飞离：通过自动城市空中机动模拟中的贝叶斯优化评估运动保真度对优化用户界面设计的影响

研究背景与问题

作者发现的问题或挑战

1. 都市空中出行（Urban Air Mobility，UAM）的普及需要提升乘客的信任与安全感，而针对这一点的研究目前较为有限。
2. 模拟空中出租车的仿真中，运动仿真程度（Motion Fidelity）可能影响乘客对用户界面（UI）的评价，但有关运动的高保真模拟在UAM领域的影响尚未被充分研究。
3. 当前研究主要集中在单一视觉化元素（如飞行轨迹）的设计，而未能优化完整的UI，各组件之间的交互尚未被深入探讨。
4. 简单的标准化UI设计可能不足以满足不同乘客的多样化需求。

为什么这个问题重要

• 自动化空中出租车将成为解决城市交通拥堵和减少排放的重要未来交通方式，其采纳率高度依赖于乘客对这一新方式的信任和理解。
• 高保真运动仿真可能更接近现实情况，但其对UI设计的优化和用户体验的影响有待研究，这对未来UAM系统的设计具有重要意义。

研究动机与相关工作

• 现有研究已经证明，视觉化信息能够显著增强乘客的信任与安全感。然而，多数研究使用低/中保真VR环境，而较少研究采用高保真运动仿真。
• 多目标贝叶斯优化（MOBO）方法已经在其他交互设计领域成功应用，但在UAM UI设计的研究中尚未被充分探索。
• 作者希望通过研究运动仿真效忠度的影响，对如何根据乘客反馈优化UAM的UI设计给出更科学与全面的建议。

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解决方案

作者提出的方法或解决方案

1. 实验设计：
   • 作者设计了一个包含40名参与者的对照组研究，其中一组参与者在包含运动提示的高保真VR环境中进行模拟（使用3自由度运动座椅），而另一组仅在普通VR环境下进行。
2. 界面优化方法：
   • 使用多目标贝叶斯优化（MOBO），针对六个目标（信任、感知安全、理解、认知负荷、接受度、美观）对12个UI设计参数进行优化。
   • 利用主观测量和用户反馈，逐步调整界面设计，寻找最佳参数组合，最终收敛于帕累托最佳解。

该解决方案的创新之处

1. 整合运动仿真与MOBO的方法，首次在空中出租车的UI设计中探索运动仿真如何影响用户体验和设计决策。
2. 针对不同参与者优化个性化UI，为乘客需求多样性提供更细致的设计框架。
3. 提出了一种系统化测试和优化的框架，用以平衡多重目标（如信任、安全性与美观）的权衡关系。

实施步骤与关键技术

1. 实验环境：
   • 开发基于Unity的VR空中出租车飞行仿真，内含环境视觉化（如飞行轨迹和地图信息）。
   • 同步运动提示，与3自由度运动座椅的物理反馈一致。
2. 贝叶斯优化流程：
   • 初始使用Sobol采样进行采样阶段（5次采样）。
   • 然后进入优化阶段（25次迭代），通过用户反馈动态调整UI设计参数。
   • 优化结果通过Python包BoTorch实现，动态生成帕累托前沿设计。
3. 参数设置：
   • 优化的12个参数包括轨迹长度、透明度、信息显示等（例如是否显示地图或边界框）。
   • 优化目标使用归一化后的主观量表测量，以确保统一量化。

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研究成果

具体成果

1. 相较无运动提示的VR仿真，有运动提示的高保真模拟显著降低了乘客的信任、理解和接受度。
2. 虽然运动仿真对界面设计参数影响有限，但在某些特定元素（如其它飞行器的边界框显示与尺寸）上表现出显著差异。
3. 单一的UI设计可能无法满足乘客需求，多样化与个性化UI设计更具潜力提升用户体验。

与现有解决方案的优势

• 方法系统化：相比传统实验方法，MOBO的使用使得UI设计更加高效，能够动态适配乘客的主观偏好。
• 适应未来需求：强调个性化设计，为不同乘客提供定制化体验，优于"一刀切"的静态UI设计。
• 更贴近现实：通过将运动提示纳入实验，更接近真实空中出租车乘坐场景。

实验或评估结果

1. 用户效果：
   • 测试显示运动提示组和无运动提示组在主观信任（Bayes因子BF = 3970.14）、理解能力和接受度上存在显著差异。
2. 界面设计优化：
   • MOBO成功提升了界面设计的性能，但优化的界面未能消除运动提示带来的信任损失。
   • 帕累托前沿设计集中在某些具体特征，如减少对运动条件下大尺寸图标的干扰。
3. 目标相关性：
   • 信任、理解以及接受度、美观度强相关，建议未来研究简化优化的目标维度。

局限性与未来方向

1. 运动仿真设备的局限：
   • 本研究仅使用了一种运动仿真设备（3-DoF运动座椅），未覆盖更高保真的6-DoF设备或真实飞行体验。
2. 参与者背景局限性：
   • 参与者多数缺乏空中出租车真实乘坐经验，这可能对结果的外部效度造成影响。
3. 未来研究建议：
   • 探索更多高保真仿真设备的效果，并引入真实用户群模拟真实飞行体验。
   • 在优化UI时，结合生理学信号（如心率或皮肤电导反应）以获取更全面的用户体验评估。
   • 研究可共享的公共交通UI设计标准，以适配"空中地铁"等共享模式。