一种用于智能家庭能源管理系统接口的设计框架，旨在促进节能行为

《ENERGY AND BUILDINGS》：A design framework for smart home energy management systems interfaces to promote energy-saving behaviors

　　韩珍模|莫云贞
爱荷华州立大学土木、建筑与环境工程系，813 Bissell Road，Ames，IA 50011，美国

摘要
智能家居能源管理系统（SHEMS）被广泛推广为提高住宅能源效率的工具，但其影响往往受到界面的限制，这些界面未能充分考虑到人类的认知和行为。本研究通过提出一个设计框架来填补这一空白，该框架结合了认知系统工程（CSE）和人机交互（HCI）中的设计导向方法，以及人类信息处理（HIP）和人-建筑交互（HBI）中的行为导向方法。通过对以往SHEMS和HBI研究的抽象层次分解，得出了五个核心界面功能：信息传递、实时反馈、个人动机、控制灵活性和社会比较，每个功能都代表了能源使用中的不同目标。这些功能与诺曼的设计原则进行了系统的交叉映射，形成了包含30条可操作指南的功能-可用性矩阵。该框架随后被嵌入到一个HIP-HBI-SHEMS循环中，形成了一个分层模型，指明了界面元素应如何与认知阶段、居住者行为和系统响应保持一致。通过对代表性SHEMS界面类型的结构化映射，验证了该框架的有效性，揭示了当前设计在功能、可用性和认知方面的局限性。该框架为设计能够更好地支持住宅建筑中持续节能行为的SHEMS界面提供了结构化、理论支撑且实际可行的基础。该框架的新颖之处不仅在于结合了多种理论，还在于从功能上整合了界面应提供的支持、设计方式、支持时机以及这种支持在住宅能源使用中的重要性。

引言
建筑行业占全球能源消耗和相关碳排放的大约30%，是国际可持续发展倡议在减缓气候变化影响方面的关键目标[1]。在这一行业中，住宅建筑消耗了约70%的建筑能源[2]，这表明减少能源需求和碳排放的努力必须重点放在住宅环境上。过去十年，物联网（IoT）技术和家庭自动化的迅速发展促进了智能家居能源管理系统（SHEMS）的广泛应用，旨在帮助居住者通过知情和主动的决策来减少能源使用[3]。诸如智能恒温器和家庭能源监测器等先进技术越来越普遍，为家庭提供了详细的实时能源使用反馈、直观的设备管理控制以及鼓励可持续行为的激励提示[4]，[5]。尽管SHEMS已经普及并且技术上越来越先进，但实地研究一致显示电力节省的效果有限或仅是短期的[6]，[7]。这种有限影响的一个主要原因是许多SHEMS界面缺乏保持居住者参与度、知情度和长期采取行动所需的可用性和激励因素[4]，[8]。
有效利用智能家居技术的挑战在于技术特性与居住者行为之间的复杂交互[9]。居住者与SHEMS的互动不仅仅是被动接受技术数据，而是涉及由多种用户目标和内在动机驱动的主动认知机制[10]。因此，居住者采纳和维持节能行为的程度在很大程度上取决于用户与其经常使用的界面之间的认知和行为一致性[11]。先前在人-建筑交互（HBI）中的研究表明，心理学、神经科学和环境科学在塑造影响居住者能源相关决策的有效界面方面起着关键作用[12]。然而，当前的SHEMS界面仍然主要围绕设备集成、自动化流程和极简的数据展示进行设计，而很少考虑必须与之交互的居住者的认知需求和激励因素[13]，[14]。
实证分析表明，当前SHEMS界面设计的一个持续弱点是缺乏系统化的框架，将这些节能意图转化为具体的、以可用性为导向的界面功能[13]，[15]。虽然心理学和认知导向的方法（如计划行为理论、活动理论和人类信息处理（HIP））在理解航空和医疗等领域的用户行为和认知过程方面发挥了重要作用[16]，[17]，但这些理论主要是解释性的而非设计导向的，因此对于指定SHEMS界面提供的指导作用有限。相比之下，来自认知系统工程（CSE）的设计导向方法（特别是抽象层次结构（AH）和生态界面设计（EID），以及来自人机交互（HCI）的方法（尤其是诺曼的设计原则）提供了将高级目标映射到具体界面功能的可操作方法[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。然而，这些设计框架在住宅能源环境中的系统应用仍然有限且分散。特别是诺曼推广的交互原则虽然被广泛引用，但在设计师创建或评估SHEMS界面时很少得到实际应用。因此，许多部署的系统仍然向用户提供结构不良的数据、模糊或延迟的反馈，限制了有意义的控制，并未能激发支持持久行为改变的激励机制[6]，[10]。
本研究采用了一种综合方法，结合了设计导向的方法（CSE和HCI）和行为导向的方法（HIP和HBI），以确保SHEMS界面指南既具有规定性，又在认知上与操作工作流程保持一致。设计导向部分将界面目标转化为核心功能和可操作的设计指导，而行为导向部分将这些功能置于感知、分析、决策和行动的认知阶段中[11]。这种结构化的整合 enable 了对现有SHEMS界面中的功能差距、可用性不匹配和认知不连续性的系统诊断，并为未来界面开发和实证评估提供了可追踪的基础。因此，开发认知一致且以行为为中心的设计框架代表了推进SHEMS研究和支持更具解释性、以人为中心的界面设计的重大机会。

现有的SHEMS界面研究已经解决了设计中的重要但往往孤立的问题，如反馈呈现、自动化可用性或激励特性。然而，它们很少提供一个统一的框架，将功能分解、可用性结构、认知时机和住宅行为背景连接在一个设计逻辑中。所提出的框架通过将CSE、HCI、HIP和HBI整合到一个分层模型中，进一步超越了这些方法，该模型定义了界面应支持的内容、应如何构建、何时提供支持以及这种支持在实际住宅使用中的重要性。因此，本研究提出了四个研究问题：
• RQ1：SHEMS界面需要哪些核心功能来支持节能行为？
• RQ2：应为这些功能定义哪些功能和可用性目标？
• RQ3：如何使功能和可用性目标与SHEMS工作流程保持一致？
• RQ4：当前SHEMS界面存在哪些功能和可用性限制？
回答这些研究问题涉及将SHEMS界面设计结构化为设计框架，并将结果指导嵌入到SHEMS工作流程中，以明确每个功能在实践中应该得到支持的位置。每一层都基于既定的设计原则和认知过程，以确保一致性、可追踪性和实际适用性。

本研究采用了一种以人为中心的方法，结合了CSE和HCI的设计导向方法与HIP和HBI的行为导向方法。本研究的主要目标是开发一个SHEMS界面的设计框架，该框架系统地连接界面功能、可用性考虑和认知-行为工作流程。具体而言，本研究旨在：
• 功能提取（第3.1节）：提取代表支持节能行为和参与度的SHEMS界面的核心功能。
• 功能-可用性映射（第3.2节）：为提取的功能定义功能和可用性目标，并系统地将其映射起来，生成可追踪、可操作的设计指导。
• 认知-行为映射（第3.3节）：将HBI步骤与认知阶段对齐，建立界面支持的设计逻辑。
• 集成SHEMS界面设计框架（第3.4节）：将功能-可用性和认知-行为映射整合到一个统一的框架中，将功能和可用性目标与SHEMS工作流程联系起来。
• 用SHEMS界面进行验证（第4节）：通过将其应用于现有的SHEMS界面类型来验证设计框架的使用，以识别功能、可用性和认知局限性。

本研究采用了两种主要方法：
**设计导向方法：**该框架采用基于CSE和HCI的双层目标结构。第一层定义了界面必须实现的功能目标。第二层规定了这些目标在交互中如何作为可用性目标实现。这种分离允许每一层都被严格定义，然后通过系统化的交叉映射转换为设计指南。它支持从行为意图到具体界面特征的透明推理，能够独立评估每一层，并提高从用户目标到界面元素的可追踪性。这种设计导向方法涵盖了功能提取和功能-可用性映射。
**行为导向方法：**该框架与HIP和HBI对齐，使界面提示在正确的时间和正确的背景下出现。HIP明确了用户何时获取信息、分析信息、做出决策和执行行动。HBI解释了行为在不同住宅环境和日常活动中为何会变化。这些对齐共同建立了将设计指导嵌入HIP-HBI-SHEMS循环中的认知-行为基础。这种行为导向方法侧重于认知-行为映射。

本研究的贡献包括：
• 一个分层SHEMS界面设计框架，将功能、可用性和住宅行为背景连接在一个设计逻辑中。
• 一个功能-可用性矩阵，将核心界面功能、功能和可用性目标转化为SHEMS界面的可操作设计指南。
• 一个集成的HIP-HBI-SHEMS循环，将界面支持定位在用户的认知阶段中，并提供针对界面设计和评估的放置敏感的指导。

图1和表1展示了所提出的SHEMS界面设计的理论基础和结构组织。图1说明了设计导向和行为导向方法的结合方式，表1总结了与每种方法相关的理论、方法、角色和输出。为了提高跨学科框架的可读性，研究呈现了一系列连续的图表，逐步展示了基于AH的功能提取（图5）、功能-可用性矩阵（图6）、认知-行为映射（图7）和集成的HIP-HBI-SHEMS框架（图8）。

**SHEMS界面和居住者行为**
家庭能源管理系统（HEMS）已成为通过提高居住者意识和知情决策来提高住宅能源效率的关键工具[23]，[24]。虽然HEMS传统上侧重于监控和手动调整，但SHEMS通过整合物联网连接性、实时分析、自适应自动化和以用户为中心的界面扩展了这些功能。在本研究中，当提到HEMS时使用的是广义上的文献术语。

**框架开发**
为了开发一个强大且基于理论的SHEMS界面设计框架，本研究遵循了一个基于CSE、HCI、HIP和HBI的四个阶段的结构化过程。该过程旨在通过组件提取、层次分类、功能抽象和系统映射，将先前研究中识别的界面元素转化为更高层次的功能和设计结构。图4展示了整个框架开发过程。

**框架验证**
本节通过将框架应用于现有SHEMS界面的分析来验证所提出的框架。验证重点不是评估行为结果或能源性能，而是框架的诊断和解释能力。通过将代表性的SHEMS界面类型映射到框架的功能层、可用性层和认知层，本节展示了如何使用该框架系统地识别当前设计中的优势、差距和失调之处。

**框架贡献和诊断洞察总结**
本研究提出了一个集成的SHEMS界面设计框架，该框架将核心界面功能、可用性目标和认知-行为工作流程连接在一个操作性的SHEMS循环中。该框架提供了一个双层目标结构，区分了功能目标（界面必须支持以实现能源参与）和可用性目标（交互应如何构建以实现有效使用）。它还提供了一个功能-可用性矩阵，将这两者联系起来。

**结论**
本研究提出了一个集成的SHEMS界面设计框架，将以用户为中心的功能性与基于理论的可用性策略联系起来。为了解决现有SHEMS中存在的持续性问题（如认知对齐较弱、反馈分散和行为影响有限），该框架结合了两种互补的观点：一种基于CSE的AH的设计导向方法和基于HIP和HBI的行为导向方法。