张野,宋佳玥,张鑫
高铁车厢乘客设施的智能技术融合研究
张野,宋佳玥,张鑫
(北京交通大学,北京 100044)
明确高铁乘客智能化功能需求,提出高效能的车厢乘客设施智能技术应用体系。运用服务设计、行为分析、用户痛点研究、需求-满意度模型等进行智能化功能需求分析,通过专家访谈、文献梳理、总结归纳等方式进行类型研究。在分析高铁乘客体验痛点的基础上,将其转化为具有优先级的智能化功能需求,进而明确车厢设施载体的智能化应用机会点,结合现有智能化技术分析,明确车厢7类区域设施与智能技术结合的原则及技术要素,最终提出高铁车厢乘客设施的智能技术应用体系。在智慧高铁时代下,明确乘客设施智能化技术应用的要素及原则尤为必要,可以为未来的列车设计人员提供有关如何运用智能设施及其技术提升乘客体验的理论知识和实践参考。
智慧高铁;乘客设施;智能化;技术应用
智慧高铁系统作为世界铁路未来的发展方向,是高铁安全苛求巨系统与“云物移大智”等新兴变革性使能与赋能技术结合的产物,是认知和行为科学在深度融合的基础上,全面感知系统,分析其机理并优化其行为,使列车在运行、维修、运营服务等方面具备可演进提升的自感知、自适应、自学习、自决策、自修复的能力,从而实现自学习自主运行、自诊断状态维修、自适应易行服务的新一代高速铁路系统。在此背景下,列车工业设计也在历经了“人机工程学”“产品语意学”“人性化设计”“服务设计”等阶段后,全面进入了“智能设计”时代。因此,明确乘客的智能化应用需求,分析现阶段车厢设施与智能技术结合的可能性,构建“乘客需求+设施载体+智能技术”的应用体系,是列车工业设计界需要优先探讨的关键问题。
乘客服务设施研究是高铁智能化应用的前提,已引起了国内外广泛的学术关注,法国TGV与德国ICE等企业已采用人机工程学与服务设计结合的方式对高铁车厢设施进行再设计[1]。刘羽等[2]通过研究不同年龄段、不同性别的轨道交通乘客信息需求及行为路径,归纳了各类年龄段乘客接受信息的渠道与偏好;陈悦勤[3]对上海市轨道交通进行了实地调查及市场需求分析,明确了乘客对公共设施有不同的完善和增设需求;Shostack[4]、Alan等[5]和Parasuraman等[6]等通过服务蓝图法,分析乘客在高铁二等座车厢服务体系中重点关注的内容。这些前期工作积累了大量用户研究成果,明确了高铁车厢乘客服务设施的基本要素组成,为进一步分析智能化与高铁乘客设施的融合性问题奠定了基础。
在智能技术应用方面,自2017年起,依托智慧京张、智慧京雄等重点项目,我国从工程建设、技术设备和经营服务等方面开展创新实践,初步构建了中国智慧高铁的系统雏形。在工业设计领域,复兴号CR400BF-C型列车首次实现了时速350 km/h、自动驾驶(有人值守)、智能交互终端、乘客信息系统等功能,使之初步具备了智能化列车的特征。艾渤等[7]提出5G物联网应用于车站智能安防系统与智能传感设备,能够通过视频监测判断人员拥挤度,并进行温湿度的自动控制与调节。智能化列车票务系统也能实现座位资源的优化分配。但车厢乘客设施的智能化应用尚不全面,相关研究主要集中于座椅、空调、照明等方面,其中依据乘客生理信息实现座椅自适应调节的研究较为广泛,张清奎等[8]通过实验证实在高铁车厢内建立智能专家系统,可以实现座椅自适应主动减振控制与传感器抗疲劳设计,通过调节座椅的角度、气垫压力等,能够提升座椅的舒适性。智能化应用研究的另一个重点在于为乘客提供多样化的娱乐内容和互动体验,如VR游戏、互联网电视、音视频等。主动噪声控制与车内低频噪声控制技术的发展也为满足乘客的空间私密性需求提供了可能。
整体看来,当前高铁智能化应用研究多偏重列车运行、运营等方面,面向乘客体验设施的智能化应用维度较为单一。应在全面梳理乘客体验痛点的基础上,系统评估各项需求机会点的优先级及其涉及的空间资源博弈,结合对现有空间区域设施的分析,明确智能化功能需求,并综合考虑现有条件下的智能化技术实现难度、成本及其时效性,实现乘客需求、设施载体、智能技术的三者融合,以求得最优的应用效能。
明确需要优先满足的高铁乘客智能化功能需求,是智能技术高效应用于车厢设施的前提。应首先寻找乘客需求与空间设施服务之间的差距及痛点,并将其转化为具体的智能化功能需求,进而使用乘客需求-满意度模型对其展开评估,从而遴选出其中最具智能化价值的高效功能需求。
高铁出行场景中的人-机-环关系错综复杂,乘客行为容易受到空间资源和行为触点的限制,导致“需求-行动”通道受阻,产生一系列体验痛点问题。而服务设计将工业设计传统的“人-机”关系研究拓展为“人-机-事”的研究,可以帮助研究人员精准地发现乘客旅程体验中的痛点问题,有助于明确各需求要素,构建主次有序的乘客需求机会点。目前,高铁二等车厢的客运量较大,但智能化应用程度较低。因此,本文以中国智能化程度最高的复兴号CR400BF型京张高铁列车二等服务设施为研究对象,通过分析乘客全流程旅行行为需求,发现旅程中存在的乘客体验痛点。
通过服务设计的实地服务走查与建设性交互研究法,结合环境学行为学中的行为约束、行为规律、行为轨迹图分析法,对北京至张家口线路中的CR400BF型高铁二等车厢展开全流程乘客行为勘测。调研内容包括对乘客一系列行为活动的观察,以及对40名乘客进行深入访谈。分析结果发现尽管高铁二等座车厢内乘客的个体参数(包括年龄、性别、职业、学历水平、出行目的、出行人数等)存在差异,乘坐流程也可能因不同站点和人流量而异,但他们从进入车厢到离开车厢的行为呈现出高度的相似性。为更加准确地解读乘客在不同阶段的需求,结合智慧高铁乘客出行行为特征,界定了乘客的7个主要行为阶段:进入车厢、寻找座位、放置行李、乘坐高铁、取回行李、等候下车、离开车厢。通过阶段划分和行为节点划分,共计得出27个主要行为节点(见图1)。
针对上述27个行为节点,通过访谈法及服务设计接触点进行分析,得到乘客流通闭塞、乘坐舒适性差、空间狭窄等46个多数乘客公认的体验痛点,进而依据乘客反馈的强烈程度对上述痛点问题进行排序,排除部分现有技术难以达到、无智能化技术应用必要的痛点问题,并对类似项进行合并,最终整合筛选出30个最为重要的乘客体验痛点问题,将其代入7个主要行为阶段中,建立了智慧高铁乘客体验痛点模型。可以看出,乘客体验痛点问题主要集中在乘坐高铁、取回行李两个行为阶段中,其中前者是耗时最长的阶段,特别是在客流高峰期,这些问题表现得更加突出(见图2)。
图1 智慧高铁用户行为阶段与行为结点
图2 智慧高铁乘客体验痛点模型
采用文献研究法、专家访谈法,进一步分析解决乘客体验痛点所对应的智能化功能,其中乘坐阶段的乘客体验痛点共计18个,转化为12个智能化功能需求点(见图3),非乘坐阶段的乘客体验痛点12个,转化为9个智能化功能需求点(见图4),总计21个。
在智慧高铁场景下,智能化功能的优先级与乘客需求强度、技术可行性、乘客反馈和体验等因素密切相关。在技术可行性方面,功能转化初期已排除现有技术达不到或实现难度较高的功能。因此,主要考虑需求强度、乘客反馈与体验两个因素对功能优先级的影响。通过实地与网络问卷相结合的调研形式,共发放问卷130份,收回123份,回收率为95%。该问卷要求被测者对21个智能化功能需求点分别进行功能需求程度与满意度打分,每个智能化功能需求点的评估分数范围为1~10。将收集到的数据分别计算均值并分类后,绘制高铁乘客需求-满意度评估模型(见图5),依据功能需求强弱、满意度高低将21个智能化功能需求点分为4大类功能类型:
1)基本功能需求(高需求度-低满意度),该功能的提供不会增加乘客满意度,但如不供给则满意度会显著下降。基本功能需求是实现车厢内功能智能化的基础,包括座椅导向信息提示、设施使用情况自感知,为智能化模块提供了基本的信息反馈和自动化控制,属于首先需要保证的功能。
2)核心功能需求(高需求度-高满意度),满足该需求,乘客满意度会提升,反之则满意度会降低。该类功能让高铁设施更加符合乘客期望,如个性化娱乐、乘客久坐疲劳状态自感知等功能可以极大地提高乘客体验的满意度,在功能重要程度上仅次于基本型。
图3 乘坐阶段乘客体验痛点向智能化功能需求点的转化
图4 非乘坐阶段乘客体验痛点向智能化功能需求点的转化
3)提升功能需求(低需求度-高满意度),该功能的提供会产生明显的满意度提升,但不供给也不会使满意度下降。如智能送餐、行李架自动锁定与解锁等非刚需性功能一旦提供,就能极大地提高乘客满意度,带来惊喜体验感,因此,此类功能需求应尽量满足。
4)辅助功能需求(低需求度-低满意度),指该类别不论是否以智能化方式满足需求,都几乎不会给乘客体验带来影响,如个性化调整局域光的颜色、增加智能充电接口等,由于这些功能通过非智能化手段也能取得类似的效果,所以即使不具有智能化功能,乘客也不会感到不满意。
依据4种功能类型的特征定义,进一步将研究对象聚焦于基本功能需求、核心功能需求、提升功能需求3个方面的16个主要智能化功能。在满足基本功能需求的基础上,应着重关注核心功能需求,也建议逐步增加提升功能需求。辅助功能需求不会对乘客体验产生较大影响,故其所属的5种智能化功能需求无须作进一步探讨。
在《O2O用户体验设计五线谱》一书中,用户行为被比作连续且富有弹性的音符,而在高铁场景中,乘客的需求和动机是复杂的,其行为在不同的功能空间中切换,承接其行为的设施是满足需求的主要触点。因此,对于智能化高铁车厢设计,需要根据乘客的行为方式对现有车厢设施进行分类,找到乘客行为交叉密度高、智能化机会广阔的设施类别,以寻找智能化解决乘客体验痛点问题的机会点。
图5 智能化功能需求-满意度评估模型
根据车厢内乘客发生行为时所处空间的行为触点和设施功能特征,可以将CR400BF型京张高铁二等车厢中的现有设施分为七类,分别为乘坐类(A)、环境类(B)、行李储存类(C)、卫生类(D)、餐饮类(E)、通行类(F)、娱乐类(G)。根据上述需求和行为调研,结合高铁设施对用户服务质量影响度排序的相关研究结论,发现尽管旅途中乘客行为节点众多,但从全流程表现来看,乘坐类设施无疑是行为发生的核心区,其次是环境和行李储存类,依照行为发生频率,可将七类设施按A—G依次进行排序[9-10],并对各个区域涉及的主要设施进行梳理(见图6)。
乘坐类的核心是座椅,每位乘客相对独立,乘客的控制程度最高,具有一定的个性化操作空间。调研结果表明,乘客在此区域的时间最长,发生的行为也最多,除了休息、工作、阅读和交谈等一系列旅行活动之外,80%以上的乘客还选择在座椅上进行餐饮和娱乐,然而,当前座椅存在私密性相对不足、可控性低和座椅自感知性能缺失等问题,未来可通过个性空间分割、交互控制、自感知、自适应等智能化功能,较大幅度地提升乘客舒适性。此外,现有环境类设施多为集中控制,但智能化程度不高,尚不能通过环境监测实时调整最为适宜的温湿度、亮度,更无法满足乘客对上述方面的个性化需求;行李储存区域由于开放性大、可控性低,位置多不在视线范围内,因此很多乘客非常担心行李的安全性[11]。此外,在旅途中感到无聊也是乘客较为关注的体验痛点之一,由于二等车厢的娱乐功能供给不足,多数乘客常通过手机打发时间,满足智能化休闲娱乐需求显然是未来智慧高铁设计需要关注的“亮点”工作,这部分需要与乘客智能手机形成“拓展接口”,强化其机器学习、智能推荐的能力,提供具有差异化的内容或方式,为乘客带来精准、新鲜的出行休闲娱乐体验。
图6 七大设施类别及其主要设施
将A—G类设施与7个行为阶段进行交叉对比,并代入前文总结的17个重要智能化功能需求点中,得到高铁智能化设计机会点(见图7)。图5反映了智能化功能需求所属的行为阶段及设施类别。未来的智慧高铁系统将运用“云物移大智”技术,全面代入高铁智能化设计机会点,以提升乘客的出行体验。
图7 高铁智能化设计机会点
当前人工智能、物联网、云计算、移动终端和大数据等前沿技术发展迅速,未来将会有更多智能化技术投入现实应用。如利用智能语音助手查询车次信息、订购餐饮等个性化服务已不再是技术障碍。大数据技术对乘客的出行行为、生理数据、服务偏好等进行分析,为其提供更加个性化的综合服务。云计算技术也可以将海量音乐、电影等资源存储在云端,使乘客可以通过自带的移动设备随时随地拥有高质量的娱乐体验。尤其是随着ChatGPT等人工智能工具的快速发展,智能问答、智能搜索等俨然已成为当下的热点技术,应快速将其融入智慧高铁建设中。
通过文献研究和专家访谈法,归纳了当前可实现性较高的智能设施载体,包括乘客自带的手机及高铁车厢已有的乘客设施,如电子显示屏、触控屏、摄像头等,也包括当前有条件引入高铁车厢的智能化设施,如智能机器人、VR设备等,总计18个。通过移动智能、人工智能、物联网、其他技术等4个方面的子技术,阐述了智能技术与智能设施载体之间的对应关系,可以看出,部分设施载体融合了多种智能化技术(见图8)。至此,研究已明确分析了智能化功能需求、现有设施载体、现有智能技术3个方面的组成要素,将进一步探讨三者融合的原则。
遵循低成本、高效益、重体验的智慧高铁设计原则,将智能技术赋能于设施,成为建设智慧高铁系统的关键。在考虑乘客行为与设施相关性、智能控制集中与分散应用经济成本、功能时效性、技术难度等现实因素后,提出个体控制、共用协调、节点联动三大优先设计原则,并应用于高铁车厢内的各设施建设,实现功能落地。
1)个体控制优先原则。智慧高铁时代强调设施的定制化、个性化,座椅作为未来的智能化控制单元,将成为乘客的核心控制集成终端,汇聚了乘坐、餐饮、娱乐等智能化功能需求。根据乘客的个性化需求,通过座椅设施的自主调节和管理,为其提供个性化服务。
2)节点联动优先原则。未来,智能高铁系统将覆盖高铁行驶过程中“人—机—环”的各个部分,需要关注乘客在旅程中存在的诸多行为节点,运用物联网技术将各个节点与终控端实现联动,通过传感类载体实时感应乘客、高铁设施、环境情况,以提升整个系统的安全性,并提高乘客的舒适度。
图8 高铁设施载体与智能技术对应关系
3)共用协调优先原则。在高铁内部设施的设计和配置过程中,需要根据乘客行为关系,考虑不同设施之间的共用和协调。运用人工智能中的云计算、调控等技术,赋能于行李储存区域、通道区域等公共空间中的核心设施。在保证整个高铁系统正常运行的前提下,既要在公共空间中满足乘客需求,避免在交叉行为中产生冲突矛盾,又要减少设施的冗余和浪费,以提高智能化资源利用效率。如合并精简摄像头数量,界定个性化智能设备的投放条件等。
上述三种智能化应用原则,面对不同的设备类型,有不同的运用策略。乘坐、餐饮、娱乐类设施,应遵从个体控制优先原则;环境、卫生类设施,应遵从节点联动优先原则;行李存储和通道类设施,应遵从共用协调优先原则(见图9)。
座椅是乘坐类设施实现智能化需求的中心,围绕座椅扶手、前排座椅靠背等人机交互区域,可搭载语音交互设备、触控屏幕等附属设备,形成相对独立的“智能设备群组单元”,未来将是多种技术高度融合的智能服务终端。座椅涉及的智能服务因素较多,根据前文的研究可知,有多达6个智能化功能需求需要在此实现,需要评估上述功能需求的主次关系。其中,座椅“久坐疲劳状态自感知”是综合评估最高的智能服务要素,其具体服务措施是指利用压力传感器感知乘客的坐姿、身体状况和活动情况,运用人工智能算法分析、推断乘客的久坐与疲劳状态,通过语音交互和触控屏幕来获取乘客的反馈和指令,进一步优化座椅的自适应调节。例如,当系统检测到乘客的久坐状态时,可以通过界面或语音交互方式向乘客提供相应的提醒,建议乘客适当站立或活动;当系统检测到乘客的疲劳状态时,可以通过自动调节座椅的倾斜角度、提供轻柔的按摩功能等方式,帮助乘客缓解疲劳。此外,“座椅导向信息提示”“座椅状态自适应调节”“空间私密性视听”的需求评估也较高,这些功能可以提升乘客的旅行舒适度和乘坐体验。而“到站信息提示”“天气信息提示”与“遗忘物品提示”的需求评估相对较低。
图9 高铁设施智能技术及融合原则
餐饮设施的智能化服务机会点在于智能送餐。大数据结合物联网技术可满足这一需求,通过大数据深度挖掘分析乘客的订单信息和历史数据,获取乘客的餐饮偏好与消费习惯,从而推荐个性化的餐饮菜品和优惠活动,下单后根据用户的订单信息和座位号,通过智能机器人提供送餐服务,自动将食品送至用户所在位置,从而提高用户满意度和消费体验。
娱乐设施的服务机会点是个性化娱乐。基于物联网技术,可以为乘客提供电影、音乐、游戏、在线购物等娱乐活动,通过人工智能算法、大数据技术来推荐个性化的娱乐内容,还可根据乘客的触控行为、历史数据、兴趣偏好、用户评分等信息,为乘客提供相应的娱乐内容[12]。图10描述了在乘坐、餐饮、娱乐类设施上,为满足上述8种智能化功能需求,所应用的智能技术及其载体。
空调、照明设备等是主要的环境类设施,主要的智能化机会点在于空气温湿度及光线的自感知、自适应调节。环境区域内安装的各类传感器,可以实时监测车厢内温湿度与空气质量等环境数据,并将数据传输给智能控制系统,系统根据预设条件进行智能调节。如温度传感器收集温度数据后上传至智能控制系统,通过大数据分析或云计算等智能技术得出室内实际温度与人类最适合体感温度之间的差值,获得人类最适宜的体感温度,从而向空调下达指令,使车厢内温度满足使用者的实际需求[13]。智能控制系统和传感器应遵循节点联动控制原则,以实现节能减排和智能化资源的合理利用。
图10 乘坐、餐饮、娱乐类设施的智能化技术应用要素
卫生区域的智能化机会点在于设备使用情况自感知。通过智能传感器可以实时监测卫生设施的使用情况和清洁状态,如监测水龙头的开启关闭状态,记录用水量、水温等信息。洗手间安装的人体传感器可以监测使用的时间和频率等数据,这些数据可以帮助维护人员快速定位和解决问题,也有助于对卫生区域进行物料补充或维护管理(见图11)。
行李储存类设施需要满足的智能化功能需求机会点分别为:行李架摆放安全提示、空缺及最优位置、自动装卸和自动锁定解锁。智能摄像头可以识别行李架空余数量及其具体定位,并将其显示在车厢显示屏上,为乘客快速放置行李架提供信息,也可使用语音提示提醒乘客合理安全摆放行李的方式方法。在储存放置方面,可以实现行李架自动装卸与调整,智能机器人可以辅助乘客将较重的行李放到行李架上,还可以根据行李架空间和行李的摆放情况,自动调整行李的位置,以确保行李的合理摆放和乘客的安全。此外,物联网技术还可以将行李架和触控屏幕终端设备连接起来,让乘客可以通过终端设备对行李架进行行李锁定和解锁,实现对行李架的远程监控和控制。这些智能功能的应用可以帮助乘客更加便捷地使用行李储存区域,减少行李储存的时间,减少因不合理行李储存带来的安全隐患。行李的智能技术应用不限于车内,通过对乘客携带行李数量、体积偏好的大数据分析,可以预判整列车厢的行李总数,并在购票阶段,据此进行乘客的位置智能调配,使各车厢的行李分布呈现最优方案。
通道区域空间狭窄,乘客之间容易发生拥挤碰撞,可以通过智能化应用保障乘客安全。“监测-提醒-引导”是安全服务功能的基本机制,实时监控安全隐患的智能设备是这一机制的前端,包括设置于车厢地面用于测量人群密度和压力的激光传感器或压力传感器[14],以及实时监测人流密度、障碍人群行为的智能摄像头。在“提醒-引导”方面,可通过车内显示屏实时显示通道的拥挤情况,以提醒乘客避免拥堵,还可以通过语音交互为视力受损的乘客提供引导,此外,车厢内设置的智能服务机器人,可以为弱势群体提供更为全面的引导服务(见图12)。
图11 环境、卫生类设施的智能化技术应用要素
图12 行李储存及通道类设施的智能技术应用要素
将研究涉及的“人-物-技术”的全部要素进行关系整合,可以描述基于乘客需求的高铁车厢智能化设施的分析与构建过程[15],从而构建高铁车厢乘客设施的智能技术融合体系。一方面,该体系描述了从人群行为分析出发得到乘客体验痛点,并将其转化为智能化功能需求的过程,而“智能化功能需求-现有设施-乘客行为”的结合,形成了智能化设计的机会点。另一方面,也描述了将智能技术应用于智能载体,与现有设施实现了三者的融合应用。该体系的提出,构建了一种乘客设施智能化设计的理论模型(见图13)。
高铁智能化建设是智慧交通发展的必然趋势,而乘客服务设施的智能化则是实现这一目标的重要组成部分。本文以二等车厢为例,通过大量调研构建出智慧高铁乘客出行需求-行为-设施新体系,并深入挖掘车厢各区域内设施与智能技术结合的可能性,提出了高铁车厢乘客设施的智能技术融合体系,为未来高铁车厢内实现全智能化设计提供了方向和依据。值得一提的是,本文所分析的智能设施技术,虽在当下已不存在任何技术性障碍,但在进行应用决策时,还是要综合考虑现有条件下的技术实现难度、成本及其时效性,也要分析各项机会点需求的评估优先级及其涉及的空间资源博弈,以求得最优的应用效能。但无论发展过程如何曲折,未来的高铁列车必将逐渐呈现“高度智能化”,为乘客出行提供“日趋完美”的服务体验。
图13 高铁车厢乘客设施的智能技术融合体系
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Intelligent Technology Fusion of Passenger Facilities in High-speed Rail Carriages
ZHANG Ye, SONG Jia-yue, ZHANG Xin
(Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
The work aims to clarify the intelligent functional requirements of high-speed rail passengers, and propose a high-efficiency intelligent technology application system for passenger facilities in carriages. Service design, behavior analysis, user pain point research, user needs-satisfaction model, etc. were used to analyze intelligent functional requirements, and type research was conducted through expert interviews, literature review, summary and other methods. The pain points experienced by high-speed rail passengers were analyzed and transformed into priority intelligent functional requirements, and then the intelligent application opportunities of the carriage facility carrier were clarified. Based on analysis combining current intelligent technologies, the principles and technical elements of technology integration of 7 kinds of area facilities and intelligent technologies were clarified, and an intelligent technology application system for high-speed rail passenger facilities was finally proposed. In the era of smart high-speed rail, it is particularly necessary to clarify the elements and principles of intelligent technology application for passenger facilities, which can provide theoretical knowledge and practical reference for future train designers on how to use intelligent facilities and technologies to improve passenger experience.
smart high-speed rail; passenger facilities; intelligence; technology application
TB472
A
1001-3563(2023)12-0049-11
10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.12.005
2023–01–27
国家重点研发计划项目课题:“面向冬奥的京张高铁配套视觉全方案设计技术示范”(2020YFF0304106)
张野(1980—),男,博士,教授,主要研究方向为工业设计与视觉传达设计。
责任编辑:马梦遥