汽車公共充電樁系統交互設計研究

陳啟祥, 王 杰

(湖北工業大學工業設計學院， 湖北 武漢 430068)

汽車公共充電樁系統交互設計研究

陳啟祥, 王 杰

(湖北工業大學工業設計學院， 湖北 武漢 430068)

以新能源汽車的快速增長與現階段用戶充電難之間的矛盾為出發點，結合“物聯網”概念、認知資源模型的引入、交互設計及人機系統設計方法，研究構建了物聯網背景下公共充電樁系統的基本框架及信息交互模型，對公共充電樁系統設計未來的發展方向提供了可行性參考。

新能源汽車； 公共充電樁； 系統設計； 交互設計

針對新能源車主高速的生活節奏和相對落后的公共充電樁系統設計的矛盾，文獻[1]借助Net Micro Framework技術設計了新能源車充電樁控制系統，文獻[2]提供了基于STM32F107VCT6微控制器對新能源汽車充電樁系統的控制解決方案，文獻[3]設計了一種用于電動車等移動設備的充電控制系統，用來對于蓄電池充電保護與對電量狀態的提醒，文獻[4]實現了以STM32處理器為核心的控制系統在充電過程中對充電樁充電電流和充電狀態實時采集等功能。上述研究對于新能源車充電設備的研發設計提供了良好的指導建議，然而充電設施的產業化運行要求充電樁低成本、易維護、智能化，用戶使用的過程中則對充電樁的信息化、高效化、人性化等提出了更高的要求。

1 物聯網時代交互的特征

物聯網(Internet of Things,IoT)是新一代智能網絡，它旨在實現物理世界中情景感知、 信息處理和反饋控制這一過程。其目的是通過信息交互的形式，將物理情境中的物與物、人與物之間有效關聯，且關聯的過程中不受時間、地點的約束，以縮短信息系統與物理世界間的距離。

2 系統交互的技術支持

讓物體擁有“智慧”是物聯網技術的價值所在。其組成分為三個部分：情景感知，即實現對“物”的識別，主要技術應用為無線射頻(RFID)、傳感器、二維碼等；傳輸網絡，即實現數據的傳輸，主要技術應用為互聯網、廣電網絡、通信網絡等；智能處理，即實現對“物”的自動控制，智能管理，服務升級，主要技術應用為數據挖掘、云計算、中間件等，詳見表1。

表1 物聯網背景下公共充電樁交互設計的技術支持

3 系統交互設計流程

人機交互過程中，用戶認知負荷主要是由系統交互流程和有效信息的處理兩個因素決定的。在公共充電樁系統交互設計過程中，引入分布式認知理論資源模型和運用通用可用性設計方法來優化這兩個關鍵因素。

3.1交互信息結構確立

分布式認知理論資源模型的構建是為了描述信息資源與用戶行為之間的交互關系(圖1)。物聯網背景下充電樁系統信息交互的主要特征是自主、多通道、全方面信息傳遞，用戶可以隨時隨地完成交互任務。將物聯網引入資源模型中，整合環境、歷史、供給等認知元素，優化模型結構，簡化信息交互流程，從而降低用戶的認知負荷。

圖 1 交互模型的信息結構圖

圖 2 目標匹配與優化策略

圖 3 信息獲取與交互動作指導

3.2交互策略制定

缺乏分布式認知收斂機制和模糊的交互策略定

義，是人機交互研究中傳統資源模型的主要問題。智能處理技術使認知收斂得以實現。通過研究公共充電樁系統設計所需考慮的交互流程，實現交互策略的明確定義。

3.2.1目標匹配與優化目標匹配策略是資源模型中對目標最基本的處理，存在于執行任務的任意階段。引入物聯網技術元素描述目標匹配與優化策略的交互過程見圖2。在這一動態的過程中，依靠物聯網系統中的感知技術、傳輸網絡技術和智能處理技術來獲取各節點狀態變化，完成目標的匹配。當目標匹配不一致，系統資源重新評估，調整反饋到物聯網系統及目標，用戶根據優化結果和自己認知能力的分析，調整匹配方案，實現系統資源與用戶目標的正確匹配。

3.2.2物聯網信息獲取與交互動作指導用戶在確定下一步可能采取的交互動作時，需要對公共充電樁當前的物理環境、使用狀態等信息做出正確的推理和判斷。高效完成交互任務的關鍵點在于人機交互動作契合度的高低(圖3)。用戶根據自身知識，經驗以及對所處情景的了解去匹配物聯網中各節點狀態的感知處理結果。與用戶預期一致，服務系統指導下一步可能性操作，直至目標完成。一旦與預期不符，服務系統終止交互指導，并重新評估、更新、反饋給用戶及物聯網系統，指導用戶目標的重置和物聯網體系可用信息重獲取，直至實現目標。

物聯網技術下，資源模型在公共充電樁系統交互設計領域的應用還處于探索階段，人機交互特征的結合，資源模型中元素關聯性整合，交互策略的制定，對于研究公共充電樁系統交互設計的方法具有創新意義。

3.3任務需求分析與設計原則

運用通用可用性設計的方法建立信息交互設計矩陣來體現設計過程中的關注點(表2)，針對用戶活動和系統自控特征中需要考慮的問題制定設計原則。

表2 任務需求通用設計矩陣

3.3.1全面感知性將現有公共充電樁的基本信息，以特定的方式轉化成虛擬與現實空間的一部分。用戶通過物聯網可對感知到的信息進行接收、拓展、分享、創新，增強對公共充電樁的信息獲取速率及利用。物聯網背景下的用戶可以用拓展的感知——看更遠的空間，感受更復雜的物質。

3.3.2實時傳遞性公共充電樁的使用是過程性活動，受到時間、地點等因子的約束。物聯網背景下信息技術與新媒體技術的介入使得用戶在與感應器和互聯網所構成的信息空間交互過程中能夠實時獲取信息并進行多方面的交流，這也使公共充電樁系統設計時信息傳達模式不再受限于時間、地點等固定因子的影響。

3.3.3智能處理性物聯網結構中遠程信息處理技術解構與重組公共充電樁的有效信息，建立一個龐大的信息空間，生成特定的網絡，增加信息延展的可能性，實現虛擬信息數據對物理空間的高效率、智能化控制。

3.3.4交互一次性任何一個工具都應幫助用戶以最高效的方法去完成它的任務，這是工具的目的和使命。最高效的方法就是用最短的時間去完成任務，也就是說一旦用戶完成了它的任務，它就不會停留在產品里面而是去做別的事情，這就是一次性交互設計的含義。

3.3.5交互相關性拋棄統一時空、統一文化的使用體驗，將多種信息進行優化整合并通過終端傳遞到用戶個體，使物聯網下公共充電樁的使用體驗更多是圍繞用戶獨特性、多維層次的各自感知。因此在物物相連網絡中將不同種類的感知合理劃分，并借助媒介手段為用戶提供多類型、多層次、全方面的服務也是公共充電樁系統設計的重點所在。

3.4物聯網體系框架結構

公共充電樁系統中物聯網體系構架是一個分層的、開放的、可擴展的框架結構，目的是為了實現擁有較強異構性感知環節中異構信息之間的互聯、互通與互操作。其基本框架見圖4。圖中描述的是一個自下而上的分層體系，分層框架的一個最大特點是用戶通過各種感知網絡在最靠近的地方形成無所不在的網絡環境中輕松使用各種服務，并依托互聯網、云計算等公共網絡服務平臺，為用戶提供達成目標最優化的信息要素，降低用戶的認知難度，極大節約時間成本。

圖 4 公共充電樁系統中物聯網體系基本構架

3.5物聯網背景下公共充電樁系統交互模型設計

根據任務需求分析，確定了在與公共充電樁系統發生交互動作的過程中系統信息容量、系統響應時間、交互步驟和物理情境是影響用戶認知負荷的主要因素，制定了系統設計的原則。與各個子任務進行信息匹配與任務指導，明確了人機交互過程的具體流程。建立物聯網在公共充電樁系統的框架結構，可以優化系統交互的信息量以及物物相連的可控系統，在此基礎上構建物聯網背景下公共充電樁系統交互設計的總體架構(圖5)。

圖 5 物聯網背景下公共充電樁系統交互模型設計

系統模型中，公共充電樁系統通過感應設備采集公共充電樁的狀態、位置以及物理環境、電網信息等數據，通過互聯網絡上傳至云平臺處理，用戶通過接受云平臺處理過的信息，來與充電樁進行交互行為。在整個過程中，對用戶而言，當用戶了解到公共充電樁位置、路況信息、充電樁使用狀態、排隊人數、收費信息時，用戶可以選擇最高效的方式來進行公用充電樁的選取，當用戶導航前往時，其他公共充電樁將不再與用戶發生信息交互，避免冗雜信息堆積。進行充電時，公共充電樁系統預估充電時長，實時監控，跳槍報警，充電完成提醒，公共休閑娛樂信息提示等，有效提升用戶充電過程中的服務體驗。對于公共充電樁系統而言，通過感應器采集用戶車輛型號、電池容量、充電效率、充電樁狀態、充電樁充電效率、物理環境等信息，經數據加密處理，能更好地掌握充電樁的運行狀態，高效完成電樁維修保養，為設計更好的優化公用充電樁系統方案提供依據。

4 結束語

本文通過將物聯網技術引入用戶認知資源模型中，探索降低用戶認知難度來達到用戶使用的高效性，同時制定交互策略指導用戶認知過程中交互信息的匹配以及交互動作的可行性指導，運用通用性設計法則建立信息交互矩陣分析用戶與系統、系統與系統之間的關鍵點，并以此為基礎，建立了公共充電樁系統中物聯網體系基本構架以及物聯網背景下公共充電樁系統交互模型的設計，為公共服務系統設計提供參考。

隨著物聯網技術的發展，相信未來公共充電樁系統交互設計更加人性化，交互方式更加多元化，以適應現代城市的高速發展，以及用戶群體個性化需求。

[1] 陳杰，李建祥，劉海波，等．基于.Net Micro Framework的電動汽車充電樁控制系統的設計[J]．微計算機信息，2012，28(9):67-68．

[2] 魏國，商慧杰，朱春波，等．電動汽車交流充電樁系統設計[J]．計算機測量與控制，2016，24(3):124-126.

[3] 邢蘇，周國平，何碧漪，等.一種新型高精度充電樁系統的設計[J].計算機測量與控制，2016，24(3):190-192.

[4] 徐坤，周子昂，吳定允，等.計算機測量與控制[J].河南科技大學學報(自然科學版)，2016，27(3):47-52.

[責任編校：張巖芳]

TheInteractiveDesignofVehiclePublicChargingPileSystem

CHEN Qixiang, WANG Jie

(SchoolofIndustrialDesign,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on the concept of “Internet of Things”, the introduction of cognitive model, the interactive design and the design method of man-machines system, the paper constructs the basic framework and information interaction model of the public charging pile system in the context of “Internet of Things”, which provide a feasible reference for the future development direction of the public charging pile system.

the new energy vehicles, public charging pile, system design, interaction design

2017-02-15

陳啟祥(1966-)， 男， 湖北漢川人，湖北工業大學教授, 研究方向為數字媒體及交互設計

1003-4684(2017)05-0073-04

TB18

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