智能網聯汽車人機交互界面分析

劉雪，石天聰，余政濤

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著計算機技術的飛速發展，汽車現在早已不再被當作是簡單的代步工具，不斷有人研發新的控制技術并應用到車輛上，使車輛變得越來越智能化。智能化主動安全系統其實是一個非常復雜的閉環系統，駕駛人是其中非常重要的一環。安全系統需要實時向駕駛人提供信息，同時駕駛人也需要根據這些信息做出相應的反應，在這個過程中系統與駕駛人之間始終存在著信息的交互。而駕駛人與系統之間所有的信息交互都需要一個媒介，這就是HMI（Human-Machine Interac-tion 人機交互界面）。HMI是人機交流的橋梁，通過它可以讓駕駛人與車輛之間實現更有效的溝通。對駕駛人而言，他們對汽車運行狀態信息的了解以及駕駛過程中所進行的操作大多都是通過人機界面實現的。良好的人機交互界面能夠在使用過程中為駕駛人提供準確明了的信息，方便駕駛人操作，給駕駛人帶來良好的駕駛體驗感，提高駕駛人駕駛的安全性。

1 人機交互方式分析

1.1 交互通道分析

在道路上行駛的車輛、車內的駕駛人、道路環境共同構成了典型的人機環境系統。在車輛行駛時，駕駛行為是信息感知、判斷決策和操作所組成的一個不斷往復進行的信息處理過程，感知作用于判斷后決策后影響到操作。駕駛人與車輛的交互方式主要表現為：道路上來往車輛、行人、交通標志及車輛自身運行工況等信息，通過駕駛人的視覺、聽覺和觸覺等感官通道傳入駕駛人的大腦，駕駛人根據其駕駛經驗加工處理后，作出相應的判斷和決策，之后再通過手腳等運動器官發出操作指令，從而改變車輛的運動狀態。而車輛的行駛軌跡、振動、速度等的狀態變化再通過上述感官通道反饋給駕駛人，同時駕駛人也在不斷接受新的道路及環境信息，調整自身駕駛狀態以適應新的交通環境，確保車輛的穩定性和安全性。在這個不斷循環的過程中，駕駛人的視覺通道、聽覺通道、觸覺通道等多通道往往需要相互協調、共同作用于駕駛人與車輛的交互過程。

1.2 顯示設備分析

通過對不同汽車品牌人機交互系統的分析，目前汽車中的顯示設備的設置大致有以下三個范圍：儀表盤、中控顯示屏、前擋風玻璃（HUD）。他們各自具備不同的特性。

行駛過程中需要駕駛人時刻注意的車輛動態參數（車速、轉速、燃油/電量、里程、溫度等）及監控信息（故障提示）在主要在儀表盤上進行顯示。越來越多的汽車品牌選擇將路況信息和實時導航整合到儀表盤中央接近主要視野的地方顯示，方便駕駛人觀察。

需要引起特別高的注意力的信息（例如車距警告、雷達報警、引路指示）借助抬頭顯示器（HUD）進行顯示，HUD的圖像通過擋風玻璃投射到駕駛人的主要視野中，HUD的視覺系統可以在較大的觀測間隔中產生可視圖像，不會影響駕駛人一直觀測道路情況，不需要駕駛人的目光偏離路面，可以有效保障行車安全。

需要通過進行一定操作的交互信息（導航、電話等）、與主駕駛任務無關的信息以及娛樂功能則被整合到中控顯示屏，通過多種交互方式（觸摸、手勢、語音等）進行顯示。

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、語音操控、手勢操控四種方式。物理操控是通過實體的按鍵、旋鈕、撥片等實現對車輛的控制；觸屏操控是仿照手機觸控的模式，將中控顯示屏設置為可觸控的屏幕，用戶可以在屏幕上通過點、拉、拖等操作對車輛進行設置；語音操控方式是在系統中搭載語言分析軟硬件設施，對駕駛人的語音指令進行識別和操作；手勢操控為在系統中搭載感應模塊，通過對駕駛人特定手勢的分析，將其轉換為指令進行操作。

2 人機交互研究進展分析

2.1 國內研究進展分析

2010年，文獻[1]在研究中通過對語音交互與觸摸屏、手勢等交互方式的比較，分析出語音交互在汽車人機界面體驗設計中的優勢，提出了在駕駛環境下創建以任務為導向的語音交互場景的設計方法。

2012年，文獻[2]從人的因素、界面設計以及交互模式三個方面進行分析，得出了汽車人機交互界面設計的要素，并針對多通道人機交互模式中的自然交互方式和增強現實方式進行了探討和實踐。文獻[3]總結了視覺信息顯示技術的發展，通過對視覺信息的組織方式進行研究，提出了汽車人機交互界面的視覺信息顯示應從內容、識別、理解和體驗四個層面進行設計。

2015年，文獻[4]通過對已有 HUD產品的分析，提出了HUD 視覺交互界面的設計原則，并據此設計了新的HUD視覺交互界面原型，最后進行了人因工效學實驗，實驗結果表明：新的 HUD 視覺交互界面原型能夠有效地降低駕駛者的認知負荷，緩解駕駛過程中的分心行為，從而有效提高駕駛安全性。

2017年，文獻[5]分析了無人駕駛電動汽車交互界面發展現狀，對無人駕駛電動汽車界面特點進行了深入的研究，總結出無人駕駛場景對人機交互界面的功能需求，在此基礎上根據汽車人機交互設計理論設計出了無人駕駛電動汽車的中控觸摸屏及平視顯示系統的交互界面原型。

2018年，文獻[6]從美觀性、易用性和安全性三個角度分析得出HMI及其配套設備的設計規律和相關準則，考慮語境的以用戶體驗為中心的理念設計出的人機交互界面交互邏輯框架能夠實現駕駛人注意力干擾最小化、用戶學習成本最小化。文獻[7]分析了國內外人機交互界面設計方向的學術研究現狀以及市場上的設計應用現狀，以榮威汽車人機交互系統為研究對象，借用 Censydiam 模型預測了未來汽車 HMI 的技術發展趨勢。

2.2 國外研究進展分析

2015年，文獻[8]研究了在平視顯示器（HUD）上實現增強現實(AR)時的信息準確度，通過研究駕駛環境下AR 導航信息的顯示效果和用戶接受度，得出在導航環境下AR容易分散駕駛人的注意力。在未來應用AR技術時，應該考慮到信息的顯示時機，對 HUD 進行優化。

2016年，文獻[9]介紹了一個名為 LRA的項目的前兩個階段，其中涉及自動駕駛汽車的人機界面（HMI）設計。文中使用認知工作分析（CWA）來確定在特定駕駛階段（以車道變換為例）需要使用哪些信息。然后結合Lyons的模型，識別和分類駕駛人使用的信息，以使自動駕駛系統“透明化”，最后提出了兩種方法用于確定哪些信息在自動駕駛模式下必須顯示給駕駛人。

2017年，文獻[10]的研究表明：在緊急情況下視覺提醒比聽覺提醒更及時有效，并據此提出了在擋風玻璃上安裝 LED發光單元，可以在緊急情況下通過燈光的閃爍來提醒駕駛人注意安全。

2018年，文獻[11]研究如何通過人機交互（HMI）在用戶與自動駕駛車輛系統之間建立適當級別的信任，提出了一種將信任相關因素應用到 HMI界面設計的指導框架。文獻[12]提出了車載人機界面的設計原則，并根據這些原則分析了一些汽車品牌當前在用的HMI設計。作者認為在許多方面目前的HMI設計都存在一定缺陷。最后，作者就如何在所提出原則的基礎上對 HMI設計進行改進提出了建議。文獻[13]提出了一種新的LED環境光的簡潔HMI概念，在擋風玻璃的底部安裝一排 LED燈光帶來傳遞有關自動駕駛系統的狀態和意圖信息，當檢測到潛在危險或接收到警告信息時通過改變LED燈光的顏色，頻率，亮度來引起駕駛員注意，增強駕駛人的情景意識。經過對照試驗，這種新的HMI表現出很高的認可度，可以有效增加駕駛人對自動駕駛系統的信任，同時避免過度信任。

3 結語

隨著互聯網、大數據和人工智能等先進技術在交通運輸領域的應用與發展，汽車的內部空間、人機界面、操作方式和交互過程正在發生革命性的變化。智能駕駛是現今研究的熱點，智能駕駛的交互方式也會是各行業研究智能駕駛的方向。從汽車人機交互界面的發展現狀來看，汽車人機交互方式多種多樣，越來越多的人機界面設計傾向于將視覺、聽覺、觸覺等多感官通道進行結合，安全性、擬人化逐漸成為汽車人機界面設計的重要考慮因素。