汽車公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計研究

陳啟祥, 王 杰

(湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

汽車公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計研究

陳啟祥, 王 杰

(湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

以新能源汽車的快速增長與現(xiàn)階段用戶充電難之間的矛盾為出發(fā)點，結(jié)合“物聯(lián)網(wǎng)”概念、認知資源模型的引入、交互設(shè)計及人機系統(tǒng)設(shè)計方法，研究構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)背景下公共充電樁系統(tǒng)的基本框架及信息交互模型，對公共充電樁系統(tǒng)設(shè)計未來的發(fā)展方向提供了可行性參考。

新能源汽車； 公共充電樁； 系統(tǒng)設(shè)計； 交互設(shè)計

針對新能源車主高速的生活節(jié)奏和相對落后的公共充電樁系統(tǒng)設(shè)計的矛盾，文獻[1]借助Net Micro Framework技術(shù)設(shè)計了新能源車充電樁控制系統(tǒng)，文獻[2]提供了基于STM32F107VCT6微控制器對新能源汽車充電樁系統(tǒng)的控制解決方案，文獻[3]設(shè)計了一種用于電動車等移動設(shè)備的充電控制系統(tǒng)，用來對于蓄電池充電保護與對電量狀態(tài)的提醒，文獻[4]實現(xiàn)了以STM32處理器為核心的控制系統(tǒng)在充電過程中對充電樁充電電流和充電狀態(tài)實時采集等功能。上述研究對于新能源車充電設(shè)備的研發(fā)設(shè)計提供了良好的指導(dǎo)建議，然而充電設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化運行要求充電樁低成本、易維護、智能化，用戶使用的過程中則對充電樁的信息化、高效化、人性化等提出了更高的要求。

1 物聯(lián)網(wǎng)時代交互的特征

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)是新一代智能網(wǎng)絡(luò)，它旨在實現(xiàn)物理世界中情景感知、 信息處理和反饋控制這一過程。其目的是通過信息交互的形式，將物理情境中的物與物、人與物之間有效關(guān)聯(lián)，且關(guān)聯(lián)的過程中不受時間、地點的約束，以縮短信息系統(tǒng)與物理世界間的距離。

2 系統(tǒng)交互的技術(shù)支持

讓物體擁有“智慧”是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的價值所在。其組成分為三個部分：情景感知，即實現(xiàn)對“物”的識別，主要技術(shù)應(yīng)用為無線射頻(RFID)、傳感器、二維碼等；傳輸網(wǎng)絡(luò)，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，主要技術(shù)應(yīng)用為互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等；智能處理，即實現(xiàn)對“物”的自動控制，智能管理，服務(wù)升級，主要技術(shù)應(yīng)用為數(shù)據(jù)挖掘、云計算、中間件等，詳見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)背景下公共充電樁交互設(shè)計的技術(shù)支持

3 系統(tǒng)交互設(shè)計流程

人機交互過程中，用戶認知負荷主要是由系統(tǒng)交互流程和有效信息的處理兩個因素決定的。在公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計過程中，引入分布式認知理論資源模型和運用通用可用性設(shè)計方法來優(yōu)化這兩個關(guān)鍵因素。

3.1交互信息結(jié)構(gòu)確立

分布式認知理論資源模型的構(gòu)建是為了描述信息資源與用戶行為之間的交互關(guān)系(圖1)。物聯(lián)網(wǎng)背景下充電樁系統(tǒng)信息交互的主要特征是自主、多通道、全方面信息傳遞，用戶可以隨時隨地完成交互任務(wù)。將物聯(lián)網(wǎng)引入資源模型中，整合環(huán)境、歷史、供給等認知元素，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，簡化信息交互流程，從而降低用戶的認知負荷。

圖 1 交互模型的信息結(jié)構(gòu)圖

圖 2 目標匹配與優(yōu)化策略

圖 3 信息獲取與交互動作指導(dǎo)

3.2交互策略制定

缺乏分布式認知收斂機制和模糊的交互策略定

義，是人機交互研究中傳統(tǒng)資源模型的主要問題。智能處理技術(shù)使認知收斂得以實現(xiàn)。通過研究公共充電樁系統(tǒng)設(shè)計所需考慮的交互流程，實現(xiàn)交互策略的明確定義。

3.2.1目標匹配與優(yōu)化目標匹配策略是資源模型中對目標最基本的處理，存在于執(zhí)行任務(wù)的任意階段。引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)元素描述目標匹配與優(yōu)化策略的交互過程見圖2。在這一動態(tài)的過程中，依靠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的感知技術(shù)、傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能處理技術(shù)來獲取各節(jié)點狀態(tài)變化，完成目標的匹配。當目標匹配不一致，系統(tǒng)資源重新評估，調(diào)整反饋到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及目標，用戶根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和自己認知能力的分析，調(diào)整匹配方案，實現(xiàn)系統(tǒng)資源與用戶目標的正確匹配。

3.2.2物聯(lián)網(wǎng)信息獲取與交互動作指導(dǎo)用戶在確定下一步可能采取的交互動作時，需要對公共充電樁當前的物理環(huán)境、使用狀態(tài)等信息做出正確的推理和判斷。高效完成交互任務(wù)的關(guān)鍵點在于人機交互動作契合度的高低(圖3)。用戶根據(jù)自身知識，經(jīng)驗以及對所處情景的了解去匹配物聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點狀態(tài)的感知處理結(jié)果。與用戶預(yù)期一致，服務(wù)系統(tǒng)指導(dǎo)下一步可能性操作，直至目標完成。一旦與預(yù)期不符，服務(wù)系統(tǒng)終止交互指導(dǎo)，并重新評估、更新、反饋給用戶及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，指導(dǎo)用戶目標的重置和物聯(lián)網(wǎng)體系可用信息重獲取，直至實現(xiàn)目標。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，資源模型在公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索階段，人機交互特征的結(jié)合，資源模型中元素關(guān)聯(lián)性整合，交互策略的制定，對于研究公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計的方法具有創(chuàng)新意義。

3.3任務(wù)需求分析與設(shè)計原則

運用通用可用性設(shè)計的方法建立信息交互設(shè)計矩陣來體現(xiàn)設(shè)計過程中的關(guān)注點(表2)，針對用戶活動和系統(tǒng)自控特征中需要考慮的問題制定設(shè)計原則。

表2 任務(wù)需求通用設(shè)計矩陣

3.3.1全面感知性將現(xiàn)有公共充電樁的基本信息，以特定的方式轉(zhuǎn)化成虛擬與現(xiàn)實空間的一部分。用戶通過物聯(lián)網(wǎng)可對感知到的信息進行接收、拓展、分享、創(chuàng)新，增強對公共充電樁的信息獲取速率及利用。物聯(lián)網(wǎng)背景下的用戶可以用拓展的感知——看更遠的空間，感受更復(fù)雜的物質(zhì)。

3.3.2實時傳遞性公共充電樁的使用是過程性活動，受到時間、地點等因子的約束。物聯(lián)網(wǎng)背景下信息技術(shù)與新媒體技術(shù)的介入使得用戶在與感應(yīng)器和互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)成的信息空間交互過程中能夠?qū)崟r獲取信息并進行多方面的交流，這也使公共充電樁系統(tǒng)設(shè)計時信息傳達模式不再受限于時間、地點等固定因子的影響。

3.3.3智能處理性物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中遠程信息處理技術(shù)解構(gòu)與重組公共充電樁的有效信息，建立一個龐大的信息空間，生成特定的網(wǎng)絡(luò)，增加信息延展的可能性，實現(xiàn)虛擬信息數(shù)據(jù)對物理空間的高效率、智能化控制。

3.3.4交互一次性任何一個工具都應(yīng)幫助用戶以最高效的方法去完成它的任務(wù)，這是工具的目的和使命。最高效的方法就是用最短的時間去完成任務(wù)，也就是說一旦用戶完成了它的任務(wù)，它就不會停留在產(chǎn)品里面而是去做別的事情，這就是一次性交互設(shè)計的含義。

3.3.5交互相關(guān)性拋棄統(tǒng)一時空、統(tǒng)一文化的使用體驗，將多種信息進行優(yōu)化整合并通過終端傳遞到用戶個體，使物聯(lián)網(wǎng)下公共充電樁的使用體驗更多是圍繞用戶獨特性、多維層次的各自感知。因此在物物相連網(wǎng)絡(luò)中將不同種類的感知合理劃分，并借助媒介手段為用戶提供多類型、多層次、全方面的服務(wù)也是公共充電樁系統(tǒng)設(shè)計的重點所在。

3.4物聯(lián)網(wǎng)體系框架結(jié)構(gòu)

公共充電樁系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架是一個分層的、開放的、可擴展的框架結(jié)構(gòu)，目的是為了實現(xiàn)擁有較強異構(gòu)性感知環(huán)節(jié)中異構(gòu)信息之間的互聯(lián)、互通與互操作。其基本框架見圖4。圖中描述的是一個自下而上的分層體系，分層框架的一個最大特點是用戶通過各種感知網(wǎng)絡(luò)在最靠近的地方形成無所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中輕松使用各種服務(wù)，并依托互聯(lián)網(wǎng)、云計算等公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，為用戶提供達成目標最優(yōu)化的信息要素，降低用戶的認知難度，極大節(jié)約時間成本。

圖 4 公共充電樁系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)體系基本構(gòu)架

3.5物聯(lián)網(wǎng)背景下公共充電樁系統(tǒng)交互模型設(shè)計

根據(jù)任務(wù)需求分析，確定了在與公共充電樁系統(tǒng)發(fā)生交互動作的過程中系統(tǒng)信息容量、系統(tǒng)響應(yīng)時間、交互步驟和物理情境是影響用戶認知負荷的主要因素，制定了系統(tǒng)設(shè)計的原則。與各個子任務(wù)進行信息匹配與任務(wù)指導(dǎo)，明確了人機交互過程的具體流程。建立物聯(lián)網(wǎng)在公共充電樁系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化系統(tǒng)交互的信息量以及物物相連的可控系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)背景下公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計的總體架構(gòu)(圖5)。

圖 5 物聯(lián)網(wǎng)背景下公共充電樁系統(tǒng)交互模型設(shè)計

系統(tǒng)模型中，公共充電樁系統(tǒng)通過感應(yīng)設(shè)備采集公共充電樁的狀態(tài)、位置以及物理環(huán)境、電網(wǎng)信息等數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺處理，用戶通過接受云平臺處理過的信息，來與充電樁進行交互行為。在整個過程中，對用戶而言，當用戶了解到公共充電樁位置、路況信息、充電樁使用狀態(tài)、排隊人數(shù)、收費信息時，用戶可以選擇最高效的方式來進行公用充電樁的選取，當用戶導(dǎo)航前往時，其他公共充電樁將不再與用戶發(fā)生信息交互，避免冗雜信息堆積。進行充電時，公共充電樁系統(tǒng)預(yù)估充電時長，實時監(jiān)控，跳槍報警，充電完成提醒，公共休閑娛樂信息提示等，有效提升用戶充電過程中的服務(wù)體驗。對于公共充電樁系統(tǒng)而言，通過感應(yīng)器采集用戶車輛型號、電池容量、充電效率、充電樁狀態(tài)、充電樁充電效率、物理環(huán)境等信息，經(jīng)數(shù)據(jù)加密處理，能更好地掌握充電樁的運行狀態(tài)，高效完成電樁維修保養(yǎng)，為設(shè)計更好的優(yōu)化公用充電樁系統(tǒng)方案提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入用戶認知資源模型中，探索降低用戶認知難度來達到用戶使用的高效性，同時制定交互策略指導(dǎo)用戶認知過程中交互信息的匹配以及交互動作的可行性指導(dǎo)，運用通用性設(shè)計法則建立信息交互矩陣分析用戶與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的關(guān)鍵點，并以此為基礎(chǔ)，建立了公共充電樁系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)體系基本構(gòu)架以及物聯(lián)網(wǎng)背景下公共充電樁系統(tǒng)交互模型的設(shè)計，為公共服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，相信未來公共充電樁系統(tǒng)交互設(shè)計更加人性化，交互方式更加多元化，以適應(yīng)現(xiàn)代城市的高速發(fā)展，以及用戶群體個性化需求。

[1] 陳杰，李建祥，劉海波，等．基于.Net Micro Framework的電動汽車充電樁控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]．微計算機信息，2012，28(9):67-68．

[2] 魏國，商慧杰，朱春波，等．電動汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計[J]．計算機測量與控制，2016，24(3):124-126.

[3] 邢蘇，周國平，何碧漪，等.一種新型高精度充電樁系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2016，24(3):190-192.

[4] 徐坤，周子昂，吳定允，等.計算機測量與控制[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，27(3):47-52.

[責任編校：張巖芳]

TheInteractiveDesignofVehiclePublicChargingPileSystem

CHEN Qixiang, WANG Jie

(SchoolofIndustrialDesign,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on the concept of “Internet of Things”, the introduction of cognitive model, the interactive design and the design method of man-machines system, the paper constructs the basic framework and information interaction model of the public charging pile system in the context of “Internet of Things”, which provide a feasible reference for the future development direction of the public charging pile system.

the new energy vehicles, public charging pile, system design, interaction design

2017-02-15

陳啟祥(1966-)， 男， 湖北漢川人，湖北工業(yè)大學(xué)教授, 研究方向為數(shù)字媒體及交互設(shè)計

1003-4684(2017)05-0073-04

TB18

A