汽车公共充电桩系统交互设计研究

陈启祥, 王 杰

(湖北工业大学工业设计学院， 湖北 武汉 430068)

汽车公共充电桩系统交互设计研究

陈启祥, 王 杰

(湖北工业大学工业设计学院， 湖北 武汉 430068)

以新能源汽车的快速增长与现阶段用户充电难之间的矛盾为出发点，结合“物联网”概念、认知资源模型的引入、交互设计及人机系统设计方法，研究构建了物联网背景下公共充电桩系统的基本框架及信息交互模型，对公共充电桩系统设计未来的发展方向提供了可行性参考。

新能源汽车； 公共充电桩； 系统设计； 交互设计

针对新能源车主高速的生活节奏和相对落后的公共充电桩系统设计的矛盾，文献[1]借助Net Micro Framework技术设计了新能源车充电桩控制系统，文献[2]提供了基于STM32F107VCT6微控制器对新能源汽车充电桩系统的控制解决方案，文献[3]设计了一种用于电动车等移动设备的充电控制系统，用来对于蓄电池充电保护与对电量状态的提醒，文献[4]实现了以STM32处理器为核心的控制系统在充电过程中对充电桩充电电流和充电状态实时采集等功能。上述研究对于新能源车充电设备的研发设计提供了良好的指导建议，然而充电设施的产业化运行要求充电桩低成本、易维护、智能化，用户使用的过程中则对充电桩的信息化、高效化、人性化等提出了更高的要求。

1 物联网时代交互的特征

物联网(Internet of Things,IoT)是新一代智能网络，它旨在实现物理世界中情景感知、 信息处理和反馈控制这一过程。其目的是通过信息交互的形式，将物理情境中的物与物、人与物之间有效关联，且关联的过程中不受时间、地点的约束，以缩短信息系统与物理世界间的距离。

2 系统交互的技术支持

让物体拥有“智慧”是物联网技术的价值所在。其组成分为三个部分：情景感知，即实现对“物”的识别，主要技术应用为无线射频(RFID)、传感器、二维码等；传输网络，即实现数据的传输，主要技术应用为互联网、广电网络、通信网络等；智能处理，即实现对“物”的自动控制，智能管理，服务升级，主要技术应用为数据挖掘、云计算、中间件等，详见表1。

表1 物联网背景下公共充电桩交互设计的技术支持

3 系统交互设计流程

人机交互过程中，用户认知负荷主要是由系统交互流程和有效信息的处理两个因素决定的。在公共充电桩系统交互设计过程中，引入分布式认知理论资源模型和运用通用可用性设计方法来优化这两个关键因素。

3.1交互信息结构确立

分布式认知理论资源模型的构建是为了描述信息资源与用户行为之间的交互关系(图1)。物联网背景下充电桩系统信息交互的主要特征是自主、多通道、全方面信息传递，用户可以随时随地完成交互任务。将物联网引入资源模型中，整合环境、历史、供给等认知元素，优化模型结构，简化信息交互流程，从而降低用户的认知负荷。

图 1 交互模型的信息结构图

图 2 目标匹配与优化策略

图 3 信息获取与交互动作指导

3.2交互策略制定

缺乏分布式认知收敛机制和模糊的交互策略定

义，是人机交互研究中传统资源模型的主要问题。智能处理技术使认知收敛得以实现。通过研究公共充电桩系统设计所需考虑的交互流程，实现交互策略的明确定义。

3.2.1目标匹配与优化目标匹配策略是资源模型中对目标最基本的处理，存在于执行任务的任意阶段。引入物联网技术元素描述目标匹配与优化策略的交互过程见图2。在这一动态的过程中，依靠物联网系统中的感知技术、传输网络技术和智能处理技术来获取各节点状态变化，完成目标的匹配。当目标匹配不一致，系统资源重新评估，调整反馈到物联网系统及目标，用户根据优化结果和自己认知能力的分析，调整匹配方案，实现系统资源与用户目标的正确匹配。

3.2.2物联网信息获取与交互动作指导用户在确定下一步可能采取的交互动作时，需要对公共充电桩当前的物理环境、使用状态等信息做出正确的推理和判断。高效完成交互任务的关键点在于人机交互动作契合度的高低(图3)。用户根据自身知识，经验以及对所处情景的了解去匹配物联网中各节点状态的感知处理结果。与用户预期一致，服务系统指导下一步可能性操作，直至目标完成。一旦与预期不符，服务系统终止交互指导，并重新评估、更新、反馈给用户及物联网系统，指导用户目标的重置和物联网体系可用信息重获取，直至实现目标。

物联网技术下，资源模型在公共充电桩系统交互设计领域的应用还处于探索阶段，人机交互特征的结合，资源模型中元素关联性整合，交互策略的制定，对于研究公共充电桩系统交互设计的方法具有创新意义。

3.3任务需求分析与设计原则

运用通用可用性设计的方法建立信息交互设计矩阵来体现设计过程中的关注点(表2)，针对用户活动和系统自控特征中需要考虑的问题制定设计原则。

表2 任务需求通用设计矩阵

3.3.1全面感知性将现有公共充电桩的基本信息，以特定的方式转化成虚拟与现实空间的一部分。用户通过物联网可对感知到的信息进行接收、拓展、分享、创新，增强对公共充电桩的信息获取速率及利用。物联网背景下的用户可以用拓展的感知——看更远的空间，感受更复杂的物质。

3.3.2实时传递性公共充电桩的使用是过程性活动，受到时间、地点等因子的约束。物联网背景下信息技术与新媒体技术的介入使得用户在与感应器和互联网所构成的信息空间交互过程中能够实时获取信息并进行多方面的交流，这也使公共充电桩系统设计时信息传达模式不再受限于时间、地点等固定因子的影响。

3.3.3智能处理性物联网结构中远程信息处理技术解构与重组公共充电桩的有效信息，建立一个庞大的信息空间，生成特定的网络，增加信息延展的可能性，实现虚拟信息数据对物理空间的高效率、智能化控制。

3.3.4交互一次性任何一个工具都应帮助用户以最高效的方法去完成它的任务，这是工具的目的和使命。最高效的方法就是用最短的时间去完成任务，也就是说一旦用户完成了它的任务，它就不会停留在产品里面而是去做别的事情，这就是一次性交互设计的含义。

3.3.5交互相关性抛弃统一时空、统一文化的使用体验，将多种信息进行优化整合并通过终端传递到用户个体，使物联网下公共充电桩的使用体验更多是围绕用户独特性、多维层次的各自感知。因此在物物相连网络中将不同种类的感知合理划分，并借助媒介手段为用户提供多类型、多层次、全方面的服务也是公共充电桩系统设计的重点所在。

3.4物联网体系框架结构

公共充电桩系统中物联网体系构架是一个分层的、开放的、可扩展的框架结构，目的是为了实现拥有较强异构性感知环节中异构信息之间的互联、互通与互操作。其基本框架见图4。图中描述的是一个自下而上的分层体系，分层框架的一个最大特点是用户通过各种感知网络在最靠近的地方形成无所不在的网络环境中轻松使用各种服务，并依托互联网、云计算等公共网络服务平台，为用户提供达成目标最优化的信息要素，降低用户的认知难度，极大节约时间成本。

图 4 公共充电桩系统中物联网体系基本构架

3.5物联网背景下公共充电桩系统交互模型设计

根据任务需求分析，确定了在与公共充电桩系统发生交互动作的过程中系统信息容量、系统响应时间、交互步骤和物理情境是影响用户认知负荷的主要因素，制定了系统设计的原则。与各个子任务进行信息匹配与任务指导，明确了人机交互过程的具体流程。建立物联网在公共充电桩系统的框架结构，可以优化系统交互的信息量以及物物相连的可控系统，在此基础上构建物联网背景下公共充电桩系统交互设计的总体架构(图5)。

图 5 物联网背景下公共充电桩系统交互模型设计

系统模型中，公共充电桩系统通过感应设备采集公共充电桩的状态、位置以及物理环境、电网信息等数据，通过互联网络上传至云平台处理，用户通过接受云平台处理过的信息，来与充电桩进行交互行为。在整个过程中，对用户而言，当用户了解到公共充电桩位置、路况信息、充电桩使用状态、排队人数、收费信息时，用户可以选择最高效的方式来进行公用充电桩的选取，当用户导航前往时，其他公共充电桩将不再与用户发生信息交互，避免冗杂信息堆积。进行充电时，公共充电桩系统预估充电时长，实时监控，跳枪报警，充电完成提醒，公共休闲娱乐信息提示等，有效提升用户充电过程中的服务体验。对于公共充电桩系统而言，通过感应器采集用户车辆型号、电池容量、充电效率、充电桩状态、充电桩充电效率、物理环境等信息，经数据加密处理，能更好地掌握充电桩的运行状态，高效完成电桩维修保养，为设计更好的优化公用充电桩系统方案提供依据。

4 结束语

本文通过将物联网技术引入用户认知资源模型中，探索降低用户认知难度来达到用户使用的高效性，同时制定交互策略指导用户认知过程中交互信息的匹配以及交互动作的可行性指导，运用通用性设计法则建立信息交互矩阵分析用户与系统、系统与系统之间的关键点，并以此为基础，建立了公共充电桩系统中物联网体系基本构架以及物联网背景下公共充电桩系统交互模型的设计，为公共服务系统设计提供参考。

随着物联网技术的发展，相信未来公共充电桩系统交互设计更加人性化，交互方式更加多元化，以适应现代城市的高速发展，以及用户群体个性化需求。

[1] 陈杰，李建祥，刘海波，等．基于.Net Micro Framework的电动汽车充电桩控制系统的设计[J]．微计算机信息，2012，28(9):67-68．

[2] 魏国，商慧杰，朱春波，等．电动汽车交流充电桩系统设计[J]．计算机测量与控制，2016，24(3):124-126.

[3] 邢苏，周国平，何碧漪，等.一种新型高精度充电桩系统的设计[J].计算机测量与控制，2016，24(3):190-192.

[4] 徐坤，周子昂，吴定允，等.计算机测量与控制[J].河南科技大学学报(自然科学版)，2016，27(3):47-52.

[责任编校：张岩芳]

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

陈启祥(1966-)， 男， 湖北汉川人，湖北工业大学教授, 研究方向为数字媒体及交互设计

1003-4684(2017)05-0073-04

TB18

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