以人为中心的人机交互复杂产品系统设计

赖朝安 LAI Chao-an；徐翠璐 XU Cui-lu

（华南理工大学工商管理学院工业工程系，广州 510640）

摘要：工程师在设计电梯等复杂产品系统时，很难准确全面地确定各种利益相关者的不同需求，而最终客户需求的全面分析对于开发高附加值的、界面友好的、实用的产品至关重要。面向电梯产品的设计，基于管道管理模型以及图形工具的引入，本文提出一种以人为中心的、面向人机交互密集的复杂产品系统的设计方法，将多种用户多种角色纳入到分析对象中，并进行了三维虚拟人体的分析，将这些角色的偏好及能力转化为产品概念，增强了产品的适用面、舒适性与创新性。

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关键词 ：以人为中心；复杂产品系统；电梯；设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0219-05

基金项目：广东省创新方法工作项目（2013B061000004）；广东省创新方法与决策管理系统重点实验室开放课题基金。

作者简介：赖朝安（1973－），男，广西钦州人，副教授，博士，主要研究方向为产品创新、人因工程等。

0 引言

在复杂产品系统的开发流程中，各种利益相关者的需求都应被充分考虑。特别是对于存在密切人机交互的系统，人应该处于系统设计的核心位置，以保证系统可以满足各种使用情况下的需求。在设计界，以人为中心的设计已经成为主流的观点，以至于设计人员经常不加思考地采用。本文基于以人为中心的设计（human-centered design，HCD）进行扩展，引入行为图、基于情景的设计（scenario-based design，SBD）准则，提出一种适合复杂产品系统的设计流程。

HCD是指在设计产品或系统时，将客户置于设计与开发过程的中心[1]。HCD在产品开发过程中发挥重要指导作用。在激烈的市场竞争中，产品成功由客户是否满意决定，而客户满意由客户需求的满足来实现。HCD方法使产品设计与客户需求匹配[2]，通过这种匹配提高产品质量、客户满意度与产品成功率。然而，设计与需求的匹配是困难的、不准确的[3]。客户通过使用非技术语言来描述他们的需求。HCD方法需要将技术设计与非技术语言匹配，这种匹配准确度通常比较低。因此，大部份产品并没有与客户需求相匹配。

HCD的缺陷在于，HCD以已经作好技术准备为前提，一旦明确客户需求，可以迅速地完成产品设计并推出市场。另外，以人为中心还缺乏明确的实现途径。Don Norman在ACM通信杂志“交互设计”专栏中写道：“这个世界上的大多数东西都是在没有得益于以人为中心的设计方法的情况下被设计出来的，不过这些东西仍然工作得很好。...最基本的原因就是，在它们被设计时，这些物品所被用来从事的活动是经过深入理解的，这就是以行为为中心的设计”。人的行为才应该是设计的焦点。

HCD已经纳入到ISO标准中。ISO 13407明确定义了HCD的4种主要活动[4]：理解并定义使用情景，定义客户及组织的需求，制订设计方案，并依据需求对设计进行评估。

本文的主要目标是设计一种新型的电梯产品，以支持老人、病人的特殊需求，满足老龄化社会的需要，而相关的支撑技术并未完全具备。

基于以人为中心的启发，具有特殊需要的人群，包括制造商、老人、病人，以及他们的护士等各种人群及其行为过程，被纳入到电梯系统开发的每一步骤中：从电梯系统开发的最早的概念阶段，进行用户的行为分析，直至电梯系统设计的最终评价。

以行为为中心以及SBD是本文依据的另一方法准则。在人机交互领域中，场景已经被作为一种多个系统开发阶段使用的工具，它能帮助所有的利益相关者贡献自己的系统分析、设计与评价意见。

设计师通常使用情景来组织、论证和交流思想。情景作为语言的辅助，描述人的行为，使客户可以融入到设计流程中，并帮助他们确定需求。通过描述多种情景下的各种行为过程，可展现出序列性的需求。在整个设计循环中，描述行为的工具可首先用于描述产品当前使用的目标与需求，然后通过迭代的设计与评估过程转换、提炼设计目标与需求。多情景下的行为描述有助于检验、仿真分析、展示各种可能的设计方案结果。

1 设计流程的思考

通常，客户需求空间向产品设计空间转换的过程会导致信息的丢失。一些产品开发的机制，例如质量功能展开（QFD）关注产品的性能、可靠性、寿命等因素在后续开发过程中的贯彻，但与情感有关的因素由于较难获取与描述，因而在质量功能展开过程中易于被忽略、丢失[5]。

关于开发流程，学术界及管理实践逐渐形成了如下四种观点[6]：门径管理；管道管理；功能-作用原理-结构的映射过程；风险管理系统。

管道管理模型[7]为最主流的观点，它将产品开发流程定义为：产品规划－概念开发－系统级设计－详细设计－测试纠正及生产起步。这一流程类似一条不断缩窄的管道，在这一喇叭形态的“管道”中，流动着的新产品可选方案及对应的开发项目数量越来越少，而新产品方案的信息却越来越丰富、具体。

然而这一流程模型对人机交互的需求缺乏足够的考虑与重视。为此，文献[8]提出，具有复杂人机交互的系统的研发流程应具有如下步骤：焦点开发－创建当前系统应用的工作流－问题定义及确定设计目标－创建未来系统应用的工作流－创建功能概要－创建物理概要－将物理概要分解至可管理的模块。通过对当前系统应用工作流的分析，存在的问题得到全面的展示；通过对未来系统应用工作流的规划，引导思维边界的突破及全新观念的产生。

基于以上研究可以设想，构建一种图形化的、易于理解的多层次行为视图，使非专家的普遍客户也能参与到设计中来，也使设计工程师能更好地理解电梯行业、护理行业等多个不同领域的背景与技术，以更有效地利用所有利益相关者在设计过程中达成的共识。俗话说：一图胜千言，在开发复杂产品系统时特别如此。下文以电梯为例说明。（图2）

2 电梯实例

随着老龄化社会的临近，越来越多地需要在公共设施设计中考虑老年人、病人的需要，电梯作为一种垂直升降的公共交通设施，需要重视这一趋势。

为此，首先在设计其轿厢内部装潢时，应考虑到人的情感因素，尽量使电梯给人一种舒适温馨的感受，多使用温暖色调，避免冰冷暗淡的色调；其次，需要考虑病人以及各种医疗设备，例如病床、吊瓶架、氧气瓶等抢救设备所需要的大尺寸空间，以及杀菌化学制剂的使用；最后，适当考虑防撞缓冲的需求，减轻相撞时的冲击保护病床上的病人。

目前，还没有一种电梯能满足这一需要：不只需要考虑正常人的使用，还要考虑承载病人，运送病床及医疗设备，同时需要考虑这些特殊情况发生的偶然性，考虑电梯的可制造性、可装配性，以尽可能降低产品成本与能量消耗，并具有较高水平的人机交互界面与可操作性。

2.1 步骤1：产品规划

产品规划环节由开发团队执行，其目的是制定产品开发任务书。团队包括如下成员：工业设计师1人，电梯设计工程师5人，制造工程师1人，医护人员1人，医学专业人员1人，电梯维护人员1人。经过市场的细分与分析、技术发展趋势分析、企业战略分析三者的匹配，最后经过头脑风暴会议来完成产品规划。

产品开发任务书的研究对象是：明确设计的焦点；定义新产品的概念；确认目标客户；确认安全有效使用电梯的障碍；搜集对产品设计特征的意见。

通过产品规划，认为新型电梯的焦点是感性设计、人机交互，在有限的空间内需要容纳担架、轮椅及病人，减少碰撞振动与不适，并进行安全高效的电梯控制操作，同时又要满足节能环保的要求。

在开发过程的早期阶段确定产品的焦点是一项困难的工作。通过这一阶段，潜在的设计意图逐渐变得清晰。

2.2 步骤2：客户需求获取

2.2.1 理解当前使用情景

通过归纳客户操作电梯的行为习惯和固有特性，创建当前系统的行为图，形成获取多层次客户需求的框架，这是多层次信息视图的重要组成部份。步骤如下：

首先，以来自医院的医护人员，以及家有老人病人的普遍电梯客户共50人，为访谈对象，基于步骤1确定的产品设计焦点与概念，进行面对面的半结构化的访谈（interview）。该步骤主要用于明确如下问题：需要用担架、轮椅搬运病人时电梯的操作过程；在这过程中所遇到哪些问题，以及这些问题的条件、过程与后果；对于电梯设施有何感性需求；任何影响在执行医护任务时安全高效使用电梯的因素。

对系统实际操作环境及客户的全面且精确的洞察，对于系统的设计以及客户需求的满足至关重要。为了确认当前实践的问题，设计者应首先将总结所获得的设计信息转换为行为图，以描述当前系统的作用。仅作为示意，如图2所示，该行为图显示了电梯从制造装配、运输、安装维护到客户使用的全生命周期的行为，以图形化的直观方式使得全面的客户需求，且不易遗漏。图中，方向线的粗细表示该方向所指的行为的频率，线越粗表示该行为越常见；箭头的方向表示行为的串行关系。

2.2.2 确认存在问题及设计目标

2.2.2.1 访谈与数据收集

基于当前使用行为图指出的每一使用模式，围绕如下问题进行访谈并收集数据：

①客户在与电梯交互过程中遇到的问题，以及这些问题如何随着客户属性的变化而变化；

②这些问题发生的频率，以及对不同客户产生的后果；

③新型电梯应如何克服这些问题；

④安全高效使用电梯的障碍；

⑤新型电梯对病人、普通用户、电梯安装维护人员、医疗机构、医护人员等各种客户有何益处；

⑥新型电梯的设计偏好。

2.2.2.2 数据组织与分析

在上述步骤系统性地收集资料的基础上，基于质性分析的方法，寻找反映客户需求本质的核心概念，然后通过这些概念之间的联系建构完整的需求模型。访谈调研数据转换为如下三个类别：需求；障碍；设计，简洁地展示数据分析结果，如表1所示。

对原始资料进行进一步的定性分析以后，明确存在的问题及设计目标：

①电梯生产与运输。

电梯包装箱在很长一段时间不能引起厂商及设计人员的重视，只是简单给以部件包裹，这才很大程度上违背了人性化的设计原则。电梯包装箱存在如下问题：裸包装部件遇潮湿后易生锈，不便于运输；纸箱包装，易损坏，不便运输，零散易丢件。应考虑新型的包装箱，以达到方便搬运、整齐美观的目的。

②电梯操纵显示器。

电梯操纵显示器在感性需求上尤为重要。乘客首先接触的是电梯的外部操纵显示器，进入轿厢后同样需要操控电梯内部的操纵显示器，进行楼层选择。色彩搭配以及按钮布局排布是其感性设计的关键。当人在受到色彩的刺激后，会产生心理暗示，色彩搭配必须尊重这种因果关系。

③电梯的空间。

常用的电梯长度从1.3米到1.6米不等，而一部急救担架的长度超过1.8米。狭小的电梯放不下担架。由于患者不能颠簸晃动，医护人员（或家属）常常只能将担架半竖着放进电梯，让患者斜躺在担架上，容易使病情加重。《住宅设计规范》(GB50096-1999)规定：“十二层及以上的高层住宅，每栋楼不能少于两台电梯，其中一台电梯应该能容纳担架。”然而，开发商从成本的角度考虑，在不少的电梯上没有执行这一规定。

④不适合行动不便人员使用。

目前电梯按钮主要采用亮光来显示楼层，并不适合于盲人使用。盲人进入电梯时，不便于方便的找到希望到达的楼层，所以对于盲人来说，单独乘坐电梯很不方便。

扶手在安装时往往有螺钉突出，行动不便人员往往难以避开，并且不美观。

电梯震动或坠落时，电梯无适当的支撑物，震动或坠落会造成伤害，对行动不便人员的伤害特别大。

⑤电梯环境。

传统的通风装置是电力驱动的风扇，购置成本与使用成本较高。

2.2.3 设计未来的使用情景

在这一步骤中，将当前的使用情景转换为未来的使用情景，如图3所示。在未来的使用情景中，当前问题被消除，产品愿景得以实现。未来的使用情景是一种对人机交互过程的高度概括，有助于设计团队及设计参与者理解电梯使用的环境，显示关键的设计问题。

在未来的使用情景中，不需扩大轿厢的整体尺寸而低成本地实现大尺寸的空间，保证担架可以进入并平放；行动不便的人可以舒适地保持平衡；视觉不良的人可以方便地进行目的地楼层设置，并可修正错误的设置；等等。生产安装情景分析在此省略。

2.3 步骤3：系统级设计

2.3.1 功能分析

功能分析的结果展示系统功能的实现目标。对于复杂产品系统，将功能分析为多项子功能十分必要，它可以阐明问题，使设计师可以聚焦到最关键、最有可能实现创新的子功能上。

在检修运行、（自动）开门、（自动）关门、自动返回基站、满载直驶、司机操作、独立运行、通风等基本功能，使用温和的工业设计风格，并增加如下功能：远程监控；PDA在线交互；可变的空间尺寸；碰撞缓冲与支撑；盲文及声控；错误修正。需要在成本得到控制的情况下，在传统的电梯上增加以上功能。

具体的功能描述在此不表，它应提供详细的使用背景信息，以及明确的、定量的功能目标。例如，可变的空间尺寸的需求项中指出：扩大后的空间尺寸应能容纳1.8米长的担架。

通过达到以上产品功能，电梯将能更高效迅速地安装维护，更安全、舒适地使用，减少碰撞、震动、压力与不适。这时，开发团队坚信，这一电梯的市场需求是广阔的、迫切的。

在以上需求实现之前，研发团队认识到，以上功能最困难的部份是可变的空间尺寸、碰撞缓冲与支撑、盲文及声控等需求。

2.3.2 制定系统解决方案

在这一步骤中，依据“功能—作用原理（效应）——物理结构”的映射过程，将产品的功能要求转化为解决方案。解决方案是具体物理结构设计的要点，它指出每一主要功能实现的关键点，以及主要部件的空间及结构上的关系。

解决方案应遵守功能及技术需求的约束，并基于最终用户的需求进行评估，选择最佳的解决方案。

在设计过程中，知识会不断进化，因此系统结构的部件也随之进化。解决方案可用于修正未来的使用情景，使设计意图进一步明确。

以几个主要的子功能为例，说明其解决方案：

①根据发明问题解决理论（TRIZ），使用“基于条件的分离”这一分离原理，以及“动态化”这一发明原理，实现动态的轿厢深度。解决方案为：轿厢下后壁可以向背离轿厢门的方向打开、折叠，充分利用井道空间，在需要运输担架时，通过折叠，动态产生额外的空间，提高了担架出入时的安全性，并增加载重的均匀性。其平时可充当普通载客电梯，具备普通电梯轿厢的宽度与深度；在特殊情况下，延展电梯轿厢的深度，满足普通人平躺在担架上的长度要求，充当救援用的担架电梯。因此，这一功能可增大深度却不增加土建面积，达到节省成本与能量消耗的目的。

②碰撞缓冲与支撑功能的解决方案为：扶手连杆上套有端座外套，将扶手端座表面覆盖，遮盖螺钉，防止行动不灵活的人在轿厢内转身时划伤，同时保持轿厢内美观。轿厢顶部安装有吊环，在震动特别是坠落时，抓住吊环可显著减少伤害。

③盲文及声控功能的解决方案为：按键的按压位置处设有凸起的盲人数字，按键连接有发声话筒，开关、发声话筒均与用于楼层登记的电路连接。

④通风的解决方案为：通过轿厢上的风滞压力产生电梯轿厢中的竖直的气流，实现免电力的通风。风扇仅在需要时打开，减少了电力消耗与使用成本。

电梯作为一种成熟产品，目前已经存在海量专利。以上的构思可能与已有专利冲突，需要进行查询分析，避开已有的相似专利，同时基于专利挖掘，进行技术成熟度分析。对关于轿厢的专利进行分析发现：在轿厢深度调整、碰撞缓冲、盲文及声控、通风等方面的技术都仍处于成长期，值得加大投入进行研发。

2.3.3 系统级的参数分配至模块

通过以上步骤，从轿厢空间调整装置、碰撞缓冲与支撑装置、盲文及声控装置、通风等方面实现了电梯系统人性化创新及改良设计。

在上述步骤中，系统作为一个集成的解决方案进行思考。在模块化的设计方案中，需将设计需要分配至模块，是最终实现产品功能需要的必然的步骤。然而，将技术参数分配至模块具有很高的复杂性，它需要依据两个准则：一是保证系统的技术参数与模块的技术参数的一致性，也就是说，实现模块的技术参数后，能保证系统的技术参数得到保证；二是各个模块的实现难度保持相近，不能让某些模块很难实现，否则会使成本不必要地上升。系统的模块化的好处是：使得最终客户可以按其需求定制产品。

通过对电梯的模块化划分，使得功能与模块近似地具有一对一的关系。在这一设计方案中，如下5个模块被定义：厢体、导轨、驱动、无线通讯、轿厢空间尺寸调整、碰撞缓冲与支撑、控制与显示、通风与照明。其设计方案如图4所示。

2.4 步骤4与5：详细设计与测试纠正

方案的产生与方案评估密不可分。在跨功能的研发团队组建开始，各个团队人员以及参与设计的多种角色，都从一开始就贡献其知识经验，以验证提出来的各种新构想，使得最终的解决方案更具市场可行性与可用性。在开发的后期阶段，解决方案逐渐具体与可视化，设备供应商开始参与设计，以确认方案的技术可行性。由于方案表达为易于理解的形式，包括三维虚拟人体的应用情景展示，团队可以在早期的设计阶段，向商业合作伙伴证明新型电梯的高附加值。

经过可用性评估，最终的设计方案得到了较高的评价。

3 结论

本研究基于以人为中心设计的理念，提出了一种适用于复杂产品系统设计的、以人为中心的设计流程，并进行电梯系统的创新优化与改良设计，解决了电梯系统中几个非人性化设计缺陷，规划、定义了电梯的主要模块，并进行了三维虚拟人体的分析，提出一种具有良好人机操作界面的绿色电梯系统。经评估认为，这一新型电梯具有较广阔的市场需求。本文提出通过行为图的引入，扩展了以人为中心设计的观点，有助于将各种利益相关者的需求融合到一个框架内，并清晰展现。

本研究所提出的方法适用于电梯之外其它类型的、存在复杂人机交互的复杂产品系统的设计。

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