基于行為構(gòu)建的城市軌道隧道爬壁鉆孔機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)

在城市軌道交通隧道施工過程中，需要在隧道壁面上進(jìn)行大量的鉆孔工作，從而敷設(shè)通信電纜、緊急疏散平臺(tái)、信號(hào)光纜等部件。目前該工作全都由人工手動(dòng)完成，在鉆孔作業(yè)施工過程中，工人需要在較高的隧道壁面上進(jìn)行支架搭建、高空作業(yè)甚至懸掛作業(yè)，其作業(yè)負(fù)荷和安全隱患較為嚴(yán)重。例如，在21km 長(zhǎng)的地鐵隧道中，就需要進(jìn)行不同深度、不同大小的鉆孔共計(jì)620000個(gè)

。隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道占比越來越多，地鐵隧道牽引供電接觸網(wǎng)、側(cè)壁電纜、管道以及緊急疏散平臺(tái)等機(jī)電安裝均需要在隧道壁上鉆大量的安裝孔，但目前仍主要采用人工劃線、作業(yè)平臺(tái)輔助人工手持鉆孔作業(yè)模式，存在很多問題，如：(1)人工鉆孔依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，難以保證鉆孔洞的位置、方向、深淺等；(2)大部分安裝孔都處于較高的位置，作業(yè)難度大、作業(yè)效率低、且存在安全隱患；(3)隧道壁中預(yù)埋了大量鋼筋，鉆孔作業(yè)時(shí)只能進(jìn)行試探性鉆孔，大大影響了鉆孔效率；(4)鉆孔數(shù)量龐大，往往需要臨時(shí)雇用大量技工，成本高且難度大。為了解決以上問題，可以使用城市軌道隧道爬壁鉆孔機(jī)器人，通過工人在隧道中對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)操控進(jìn)行鉆孔作業(yè)，從而提升鉆孔效率，消除安全隱患

。然而，這種遠(yuǎn)程式的操控模式，又形成了新的智能設(shè)備人機(jī)交互問題，如工人在使用手持操控器或者平板電腦交互界面時(shí)需要防止誤觸行為等，這就需要對(duì)交互行為進(jìn)行設(shè)計(jì)?；诖耍恼聦⒒谛袨闃?gòu)建理論進(jìn)行適應(yīng)場(chǎng)景需求的交互界面設(shè)計(jì)研究。

1 行為構(gòu)建概述

在人與產(chǎn)品交互的過程中，產(chǎn)品需要對(duì)用戶的行為作出交互反應(yīng)，首先就要感知用戶的行為

。就如同交互的名稱interaction 中，inter 是相互的意思，action 是行為和動(dòng)作的意思，智能交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素即為行為設(shè)計(jì)。其中，產(chǎn)品實(shí)體作為行為的觸發(fā)和實(shí)現(xiàn)媒介，行為即為實(shí)體和人的鏈接方式。而行為的設(shè)計(jì)主要基于用戶的情感和體驗(yàn)。就如同辛向陽(yáng)所說：人、動(dòng)作、工具或媒介、目的和場(chǎng)景構(gòu)成交互設(shè)計(jì)的五要素

。交互設(shè)計(jì)過程中的決策邏輯也主要采用行為邏輯

。

根據(jù)Fogg 提出的FBM（Fogg Behavior Model，福格行為模型，以下簡(jiǎn)稱為FBM）行為模型

，行為包括三個(gè)基本要素：激勵(lì)、實(shí)現(xiàn)能力和觸發(fā)條件。其中激勵(lì)是行為發(fā)生的動(dòng)機(jī)，而動(dòng)機(jī)的本質(zhì)即為滿足用戶的本能需求，以及在此基礎(chǔ)上滿足用戶情感和個(gè)人實(shí)現(xiàn)等方面的更高需求，這就需要通過用戶研究發(fā)現(xiàn)用戶的基本愿景和設(shè)計(jì)情境

。實(shí)現(xiàn)能力意味著行為設(shè)計(jì)需要遵循一定的人因設(shè)計(jì)規(guī)則，并根據(jù)用戶愿景設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)情境的行為特征

。觸發(fā)條件指的是行為的觸發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要具有學(xué)習(xí)成本低，容易接受的特點(diǎn)，這就需要利用行為觀察分析等設(shè)計(jì)方法獲取用戶習(xí)慣，并設(shè)計(jì)直白自然的行為觸發(fā)點(diǎn)

。因此，構(gòu)建良好的行為設(shè)計(jì)可以更好地改善用戶與設(shè)計(jì)物的交互效果，尤其在目前的實(shí)體交互逐漸增多的設(shè)計(jì)情境中，行為構(gòu)建能夠更好地促進(jìn)用戶與設(shè)計(jì)物的溝通和感知。

2 交互界面設(shè)計(jì)概述

交互界面指的是人與世界溝通的媒介，不僅僅限于視覺界面，還包括行為、肢體、聽覺等多種通道界面。在交互設(shè)計(jì)領(lǐng)域，以UI（User Interface，用戶界面，以下簡(jiǎn)稱為UI）為交互主體的界面形式逐漸消失，鍵盤鼠標(biāo)等傳統(tǒng)交互工具漸漸弱化。學(xué)習(xí)成本更低、交互方式更為自然的非桌面和非屏幕式的實(shí)體交互正在逐步完善。國(guó)際工業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)（ICSID）將工業(yè)設(shè)計(jì)的目的定義為旨在引導(dǎo)創(chuàng)新、面對(duì)設(shè)計(jì)情境重新解構(gòu)問題，并建立更好的產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)、體驗(yàn)機(jī)會(huì)

。在這種理念的號(hào)召下，交互界面設(shè)計(jì)的范疇和適應(yīng)性得到了極大地?cái)U(kuò)展，傳統(tǒng)的交互界面設(shè)計(jì)視角也從“生產(chǎn)”轉(zhuǎn)為更深層地對(duì)于人的需求的關(guān)注。在這種設(shè)計(jì)情境中，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)首先需要關(guān)注的是設(shè)計(jì)的目的，以及引發(fā)的人類行為和合理體驗(yàn)，而不再將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在簡(jiǎn)單地滿足產(chǎn)品功能上

。相應(yīng)地，全新的交互方式也從傳統(tǒng)的指令—執(zhí)行的功能滿足性交互方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性的，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)情境與人產(chǎn)生互動(dòng)和交流的智能交互方式。

3 基于行為構(gòu)建的城市軌道隧道爬壁鉆孔機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)意義

文章可以有效推動(dòng)行為構(gòu)建理論與實(shí)踐方法研究，在設(shè)計(jì)過程中利用對(duì)于產(chǎn)品相關(guān)的行為動(dòng)機(jī)、觸發(fā)以及實(shí)現(xiàn)能力等理論獲取能夠直接應(yīng)用于交互產(chǎn)品的典型行為。在基于行為構(gòu)建的交互界面設(shè)計(jì)的同時(shí)，也從實(shí)踐角度對(duì)基于行為構(gòu)建的交互界面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。文章可以豐富交互設(shè)計(jì)理論體系，并為以行為表現(xiàn)為特征的新型交互模式提供理論和實(shí)踐參考，并在應(yīng)用實(shí)踐上提升隧道交互作業(yè)效率，降低特殊環(huán)境中的安全隱患。

4 基于行為構(gòu)建的城市軌道隧道爬壁鉆孔機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)流程

基于行為構(gòu)建設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論，通過激勵(lì)設(shè)計(jì)、情境設(shè)計(jì)探查了真實(shí)的用戶愿景和產(chǎn)品愿景，而后基于行為觀察方法進(jìn)行了典型行為設(shè)計(jì)與生成，最終形成了城市軌道隧道鉆孔爬壁機(jī)器人交互界面原型設(shè)計(jì)。具體流程如下：

4.1 激勵(lì)設(shè)計(jì)

夏季的廬山很熱鬧。合面街是最繁華的商業(yè)街，從合面街到河南路口是單面街。河南路口對(duì)面，現(xiàn)在的振豪超市，原是赫赫有名的胡金芳大旅社，門面后背的一大片房屋也屬于它。觀光客多選擇在這里住，臨街近，方便。當(dāng)年的胡金芳大旅社聲名遠(yuǎn)播，生意遠(yuǎn)勝于仙巖飯店。

情境設(shè)計(jì)階段的目的在于基于激勵(lì)設(shè)計(jì)階段得到的產(chǎn)品愿景，通過用戶參與式情境挖掘等方式獲取對(duì)行為設(shè)計(jì)有影響的設(shè)計(jì)情境和初步的解決方案，具體內(nèi)容如下：

用戶研究方法中的行為觀察法經(jīng)常被用來統(tǒng)計(jì)在操作各種任務(wù)功能時(shí)頻率最高的交互行為

?；谠O(shè)計(jì)愿景和設(shè)計(jì)情境及其解決方案，以FBS 行為模型內(nèi)容作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，參考Vanden等研究中提到的交互行為設(shè)計(jì)條例

，設(shè)計(jì)生成了以下典型行為，主要包括：(1)位置操控行為，主要采用上下左右的按鍵對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行調(diào)整，并在機(jī)器人進(jìn)入不可鉆孔區(qū)域時(shí)，通過逐漸急促的振動(dòng)和燈光傳遞警示信號(hào)，由于位置操控行為操作頻率較高，為了便于拇指操作，作用區(qū)域主要位于控制器的右部；(2)確定行為，主要采用按鈕點(diǎn)擊來確定在該位置鉆孔，基于Alalwan 等的經(jīng)驗(yàn)

，為了防止誤觸，按鈕部位位于控制器的上部。伴隨著確定行為，會(huì)有燈光實(shí)時(shí)反饋；(3)取消行為，主要采用按鈕點(diǎn)擊來取消鉆孔操作，其操作頻率比確定行為更低，因此取消按鈕位于控制器上部，此外伴隨著取消行為，會(huì)有實(shí)時(shí)反饋。

基于以上設(shè)計(jì)情境，采用行為觀察和參與式設(shè)計(jì)的方式獲取在以上情境中能夠傳遞和表達(dá)信息的典型交互行為，并要求這些設(shè)計(jì)行為能夠直接對(duì)交互設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。為了讓交互行為操作更為簡(jiǎn)單，每種情境只采用一種最典型的行為。在具體的操作方法上，采用影隨（Shadowing）的行為挖掘方法。最終總結(jié)得到初步的任務(wù)功能即：(1)感受設(shè)備狀態(tài)，涉及定位情境和喚醒情境，研究發(fā)現(xiàn)工人們需要能夠?qū)崟r(shí)感受到設(shè)備狀態(tài)（如運(yùn)行正常/故障等），并需要直觀地對(duì)設(shè)備狀態(tài)和突發(fā)狀況有所了解和預(yù)知；(2)當(dāng)前位置的可鉆孔狀態(tài)，涉及正面和負(fù)面情境，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前位置是否能夠進(jìn)行鉆孔；(3)執(zhí)行和取消狀態(tài)，涉及正面和負(fù)面情境，分別表示對(duì)鉆孔操作進(jìn)行確定，以及進(jìn)行取消操作；(4)位置操控，能夠控制爬壁機(jī)器人在隧道壁上進(jìn)行二向移動(dòng)，從而尋找最佳的鉆孔位置。

縱觀中外教師形象差異時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)西方更加強(qiáng)調(diào)教師智慧，教師不僅僅傳授知識(shí)，更是對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟迪，對(duì)學(xué)生思想產(chǎn)生影響；中國(guó)則更加強(qiáng)調(diào)教師師德，“德高為師”這是這一形象的生動(dòng)寫照。從蘇格拉底“產(chǎn)婆術(shù)”，夸美紐斯“班級(jí)授課制”，第斯多惠“教師終身自我教育以及孔子的“有教無類”，陶行知“生活教育”都折射出教師智慧的運(yùn)用。執(zhí)教于西南大學(xué)近50年的黃希庭教授，堪稱“凝心靜氣做學(xué)問，為人師表帶學(xué)生”教書育人楷模，半個(gè)世紀(jì)的潛心耕耘，教書、育人、科研“三位一體”，成為了中國(guó)知識(shí)分子閃耀的光芒，他在為師、為人、為學(xué)方面彰顯了師者風(fēng)范。

4.2 情境設(shè)計(jì)

將車輛推置于稱重軌上，稱重軌上有8個(gè)載重臺(tái)，載重臺(tái)將輪對(duì)舉升，通過傳感器測(cè)得各輪重，根據(jù)輪重?cái)?shù)據(jù)指導(dǎo)工人進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平的方法有兩種：一種是在軸箱彈簧處加墊片，一種是調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥。由于在軸箱彈簧處加設(shè)墊片的操作復(fù)雜，因此優(yōu)先通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥來調(diào)整輪重。工人打開一輛車對(duì)角的空氣彈簧高度調(diào)整閥來調(diào)節(jié)輪重，輪重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在控制室，當(dāng)輪重差符合要求后，停止調(diào)節(jié)；若不能調(diào)平，則在軸箱彈簧處加設(shè)墊片，再調(diào)節(jié)空氣彈簧高度調(diào)整閥來調(diào)平輪重，如此重復(fù)直到調(diào)平，若始終不能調(diào)平，則該車不合格。

激勵(lì)設(shè)計(jì)部分的研究主要目的在于理解用戶并獲取用戶愿景

。其中最關(guān)鍵的步驟就在于如何發(fā)現(xiàn)目標(biāo)用戶在實(shí)際生活中遇到的關(guān)鍵痛點(diǎn)，并在后續(xù)的設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)進(jìn)行解決。采用的主要手段就在于通過對(duì)用戶真實(shí)工作場(chǎng)景的深入，在自然的工作環(huán)境中讓研究人員移情式地沉浸在真實(shí)情境中，從而發(fā)現(xiàn)用戶的關(guān)鍵需求和關(guān)鍵問題。如用戶在操控機(jī)器時(shí)最喜歡什么樣的交流方式；以及不同工作情境下的用戶是否存在相似的需求等等。

電氣、數(shù)字化與自動(dòng)化-汽車行業(yè)正在面臨顛覆性變革，先進(jìn)的電池與電子電氣技術(shù)正在重塑汽車設(shè)計(jì)與制造。漢高下定決心要在本次轉(zhuǎn)型中發(fā)揮決定性作用，以幫助客戶推動(dòng)電動(dòng)交通的未來，并從公司的全面產(chǎn)品和服務(wù)組合中獲益，在整個(gè)組件價(jià)值鏈中提供高效、可靠、安全且可持續(xù)的解決方案。

首先，進(jìn)行概念生成的用戶參與式情境挖掘，在用戶參與式挖掘過程中，設(shè)計(jì)師、主試與目標(biāo)用戶組成設(shè)計(jì)小組；其次，由主試引導(dǎo)目標(biāo)用戶進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)師在參與頭腦風(fēng)暴的同時(shí)，需要將用戶提出的可能解決的方案和情境用設(shè)計(jì)草圖的方式表達(dá)出來，并在第一時(shí)間提交給用戶確認(rèn)，并根據(jù)用戶的意見進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。在參與式設(shè)計(jì)完成后，由主試和設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)情境和方案進(jìn)行整理，最終得到了四個(gè)主要的設(shè)計(jì)情境（圖2）。其中包括：(1)定位情境，用戶需要控制機(jī)器在兩軸坐標(biāo)中的位置，并能控制其進(jìn)行選址，而且表達(dá)存在的行為方式是動(dòng)態(tài)的（即不是有或無這種簡(jiǎn)單的狀態(tài)切換）；(2)正面情境，在作出肯定處理的時(shí)候，需要有一種交互行為模式將自己表達(dá)肯定的動(dòng)態(tài)傳遞給設(shè)備，交互模式應(yīng)該是具有肯定含義的；(3)負(fù)面情境，當(dāng)認(rèn)為并未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)時(shí)，需要有一種交互行為模式將自己表達(dá)否定的動(dòng)態(tài)傳遞給設(shè)備，交互模式應(yīng)該是具有肯定含義的，并且負(fù)面情境具有轉(zhuǎn)為積極情境的能力；(4)喚醒情境，可以隨時(shí)啟動(dòng)或者停止，并通過交互行為媒介向設(shè)備傳遞信號(hào)。

而后采用進(jìn)階式訪談獲取進(jìn)一步的用戶信息（圖1）。進(jìn)階式訪談是用戶體驗(yàn)領(lǐng)域的一個(gè)重要的信息獲取方法

，通過不斷地對(duì)被試進(jìn)行“為什么”式的發(fā)問，逐步深入地挖掘被試真正的目的與期望。該方法能夠提供清晰的信息獲取脈絡(luò)，并且能夠構(gòu)建體驗(yàn)和功能之間的顯性聯(lián)系。而后通過語(yǔ)義信息收集和分析，就可以總結(jié)并得到產(chǎn)品愿景，后續(xù)的行為構(gòu)建需要將產(chǎn)品愿景作為設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)和標(biāo)桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究得到的產(chǎn)品愿景為：(1)用戶（工人）需要一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)傳遞機(jī)器狀態(tài)的媒介，傳遞方式是不需要低頭操作的；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)雙方除語(yǔ)音視頻通道之外的交流；(3)具有較低的學(xué)習(xí)成本和自然的觸發(fā)機(jī)制。

基于以上研究獲取的典型行為和用戶愿景與設(shè)計(jì)情境，將行為構(gòu)建的結(jié)果作為智能交互產(chǎn)品原型的設(shè)計(jì)目標(biāo)，將智能平板作為交互產(chǎn)品的承載平臺(tái)，通過交互界面設(shè)計(jì)完成隧道鉆孔爬壁機(jī)器人的交互原型設(shè)計(jì)。最終完成的原型交互界面如圖3 所示。該界面位于平板控制器上，通過該界面操控爬壁機(jī)器人進(jìn)行鉆孔操作。主要分為位置調(diào)整、確認(rèn)鉆孔、取消操作、鉆孔數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等界面模塊。這些模塊的設(shè)計(jì)特征為：(1)位置調(diào)整模塊，位置調(diào)整模塊的交互頻率和強(qiáng)度較高，為了適應(yīng)用戶的右手行為習(xí)慣，位置調(diào)整模塊位于交互界面右側(cè)，保證用戶可以單手交互。此外，此模塊尺寸較大，這是為了滿足用戶在佩戴手套時(shí)導(dǎo)致的“胖手指（fat finger）”需求；(2)確認(rèn)鉆孔和取消操作模塊，確認(rèn)鉆孔和取消操作模塊交互頻率較低，其中確認(rèn)鉆孔的交互頻率要高于取消操作，因此將確認(rèn)鉆孔的交互按鈕設(shè)置在屏幕右側(cè)，從而便于用戶操作；(3)鉆孔數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊，由于數(shù)據(jù)展示不需要交互操作，因此將其設(shè)置在界面的左側(cè)位置，主要用于實(shí)時(shí)展示當(dāng)前的鉆孔數(shù)據(jù)、機(jī)器人定位數(shù)據(jù)以及任務(wù)數(shù)據(jù)等信息。

4.3 典型行為設(shè)計(jì)與生成

為了更好地移情于目標(biāo)用戶，首先采用用戶訪談的方法讓研究人員更好地了解用戶

。在正式訪談之前，給目標(biāo)用戶發(fā)放了情況調(diào)查表和一天生活日志調(diào)查表，需要目標(biāo)用戶在一周內(nèi)完成對(duì)典型的一天以及基本信息的描述，并將其返回到實(shí)驗(yàn)者的郵箱中?；谑孪葘?duì)用戶的基本生活流程和狀態(tài)的了解，研究人員可以在訪談中更深入地了解用戶。

4.4 軌道隧道鉆孔爬壁機(jī)器人交互界面原型設(shè)計(jì)

On this special day, I’d like to talk to youa special way.

這些模塊都以上節(jié)研究得到的交互行為作為交互動(dòng)作，并按照相應(yīng)的操作頻率和防誤觸需求設(shè)立各按鈕的位置。由于隧道內(nèi)光環(huán)境較暗，因此背景色和交互ICON 的顏色都以暗色調(diào)為主。

5 結(jié)語(yǔ)

文章在行為構(gòu)建和交互界面的理論基礎(chǔ)上，綜合利用用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論方法，結(jié)合FBM 行為模型等理論模型，對(duì)城市隧道爬壁鉆孔機(jī)器人用戶群體的行為特征進(jìn)行了挖掘和設(shè)計(jì)，同時(shí)基于行為構(gòu)建進(jìn)行了城市軌道隧道爬壁鉆孔機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)，從結(jié)果來看具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。然而研究還存在著一些不足之處，如行為邏輯理論還需要進(jìn)一步梳理，行為構(gòu)建理論和用戶體驗(yàn)理論的結(jié)合深度還存在不足等等，這些將會(huì)在后續(xù)的研究中繼續(xù)深入。

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