基于用戶需求的智能焊接任務監控人機交互界面設計研究

摘要：目的：在當前制造業持續向數字化轉型升級的背景下，焊接生產成為重要環節，需要設計一款適用于焊裝智慧車間的監測系統交互界面，以滿足用戶在焊接過程中的實際操作需求。方法：研究采用Costa等人的三個主要階段開發交互過程，調查和分析用戶行為數據，對工控界面進行布局與功能規劃，在實際生產環境中完成可用性測試，確保界面符合用戶需求。結果：設計減少了焊接過程中的不穩定因素，用戶的人機交互體驗得到顯著優化，工人的操作需求得到切實滿足。結論：本研究基于用戶需求深入探討焊裝智慧車間任務實時監測系統的人機交互界面設計，契合智能焊接車間的實際應用場景，對提升焊接車間的生產效率與交互體驗具有積極意義，未來可進一步拓展優化功能，更好地服務于智能焊接領域。

關鍵詞：用戶需求；人機交互；界面設計；智能焊接

中圖分類號：TG409；TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）17-0-03

1 焊裝智慧車間介紹

智能制造是中國現代制造業的重要發展方向，焊裝智慧車間作為典型應用，核心在于通過智能化技術實現高效、精準的焊接作業。建設焊裝智慧車間不僅依賴先進的焊接設備，還需要高效的任務實時監測系統。監測系統可保障生產的透明度和可控性，通過實時監測參數，增強焊接的穩定性和一致性［1］。焊裝智慧車間與軟件建設已取得顯著進展，但在任務實時監測人機交互界面設計方面仍存在一些不足。人機交互界面設計能夠顯著提升工作效率和用戶體驗［2］，推動智慧車間智能化、高效化發展。應通過調研和分析用戶需求，了解工人的工作流程和習慣，設計符合用戶期望的界面。基于用戶需求和交互設計原則，設計簡潔、直觀、易用的界面，增強用戶操作的便捷性［3］。結合最新的交互技術，如觸摸屏、語音識別、增強現實等，提升界面的交互性和智能化水平。人機界面作為人與機器交互的重要媒介，其設計對提高生產效率具有重要意義［4-5］。

本研究探討焊裝智慧車間任務實時監測系統的人機交互界面設計，采用基于用戶需求的系統化設計方法和實證研究方法，切實提升焊裝車間生產效率和用戶體驗。

2 研究方法

2.1 以用戶為中心的設計方法

本研究使用的方法基于UCD原理，在早期設計中就考慮可用性。UCD是以用戶特征、目標、需求和偏好為中心的設計方法［6］。研究采用Costa等人確定的三個主要階段開發交互過程，即預設計、設計和最終評估。預設計階段指理解用戶需求；設計階段從設計草圖開始，最終形成設計理念和原型；最終評估包括原型測試。

2.2 三階段過程

研究遵循三階段設計方法，設計焊裝智慧車間任務實時監測系統的人機交互界面。在預設計階段，通過焦點小組和問卷調查進行用戶需求調研，繪制相關圖像，剖析痛點與機會點。設計階段，結合交互設計理論制定設計原則，進行界面設計與原型開發。完成設計后進入最終評估階段，即用戶可用性測試。三階段的研究框架流程如圖1所示。

3 研究過程

3.1 預設計階段：用戶需求調研

3.1.1 焦點小組

焦點小組是通過主持人半結構化的訪談收集人們對某一問題的看法的方法，探索用戶對智能焊接任務監控人機交互界面的體驗需求。

研究招募了8名經驗不同的參與者，包括焊接工程師和質量檢驗員。由主持人引導小組討論，安排專人記錄關鍵觀點和意見。結果表明，界面設計應充分考慮用戶的功能需求，合理分類和強調信息，增強界面的可讀性和易用性。

3.1.2 問卷調查

問卷調查是一種量化研究方法，通過收集相關信息，分析用戶觀點、需求和行為［7］。筆者以在線問卷的形式收集了116份有效問卷，樣本涵蓋行業不同領域。參與問卷的用戶以年輕的焊接工程師和質量監測員為主，其對檢測系統的了解程度較高，有較強的學習和適應新技術的能力。

調查結果顯示，用戶重點關注界面的功能布局和操作便捷性，還在實時監測、報警、數據分析等功能方面存在實際需求。

3.1.3 用戶畫像

作為實際用戶的虛擬代表，用戶畫像需要代表產品的目標群體［8］。在實際使用場景下選取車間技術員和焊接工程師兩種典型用戶，創建兩類具有代表性的用戶畫像。

第一類是車間技術員。該類用戶比較年輕，畢業時間短，主要負責協助工程師控制焊接質量。因此，界面要有良好的交互性，直觀展示焊接進度和質量狀態。

第二類是專業焊接工程師。該類用戶年齡較大，經驗豐富，主要使用監測系統監控焊接作業，要求界面提供詳細的數據分析，幫助評估焊接工藝的穩定性和改進方向。

3.1.4 用戶體驗地圖

用戶體驗地圖以地圖圖表的形式闡述故事流線，站在用戶視角記錄整個體驗過程［9］。通過時間順序描述用戶在不同階段的情緒，分析相應痛點背后的機會點，如圖2所示。

3.1.5 利益關系者地圖

在設計過程中，利益相關者分析可以挖掘各方的總體需求，指導后續設計［10］。利益關系者地圖通過研究、討論和分析，利用視覺化的方式表達利益相關者之間的關系。核心用戶是界面的直接使用者，按照使用需求具體分為焊接工程師、質量監測員和設備操作人員。由于使用場景的特殊性，因此他們的關注點主要集中在界面的準確性、易用性和可靠性上。因此，需要根據用戶需求增強界面的可操作性，降低數據錯誤率，確保焊接質量和工作安全。

3.2 設計階段：人機交互界面設計

3.2.1 功能設計

基于用戶調研與需求分析，設計三大主要功能：實時監測，精準呈現焊接電流、電壓和溫度，超預設范圍報警；數據分析，記錄存儲參數，對比不同批次任務數據生成質量報告；參數設置，依據焊接任務自定義參數范圍，適配不同需求與安全標準。

3.2.2 交互設計

在界面設計中，視覺語言應與用戶需求保持一致，保證布局的合理性、操作的便捷性，優化用戶的使用體驗。低保真線框圖如圖3所示。

3.2.3 視覺設計

界面設計遵循直觀性、易用性、準確性的總體原則。考慮到特殊的使用場景，以低飽和度的紫色為主色調，在確保視覺舒適的基礎上加強對比，達到凸顯關鍵信息的目的。采用通用規范化的圖標和無襯線字體，符合現代設計趨勢。字體線條簡潔清晰，扁平化的圖標按鈕減少了視覺雜質，增強了可讀性。

3.3 評估階段：用戶可用性測試

本研究設計的界面被部署在南京某焊裝數字化車間進行可用性評估。在所有終端設備上安裝包含新界面的監測系統，與車間的焊接設備、傳感器和其他數據采集設備集成，實現數據的實時傳輸和處理。

在實際生產環境中，選擇6名不同經驗水平的焊工參與測試，設置3項典型任務。觀察員記錄工人的操作步驟、時間和錯誤次數，結束后進行用戶訪談。測試結果表明，新界面顯著提升了工人的工作效率，降低了操作錯誤率，得到了用戶的高度認可，最后根據反饋建議進行修改完善。

4 結語

本研究通過系統的用戶需求調研、界面設計與原型開發以及實際車間的可用性測試，深入探討了焊裝智慧車間任務實時監測系統的人機交互界面設計。工業4.0給傳統車間帶來了數字化轉型的機會，也對工控系統人機交互界面設計提出了新要求。后續研究應繼續關注跨學科融合與創新，推動焊裝智慧車間進一步發展。

參考文獻：

［1］ 韓旭.焊接過程監測技術研究現狀［J］.現代制造技術與設備，2023，59（4）：83-85.

［2］ 吳曉莉，方澤茜，劉瀟，等.工業系統的智能交互模式及人因工效研究綜述［J］.包裝工程，2022，43（4）：12-26，44，15，13.

［3］ 孫林輝，韓貝貝，袁曉芳.礦山瓦斯監測系統中界面參數名稱呈現方式的眼動研究［J］.人類工效學，2020，26（2）：1-7.

［4］ 張偉，張睿瑞，朱春潮，等.基于智能化趨勢的工程機械界面設計研究［J］.包裝工程，2021，42（24）：389-393，400.

［5］ 趙劍威，哈斯額爾敦.基于人機協同優化研究的工業人機界面設計［J］.起重運輸機械，2024（16）：88-92.

［6］ 魏嘉焜，王家潤.手勢識別與交互綜述［J］.計算機與現代化，2024（8）：67-76.

［7］ 鄭晶晶.問卷調查法研究綜述［J］.理論觀察，2014（10）：102-103.

［8］ 劉建軍，馮佳寧，紀雨晴.基于服務設計的高校健康助手APP設計研究［J］.設計，2023，36（16）：46-49.

［9］ 李廣棟.基于用戶體驗地圖的廢紙回收3D云打印平臺創新設計研究［J］.包裝工程，2024，45（S1）：343-350.

［10］ 劉峙，高矚.服務設計理念下的新能源汽車充電產品設計研究［J］.工業設計，2024（9）：29-32.

基金項目：本論文為2024年度南京郵電大學教材研究微課題“AIGC賦能下的信息可視化藝術設計教材中圖像設計應用研究”成果，項目編號：JCYJ202406；2024年度南京郵電大學教學改革項目“AIGC賦能新形態高校教材建設研究——以信息可視化設計智能教材系統為例”研究成果，項目編號：JG00824JX80；2019年度江蘇省高校哲學社會科學研究項目“基于多維感知的智慧工廠人機交互模式研究”成果，項目編號：2019SJA0105；2024年度南京郵電大學數智融合課程建設項目“信息可視化藝術設計”研究成果

作者簡介：王希 （1992—） ，女，講師，研究方向：人機交互與智能制造融合創新、復雜系統信息設計；楊雨萱 （2003—） ，女，研究方向：信息設計；葉滋霖 （1999—） ，女，系本文通訊作者，研究方向：人機交互。

本文引用格式：王希，楊雨萱，葉滋霖.基于用戶需求的智能焊接任務監控人機交互界面設計研究［J］.藝術科技，2024，37（17）：-.