無人駕駛電動汽車人機交互界面設計探索

吳勘 胡鑫苑 門龍龍

（西安科技大學，陜西 西安 710054）

如何讓行人第一時間可以準確預知汽車接下來的行為，不管是人工駕駛還是無人駕駛，都是汽車行業急需解決的問題。現有的一些制造商和學者為了解決這個問題做了很多研究，并得到一些解決措施。馭勢科技“城市移動空間”車通過技術手段使散熱器格柵變成顯示屏，給即將過人行橫道的行人或其他可通行車輛顯示文字信息。百度-紅旗L4級自動駕駛乘用車，通過前置的投影裝置，將信息（動態斑馬線）投射在行人面前。瑞典Semcon公司，在散熱器格柵處將微笑采用擬人化設計方式呈現在車外人機界面的概念車原型[1]中，將擬人化設計用于汽車車外人機交互界面。此外，擬人化信息表達可以加深用戶對無人駕駛的信任感。Verberne等[2]研究表明，虛擬的代理駕駛員與乘客的外貌、行為、思考問題的方式越相似，用戶就會越信任這個虛擬代理駕駛員。Waytz等[3]在研究中，賦予一輛無人駕駛汽車名字、性別和聲音，然后，與沒有擬人化的無人駕駛進行比較，試驗結果顯示，受試者對具有擬人化特征的無人駕駛汽車更加信任。文章將擬人化交互設計方式應用在無人駕駛汽車人機界面設計中，以期為行人傳遞更為直觀、高效、安全的信息，提高行人對無人駕駛的信任度。

1 信息擬人化傳遞過程中的信任問題

無人駕駛作為一項新技術的產生，人們對它既陌生又好奇。牛東方等[4]發現，人類所獨有的、共性的自然傾向就是把存在于環境中的事物進行擬人化。所以，在無人駕駛環境中采用擬人化的信息表達方式，更利于乘客的識別和理解，而擬人化的表達方式對無人駕駛來說交互體驗感和安全舒適感都很強，從而使無人駕駛的可靠性有效提升。

可靠性既要使無人駕駛在技術上突破瓶頸滿足最基本安全性能，還要從用戶與無人駕駛在情感交互體驗方面提升可靠性。對于乘客而言，車內采用多通道信息表達的方式，使無人駕駛的信息傳遞更高效，同樣也給乘客提供了更多的信息去掌握無人駕駛的運行情況，乘客也能恢復對無人駕駛的掌控感。對于行人而言，無人駕駛通過擬人化的車外人機交互界面將駕駛信息傳遞給行人。其優點一在于通過擬人化設計使行人對無人駕駛迅速產生認知，快速準確理解其表達含義，進而達到提升對無人駕駛信任度的目的；優點二在于無人駕駛中擬人化設計能夠代表虛擬的人工駕駛員與行人進行信息交流，卻又區別于人工駕駛員，這樣能進一步激發行人對無人駕駛新技術交互體驗的樂趣，使得無人駕駛這項技術更容易被行人接受、信賴。

2 人機交互設計要點

未來，無人駕駛對于乘客而言，駕駛場景的體驗已不再重要，而在相對狹小的空間內，能夠進行舒適的休息、輕松的辦公、歡快的娛樂活動變得更為重要，因此信任度的建立很有必要。對于行人而言，關注點是如何與汽車進行良好的信息交流，增加信息識別的高效性。基于此問題，文章針對無人駕駛汽車，將通過車外人機交互界面的設計與行人進行信息交互；車內采用多通道信息表達方式提升乘客的信任度。

2.1 車外人機交互界面設計原則

無人駕駛車外人機交互界面的設計是汽車與道路中的行人建立交互的有效途徑。例如Deb等[5]研究了車外人機交互界面的設計對行人過馬路時的安全性和舒適性的影響。經過文獻[6-8]閱讀，總結出無人駕駛交互界面的設計要點，見表1。

表1 人機交互界面設計要點

2.1.1 界面設計的簡明性 簡單明確，就是考慮車外人機交互界面傳達信息的簡單明確性，給行人提供的信息，要在短時間內快速理解，并及時作出反饋。盡量避免過于復雜、模棱兩可的設計。

2.1.2 界面設計的熟悉性 在車外人機交互界面設計時，要求交互界面選用的色彩、圖形與行人日常生活中所熟悉的當前交通系統中所使用的一致，目的是為了提高界面設計樣式的熟悉度。信息傳遞形式要求是行人所普遍熟悉的信息傳遞形式，目的是為了做到界面設計的有效性，進而體現熟悉性。紅黃綠3種顏色構成國內交通系統信號燈的顏色，紅燈停、黃燈等、綠燈行。因此，在色彩設計上要與交通系統使用的色彩一致，避免給行人造成錯誤的認知，反而引發交通事故。此外，在圖形的選用上，也要選擇普遍性強且符合人們日常習慣的圖形，這樣才更容易被行人理解。

2.1.3 界面設計的一致性 一致性指在設計人機交互界面時，文本表達、色彩用料、圖形描繪方面的一致性，即文本和色彩、文本和圖形、圖形和色彩保持一致。例如文本和色彩的一致性，字體顏色和字所表達的含義要符合人們的日常交通行為認知習慣。在通過十字路口或者人行橫道時，顯示牌上出現紅色“禁止通行”字樣，交通燈顯示紅色，表示停止行人及其他交通參與者通行，而顯示綠色“請通行”字樣，交通燈顯示綠色，表示行人及其他交通參與者可通行。有研究已證實，在色彩用料和文本表達的含義不一致時，會造成行人理解的偏差，給行人帶來一定的困擾，甚至引發交通事故。

2.1.4 界面設計的互動舒適性 圖本搭配，看起來是一個最安全的界面。圖形和文本結合，不但能夠保證信息傳遞的有效性，讓行人更容易理解，而且還能給行人帶來舒適感，必要時添加投影動效、音效等方式，更加增強其體驗感，為行人營造一種高安全性和舒適性的交互環境。

2.2 車內人機交互信任度的建立

在人工駕駛中，信息的實時溝通是乘客捕獲所需信息的主要方式，這部分內容正是無人駕駛所沒有的。無人駕駛環境中，乘客極易產生無助的孤獨感，原因是乘客無法與車子進行信息的實時溝通，所以要建立對車子的信任度就很困難。

無人駕駛的信任度是車內人機交互主要的關注點。信任度是決定人們是否樂于接受和信賴無人駕駛汽車的關鍵因素[9]。人們的不信任直接降低了大眾對于無人駕駛汽車的接受度[10]，究其原因人工駕駛員變相地被機器所替代導致的人機交流障礙，是影響用戶對無人駕駛系統不夠信任的重要原因之一[11]。因此，探究駕駛信息高效傳遞的方式對解決用戶與無人駕駛之間的交流障礙（圖1），提升交互界面的有效性，提高用戶對無人駕駛的信任度意義重大。

圖1 建立信任的兩大阻礙

2.2.1 信息障礙一 無人駕駛時，系統與用戶直接進行信息交換，系統雖能對駕駛狀況進行高效處理，采取相應措施，但在信息表達和反饋方面遠無法像人工駕駛員一樣自然流暢。人類在表達信息時，合理地將不同通道組合表達各類信息。由此看來，無人駕駛技術無法通過多通道組合進行信息表達，很難給用戶建立信任感。

2.2.2 信息障礙二 用戶和系統之間無法建立良好的協調機制，比如用戶無法知曉系統目前的處理狀態，系統也無法知曉用戶對信息的了解程度，這正是無人駕駛最大的問題，導致所傳遞的信息以錯誤的強度被表達出來，造成信息傳遞的有效性低下。系統容易誤用過強或過弱的信息強度來表達信息，從而造成理解偏差。人工駕駛員會實時對各種駕駛情景自然地表達出相應強度的信息以及自然流暢的反饋。因此，雖然無人駕駛發生的事故遠低于人工駕駛中由于人為因素造成的事故，但用戶還是會選擇更加信任無障礙的、即時溝通的人工駕駛。

人類的感覺通道不會被獨立地使用，各種感覺通道會被集成為統一的知覺[12]，即多通道感知。多通道信息傳播面廣，更容易被理解，信息同時通過不同的通道被接受，能提高信息的強度、被識別和理解的效率。由此可見，合理地進行通道組合相當重要。牛東方等[13]將無人駕駛情景細分為三類（圖2），文章選擇第一種，可預設駕駛情景，通過預設一定變量達到理想的駕駛狀態，即用戶對車輛駕駛條件的預設，如目的地、路線、速度等，用戶可以提前得知車輛自身即將發生的動作；第二種安全不可駕駛情景，即駕駛狀況是無法通過變量預設來完成的。作為研究對象，第三種駕駛情景更為復雜，不安全因素較多，無人駕駛系統無法有效地解決突發狀況，容易發生交通事故。

圖2 駕駛情景分類及不同情景所表達強度

3 實驗驗證

3.1 車外人機交互界面設計

人機界面的色彩設計，例如Zhang等[14]發現，駕駛員傾向于將綠色與正在行駛中、紅色與減速或停止的無人駕駛車輛聯系起來。還包括文本、圖形、擬人、動效、聲音等方面的研究。Fridman等[15]發現，簡單的文本和圖形在傳達信息方面更加直觀。黎蘭平等[16]的研究將通過投影和顯示屏將斑馬線投射到道路表面，傳達的信息簡單明確，意圖明顯，目的性強。

首先對界面設計要點前三點歸納為“文本+圖形”，要點四為“文本+圖形+動效（投影）”。在交互界面設計上充分體現設計要點，文本簡單、圖形顏色和形態與交通系統使用一致。在試驗中將8個車外人機交互界面設計方案展示給受試者（圖3），包括兩種顏色（紅色、綠色）設計和4種信息表達方式（文本、圖形、文本+圖形、文本+圖形+動效投影），通過顯示屏顯示在汽車前散熱器格柵上及前置的投影裝置。

圖3 擬人化汽車車外人機交互界面設計

3.2 車外人機交互界面設計試驗評估

3.2.1 受試、試驗環境與設備

受試者：20名男性，20名女性，平均年齡為25歲，且具有正常或矯正的視力，能夠以正常的速度和步態行走，其他生理特征無任何異常[5]。

試驗環境：室內實驗室進行。

試驗設備：14寸聯想ThinkPad筆記本一臺，屏幕亮度調至最大值，便于瀏覽視頻和圖片；一臺型號為AJ-UPX360MC攝像機，用于試驗中的攝像記錄；一支型號為AigoR6635錄音筆，用于試驗中的聲音記錄。VR眼鏡一副，用于模擬盡量接近真實的駕駛情景。

3.2.2 試驗評估及要求

（1）試驗評估

采用李克特五點量表計分法。5分為非常安全，4分為安全，3分為一般，2分為不安全，1分為十分不安全[17]。試驗過程中，依據語料分析法[18]分析受試者給出8個界面設計的主觀評分原因及界面設計方面存在問題的建議與期望，然后對交互界面進行優化。

（2）試驗要求

試驗前將8張汽車圖像（已完成車外交互界面的概念設計視頻截圖）停在人行橫道前面，展現給每位受試者，并告知在試驗中，每位受試者都需要在腦海中想象自己即將通過既無斑馬線也無紅綠燈的人行橫道，然后受試者戴上VR眼鏡，觀看8個交互界面概念設計的視頻，根據視頻中車外人機交互界面傳遞出來的信息，自己作出相應判斷，是否此時通過該人行橫道是最為安全的。此外，受試者不但需要對車外交互界面設計方案給出評分值及主觀評分的原因，還要給出車外人機交互界面設計方面需要改進的建議，同時做好記錄工作。為了增加試驗的隨機性，汽車圖像將會以打亂順序形式呈現給受試者。為了保證試驗結果的準確性，需對受試者的整個試驗過程進行錄像、錄音，用于后續試驗結果的分析材料。

3.2.3 試驗結果分析 當把綠色設計為車外交互界面的顏色時（設計為紅色時，結果類似），在給受試者呈現的4個車外人機交互界面概念設計中，文本樣式“綠色請通行”與“行人+綠燈+音效（五琴線譜）+動效投影（卡通小人）”圖形、動效樣式相結合設計的交互界面，受眾面最廣，傳達的信息清晰易懂、簡單明確，舒適安全，在車外人機交互界面概念設計獲得平均分最高，受試者對8個界面的主觀評分見圖4。受試者主觀評價語料詮釋的歸納總結見表2。

表2 主觀評價語料詮釋總結

圖4 受試者對8個界面的主觀評分

分析以上結果可知：駕駛信息通過簡單的擬人形象形式（擬人化圖像或圖標、卡通人物）表達更加高效、準確，音效和動效更是增添了擬人化的效果，增加了車與行人的互動舒適性。色彩表達的含義與交通系統中的含義一致，體現出設計的一致性。圖形和文本的結合簡單明確，較為直觀，具有很高的熟悉度，行人易理解。在車外人機交互界面的設計中信息以文本的形式傳遞給行人更加有效和準確，僅有圖形的車外人機交互界面設計表達信息的含義不明確，行人會產生一定的理解偏差。

3.3 視聽觸多通道試驗

3.3.1 試驗設計 采用VR虛擬技術，受試者需要戴上VR眼鏡觀看視頻，目的是模擬的場景更接近實際生活。試驗中視頻A可預設駕駛場景，視頻B增加突發因素（前車突然變道）遇障緊急剎車下安全不可預設駕駛情景。針對兩種駕駛情景提供3種信息表達，即信息表達1（視覺通道信息）、信息表達2（視聽通道信息）和信息表達3（視聽觸多通道信息）。其中，以圖形和符號表現視覺通道，以電子語音表現聽覺通道，以施加壓力表現觸感通道。試驗視頻截圖見圖5。B1（安全不可預設+視覺通道）、B2（安全不可預設+視聽通道）、B3（安全不可預設+視聽觸通道），A1（可預設+視覺通道）、A2（可預設+視聽通道）、A3（可預設+視聽觸通道）。

圖5 試驗視頻部分截圖

試驗組合分為7組：A1+A2、B1+B2、A1+B1、A2+B2、A2+A3、B2+B3、A3+B3，測試為3組：A2+A3、B2+B3、A3+B3見表3。其中，A1+A2、B1+B2、A2+B2、A1+B1在文獻[13]中已驗證，A1+A2和B1+B2驗證了在可預設和安全不可預設兩種情況下，視聽雙通道比視覺單通道信息表達能獲得更多的用戶信任；A1+B1驗證了在可預設和安全不可預設駕駛情景下，視覺單通道對用戶的信任影響沒有明顯差別。A2+B2在可預設與安全不可預設兩種情景下，視聽雙通道信息表達對用戶信任產生了明顯的差異性影響。根據表3設定進行試驗，受試者在安靜的環境下觀看視頻A2后的感覺為基準值，再觀看視頻A3，進行對比后回答問卷。然后，讓受試者進行第2組試驗，分別觀看B2和B3視頻，按照試驗1的對比原則來回答問卷。第3組同試驗1、2。試驗1、2目的是為了驗證在同一駕駛情景下，多通道和雙通道信息表達相比是否會使乘客的信任度產生差異。試驗3的目的為了驗證混合多通道信息表達在不同駕駛情景下是否會使乘客的信任度產生差異。

表3 試驗設計方案

3.3.2 數據處理 試驗結果的評估方法采用調查問卷法。選取已被驗證的信任度量表[19]，來設置問卷問題，共設8道題，每道題都將受試者對觸感通道傳遞信息的感受分別對應-3~3七個劃分等級，T為觸感通道在試驗過程中作用評分值，T的范圍是-3≤T≤3；T=0，觸感無效；T>0，觸感起輔助作用；T<0，觸感通道傳遞的信息干擾到自己。問卷的結果可以體現出受試者對于一組試驗中不同變量對信任度的差別。為了保證試驗問卷結果的有效性，篩選試驗問卷，問卷得分出現全部一致，或者試驗操作不當而完成問卷等，視為無效問卷。

3.3.3 試驗結果 試驗的受試者為40人，年齡范圍25~55歲，身體健康，無任何異常。回收到的問卷40份。利用SPSS進行數據統計分析，得出每組試驗數據的得分區域和臨界P值；P≤5%差異顯著，P≥10%無顯著差異，驗證是否普遍的得分域是在0

圖6 觸感信息得分區域

經過試驗數據分析，可得到如下結果：

（1）試驗1中對比視頻A2、A3，將問卷每題得分均值與0作比較，獲得P1=0.008≤5%。可得出，在可預設駕駛情景中，用戶不需要強烈的信息表達，因此觸感通道很難得到用戶的信任，甚至產生反感；相反視聽通道中聽感通道可以起到輔助信息表達，向人傳遞系統自身的處理狀態信息的作用，能獲得更多的用戶信任。因此，在可預設的情景下，視聽通道組合傳遞信息是最適合的多通道組合方式。

（2）試驗2中對比視頻B2、B3，將問卷每題得分均值與0作比較，獲得P4=0.005≤5%。由此得出，在安全不可預設駕駛情景下，視聽觸多通道和只有視聽通道在信息表達上對用戶信任產生了明顯的差異性影響。相比之下，在安全不可預設情景中用戶對視聽觸多通道的信息表達更為信任。因為不可預設的駕駛情境，就是指計劃外事件給用戶造成擔憂、不安全的感覺，但更接近于實際狀況，用戶對偶發信息的需求較高，所以就需要一定強度的信息傳遞，而觸感的信息傳遞強度最高。比如在該駕駛情景中有人會選擇睡覺，當緊急突發事件發生，需要靠觸感通道及時叫醒用戶，迅速配合視感和聽感通道來感知當前發生的情況，汽車就會發出請求，讓用戶來接管駕駛權。如果在一定的時間內用戶沒有接管駕駛權，汽車就會緊急制動來避免危險的發生。

（3）試驗3中對比視頻A3、B3，將問卷每題得分均值與0作比較，獲得P3=0.004≤5%。由此得出，視聽觸多通道信息表達在可預設和安全不可預設駕駛情景下，對用戶信任產生了明顯的差異。對比之下，在可預設駕駛情景中，視聽通道對用戶產生更多的信任；不可預設駕駛情景中，視聽觸多通道對用戶產生更多的信任。

上述試驗結果表明：在可預設、安全不可預設駕駛情景下，視聽和視聽觸多通道信息傳遞對無人駕駛信任度產生積極影響。可預設情景下更傾向于視聽通道的組合，而不可預設情景下傾向于視聽觸多通道的組合。尤其在更為復雜的駕駛情景下，視聽觸多通道信息傳遞對信任度提升有更顯著的效果，試驗結果符合預期假設。原因是在復雜不可預設的駕駛情境中，遇到突發情況時，系統需要驚醒用戶讓用戶主動來接管駕駛權，此時需要很強的信息強度來激發人體自我保護的本能，讓用戶有緊急避險的心理準備。這種情況下，視感和聽感通道都可能因為意識暫停而失去作用，原因是兩者都需要先被理解才能發揮作用，而觸感通道是傳遞信息最簡單直接、最強烈地發揮作用。在不安全不可預設的情景中，需要組合觸感、聽感和視感變得更為必要，目的是通過觸感通道告知危險的發生，通過聲音和圖像傳遞人應該采取的避險方案，如用戶主動接管駕駛。為此，視聽觸多通道的設計將為無人駕駛在不安全不可預設的駕駛情境中行駛提供理論指導。

4 結語

無人駕駛技術主要涉及車外的人機界面交互設計和車內對用戶信任度的建立。對于車外交互界面設計當下還未形成統一的標準。文章通過搜集前人的設計要素進行簡單的總結歸納，然后進行車外交互界面的設計實驗來驗證其設計的合理性。試驗結果與預期的目的基本吻合。通過在不同駕駛情景下，車內多通道信息的表達強度對用戶信任度的產生具有明顯的差異性，不同駕駛情景需匹配相適應的多通道組合來進行信息表達。視聽觸多通道試驗結果表明，針對具體的，特別是在復雜的駕駛情景中，運用視聽觸多通道組合恰當地表達出合理的信息強度，對提升無人駕駛信任度有積極顯著影響。