智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互研究現(xiàn)狀及展望

譚征宇，戴寧一，張瑞佛，戴柯穎

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082; 2.湖南大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

《中國制造2025》首次提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車(Intelligent and Connected Vehicles, ICV)的概念[1]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進(jìn)車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與車、路、人、云等智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實(shí)現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，并最終實(shí)現(xiàn)替代人來操作的新一代汽車[2]。ICV的發(fā)展可分為4個(gè)階段：自主式駕駛輔助、網(wǎng)聯(lián)式駕駛輔助、人機(jī)共駕、高度自動(dòng)/無人駕駛[3]。

網(wǎng)聯(lián)式和自主式相結(jié)合是我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的主流模式。網(wǎng)聯(lián)式智能汽車(Connected Vehicle, CV)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)感知周邊環(huán)境，實(shí)施決策控制和非自主式自動(dòng)駕駛；自主式智能汽車(Automated Vehicle, AV)獨(dú)立于其他車輛，依靠車載傳感器與車載控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和決策控制，執(zhí)行自動(dòng)駕駛。汽車網(wǎng)聯(lián)化和智能化催生出新的人車關(guān)系和用車方式，創(chuàng)造了汽車人機(jī)交互創(chuàng)新發(fā)展的機(jī)遇與前景。

近年來，ICV核心技術(shù)的可靠性有所提升，技術(shù)效能[4]問題有所突破，個(gè)人需求[5]、體驗(yàn)質(zhì)量和消費(fèi)偏好也逐漸得到重視[6]。ICV人機(jī)交互隨之成為汽車工業(yè)界和學(xué)術(shù)界新的研究重點(diǎn)[7]，國內(nèi)外學(xué)者面向智能化及網(wǎng)聯(lián)化汽車開展了大量人機(jī)交互理論研究與應(yīng)用研究[8-12]。但是，在5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能(Artificial Intelligence, AI)及新興汽車人機(jī)交互技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時(shí)代背景下，ICV人機(jī)交互的內(nèi)涵、研究進(jìn)展及發(fā)展前景有待研究和探討。

本文展開文獻(xiàn)綜述研究，分析了國內(nèi)外ICV人機(jī)交互技術(shù)研究文獻(xiàn)，重點(diǎn)從信息識(shí)別、車載多維人機(jī)界面和新興車載智能單元3個(gè)方面總結(jié)技術(shù)成果和應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)合交通運(yùn)輸、互聯(lián)通信、普適計(jì)算、人因工程學(xué)和心理學(xué)等多領(lǐng)域多學(xué)科文獻(xiàn)，總結(jié)并解釋了智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互研究的3個(gè)關(guān)鍵問題：ICV技術(shù)接受意愿、ICV人機(jī)交互質(zhì)量和ICV駕乘體驗(yàn)。最后，從效用優(yōu)化、體驗(yàn)重構(gòu)和價(jià)值增益3個(gè)層面，對(duì)我國ICV人機(jī)交互的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互概念闡述

ICV結(jié)合了CV與AV的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此，ICV人機(jī)交互也具備CV人機(jī)交互和AV人機(jī)交互融合的特點(diǎn)，包含兩方面的內(nèi)涵，三者關(guān)系如圖1所示。

一方面，ICV使用了CV的聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制、車聯(lián)網(wǎng)[13](LTE-V2X、5G-V2X)和云計(jì)算等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超低延時(shí)、超高可靠性和超大帶寬的通信，支持ICV完成“車—人—環(huán)境—云端”信息交互及共享[14]。大量用戶數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析，形成融合多源數(shù)據(jù)的云端數(shù)據(jù)中心，產(chǎn)生人機(jī)界面(Human Machine Interaction, HMI)的個(gè)性化定制和智能化自適應(yīng)等應(yīng)用，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)向智能制造的“大數(shù)據(jù)、互聯(lián)、平臺(tái)”方向轉(zhuǎn)型[1]。同時(shí)，生活服務(wù)、車輛共享服務(wù)、遠(yuǎn)程通訊服務(wù)、信息娛樂服務(wù)和空中下載(Over-The-Air technology, OTA)等增值服務(wù)融入ICV，將創(chuàng)造實(shí)時(shí)、高效、無縫的5G互聯(lián)出行場景和交互體驗(yàn)。

另一方面，ICV融合了AV的技術(shù)，配備了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System, ADAS)及車載智能計(jì)算平臺(tái)。達(dá)到人機(jī)共駕和高度自動(dòng)駕駛以后，ICV主導(dǎo)性上升，人機(jī)之間的任務(wù)被重新劃分，駕駛員從主動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來[15]。為滿足非駕駛活動(dòng)需求，車載人機(jī)交互界面將打破現(xiàn)有的中控儀表顯示屏和觸摸屏的形式。同時(shí)，ICV人機(jī)交互系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)與人之間的意圖及信息雙向精準(zhǔn)傳達(dá)，從而順利完成動(dòng)態(tài)駕駛過程中人車間控制權(quán)交接的重要任務(wù)。

因此，ICV人機(jī)交互的研究內(nèi)容不僅包含基于手動(dòng)駕駛展開的駕駛安全性、車載HMI、車載應(yīng)用程序等方面[16]，還新增了與增值服務(wù)、智能制造、非駕駛活動(dòng)、人機(jī)界面拓展和人機(jī)控制權(quán)轉(zhuǎn)換等相關(guān)的交互場景，同時(shí)對(duì)基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)提出了需求，成為適應(yīng)中國新時(shí)代科技發(fā)展的新領(lǐng)域。為滿足需求，國內(nèi)外企業(yè)已開發(fā)了部分智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互系統(tǒng)，如表1所示。

表1 國內(nèi)外部分智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互系統(tǒng)

2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

網(wǎng)聯(lián)式智能汽車和自主式智能汽車，以及與之相關(guān)的自動(dòng)駕駛汽車和無人車等領(lǐng)域積累了較多汽車人機(jī)交互技術(shù)研究成果，分析這些研究文獻(xiàn)和應(yīng)用案例，總結(jié)出智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。ICV人機(jī)交互系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)容如圖2所示。

2.1 信息識(shí)別

信息識(shí)別技術(shù)是提升車對(duì)人感知、理解與溝通能力的基礎(chǔ)，依賴于大量的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源。ICV具備聯(lián)網(wǎng)能力上的天然優(yōu)勢(shì)，已建立云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和機(jī)器識(shí)別的可行方案[17]，從而降低在車內(nèi)使用信息識(shí)別技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、能源和車輛硬件負(fù)擔(dān)，奠定了技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)和發(fā)展前景。

2.1.1 人機(jī)交互指令識(shí)別

目前主流的汽車人機(jī)交互指令識(shí)別技術(shù)主要有觸摸識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、凝視識(shí)別、頭部姿態(tài)識(shí)別和語音識(shí)別。

(1)觸摸識(shí)別 隨著材料技術(shù)、柔性電子技術(shù)以及納米技術(shù)在觸覺傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，高性能觸覺傳感器得到快速發(fā)展并在車載人機(jī)交互中投入使用。觸摸識(shí)別的分辨率、靈敏度等性能得到提升，有望突破當(dāng)前的功能和使用場景限制。例如，寶馬公司在2018年9月正式發(fā)布了概念車型BMW Vision iNEXT，其后排位置表面采用可識(shí)別手勢(shì)操作的特殊智能材質(zhì)，使車內(nèi)觸摸交互脫離觸摸屏的限制。

(2)手勢(shì)識(shí)別 車載交互手勢(shì)識(shí)別包括靜態(tài)手勢(shì)識(shí)別和動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別。利用多種先進(jìn)車載傳感器檢測(cè)手勢(shì)[18]，如運(yùn)用經(jīng)過深度訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks, CNN)識(shí)別動(dòng)態(tài)手勢(shì)信息[19]。除了發(fā)展較為成熟的線下手勢(shì)識(shí)別，在線手勢(shì)識(shí)別在分類精度、響應(yīng)時(shí)間、圖形內(nèi)存消耗和用戶可用性方面均有所突破[20]。

(3)凝視識(shí)別與頭部姿態(tài)識(shí)別 在車內(nèi)，凝視識(shí)別應(yīng)用于指向、選擇等交互任務(wù)，能提高交互速率，降低認(rèn)知負(fù)荷和操作負(fù)擔(dān)，也可以服務(wù)于老年人、殘疾人等肢體功能較弱的人群。頭部姿態(tài)信息與眼部運(yùn)動(dòng)信息高度相關(guān)，因此在眼部運(yùn)動(dòng)信息識(shí)別中通常同時(shí)采集頭部運(yùn)動(dòng)信息[21-22]，并考慮兩者的數(shù)據(jù)融合[23]。

(4)語音識(shí)別 語音識(shí)別是車載人機(jī)交互系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，用于自動(dòng)導(dǎo)航、語音搜索、命令控制、語音助理等使用場景。隨著前饋深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Feedforward Networks, DFNs)和深層遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recursive Neural Network, RNN)在自然語言處理(Natural Language Processing, NLP)領(lǐng)域的使用，語音對(duì)話系統(tǒng)的長短期記憶(Long Short-Term Memory, LSTM)能力有所改進(jìn)，其智能化程度有所提高?？拼笥嶏w在2018年CES電子展上推出全新一代智能語音控制系統(tǒng)，具有窄波束、聲源定位、立體聲回聲消除3大特點(diǎn)，其中，窄波束可降低行車場景下的人聲干擾，而聲源定位指向系統(tǒng)可快速準(zhǔn)確識(shí)別發(fā)音人位置，提升使用感受。

為改善交互指令識(shí)別的速度和精度，眼睛虹膜、掌紋、筆跡、步態(tài)、語音、唇讀、人臉和DNA等人類特征識(shí)別的研發(fā)應(yīng)用也倍受關(guān)注。車載人機(jī)交互的主要成果集中于基于生物電信號(hào)[24-25](腦電、肌電、心電等)識(shí)別和表情[26]的人機(jī)交互指令識(shí)別技術(shù)。其中，基于生物電信號(hào)的人機(jī)交互指令識(shí)別技術(shù)可感知人的隱性交互意圖，通過微小生物電信號(hào)的識(shí)別、分析和表征來獲取交互輸入指令[27]，輔助普通駕駛者和肢體障礙者實(shí)現(xiàn)車輛控制[28]。例如，日產(chǎn)尼桑的“腦車接口”(Brain to Vehicle, B2V)技術(shù)通過預(yù)測(cè)人類司機(jī)的行為，提前實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向或踩剎車等操作。車載交互表情指令識(shí)別方面，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)較少，其在自然用戶界面(Natural User Interface, NUI)的應(yīng)用已有初步研究進(jìn)展，如通過識(shí)別用戶的表情情緒和視線來處理信息智能汽車內(nèi)的娛樂交互內(nèi)容[29]。最新研究中，利用表情識(shí)別對(duì)駕駛員情緒、行為和意圖進(jìn)行判斷[30]，表情在交互中作為隱式意圖的載體[31]，其價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘。

隨著先進(jìn)傳感器、模式識(shí)別算法和生物計(jì)算機(jī)控制等前沿技術(shù)投入使用，性能不斷提升的人機(jī)交互指令識(shí)別技術(shù)將建立ICV的人車間多維度和高精度的信息交互，其特征總結(jié)為：①高效率指令識(shí)別；②多樣化的人車交互場景；③跨人群適應(yīng)(社會(huì)、文化、經(jīng)濟(jì)或身體特征)。ICV人機(jī)交互交互指令識(shí)別技術(shù)如表2所示。

表2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互指令識(shí)別技術(shù)

續(xù)表2

2.1.2 狀態(tài)識(shí)別與監(jiān)測(cè)

基于ICV所搭載的多種先進(jìn)傳感器和車載智能計(jì)算平臺(tái)，結(jié)合狀態(tài)識(shí)別與監(jiān)測(cè)技術(shù)，形成了具備主動(dòng)感知能力[32]的多傳感器計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)認(rèn)知負(fù)荷[33]、次要活動(dòng)[34]、情緒狀態(tài)[35]、動(dòng)作姿態(tài)[36]和疲勞情況[37]等的監(jiān)測(cè)和識(shí)別，從而提升車輛安全性和可靠性。Theagarajan等[26]提出新的面部外觀特征表示方法，構(gòu)建了利用單目采集的視頻圖像預(yù)測(cè)駕駛員心理和生理狀態(tài)的車載智能系統(tǒng);Olariu等[38]使用駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉頭部和眼睛的運(yùn)動(dòng)，判斷將機(jī)器控制權(quán)交給人類駕駛員的適宜時(shí)機(jī);Wang等[39]運(yùn)用CNN和RNN識(shí)別面部表情，結(jié)合基于Mel頻率倒譜系數(shù)(Mel Frequency CepstrumCoefficient, MFCC)的語音特征編碼，利用LSTM和CNN通過加權(quán)決策融合方法進(jìn)行情感識(shí)別，并應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車。2017年，百度Apollo發(fā)布了全球首款人車AI交互系統(tǒng)——Apollo小度車載系統(tǒng)，通過紅外識(shí)別監(jiān)測(cè)駕駛員的分心和疲勞狀態(tài)，能及時(shí)提醒司機(jī)集中精力駕駛。此外，通過識(shí)別人體無線電生物特征，可建立基于非視覺技術(shù)的車內(nèi)監(jiān)測(cè)功能，例如，Xu等[40]在智能汽車場景中演示了無線人工智能系統(tǒng)，通過商用Wi-Fi設(shè)備收集駕駛員和乘客信息，周期性地將生物信號(hào)引入無線通道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)，可以監(jiān)測(cè)駕駛員的狀態(tài)，計(jì)算車內(nèi)人數(shù)，并且檢測(cè)出被遺留在車內(nèi)的兒童。

隨著技術(shù)應(yīng)用的深入，ICV車載交互系統(tǒng)積累的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、交互控制數(shù)據(jù)、個(gè)人偏好數(shù)據(jù)以及網(wǎng)聯(lián)化服務(wù)數(shù)據(jù)等衍生大數(shù)據(jù)可用于車載系統(tǒng)的主動(dòng)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)，如車載人機(jī)交互的獨(dú)立決策與主動(dòng)支持[41]，以及基于數(shù)據(jù)時(shí)空特征的行為預(yù)測(cè)與HMI動(dòng)態(tài)適應(yīng)[42]，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)功能推薦、定向服務(wù)和HMI定制等功能，構(gòu)建信息感知型ICV車載人機(jī)交互系統(tǒng)，提升附加體驗(yàn)價(jià)值。

2.2 車載多維人機(jī)界面

車載HMI作為人與汽車間相互作用并施加影響的區(qū)域，以集成的多接口、多模態(tài)和多區(qū)域的形式，向車載多維人機(jī)界面發(fā)展。目前，產(chǎn)學(xué)研界致力于研發(fā)可接收、存儲(chǔ)、處理和輸出信息的綜合型車載HMI[43]，所積累的智能多模態(tài)人機(jī)界面和空間立體交互技術(shù)，共同構(gòu)成了車載多維人機(jī)界面的發(fā)展基礎(chǔ)。

2.2.1 智能多模態(tài)人機(jī)界面

為適應(yīng)車內(nèi)復(fù)雜場景和數(shù)字化操作，具有較高自然性及直觀性[44]的智能多模態(tài)人機(jī)界面逐漸成為研究熱點(diǎn)。一方面，智能多模態(tài)人機(jī)界面融合了語音、手勢(shì)、注視、觸摸屏等多種交互輸入接口，結(jié)合行為(表情、眼動(dòng)、姿態(tài))和生理信號(hào)等意圖信息實(shí)現(xiàn)多模態(tài)交互輸入；另一方面，通過觸覺、聽覺、嗅覺、平衡感和溫度等建立多模態(tài)交互反饋[10]。

通過各交互接口優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)，可滿足車載交互的多種需求。例如，聽覺和觸覺接口可以在不考慮人的眼睛和頭部姿態(tài)的情況下完成交互任務(wù)[45]，而基于生理電信號(hào)的接口能夠建立一種跨文化的信息傳達(dá)優(yōu)勢(shì)[28]。隨著技術(shù)精進(jìn)，智能多模態(tài)人機(jī)界面發(fā)展出以下幾種車內(nèi)創(chuàng)新應(yīng)用方向，為其在ICV中的具體應(yīng)用提供了參考。

(1)協(xié)助弱勢(shì)群體 基于豐富的交互控制和反饋輸出方式，智能多模態(tài)人機(jī)界面可滿足不同類型弱勢(shì)群體對(duì)信息無障礙交互(Information Accessibility, IA)的需求，以及彌補(bǔ)殘障人士生理和認(rèn)知能力的不足[46]。研究表明，方向盤與觸覺界面結(jié)合，可協(xié)助盲人獨(dú)立使用觸覺提示來控制無人駕駛汽車轉(zhuǎn)向[47]，在方向盤和安全帶上集成觸覺反饋界面，可提高對(duì)老年人的盲點(diǎn)警告效果[48]。此外，Brinkley等[46]通過在準(zhǔn)自然道路上展開用戶實(shí)驗(yàn)，獲取視障人群對(duì)多模態(tài)交互原型系統(tǒng)的感知評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了空間語音、情感計(jì)算原理和NLP等技術(shù)相融合的應(yīng)用前景和價(jià)值。

(2)人車協(xié)同控制 多模態(tài)HMI是自動(dòng)駕駛汽車向人傳達(dá)控制權(quán)接管請(qǐng)求(TakeoverRequest, TOR)的首選方案[49]，可用于滿足自動(dòng)駕駛汽車中控制權(quán)轉(zhuǎn)換及人車意圖交流的新需求。Clark等[50]建議將聲音與頭部上方的界面助理相結(jié)合，構(gòu)成汽車控制權(quán)移交任務(wù)中的多模態(tài)視覺注視引導(dǎo)模式;Terken等[51]將人機(jī)共駕作為前提，建立了基于視覺、聽覺和觸覺的多模態(tài)人機(jī)界面，在不干擾非駕駛活動(dòng)的情況下傳達(dá)車輛意圖的信息，提升人的態(tài)勢(shì)感知，加強(qiáng)人車協(xié)同性。

(3)多角色交互和多任務(wù)處理 為加強(qiáng)駕駛員與副駕駛員的互動(dòng)，Jiang等[52]設(shè)計(jì)了一種融合語音接口、車載中控、智能手機(jī)和抬頭顯示導(dǎo)航的“多屏—多模態(tài)”交互模型，方便駕駛者進(jìn)行多任務(wù)切換，提高了汽車的社交度、信息流和決策效率。2019年CES展上，現(xiàn)代發(fā)布了MOBIS概念艙搭載了智能多模態(tài)人機(jī)界面，用以開展各類非駕駛活動(dòng)，滿足乘客的休閑娛樂需求。

智能多模態(tài)人機(jī)界面在車內(nèi)有良好的應(yīng)用價(jià)值，但在底層技術(shù)上仍存在諸多挑戰(zhàn)。車內(nèi)不斷增多的人機(jī)接口、用戶類型和交互場景對(duì)系統(tǒng)提出了更高的智能化要求。車載交互系統(tǒng)通過融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合RNN[53]、LSTM網(wǎng)絡(luò)[54]、張量融合[55]或多峰融合算法[39]等方法，處理多模態(tài)交互信息融合中的時(shí)序信息，從而解碼復(fù)雜的交互輸入信息，識(shí)別操作意圖[56]。

2.2.2 空間立體交互

空間立體交互依賴于三維交互界面(3D User Interface, 3DUI)，用戶與三維空間的界面元素進(jìn)行交互，提升了人機(jī)交互的自然性。3D顯示(3D Displays)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)、體感交互、隔空手勢(shì)交互和虛擬投影等空間立體交互技術(shù)為ICV人機(jī)交互提供范圍擴(kuò)展的可能性。車載交互突破了中控儀表等固定、實(shí)體邊界，從二維空間擴(kuò)展到三維空間，平視顯示屏(Head Up Display, HUD)、擋風(fēng)玻璃和車內(nèi)空間將成為新的人機(jī)交互區(qū)域。

空間立體交互的視覺顯示方面，AR是常用技術(shù)之一。AR能將真實(shí)世界的車輛信息和虛擬世界的交互信息“無縫”集成，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。車載導(dǎo)航是其主要應(yīng)用場景，用以增強(qiáng)時(shí)空信息呈現(xiàn)效果[57]?；趽躏L(fēng)玻璃顯示屏(Windshield Displays, WSDs)的車載AR所形成的場景畫面可有效傳達(dá)深度與距離信息，有利于呈現(xiàn)車輛情境及弱勢(shì)道路使用者信息，增強(qiáng)人的態(tài)勢(shì)感知能力，提高系統(tǒng)透明性。在協(xié)作式智能交通系統(tǒng)(Cooperative, Intelligent Transportation Systems, C-ITS)的可視化中，WSDs可用于呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通信息[58]。產(chǎn)業(yè)界已將空間立體交互顯示投入使用，日產(chǎn)研發(fā)的無形可視化(Invisible-to-Visible, I2V)技術(shù)是基于車聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)，結(jié)合車輛外部傳感器信息與來自云端的車輛內(nèi)部信息，繪制車輛周圍360度虛擬空間信息圖示，實(shí)現(xiàn)道路和交叉路口狀況、能見度、道路標(biāo)識(shí)或附近行人等的可視化顯示，并在車內(nèi)投影虛擬人物與駕駛者互動(dòng)，極大提升了車載交互的智能化使用體驗(yàn)。

為滿足空間立體交互輸入的需求，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已展開相應(yīng)技術(shù)的研發(fā)。融合隔空手勢(shì)交互、語音交互和凝視交互等輸入方式，形成更直觀、自然的車載立體交互輸入接口。結(jié)合頭戴式顯示器(Head-Mounted Display, HMD)、3D顯示器和全息投影儀，可在車內(nèi)形成空中“3D-AR”人機(jī)界面。奧迪在2019概念車AI:ME中搭載了和三星聯(lián)合開發(fā)的“3D-AR”抬頭顯示系統(tǒng)，車內(nèi)用戶可通過凝視交互實(shí)現(xiàn)指令輸入。手勢(shì)解決方案公司Leap Motion在2020年CES展示了一款“AR+手勢(shì)識(shí)別”汽車界面，結(jié)合了Magic Leap One頭顯、Ultraleap隔空手勢(shì)模塊和瑞士Luxoft軟件技術(shù)，建立了實(shí)用的空間立體交互技術(shù)方案。

2.3 新興車載智能單元

2.3.1 沉浸式智能交互

沉浸式智能交互技術(shù)能結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況大幅度增強(qiáng)車載娛樂體驗(yàn)，“HMD+3D”車載娛樂系統(tǒng)具備全身輸入的直觀性、自然性和直覺化優(yōu)勢(shì)，為用戶提供有趣的娛樂方式和新奇的感官體驗(yàn)。研究表明，自動(dòng)駕駛情境下，基于“HMD+3D”的沉浸式車載娛樂系統(tǒng)體驗(yàn)更佳[59]。因此，在中高級(jí)自動(dòng)駕駛汽車內(nèi)接入頭戴式顯示器建立虛擬現(xiàn)實(shí)媒體環(huán)境，并融合視覺、聽覺和觸覺多模態(tài)人機(jī)交互，所形成的沉浸式智能交互技術(shù)是滿足駕乘途中日益增長的娛樂需求的有效手段。

HMD已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低成本的寬視野VR體驗(yàn)，現(xiàn)有技術(shù)能依托汽車運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過執(zhí)行器為人提供運(yùn)動(dòng)感，使視覺圖像、動(dòng)作與環(huán)境同步。借助汽車的物理運(yùn)動(dòng)感，增強(qiáng)環(huán)境反饋輸出，將VR與汽車運(yùn)動(dòng)融合，從而建立主動(dòng)虛擬駕駛系統(tǒng)、被動(dòng)虛擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或內(nèi)容播放器系統(tǒng)，形成極具真實(shí)感和沉浸感的駕乘體驗(yàn)[60]。

但在此方式下，人的動(dòng)作會(huì)受限于車輛運(yùn)動(dòng)情況，若要在車內(nèi)展開更自由的娛樂活動(dòng)，存在一系列挑戰(zhàn)：①受汽車運(yùn)動(dòng)影響，HMD的慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)和跟蹤傳感器數(shù)據(jù)在傳感融合時(shí)產(chǎn)生沖突，為降低汽車旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)HMD傳感器的影響，Hock等[61]將車輛和VR內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動(dòng)匹配，通過HMD顯示屏上顯示的汽車運(yùn)動(dòng)提示來補(bǔ)償頭部旋轉(zhuǎn)或車輛旋轉(zhuǎn)，減弱車輛運(yùn)動(dòng)對(duì)HMD顯示的干擾；②若車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)與VR虛擬視場感知不一致可能會(huì)造成暈車等負(fù)面體驗(yàn)。因此，感知校準(zhǔn)成為豐富車內(nèi)VR應(yīng)用程序和娛樂內(nèi)容的技術(shù)前提，Haeling等[62]將HMD與車輛傳感集成，利用車輛內(nèi)部的先進(jìn)定位算法提取準(zhǔn)確的車輛姿態(tài)，基于“HMD-IMU”融合的傳感器，構(gòu)建了無感知沖突的車內(nèi)VR沉浸式交互體驗(yàn)。未來，隨著技術(shù)不斷地突破和精進(jìn)，車內(nèi)空間將提供更豐富和自由的沉浸式智能交互。

2.3.2 人工智能助理

人工智能助理是一種利用AI、NLP以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的軟件。車內(nèi)的人工智能助理嵌入在智能輔助系統(tǒng)中，具備自主、敏感、反應(yīng)性、目標(biāo)導(dǎo)向、溝通性和上下文關(guān)聯(lián)的智能化特征[63]，以擬人化語音界面、虛擬圖像或?qū)嶓w機(jī)器人的形式出現(xiàn)。市面上現(xiàn)有輔助駕駛伙伴、虛擬車載助手、車載智能機(jī)器人、車載信息娛樂助手等產(chǎn)品。目前，許多汽車廠商自主研發(fā)了車載人工智能助理系統(tǒng)，基于城市物聯(lián)網(wǎng)，可連接位置信息、地標(biāo)信息、日歷信息等多種數(shù)據(jù)，提供交通生活服務(wù)。2017年，豐田推出了迷你車載智能機(jī)器人Kirobo mini，該機(jī)器人能協(xié)助信息通訊和旅途數(shù)據(jù)管理，通過識(shí)別手勢(shì)和人類情感來記錄個(gè)人偏好數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)，提供個(gè)性化推送;2018年，蔚來首次將NOMI機(jī)器人應(yīng)用于量產(chǎn)車，形成汽車人工智能系統(tǒng)的擬人化人車交互界面，賦予汽車生命和情感特征;2019年CES展上，豐田發(fā)布的一款全新概念車Concept-i搭載了虛擬車載助理Yui，能夠扮演副駕駛員的角色并學(xué)習(xí)駕駛員知識(shí)，提供旅途指南和服務(wù)。

目前，除了滿足出行剛需，在面向娛樂需求時(shí)，如何提供連續(xù)可用的語音輸入接口和無缺陷系統(tǒng)，建立反應(yīng)性的或獨(dú)立主動(dòng)的車載信息娛樂助理成為開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)[64]。此外，隨著信息和通信技術(shù)日益普及，汽車通過與目前常見的個(gè)人移動(dòng)終端中搭載的智能個(gè)人助理(Intelligent Personal Assistants，IPAs)互聯(lián)，能夠?qū)⒁苿?dòng)端娛樂服務(wù)和駕駛輔助功能移用至車載系統(tǒng)，從而充分利用個(gè)人移動(dòng)終端，豐富車載交互場景。未來，ICV有望與多種智能化助理系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功能和服務(wù)的全面拓展。

3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互關(guān)鍵問題及其相關(guān)技術(shù)

ICV人機(jī)交互發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力來自于人與技術(shù)的深度融合，研究與之相關(guān)的科學(xué)問題具有前瞻性和帶動(dòng)性。ICV概念存在時(shí)間短，現(xiàn)有汽車人機(jī)交互研究文獻(xiàn)通常針對(duì)自動(dòng)駕駛情境、自主式智能汽車、智能交通、網(wǎng)聯(lián)車、自動(dòng)道路運(yùn)輸系統(tǒng)等與ICV有關(guān)的領(lǐng)域，直接以ICV人機(jī)交互為對(duì)象的研究相對(duì)不足。通過整理及分析上述領(lǐng)域多個(gè)學(xué)科的理論研究和應(yīng)用研究文獻(xiàn)，總結(jié)出ICV人機(jī)交互要解決的關(guān)鍵問題：ICV技術(shù)接受度、ICV人機(jī)交互質(zhì)量、ICV駕乘體驗(yàn)。進(jìn)一步地，以問題為導(dǎo)向，基于ICV人機(jī)交互技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分別指出對(duì)3個(gè)關(guān)鍵問題產(chǎn)生作用的人機(jī)交互技術(shù)及具體作用方式。ICV人機(jī)交互關(guān)鍵問題及相互關(guān)系如圖3所示。

3.1 ICV技術(shù)接受度

新興技術(shù)的推廣首先要經(jīng)歷大眾對(duì)技術(shù)采納的考驗(yàn)。現(xiàn)階段人們對(duì)新型自動(dòng)化汽車的接受度、購買意圖和使用意圖較低[65]，但態(tài)度轉(zhuǎn)變趨于積極[66]。然而，能否大范圍采用ICV，將人類控制權(quán)交給智能交通系統(tǒng)，仍是存在爭議的問題。諸多因素阻礙了駕駛員接受和采用新興汽車技術(shù)(ADAS、高精導(dǎo)航系統(tǒng)和5G車載互聯(lián)通信等)。一方面，個(gè)人特征[67-69](人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征、駕駛技術(shù)、駕駛經(jīng)驗(yàn)和收入情況等)、人為因素(舒適度、適應(yīng)性等)[7]、人格特質(zhì)[70-71]等內(nèi)在因素起重要作用。例如，駕駛者對(duì)ADAS功能穩(wěn)定性的擔(dān)憂，對(duì)方向盤和腳踏板等傳統(tǒng)控制元件的心理依賴[72]，對(duì)自動(dòng)駕駛車輛安全性的不信任[73]。同時(shí)，駕駛樂趣的缺失亦會(huì)導(dǎo)致駕駛者拒絕自動(dòng)駕駛功能，這一心理需求可通過其他類型的車內(nèi)場景互動(dòng)來彌補(bǔ)[74]。另一方面，社會(huì)影響[75]、產(chǎn)品特性[76]等外在因素也影響ICV技術(shù)接受度。Zhang等[77]在研究中指出，結(jié)合我國社會(huì)及文化特性來看，正面輿論及政府引導(dǎo)等社會(huì)影響因素，可為促進(jìn)ICV的接受提供積極力量。

影響技術(shù)接受度的產(chǎn)品特性因素與ICV人機(jī)交互關(guān)系密切。Arndt[76]指出人車互動(dòng)中產(chǎn)生的產(chǎn)品特性感知和行為變量等因素將影響人對(duì)自動(dòng)駕駛這一顛覆性創(chuàng)新技術(shù)的接受意愿。從汽車人機(jī)交互角度，基于信息交互領(lǐng)域常采用的計(jì)劃行為理論(Theory of Planned Behavior, TPB)、技術(shù)接受模型(Technology Acceptance Model, TAM)和整合型科技接受模式理論(Unified Theory of Acceptance and Use of Technology, UTAUT)等理論模型[78-79]，總結(jié)出影響ICV技術(shù)接受度的主要因素：感知易用性(Perceived Ease of Use, PEOU)、感知有用性(Perceived Usefulness, PU)、人車信任。

(1)感知易用性和感知有用性

PEOU指個(gè)人對(duì)使用新技術(shù)難易程度的看法，PU指個(gè)人認(rèn)為使用該技術(shù)將提高工作績效的程度。Madigan等[80]研究用戶接受自動(dòng)道路運(yùn)輸系統(tǒng)(Automated Road Transport Systems, ARTS)的因素，指出車載信息系統(tǒng)的PEOU和PU與車輛人對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的使用意圖密切相關(guān);Buckley等[81]運(yùn)用TPB和TAM評(píng)估駕駛員執(zhí)行模擬駕駛?cè)蝿?wù)后對(duì)AV(SEA3級(jí)自動(dòng)駕駛車輛)的接受度，結(jié)果表明PEOU影響使用意圖;Danner等[82]指出自動(dòng)駕駛模式下車載信息系統(tǒng)使用體驗(yàn)的連續(xù)性與PU和PEOU的關(guān)聯(lián);徐志剛等[83]通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)及心理模型來解釋和預(yù)測(cè)人們對(duì)L3級(jí)別自動(dòng)駕駛汽車的接受程度，結(jié)果表明PEOU、信任度和感知安全性是參與者使用意愿的積極預(yù)測(cè)因素。

影響PEOU和PU的外部變量包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征、用戶特征(包括感知形式和其他個(gè)性特征)、任務(wù)特征、政策影響等。具體而言，PEOU與自我效能有關(guān)，受到ICV車載交互系統(tǒng)是否容易使用、是否比傳統(tǒng)汽車操作簡單、是否需要特殊訓(xùn)練等情況的影響；PU主要受出行便利度、非駕駛活動(dòng)時(shí)長、有無障礙、體力消耗、精神疲勞等因素的影響。使用場景相較于過去發(fā)生突變后，ICV車載交互中需考慮上述因素對(duì)PU和PEOU的影響，避免引發(fā)人的懷疑、抵觸和拒絕使用等負(fù)面效應(yīng)。

(2)人車信任

任何自動(dòng)化系統(tǒng)的大規(guī)模采用，都要先建立高度信任[84]。目前已發(fā)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)缺乏信任是司機(jī)拒絕使用車輛自動(dòng)化系統(tǒng)的最常見原因[67]。因此，為促進(jìn)公眾對(duì)ICV及其智能自動(dòng)化系統(tǒng)的接受和采用，需重視信任因素。Choi等[85]基于TAM和信任理論建立了自動(dòng)駕駛汽車使用意圖模型，提出AV信任的3個(gè)維度，分別是：系統(tǒng)透明性(System Transparency)，技術(shù)能力(Technical Competence)和情況管理(Situation Management)。Walter等[86]指出CV的車載互聯(lián)服務(wù)中隱私性對(duì)信任的影響會(huì)干擾用戶接受度。在一項(xiàng)最新的研究中，Zhang等[77]以中國社會(huì)為對(duì)象建立了整合TAM結(jié)構(gòu)、信任、社會(huì)影響及人格特質(zhì)的自動(dòng)駕駛接受模型，并建議盡快建立人對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的初始信任。這項(xiàng)研究指出早期消費(fèi)者意見對(duì)新技術(shù)的成功推廣是至關(guān)重要的。在我國ICV發(fā)展和推廣的初期階段，首批用戶的初始信任，對(duì)提升ICV社會(huì)認(rèn)可、促進(jìn)交通系統(tǒng)全面智能化轉(zhuǎn)型有重要意義。此外，在避免信任不足(Distrust)導(dǎo)致ICV技術(shù)接受度降低的同時(shí)，要警惕系統(tǒng)表現(xiàn)不實(shí)而引發(fā)的過度信任(Over Trust)[87]，造成監(jiān)管意識(shí)不足和執(zhí)行錯(cuò)誤，以形成人車間良好協(xié)同性所需的適度信任為目標(biāo)。

(3)相關(guān)技術(shù)

目前，ICV使用的主流自動(dòng)駕駛模式是人機(jī)共駕，相當(dāng)于SAE 3級(jí)到4級(jí)自動(dòng)駕駛。為向手動(dòng)駕駛特性更弱的高度自動(dòng)駕駛和完全自動(dòng)化平穩(wěn)過渡，ICV人機(jī)交互技術(shù)需通過改善PU、PEOU和人車信任，提高技術(shù)接受度，具體人機(jī)交互技術(shù)及其作用方式如圖4所示。

3.2 ICV人機(jī)交互質(zhì)量

衡量系統(tǒng)人機(jī)交互質(zhì)量高低的重要指標(biāo)是可用性，汽車HMI可用性是對(duì)汽車人機(jī)交互質(zhì)量的描述，可用性評(píng)估[88]是測(cè)量人機(jī)交互質(zhì)量的規(guī)范化方法。根據(jù)ISO9241-11標(biāo)準(zhǔn)[89]，可用性概括為有效性、效率和滿意度3個(gè)方面。作為人機(jī)交互質(zhì)量的基本問題，關(guān)于網(wǎng)聯(lián)化、智能化的車載人機(jī)交互系統(tǒng)可用性已有大量研究[7]，并形成了評(píng)估協(xié)議和設(shè)計(jì)規(guī)范[90-91]。

目前，可用性已經(jīng)不足以概括ICV人機(jī)交互質(zhì)量。分析國內(nèi)外文獻(xiàn)，歸納出ICV人機(jī)交互質(zhì)量的3個(gè)重要維度，分別是：人機(jī)交互自然性、人車協(xié)同控制、態(tài)勢(shì)感知。

(1)人機(jī)交互自然性

近年來，人機(jī)界面越發(fā)強(qiáng)調(diào)自然性[92]，即用戶的交互行為與其生理和認(rèn)知的習(xí)慣相吻合[93]。車載環(huán)境下，自然有效的人機(jī)交互不僅可以改善駕駛體驗(yàn)，還可以加速無人駕駛汽車的商業(yè)化進(jìn)程[94]。

為滿足自然性的要求，人機(jī)自然交互(Human-Machine Natural Interaction, HMNI)成為當(dāng)下熱門研究方向。HMNI是指人通過手勢(shì)、表情、動(dòng)作進(jìn)行自然交流，通過觀察和操縱物質(zhì)來發(fā)現(xiàn)世界，允許用戶采用日常與現(xiàn)實(shí)世界交互的方式與技術(shù)進(jìn)行交互[95]?，F(xiàn)有人機(jī)自然交互的常見方式包括觸屏交互(Touch-screen Interaction, TI)、語音交互(Verbal Interaction, VI)、手勢(shì)交互(Gesture Interaction, GI)和系統(tǒng)主動(dòng)交互(System-initiative Interaction, SI)等。自然人機(jī)交互在車載環(huán)境下的主要貢獻(xiàn)是解決用復(fù)雜人機(jī)接口完成簡單任務(wù)的痛點(diǎn)，占用的認(rèn)知負(fù)荷較低，且有助于開展非駕駛活動(dòng)。張茫茫[96]認(rèn)為基于自然交互的多通道交互模式是未來汽車人機(jī)交互的主要方式，把智能化融入使用者與汽車更自然的伙伴關(guān)系之中，將實(shí)現(xiàn)情感化的交互體驗(yàn)。為了探索人在車內(nèi)如何基于多通道界面展開自然人機(jī)交互，王瑞等[97]以人機(jī)自然交互為對(duì)象，通過用戶行為分析，歸納出不同智能汽車的多通道界面交互方式的特點(diǎn)。

國內(nèi)外自然人機(jī)交互研究領(lǐng)域積累了大量成果，但鮮有在車載環(huán)境下討論人機(jī)交互自然性，尤其是以ICV為對(duì)象的研究。ICV人機(jī)交互自然性的現(xiàn)有少量研究成果集中于手勢(shì)交互和語音交互方面。例如，Stier等[98]研究了影響自適應(yīng)車載語音對(duì)話系統(tǒng)自然性和可理解性的潛在因素;Ling等[99]探討了車載移動(dòng)導(dǎo)航應(yīng)用中多模態(tài)人機(jī)界面如何影響交互效率和自然性。但在腦機(jī)接口、三維人機(jī)交互方面仍有較大的研究空白。未來，為了提升系統(tǒng)準(zhǔn)確理解自然用戶意圖的能力，車載交互系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行單元以及敘事智能依然是工程師和科研人員的主要研究課題。

(2)人車協(xié)同控制

人車協(xié)同或人機(jī)共駕是ICV的主要控制方式，其中ICV車載交互系統(tǒng)負(fù)責(zé)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為人機(jī)控制權(quán)轉(zhuǎn)換。ICV人機(jī)控制權(quán)轉(zhuǎn)換分為接管和移交兩方面。接管指汽車系統(tǒng)將控制權(quán)交給駕駛員；移交指駕駛員將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)[100]。

ICV控制權(quán)接管時(shí)，車輛物理和認(rèn)知控制回路外的駕駛員需處理系統(tǒng)接管請(qǐng)求(Takeover Request,TOR)。低下的駕駛接管任務(wù)績效會(huì)導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)，而高效、安全完成接管任務(wù)能促進(jìn)良好的人機(jī)交互質(zhì)量評(píng)價(jià)。接管任務(wù)績效指標(biāo)有反應(yīng)時(shí)間[49]、接管時(shí)長[101]、無事故[102]、任務(wù)成功率[102]和滿意度[49]。ICV車載交互系統(tǒng)在建立駕駛接管任務(wù)時(shí)需要充分考慮駕駛員狀態(tài)[38]、TOR指令模態(tài)[103]、行車場景等因素。當(dāng)用戶處于主動(dòng)分心[101]等不適合立刻接管的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出模態(tài)適用(單模態(tài)或多模態(tài))的指令信號(hào)，提供更長的接管等待，或使用提示信息填充接管過渡時(shí)間。

針對(duì)控制權(quán)移交，Ning等[104]研究了21種自動(dòng)駕駛模式激活(移交)方式，指出激活方式對(duì)可用性評(píng)價(jià)的影響，給出6種推薦的自動(dòng)駕駛激活方式;Danner等[82]指出在激活自動(dòng)化時(shí)提供自動(dòng)駕駛功能的時(shí)限信息能改善系統(tǒng)透明度，提高人對(duì)系統(tǒng)可用性評(píng)價(jià)和接受度。ICV的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)啟動(dòng)后，人將產(chǎn)生相應(yīng)的安全感知和情緒體驗(yàn)，其給出的正面質(zhì)量評(píng)價(jià)源自良好的系統(tǒng)依賴與信任度。

(3)態(tài)勢(shì)感知

態(tài)勢(shì)感知(Situational Awareness，SA)的定義是對(duì)時(shí)間和空間內(nèi)的環(huán)境元素的感知，對(duì)其含義的理解以及對(duì)其近期未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)，被認(rèn)為是個(gè)人績效的重要因素[105]，分為感知、理解和預(yù)測(cè)3個(gè)級(jí)別。ICV中，SA直接或間接影響用戶的其他行為和態(tài)度因素：接管與移交任務(wù)績效、人機(jī)交互質(zhì)量評(píng)價(jià)及人車信任(系統(tǒng)透明度和情況管理)。低態(tài)勢(shì)感知水平將造成過長的移交過程、不信任感以及糟糕的用戶體驗(yàn)。因此，ICV車載交互系統(tǒng)需輔助SA的建立和維持，確保人能夠感知和理解車內(nèi)外狀況并預(yù)測(cè)未來情境演變，比如位置信息、道路場景狀況、未來需要執(zhí)行的操作(加速、制動(dòng)、接管、移交、應(yīng)急處理)等。良好態(tài)勢(shì)感知源于高質(zhì)量的人車信息交互，設(shè)計(jì)不良的ICV車載系統(tǒng)會(huì)造成實(shí)際操作過程與預(yù)期的差異[106]，減弱態(tài)勢(shì)感知、引發(fā)模式混亂，甚至導(dǎo)致危害ICV安全性和可靠性的人為錯(cuò)誤執(zhí)行。此外，有研究表明態(tài)勢(shì)感知能減輕或避免一些不可控的負(fù)面體驗(yàn)，例如自動(dòng)駕駛引起的暈車[107]等。

(4)相關(guān)技術(shù)

多種汽車人機(jī)交互技術(shù)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，從而共同建立高質(zhì)量ICV人機(jī)交互，具體技術(shù)及其作用如圖5所示。其中智能多模態(tài)人機(jī)界面作為目前車載交互的主流模式，可同時(shí)解決3個(gè)方面的問題。

3.3 ICV駕乘體驗(yàn)

隨著豐富多彩的生活化場景大量進(jìn)入ICV，車載交互系統(tǒng)除了達(dá)到可用性目標(biāo)，在體驗(yàn)上還應(yīng)具備富有美感、令人愉悅、滿足用戶情感等品質(zhì)[108]。體驗(yàn)的ISO 9241-210定義為：用戶在使用一個(gè)產(chǎn)品、系統(tǒng)或服務(wù)之前、使用期間和使用之后的全部感受，包括情感、信仰、喜好、認(rèn)知印象、生理和心理反應(yīng)、行為和成就等各個(gè)方面[109]。

積極的情感態(tài)度、愉悅感和有趣的旅程體驗(yàn)不僅是智能時(shí)代下用戶的迫切需求，還是實(shí)現(xiàn)ICV技術(shù)接受的保障[110]。因此，私人乘用ICV和智能網(wǎng)聯(lián)公共交通車輛的用戶體驗(yàn)[111](User eXperience, UX)逐漸成為備受關(guān)注的話題。通過分析國內(nèi)外ICV駕乘體驗(yàn)研究文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)ICV駕乘體驗(yàn)研究顯示出從以個(gè)人到群體的遞進(jìn)層級(jí)，具體問題包括個(gè)性偏好、智能社交與娛樂、車載互聯(lián)服務(wù)，以下分別進(jìn)行闡述。

(1)個(gè)性偏好

隨著汽車個(gè)性化概念的提出，如何適應(yīng)不同用戶在體驗(yàn)上的個(gè)性偏好[112]成為ICV人機(jī)交互的重要問題。Grabarek等[113]為同時(shí)滿足身體健全者和行動(dòng)不便者的體驗(yàn)要求，基于“生態(tài)汽車”和HMI標(biāo)準(zhǔn)化的概念，提出了一種可設(shè)置HMI參數(shù)的城市交通系統(tǒng)概念;Riegler等[58]研究了人在自動(dòng)駕駛中對(duì)擋風(fēng)玻璃顯示屏的偏好，得到擋風(fēng)玻璃顯示屏最重要和最顯著使用的區(qū)域;Zhang等[114]全面考慮了智能交通服務(wù)中的用戶個(gè)性化行為，提出了一種基于多方面感知會(huì)話的推薦模型;Wiegand等[10]以促進(jìn)車載信息交互的個(gè)性化和多樣化為目的，研究了自動(dòng)駕駛汽車3D-AR應(yīng)用的設(shè)計(jì)空間。個(gè)性化體驗(yàn)來自于動(dòng)態(tài)的人機(jī)交互過程，是傳統(tǒng)汽車的靜態(tài)定制化模式不能完全滿足的需求，起亞與麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的情感計(jì)算小組共同開發(fā)了情緒自適應(yīng)駕駛系統(tǒng)(The Real-time Emotion Adaptive Driving system, R.E.A.D.)，基于AI的生物信號(hào)識(shí)別技術(shù)來檢測(cè)人的情感，優(yōu)化車內(nèi)溫度、香氣、音響、燈光等，適應(yīng)個(gè)性需求，創(chuàng)造“更愉悅的移動(dòng)體驗(yàn)”。此外，有研究指出定制化和高度適應(yīng)性汽車能幫助解決目前ASAD使用率低的問題[115]。因此，除了提升體驗(yàn)本身，車內(nèi)個(gè)性化功能還對(duì)ICV技術(shù)接受度有促進(jìn)作用。

(2)智能社交與娛樂

“人工智能+”的時(shí)代背景下，人們?cè)絹碓疥P(guān)注有趣且新穎的車內(nèi)娛樂交互體驗(yàn)[116]。當(dāng)代消費(fèi)者期望車內(nèi)可以提供放松的環(huán)境、更多顯示端口、車與移動(dòng)設(shè)備的接口，并且對(duì)聯(lián)網(wǎng)社交接口提出需求[117]。為豐富自動(dòng)駕駛下的智能化娛樂活動(dòng)，研究者對(duì)基于VR-HMD的沉浸式媒體在車載交互中應(yīng)用展開了廣泛研究[59，61]。隨著自動(dòng)駕駛級(jí)別的提升，為同時(shí)滿足社交和娛樂需求，車載娛樂場景還將從以駕駛員為中心的小范圍活動(dòng)擴(kuò)展到多人娛樂甚至跨車娛樂，發(fā)展出“跨車”多人游戲的場景[118]。

目前，各汽車廠商通過搭載各類智能化車載社交娛樂系統(tǒng)來適應(yīng)需求的變化和增長，將多模態(tài)、多區(qū)域、多角色和多任務(wù)的概念引入到車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)(In-Vehicle Infotainment, IVI)，使IVI貼近先進(jìn)移動(dòng)智能設(shè)備的用戶娛樂體驗(yàn)[119]。然而，目前的產(chǎn)品并不能完全滿足需求，如何解決人對(duì)智能化車載社交娛樂體驗(yàn)的需求，是ICV人機(jī)交互待解決的問題。

(3)車載互聯(lián)服務(wù)

車載網(wǎng)絡(luò)和下一代通信技術(shù)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)ICV的聯(lián)網(wǎng)通信能力，為ICV提供多樣化車載互聯(lián)服務(wù)奠定基礎(chǔ)，為車載互聯(lián)服務(wù)所需的穩(wěn)定媒體流質(zhì)量提供保障。用戶將體驗(yàn)到更流暢的智能互聯(lián)服務(wù)流程，包含身份識(shí)別、信息驗(yàn)證、指令提交和服務(wù)付費(fèi)等環(huán)節(jié)。多元、優(yōu)質(zhì)、高效的ICV車載互聯(lián)服務(wù)將為個(gè)人及整個(gè)交通系統(tǒng)中的用戶群體提供位置通勤以外的體驗(yàn)價(jià)值。市場上現(xiàn)有智能系統(tǒng)已搭載了較多車載互聯(lián)服務(wù)，例如小鵬汽車2018年推出的X-MART OS車載智能操作系統(tǒng)，搭載了旅程管理、便捷生活、車載娛樂等服務(wù)功能，奔馳公司的MBMUX系統(tǒng)(2019)提供了旅程管理和車輛位置服務(wù)。

除了與位置信息相關(guān)的旅程管理、車輛維修、尋位停車等車載互聯(lián)服務(wù)及在線購物、訂餐、觀影等生活服務(wù)，汽車共享也是ICV可提供的互聯(lián)服務(wù)。在具體使用場景中，汽車共享是通過數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的增值服務(wù)；在行業(yè)大環(huán)境中，汽車共享可延伸到共享汽車制造和共享出行解決方案等生態(tài)系統(tǒng)問題，常被歸類到“工業(yè)4.0”或“中國制造2025”范疇。

未來，行業(yè)內(nèi)需進(jìn)一步解決ICV車載互聯(lián)服務(wù)類型覆蓋、服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)體驗(yàn)優(yōu)化的問題，考慮如何將舒適性、可信性、趣味性和用戶友好性聯(lián)系起來，幫助用戶更好地接受、適應(yīng)和使用復(fù)雜繁多的車載服務(wù)，并且在宏觀交通產(chǎn)品系統(tǒng)上搭建服務(wù)體驗(yàn)生態(tài)。

(4)相關(guān)技術(shù)

基于上述對(duì)ICV駕乘體驗(yàn)的分析，以全面升級(jí)其駕乘體驗(yàn)為目標(biāo)，沿襲從個(gè)人到群體的遞進(jìn)層級(jí)，總結(jié)出個(gè)性偏好、智能社交與娛樂、車載互聯(lián)服務(wù)3個(gè)方面的相關(guān)人機(jī)交互技術(shù)及作用方式，如圖6所示。

4 智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互的發(fā)展展望

ICV作為我國汽車發(fā)展的主流模式，其人機(jī)交互設(shè)計(jì)的發(fā)展在借鑒傳統(tǒng)汽車和國外相關(guān)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，將形成其自身的發(fā)展方向與發(fā)展階段。目前，在產(chǎn)學(xué)研界均形成了面向ICV的局部人機(jī)交

互技術(shù)的落地與實(shí)施，但并未形成其發(fā)展的完整理論。本文基于ICV發(fā)展的技術(shù)接受度、人機(jī)交互質(zhì)量和駕乘體驗(yàn)3方面挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)人與技術(shù)深度融合為目標(biāo)，整合各挑戰(zhàn)間的共性，提出了ICV人機(jī)交互發(fā)展的3個(gè)方向：效用優(yōu)化、體驗(yàn)重構(gòu)和價(jià)值增益，這3個(gè)發(fā)展方向在各自發(fā)展的前提下形成“功能—體驗(yàn)—價(jià)值”的層次關(guān)系。ICV人機(jī)交互發(fā)展展望的具體內(nèi)容如圖7所示。

(1)效用優(yōu)化

ICV人機(jī)交互中技術(shù)接受度和人機(jī)交互質(zhì)量兩方面挑戰(zhàn)依賴于人對(duì)效用[120]的理性判斷，效用的優(yōu)化通過質(zhì)量水平和產(chǎn)品特色等得以實(shí)現(xiàn)。從ICV自身而言，前沿科技起重要推動(dòng)作用，通過5G、AI、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)與用戶普適需求的深度融合，全面提升ICV人機(jī)交互的底層技術(shù)性能、系統(tǒng)可靠性和操作品質(zhì)，賦能ICV人機(jī)交互創(chuàng)新發(fā)展。未來，隨著類腦智能技術(shù)充分發(fā)揮其增強(qiáng)ICV多維感知、全局洞察、實(shí)時(shí)決策、持續(xù)進(jìn)化等認(rèn)知方面的潛能，利用云端的超強(qiáng)計(jì)算能力和AI技術(shù)，將構(gòu)建基于類腦信息認(rèn)知與處理手段的超級(jí)車載智能終端和云邊端一體化的智慧交通大腦。同時(shí)，類腦計(jì)算在語音識(shí)別與合成、文字識(shí)別、人臉識(shí)別、腦機(jī)接口技術(shù)(Brain Computer Interface, BCI)[121-123]等方面的應(yīng)用，將促進(jìn)ICV人機(jī)交互技術(shù)性能的飛躍與提升。從宏觀環(huán)境來看，國家政策扶持和政府進(jìn)一步開展積極促進(jìn)型干預(yù)，依托我國在大數(shù)據(jù)、應(yīng)用場景、政策環(huán)境等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，大規(guī)模推動(dòng)人機(jī)交互技術(shù)深度應(yīng)用，將有利于形成正向的社會(huì)影響，改善消費(fèi)者的采納效用，夯實(shí)基礎(chǔ)，加快我國ICV的廣泛接受和普及化進(jìn)程。

(2)體驗(yàn)重構(gòu)

體驗(yàn)重構(gòu)是ICV人機(jī)交互在工作效率和使用性能等效用層面以上的更高層次發(fā)展需要，源自ICV技術(shù)接受度與駕乘體驗(yàn)中直覺化、情感化因素的交融。設(shè)計(jì)學(xué)科[124]作為體驗(yàn)重構(gòu)的核心驅(qū)動(dòng)力量，將進(jìn)一步致力解決我國在原創(chuàng)理論及創(chuàng)新應(yīng)用的缺口，從而充分把握汽車產(chǎn)業(yè)在體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)浪潮下躍遷變革的機(jī)會(huì)窗口。短期來看，以需求為導(dǎo)向，應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中包容用戶個(gè)性、重視細(xì)節(jié)體驗(yàn)，將賦予ICV以易學(xué)易用、富有美感、令人愉悅的交互體驗(yàn)品質(zhì)。長遠(yuǎn)來看，重新定義ICV人機(jī)交互的感官美學(xué)與體驗(yàn)，營造積極的情感態(tài)度和有趣的旅程體驗(yàn)，有助于締結(jié)人與車之間的情感聯(lián)絡(luò)與情懷意識(shí)，建立人車信任及人車伙伴關(guān)系，從而促進(jìn)人的主動(dòng)積極接受及產(chǎn)品的廣泛認(rèn)可。

(3)價(jià)值增益

在實(shí)現(xiàn)ICV推廣與普及后，突破以車載任務(wù)與體驗(yàn)等為核心的微觀交互場景，融合人機(jī)交互質(zhì)量與駕乘體驗(yàn)，增益附加價(jià)值，成為更高層次的發(fā)展要求。為實(shí)現(xiàn)價(jià)值增益，需進(jìn)一步發(fā)揮產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)力，調(diào)動(dòng)全行業(yè)參與，催化開放式模式創(chuàng)新，形成服務(wù)創(chuàng)造與生態(tài)擴(kuò)展的產(chǎn)業(yè)全景。為滿足下一代ICV用戶及其細(xì)分市場的差異化價(jià)值需求，“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”提供了創(chuàng)新思路，集合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、用戶偏好[125]建模、軟硬件個(gè)性定制、汽車全生命周期管理等概念，以產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)和學(xué)科交叉賦能全民出行的價(jià)值增益。同時(shí)，致力自主品牌建設(shè)，提升品牌實(shí)力和建立品牌價(jià)值認(rèn)同，將有利于增強(qiáng)本土發(fā)展實(shí)力，進(jìn)一步開辟我國汽車產(chǎn)業(yè)以價(jià)值為導(dǎo)向的全面轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)束語

目前，汽車行業(yè)已呈現(xiàn)出日新月異的變化，各國都以車輛的智能化和網(wǎng)聯(lián)化作為抓手，搶占行業(yè)制高點(diǎn)。根據(jù)《中國制造2025》提出的發(fā)展目標(biāo)，我國將于2020年初步建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系及生產(chǎn)配套體系。隨著汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級(jí)，ICV將成為大眾生活中的新一代交通工具。在新一代ICV人機(jī)交互系統(tǒng)研發(fā)中深度融合前沿人機(jī)交互技術(shù)，把握人與科技融合的發(fā)展方向，才能更好地服務(wù)于人。

本文從信息識(shí)別、車載多維人機(jī)界面和新興車載智能單元3個(gè)方面，總結(jié)了人機(jī)交互指令識(shí)別、狀態(tài)識(shí)別與檢測(cè)、智能多模態(tài)人機(jī)界面、空間立體交互、沉浸式智能交互和人工智能助理技術(shù)的研究成果及車內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀。對(duì)多學(xué)科文獻(xiàn)展開研究，總結(jié)和闡述了ICV人機(jī)交互3個(gè)關(guān)鍵問題，明確了ICV當(dāng)前發(fā)展階段工作重點(diǎn)，并指出技術(shù)如何對(duì)ICV人機(jī)交互的發(fā)展起到積極作用。結(jié)合ICV人機(jī)交互關(guān)鍵問題，從效用優(yōu)化、體驗(yàn)重構(gòu)和價(jià)值增益3個(gè)層次對(duì)ICV人機(jī)交互進(jìn)行了發(fā)展展望。本文全面地分析了ICV人機(jī)交互研究中的問題，但值得反思的是，具體問題的思考深度上有所不足，今后將從各個(gè)問題點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行深入探索，以建立更深刻的認(rèn)識(shí)。