林蘇云　林凇冰

關(guān)鍵詞：智能家居；腦機接口；用戶

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A

0 引言

隨著市場開放，智能家居的應(yīng)用前景更加廣闊，工業(yè)和信息化部科技司于2019 年6 月下發(fā)《關(guān)于智能產(chǎn)品用戶體驗質(zhì)量評價研究與應(yīng)用項目的委托函》（工科函〔2019〕529 號），提出對用戶體驗質(zhì)量進行評價研究，研究建立評價體系來提高產(chǎn)品的用戶體驗水平，要求制定《智能產(chǎn)品用戶體驗質(zhì)量評價指南》，智能家居產(chǎn)品是其中的重點之一。工業(yè)和信息化部辦公廳于2020 年3 月下發(fā)《關(guān)于做好2020 年工業(yè)質(zhì)量品牌建設(shè)工作的通知》，提出“試點推動電子產(chǎn)品、家電等消費品質(zhì)量分級，圍繞產(chǎn)品安全性能、節(jié)能環(huán)保、智能化水平、用戶體驗等關(guān)鍵特性等確定分級標準”。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，用戶體驗已融入我國多個社會經(jīng)濟領(lǐng)域，是建設(shè)質(zhì)量品牌的關(guān)鍵推動力之一。智能家居在系統(tǒng)集成方面也需要以用戶為中心不懈地進行探索實踐，不斷集成新技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化，逐漸培育起以用戶為中心的產(chǎn)品設(shè)計習慣。

腦機接口與傳統(tǒng)人機交互技術(shù)不同，其直接在人腦和設(shè)備之間建立通信通道并實現(xiàn)信息交換，不依賴外周神經(jīng)和肌肉。因此，基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)能夠為殘障人士和健康個體提供可選的與外部智能家居設(shè)備的通信方式和控制方式，提升他們的生活質(zhì)量。但基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)從實驗室走向普及應(yīng)用仍面臨著一定的挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)主要側(cè)重于功能的實現(xiàn)，以及提高速度與準確率等技術(shù)性指標，沒有充分考慮用戶的體驗感、滿意度、個性化需求，生理心理因素和能力特性等。本文針對基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)，充分考慮用戶的各方面屬性，論述了以人為中心的基于腦機接口智能家居系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1 基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)

腦機接口是人腦向外部環(huán)境發(fā)送信息與命令的通信系統(tǒng)，該通路不依賴于大腦的常規(guī)輸出通路（外周神經(jīng)與肌肉組織）[1]。例如，基于腦電波（electroencephalogram，EEG）的腦機接口系統(tǒng)將EEG 活動進行編碼作為消息命令，來替代神經(jīng)系統(tǒng)的輸出信號，因此腦機接口系統(tǒng)為人們提供了另外一種操控環(huán)境的技術(shù)，該技術(shù)形成于20 世紀70年代[2]。完整的腦機接口系統(tǒng)由信號采集、特征提取、特征分類和外部設(shè)備控制4 個部分組成[3]。腦機接口系統(tǒng)要能夠選出用戶能夠控制的特征，并且高效、精確地將這些特征轉(zhuǎn)換為設(shè)備可以識別的命令[4-5]。

智能家居系統(tǒng)的設(shè)計涉及多個學(xué)科，涵蓋計算機科學(xué)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能工程、電工電子技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，把家居生活中的各種設(shè)備融合在一起，實現(xiàn)整屋的信息交換。這能夠有效節(jié)約時間和空間，進一步提高人們的舒適度[6]。

基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)組成如圖1 所示，信號采集部分采集腦電信號并進行信號放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換（模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換）等處理；信號處理部分對腦電信號進行預(yù)處理、特征提取和特征分類；外部設(shè)備控制部分按照特征分類結(jié)果對智能家居設(shè)備進行控制。

2 以人為中心的腦機接口智能家居系統(tǒng)設(shè)計

基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)的使用人群包括健康人士、殘障人士等，因此需要考慮不同用戶群體的能力層次和個性化需求，針對不同用戶進行以人為中心的腦機接口智能家居系統(tǒng)設(shè)計。在人與機器交互的過程中，建立與人的能力相符的高效交互模型，提高人與機器間的高效協(xié)同工作。

2.1 腦電信號的選擇

基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)需要選擇特定腦電信號作為系統(tǒng)的輸入，而不同的腦電信號是由不同心理任務(wù)誘發(fā)的。不同心理任務(wù)難度不同，難度大的心理任務(wù)學(xué)習訓(xùn)練時間長，影響系統(tǒng)的易學(xué)性；不同的任務(wù)引起用戶的感受也不同，有些任務(wù)在長時間使用的情況下容易引起疲勞，這些問題在選擇腦電信號時都應(yīng)考慮在內(nèi)。

在選擇誘發(fā)腦電信號的心理任務(wù)時，應(yīng)選擇適合用戶的、簡單的、被用戶接受和喜歡的任務(wù)。同時，這個任務(wù)最好是日常生活中能涉及的心理活動，這能夠幫助用戶自然地誘發(fā)出相應(yīng)的腦電信號，而不用刻意費力地學(xué)習相關(guān)的心理任務(wù)。為了減輕用戶長時間使用時的疲勞感（疲勞感主要由執(zhí)行心理活動時的腦力負荷決定），應(yīng)選擇腦力負荷低的任務(wù)[7-8]。

目前，常用的腦電信號有運動想象、基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位、P300 等，它們有各自的優(yōu)缺點與適用范圍。例如，運動想象腦電信號訓(xùn)練時間較長，一部分人可能想象能力較弱，訓(xùn)練后仍無法達到良好的效果，所以就不適合選取運動想象腦電信號作為基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)的輸入信號?；诜€(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的訓(xùn)練時間比運動想象腦電信號的訓(xùn)練時間短，但由于使用一定頻率的閃光刺激，易造成眼部疲勞，因此眼部疾病患者將不能選取穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位作為基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)的輸入信號[9]。P300 的訓(xùn)練時間也較短，但P300 需要用戶移動眼球來注視閃光刺激，因此眼球運動受限的用戶無法使用[10-11]。由此可知，在選擇合適的腦電信號時，應(yīng)使誘發(fā)該腦電信號的心理任務(wù)能夠自然地與使用用戶以及需要控制的外部設(shè)備任務(wù)相匹配。

2.2 信號采集

腦電信號采集設(shè)備硬件的安全性、舒適性、易使用性和美觀性等因素會影響用戶對產(chǎn)品的選擇。采集設(shè)備的大小、兼容性、聯(lián)網(wǎng)方式、傳輸距離、電量維持時間、更換是否容易等，無不影響用戶的體驗感與滿意度。腦電信號的采集部分需要能夠采集到高質(zhì)量的輸入信號，采集方式可分為無創(chuàng)方式與有創(chuàng)方式。無創(chuàng)方式是在大腦外部佩戴腦電信號采集設(shè)備，有創(chuàng)方式是在大腦中植入腦電信號采集設(shè)備。針對無創(chuàng)方式，需要著重考慮采集設(shè)備的穿戴方式和人體舒適度[12]，而針對有創(chuàng)方式，需要重點考慮采集設(shè)備植入的安全性與舒適性。

2.3 信號處理

針對腦電信號的信號處理部分，基于腦機接口的智能家居控制系統(tǒng)需要具備一定的實時性和準確率，因此腦電信號應(yīng)該選擇何種處理算法至關(guān)重要。算法的準確性、處理速度與解碼速度、處理精度與解碼精度影響整個系統(tǒng)的可用性。由于每個用戶的特殊性，當不同的用戶使用同一套設(shè)備時，可能同樣的心理任務(wù)誘導(dǎo)出的腦電信號強弱、清晰度、時延均有所不同。因此算法應(yīng)該具有自適應(yīng)、自學(xué)習功能，能夠根據(jù)每個用戶的不同特征調(diào)整個性化參數(shù)，使算法達到最佳狀態(tài)。同時，還應(yīng)考慮同一用戶在不同時刻的情緒變化，在實際使用中，用戶可能會面臨緊張焦慮、興奮激動或者平靜安定的情緒，因此算法需要能夠自我調(diào)整不斷適應(yīng)用戶的心理變化以達到最佳狀態(tài)。所以需要基于以上兩個方面來提高基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)的普適性和實用性。

信號處理還需要設(shè)計友好的用戶交互界面，用戶交互界面需符合使用者的習慣和偏好，簡單易用[13]。人機交互界面的圖標要素需要考慮用戶注意捕獲效果與視知覺容量，確定刺激用戶產(chǎn)生相應(yīng)腦電信號的項目數(shù)量，包括圖標尺寸、形狀、大小、色彩、空間位置布局、前景背景對比等。研究表明，為了提升用戶的反應(yīng)時間和準確率，用戶交互界面的最佳圖形是無洞的基礎(chǔ)圖形，尺寸為14 mm左右，圖標的前景色與背景色反差大，這樣對用戶的注意捕獲效果是最好的[14]。

2.4 設(shè)備控制

目前，基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)主要是在實驗室中研究、運行，實驗室的環(huán)境相比于用戶的實際使用環(huán)境較為簡單。用戶的實際使用環(huán)境通常有更大的噪聲、更多的環(huán)境設(shè)備、更復(fù)雜的干擾因素，這不僅會影響到實際用戶使用設(shè)備時對腦電信號的誘發(fā)，還會影響到設(shè)備的實際運行。因此要求基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)能夠識別和適應(yīng)周圍的環(huán)境，同時通過對周圍環(huán)境的識別，提前感知潛在的用戶操作對象，預(yù)估用戶接下來可能的操作意圖，提高對用戶意圖的識別準確率和有效率。目前的腦機接口系統(tǒng)并不具備較強的智能化水平，因此智能性主要體現(xiàn)在其控制的智能家居設(shè)備。智能人機交互需要充分考慮人與智能系統(tǒng)之間潛在的人機合作關(guān)系，從而有效處理智能人機交互任務(wù)。在特定的人機交互場景中， 智能系統(tǒng)可以對用戶狀態(tài)（認知、生理、意圖、情感等）、環(huán)境上下文等狀態(tài)進行自主感知、識別、學(xué)習、推理， 做出合適的自適應(yīng)系統(tǒng)輸出，用戶根據(jù)任務(wù)、目標來調(diào)整交互行為。

以人為中心的腦機接口智能家居系統(tǒng)在應(yīng)用設(shè)計時，根據(jù)用戶的實際使用需求來定制應(yīng)用類型與設(shè)備控制需求，明確其使用場景。再基于實際使用場景與用戶需求，明確用戶對設(shè)備的實時性、精確度的具體要求，并且進行相匹配的設(shè)計。當人與智能家居控制系統(tǒng)進行交互時，界面的智能程度對人機交互有著重要影響。研究表明，不同的界面智能程度匹配不同的任務(wù)認知模式可以達到良好的效果：低等智能程度匹配技能型任務(wù)；中等智能程度匹配知識型任務(wù)；高等智能程度匹配規(guī)則型任務(wù)。當界面智能程度和任務(wù)認知模式互相匹配時，可以提高用戶交互的績效、降低執(zhí)行時間和減少錯誤次數(shù)[15]。

3 結(jié)論

在現(xiàn)代技術(shù)的推動下，家居系統(tǒng)正朝著智能化逐漸轉(zhuǎn)型，因此對人機交互的研究有更深的創(chuàng)新潛能。人與智能家居控制系統(tǒng)之間的互相聯(lián)結(jié)、協(xié)調(diào)、適應(yīng)，需要從多學(xué)科交叉融合的角度，針對智能交互模式、人因工程因素等問題進行梳理研究，促進基于腦機接口的智能家居系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行，信息高效傳輸，設(shè)備精準控制。