由 芳， 杨伟光， 郑贵锋， 张 俊， 崔 巍

（1.同济大学艺术与传媒学院，上海 201804；2.中山大学计算机学院，广州 510006；3.同济大学设计创意学院，上海 200092）

0 引言

随着汽车自动化和智能化的发展，更多的智能化功能被置入汽车座舱中，而如何与这些功能进行交互成为愈发重要的问题。新的智能化功能提高了用户的驾乘体验，同时也对交互设计提出了新的要求，有效、科学的设计方法起着至关重要的作用。交互界面设计教学直接影响研究生的创新能力与设计思维的培养，将教学与工作域分析理论相结合，掌握多种有效的设计分析方法有助于汽车人机交互领域的学生进行设计推导和研究工作。传统的设计推导，即以用户为中心的设计方法［1-2］，经常通过头脑风暴、调查问卷和访谈等主观数据来确定界面设计的功能框架，相较传统主观设计方法，工作域分析（Work Domain Analysis，WDA）则是通过提炼客观条件逐步推导出功能框架，它的引入能够为界面设计教学提供新的方法和思路。其中，抽象层次结构（Abstraction Hierarchy，AH）作为WDA中常用的分析方法，能够较好地帮助学生探索智能座舱等复杂系统中的交互界面设计相关问题。此外，WDA能够根据需求而对其中的框架单独使用或组合使用，从而帮助学生解决不同阶段的设计问题，启发设计优化与迭代。如关注减轻驾驶员的认知负荷，提高其完成任务的绩效等维度的设计优化。掌握工作域分析中的方法，通过实践提高界面设计分析推导能力，有助于研究生后续的学习和发展［3］。

本文涉及到“智能座舱界面设计研究与推导”是研究生界面设计课程内容。课程以智能座舱交互功能设计为基础，在前期引导学生了解并尝试使用AH 推导相关界面功能架构，并结合不同状态下的座舱情况进行相应的变化；后期培养学生界面元素定位及设计能力，根据前期方法推导的结果产出具体的界面设计方案并进行简单的可用性评估，从而证明设计方案的可行性。

1 WDA的应用及优势

1.1 WDA在人机交互领域的应用

WDA最早是由Rasumussen 提出，它描述了一个从功能目的到物理形式五层次的抽象层次结构，以便产生系统交互的高级概述。垂直的抽象层次之间解释了分析对象从“是什么”到“怎么做”或“为什么”的问题［4］。该方法广泛应用于人机交互领域，如舰船指挥与控制，航空领域［5］。目前，WDA在汽车领域也应用广泛，如人机交互界面HMII 设计、车载系统层级构建等。

1.2 WDA的流程与优势

1.2.1 基本流程

在使用WDA时，通常运用到AH 作为分析工具，将分析对象代入其中的5 个层次：功能目的、抽象功能、广义功能、物理功能、物理形式，自上而下或自下而上进行模型构建［6］。

1.2.2 优势

目前WDA已在汽车HMII 领域有一定的应用案例，若将其推广至智能座舱界面设计教学中，运用WDA方法进行设计推导具有以下优势：

（1）运用WDA开展的设计推导结果更为客观与完整。WDA 是以“工作”为中心，通过分析人的认知行为设计系统框架，分析信息行为对工作的影响，并为信息系统设计提供整体思路［7］。相比使用以“用户”为中心设计理念相关的方法与工具推导出的结果，前者更具客观性与整体性［8］。

（2）WDA作为分析工具操作简单，易于使用［9］。学生容易学习掌握，并根据不同的设计需求来推导各自的功能架构或评测任务，在独自进行设计推导实践中不容易出错，便于在教学中展开。以WDA 为例，AH作为该阶段主要的分析工具，工具介绍部分给出了不同层次所对应的内容，便于学生在使用时理解与掌握。AH的层级解释及模型原理如图1 所示。

图1 AH抽象层次结构的解释及模型原理

2 教学目标及方法探索

2.1 教学目标

为使学生深入了解学习智能座舱中的界面设计，需要在传统的设计实践基础上，注入设计理论支撑，从而使得学生在设计的过程中不再单单凭借主观的想法或经验进行设计产出。该环节重视培养学生的设计思维与分析能力，针对界面设计推导实践开展智能座舱的界面设计课程，课程面向研究生群体，并依托学院多年智能汽车交互研究背景及设备环境条件，学生以“智能座舱中的界面设计”为主题进行发散研究。该课程的开设为达到以下教学目标：

（1）通过课程讲授让研究生了解并掌握从设计需求—设计推导—设计输出整个过程中的分析流程与方法。培养学生分析复杂系统的能力，引导学生深入了解智能座舱的交互设计及界面设计，拓展学生在此方面的知识。

（2）学习掌握WDA中所涉及到分析方法与实践工具，学会借助AH推导出具有理论支撑的设计方案，并能够在此基础上进一步深入与优化。

2.2 教学方法探索

教学方法采用翻转课堂模式，以小组为单位。课程在传统的设计教学模式基础上，融入设计理论，加强设计产出部分的理论支撑。并且建立以研究生作为界面设计课程的学习主体、教师为引导的教学关系，充分发挥学生的主观能动性［10］。这种教学模式贯穿整个设计流程，主要体现在以下三方面：

（1）自主选择设计载体及交互对象。教师根据学院的研究背景及设备环境条件确定课程主题，学生可根据主题背景自主选择交互载体并以小组合作的形式开展对应的界面设计工作。各组同学根据选择的不同载体确定对应的设计目的，教师在此过程中把握大的设计方向，并指导学生使用WDA 相关的设计分析方法推导对应的功能架构。

（2）自主拟定交互流程与原型制作。要求学生根据所选择的交互载体以及推导出的功能架构进行交互低保真的绘制，教师对其交互流程方案提出改进意见。学生根据教师的反馈落实交互流程方案的合理性，并着手方案的纸上原型制作。学生通过简单的纸上原型演绎在智能座舱中相应载体的界面跳转变化。

（3）自主设计评测实验与数据分析。教师介绍评测环境、评测方法和设备使用方法，并鼓励学生运用制作的纸上原型与现有的虚拟仿真模拟器拟定评测实验任务，学生根据设计方案自主开展实验设计，选择合适的测量指标，教师对实验评测方案提出改进建议。随后要求学生对实验采集的主观数据与行为绩效数据进行分析处理，探究所采集的数据与驾驶员认知负荷的内在关联性，综合分析原因并给出结论。

3 课程设计实践

3.1 设计分析与推导

设计方案由学生提出，围绕“智能座舱中的界面设计”主题，在确定载体为中控屏幕后，将设计点集中于手动/自动驾驶状态下中控智能化功能的信息架构差异。并使用AH作为该阶段主要的分析工具开展设计工作。学生由此推导整理出手动/自动驾驶状态下不同的抽象层次结构内容，如图2 所示。

图2 驾驶情况下抽象层次结构推导过程

学生使用抽象层次结构推导至第5 层结构后，可获得所需功能架构的初始形态，通过整理归纳则可得到在不同驾驶情况下的信息功能架构。值得一提的是，整理时需考虑到驾驶状态的变化会引起功能架构上的变化，该变化一方面是以AH 推导出的结果为基础；另一方面学生能够加入自己的主观理解，从而产出具有差异化的设计方案。

例如，手动驾驶状态下，着重展示功能的完整性以及快捷操作的属性，则对应的信息架构会将绝大多数功能平展在页面上，功能多为一级信息；自动驾驶状态下，着重展示车辆状态和驾驶意图，则对应的信息架构会将车辆基本信息置于一级信息，其他的功能都将视为辅助功能放置二级信息。图3 为手动/自动驾驶状态下对应信息功能架构的差异示图。

图3 手动/自动驾驶状态下对应信息功能架构的差异示图

3.2 界面设计与原型制作

（1）界面设计。学生在推导出智能座舱不同驾驶状态下的信息架构后，需要结合人机界面标准化设计原则［11-12］，即清晰性原则、一致性原则、易学性原则和容错性原则开展设计工作。在此阶段，学生需遵循人机界面设计原则的同时，融入自定的视觉语言，输出每个功能的关键页面与基本的交互流程说明，为后续的评测实验做准备。不同驾驶模式下的高保真界面设计如图4 所示。

图4 手动/自动驾驶模式高保真界面设计

（2）原型制作。学生根据前期的界面设计方案推导，设计适合其搭载的展示载体。载体造型可寻找立体构成造型以及人机工程学尺寸比例等进行参考，确保纸上原型的比例大小满足用户正常且舒适地使用，同时也能演绎在智能座舱中界面的跳转变化。图5 为学生根据设计搭建的纸上原型。

图5 纸上原型搭建

3.3 实验设计与准备

（1）实验设备与实验参与者。实验装置包括中控界面纸上原型、汽车驾驶环境模拟器，驾驶模拟器采用Fanatec Porsche 918 RSR 方向盘及相关配件，搭建一台搭载三通道融合环幕的电脑，采用Unity 软件开发模拟车辆周围环境仿真程序，评测的虚拟场景为自主开发的双向两车道程序。其他实验材料包括评估问卷、访谈录音设备等。共有9 名具备驾驶经验的被试参与了模拟器上的原型测试实验，平均年龄24 岁，平均驾龄1.25 年。

（2）实验设计。实验设计由学生提出，实验目的在于让被试使用结合WDA 产出的设计方案，通过主观数据和客观数据的双重论证，证明该设计方案在可行性上占优。实验分为主任务与次任务，主任务为被试驾驶模拟器以规定速度完成一段目标行程，次任务则是被试在手动驾驶和自动驾驶状态下分别完成与中控原型的交互操作，次任务的任务规划与学生已有界面高保真内容有关，学生根据已有实验材料安排合适的实验任务。具体任务描述如图6 所示。

图6 实验驾驶任务清单

（3）实验流程。在搭建完实验环境后，中控纸上原型放置符合人机工程学的对应位置，邀请9 名被试上驾驶仿真台架逐一进行实验：实验前会为被试安排基础培训并让其提前试驾模拟器，使其熟悉相关设备。随后依次完成主任务和次任务，每个次任务完成后需填写ASQ 场景后问卷，待所有任务均完成后，完成SUS系统可用性量表并对被试进行深度访谈［13］。实验流程说明与实验过程如图7、8 所示。

图7 实验流程

图8 实验现场操作

4 实验结果与讨论

4.1 客观数据分析

实验过程中，被试者通过汽车驾驶环境模拟器进行模拟驾驶，模拟器收集被试者完成任务期间的车速数据，统计结果如图9 所示。多数被试者在完成任务期间能够保持车速稳定在25 ～35 km/h，车速平均值为31.72 km/h，被试操作中控原型的动作对被试维持行驶速度的影响较小，说明被试者在使用该设计方案时能够较为迅速和准确地完成操作任务，且对驾驶安全性影响不大。

图9 驾驶模拟器车速数据

4.2 主观数据分析

4.2.1 ASQ场景后问卷数据分析

根据被试者填写的ASQ场景后问卷数据，对每个任务在问卷关于有效性、效率、满意度3 个可用性维度上的问题计算平均得分，结果如图10 所示。根据所得数据，两个任务在有效性、效率、满意度3 个维度上的得分均较高，表明中控原型在两个任务上都具备较高的可用性。其中，任务2 在效率维度上的得分相对较低，结合实验观察，可能存在的原因是首页功能入口的icon设计存在歧义，表意不明，导致用户在完成任务时花费的时间提高。

图10 ASQ场景后问卷数据

4.2.2 SUS系统可用性数据分析

根据被试者填写的SUS 可用性量表数据，换算得出系统可用性总得分以及系统在可用性、易学性2 个分维度的得分［14］，如图11、12 所示。在系统总体可用性上，中控原型的平均得分为74.7，将该分数引入研究者提出的评级量表［15-16］中，对应的可用性评级为GOOD。如图13 所示，说明系统可用性较好，处于中上水平。中控原型在易学性维度的平均得分低于可用性维度的平均得分，后期设计的迭代改进应着重于引导用户对界面设计元素的认知提升和学习等方面。

图11 SUS系统可用性量表数据

图12 SUS系统可用性量表均值数据

图13 Bangor提出的系统可用性形容词评级量表

4.3 实验结果

实验收集的客观数据与主观数据表明，实验所用中控原型设计方案在被试者模拟驾驶汽车的过程中，对车辆正常行驶的影响较小，被试者能够以较好的交互体验完成任务的同时，维持平稳驾驶，驾驶的安全性也得到了较好的保证。说明通过使用WDA所推导出的结构框架、界面设计，在后期的论证过程中被证明有一定的可用性。

5 结语

本文选取学生界面设计课程方案，选题为“基于WDA的智能座舱中控模块界面设计”，通过使用WDA以及对应的AH分析工具，推导智能座舱自动与手动状态下的功能架构，产出最终的界面设计方案，评测实验借助驾驶模拟器，完成手动与自动两种状态下的主次驾驶任务。结合客观车辆数据与主观SUS 可用性量表数据、ASQ数据以及访谈数据，发现通过WDA推导出的界面设计方案在完成实验任务时可用性水平较好，等级达到GOOD，后续的优化可着重于提升用户操作效率与提升易学性两方面。

该课程依托学院科研背景，紧密结合专业特色，为提高学生界面元素定位及设计能力和评测能力，教师从课程前期指导学生自主展开功能推导和方案设计，到课程后期由学生自主进行实验设计，在实验中模拟真实驾驶场景，结合主观测量综合分析出推导方案的可用性水平，帮助学生加强对界面设计推导能力，深化信息架构分析能力与评测能力，同时培养汽车人机交互设计的兴趣和实验能力，为学生后续自主展开研究奠定基础。