVi Tools [Электронный ресурс] // Advanced scientific visualization and visual analytics. URL: https://scivi.tools/ (дата обращения: 20.09.19).

Ryabinin K., Chuprina S. Using Scientific Visualization Systems to Automate Monitoring of Data Generated by Lightweight Programmable Electronic Devices // Programming and Computer Software. 2018. P. 278–285.

Shalyaeva I., Lyadova L., Lanin V. Ontology-Driven System for Monitoring Global Processes on Basis of Internet News // 11th IEEE Int. Conf. Applicat. of Inform. and Commun. Tech., Proc. AICT Conf. vol. 2. M.: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017. P. 385–389.

Korotaev A., Lyadova L. Method for the Development of Recommendation Systems, Customizable to Domains, with Deep GRU Network // Proc. 10th Int. Joint Conf. Knowl. Discovery, Knowl. Eng. and Knowl. Manage. Portugal: Lda., 2018. P. 231–236.

Сухов А. О., Лядова Л. Н., Замятина Е. Б. Интеграция систем моделирования на основе DSM-платформы с использованием онтологий // В кн.: Открытые семантические технологии проектирования интеллектуальных систем. Мн.: БГУИР, 2014. С. 375-380.

Hall D. L., Hall C. M., McMullen S. A. 20 Perspectives on the Human Side of Data Fusion: Prospects for Improved Effectiveness Using Advanced Human-Computer Interfaces // Handbook of multisensor data fusion: theory and practice. CRC Press, 2017. P. 537–548.

ThingsBoard Documentation [Электронный ресурс] // ThingsBoard. URL:

https://bit.ly/2J8xcSU (дата обращения: 10.01.20).








108

IoT-Ignite Rule Editor [Электронный ресурс] // IoT Iignite Devzone. URL:

https://devzone.iot-ignite.com/knowledge-base/iot-ignite-rule-editor/ (дата обращения: 10.01.20).

EMS Insyte [Электронный ресурс] // Insyte. URL: https://www.insyte.ru/


(дата обращения: 10.01.20).

Mi Home настройка сценариев автоматизации [Электронный ресурс] // Умный дом Xiaomi. URL: https://xiaomi-smarthome.ru/mi-home-nastrojka-stsenariev-avtomatizatsii/ (дата обращения: 10.01.20).


Среда программирования Blockly [Электронный ресурс] // Blockly.Ru. URL: http://blockly.ru/code/index.html?lang=ru (дата обращения: 10.01.20). 10 Usability Heuristics for User Interface Design [Электронный ресурс] // Nielsen Norman Group. URL: https://www.nngroup.com/articles/ten-usability-heuristics/ (дата обращения: 10.01.2020).

Eysenck M. W., Keane M. T. Cognitive psychology: a student’s handbook.


Oxon: Routledge, 2020.

Hassenzahl M. Experience design: technology for all the right reasons.


San Rafael, CA: Morgan & Claypool Publishers, 2010.

Anderson S. P. Seductive interaction design: creating playful, fun, and


effective user experiences. Berkeley, CA: New Riders, 2011.

Brown D. Agile user experience design: a practitioner’s guide to making it


work.1st ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufmann, 2012.

Rubin J., Chisnell D. Handbook of usability testing: how to plan, design, and


conduct effective tests. 2nd ed. Indiana: John Wiley & Sons, Inc., 2008.

What Is a Relational Database? [Электронный ресурс] // Oracle. URL:


https://www.oracle.com/database/what-is-a-relational-database/ (дата обращения: 11.02.20).

Нереляционные данные и базы данных NoSQL [Электронный ресурс] // Microsoft. URL: https://docs.microsoft.com/ru-ru/azure/architecture/data-guide/big-data/non-relational-data (дата обращения: 11.02.20).


XML [Электронный ресурс] // Microsoft Office. URL. https://support.office.com/en-us/article/xml-for-the-uninitiated-a87d234d-






109

4c2e-4409-9cbc-45e4eb857d44?ui=en-US&rs=en-US&ad=US (дата обращения: 11.02.20).

Color Vision Deficiency [Электронный ресурс] // U.S. National Library of Medicine. URL: https://ghr.nlm.nih.gov/condition/color-vision-deficiency (дата обращения: 20.02.20).


Color Blindness [Электронный реусурс] // National Eye Institute. URL: https://www.nei.nih.gov/learn-about-eye-health/eye-conditions-and-diseases/color-blindness (дата обращения: 20.02.20).


Balsamiq Wireframes [Электронный ресурс] // Quick and Easy Wireframing Tool. URL: https://balsamiq.com/wireframes/ (дата обращения: 03.03.2020). The best products start with Sketch [Электронный ресурс] // Sketch. URL: https://www.sketch.com/ (дата обращения: 03.03.2020).


Rapid prototyping, testing and handoff for modern design teams [Электронный ресурс] // Marvel. URL: https://marvelapp.com/ (дата обращения: 03.03.2020).

Let’s XD together [Электронный ресурс] // Adobe. URL:


https://www.adobe.com/ru/products/xd.html (дата обращения: 03.03.2020).