智能網(wǎng)聯(lián)汽車人機(jī)交互界面分析

劉雪，石天聰，余政濤

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車現(xiàn)在早已不再被當(dāng)作是簡(jiǎn)單的代步工具，不斷有人研發(fā)新的控制技術(shù)并應(yīng)用到車輛上，使車輛變得越來(lái)越智能化。智能化主動(dòng)安全系統(tǒng)其實(shí)是一個(gè)非常復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛?cè)耸瞧渲蟹浅Ｖ匾囊画h(huán)。安全系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)向駕駛?cè)颂峁┬畔?，同時(shí)駕駛?cè)艘残枰鶕?jù)這些信息做出相應(yīng)的反應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)與駕駛?cè)酥g始終存在著信息的交互。而駕駛?cè)伺c系統(tǒng)之間所有的信息交互都需要一個(gè)媒介，這就是HMI（Human-Machine Interac-tion 人機(jī)交互界面）。HMI是人機(jī)交流的橋梁，通過(guò)它可以讓駕駛?cè)伺c車輛之間實(shí)現(xiàn)更有效的溝通。對(duì)駕駛?cè)硕?，他們?duì)汽車運(yùn)行狀態(tài)信息的了解以及駕駛過(guò)程中所進(jìn)行的操作大多都是通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)的。良好的人機(jī)交互界面能夠在使用過(guò)程中為駕駛?cè)颂峁?zhǔn)確明了的信息，方便駕駛?cè)瞬僮?，給駕駛?cè)藥?lái)良好的駕駛體驗(yàn)感，提高駕駛?cè)笋{駛的安全性。

1 人機(jī)交互方式分析

1.1 交互通道分析

在道路上行駛的車輛、車內(nèi)的駕駛?cè)恕⒌缆翻h(huán)境共同構(gòu)成了典型的人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)。在車輛行駛時(shí)，駕駛行為是信息感知、判斷決策和操作所組成的一個(gè)不斷往復(fù)進(jìn)行的信息處理過(guò)程，感知作用于判斷后決策后影響到操作。駕駛?cè)伺c車輛的交互方式主要表現(xiàn)為：道路上來(lái)往車輛、行人、交通標(biāo)志及車輛自身運(yùn)行工況等信息，通過(guò)駕駛?cè)说囊曈X(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感官通道傳入駕駛?cè)说拇竽X，駕駛?cè)烁鶕?jù)其駕駛經(jīng)驗(yàn)加工處理后，作出相應(yīng)的判斷和決策，之后再通過(guò)手腳等運(yùn)動(dòng)器官發(fā)出操作指令，從而改變車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而車輛的行駛軌跡、振動(dòng)、速度等的狀態(tài)變化再通過(guò)上述感官通道反饋給駕駛?cè)耍瑫r(shí)駕駛?cè)艘苍诓粩嘟邮苄碌牡缆芳碍h(huán)境信息，調(diào)整自身駕駛狀態(tài)以適應(yīng)新的交通環(huán)境，確保車輛的穩(wěn)定性和安全性。在這個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程中，駕駛?cè)说囊曈X(jué)通道、聽(tīng)覺(jué)通道、觸覺(jué)通道等多通道往往需要相互協(xié)調(diào)、共同作用于駕駛?cè)伺c車輛的交互過(guò)程。

1.2 顯示設(shè)備分析

通過(guò)對(duì)不同汽車品牌人機(jī)交互系統(tǒng)的分析，目前汽車中的顯示設(shè)備的設(shè)置大致有以下三個(gè)范圍：儀表盤(pán)、中控顯示屏、前擋風(fēng)玻璃（HUD）。他們各自具備不同的特性。

行駛過(guò)程中需要駕駛?cè)藭r(shí)刻注意的車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)（車速、轉(zhuǎn)速、燃油/電量、里程、溫度等）及監(jiān)控信息（故障提示）在主要在儀表盤(pán)上進(jìn)行顯示。越來(lái)越多的汽車品牌選擇將路況信息和實(shí)時(shí)導(dǎo)航整合到儀表盤(pán)中央接近主要視野的地方顯示，方便駕駛?cè)擞^察。

需要引起特別高的注意力的信息（例如車距警告、雷達(dá)報(bào)警、引路指示）借助抬頭顯示器（HUD）進(jìn)行顯示，HUD的圖像通過(guò)擋風(fēng)玻璃投射到駕駛?cè)说闹饕曇爸?，HUD的視覺(jué)系統(tǒng)可以在較大的觀測(cè)間隔中產(chǎn)生可視圖像，不會(huì)影響駕駛?cè)艘恢庇^測(cè)道路情況，不需要駕駛?cè)说哪抗馄x路面，可以有效保障行車安全。

需要通過(guò)進(jìn)行一定操作的交互信息（導(dǎo)航、電話等）、與主駕駛?cè)蝿?wù)無(wú)關(guān)的信息以及娛樂(lè)功能則被整合到中控顯示屏，通過(guò)多種交互方式（觸摸、手勢(shì)、語(yǔ)音等）進(jìn)行顯示。

1.3 操作方式分析

目前主流的操控方式主要包括物理操控、觸屏操控、語(yǔ)音操控、手勢(shì)操控四種方式。物理操控是通過(guò)實(shí)體的按鍵、旋鈕、撥片等實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制；觸屏操控是仿照手機(jī)觸控的模式，將中控顯示屏設(shè)置為可觸控的屏幕，用戶可以在屏幕上通過(guò)點(diǎn)、拉、拖等操作對(duì)車輛進(jìn)行設(shè)置；語(yǔ)音操控方式是在系統(tǒng)中搭載語(yǔ)言分析軟硬件設(shè)施，對(duì)駕駛?cè)说恼Z(yǔ)音指令進(jìn)行識(shí)別和操作；手勢(shì)操控為在系統(tǒng)中搭載感應(yīng)模塊，通過(guò)對(duì)駕駛?cè)颂囟ㄊ謩?shì)的分析，將其轉(zhuǎn)換為指令進(jìn)行操作。

2 人機(jī)交互研究進(jìn)展分析

2.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展分析

2010年，文獻(xiàn)[1]在研究中通過(guò)對(duì)語(yǔ)音交互與觸摸屏、手勢(shì)等交互方式的比較，分析出語(yǔ)音交互在汽車人機(jī)界面體驗(yàn)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，提出了在駕駛環(huán)境下創(chuàng)建以任務(wù)為導(dǎo)向的語(yǔ)音交互場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方法。

2012年，文獻(xiàn)[2]從人的因素、界面設(shè)計(jì)以及交互模式三個(gè)方面進(jìn)行分析，得出了汽車人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的要素，并針對(duì)多通道人機(jī)交互模式中的自然交互方式和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方式進(jìn)行了探討和實(shí)踐。文獻(xiàn)[3]總結(jié)了視覺(jué)信息顯示技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)視覺(jué)信息的組織方式進(jìn)行研究，提出了汽車人機(jī)交互界面的視覺(jué)信息顯示應(yīng)從內(nèi)容、識(shí)別、理解和體驗(yàn)四個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2015年，文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)已有 HUD產(chǎn)品的分析，提出了HUD 視覺(jué)交互界面的設(shè)計(jì)原則，并據(jù)此設(shè)計(jì)了新的HUD視覺(jué)交互界面原型，最后進(jìn)行了人因工效學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新的 HUD 視覺(jué)交互界面原型能夠有效地降低駕駛者的認(rèn)知負(fù)荷，緩解駕駛過(guò)程中的分心行為，從而有效提高駕駛安全性。

2017年，文獻(xiàn)[5]分析了無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車交互界面發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車界面特點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究，總結(jié)出無(wú)人駕駛場(chǎng)景對(duì)人機(jī)交互界面的功能需求，在此基礎(chǔ)上根據(jù)汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)出了無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車的中控觸摸屏及平視顯示系統(tǒng)的交互界面原型。

2018年，文獻(xiàn)[6]從美觀性、易用性和安全性三個(gè)角度分析得出HMI及其配套設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)律和相關(guān)準(zhǔn)則，考慮語(yǔ)境的以用戶體驗(yàn)為中心的理念設(shè)計(jì)出的人機(jī)交互界面交互邏輯框架能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛?cè)俗⒁饬Ω蓴_最小化、用戶學(xué)習(xí)成本最小化。文獻(xiàn)[7]分析了國(guó)內(nèi)外人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方向的學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀以及市場(chǎng)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀，以榮威汽車人機(jī)交互系統(tǒng)為研究對(duì)象，借用 Censydiam 模型預(yù)測(cè)了未來(lái)汽車 HMI 的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 國(guó)外研究進(jìn)展分析

2015年，文獻(xiàn)[8]研究了在平視顯示器（HUD）上實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)時(shí)的信息準(zhǔn)確度，通過(guò)研究駕駛環(huán)境下AR 導(dǎo)航信息的顯示效果和用戶接受度，得出在導(dǎo)航環(huán)境下AR容易分散駕駛?cè)说淖⒁饬?。在未?lái)應(yīng)用AR技術(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮到信息的顯示時(shí)機(jī)，對(duì) HUD 進(jìn)行優(yōu)化。

2016年，文獻(xiàn)[9]介紹了一個(gè)名為 LRA的項(xiàng)目的前兩個(gè)階段，其中涉及自動(dòng)駕駛汽車的人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)。文中使用認(rèn)知工作分析（CWA）來(lái)確定在特定駕駛階段（以車道變換為例）需要使用哪些信息。然后結(jié)合Lyons的模型，識(shí)別和分類駕駛?cè)耸褂玫男畔?，以使自?dòng)駕駛系統(tǒng)“透明化”，最后提出了兩種方法用于確定哪些信息在自動(dòng)駕駛模式下必須顯示給駕駛?cè)恕?/p>

2017年，文獻(xiàn)[10]的研究表明：在緊急情況下視覺(jué)提醒比聽(tīng)覺(jué)提醒更及時(shí)有效，并據(jù)此提出了在擋風(fēng)玻璃上安裝 LED發(fā)光單元，可以在緊急情況下通過(guò)燈光的閃爍來(lái)提醒駕駛?cè)俗⒁獍踩?/p>

2018年，文獻(xiàn)[11]研究如何通過(guò)人機(jī)交互（HMI）在用戶與自動(dòng)駕駛車輛系統(tǒng)之間建立適當(dāng)級(jí)別的信任，提出了一種將信任相關(guān)因素應(yīng)用到 HMI界面設(shè)計(jì)的指導(dǎo)框架。文獻(xiàn)[12]提出了車載人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則，并根據(jù)這些原則分析了一些汽車品牌當(dāng)前在用的HMI設(shè)計(jì)。作者認(rèn)為在許多方面目前的HMI設(shè)計(jì)都存在一定缺陷。最后，作者就如何在所提出原則的基礎(chǔ)上對(duì) HMI設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)提出了建議。文獻(xiàn)[13]提出了一種新的LED環(huán)境光的簡(jiǎn)潔HMI概念，在擋風(fēng)玻璃的底部安裝一排 LED燈光帶來(lái)傳遞有關(guān)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的狀態(tài)和意圖信息，當(dāng)檢測(cè)到潛在危險(xiǎn)或接收到警告信息時(shí)通過(guò)改變LED燈光的顏色，頻率，亮度來(lái)引起駕駛員注意，增強(qiáng)駕駛?cè)说那榫耙庾R(shí)。經(jīng)過(guò)對(duì)照試驗(yàn)，這種新的HMI表現(xiàn)出很高的認(rèn)可度，可以有效增加駕駛?cè)藢?duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的信任，同時(shí)避免過(guò)度信任。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，汽車的內(nèi)部空間、人機(jī)界面、操作方式和交互過(guò)程正在發(fā)生革命性的變化。智能駕駛是現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)，智能駕駛的交互方式也會(huì)是各行業(yè)研究智能駕駛的方向。從汽車人機(jī)交互界面的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，汽車人機(jī)交互方式多種多樣，越來(lái)越多的人機(jī)界面設(shè)計(jì)傾向于將視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感官通道進(jìn)行結(jié)合，安全性、擬人化逐漸成為汽車人機(jī)界面設(shè)計(jì)的重要考慮因素。