基于用戶需求的智能焊接任務(wù)監(jiān)控人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究

摘要：目的：在當(dāng)前制造業(yè)持續(xù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的背景下，焊接生產(chǎn)成為重要環(huán)節(jié)，需要設(shè)計(jì)一款適用于焊裝智慧車間的監(jiān)測系統(tǒng)交互界面，以滿足用戶在焊接過程中的實(shí)際操作需求。方法：研究采用Costa等人的三個主要階段開發(fā)交互過程，調(diào)查和分析用戶行為數(shù)據(jù)，對工控界面進(jìn)行布局與功能規(guī)劃，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中完成可用性測試，確保界面符合用戶需求。結(jié)果：設(shè)計(jì)減少了焊接過程中的不穩(wěn)定因素，用戶的人機(jī)交互體驗(yàn)得到顯著優(yōu)化，工人的操作需求得到切實(shí)滿足。結(jié)論：本研究基于用戶需求深入探討焊裝智慧車間任務(wù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，契合智能焊接車間的實(shí)際應(yīng)用場景，對提升焊接車間的生產(chǎn)效率與交互體驗(yàn)具有積極意義，未來可進(jìn)一步拓展優(yōu)化功能，更好地服務(wù)于智能焊接領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：用戶需求；人機(jī)交互；界面設(shè)計(jì)；智能焊接

中圖分類號：TG409；TB472 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代制造業(yè)的重要發(fā)展方向，焊裝智慧車間作為典型應(yīng)用，核心在于通過智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的焊接作業(yè)。建設(shè)焊裝智慧車間不僅依賴先進(jìn)的焊接設(shè)備，還需要高效的任務(wù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)可保障生產(chǎn)的透明度和可控性，通過實(shí)時監(jiān)測參數(shù)，增強(qiáng)焊接的穩(wěn)定性和一致性［1］。焊裝智慧車間與軟件建設(shè)已取得顯著進(jìn)展，但在任務(wù)實(shí)時監(jiān)測人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方面仍存在一些不足。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)能夠顯著提升工作效率和用戶體驗(yàn)［2］，推動智慧車間智能化、高效化發(fā)展。應(yīng)通過調(diào)研和分析用戶需求，了解工人的工作流程和習(xí)慣，設(shè)計(jì)符合用戶期望的界面?；谟脩粜枨蠛徒换ピO(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)簡潔、直觀、易用的界面，增強(qiáng)用戶操作的便捷性［3］。結(jié)合最新的交互技術(shù)，如觸摸屏、語音識別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等，提升界面的交互性和智能化水平。人機(jī)界面作為人與機(jī)器交互的重要媒介，其設(shè)計(jì)對提高生產(chǎn)效率具有重要意義［4-5］。

本研究探討焊裝智慧車間任務(wù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，采用基于用戶需求的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法和實(shí)證研究方法，切實(shí)提升焊裝車間生產(chǎn)效率和用戶體驗(yàn)。

2 研究方法

2.1 以用戶為中心的設(shè)計(jì)方法

本研究使用的方法基于UCD原理，在早期設(shè)計(jì)中就考慮可用性。UCD是以用戶特征、目標(biāo)、需求和偏好為中心的設(shè)計(jì)方法［6］。研究采用Costa等人確定的三個主要階段開發(fā)交互過程，即預(yù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)和最終評估。預(yù)設(shè)計(jì)階段指理解用戶需求；設(shè)計(jì)階段從設(shè)計(jì)草圖開始，最終形成設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)焊裝智慧車間任務(wù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。在預(yù)設(shè)計(jì)階段，通過焦點(diǎn)小組和問卷調(diào)查進(jìn)行用戶需求調(diào)研，繪制相關(guān)圖像，剖析痛點(diǎn)與機(jī)會點(diǎn)。設(shè)計(jì)階段，結(jié)合交互設(shè)計(jì)理論制定設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行界面設(shè)計(jì)與原型開發(fā)。完成設(shè)計(jì)后進(jìn)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(yù)設(shè)計(jì)階段：用戶需求調(diào)研

3.1.1 焦點(diǎn)小組

焦點(diǎn)小組是通過主持人半結(jié)構(gòu)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(wù)監(jiān)控人機(jī)交互界面的體驗(yàn)需求。

研究招募了8名經(jīng)驗(yàn)不同的參與者，包括焊接工程師和質(zhì)量檢驗(yàn)員。由主持人引導(dǎo)小組討論，安排專人記錄關(guān)鍵觀點(diǎn)和意見。結(jié)果表明，界面設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮用戶的功能需求，合理分類和強(qiáng)調(diào)信息，增強(qiáng)界面的可讀性和易用性。

3.1.2 問卷調(diào)查

問卷調(diào)查是一種量化研究方法，通過收集相關(guān)信息，分析用戶觀點(diǎn)、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(yè)不同領(lǐng)域。參與問卷的用戶以年輕的焊接工程師和質(zhì)量監(jiān)測員為主，其對檢測系統(tǒng)的了解程度較高，有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和適應(yīng)新技術(shù)的能力。

調(diào)查結(jié)果顯示，用戶重點(diǎn)關(guān)注界面的功能布局和操作便捷性，還在實(shí)時監(jiān)測、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析等功能方面存在實(shí)際需求。

3.1.3 用戶畫像

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

第一類是車間技術(shù)員。該類用戶比較年輕，畢業(yè)時間短，主要負(fù)責(zé)協(xié)助工程師控制焊接質(zhì)量。因此，界面要有良好的交互性，直觀展示焊接進(jìn)度和質(zhì)量狀態(tài)。

第二類是專業(yè)焊接工程師。該類用戶年齡較大，經(jīng)驗(yàn)豐富，主要使用監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控焊接作業(yè)，要求界面提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，幫助評估焊接工藝的穩(wěn)定性和改進(jìn)方向。

3.1.4 用戶體驗(yàn)地圖

用戶體驗(yàn)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(yàn)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(yīng)痛點(diǎn)背后的機(jī)會點(diǎn)，如圖2所示。

3.1.5 利益關(guān)系者地圖

在設(shè)計(jì)過程中，利益相關(guān)者分析可以挖掘各方的總體需求，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)［10］。利益關(guān)系者地圖通過研究、討論和分析，利用視覺化的方式表達(dá)利益相關(guān)者之間的關(guān)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(zhì)量監(jiān)測員和設(shè)備操作人員。由于使用場景的特殊性，因此他們的關(guān)注點(diǎn)主要集中在界面的準(zhǔn)確性、易用性和可靠性上。因此，需要根據(jù)用戶需求增強(qiáng)界面的可操作性，降低數(shù)據(jù)錯誤率，確保焊接質(zhì)量和工作安全。

3.2 設(shè)計(jì)階段：人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.2.1 功能設(shè)計(jì)

基于用戶調(diào)研與需求分析，設(shè)計(jì)三大主要功能：實(shí)時監(jiān)測，精準(zhǔn)呈現(xiàn)焊接電流、電壓和溫度，超預(yù)設(shè)范圍報(bào)警；數(shù)據(jù)分析，記錄存儲參數(shù)，對比不同批次任務(wù)數(shù)據(jù)生成質(zhì)量報(bào)告；參數(shù)設(shè)置，依據(jù)焊接任務(wù)自定義參數(shù)范圍，適配不同需求與安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 交互設(shè)計(jì)

在界面設(shè)計(jì)中，視覺語言應(yīng)與用戶需求保持一致，保證布局的合理性、操作的便捷性，優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)。低保真線框圖如圖3所示。

3.2.3 視覺設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)遵循直觀性、易用性、準(zhǔn)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(diào)，在確保視覺舒適的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對比，達(dá)到凸顯關(guān)鍵信息的目的。采用通用規(guī)范化的圖標(biāo)和無襯線字體，符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)趨勢。字體線條簡潔清晰，扁平化的圖標(biāo)按鈕減少了視覺雜質(zhì)，增強(qiáng)了可讀性。

3.3 評估階段：用戶可用性測試

本研究設(shè)計(jì)的界面被部署在南京某焊裝數(shù)字化車間進(jìn)行可用性評估。在所有終端設(shè)備上安裝包含新界面的監(jiān)測系統(tǒng)，與車間的焊接設(shè)備、傳感器和其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和處理。

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，選擇6名不同經(jīng)驗(yàn)水平的焊工參與測試，設(shè)置3項(xiàng)典型任務(wù)。觀察員記錄工人的操作步驟、時間和錯誤次數(shù)，結(jié)束后進(jìn)行用戶訪談。測試結(jié)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(rèn)可，最后根據(jù)反饋建議進(jìn)行修改完善。

4 結(jié)語

本研究通過系統(tǒng)的用戶需求調(diào)研、界面設(shè)計(jì)與原型開發(fā)以及實(shí)際車間的可用性測試，深入探討了焊裝智慧車間任務(wù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。工業(yè)4.0給傳統(tǒng)車間帶來了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的機(jī)會，也對工控系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)提出了新要求。后續(xù)研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注跨學(xué)科融合與創(chuàng)新，推動焊裝智慧車間進(jìn)一步發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：本論文為2024年度南京郵電大學(xué)教材研究微課題“AIGC賦能下的信息可視化藝術(shù)設(shè)計(jì)教材中圖像設(shè)計(jì)應(yīng)用研究”成果，項(xiàng)目編號：JCYJ202406；2024年度南京郵電大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“AIGC賦能新形態(tài)高校教材建設(shè)研究——以信息可視化設(shè)計(jì)智能教材系統(tǒng)為例”研究成果，項(xiàng)目編號：JG00824JX80；2019年度江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)研究項(xiàng)目“基于多維感知的智慧工廠人機(jī)交互模式研究”成果，項(xiàng)目編號：2019SJA0105；2024年度南京郵電大學(xué)數(shù)智融合課程建設(shè)項(xiàng)目“信息可視化藝術(shù)設(shè)計(jì)”研究成果

作者簡介：王希 （1992—） ，女，講師，研究方向：人機(jī)交互與智能制造融合創(chuàng)新、復(fù)雜系統(tǒng)信息設(shè)計(jì)；楊雨萱 （2003—） ，女，研究方向：信息設(shè)計(jì)；葉滋霖 （1999—） ，女，系本文通訊作者，研究方向：人機(jī)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(wù)監(jiān)控人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究［J］.藝術(shù)科技，2024，37（17）：-.