多用戶交互視角下智慧家庭系統設計策略研究

摘要：為智慧家庭多用戶交互體驗設計提供方法參考。分析智能家居交互設計研究趨勢，闡述了智慧家庭系統下的用戶角色關聯、多用戶交互的特征及需求。提出了智慧家庭多用戶交互設計策略及建議。該方法有助于更好地支持多用戶交互，提升了智慧家庭交互體驗。

關鍵詞：智能家居；多用戶；用戶體驗；交互設計；設計策略

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）12-0097-03

Abstract：Provide a reference for the design of multi user interaction experiences in smart homes. Analyze the research trend of smart home interaction design，and elaborate on user role association and the characteristics and needs of multi user interaction in smart home systems. Proposed design strategies and suggestions for multi user interaction in smart homes. This method helps to better support multi user interaction and enhance the interactive experience of smart homes.

Keywords：Smart home；Multi-user；User experience；Interaction design；Design strategy

前言

在物聯網（internet of things，IoT）、人工智能（artificial intelligence，AI）等技術賦能智能家居的背景下，智能家居逐漸變得更為便捷高效和人性化。面對其市場規模的逐年擴大，智能家居始終承載著消費者們對智慧居家生活的美好體驗日漸增長的期待和向往。

縱觀華為、美的、海爾等企業的智能家居系統交互設計，它們整體上考慮了不同家庭用戶的需求差異，在用戶個性化功能上取得了一定成效。但在多用戶共享的智能家居系統下，用戶之間的差異并未很好地實現平衡，繼而引發各種問題，比如生理差異導致的多人共處一室溫感不一致、認知能力差異導致的兒童不理解反饋信息等。此外，家庭智慧場景通常伴有多名用戶的存在，且未來智慧場景還會延伸至家的周邊，用戶交互關聯網將更為復雜，若交互過程中有某環節或某位用戶的體驗感較差，會影響該場景的整體體驗。因此，智能家居系統多用戶交互問題亟待解決，需進一步探索以優化交互體驗。

當前，智能家居領域的相關研究主要針對技術層面的創新與分析，交互設計視角的相關研究較少[1]。且目前大多現有相關研究僅針對某一特定人群，著重從個人使用角度考慮，而非系統整體用戶。家庭環境不乏社交，個人與系統的互動也會牽動其他用戶，為防止沖突和對他人的意外影響，應設計適于多用戶交互的系統，以支持用戶在交互過程中相互考慮[2]。為了支持以家庭用戶為核心的人性化交互體驗，需要從多用戶交互視角探究智慧家庭系統交互設計，而已有研究中鮮有此方面的探索，這為本文的研究提供了契機。

一、智能家居交互設計相關研究趨勢

（一）智能家居行業人機交互的發展

物聯網、人工智能等技術的創新發展與智能家居共同進化、協同發展。

在以產品為中心的單品智能階段，各大家用電器公司集中于細分領域的智能產品升級，設計研發了各類智能家電產品，如智能燈具、智能門鎖、智能攝像頭等，各單品基本為分散化的狀態。移動互聯網的普及后，用戶可以通過智能手機無線控制各類智能設備。此階段的人機交互方式和適用場景都較為單一，智能設備被動接收用戶的操控并執行規定的行為，反饋的信息也比較有限。

在以場景為中心的聯動智能階段，物聯網技術讓智能家居設備具備感知、計算和通信等功能，實現對環境和狀態的監測與控制。隨著語音識別、生物識別等技術的發展，人機交互的方式也越來越多樣和智能化，主要有觸摸、語音、生物識別、手勢交互等。用戶通過智能手機等終端實現遠程操控家中的智能設備、使用場景自動化等一系列操作。但此時的智能家居系統往往因為是由不同廠商的不同設備組成，而缺乏統一的標準和接口，難以實現數據共享和互聯互通。

在以用戶為中心的全面智能階段，智能家居設備之間互聯互通，有組織地協調運作并智能協同全屋資源，形成一個和諧共存的生態系統，目前國內較領先的全屋智能正處于此階段的開端。以AIoH（AI+IoH）為代表的新型人工智能應用形態將助力該階段進入全新面貌，加強智能家居的感知理解能力、適應性學習和自主決策能力，推測用戶實時的需求和意圖，主動為用戶提供生活、健康、娛樂等多方面個性化的服務，打造更為便捷、舒適的生活方式。同時，人工智能還可以對與用戶關聯的數據做出深度分析，在用戶進行認知任務及決策過程中起到輔助作用，讓用戶體驗更貼心。

在未來，人機交互方式會越發多樣化和自然化，用戶與智能系統協同合作共創理想家居生活。不局限于特定的設備和場景位置，用戶可以通過語音、手勢、眼球追蹤等方式與智能家居系統進行多模態交互，同時系統通過智能感知與分析用戶行為狀態、設備使用場景、空間環境因素等主動提供服務并進行多模態的交互反饋[3]，實現人機共生的狀態。

（二）智能家居交互設計的研究趨勢

萬物互聯的時代背景下，物聯網、人工智能等新技術已深入人們生活的各個方面，改變著我們的生活方式，技術的革新促使人們對智能家居智慧化產生了新期待及新需求，為跟上時代發展變化和順應交互體驗升級要求，國內外研究學者們對如何通過設計手段來提升智能家居系統的交互體驗進行了多維度的探討。

其中，戴以蘅等人認為智能家居產品的交互設計趨勢是主動交互，通過以人為本的感知、信息可視化的顯示、內容共享的控制、情感互動的理解增強了智慧場景的交互體驗，提出了以人為中心的有序主動交互設計策略[4]。黃立等人對近5年智能家居交互設計相關文獻研究進行了梳理，發現近年來智能家居領域的研究逐漸從技術創新的角度轉向人性化設計的角度，研究者開始更加注重用戶體驗和需求，并總結了智能家居交互設計的5個研究趨勢，分別為：關注交互設計促進交互體驗升級；關注用戶行為以貼合用戶需求；關注數據、隱私與安全提升用戶信賴度；關注智能設備實現自然交互；考慮可持續設計和用戶共創推動設計探索[1]。

結合業界和組織機構的最新研究來看，可以發現智能家居行業的交互設計正在走向智能交互、主動交互、自然交互，更加關注用戶交互體驗，以促成便捷、舒適、健康、和諧的人性化智能家居交互體驗。相關設計研究多是針對某一特定人群如老人或兒童，鮮有對家庭用戶群體進行探討，而家庭用戶作為智能家居用戶體驗的核心人群，其社交需求及內外部用戶的互動關系也是人性化設計的重要一環，多用戶交互的問題值得進一步的探究。

二、智慧家庭系統下的多用戶交互

（一）智慧家庭場景中的用戶角色及關聯

智慧家庭場景涉及的用戶具有多樣性及復雜性。在智能家居系統的長期使用過程中，通常會涉及多名用戶的交互，包含了家庭成員用戶及家庭外部用戶參與的交互。對于家庭成員用戶，根據智能家居用戶相關研究內容，可以了解到在先前的一些研究中家庭用戶一般會分為管理者和普通用戶，Geeng C等人將管理者稱為“smart home driver”[5]，還有部分研究對象用戶群體為老年人、青少年等特定人群。在此基礎上，本文根據用戶的認知水平、交互能力、與系統交互的參與深度進行角色劃分，將家庭成員用戶分為生態管理者、直接使用者、依賴照護者。一般情況下，管理者只需負責一個智能家居系統，更為復雜的情況是有遠程監護空巢老人需求的管理者，其需要負責多個智能家居系統，則其地理位置所在的智能家居系統為主系統，空巢老人所在的系統為副系統。家庭外部用戶會涉及訪客（到訪的朋友等）、外部代理人員（臨時代理監護的親戚等）、服務人員（社區負責人等）等，本文統一歸類為外部使用者角色。

其中，生態管理者角色通常為家中的男主人或女主人，也是負責購買和配置家居設備的人，其交互能力層級相對較高，參與交互的層級最深，在系統的使用控制權等方面占據主導地位。直接使用者角色交互能力層級相對中等偏高，其無需負責管理系統生態，直接參與系統交互，擁有系統的基本使用控制權限等。依賴照護者角色通常為家中的老人或兒童，其交互能力層級相對較低，需要家中其他成員的監護與協助，受生態管理者的管理，其擁有系統一定的使用控制權限。外部使用者角色與直接使用者的交互能力層級類似，受生態管理者的管控，僅在一定的場景或期限內授予特定的使用控制或查看等權限。

在某些情況下，這些用戶角色也存在著交疊或轉變，比如生態管理者同時也是直接使用者、兒童隨著成長逐漸從依賴照護者轉變為直接使用者，角色的轉變也同樣伴隨著用戶角色關聯的變化。

用戶角色及其關聯會影響智能家居交互的許多方面，包括設備控制權限、訪問權限、場景規則的制定、用戶界面和交互方式等。在智能家居場景下，基于不同的情景，多個用戶角色之間在交互目的上存在著一定的關聯，涉及互動關系、行為方式等維度，見圖1。

在一個共享的任務或場景中，多個用戶通過各自的控制終端與智能家居進行信息交換和互動。生態管理者對其他用戶角色進行管理，包括管控對各類設備的使用權限、參與場景交互的優先級等。同時，管理者與直接使用者有時會建立協作關系，比如共享系統設備共同調節參數等；當依賴照護者對管理者提出需求時，管理者可通過系統進行相關設置修改、遠程監護或協助工作；當外部使用者請求參與系統交互時，管理者可對其進行授權，甚至可以邀請信任的外部使用者進行更深層的系統交互。此外，直接使用者、依賴照護者與外部使用者之間在與系統交互時互不干擾，在特殊情況下會產生一定的協助、協作或代理關系。

（二）多用戶交互的特征

多用戶交互具有用戶、環境、任務的多維度復雜性和動態變化的不確定性特征。在一個智能家居系統所面向的多種場景中存在著多名用戶，他們之間有著各種差異，使得他們在同一場景中的感知狀態、情緒態度和處理問題的方式等不一致，這些情況都可能會導致用戶間互相影響而產生沖突，給智能家居系統的使用效果和用戶滿意度帶來負面影響。

從用戶的基本屬性來看，用戶間在使用智能家居系統時會存在認知水平、習慣偏好、期望需求、價值觀的差異。交互式系統提供的靈活性有時可能會加劇多用戶使用情況的沖突[6]，因為當呈現更多的控制可能性時，不同用戶之間的差異則更加明顯，從而導致沖突。例如，當燈只能打開或關閉時，幾乎沒有分歧，但當選項包括顏色、飽和度、亮度等時，偏好差異可能會變得更大。

并且，研究表明，多用戶的家庭環境下各項因素具有高度動態性。各用戶之間除了上述基本屬性的差異，還有行為及狀態的差異，且用戶基本屬性的某些因素并非一成不變，例如偏好、生活方式等因素會隨著時間的推移而發生變化[7]，因此使用場景、用戶配置、自定義選擇和協調策略所基于的層次結構極其復雜，所有的前值設定不可能一直完美無缺。受當前技術成熟度的限制，智能系統算法對上下文的錯誤理解可能會滋生問題，所以僅通過系統基于情境分析自動協調多用戶交互不是最好的解決方案，需要通過合理化的設計手段增加用戶參與度，將交互的最終協調決策權留給用戶。

（三）多用戶交互的需求

面對用戶之間的差異，在智能家居系統下多用戶交互可能會出現各種問題和沖突。Niemantsverdriet K等人將家庭環境中的照明沖突分為3類：基于價值的沖突、基于偏好的沖突和基于活動的沖突[6]。結合智能家居多用戶相關研究，可以基本歸納出引發沖突的因素主要有兩類，一是用戶屬性的不一致，二是用戶權力的不平衡。例如，由于個體生理差異，家庭生活日常中可能會出現多人在場對溫度控制有著不同要求的情況，向智能助手發送不同的調控指令；家中的管理者由于在管控設備、其他用戶和配置自動化規則上占有主導地位，管控他人房間的設備可能會侵犯他人的隱私權從而引發不滿。另外，外部用戶也可能對設備所有者產生干擾，例如來訪客人對家中智能助手進行操控，智能助手記錄學習了客人的行為習慣及偏好，或者客人擅自利用語音命令智能助手下訂單，影響了所有者對其掌控。

同時，Salovaara A等人研究發現家庭用戶有著許多社交需求，包括家庭成員之間的溝通、協調、相互支持等[8]。例如，用戶通過共享系統對對方進行留言互動。此外，隨著智能社區系統、智慧養老系統等人工智能應用形態的發展，智能家居系統的拓展性新場景將會增多，這意味著內外部用戶的社交內容會隨之變得更加豐富，新需求也就接踵而至。

通過上述分析，可以得出智慧家庭系統多用戶交互的需求主要體現在以下方面：

1.用戶多樣性的和諧共存需求：面對多用戶交互的智能家居系統，用戶需要系統能通過聲紋、面部或指紋識別等技術，識別和區分多樣的用戶角色，支持多種交互方式并存、多模態信息交互，以適應各個用戶的使用習慣、偏好等，滿足用戶的個性化需求。同時，還需要滿足家庭用戶交互行為互不干擾、和諧共存的需求。為預防使用場景交疊導致的設備執行沖突等交互影響問題，界面需給予用戶對角色權限優先級的設定和調整機會；當沖突發生時，交互界面需提供具有其他用戶狀態的關鍵信息以及建議進行協調，形成一定的社交透明度，以便用戶互相理解后決定執行最優的替換方案。并且還需充分考慮各個用戶的需求及反饋，分別向其呈現合適的可解釋性信息反饋，成為以用戶為中心的可理解的系統[9]。

2.用戶間的社交需求：智能家居系統不僅僅是家庭氛圍的調和者，也可以是家庭幸福氛圍的營造者。用戶希望能直接通過該系統交互界面與其他家庭用戶產生交流和互動，例如提醒家庭成員待辦事務、共享智能設備進行協作、遠程求助家人處理問題、異常情況下權限限時讓渡、為伴侶預設關懷問候或驚喜場景等。同樣的，家庭用戶還希望以便捷友好的方式與外部用戶進行互動。例如，通過系統授權操作，委托親戚朋友通過智能攝像頭臨時代理監護家中老人。

3.用戶間的利益保護需求：用戶需要智能系統能夠通過加密、認證或授權等機制，保護家庭內部用戶的安全和隱私。同時，對于外部用戶與系統交互的偏好和行為習慣相關語音指令記錄予以自動刪除，保障家庭用戶個性化服務的精準度。

4.用戶因素動態變化的包容性需求：從智能家居系統長期使用的角度來看，用戶角色數量、關聯及用戶行為變化影響著多用戶與智能家居系統的互動體驗，需要系統包容性支持多個用戶不斷發展變化的不同特征，提供靈活可調的設置方式，例如支持用戶角色設定的修改、用戶偏好的改變等。

三、面向多用戶交互的智慧家庭系統設計策略

為提高智能家居系統交互體驗的質量，鑒于家庭用戶為系統服務的核心對象，提倡從多用戶交互視角關注用戶體驗，對此提出以下設計策略及框架，見圖2：

1.優化交互邏輯：交互系統中有效滲透用戶角色信息

相較于一對一的人機交互場景，智能系統居于家庭環境中，其感知內容包含了多名用戶的行為、環境及設備狀態，其中用戶的角色關聯、行為狀態、角色屬性影響著系統的推理與決策。基于智能系統的用戶識別及情境分析技術，將用戶角色信息合理融入各類設備及場景交互中，例如“設置”功能區增加用戶角色權限優先級的設定、場景規則預設中添入優先級相關的前置條件等。這不僅能提高系統對用戶意圖、行為的敏感度，還便于系統智能分析各項交互操作對其他用戶的可能性影響，進而自動決策執行較高優先級的事件，規避多用戶交互的沖突問題。值得注意的是，用戶優先級并非一成不變，應隨活動情境而變，普通場景設定通用優先級，特殊場景下另設優先級，系統在滿足復雜的調控需求時，也需通過巧妙的設計為用戶減負。此外，需要尊重用戶的隱私權，實現細粒度的用戶授權管理，并提供系統決策的可解釋性信息以增加用戶的信任感。

在用戶進行智能家居的體驗過程中，若系統預測到用戶使用設備沖突，可將所需關鍵信息比如有關他人的偏好、價值觀、活動的信息，以可視化視覺反饋、語音反饋等多種形式告知用戶決策依據及決策結果[10]，并提供相應的替換建議方案以主動協調，接受用戶的決策意見后確定執行。

2.豐富交互內容：為家庭用戶提供更細節、極致的個性化服務

支持各個家庭用戶的動態個性化，為不同用戶角色靈活切換與其適配的典型交互模式，包含交互界面風格、交互信息內容形式、交互方式，例如向用戶呈現符合偏好、習慣的界面風格，提供合適的多模態信息反饋。并賦予語音助手人格多樣的特征，靈活匹配符合用戶偏好的對話模式，包含音色、語速、音量、表達方式特征等[11]。這種方式在一定程度上也可以規避家庭用戶之間的隱私問題。

3.拓展交互功能：支持用戶間的社交需求促進和諧氛圍

為滿足家庭用戶的多樣化社交需求（交流、共享、協作、關懷監護等），合理有效地提供全屋設備、場景運行狀態信息、其他用戶的狀態及歷史互動記錄，支持用戶間的理解和溝通；提供智能家居合作工具包或共享板塊以供用戶交流、協作；并關注用戶情感情緒需求，給予營造浪漫儀式感等預設場景、分享情緒的機會，增強用戶間的互動和幸福感。

4.挖掘交互潛能：考慮利用用戶價值促成系統可持續的設計生態

提升用戶參與度，在系統中增加可支持用戶反饋和參與共創的界面板塊，例如經用戶授權允許，收集沖突情況信息或用戶評價信息用于系統交互體驗的升級；增加可供用戶體驗反饋的評論互動及用戶共創功能區。一方面利于系統吸納用戶價值促成系統對用戶行為的自適應學習優化，另一方面便于設計師長期動態地追蹤收集并理解用戶家庭結構成長的需求變化和建議，從而有針對性地迭代交互設計，為家庭用戶提供更精準的個性化服務，從而提升人性化交互體驗。

總結

家庭用戶作為智能家居體驗的核心服務人群，其差異的平衡也是人性化設計的重要內容。智慧場景下的交互問題不僅需要算法技術的優化，也需要從多用戶交互的視角深入研究，用設計手段來改善。從優化交互邏輯、豐富交互內容、拓展交互功能、挖掘交互潛能4個維度，構建面向多用戶交互的智慧家庭系統設計策略，能夠為設計研究者提供設計表達的指導性建議，幫助營造和諧友好的智慧家庭環境，促進用戶人性化的交互體驗。

此外，未來隨著場景交互空間的向外延伸，智慧家庭系統涉及的外部用戶角色和環境因素會更復雜多樣，系統決策判斷的干擾項則會增多，不僅算法技術需迭代優化，相應的交互界面設計也面臨著新考驗，如何通過設計實現對用戶隱私的保護也有待進一步探究。

基金項目：國家社會科學基金藝術學項目（2023BG02934）

參考文獻

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