基于FSM的立體車庫HMI系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

□張東方

一、引言

對(duì)現(xiàn)今各類產(chǎn)品的人機(jī)界面(HMI)來說，可用性是一個(gè)衡量其性能的重要指標(biāo)。在可用性的評(píng)價(jià)方法中，最常用的有Card SK的GMOS模型法、焦點(diǎn)小組法、問卷調(diào)查法等。這些評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)中，如果產(chǎn)品原型在最初設(shè)計(jì)時(shí)就存在較大缺陷會(huì)給設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)及改良帶來很大困難。如果在產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)之初就對(duì)HMI系統(tǒng)作出合理的優(yōu)化無疑將會(huì)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)起到積極作用，本文將以此為重點(diǎn)，以立體車庫為例作出分析。

二、立體車庫及其可用性

隨著國(guó)內(nèi)汽車保有量的快速增長(zhǎng)，停車面積不足導(dǎo)致立體車庫在小區(qū)或公共場(chǎng)所的普及率迅速上升。關(guān)于立體車庫HMI的可用性設(shè)計(jì)，在之前已經(jīng)做過一些相關(guān)研究，這些研究的方法是對(duì)現(xiàn)有車庫HMI的可用性進(jìn)行評(píng)測(cè)，然后再運(yùn)用FAHP等方法尋找可用性問題出現(xiàn)的主要原因。但在實(shí)際的操作過程中，一些可用性方面的問題會(huì)因?yàn)橐延蠬MI硬件性能的限制很難得到改進(jìn)。因此，在設(shè)計(jì)之初就提出在可用性指標(biāo)上可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是非常重要的。

三、立體車庫HMI的FSM描述方法

在設(shè)計(jì)HMI系統(tǒng)時(shí)，首先要以立體車庫的用戶任務(wù)為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行描述，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)，再通過此結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體界面系統(tǒng)的定義及任務(wù)過程的規(guī)劃。Thimbleby H曾使用矩陣和Makov模型對(duì)HMI進(jìn)行描述來研究已有系統(tǒng)中的可用性設(shè)計(jì)問題。在本文中將采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)(Finite State Machine，F(xiàn)SM)，以觸摸屏作為立體車庫HMI硬件的前提下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(zhuǎn)移的模型描述工具。狀態(tài)機(jī)理論最初應(yīng)用在數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，因其簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，后又在軟件開發(fā)等領(lǐng)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(gè)FSM模型。將HMI中不同的顯示內(nèi)容視為各種狀態(tài)，將用戶的操作行為視為執(zhí)行動(dòng)作。比如一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)任務(wù)只需要一步操作，但會(huì)因用戶的操作是否正確而讓機(jī)器進(jìn)入兩種不同的運(yùn)行狀態(tài)。那么這個(gè)HMI系統(tǒng)就具有3種基本狀態(tài)，或者說3個(gè)基本界面，分別為待機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和錯(cuò)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(jī)交互的過程中操作行為會(huì)出現(xiàn)三種形式，操作正確或操作錯(cuò)誤和返回待機(jī)狀態(tài)，分別命名為動(dòng)作1、動(dòng)作2和動(dòng)作3。在HMI的3種狀態(tài)中根據(jù)用戶動(dòng)作的不同會(huì)相互轉(zhuǎn)換。那么這個(gè)簡(jiǎn)單HMI系統(tǒng)的描述如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)單HMI任務(wù)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(nèi)容，動(dòng)作可以確定HMI頁面中操作信息的設(shè)定，而特定任務(wù)中可輸入的動(dòng)作數(shù)量可以對(duì)單個(gè)HMI頁面內(nèi)容的信息量作出評(píng)定，進(jìn)而再對(duì)整個(gè)HMI系統(tǒng)進(jìn)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(wù)分析。FSM模型是建立在用戶所需要執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)上的。使用立體車庫的用戶除一般停車用戶外，還有維護(hù)人員和廠家的技術(shù)人員。在這里只以一般用戶的任務(wù)為例進(jìn)行分析。根據(jù)企業(yè)要求一般用戶的任務(wù)主要有4個(gè):一是刷IC卡取車;二是手動(dòng)取車，需要用戶分別輸入車位號(hào)及密碼;三是修改密碼，任務(wù)過程相對(duì)復(fù)雜，除輸入車位號(hào)及密碼外，還需要輸入兩次新密碼;四是IC卡注冊(cè)，需要先輸入車位號(hào)，再輸入密碼，之后分別執(zhí)行兩次刷卡操作，分別注冊(cè)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(wù)流程后，建立各個(gè)流程中所需要的主要狀態(tài)。如以手動(dòng)取車為例，用戶要正確完成此項(xiàng)任務(wù)需要從主頁面出發(fā)，經(jīng)歷輸入車位號(hào)，輸入密碼和取車完成4種狀態(tài)才能完成操作。在這個(gè)過程中4個(gè)狀態(tài)經(jīng)歷了3次轉(zhuǎn)換，將各個(gè)狀態(tài)之間的輸入輸出關(guān)系用箭頭的方式連接起來，可確定各個(gè)狀態(tài)之間所需要的操作信息。之后再考慮在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中用戶可能操作錯(cuò)誤的情況，添加相應(yīng)狀態(tài)，并與其它狀態(tài)建立輸入輸出關(guān)系。將4項(xiàng)任務(wù)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(duì)任務(wù)的分析共列出24個(gè)狀態(tài)，及7個(gè)動(dòng)作。在7個(gè)動(dòng)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(biāo)，因此在HMI上歸為同一種動(dòng)作。而實(shí)際操作中狀態(tài)的轉(zhuǎn)換部分需要系統(tǒng)自行判定的動(dòng)作及計(jì)時(shí)的自動(dòng)返回動(dòng)作，由于并不需要在HMI中表示，因此未標(biāo)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(gè)狀態(tài)即24個(gè)界面的內(nèi)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(gè)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(duì)其進(jìn)行分析改進(jìn)以得出最優(yōu)結(jié)果。

對(duì)FSM模型的優(yōu)化基于可用性的基本原則，主要從兩方面進(jìn)行。

第一個(gè)方面是每項(xiàng)任務(wù)的步驟數(shù)，對(duì)于像立體車庫這種公共設(shè)施來說，如果任務(wù)步驟過多是不合適的。在此基礎(chǔ)上對(duì)4項(xiàng)任務(wù)各自的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 用戶任務(wù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程

從表中可以看到后三項(xiàng)用戶任務(wù)步驟有些多，可將一些界面狀態(tài)進(jìn)行整合。根據(jù)實(shí)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(wù)步驟進(jìn)行縮減，而各種輸入錯(cuò)誤的情況仍由系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤類型判定進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)界面。

優(yōu)化的第二個(gè)方面為單個(gè)狀態(tài)的輸入動(dòng)作數(shù)量，如果單個(gè)狀態(tài)中輸出動(dòng)作過多也就意味著這個(gè)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(huì)讓HMI的可用性下降。另外，在各個(gè)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(dòng)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(nèi)容及每個(gè)界面中所需要的操作信息進(jìn)行系統(tǒng)的原型開發(fā)。

五、結(jié)語

本文以FSM為基礎(chǔ)，以立體車庫為例，提出了一種HMI系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)方法。其優(yōu)點(diǎn)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(guān)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(cè)試中由于原型可用性不高而導(dǎo)致的反復(fù)修改。但在模型優(yōu)化方面仍存在不足，后續(xù)研究中應(yīng)嘗試導(dǎo)入更加客觀的方法進(jìn)行調(diào)整。

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