基于FSM的立体车库HMI系统原型设计

□张东方

一、引言

对现今各类产品的人机界面(HMI)来说，可用性是一个衡量其性能的重要指标。在可用性的评价方法中，最常用的有Card SK的GMOS模型法、焦点小组法、问卷调查法等。这些评价方法在产品开发过程中都处于产品原型之后或迭代设计中，如果产品原型在最初设计时就存在较大缺陷会给设计的评价及改良带来很大困难。如果在产品原型设计之初就对HMI系统作出合理的优化无疑将会对产品开发起到积极作用，本文将以此为重点，以立体车库为例作出分析。

二、立体车库及其可用性

随着国内汽车保有量的快速增长，停车面积不足导致立体车库在小区或公共场所的普及率迅速上升。关于立体车库HMI的可用性设计，在之前已经做过一些相关研究，这些研究的方法是对现有车库HMI的可用性进行评测，然后再运用FAHP等方法寻找可用性问题出现的主要原因。但在实际的操作过程中，一些可用性方面的问题会因为已有HMI硬件性能的限制很难得到改进。因此，在设计之初就提出在可用性指标上可行的系统设计方案是非常重要的。

三、立体车库HMI的FSM描述方法

在设计HMI系统时，首先要以立体车库的用户任务为基础对其进行描述，从而得到整个系统的抽象结构，再通过此结构进行具体界面系统的定义及任务过程的规划。Thimbleby H曾使用矩阵和Makov模型对HMI进行描述来研究已有系统中的可用性设计问题。在本文中将采用有限状态自动机(Finite State Machine，FSM)，以触摸屏作为立体车库HMI硬件的前提下对系统进行描述。

(一)Finite State Machine。FSM是一种表示有限状态及状态之间执行和转移的模型描述工具。状态机理论最初应用在数字电路设计领域，因其简单实用的特点，后又在软件开发等领域得到了广泛普及。

在HMI系统模型的描述中，可将其视为一个FSM模型。将HMI中不同的显示内容视为各种状态，将用户的操作行为视为执行动作。比如一个简单的系统任务只需要一步操作，但会因用户的操作是否正确而让机器进入两种不同的运行状态。那么这个HMI系统就具有3种基本状态，或者说3个基本界面，分别为待机状态、运行状态和错误状态，命名为状态1、状态2和状态3。而用户在人机交互的过程中操作行为会出现三种形式，操作正确或操作错误和返回待机状态，分别命名为动作1、动作2和动作3。在HMI的3种状态中根据用户动作的不同会相互转换。那么这个简单HMI系统的描述如图1所示。

图1 简单HMI任务的FSM状态图

通过FSM状态图可以确定HMI所需界面的数量及内容，动作可以确定HMI页面中操作信息的设定，而特定任务中可输入的动作数量可以对单个HMI页面内容的信息量作出评定，进而再对整个HMI系统进行优化。

(二)立体车库HMI系统的FSM模型。通过上述FSM的描述方法建立立体车库HMI的模型。

1．立体车库的任务分析。FSM模型是建立在用户所需要执行任务的基础上的。使用立体车库的用户除一般停车用户外，还有维护人员和厂家的技术人员。在这里只以一般用户的任务为例进行分析。根据企业要求一般用户的任务主要有4个:一是刷IC卡取车;二是手动取车，需要用户分别输入车位号及密码;三是修改密码，任务过程相对复杂，除输入车位号及密码外，还需要输入两次新密码;四是IC卡注册，需要先输入车位号，再输入密码，之后分别执行两次刷卡操作，分别注册主卡及副卡。

2．立体车库HMI的FSM模型。在确定一般用户的任务流程后，建立各个流程中所需要的主要状态。如以手动取车为例，用户要正确完成此项任务需要从主页面出发，经历输入车位号，输入密码和取车完成4种状态才能完成操作。在这个过程中4个状态经历了3次转换，将各个状态之间的输入输出关系用箭头的方式连接起来，可确定各个状态之间所需要的操作信息。之后再考虑在状态转换过程中用户可能操作错误的情况，添加相应状态，并与其它状态建立输入输出关系。将4项任务流程的状态及联系都完成后FSM状态图如图2所示。

图2 立体车库HMI的状态图

图中通过对任务的分析共列出24个状态，及7个动作。在7个动作中由于几种用户输入的情况只需要一组数字输入操作图标，因此在HMI上归为同一种动作。而实际操作中状态的转换部分需要系统自行判定的动作及计时的自动返回动作，由于并不需要在HMI中表示，因此未标示在图中。

四、HMI系统的优化

在完成立体车库HMI的状态图后，虽然能得到24个状态即24个界面的内容，及每种状态所需要的操作信息。但由于此FSM模型只是考虑到各种可能发生状况的一个基本模型，以此所建立的HMI系统却并不一定具备有较好的可用性。因此需要对其进行分析改进以得出最优结果。

对FSM模型的优化基于可用性的基本原则，主要从两方面进行。

第一个方面是每项任务的步骤数，对于像立体车库这种公共设施来说，如果任务步骤过多是不合适的。在此基础上对4项任务各自的状态转换过程进行分析，如表1所示。

表1 用户任务的状态转换过程

从表中可以看到后三项用户任务步骤有些多，可将一些界面状态进行整合。根据实际使用情况，将状态4和10，状态6和12，状态16和20、状态8和14以一种界面状态表示出来。这样分别将任务步骤进行缩减，而各种输入错误的情况仍由系统进行错误类型判定进入相应的状态界面。

优化的第二个方面为单个状态的输入动作数量，如果单个状态中输出动作过多也就意味着这个界面中必须有较多的输入操作信息，如果存在不合适的操作信息会让HMI的可用性下降。另外，在各个状态之间是否需要建立联系以提高便利性也是需要考虑的因素。本例中各种状态下的动作信息均小于4，因此不作修改。

在优化完成后，可根据状态图所确定的界面数量、内容及每个界面中所需要的操作信息进行系统的原型开发。

五、结语

本文以FSM为基础，以立体车库为例，提出了一种HMI系统原型的设计方法。其优点在于在产品原型开发之前即通过FSM的优化模型得到可用性较高的界面系统关系及信息。这种方法能够让HMI在原型阶段具有较高的可用性，尽可能避免了在测试中由于原型可用性不高而导致的反复修改。但在模型优化方面仍存在不足，后续研究中应尝试导入更加客观的方法进行调整。

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