□張東方

一、引言

對現(xiàn)今各類產(chǎn)品的人機界面(HMI)來說，可用性是一個衡量其性能的重要指標。在可用性的評價方法中，最常用的有Card SK的GMOS模型法、焦點小組法、問卷調查法等。這些評價方法在產(chǎn)品開發(fā)過程中都處于產(chǎn)品原型之后或迭代設計中，如果產(chǎn)品原型在最初設計時就存在較大缺陷會給設計的評價及改良帶來很大困難。如果在產(chǎn)品原型設計之初就對HMI系統(tǒng)作出合理的優(yōu)化無疑將會對產(chǎn)品開發(fā)起到積極作用，本文將以此為重點，以立體車庫為例作出分析。

二、立體車庫及其可用性

隨著國內汽車保有量的快速增長，停車面積不足導致立體車庫在小區(qū)或公共場所的普及率迅速上升。關于立體車庫HMI的可用性設計，在之前已經(jīng)做過一些相關研究，這些研究的方法是對現(xiàn)有車庫HMI的可用性進行評測，然后再運用FAHP等方法尋找可用性問題出現(xiàn)的主要原因。但在實際的操作過程中，一些可用性方面的問題會因為已有HMI硬件性能的限制很難得到改進。因此，在設計之初就提出在可用性指標上可行的系統(tǒng)設計方案是非常重要的。

三、立體車庫HMI的FSM描述方法

在設計HMI系統(tǒng)時，首先要以立體車庫的用戶任務為基礎對其進行描述，從而得到整個系統(tǒng)的抽象結構，再通過此結構進行具體界面系統(tǒng)的定義及任務過程的規(guī)劃。Thimbleby H曾使用矩陣和Makov模型對HMI進行描述來研究已有系統(tǒng)中的可用性設計問題。在本文中將采用有限狀態(tài)自動機(Finite State Machine，F(xiàn)SM)，以觸摸屏作為立體車庫HMI硬件的前提下對系統(tǒng)進行描述。

(一)Finite State Machine。FSM是一種表示有限狀態(tài)及狀態(tài)之間執(zhí)行和轉移的模型描述工具。狀態(tài)機理論最初應用在數(shù)字電路設計領域，因其簡單實用的特點，后又在軟件開發(fā)等領域得到了廣泛普及。

在HMI系統(tǒng)模型的描述中，可將其視為一個FSM模型。將HMI中不同的顯示內容視為各種狀態(tài)，將用戶的操作行為視為執(zhí)行動作。比如一個簡單的系統(tǒng)任務只需要一步操作，但會因用戶的操作是否正確而讓機器進入兩種不同的運行狀態(tài)。那么這個HMI系統(tǒng)就具有3種基本狀態(tài)，或者說3個基本界面，分別為待機狀態(tài)、運行狀態(tài)和錯誤狀態(tài)，命名為狀態(tài)1、狀態(tài)2和狀態(tài)3。而用戶在人機交互的過程中操作行為會出現(xiàn)三種形式，操作正確或操作錯誤和返回待機狀態(tài)，分別命名為動作1、動作2和動作3。在HMI的3種狀態(tài)中根據(jù)用戶動作的不同會相互轉換。那么這個簡單HMI系統(tǒng)的描述如圖1所示。

圖1 簡單HMI任務的FSM狀態(tài)圖

通過FSM狀態(tài)圖可以確定HMI所需界面的數(shù)量及內容，動作可以確定HMI頁面中操作信息的設定，而特定任務中可輸入的動作數(shù)量可以對單個HMI頁面內容的信息量作出評定，進而再對整個HMI系統(tǒng)進行優(yōu)化。

(二)立體車庫HMI系統(tǒng)的FSM模型。通過上述FSM的描述方法建立立體車庫HMI的模型。

1．立體車庫的任務分析。FSM模型是建立在用戶所需要執(zhí)行任務的基礎上的。使用立體車庫的用戶除一般停車用戶外，還有維護人員和廠家的技術人員。在這里只以一般用戶的任務為例進行分析。根據(jù)企業(yè)要求一般用戶的任務主要有4個:一是刷IC卡取車;二是手動取車，需要用戶分別輸入車位號及密碼;三是修改密碼，任務過程相對復雜，除輸入車位號及密碼外，還需要輸入兩次新密碼;四是IC卡注冊，需要先輸入車位號，再輸入密碼，之后分別執(zhí)行兩次刷卡操作，分別注冊主卡及副卡。

2．立體車庫HMI的FSM模型。在確定一般用戶的任務流程后，建立各個流程中所需要的主要狀態(tài)。如以手動取車為例，用戶要正確完成此項任務需要從主頁面出發(fā)，經(jīng)歷輸入車位號，輸入密碼和取車完成4種狀態(tài)才能完成操作。在這個過程中4個狀態(tài)經(jīng)歷了3次轉換，將各個狀態(tài)之間的輸入輸出關系用箭頭的方式連接起來，可確定各個狀態(tài)之間所需要的操作信息。之后再考慮在狀態(tài)轉換過程中用戶可能操作錯誤的情況，添加相應狀態(tài)，并與其它狀態(tài)建立輸入輸出關系。將4項任務流程的狀態(tài)及聯(lián)系都完成后FSM狀態(tài)圖如圖2所示。

圖2 立體車庫HMI的狀態(tài)圖

圖中通過對任務的分析共列出24個狀態(tài)，及7個動作。在7個動作中由于幾種用戶輸入的情況只需要一組數(shù)字輸入操作圖標，因此在HMI上歸為同一種動作。而實際操作中狀態(tài)的轉換部分需要系統(tǒng)自行判定的動作及計時的自動返回動作，由于并不需要在HMI中表示，因此未標示在圖中。

四、HMI系統(tǒng)的優(yōu)化

在完成立體車庫HMI的狀態(tài)圖后，雖然能得到24個狀態(tài)即24個界面的內容，及每種狀態(tài)所需要的操作信息。但由于此FSM模型只是考慮到各種可能發(fā)生狀況的一個基本模型，以此所建立的HMI系統(tǒng)卻并不一定具備有較好的可用性。因此需要對其進行分析改進以得出最優(yōu)結果。

對FSM模型的優(yōu)化基于可用性的基本原則，主要從兩方面進行。

第一個方面是每項任務的步驟數(shù)，對于像立體車庫這種公共設施來說，如果任務步驟過多是不合適的。在此基礎上對4項任務各自的狀態(tài)轉換過程進行分析，如表1所示。

表1 用戶任務的狀態(tài)轉換過程

從表中可以看到后三項用戶任務步驟有些多，可將一些界面狀態(tài)進行整合。根據(jù)實際使用情況，將狀態(tài)4和10，狀態(tài)6和12，狀態(tài)16和20、狀態(tài)8和14以一種界面狀態(tài)表示出來。這樣分別將任務步驟進行縮減，而各種輸入錯誤的情況仍由系統(tǒng)進行錯誤類型判定進入相應的狀態(tài)界面。

優(yōu)化的第二個方面為單個狀態(tài)的輸入動作數(shù)量，如果單個狀態(tài)中輸出動作過多也就意味著這個界面中必須有較多的輸入操作信息，如果存在不合適的操作信息會讓HMI的可用性下降。另外，在各個狀態(tài)之間是否需要建立聯(lián)系以提高便利性也是需要考慮的因素。本例中各種狀態(tài)下的動作信息均小于4，因此不作修改。

在優(yōu)化完成后，可根據(jù)狀態(tài)圖所確定的界面數(shù)量、內容及每個界面中所需要的操作信息進行系統(tǒng)的原型開發(fā)。

五、結語

本文以FSM為基礎，以立體車庫為例，提出了一種HMI系統(tǒng)原型的設計方法。其優(yōu)點在于在產(chǎn)品原型開發(fā)之前即通過FSM的優(yōu)化模型得到可用性較高的界面系統(tǒng)關系及信息。這種方法能夠讓HMI在原型階段具有較高的可用性，盡可能避免了在測試中由于原型可用性不高而導致的反復修改。但在模型優(yōu)化方面仍存在不足，后續(xù)研究中應嘗試導入更加客觀的方法進行調整。

［1］Card SK，Moran T P，Newell A．The psychology of human computer interaction［M］．New York:Laurence Erlbaum，2003

［2］付翠玉，關景泰．立體車庫發(fā)展的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)［J］．機械設計與制造，2005

［3］張東方．基于FAHP的立體車庫人機界面可用性評價方法［J］．機械設計，2014

［4］張東方．影響立體車庫HMI用戶主觀滿意度的可用性因素分析［J］．輕工科技，2014

［5］Thimbleby H W．User interface design with matrix algebra［J］．ACM Transactions on Computer-Human Interaction，2004

［6］Thimbleby H W，Caims P A，Jones M．Usability analysis with Markov models［J］．ACM Transactions on Computer-Human Interaction，2001