基于用戶體驗(yàn)的智能裝備人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

馬超民，趙丹華,辛 灝

(湖南大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410082)

1 問題的提出

機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的深度融合使當(dāng)代的信息通信技術(shù)和人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術(shù)取得的長足進(jìn)步，推動了新的產(chǎn)業(yè)革命到來。德國率先提出工業(yè)4.0的全新概念，美國提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念，我國在2015年5月正式印發(fā)《中國制造2025》，推動智能制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。在工業(yè)制造領(lǐng)域的全面信息化基礎(chǔ)上,“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”是這次產(chǎn)業(yè)革命的主題,也是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展方向，前者推動了網(wǎng)絡(luò)化制造概念形成，而后者則在網(wǎng)絡(luò)化制造的概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成了智能制造的理念[1]。智能制造是工業(yè)化生產(chǎn)整體模式升級的新階段，智能制造的架構(gòu)包含狀態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行等環(huán)節(jié)(如圖1)，這既需要先進(jìn)技術(shù)提供軟硬件支撐，同時也需要對用戶參與的人機(jī)交互過程以及使用體驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。新的環(huán)境給制造領(lǐng)域的相關(guān)裝備設(shè)計(jì)研發(fā)提出了全新的要求和挑戰(zhàn)，本文將對專業(yè)制造領(lǐng)域中智能化產(chǎn)品的人機(jī)交互系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)方法展開研究和探討。

2 復(fù)雜系統(tǒng)與人機(jī)交互

2.1 復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

復(fù)雜系統(tǒng)是指具有來自不同標(biāo)度層次變量的結(jié)構(gòu)，或者指相互之間有差別的單元構(gòu)成的動態(tài)系統(tǒng)[2]。普通民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域的大量裝備都需要通過復(fù)雜系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制。特殊軍用復(fù)雜系統(tǒng)主要有航天、航海、航空及現(xiàn)代化戰(zhàn)場指揮監(jiān)控等系統(tǒng)；普通民用復(fù)雜系統(tǒng)主要指交通工具、核電控制、生產(chǎn)制造、特種裝備等方面的操控系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)操作一般要求用戶具備較好的專業(yè)技術(shù)能力，熟練操作系統(tǒng)通常需要經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)和豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，否則極易造成工作失誤、系統(tǒng)故障或系統(tǒng)崩潰，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故。復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互研究始于二戰(zhàn)時期航空領(lǐng)域中人們對飛機(jī)操作安全性和正確性等相關(guān)問題研究，研究主要目的是期望通過減少飛行器操控方面存在的設(shè)計(jì)缺陷，保障飛行安全。Scott等[3]總結(jié)了差錯產(chǎn)生的機(jī)理；Shappell等[4]對人為錯誤導(dǎo)致的事故進(jìn)行了分析；Sellala等[5]提出了人為錯誤的預(yù)防方法模型。以上研究成果促進(jìn)了復(fù)雜系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的形成。與消費(fèi)類產(chǎn)品的人機(jī)交互不同的是，復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互通常交互形式單一，注重功能、流程、規(guī)則的貫徹以及可用性和安全性；而消費(fèi)類產(chǎn)品豐富多樣的用戶體驗(yàn)，賞心悅目的界面視覺效果則不被重視。因此，復(fù)雜系統(tǒng)的用戶綜合體驗(yàn)與評價(jià)往往不佳。隨著生產(chǎn)模式不斷的發(fā)展和進(jìn)步，復(fù)雜系統(tǒng)與消費(fèi)產(chǎn)品系統(tǒng)之間的邊界和差異正在逐漸消弭，復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)也開始注重對于用戶體驗(yàn)的塑造，主要體現(xiàn)在多通道交互方式的引入，對用戶背景知識水平要求降低、操作步驟的簡單化、關(guān)鍵信息的可視化以及界面元素的藝術(shù)化?？梢哉f，智能時代的復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)趨勢開始向消費(fèi)類產(chǎn)品的交互設(shè)計(jì)靠攏。這種趨勢既是技術(shù)發(fā)展的外在因素使然，也是以人為中心的交互設(shè)計(jì)思路向?qū)I(yè)應(yīng)用領(lǐng)域拓展的內(nèi)因結(jié)果。

2.2 智能化背景下的復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互發(fā)展現(xiàn)狀

信息化、互聯(lián)網(wǎng)化、智能化是當(dāng)代社會文明發(fā)展的主要時代特征。人機(jī)界面隨著信息來源渠道的不斷增多，界面信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也不斷增強(qiáng)[6]。隨著社會化企業(yè)、云制造、信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)泛在制造[7]等概念不斷涌現(xiàn)，全球制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了個性化定制生產(chǎn)的新階段，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也開始標(biāo)榜用戶體驗(yàn)的重要性[8]。這對制造業(yè)相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)的功能提出了更高的要求，也使復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互發(fā)展出新的形式和內(nèi)涵，如3D打印技術(shù)，是信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems)的典型代表[9]。作為智能制造的代表性技術(shù)，3D打印技術(shù)與信息物理系統(tǒng)的普及被認(rèn)為是“智能制造”在人類社會逐漸成型的標(biāo)志[10]。由于3D打印技術(shù)允許用戶直接參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的過程中，用戶參與的3D打印制造方式完全區(qū)別于產(chǎn)品只由專業(yè)的工人在專業(yè)的生產(chǎn)線上制造出來的方式。智能制造在過程和流程上的差異使與其相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互必然與傳統(tǒng)的人機(jī)交互形式存在較大差異。數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化形成信息，信息的意義化形成知識，這個進(jìn)化過程對應(yīng)了從數(shù)字化制造時代到信息化制造時代再到智能制造時代的進(jìn)化過程。復(fù)雜系統(tǒng)界面也隨著這個進(jìn)化關(guān)系逐步演化出對應(yīng)階段的特征(如圖2)：早期的工業(yè)界面(UI1.0)是強(qiáng)控制形式，界面復(fù)雜而晦澀，只是羅列系統(tǒng)全部的功能和工具，操作困難，學(xué)習(xí)成本極高；信息化制造時代的工業(yè)界面(UI2.0)，信息被結(jié)構(gòu)化，并以科學(xué)的方式呈現(xiàn)給用戶，可以為用戶提供更多的知識推理依據(jù)，直觀地了解系統(tǒng)工況，并快速做出決策；智能制造時代的界面(UI3.0)會借智能技術(shù)的支撐，由強(qiáng)控制特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向“強(qiáng)決策”、“弱控制”的方式。用戶只需進(jìn)行簡單的操作，大部分工作都能由系統(tǒng)代替用戶決策完成。

專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)界面的發(fā)展階段同時也可與互聯(lián)網(wǎng)的各個發(fā)展階段對應(yīng)起來。隨著互聯(lián)網(wǎng)從Web 1.0向Web 3.0逐步進(jìn)化，用戶對技術(shù)發(fā)展的影響越來越大，用戶參與創(chuàng)造的成分越來越多，復(fù)雜系統(tǒng)界面也須遵循以用戶為中心的思維來進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)人機(jī)交互方式從“輸入—反饋”的循環(huán)向“推薦—選擇”的循環(huán)過渡，人機(jī)交互關(guān)系由“單向從屬”向“雙向訓(xùn)練”過渡，這種轉(zhuǎn)變重寫了交互設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思維、架構(gòu)、形式、流程、規(guī)范[11]。

智能化時代背景下復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互的發(fā)展，可以總結(jié)為以下4個顯著的變化趨勢：

(1)系統(tǒng)操作自適應(yīng)性(adaptive)不斷增強(qiáng)，使其具備對不同用戶的通用性[12]，用戶群體從專業(yè)人士向非專業(yè)人士轉(zhuǎn)化。

(2)從對系統(tǒng)的強(qiáng)控制到弱控制，用戶角色從操作者向觀察者轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)具備自主決策能力。

(3)交互形式從單通道向多通道轉(zhuǎn)變，語音、手勢等交互形式逐漸出現(xiàn)。

(4)信息展示形式從抽象向直觀轉(zhuǎn)變，甚至出現(xiàn)工業(yè)可穿戴設(shè)備，采用虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)、混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality, MR)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)來輔助工業(yè)制造，對環(huán)境和工件進(jìn)行逼真的模擬。

傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的交互設(shè)計(jì)是效率驅(qū)動的，側(cè)重通過人對界面具體內(nèi)容的認(rèn)知過程進(jìn)行研究，以此來提高界面友好性及操作安全性，而消費(fèi)類產(chǎn)品的人機(jī)交互則將用戶作為最為重要的考慮因素，重視人的習(xí)慣和需求及其在系統(tǒng)中所處的位置。智能化復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則趨向于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上與消費(fèi)類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則合并，不斷增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)性以適應(yīng)更廣闊的用戶群體，并形成優(yōu)勢相容互補(bǔ)。基于Rasmussen已經(jīng)提出的生態(tài)界面原則，智能化復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的主要設(shè)計(jì)原則體現(xiàn)在安全、高效、易學(xué)、和諧、統(tǒng)一、美觀[13]6個方面。安全性原則要求系統(tǒng)界面具有容錯和恢復(fù)機(jī)制、交互操作支持指令回滾、突發(fā)問題和錯誤即時提醒、用戶操作系統(tǒng)功能應(yīng)具有較高的準(zhǔn)確率；高效性原則要求交互任務(wù)流程便捷高效、系統(tǒng)精簡合理、用戶操作系統(tǒng)完成相關(guān)任務(wù)應(yīng)具有較高的效率[14]；易學(xué)性原則要求界面的復(fù)雜信息傳達(dá)可利用抽象或隱喻的手段利用簡單的形式進(jìn)行可視化表達(dá)[15]，即設(shè)計(jì)意圖與用戶意圖達(dá)成統(tǒng)一[16]；對應(yīng)性原則要求界面設(shè)計(jì)避免環(huán)境條件對用戶的交互行為和心理狀態(tài)產(chǎn)生影響，使系統(tǒng)、用戶、環(huán)境達(dá)到和諧運(yùn)行的狀態(tài)；統(tǒng)一性原則要求系統(tǒng)的界面信息的子系統(tǒng)、表達(dá)方式、界面結(jié)構(gòu)、層級關(guān)系都需要在形式上形成統(tǒng)一，讓用戶使用同一種方式思考和操作系統(tǒng)[17]；美觀性原則要求界面的整體視覺效果符合基本審美法則，使界面的風(fēng)格、元素、顏色、背景、比例、布局、形狀等方面在視覺上達(dá)到相對平衡的狀態(tài),符合用戶的心理和視覺感受。

3 智能化復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法研究

復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要源于其復(fù)雜性，這是由于大量與制造過程相關(guān)的數(shù)據(jù)匯集而導(dǎo)致了的界面信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，在已有技術(shù)條件基礎(chǔ)上，需要總結(jié)一種科學(xué)合理的交互設(shè)計(jì)方法盡可能地消解這種復(fù)雜性。隨著傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，數(shù)控機(jī)床、3D打印機(jī)等專業(yè)設(shè)備的購買和使用門檻大大降低使大量的非專業(yè)人士進(jìn)入到制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，專業(yè)裝備的操作與控制方式從原來自上而下、由專業(yè)人士集中控制的形式，逐漸朝著自下而上，由廣大用戶集體智慧、行為偏好主導(dǎo)的分布式控制形式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法，也應(yīng)當(dāng)順應(yīng)這種變化進(jìn)行改進(jìn)和升級。

3.1 智能化復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的特征

智能化復(fù)雜系統(tǒng)由于其信息規(guī)模和結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)更為龐大和復(fù)雜，智能化復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性可以總結(jié)為如下3點(diǎn)：①系統(tǒng)界面呈現(xiàn)的信息內(nèi)容較多，包括多維度、流程、功能、對象和任務(wù)；②信息呈現(xiàn)形式由多個子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的組合方式形成的新結(jié)構(gòu)具有不可預(yù)測性；③信息交互的視覺編碼、接收、解碼具有復(fù)雜性[18]。

智能化復(fù)雜系統(tǒng)的專業(yè)性特點(diǎn)對使用者的專業(yè)技術(shù)背景知識依賴性很高，是傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)難學(xué)難用的主要原因之一。因此，去專業(yè)化以降低系統(tǒng)操作對專業(yè)技術(shù)背景知識的依賴性，是智能化復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)具備的特性。

傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)界面具有極強(qiáng)的功能導(dǎo)向性，并非以用戶需求為導(dǎo)向，而智能化復(fù)雜系統(tǒng)從功能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)為用戶需求導(dǎo)向。在智能視覺領(lǐng)域，科學(xué)和信息可視化等技術(shù)越來越多地被使用[19]，由此可以推斷其用戶數(shù)量的不斷上升。智能化復(fù)雜系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮用戶的使用需求以幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)操作目的為導(dǎo)向，因此呈現(xiàn)的特點(diǎn)不僅體現(xiàn)在視覺的美觀性，更體現(xiàn)在信息的有序性和簡潔性，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字界面操作與呈現(xiàn)的直觀化和人性化，以提高用戶獲取信息的效率[14]，還體現(xiàn)在采用添加預(yù)設(shè)和引導(dǎo)式交互流程的方式簡化系統(tǒng)操作。

3.2 智能化復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)模型

(1)系統(tǒng)功能邏輯解構(gòu)

專業(yè)化裝備的價(jià)值是功能驅(qū)動的，因此設(shè)備的系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系是人機(jī)交互設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。制造裝備主要在工業(yè)制造體系中承擔(dān)某一關(guān)鍵環(huán)節(jié)對應(yīng)的任務(wù)，裝備的人機(jī)交互框架基于任務(wù)系統(tǒng)的層級關(guān)系構(gòu)建，系統(tǒng)信息、操作指令布局都遵循任務(wù)層級關(guān)系的邏輯。任務(wù)層級關(guān)系一般具備階段性和并行性兩個特點(diǎn)。一方面，操作可能對應(yīng)系統(tǒng)任務(wù)中子系統(tǒng)的各個階段和步驟；另一方面，各個步驟直接可能存在并行和協(xié)調(diào)的邏輯關(guān)系。目前，智能制造裝備的功能架構(gòu)同樣具備這樣的特性，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)層級關(guān)系并無太多區(qū)別。

(2)定義人機(jī)關(guān)系

人機(jī)系統(tǒng)是由人—機(jī)—環(huán)境組成的閉環(huán)系統(tǒng)(如圖3)，三者的關(guān)系是交互設(shè)計(jì)討論的核心問題。由圖3可以看出，人通過感知來自設(shè)備和環(huán)境的相關(guān)信息對其進(jìn)行加工處理，形成決策，對機(jī)器進(jìn)行操作、對環(huán)境產(chǎn)生相應(yīng)影響。機(jī)器接收來自人的輸入信息，并按照指令執(zhí)行工作任務(wù)，將結(jié)果呈現(xiàn)出來，完成特定任務(wù)。智能制造裝備的人機(jī)關(guān)系，會依據(jù)人與機(jī)器在系統(tǒng)中的分工不同而具有一定的差異。傳統(tǒng)的機(jī)器系統(tǒng)的自動化程度不高，人是主要控制者，機(jī)器是被動執(zhí)行者。而智能制造裝備具備一定的自動控制、自我學(xué)習(xí)和自行決策的能力，承擔(dān)了一部分原本需要由人來操作的工作任務(wù)，使人在系統(tǒng)中的勞動強(qiáng)度大大降低，只需要承擔(dān)設(shè)定、輸入、監(jiān)督、維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)。如圖4所示，在智能系統(tǒng)模式下，用戶和機(jī)器呈現(xiàn)協(xié)同處理、協(xié)同進(jìn)行的狀態(tài)。人機(jī)交互關(guān)系表現(xiàn)為用戶—機(jī)器的“雙向訓(xùn)練”狀態(tài)。

(3)定義界面交互流程

在交互流程的架構(gòu)層，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)和各子系統(tǒng)的層級關(guān)系，從任務(wù)背景出發(fā)，明確具體任務(wù)下的人機(jī)交互路徑，歸納界面內(nèi)容的布置，建立完善的交互反饋閉環(huán)回路。在交互流程的表達(dá)層，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的具體內(nèi)容，建立符合用戶知識背景、認(rèn)知習(xí)慣、操作邏輯的界面元素和界面結(jié)構(gòu)。

對智能化復(fù)雜系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)而言，任務(wù)與用戶同等重要。任務(wù)與系統(tǒng)模型是界面構(gòu)成的基礎(chǔ)，而以用戶為中心的設(shè)計(jì)原則將貫穿整個設(shè)計(jì)過程。不同系統(tǒng)的具體開發(fā)過程可能存在一定共性。針對智能制造裝備這類產(chǎn)品的復(fù)雜系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，是一個依次循環(huán)迭代的過程：1.生成任務(wù)與系統(tǒng)模型;2.用戶研究、3.設(shè)計(jì)原型;4.評估;5.界面小樣;6.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);7.測試維護(hù)。如圖5所示為一個較為完整的界面設(shè)計(jì)模型。

4 焊縫掃描重構(gòu)模塊的交互界面設(shè)計(jì)實(shí)例

本文的實(shí)踐目標(biāo)是基于所提出的智能裝備的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)模型，以及智能裝備產(chǎn)品的交互設(shè)計(jì)原則，完成焊縫掃描重構(gòu)模塊的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)實(shí)踐任務(wù)。自動焊縫重構(gòu)模塊是某企業(yè)基于激光線掃功能開發(fā)的智能化焊接機(jī)器人手眼補(bǔ)償系統(tǒng)，其主要功能是通過激光線掃、工件重建、焊縫識別、工藝匹配等功能，自動比對標(biāo)準(zhǔn)件與來料實(shí)際工件之間的形態(tài)和位置差異，修正機(jī)械臂焊接路徑的偏差，并根據(jù)焊縫識別結(jié)果自動判斷焊縫形態(tài)，自動匹配最優(yōu)的焊接工藝完成焊接。

4.1 焊縫掃描重構(gòu)模塊的界面功能邏輯解構(gòu)

該公司的焊縫掃描重構(gòu)模塊是焊接機(jī)器人整體系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，采用后裝激光線掃視覺模塊的方式對焊接機(jī)械臂進(jìn)行功能升級，使之具有識別工件形狀和位置的能力。由于采用后裝模式，因此重構(gòu)模塊的配置管理和操作使用一套相對獨(dú)立設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，與機(jī)器人原生的控制系統(tǒng)是并列的兩個不同系統(tǒng)(如圖6)，其中重構(gòu)模塊的所有操作在激光視覺系統(tǒng)端完成。功能架構(gòu)主要包括身份認(rèn)證，通訊配置、示教與執(zhí)行，工件管理、任務(wù)管理幾個次級功能。重構(gòu)模塊先對工件進(jìn)行掃描，完成誤差采集，然后再將誤差數(shù)據(jù)交給機(jī)器人控制端，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人焊接軌跡的修正。

4.2 焊縫掃描重構(gòu)模塊的人機(jī)交互關(guān)系定義

用戶在焊縫重構(gòu)模塊中扮演導(dǎo)師和監(jiān)理的角色，用戶輸入標(biāo)準(zhǔn)工件的相關(guān)信息，對系統(tǒng)進(jìn)行示教，對工件和焊縫完成任務(wù)建檔的工作之后，余下的工作則由系統(tǒng)自行決策完成，并將結(jié)果輸出給機(jī)器人控制器，當(dāng)工作臺自動上料之后，系統(tǒng)重復(fù)工件比對的工作環(huán)節(jié)，并輸出新的糾偏信息給機(jī)器人控制器。如此循環(huán)往復(fù)，配合焊接機(jī)器人完成對批量工件的加工。此時，用戶只需擔(dān)任監(jiān)督者的角色，無需參與任何系統(tǒng)交互，只單方面從系統(tǒng)界面獲取實(shí)時的工況信息，具體關(guān)系如圖7所示。

4.3 焊縫掃描重構(gòu)模塊的交互界面定義

基于面向用戶的復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)模型，根據(jù)既定的界面功能邏輯以及人機(jī)交互關(guān)系定義，焊縫掃描重構(gòu)模塊的交互界面被定義為3個主要的運(yùn)行模式(如圖8)，即控制模式、監(jiān)控面板和自動模式。其中控制模式和自動模式主要涉及系統(tǒng)的控制操作、自動與非自動狀態(tài)之間來回切換；監(jiān)控面板主要涉及對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息的監(jiān)控觀察相關(guān)的操作。

參考前文所述的智能復(fù)雜系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)原則，對焊縫掃描重構(gòu)模塊的人機(jī)交互流程進(jìn)行了有針對性的優(yōu)化。基于高效性原則，特別對系統(tǒng)界面各個功能的交互流程進(jìn)行了簡化，通過減少冗長的交互步驟，增加成體系的用戶配置預(yù)設(shè)來實(shí)現(xiàn)對操作效率的提升；基于易學(xué)性原則，為首次使用系統(tǒng)的用戶設(shè)置引導(dǎo)式、步進(jìn)式的界面操作流程，以幫助新用戶快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能配置和工件示教，降低用戶的學(xué)習(xí)成本；基于主動性原則，去掉許多沒有必要讓用戶決策和修改的默認(rèn)設(shè)置選項(xiàng)，并將系統(tǒng)可自動完成的操作運(yùn)行于后臺，不提供過多的可配置參數(shù)項(xiàng)，使系統(tǒng)的自動化程度盡可能地獲得提升。

4.4 焊縫掃描重構(gòu)模塊的界面呈現(xiàn)

在系統(tǒng)的交互界面呈現(xiàn)方面(如圖9)，通過對限制操作的界面按鈕進(jìn)行灰度顯示處理，防止用戶在使用過程中出現(xiàn)誤觸的操作，以保證基本的操作安全，如圖9所示；考慮系統(tǒng)運(yùn)行的外部環(huán)境光照需求，界面采用深色背景界面設(shè)置，能夠?yàn)橛脩籼峁└逦?、對比度合適的掃描結(jié)果顯示效果，以提升系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性；界面可操作的元素均采用圖標(biāo)與文字相結(jié)合的表現(xiàn)形式，圖標(biāo)的表現(xiàn)是從按鈕的功能含義中抽取出意象原型，將原型內(nèi)容用簡單圖案表現(xiàn)出來，并對界面、對按鈕形式、對字體和字體尺寸、對數(shù)據(jù)列表的形式、對彈窗的形式等方面進(jìn)行了規(guī)范和統(tǒng)一，以確保各個界面交互形式的一致性。整體界面設(shè)計(jì)的風(fēng)格和色彩搭配，也符合智能化科技類裝備產(chǎn)品的行業(yè)特征。以上設(shè)計(jì)手段使界面盡可能滿足設(shè)計(jì)原則的目標(biāo)，使用系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)獲得整體提升。

4.5 測試評估

4.5.1 實(shí)驗(yàn)方法

因?yàn)樵摻缑嫔刑幱谠囼?yàn)階段，并未完全投入使用，且在廣泛的人口抽樣中無法做到數(shù)據(jù)的全面完整性，也不能做到各種人群的假設(shè)，所以采用固定人群的預(yù)選擇以控制實(shí)驗(yàn)的指向性。本實(shí)驗(yàn)中，每位參與者將對改進(jìn)前后的兩個不同界面進(jìn)行操作，并以本文總結(jié)的6項(xiàng)交互設(shè)計(jì)原則以及整體滿意度為基礎(chǔ)要求用戶對操作過程進(jìn)行評分，通過對比前后評分的分差進(jìn)行結(jié)果評估，獲得實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果。

4.5.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的材料為改進(jìn)前后的兩個不同焊縫糾偏模塊的交互界面，如圖10所示。

4.5.3 實(shí)驗(yàn)參與者、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究實(shí)驗(yàn)共邀請15名參與者，其中7名女性8名男性，參與者年齡在20～30歲之間。15位參與者分為3組，第1組為專業(yè)人選(完全懂的如何操作智能機(jī)器)，第2組為交互專業(yè)學(xué)生，第3組為完全沒有接觸過智能機(jī)器的人群。本研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備包括安裝了焊縫識別模塊的焊接機(jī)器人本體及測試用的工件，如圖11所示。

4.5.4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)之前，首先告知15名參與者實(shí)驗(yàn)是要從7項(xiàng)原則中進(jìn)行評分，使參與者可以有針對性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了4個主要的界面操作任務(wù)，分別為系統(tǒng)管理、工件管理、任務(wù)管理、工件掃描。實(shí)驗(yàn)開始階段，首先請參與者使用舊版界面系統(tǒng)進(jìn)行操作學(xué)習(xí)并依次完成4個界面操作任務(wù)，并對該操作過程進(jìn)行評分，分?jǐn)?shù)區(qū)間為1～10分，1為感受最差，10為感受最好(如表1)。

表1 舊版四項(xiàng)任務(wù)綜合平均評分

評分完成之后，再邀請參與者使用新版界面系統(tǒng)進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，并進(jìn)行相同的操作任務(wù)。通過與上一輪流程相同的評分并統(tǒng)計(jì)兩次的得分，計(jì)算分差進(jìn)行比較。分差計(jì)算方式為使用新版界面執(zhí)行完成所有任務(wù)后的平均得分?jǐn)?shù)減去使用舊版界面執(zhí)行完成所有任務(wù)后的平均得分?jǐn)?shù)。根據(jù)分差的計(jì)算可以得知分?jǐn)?shù)差應(yīng)當(dāng)分為正數(shù)、零、負(fù)數(shù)3種，若改進(jìn)后的分?jǐn)?shù)高于改進(jìn)前的分?jǐn)?shù)，則為正數(shù)，即結(jié)果為正向，表明新版界面設(shè)計(jì)用戶體驗(yàn)有所提升;若改進(jìn)后的分?jǐn)?shù)低于改進(jìn)前的分?jǐn)?shù)，則結(jié)果為負(fù)數(shù)，即表明設(shè)計(jì)結(jié)果較差;若兩次分?jǐn)?shù)相等，則設(shè)計(jì)效果視為無(如表2和表3)。在整個實(shí)驗(yàn)的過程中，對界面改進(jìn)前后每個參與者的操作時長進(jìn)行記錄，并在最后進(jìn)行時間統(tǒng)計(jì)。通過計(jì)算時間差，檢驗(yàn)新版界面在增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的同時是否犧牲效率(如表4)。

表2 新版4項(xiàng)任務(wù)綜合平均評分

表3 新舊版界面得分分差

表4 新舊版界面操作用時統(tǒng)計(jì)

4.6 實(shí)驗(yàn)分析

被實(shí)驗(yàn)者依據(jù)幾種不同的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了打分，并由實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行最后的平均分計(jì)算，結(jié)果如表2所示。在整個實(shí)驗(yàn)中，新版在一致性方面獲得了最高的分?jǐn)?shù)(8.75)，在美觀性與效率中分別得到較高的分?jǐn)?shù)為8.12與8.27，而反觀對比分差中，適應(yīng)性0.93與一致性0.77得分最低。

在不同得分標(biāo)準(zhǔn)中，新版平均得分獲得最高的分?jǐn)?shù)一致性主要是因?yàn)樵谠镜牟僮鹘缑嬖O(shè)計(jì)中，層級架構(gòu)與邏輯關(guān)系已經(jīng)做到足夠嚴(yán)密且合理，在新版的改進(jìn)中對于已經(jīng)擁有良好基礎(chǔ)的界面層級架構(gòu)只需要對于其外部表現(xiàn)手段進(jìn)行改造即可，而對于架構(gòu)等內(nèi)在的因素，實(shí)驗(yàn)者更傾向于對其進(jìn)行小范圍改進(jìn)而不是徹底推翻。新版在美觀性方面獲得較高的分?jǐn)?shù)主要是因?yàn)榕f版的界面美觀程度較低，不管對于交互專業(yè)人員或者是普通被實(shí)驗(yàn)者來說，界面的美觀程度會影響被實(shí)驗(yàn)者使用時的心態(tài)，繼而降低效率。改進(jìn)過后的界面更加美觀，相對于原版來說更加符合被實(shí)驗(yàn)者的心理預(yù)期，因此得分高。效率與易學(xué)性兩項(xiàng)得分分差最高，由于這兩者之間本身存在關(guān)聯(lián)性，可以一起解讀。舊版的效率與易學(xué)性得分低是因?yàn)樵摍C(jī)器受眾面積較窄，對專業(yè)要求度高，即便在被實(shí)驗(yàn)者受過訓(xùn)練之后，普通大眾與學(xué)生仍然不能很好地操控此機(jī)器。在實(shí)驗(yàn)中，尤其是專業(yè)度要求較高的任務(wù)管理操作中，可以看到新手與學(xué)生的平均操作時間均高于專業(yè)用戶。而到了新版本的界面之后，其設(shè)備不是單純需要全程人為干預(yù)矯正的設(shè)備，而是智能設(shè)備，其內(nèi)在架構(gòu)使得該設(shè)備操作中操作者不需要全程參與，進(jìn)而使得操作難度顯著降低，且使用者的操作門檻降低，故易學(xué)性提升巨大，分差變大，而且效率伴隨著易學(xué)性的提高也相應(yīng)提升。時間上，任務(wù)管理提升最小，原因是即便設(shè)備的改變使得易學(xué)性提高，但其中的專業(yè)性并沒有完全消失，在任務(wù)管理操作中，涉及到修改縫寬以及找到最低點(diǎn)等仍然需要專業(yè)知識技能，故該時間并不能有效縮短。

值得一提的是，在計(jì)算平均時間時發(fā)現(xiàn)，舊版本的被實(shí)驗(yàn)者所需時間(如表5～表7)中，學(xué)生、新手與專業(yè)用戶的差值明顯高于新版本的時間差值(如表8)，這說明設(shè)計(jì)改變后，普通大眾使用智能設(shè)備所消耗的時間與精力可以在界面不斷改進(jìn)中逐漸追趕上專業(yè)用戶，智能設(shè)備在實(shí)際的操作中使大眾與專家的距離不斷縮進(jìn)，操作門檻降低。

以上數(shù)據(jù)多數(shù)反映出智能制造背景下復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)交互界面發(fā)展趨勢：操作難度的降低，用戶人群由由專業(yè)人士到非專業(yè)人士的轉(zhuǎn)變逐漸轉(zhuǎn)變，用戶角色從實(shí)際干預(yù)者轉(zhuǎn)換成旁觀者或者微干預(yù)者。而在智能裝備交互界面大量涌現(xiàn)的當(dāng)下，其設(shè)計(jì)趨勢也將逐漸向非專業(yè)人士靠攏，由專一的指向型人員操作向普羅大眾逐漸接管靠攏。

表5 新手用戶的舊版界面任務(wù)歸檔操作用時統(tǒng)計(jì)

表6 學(xué)生用戶的舊版界面任務(wù)歸檔操作用時統(tǒng)計(jì)

表7 專業(yè)用戶的舊版界面任務(wù)歸檔操作用時統(tǒng)計(jì)

表8 各類用戶的界面任務(wù)歸檔操作平均用時對比

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果評分的整理和總結(jié),從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得分來看，基于智能復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)模型產(chǎn)出的新版焊縫掃描模塊的界面設(shè)計(jì)相較于舊的版本，在準(zhǔn)確率、效率、易學(xué)性、適應(yīng)性、一致性、美觀性、滿意度等方面均具有一定的提升。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的總體滿意度達(dá)到了預(yù)期的要求，并且通過對實(shí)驗(yàn)操作用時的統(tǒng)計(jì)與對比，可以確定新版系統(tǒng)界面的用戶體驗(yàn)的提升并沒有以犧牲軟件操作效率為前提。使用新版系統(tǒng)界面，反而能夠不同程度地縮短系統(tǒng)地操作用時，提升操作效率。因此，焊縫掃描模塊地新版系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)帶來的改變是正向的、積極的，也基本可以確定設(shè)計(jì)方法的有效性。目前，界面的完善和改進(jìn)工作正在進(jìn)行中。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)智能制造背景下相關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，對裝備類專業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了梳理和更新。根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)交互界面從“單向從屬”向“雙向訓(xùn)練”過渡的特點(diǎn)，將注重系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和任務(wù)管理的傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)框架與以人為中心的產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)框架的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，構(gòu)建了專業(yè)領(lǐng)域智能化產(chǎn)品的交互界面設(shè)計(jì)模型。這類產(chǎn)品的功能具有專業(yè)性，系統(tǒng)具有復(fù)雜性，并且所面向的用戶類型正在逐步變得多樣化。在界面設(shè)計(jì)過程中，需要在遵循復(fù)雜系統(tǒng)的基本架構(gòu)、功能、任務(wù)等模塊之間邏輯關(guān)系和保障完整性的前提下再融入充分的用戶研究。因此，界面設(shè)計(jì)思路不同于單純的消費(fèi)類交互界面設(shè)計(jì)，也不同于傳統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，是以保證專業(yè)性為基礎(chǔ)，融合以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念形成的一種折衷的設(shè)計(jì)方法。本文的研究和實(shí)踐應(yīng)能對智能制造相關(guān)的系統(tǒng)以及其他同類型系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。下一步，將主要關(guān)注智能制造領(lǐng)域中人機(jī)界面交互體驗(yàn)的獲取與評估的研究。