多用户交互视角下智慧家庭系统设计策略研究

摘要：为智慧家庭多用户交互体验设计提供方法参考。分析智能家居交互设计研究趋势，阐述了智慧家庭系统下的用户角色关联、多用户交互的特征及需求。提出了智慧家庭多用户交互设计策略及建议。该方法有助于更好地支持多用户交互，提升了智慧家庭交互体验。

关键词：智能家居；多用户；用户体验；交互设计；设计策略

中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2024）12-0097-03

Abstract：Provide a reference for the design of multi user interaction experiences in smart homes. Analyze the research trend of smart home interaction design，and elaborate on user role association and the characteristics and needs of multi user interaction in smart home systems. Proposed design strategies and suggestions for multi user interaction in smart homes. This method helps to better support multi user interaction and enhance the interactive experience of smart homes.

Keywords：Smart home；Multi-user；User experience；Interaction design；Design strategy

前言

在物联网（internet of things，IoT）、人工智能（artificial intelligence，AI）等技术赋能智能家居的背景下，智能家居逐渐变得更为便捷高效和人性化。面对其市场规模的逐年扩大，智能家居始终承载着消费者们对智慧居家生活的美好体验日渐增长的期待和向往。

纵观华为、美的、海尔等企业的智能家居系统交互设计，它们整体上考虑了不同家庭用户的需求差异，在用户个性化功能上取得了一定成效。但在多用户共享的智能家居系统下，用户之间的差异并未很好地实现平衡，继而引发各种问题，比如生理差异导致的多人共处一室温感不一致、认知能力差异导致的儿童不理解反馈信息等。此外，家庭智慧场景通常伴有多名用户的存在，且未来智慧场景还会延伸至家的周边，用户交互关联网将更为复杂，若交互过程中有某环节或某位用户的体验感较差，会影响该场景的整体体验。因此，智能家居系统多用户交互问题亟待解决，需进一步探索以优化交互体验。

当前，智能家居领域的相关研究主要针对技术层面的创新与分析，交互设计视角的相关研究较少[1]。且目前大多现有相关研究仅针对某一特定人群，着重从个人使用角度考虑，而非系统整体用户。家庭环境不乏社交，个人与系统的互动也会牵动其他用户，为防止冲突和对他人的意外影响，应设计适于多用户交互的系统，以支持用户在交互过程中相互考虑[2]。为了支持以家庭用户为核心的人性化交互体验，需要从多用户交互视角探究智慧家庭系统交互设计，而已有研究中鲜有此方面的探索，这为本文的研究提供了契机。

一、智能家居交互设计相关研究趋势

（一）智能家居行业人机交互的发展

物联网、人工智能等技术的创新发展与智能家居共同进化、协同发展。

在以产品为中心的单品智能阶段，各大家用电器公司集中于细分领域的智能产品升级，设计研发了各类智能家电产品，如智能灯具、智能门锁、智能摄像头等，各单品基本为分散化的状态。移动互联网的普及后，用户可以通过智能手机无线控制各类智能设备。此阶段的人机交互方式和适用场景都较为单一，智能设备被动接收用户的操控并执行规定的行为，反馈的信息也比较有限。

在以场景为中心的联动智能阶段，物联网技术让智能家居设备具备感知、计算和通信等功能，实现对环境和状态的监测与控制。随着语音识别、生物识别等技术的发展，人机交互的方式也越来越多样和智能化，主要有触摸、语音、生物识别、手势交互等。用户通过智能手机等终端实现远程操控家中的智能设备、使用场景自动化等一系列操作。但此时的智能家居系统往往因为是由不同厂商的不同设备组成，而缺乏统一的标准和接口，难以实现数据共享和互联互通。

在以用户为中心的全面智能阶段，智能家居设备之间互联互通，有组织地协调运作并智能协同全屋资源，形成一个和谐共存的生态系统，目前国内较领先的全屋智能正处于此阶段的开端。以AIoH（AI+IoH）为代表的新型人工智能应用形态将助力该阶段进入全新面貌，加强智能家居的感知理解能力、适应性学习和自主决策能力，推测用户实时的需求和意图，主动为用户提供生活、健康、娱乐等多方面个性化的服务，打造更为便捷、舒适的生活方式。同时，人工智能还可以对与用户关联的数据做出深度分析，在用户进行认知任务及决策过程中起到辅助作用，让用户体验更贴心。

在未来，人机交互方式会越发多样化和自然化，用户与智能系统协同合作共创理想家居生活。不局限于特定的设备和场景位置，用户可以通过语音、手势、眼球追踪等方式与智能家居系统进行多模态交互，同时系统通过智能感知与分析用户行为状态、设备使用场景、空间环境因素等主动提供服务并进行多模态的交互反馈[3]，实现人机共生的状态。

（二）智能家居交互设计的研究趋势

万物互联的时代背景下，物联网、人工智能等新技术已深入人们生活的各个方面，改变着我们的生活方式，技术的革新促使人们对智能家居智慧化产生了新期待及新需求，为跟上时代发展变化和顺应交互体验升级要求，国内外研究学者们对如何通过设计手段来提升智能家居系统的交互体验进行了多维度的探讨。

其中，戴以蘅等人认为智能家居产品的交互设计趋势是主动交互，通过以人为本的感知、信息可视化的显示、内容共享的控制、情感互动的理解增强了智慧场景的交互体验，提出了以人为中心的有序主动交互设计策略[4]。黄立等人对近5年智能家居交互设计相关文献研究进行了梳理，发现近年来智能家居领域的研究逐渐从技术创新的角度转向人性化设计的角度，研究者开始更加注重用户体验和需求，并总结了智能家居交互设计的5个研究趋势，分别为：关注交互设计促进交互体验升级；关注用户行为以贴合用户需求；关注数据、隐私与安全提升用户信赖度；关注智能设备实现自然交互；考虑可持续设计和用户共创推动设计探索[1]。

结合业界和组织机构的最新研究来看，可以发现智能家居行业的交互设计正在走向智能交互、主动交互、自然交互，更加关注用户交互体验，以促成便捷、舒适、健康、和谐的人性化智能家居交互体验。相关设计研究多是针对某一特定人群如老人或儿童，鲜有对家庭用户群体进行探讨，而家庭用户作为智能家居用户体验的核心人群，其社交需求及内外部用户的互动关系也是人性化设计的重要一环，多用户交互的问题值得进一步的探究。

二、智慧家庭系统下的多用户交互

（一）智慧家庭场景中的用户角色及关联

智慧家庭场景涉及的用户具有多样性及复杂性。在智能家居系统的长期使用过程中，通常会涉及多名用户的交互，包含了家庭成员用户及家庭外部用户参与的交互。对于家庭成员用户，根据智能家居用户相关研究内容，可以了解到在先前的一些研究中家庭用户一般会分为管理者和普通用户，Geeng C等人将管理者称为“smart home driver”[5]，还有部分研究对象用户群体为老年人、青少年等特定人群。在此基础上，本文根据用户的认知水平、交互能力、与系统交互的参与深度进行角色划分，将家庭成员用户分为生态管理者、直接使用者、依赖照护者。一般情况下，管理者只需负责一个智能家居系统，更为复杂的情况是有远程监护空巢老人需求的管理者，其需要负责多个智能家居系统，则其地理位置所在的智能家居系统为主系统，空巢老人所在的系统为副系统。家庭外部用户会涉及访客（到访的朋友等）、外部代理人员（临时代理监护的亲戚等）、服务人员（社区负责人等）等，本文统一归类为外部使用者角色。

其中，生态管理者角色通常为家中的男主人或女主人，也是负责购买和配置家居设备的人，其交互能力层级相对较高，参与交互的层级最深，在系统的使用控制权等方面占据主导地位。直接使用者角色交互能力层级相对中等偏高，其无需负责管理系统生态，直接参与系统交互，拥有系统的基本使用控制权限等。依赖照护者角色通常为家中的老人或儿童，其交互能力层级相对较低，需要家中其他成员的监护与协助，受生态管理者的管理，其拥有系统一定的使用控制权限。外部使用者角色与直接使用者的交互能力层级类似，受生态管理者的管控，仅在一定的场景或期限内授予特定的使用控制或查看等权限。

在某些情况下，这些用户角色也存在着交叠或转变，比如生态管理者同时也是直接使用者、儿童随着成长逐渐从依赖照护者转变为直接使用者，角色的转变也同样伴随着用户角色关联的变化。

用户角色及其关联会影响智能家居交互的许多方面，包括设备控制权限、访问权限、场景规则的制定、用户界面和交互方式等。在智能家居场景下，基于不同的情景，多个用户角色之间在交互目的上存在着一定的关联，涉及互动关系、行为方式等维度，见图1。

在一个共享的任务或场景中，多个用户通过各自的控制终端与智能家居进行信息交换和互动。生态管理者对其他用户角色进行管理，包括管控对各类设备的使用权限、参与场景交互的优先级等。同时，管理者与直接使用者有时会建立协作关系，比如共享系统设备共同调节参数等；当依赖照护者对管理者提出需求时，管理者可通过系统进行相关设置修改、远程监护或协助工作；当外部使用者请求参与系统交互时，管理者可对其进行授权，甚至可以邀请信任的外部使用者进行更深层的系统交互。此外，直接使用者、依赖照护者与外部使用者之间在与系统交互时互不干扰，在特殊情况下会产生一定的协助、协作或代理关系。

（二）多用户交互的特征

多用户交互具有用户、环境、任务的多维度复杂性和动态变化的不确定性特征。在一个智能家居系统所面向的多种场景中存在着多名用户，他们之间有着各种差异，使得他们在同一场景中的感知状态、情绪态度和处理问题的方式等不一致，这些情况都可能会导致用户间互相影响而产生冲突，给智能家居系统的使用效果和用户满意度带来负面影响。

从用户的基本属性来看，用户间在使用智能家居系统时会存在认知水平、习惯偏好、期望需求、价值观的差异。交互式系统提供的灵活性有时可能会加剧多用户使用情况的冲突[6]，因为当呈现更多的控制可能性时，不同用户之间的差异则更加明显，从而导致冲突。例如，当灯只能打开或关闭时，几乎没有分歧，但当选项包括颜色、饱和度、亮度等时，偏好差异可能会变得更大。

并且，研究表明，多用户的家庭环境下各项因素具有高度动态性。各用户之间除了上述基本属性的差异，还有行为及状态的差异，且用户基本属性的某些因素并非一成不变，例如偏好、生活方式等因素会随着时间的推移而发生变化[7]，因此使用场景、用户配置、自定义选择和协调策略所基于的层次结构极其复杂，所有的前值设定不可能一直完美无缺。受当前技术成熟度的限制，智能系统算法对上下文的错误理解可能会滋生问题，所以仅通过系统基于情境分析自动协调多用户交互不是最好的解决方案，需要通过合理化的设计手段增加用户参与度，将交互的最终协调决策权留给用户。

（三）多用户交互的需求

面对用户之间的差异，在智能家居系统下多用户交互可能会出现各种问题和冲突。Niemantsverdriet K等人将家庭环境中的照明冲突分为3类：基于价值的冲突、基于偏好的冲突和基于活动的冲突[6]。结合智能家居多用户相关研究，可以基本归纳出引发冲突的因素主要有两类，一是用户属性的不一致，二是用户权力的不平衡。例如，由于个体生理差异，家庭生活日常中可能会出现多人在场对温度控制有着不同要求的情况，向智能助手发送不同的调控指令；家中的管理者由于在管控设备、其他用户和配置自动化规则上占有主导地位，管控他人房间的设备可能会侵犯他人的隐私权从而引发不满。另外，外部用户也可能对设备所有者产生干扰，例如来访客人对家中智能助手进行操控，智能助手记录学习了客人的行为习惯及偏好，或者客人擅自利用语音命令智能助手下订单，影响了所有者对其掌控。

同时，Salovaara A等人研究发现家庭用户有着许多社交需求，包括家庭成员之间的沟通、协调、相互支持等[8]。例如，用户通过共享系统对对方进行留言互动。此外，随着智能社区系统、智慧养老系统等人工智能应用形态的发展，智能家居系统的拓展性新场景将会增多，这意味着内外部用户的社交内容会随之变得更加丰富，新需求也就接踵而至。

通过上述分析，可以得出智慧家庭系统多用户交互的需求主要体现在以下方面：

1.用户多样性的和谐共存需求：面对多用户交互的智能家居系统，用户需要系统能通过声纹、面部或指纹识别等技术，识别和区分多样的用户角色，支持多种交互方式并存、多模态信息交互，以适应各个用户的使用习惯、偏好等，满足用户的个性化需求。同时，还需要满足家庭用户交互行为互不干扰、和谐共存的需求。为预防使用场景交叠导致的设备执行冲突等交互影响问题，界面需给予用户对角色权限优先级的设定和调整机会；当冲突发生时，交互界面需提供具有其他用户状态的关键信息以及建议进行协调，形成一定的社交透明度，以便用户互相理解后决定执行最优的替换方案。并且还需充分考虑各个用户的需求及反馈，分别向其呈现合适的可解释性信息反馈，成为以用户为中心的可理解的系统[9]。

2.用户间的社交需求：智能家居系统不仅仅是家庭氛围的调和者，也可以是家庭幸福氛围的营造者。用户希望能直接通过该系统交互界面与其他家庭用户产生交流和互动，例如提醒家庭成员待办事务、共享智能设备进行协作、远程求助家人处理问题、异常情况下权限限时让渡、为伴侣预设关怀问候或惊喜场景等。同样的，家庭用户还希望以便捷友好的方式与外部用户进行互动。例如，通过系统授权操作，委托亲戚朋友通过智能摄像头临时代理监护家中老人。

3.用户间的利益保护需求：用户需要智能系统能够通过加密、认证或授权等机制，保护家庭内部用户的安全和隐私。同时，对于外部用户与系统交互的偏好和行为习惯相关语音指令记录予以自动删除，保障家庭用户个性化服务的精准度。

4.用户因素动态变化的包容性需求：从智能家居系统长期使用的角度来看，用户角色数量、关联及用户行为变化影响着多用户与智能家居系统的互动体验，需要系统包容性支持多个用户不断发展变化的不同特征，提供灵活可调的设置方式，例如支持用户角色设定的修改、用户偏好的改变等。

三、面向多用户交互的智慧家庭系统设计策略

为提高智能家居系统交互体验的质量，鉴于家庭用户为系统服务的核心对象，提倡从多用户交互视角关注用户体验，对此提出以下设计策略及框架，见图2：

1.优化交互逻辑：交互系统中有效渗透用户角色信息

相较于一对一的人机交互场景，智能系统居于家庭环境中，其感知内容包含了多名用户的行为、环境及设备状态，其中用户的角色关联、行为状态、角色属性影响着系统的推理与决策。基于智能系统的用户识别及情境分析技术，将用户角色信息合理融入各类设备及场景交互中，例如“设置”功能区增加用户角色权限优先级的设定、场景规则预设中添入优先级相关的前置条件等。这不仅能提高系统对用户意图、行为的敏感度，还便于系统智能分析各项交互操作对其他用户的可能性影响，进而自动决策执行较高优先级的事件，规避多用户交互的冲突问题。值得注意的是，用户优先级并非一成不变，应随活动情境而变，普通场景设定通用优先级，特殊场景下另设优先级，系统在满足复杂的调控需求时，也需通过巧妙的设计为用户减负。此外，需要尊重用户的隐私权，实现细粒度的用户授权管理，并提供系统决策的可解释性信息以增加用户的信任感。

在用户进行智能家居的体验过程中，若系统预测到用户使用设备冲突，可将所需关键信息比如有关他人的偏好、价值观、活动的信息，以可视化视觉反馈、语音反馈等多种形式告知用户决策依据及决策结果[10]，并提供相应的替换建议方案以主动协调，接受用户的决策意见后确定执行。

2.丰富交互内容：为家庭用户提供更细节、极致的个性化服务

支持各个家庭用户的动态个性化，为不同用户角色灵活切换与其适配的典型交互模式，包含交互界面风格、交互信息内容形式、交互方式，例如向用户呈现符合偏好、习惯的界面风格，提供合适的多模态信息反馈。并赋予语音助手人格多样的特征，灵活匹配符合用户偏好的对话模式，包含音色、语速、音量、表达方式特征等[11]。这种方式在一定程度上也可以规避家庭用户之间的隐私问题。

3.拓展交互功能：支持用户间的社交需求促进和谐氛围

为满足家庭用户的多样化社交需求（交流、共享、协作、关怀监护等），合理有效地提供全屋设备、场景运行状态信息、其他用户的状态及历史互动记录，支持用户间的理解和沟通；提供智能家居合作工具包或共享板块以供用户交流、协作；并关注用户情感情绪需求，给予营造浪漫仪式感等预设场景、分享情绪的机会，增强用户间的互动和幸福感。

4.挖掘交互潜能：考虑利用用户价值促成系统可持续的设计生态

提升用户参与度，在系统中增加可支持用户反馈和参与共创的界面板块，例如经用户授权允许，收集冲突情况信息或用户评价信息用于系统交互体验的升级；增加可供用户体验反馈的评论互动及用户共创功能区。一方面利于系统吸纳用户价值促成系统对用户行为的自适应学习优化，另一方面便于设计师长期动态地追踪收集并理解用户家庭结构成长的需求变化和建议，从而有针对性地迭代交互设计，为家庭用户提供更精准的个性化服务，从而提升人性化交互体验。

总结

家庭用户作为智能家居体验的核心服务人群，其差异的平衡也是人性化设计的重要内容。智慧场景下的交互问题不仅需要算法技术的优化，也需要从多用户交互的视角深入研究，用设计手段来改善。从优化交互逻辑、丰富交互内容、拓展交互功能、挖掘交互潜能4个维度，构建面向多用户交互的智慧家庭系统设计策略，能够为设计研究者提供设计表达的指导性建议，帮助营造和谐友好的智慧家庭环境，促进用户人性化的交互体验。

此外，未来随着场景交互空间的向外延伸，智慧家庭系统涉及的外部用户角色和环境因素会更复杂多样，系统决策判断的干扰项则会增多，不仅算法技术需迭代优化，相应的交互界面设计也面临着新考验，如何通过设计实现对用户隐私的保护也有待进一步探究。

基金项目：国家社会科学基金艺术学项目（2023BG02934）

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