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交互计算与航空航天:马丁博士论文探讨计算机科学在航空航天领域的融合
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更新于2024-06-16
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本篇论文探讨的是"交互计算的概念与工具"在航空航天领域的应用,由爱丽丝·马丁撰写,于2022年11月24日在航空航天高级研究所完成。论文隶属于计算机科学领域,具体聚焦于EDAA(计算机科学)学科,由ENAC-LAB-ENAC研究实验室主导,论文主任是M.Stéphane Conversy和M.Mathieu Magnaudet。作者在论文中呈现了自己作为博士候选人在交互计算方面的研究进展,这是一项结合了计算机科学与航空航天工程的交叉课题。 马丁的研究受到了ENAC交互计算实验室的支持,实验室成员在实验设计、数据收集和理论探讨中提供了关键帮助。论文的评审委员会包括了来自巴黎萨克雷大学的M.Michel Beaudouin-LAFON,INRIA的M.Stéphane HUOT,以及博洛尼亚大学的M.Simone MARTINI,他们在评审过程中提供了专业指导和反馈。此外,论文得到了法国国防创新局的认可,显示了其在军事航天领域的潜在价值。 论文作者特别感谢了主管斯蒂芬·康弗里和马蒂厄·马格瑙代,以及陪审团成员,他们的支持和信任使得这个跨学科项目得以顺利进行。论文的完成不仅提升了作者在计算机科学领域的专业技能,也让她有机会深入了解航空航天领域的实际问题。整篇论文展示了作者对于交互计算如何应用于航空航天实践的深入理解和探索。
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简介
上下文
“Interaction”: a research program in computer
在20世纪90年代,Wegner提出了反对经典算法计算和交互式计算的激进思想[285,
286,287,288,289]。 他在1997年的论文以“交互比算法更强大”的口号而闻
名。有人声称,需要一个新的框架,甚至是一个新的计算范例来解释
当代计算。
人们
认为,当代计算的一个令人感兴趣的特征是系统对外部环境的各种过程作出
反应的能力。
韦格纳
对新范式可能性的思考继承自米尔纳早在1975年就提出的问题[179,
180,181,182]。米尔纳讨论了计算机科学中交互的概念
,并引入了计算
行为和
交互行为之间
的区别。韦格纳
通过假设一种新的范式进一步推动了这一区别。一个
关于互动的研究项目已经出现。 其他口号
也紧随其后,如Bret Victor在2013年
题 为 " 编 程 的 未 来 " 的 会 议 上 提 出 的 " 交 互 , 编 程 的 未 来 " 或 Michel
Beaudouin-Lafon提出的"交互是计算的未来"。
该研究项目仍然活跃的一个原因是,今天,每一个可用的计算设备,从我们手腕
上的智能手表到嵌入在飞机驾驶舱中的复杂计算系统,都涉及到传入的
外部事件
和计算过程之间相互作用的复杂纠缠。对于
Wegner以及各种计算领域的许多专家
来说,这些设备
带来了新的挑战。当代设备展示了一些以前没有的特性
13
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14
引言
它最初是在与计算相关的经典理论框架内表达
的:可计算性理论及其扩展,用作计算的
数学-
矩阵观点的基石。例如,我们可以指出一种被称为"反应式编程"的新编程
范式的显
著出现,根据它的实践者对新概念的呼吁[16,35,114,245,250]。 另一个例子可
以是人机交互(HCI)
社区的观察:交互式软件需要验证新的属性
,严格地说,不
是计算的经典属性,例如, 图形属性-服务[48,86,213]。因此,Wegner的问题
仍然悬而未决:当前的计算系统需要一个新的概念框架来达到什么程度
?这种反
思可以在几个团体中找到,每个团体都从自己的角度
质疑计算机科学的理论基础:
HCI领域[21,22,57,153]、
网络物理系统团体[143,145,146]、计算认识论
[1,
2,82,162]。
值得一提的是,计算是科学与技术、逻辑与工程的问题[284],而这两个维度并不
是同时发展的[182,195,196]。有时,科学理论和模型先于实践,并以特别的方
式被称为实践模型。在这方面,可计算性理论预示着第一台物理计算机的发明
可 计算性理论目前是否启发了实践[75,76]并充分描述了实践是有争议的
。然
而,可计算
性理论回顾起来是一个数学框架,可以把计算看作是一种数学活动。有时
候,实践可能会成为未来:计算机没有等待通信进程运行并具有通信线程在任
何情况下,我们都可以说,计算的历史是在理论与实践或实践与理论之间来回
调整的过程中形成的。在一个方向上而不是在另一个方向上进行调整是计算机科
学中不同程序或议程的特征。
韦格纳的建议是从理论到实践的调整。我们的工作与本研究项目"交互:反思交
互式计算系统的概念和模型"相一致。它并不假装解决这场辩论,而是提出了一
个概念性的"领土地图"和一个解决这一问题的本论文也有一个具体的目标:开发
一种实用的方法来帮助程序员编程
交互系统,并理解
我们所说的
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互动:从什么意义上说?
15
互动
:在什么意义上?
一般定义和范围
自Milner和Wegner以来,交互的概念
在计算相关的学科中有多种用途,从理论计算
机科学到人机交互(HCI)和计算哲学因此,值得从一些明确的尝试开始,然后通
过概念的不同用途来澄清我们的工作。作为第一种方法,让我们看看它的一般定
义,如在字典中找到的:相互作用被定义为"相互作用,或交配从广义上讲,相互
作用是指两个物体之间相互影响的现象,例如,引力。当涉及到交互式计算系统
时,存在耦合程度最强者
耦合是指相互影响的情况。这是一些触觉设备的情况,其中用户与幻影装置
2
)。在最强意义上,耦合可以是双向的。在其他更常见的情况下,应用于计算
系统的交互概念更单向。例如,当用户将草图嵌入到绘图应用程序中(从用户
耦合到计算系统)或当计算系统向用户发送触觉通知(从计算系统耦合到用
户)时。在任何情况下,
因果关系
的一些概念都保证能描述耦合的任何形式。
交互中涉及的是在执行和反馈循环中触发某些效果的某些动作之间的这种协调
是实现系统设计者意图所必需的
我们认为我们的论文属于Hornbaek和Oulasvirta在2017年CHI上发表的《什么
是互动》中最近表达的关于互动的某种观点,并希望我们的论文能在这个方向
上提供一些建议
“The 这篇文章讨论了什么是相互作用。我们首先认为,只有少数人
试图直接定义相互作用的存在。无论如何,我们从文献中提取了
独特
的和高度发展的概念,例如,将交互视为对话、传输、最佳行为、实现
和工具使用。重要的是,这些概念与人类和计算机之间建立因果关系
的不同范围和方式相这影响了它们为实证研究和设计提供信息的能
力。基于这一讨论,我们列出了未来交互工作的愿望,强调了改进的
必要性。
1
https://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/interaction
2
https://fr.3dsystems.com/haptics-devices/3d-systems-phantom-premium
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16
引言
图1:交互式系统示例:绘图应用程序
范围和特异性,以更好地解释计算机在交互中所具有的效果和能动
性,并产生关于交互的强有力的命题。(The粗体字符为熊。)
为了克服前面引文中提到的混乱,让我们首先解释
交互式计算系统指的是什
么,
以及在什么上下文中使用这个概念
从历史上看,计算系统最初被
认为是执行
母计算的、封闭的和
变换的
系统,负责将一系列指令作为输入进行一步一步的
变换,而不中断,直到产生输出结果[114,151,152,168,182,183,184]。
要理解交互式计算系统与变革性计算系统的区别,请考虑这个简单的例子:智
能手机上的绘图应用程序。这并不意味着这个例子涵盖了每一个感兴趣的互动
场景和每一个可能的耦合程度然而,我们选择它是为了简单,也是因为这种互
动已经变
得
无处不在。当一个人触摸屏幕并在上面移动手指时,应用程序会画出
一条线,厚度取决于施加在屏幕上的压力释放压力后,绘图可作为对象进行交
互。 如果用户双击屏幕,则会擦除绘图,如图1所示。
简单地说,这个例子揭示了一些有趣的现象:
•
一个物理事件触发了绘画。因此,物理过程和计算过程之间存在因果关
系。
•
绘图的一个属性(线的厚度)完全依赖于
据
估计,全球有6,6亿智能手机用户。 请参阅https:
//www.bankmycell.com/blog/how-many-phones-are-in-the-world
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互动:从什么意义上说?
17
在手指的压力下,使计算过程响应于物理事件的结构。
•
在执行过程中,绘图成为用户界面上的新对象,可以与之交互。换句话
说,输出的产生是动态的(不需要等待执行的完成),输出本身可以成为
后续操作的新
•
双击行为涉及测量已经过了的时间--两次点击。
不像一个变换计算系统,一个交互式计算系统,它在时间上降低物理现象之间
的反应。计算的结果不再意味着有限的执行。相反,一个交互式系统在一个没
有最终结果的执行循环上连接。换句话说,它是一
个系统,它在一段时间内监视
进程之间的预定义数量的可能耦合,包括系统外部的进程。一旦
启动了预定计算的执
行,转换母系统就无法对任何操作做出反应。
即使从历史上看,计算的概念已经被用作计算机科学的理论框架,但实际上,
计算系统本身只在很
短
的时间内保持了纯粹的转换。它们非常快速地呈现了用
户和机器之间交互的属性或模式,使它们具有基本的交互维度。例如,早在20
世纪60年代,就需要控制和形式化并行运行的机器过程,同时使它们相互通信
和同步的挑战也越来越大。至于用户和机器之间的交互模式
,人们可以想到
早在20世
纪60年代就伴随着函数式和命令式编程的读取-评估-打印循环(REPL)环境。
因此,计算系统的交互维度与新的维度相去甚远,并且已经随着越来越丰富的
属
性而发展,从竞争进程之间的通信
到我们目前所知的人与系统之间的多模式交互
的可能性。任何有用的计算系统对各种输入事件的反应服务器请求/响应、来自
键盘、鼠标、触摸
屏的外围输入)。有时,交互式系统通过图形用户
界面为用户实
现,这些界面构成了熟悉的示例。然而,正如HCI社区的研究人员所强调的,相
互作用是一种广泛的现象,不能简化为界面。
[4
]关于最初的Lisp语言实现,请参见[32,79])。读取-评估-打印循环(REPL)是一种交互
式计算机编程环境。它接受单个用户输入,执行这些输入,并将结果返回给用户。该术语通常
指类似于经典Lisp机器交互环境的编程接口。
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