基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计研究.pdf

基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计研究*余明亮1，曲双为2（1.西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安710048；2.西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安710600）摘要：随着汽车智能化的程度越来越高，用户对于汽车智能座舱的体验需求也愈发升高，进而对智能汽车HMI的体验需求也逐步提高。为了使智能汽车HMI的设计满足用户需求，主要运用AHP与QFD相结合的方法，最终实现了智能汽车HMI的创新设计。实地考察并调研了真实的用户需求，综合分析了用户需求与产品发展现状，通过AHP确定用户需求权重，再运用QFD确定设计需求权重，最后指导设计出一款满足用户需求的智能汽车HMI。获取了用户需求，得到了智能汽车HMI的设计需求，设计出了一套用户界面；验证了AHP和QFD方法在智能汽车HMI设计的可行性，为车载HMI的设计提供了参考，也为用户界面的设计提供了研究思路。关键词：AHP；QFD；智能汽车；HMI中图分类号：U469.79；TP391.4文献标识码：A文章编号：1001-2354（2023）S1-0196-06Research on intelligent vehicle HMI design based onAHP and QFDYU Mingliang1，QU Shuangwei2（1.College of Fashion and Art Design，Xi an Polytechnic University，Xi an 710048；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Xi an Polytechnic University，Xi an 710600）Abstract：As the degree of car intelligence becomes higher and higher，the users demand for the experience of the car smartcockpit is also increasing，and the experience demand for the smart car HMI is also gradually increasing.In order to make the de-sign of the smart car HMI meet the needs of users，the main Using the method of combining AHP and QFD，the innovative designof smart car HMI is finally realized.On-the-spot investigation and investigation of real user needs，comprehensive analysis of userneeds and product development status，use AHP to determine the weight of user needs，and then use QFD to determine the weightof design requirements，and finally guide the design of a smart car HMI that meets user needs.Obtained user requirements，ob-tained the design requirements of smart car HMI，and designed a set of user interface；verified the feasibility of AHP and QFDmethods in the design of smart car HMI，provided a reference for the design of car HMI，and also provided a reference for the userinterface The design provides research ideas.Key words：AHP；QFD；intelligent vehicle；HMI*收稿日期：2023-03-19；修订日期：2023-06-09第 40 卷 增 刊 12023 年 7 月Vol.40S1Jul.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGN随着科学技术的高速发展，以及国家对于新能源汽车的大力发展与支持，为实现国内汽车工业在世界领域水平上的弯道超车，国产新能源汽车的智能化程度也越来越高，与此同时，传统燃油车的智能化程度也随之提高。当今的汽车已经开始搭载先进的传感器、控制器、执行器等装置，再通过运用互联网、大数据、云计算等新技术，甚至已经可以做到完全自动驾驶，自然而然智能汽车的概念也随之而来1。如今的汽车除了是可以代步的交通工具之外，同时还是集游戏、休息与影音等多功能于一体的智能化移动空间2。与此同时，用户对于汽车座舱舒适度及用户体验的需求也在逐步提升，而其中智能汽车人机界面（Human Machine Interface，HMI）的设计是提升汽车座舱智能化用户体验与舒适度的重要环节之一，所以智能汽车HMI设计的重要性也随之提升。为了满足用户多样化的需求，可以运用层次分析法（Analytic HierarchyProcess，AHP）结合质量功能展开（Quality of Functional Deploy-ment，QFD）来建立智能汽车HMI的设计流程。通过上述方法DOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s1.0052023年7月可以将用户的需求转化为具体的设计要素，实现智能汽车HMI的设计方案，也在视觉效果、功能等设计需求方面进行创新。1基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计框架研究首先，通过对驾驶人员或有购买智能汽车欲望等的相关用户进行问卷调查，获取用户需求；其次，对获取的用户需求进行分类归纳，通过对交互设计领域相关专家进行面对面的访谈，运用AHP层次分析法构建智能汽车HMI设计相关的用户需求层次，以及计算用户需求的权重；再根据上一步确定出权重值高的用户需求进行映射分析，同时将问卷调查得到的用户需求进行综合分析，得到相应的设计需求；接下来把用户需求与设计需求通过QFD质量功能展开法，计算出各项设计需求的权重值。之后根据设计需求权重进行重要度排名，在其设计需求排名的指导下对智能汽车HMI进行实例设计；最后将设计的方案进行评价验证。基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计框架如图1所示。2AHP层次分析法2.1AHP层次分析法概述AHP最初由匹茨堡大学的美国运筹学家萨蒂教授于1971年提出。通过将决策问题相关因素逐级分解，对相关决策进行分析3。AHP是一种通常在进行目的决策时使用的方法，可以建立有关不同目的、不同方案之间的结构层次，建立矩阵，从而计算出各种方案所对应的权重，最后再综合得出目的综合权重，帮助选择科学合理的决策方案4。2.2用户需求分析文中通过搜索“汽车中控”“汽车交互界面”“智能汽车/新能源汽车车载UI”等关键词在相关网站查阅了文献，进行了系统的研究分析，同时对最新发布的智能汽车的车载中控造型及其HMI的设计样式做了研究。为了更深一步了解目标用户的需求，首先选取了比亚迪、小鹏、特斯拉等智能汽车的代表品牌，之后前往上述品牌的4S店，对店内顾客进行了随机的实地调研，并邀请用户填写需求问卷。对其中无驾驶证的用户问卷进行排除或筛选，对有驾驶证无车和有驾驶证有车的用户进行综合分析，再结合相关文献与最新发布的新能源汽车HMI设计的研究，进行汇总、分类，最终将智能汽车HMI设计的用户需求分为目标层、指标层和方案层3个层次。目标层为智能汽车HMI设计的总用户需求A；指标层为信息功能A1、视觉效果A2、交互行为A3等指标；将指标层进行细分展开，得到方案层的更多具体用户需求，如图2所示。2.3AHP用户需求权重分析流程AHP按照各要求之间的重要关系，建立比较矩阵并进行一致性测试，以确定各个要求层所对应的权重数值。萨蒂教授通过对目标客户要求的标准层次和指标层进行了相互对比，共给出9个指标层次。按照指数层的重要性等级，可以通过二元比较法对同一级的重要指数进行互相对比和赋值，其中重要性的比较数据由19及非零数值的对应倒数构成5。文中对目标用户方案层的需求进行了梳理，再邀请了8位UI设计或交互设计相关从业人员和12位工业设计领域的老师与研究生对所整理的需求进行两两比较，对图2中的智能汽车HMI设计的用户需求进行二元比较法比较打分，并建立相关判断矩阵：B=(bij)n n=|b11b12b1nb21b22b21bn1bn2bnn（1）其中，bij为指标Ai和指标Aj相比较，在同一方案层下任意两个方案相关重要性的比较数值，bij0，bii=1，bij=1bji。余明亮，等：基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计研究开始用户需求AHP确定用户需求权重设计需求QFD确定设计需求权重方案设计设计方案评价结束分类归纳映射分析综合分析图1基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计框架直接找到常用的功能A11减少操作流程A12界面美观A21界面设计元素容易理解A22符合汽车品牌风格A23触摸可以操控A31语音可以操控A32手势等可以操控A33信息功能A1视觉效果A2交互行为A3用户需求A图2智能汽车HMI用户需求图-197机 械 设 计第40卷增刊1将判断矩阵B的每列进行归一化处理，得到矩阵C=(Cij)n m，其中，Cij=biji=1nbij将归一化处理的矩阵C运用和积法，即按行相加求和：Dij=j=1nCij（2）将向量D=(d1,d2,dn)进行归一化处理，得到各方案的权重值i(i=1,2,n)，其中，i=dii=1ndi且i=1ni=1，计算判断矩阵的最大特征值max，可用于判断矩 阵 是 否 满 足 一 致 性：max=1ni=1n(AW)ii，其 中，W=(1,2,n)T，(AW)i为向量AW的第i个分量。归一化处理后，计算一致性指标：CI=max-nn-1。对一致性比率CR进行计算验证，CR=CIRI，当CR 0.1时，认为判断矩阵符合一致性检验，权重计算有效。判断矩阵的RI取值如表1所示。2.4智能汽车HMI用户需求权重分析通过实地去汽车4S店进行用户访谈及对最新发布的智能汽车中控交互界面设计的整理分析，收集到智能汽车HMI设计的用户需求，通过 AHP层次分析法对智能汽车HMI设计的用户需求进行权重计算与分析。首先邀请20位专家对智能汽车HMI设计的相关需求进行了19及非零数值的对应倒数的重要性等级比较评价，将评价后的结果建立相关判断矩阵，通过归一化处理得到智能汽车HMI设计指标层矩阵和方案层矩阵，以此计算用户需求的权重值，如表2表5所示。计算最大特性值max 1max 4，如表6所示；计算一致性比率CR1CR4，用以检验判断矩阵的一致性。经查表1，再通过公式计算CR，其一致性比率CR值如表7所示。由表中可知，CR1CR4均小于0.1，故判断矩阵具有一致性，权重有效，将权重1i6i进行归一化处理，得到用户需求的综合权重值，用户需求权重优先级如图3所示。智能汽车HMI用户需求的权重优先级为直接找到常用的功能A11减少操作流程A12触摸可以操控A31语音可以操控A32界面美观A21界面设计元素容易理解A22手势等可以操控A33 符合汽车品牌风格A23。从智能汽车HMI用户需求权重优先级图中可以得到，直接找到常用的功能（A11）这项用户需求权重值最高，减少操作流程（A12）与触摸可以操控（A31）表1判断矩阵RI取值nRI10.0020.0030.5840.9051.1261.2471.3281.41AA1A2A3A111/41/3A2412A331/211i0.620.140.24表2指标层判断矩阵A1A11A12A1111/3A12312i0.750.25表3信息功能方案层判断矩阵A2A21A22A23A2111/21/6A22211/5A236513i0.580.340.08A3A31A32A33A3111/21/5A32211/4A335414i0.570.330.10表4视觉效果方案层判断矩阵表5交互行为方案层判断矩阵最大特征值maxmax 1max 2max 3max 4计算数值3.0182.0003.0293.025一致性比率CRCR1CR2CR3CR4计算数值0.0090.0000.0150.012表6最大特征值表7一致性比率CR值图3智能汽车HMI用户需求权重优先级图A23A33A22A21A32A31A12A110.010.020.050.080.080.140.160.470.000.100.200.300.400.50用户需求权重用户需求方案-1982023年7月权重次之，而符合汽车品牌风格（A23）权重占比最少。文中将根据用户需求权重占比映射分析，以及结合用户需求综合分析得到智能汽车HMI的设计需求，进行下一步的研究。3QFD质量功能展开3.1QFD质量功能展开方法概述日本教授赤尾洋二和水野滋于 20 世纪 60 年代末提出QFD（Quality Function Deployment），即质量功能展开方法4-5。通过不断修正，质量功能展开（QFD）能够不断明确顾客需求和需求的过程，并将这些需求转化为技术特征，使每个功能领域和组织层面都能理解，从而实现对目标的改进。QFD 旨在将用户的需求转换为生产制造过程中所需的相关性技术指标、零部件要素、制造要求及生产计划，是以用户需求为驱动，使设计结果符合用户期望的设计理论6。3.2QFD质量屋设计需求分析QFD质量功能展开方法中，质量屋可以直观地通过矩阵框架得到产品设计过程当中的需求转换，质量屋由左墙、天花板、房间、屋顶及地板构成，其中，设计需求是构建质量屋模型的核心组成部分。质量屋采用直观的矩阵与图表形式将用户需求与设计需求间的重要关系进行量化，用以指导最终设计7。根据用户需求及智能汽车HMI的特性，对智能汽车HMI的相关设计需求进行综合分析，得到基本功能需求E1、界面样式需求E2和交互行为需求E3，以及相关3个需求下的具体设计需求。智能汽车HMI的设计需求如图4所示。3.3基于QFD的智能汽车HMI设计需求权重分析通过AHP层次分析法得到目标用户需求权重值，结合综合分析得到智能汽车HMI设计需求，建立智能汽车HMI设计需求质量屋。其中，分别对应用户需求及设计需求之间的关系程度。“”代表强烈相关，取值为 5；“”代表中等相关，取值为 3；“”代表微弱相关，取值为 1，二者需求无相关则不进行标记，取值为 08。最终结果如图5所示。导航、电话等基本功能E11影音、游戏等娱乐功能E12界面布局简洁大方E21图标设计易理解E22主题色美观E23触觉输入/视听觉反馈E31语音输入/视听觉反馈E32手势输入/视听觉反馈E33基本功能E1界面样式E2交互行为E3设计需求E图4智能汽车HMI设计需求排序图余明亮，等：基于AHP与QFD的智能汽车HMI设计研究图5智能汽车HMI设计质量屋采用Fj表示设计需求的重要程度，fj表示相对重要程度，i为第i个用户需求的权重，Eij为两者所对应的关系数值：Fj=i=1ni Eij（3）fi=Fjj=1nFj（4）将QFD质量屋内得出的有关智能汽车HMI设计需求权重-199机 械 设 计第40卷增刊1值通过式（3）和式（4）计算，得到有关智能汽车HMI设计需求的排序，如图6所示。智能汽车HMI设计需求的权重优先级为导航、电话等基本功能E11触觉输入/视听觉反馈E31影音、游戏等娱乐功能E12语音输入/视听觉反馈E32界面布局简介大方E21主题色美观E23图标设计易理解E22手势输入/视听觉反馈E33。4智能汽车HMI设计实例4.1智能汽车HMI设计方案根据对智能汽车HMI设计需求的优先级排序得出，导航、电话等基本功能（E11）的设计需求程度最高，触觉输入/视听觉反馈（E31）的设计需求次之，其他主要设计需求为影音、游戏等娱乐功能（E12）、语音输入/视听觉反馈（E32）、界面布局简介大方（E21）。从设计需求权重值的分析可以得到，基本功能的设计是界面设计最重要的需求，同时因为用户对于智能汽车HMI交互性体验的要求提升，其中交互行为设计需求的总权重也较高，在设计当中也将注重此项设计需求。于是，界面样式这项设计需求仅仅是界面布局简介大方（E21）的权重稍高，即对智能汽车HMI的设计实践将从上述几个设计需求方面入手，设计效果如图7所示。通过对最新发布的汽车中控造型研究得知，现车载中控最常使用的造型依旧以特斯拉中控屏横屏造型为代表，故文中研究的智能汽车HMI的设计尺寸为Web端产品设计的最常用尺寸，同时也符合市场产品的发展方向。首先，文中对智能汽车HMI首页的设计主要有3个大面积的元素模块，分别为：导航模块、车况模块和音乐播放模块。这3个模块的元素设计占整个首页界面约2/3以上，处于用户最直观的视觉中心，同时用户最容易操作上述功能，此项设计主要实现了设计需求排序最高的导航、电话等基本功能（E11）的设计需求，如图7a所示。其次，整体页面的设计风格采用了新拟态设计风格，这是一种结合扁平化与拟物化的一种设计风格，其主要特点为符合当下图标风格扁平化的设计趋势，同时又保留了拟物化设计的真实特性，可以给人强有力的界面“真实”点击感，是一种极其符合车载中控HMI的设计风格，并且也满足了触觉输入/视听反馈（E31）的设计需求。再次，文中设计进入音乐播放模块有2种方式：第1种方式可以通过直接点击首页（图7a）当中的音乐播放器模块，进入音乐播放器界面图7d；第二种方式为通过任意界面的左侧副导航栏，点击音乐播放器图标，进入音乐播放器界面。此项设计可满足影音、游戏等娱乐功能（E12）的设计需求。然后，文中设计的智能汽车HMI的主色调为暗色模式，因为汽车座舱内的驾驶环境的影响，车载中控HMI的颜色偏暗，且低饱和度的设计有助于安全驾驶，减少因屏幕颜色过亮或者饱和度过高，会无意识地分散驾驶人员注意力，会对驾驶过程造成危险驾驶影响；同时为了避免长时间暗色可能会对用户造成视觉疲劳，文中在对智能汽车HMI设计当中用较高饱和度的绿色和蓝色作为点缀色，起到了较强的提示作用，如图7a首页中的导航模块，同时这项设计还满足了图标设计易理解（E22）、主题色美观（E23）的设计需求。（d）音乐播放器页面图7智能汽车HMI设计效果图（b）导航页（c）车况页面（a）首页E23E33E22E21E32E31E12E110.010.050.060.090.240.320.170.000.050.100.150.200.25设计需求权重设计需求0.060.300.35图6智能汽车HMI设计需求排序图-2002023年7月最后，还针对汽车在非行驶过程中，避免暗色主题在白天环境对用户体验会造成不良影响，于是文中还设计了一款亮色主题的智能汽车HMI，让用户在休息娱乐时有更好的体验，也让用户拥有更多的选择，如图8所示。4.2智能汽车HMI设计方案评价为了验证此项设计方案的满意程度，对参与过前期调研的用户进行回访问卷调查，因前期用户主要为随机问卷，与此同时补充了新用户，新用户也主要为智能汽车用户或想要购买智能汽车的用户，且都拥有C1及以上等级驾驶证。将上述用户根据设计需求与需求的满意度进行打分，此次打分采用7点标度（3 非常满意、2 很满意、1 满意、0 中等、-1 不满意、-2 很不满意、-3非常不满意）的语义差异量表进行8，横轴分别为导航、电话等基本功能、影音、游戏等娱乐功能、界面布局简洁大方、图标设计易理解、主题色美观、触觉输入/视听觉反馈、语音输入/视听觉反馈、手势输入/视听觉反馈，纵轴为满意度，最终取用户打分的平均值，评分越高，说明满意度越高。所有需求指标均大于 1，权重值的需求指标均大于 2，因此此项智能汽车HMI的设计方案满意度较高，具体打分统计结果如图9所示。5结语随着国家对于汽车工业发展的大力支持，也伴随着如今用户对于汽车使用的体验要求越来越高，致使汽车的智能化程度也越来越高，故研究智能汽车HMI是有必要且有意义的。用户界面的设计，顾名思义首先着重考虑的因素就是以用户为中心的需求，文中通过对真实智能汽车使用用户或者想要购买智能汽车用户的实际需求为出发点，提出了一种结合层次分析法和质量功能展开相结合的设计方法。通过前期问卷调研了用户对智能汽车HMI设计的真实用户需求，然后将其主要分为信息功能、视觉效果、交互行为3个基本的用户需求，并运用了AHP法计算出了上述用户需求细分下的用户需求权重值；再通过综合分析得到3项主要的设计需求，分别为基本功能、界面样式、交互行为；最后结合QFD质量功能展开计算出细分的设计需求权重，指导设计了一款智能汽车HMI，并且验证了该方法的可行性。最终的设计方案与文中所用的设计方法为今后对于智能汽车HMI设计提供了一定的参考依据。由于智能汽车HMI设计还会受到汽车中控造型的限制，后续会针对多种造型、多种分辨率的用户界面进行设计研究，进一步完善智能汽车HMI的设计研究。参考文献1 强威.基于Kano-QFD的新能源汽车移动端交互设计 J.包装工程，2022，43（20）：212-219.2 刘雪，石天聪，余政涛.智能网联汽车人机交互界面分析 J.汽车实用技术，2021，46（10）：34-36.3 戴宇轩，章彰，陈宁峰，等.基于AHP、QFD与AD的居家适老座椅设计研究 J.包装工程，2022，43（20）：228-236.4 苏建宁，魏晋.基于AHP/QFD/TRIZ的玫瑰花蕾采摘机设计 J.机械设计，2020，37（8）：121-126.5 廖小菊，王朝侠.基于区间中智AHP/FAST/QFD的产品创新设计方法 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