基于行為構建的城市軌道隧道爬壁鉆孔機器人交互界面設計

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

。隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，地鐵隧道占比越來越多，地鐵隧道牽引供電接觸網、側壁電纜、管道以及緊急疏散平臺等機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、作業平臺輔助人工手持鉆孔作業模式，存在很多問題，如：(1)人工鉆孔依靠個人經驗，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，作業難度大、作業效率低、且存在安全隱患；(3)隧道壁中預埋了大量鋼筋，鉆孔作業時只能進行試探性鉆孔，大大影響了鉆孔效率；(4)鉆孔數量龐大，往往需要臨時雇用大量技工，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器人，通過工人在隧道中對機器人實時操控進行鉆孔作業，從而提升鉆孔效率，消除安全隱患

。然而，這種遠程式的操控模式，又形成了新的智能設備人機交互問題，如工人在使用手持操控器或者平板電腦交互界面時需要防止誤觸行為等，這就需要對交互行為進行設計。基于此，文章將基于行為構建理論進行適應場景需求的交互界面設計研究。

1 行為構建概述

在人與產品交互的過程中，產品需要對用戶的行為作出交互反應，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 是行為和動作的意思，智能交互產品設計最關鍵的設計因素即為行為設計。其中，產品實體作為行為的觸發和實現媒介，行為即為實體和人的鏈接方式。而行為的設計主要基于用戶的情感和體驗。就如同辛向陽所說：人、動作、工具或媒介、目的和場景構成交互設計的五要素

。交互設計過程中的決策邏輯也主要采用行為邏輯

。

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

，行為包括三個基本要素：激勵、實現能力和觸發條件。其中激勵是行為發生的動機，而動機的本質即為滿足用戶的本能需求，以及在此基礎上滿足用戶情感和個人實現等方面的更高需求，這就需要通過用戶研究發現用戶的基本愿景和設計情境

。實現能力意味著行為設計需要遵循一定的人因設計規則，并根據用戶愿景設計符合設計情境的行為特征

。觸發條件指的是行為的觸發點設計需要具有學習成本低，容易接受的特點，這就需要利用行為觀察分析等設計方法獲取用戶習慣，并設計直白自然的行為觸發點

。因此，構建良好的行為設計可以更好地改善用戶與設計物的交互效果，尤其在目前的實體交互逐漸增多的設計情境中，行為構建能夠更好地促進用戶與設計物的溝通和感知。

2 交互界面設計概述

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。在交互設計領域，以UI（User Interface，用戶界面，以下簡稱為UI）為交互主體的界面形式逐漸消失，鍵盤鼠標等傳統交互工具漸漸弱化。學習成本更低、交互方式更為自然的非桌面和非屏幕式的實體交互正在逐步完善。國際工業設計協會（ICSID）將工業設計的目的定義為旨在引導創新、面對設計情境重新解構問題，并建立更好的產品、系統、服務、體驗機會

。在這種理念的號召下，交互界面設計的范疇和適應性得到了極大地擴展，傳統的交互界面設計視角也從“生產”轉為更深層地對于人的需求的關注。在這種設計情境中，設計師在設計時首先需要關注的是設計的目的，以及引發的人類行為和合理體驗，而不再將設計重點放在簡單地滿足產品功能上

。相應地，全新的交互方式也從傳統的指令—執行的功能滿足性交互方式轉變為非線性的，能夠根據設計情境與人產生互動和交流的智能交互方式。

3 基于行為構建的城市軌道隧道爬壁鉆孔機器人交互界面設計意義

文章可以有效推動行為構建理論與實踐方法研究，在設計過程中利用對于產品相關的行為動機、觸發以及實現能力等理論獲取能夠直接應用于交互產品的典型行為。在基于行為構建的交互界面設計的同時，也從實踐角度對基于行為構建的交互界面設計方法進行驗證。文章可以豐富交互設計理論體系，并為以行為表現為特征的新型交互模式提供理論和實踐參考，并在應用實踐上提升隧道交互作業效率，降低特殊環境中的安全隱患。

4 基于行為構建的城市軌道隧道爬壁鉆孔機器人交互界面設計流程

基于行為構建設計基礎理論，通過激勵設計、情境設計探查了真實的用戶愿景和產品愿景，而后基于行為觀察方法進行了典型行為設計與生成，最終形成了城市軌道隧道鉆孔爬壁機器人交互界面原型設計。具體流程如下：

4.1 激勵設計

夏季的廬山很熱鬧。合面街是最繁華的商業街，從合面街到河南路口是單面街。河南路口對面，現在的振豪超市，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。當年的胡金芳大旅社聲名遠播，生意遠勝于仙巖飯店。

情境設計階段的目的在于基于激勵設計階段得到的產品愿景，通過用戶參與式情境挖掘等方式獲取對行為設計有影響的設計情境和初步的解決方案，具體內容如下：

用戶研究方法中的行為觀察法經常被用來統計在操作各種任務功能時頻率最高的交互行為

。基于設計愿景和設計情境及其解決方案，以FBS 行為模型內容作為設計準則，參考Vanden等研究中提到的交互行為設計條例

，設計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機器人位置進行調整，并在機器人進入不可鉆孔區域時，通過逐漸急促的振動和燈光傳遞警示信號，由于位置操控行為操作頻率較高，為了便于拇指操作，作用區域主要位于控制器的右部；(2)確定行為，主要采用按鈕點擊來確定在該位置鉆孔，基于Alalwan 等的經驗

，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，會有燈光實時反饋；(3)取消行為，主要采用按鈕點擊來取消鉆孔操作，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，會有實時反饋。

基于以上設計情境，采用行為觀察和參與式設計的方式獲取在以上情境中能夠傳遞和表達信息的典型交互行為，并要求這些設計行為能夠直接對交互設計產生影響。為了讓交互行為操作更為簡單，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。最終總結得到初步的任務功能即：(1)感受設備狀態，涉及定位情境和喚醒情境，研究發現工人們需要能夠實時感受到設備狀態（如運行正常/故障等），并需要直觀地對設備狀態和突發狀況有所了解和預知；(2)當前位置的可鉆孔狀態，涉及正面和負面情境，能夠實時顯示當前位置是否能夠進行鉆孔；(3)執行和取消狀態，涉及正面和負面情境，分別表示對鉆孔操作進行確定，以及進行取消操作；(4)位置操控，能夠控制爬壁機器人在隧道壁上進行二向移動，從而尋找最佳的鉆孔位置。

縱觀中外教師形象差異時，可以發現西方更加強調教師智慧，教師不僅僅傳授知識，更是對學生進行啟迪，對學生思想產生影響；中國則更加強調教師師德，“德高為師”這是這一形象的生動寫照。從蘇格拉底“產婆術”，夸美紐斯“班級授課制”，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用。執教于西南大學近50年的黃希庭教授，堪稱“凝心靜氣做學問，為人師表帶學生”教書育人楷模，半個世紀的潛心耕耘，教書、育人、科研“三位一體”，成為了中國知識分子閃耀的光芒，他在為師、為人、為學方面彰顯了師者風范。

4.2 情境設計

將車輛推置于稱重軌上，稱重軌上有8個載重臺，載重臺將輪對舉升，通過傳感器測得各輪重，根據輪重數據指導工人進行調平。調平的方法有兩種：一種是在軸箱彈簧處加墊片，一種是調節空氣彈簧高度調整閥。由于在軸箱彈簧處加設墊片的操作復雜，因此優先通過調節空氣彈簧高度調整閥來調整輪重。工人打開一輛車對角的空氣彈簧高度調整閥來調節輪重，輪重數據實時顯示在控制室，當輪重差符合要求后，停止調節；若不能調平，則在軸箱彈簧處加設墊片，再調節空氣彈簧高度調整閥來調平輪重，如此重復直到調平，若始終不能調平，則該車不合格。

激勵設計部分的研究主要目的在于理解用戶并獲取用戶愿景

。其中最關鍵的步驟就在于如何發現目標用戶在實際生活中遇到的關鍵痛點，并在后續的設計中對設計痛點進行解決。采用的主要手段就在于通過對用戶真實工作場景的深入，在自然的工作環境中讓研究人員移情式地沉浸在真實情境中，從而發現用戶的關鍵需求和關鍵問題。如用戶在操控機器時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、數字化與自動化-汽車行業正在面臨顛覆性變革，先進的電池與電子電氣技術正在重塑汽車設計與制造。漢高下定決心要在本次轉型中發揮決定性作用，以幫助客戶推動電動交通的未來，并從公司的全面產品和服務組合中獲益，在整個組件價值鏈中提供高效、可靠、安全且可持續的解決方案。

首先，進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，設計師、主試與目標用戶組成設計小組；其次，由主試引導目標用戶進行頭腦風暴，設計師在參與頭腦風暴的同時，需要將用戶提出的可能解決的方案和情境用設計草圖的方式表達出來，并在第一時間提交給用戶確認，并根據用戶的意見進行實時修改。在參與式設計完成后，由主試和設計師對設計情境和方案進行整理，最終得到了四個主要的設計情境（圖2）。其中包括：(1)定位情境，用戶需要控制機器在兩軸坐標中的位置，并能控制其進行選址，而且表達存在的行為方式是動態的（即不是有或無這種簡單的狀態切換）；(2)正面情境，在作出肯定處理的時候，需要有一種交互行為模式將自己表達肯定的動態傳遞給設備，交互模式應該是具有肯定含義的；(3)負面情境，當認為并未達到預期目標時，需要有一種交互行為模式將自己表達否定的動態傳遞給設備，交互模式應該是具有肯定含義的，并且負面情境具有轉為積極情境的能力；(4)喚醒情境，可以隨時啟動或者停止，并通過交互行為媒介向設備傳遞信號。

而后采用進階式訪談獲取進一步的用戶信息（圖1）。進階式訪談是用戶體驗領域的一個重要的信息獲取方法

，通過不斷地對被試進行“為什么”式的發問，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，并且能夠構建體驗和功能之間的顯性聯系。而后通過語義信息收集和分析，就可以總結并得到產品愿景，后續的行為構建需要將產品愿景作為設計的終極目標和標桿進行設計。研究得到的產品愿景為：(1)用戶（工人）需要一個能夠實時傳遞機器狀態的媒介，傳遞方式是不需要低頭操作的；(2)能夠實現雙方除語音視頻通道之外的交流；(3)具有較低的學習成本和自然的觸發機制。

基于以上研究獲取的典型行為和用戶愿景與設計情境，將行為構建的結果作為智能交互產品原型的設計目標，將智能平板作為交互產品的承載平臺，通過交互界面設計完成隧道鉆孔爬壁機器人的交互原型設計。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器人進行鉆孔操作。主要分為位置調整、確認鉆孔、取消操作、鉆孔數據監測等界面模塊。這些模塊的設計特征為：(1)位置調整模塊，位置調整模塊的交互頻率和強度較高，為了適應用戶的右手行為習慣，位置調整模塊位于交互界面右側，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導致的“胖手指（fat finger）”需求；(2)確認鉆孔和取消操作模塊，確認鉆孔和取消操作模塊交互頻率較低，其中確認鉆孔的交互頻率要高于取消操作，因此將確認鉆孔的交互按鈕設置在屏幕右側，從而便于用戶操作；(3)鉆孔數據監測模塊，由于數據展示不需要交互操作，因此將其設置在界面的左側位置，主要用于實時展示當前的鉆孔數據、機器人定位數據以及任務數據等信息。

4.3 典型行為設計與生成

為了更好地移情于目標用戶，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，給目標用戶發放了情況調查表和一天生活日志調查表，需要目標用戶在一周內完成對典型的一天以及基本信息的描述，并將其返回到實驗者的郵箱中。基于事先對用戶的基本生活流程和狀態的了解，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器人交互界面原型設計

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

這些模塊都以上節研究得到的交互行為作為交互動作，并按照相應的操作頻率和防誤觸需求設立各按鈕的位置。由于隧道內光環境較暗，因此背景色和交互ICON 的顏色都以暗色調為主。

5 結語

文章在行為構建和交互界面的理論基礎上，綜合利用用戶體驗設計的理論方法，結合FBM 行為模型等理論模型，對城市隧道爬壁鉆孔機器人用戶群體的行為特征進行了挖掘和設計，同時基于行為構建進行了城市軌道隧道爬壁鉆孔機器人交互界面設計，從結果來看具有一定的理論和現實意義。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一步梳理，行為構建理論和用戶體驗理論的結合深度還存在不足等等，這些將會在后續的研究中繼續深入。

[1]劉桓龍，李茂，于蘭英，等.地鐵隧道多方位高精度鉆孔設備的方案設計[J].城市軌道交通研究，2017，20（4）：39-42+47.

[2]程磊，程志楷，連少朋，等.時空效應下不同孔徑超前鉆孔有效排放半徑研究[J].中國安全生產科學技術，2021，17（9）：72-76.

[3]Stephanidis C.Design for All in Digital Technologies[J].Handbook of Human Factors and Ergonomics,2021：1187-1215.

[4]辛向陽.交互設計：從物理邏輯到行為邏輯[J].裝飾，2015（1）：58-62.

[5]Kurtmollaiev S,Fjuk A,Pedersen P E,et al.Organizational transformation through service design：The institutional logics perspective[J].Journal of Service Research,2018,21(1)：59-74.

[6]Fogg B.A behavior model for persuasive design[C]// Persuasive Technology,Fourth International Conference,PERSUASIVE 2009,Claremont,California,USA,April 26-29,2009.Proceedings.2009：1-7.

[7]Oh C,Song J,Choi J,et al.I lead,you help but only with enough details：Understanding user experience of co-creation with artificial intelligence[C]//Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems.2018：1-13.

[8]Cai C J,Winter S,Steiner D,et al."Hello AI"：Uncovering the Onboarding Needs of Medical Practitioners for Human-AI Collaborative Decision-Making[J].Proceedings of the ACM on Human-computer Interaction,2019,3(CSCW)：1-24.

[9]歐靜，趙江洪.多維情感—動作與產品形態的交互設計研究[J].包裝工程，2015（18）：49-53.

[10]Fogg B.A behavior model for persuasive design[C]// Persuasive Technology,Fourth International Conference,PERSUASIVE 2009,Claremont,California,USA,April 26-29,2009.Proceedings.2009：1-7.

[11]Wastling T,Charnley F,Moreno M.Design for circular behaviour：Considering users in a circular economy[J].Sustainability,2018,10(6)：1743.

[12]Silpasuwanchai C,Ren X.Designing concurrent full-body gestures for intense gameplay[J].International Journal of Human-Computer Studies,2015,80:1-13.

[13]Vanden Abeele V,Zaman B,De Grooff D.User eXperience Laddering with preschoolers：Unveiling attributes and benefits of cuddly toy interfaces[J].Personal &Ubiquitous Computing,2011,16(4)：451-465.

[14]Alalwan A A.Mobile food ordering apps：An empirical study of the factors affecting customer e-satisfaction and continued intention to reuse[J].International Journal of Information Management,2020,50：28-44.