基于多模態的汽車疲勞預警人機交互設計研究

摘要：疲勞駕駛是出現駕駛安全問題的主因之一。當前，汽車駕駛環境越來越復雜，但傳統的汽車疲勞駕駛預警系統模式單一，傳遞效率低，已經無法適應日益復雜的環境。為了降低和規避疲勞駕駛風險，保證駕駛員及乘客的安全，應采用合理的多模態交互方式。文章探討基于多模態的汽車疲勞預警人機交互設計問題，介紹多模態交互的定義及其應用于汽車人機交互上的優勢，闡述汽車疲勞預警產品分類和疲勞駕駛檢測方式，重點研究汽車疲勞預警的多模態交互設計，包括疲勞預警人機交互多模態分析及多模態輸入與交互反饋，基于此提出多模態交互疲勞預警反饋的設計原則，探討汽車疲勞預警人機交互未來發展方向和改進措施，旨在提供一種基于多模態的汽車疲勞預警人機交互設計方法，改善駕駛員體驗，保障出行安全，為未來汽車疲勞預警人機交互設計研究提供參考。

關鍵詞：多模態；疲勞駕駛；疲勞預警；人機交互

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）06-0-03

1 多模態交互

1.1 多模態汽車人機交互

多模態汽車人機交互是指在駕駛員和汽車控制系統之間使用多種感官模態交互方式，讓駕駛員以更直觀和自然的方式與車輛互動，創造更安全和更智能的駕駛體驗。近年來，多模態汽車人機交互逐漸受到人們的重視，智能座艙多模態交互已成為各大國內外汽車廠商的重點規劃產品。德國科學家赫爾姆霍茨提出了一種生物學概念——“模態”，即生物憑借感知器官與經驗來接收信息的通道，因此又稱作“感官”，圍繞視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等模態，融合形成多模態交互方式，利用計算機多通道響應輸入，充分模擬人與人之間的自然交互方式。其中，多模態人機交互主要分為多模態信息輸入、多模態數據處理、多模態交互反饋三個模塊，然后借助多模態信息融合與理解模塊，形成感覺和認知，根據用戶信息反饋，構建出多模態的自然人機交互系統［1］。

1.2 多模態交互應用于汽車人機交互上的優勢

多模態交互是汽車人機交互未來發展的主要趨勢之一，具有保障駕駛安全、改善車內用戶體驗、提高交互效率等優勢，能夠有效傳遞信息。

第一，多模態交互可以保障駕駛安全。多模態交互可以減少對駕駛的干擾，提高駕駛員專注度。例如，駕駛員可以使用語音命令調節車內溫度，無須手動操作開關。

第二，多模態交互可以改善車內用戶體驗。使用多種模態交互之間的排列組合，可以根據不同車內場景，讓人更自然地與車內系統交互。例如，通過觸摸屏幕和振動反饋相結合的方式提示駕駛員，使得交互界面操作更具導向性。

第三，多模態交互可以提高交互效率。多模態交互可以減少駕駛員與車內系統交互所需時間，減少干擾，提高工作效率。例如，駕駛員可以將語音和手勢相結合，快速設置導航目的地，無須在菜單中尋找選項。

由此可見，將多模態交互應用到汽車疲勞預警產品的人機交互設計中，可以滿足用戶的多樣化需求。其通過圖像、聲音、燈光及振動等方式提醒駕駛員不要疲勞駕駛，以免發生交通事故［2］。

2 汽車疲勞預警產品

2.1 汽車疲勞預警產品分類

汽車疲勞駕駛預警系統是高級駕駛輔助系統（ADAS）的一部分，通過收集分析汽車和駕駛員數據，如車輛運行狀態、駕駛行為、環境因素等，判斷疲勞狀態，及時發出預警，阻止疲勞駕駛的發生。鑒于疲勞駕駛的巨大危害，汽車疲勞預警產品不可或缺。根據其工作原理和應用范圍的不同，目前國內外汽車疲勞預警產品主要分為以下五類：耳掛式、手表式、眼鏡式、方向盤觸摸式及圖像識別式。

耳掛式疲勞預警產品是通過佩戴在耳朵上的頭部姿態傳感器來判斷駕駛員的頭部偏移狀態，當駕駛員頻繁低頭時，通過語音或振動提醒駕駛員。這類產品小巧便攜，但存在佩戴位置不合適，可能會影響傳感器感知等問題。

手表式疲勞預警產品是將傳感器等硬件模塊集成在手表中，通過測量駕駛員的生理指標來判斷疲勞程度，如心率、血壓、脈搏、皮膚電阻等，可及時發出振動警告。這類產品具有便攜性，但測量準確度可能不如其他類型的產品。

眼鏡式疲勞預警產品是將傳感器和處理器等硬件模塊集成在眼鏡中，通過監測駕駛員眼睛活動和瞳孔大小等指標來評估疲勞程度，通過聲音或振動提醒。這類產品集成度高，但對眼動狀態的監測可能受駕駛環境影響。

方向盤觸摸式疲勞預警產品通過方向盤傳感器監測手部運動狀態和方向盤轉向角度判斷駕駛員疲勞程度，通過發出振動提醒駕駛員休息。這類產品使用方便，但需要專業設計和制造，適用性會受車型和駕駛員習慣等因素的限制。

圖像識別式疲勞預警產品是通過在車輛內部設置攝像頭等設備，實時監測駕駛員的面部表情、眼睛狀態等，利用語音或燈光提醒駕駛員休息或停車。這類產品監測準確度相對較高，但需要較高水平的技術支持，同時涉及隱私問題，需要加強安全保障。

由此可見，以上五類疲勞駕駛預警硬件產品都具有提醒駕駛員的功能，防止疲勞駕駛引發安全事故。但這些產品還存在一些問題，如人機交互反饋模式單一，在設計層面要改進人機交互反饋的流程，以提升用戶滿意度。

2.2 汽車疲勞駕駛檢測方式

國內外常見的汽車疲勞駕駛檢測方式主要包括生理指標檢測、車輛行駛狀態檢測、駕駛員行為檢測和多模態信息融合檢測四種方式［3］。生理指標檢測方式通過檢測駕駛員的生理指標來判斷駕駛員是否疲勞。常見的生理指標包括眼睛運動、心率、腦電波、皮膚電阻等。車輛行駛狀態檢測方式通過檢測車輛行駛狀態來判斷駕駛員是否疲勞。主要關注車輛速度、行駛加速度、油門和制動踏板、方向盤轉向操作等。駕駛員行為檢測方式通過分析駕駛員的行為來判斷駕駛員是否疲勞。常見的駕駛員疲勞評判對象包括頭部、手部及身體姿態等。多模態信息融合檢測方式是指融合處理多種傳感器采集到的不同類型的數據，通過不同模態的信息互補，更全面地評估駕駛員的疲勞程度。

可見，目前市場上大多數汽車疲勞預警產品的疲勞檢測方式較為單一，在反饋方式上存在預警信息有效傳遞不穩定的問題。前三種疲勞檢測方式可以單獨使用，而多模態信息融合檢測方式是將以上多種方式進行信息融合，以提高疲勞駕駛檢測的準確度。多模態交互信號結合預警，能有效提醒處于疲勞狀態的駕駛員，改善駕駛員的體驗，保障其安全。

3 多模態汽車疲勞預警人機交互設計

3.1 疲勞預警人機交互多模態分析

要根據用戶生理和行為特征，建立合適的疲勞評估模型，以便更好地識別用戶的疲勞程度。系統在識別出駕駛員的疲勞狀態后，會對駕駛員的疲勞狀態進行分級，從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺模態對不同疲勞等級狀態進行交互反饋，及時向駕駛員發出預警。

3.1.1 視覺模態

視覺模態是最常見的交互模態之一。在疲勞預警中，視覺模態可以通過車內攝像頭等設備監測駕駛員的疲勞狀態，通過車內儀表盤或中控屏等來提供更全面的安全駕駛信息，如車速、導航路線、駕駛員健康狀態等信息。汽車疲勞預警產品還可以改變環境燈光的顏色或閃爍頻率，從而實現疲勞視覺預警。

3.1.2 聽覺模態

聽覺模態在疲勞預警中也有著重要的作用。駕駛員通過語音操作指令控制車內設備，可與語音助手交流互動，獲取車速、導航等行車信息，了解車輛行駛情況。聽覺模態可以通過語音助手發出提醒，如“請注意休息”，引導駕駛員在路邊停車休息，或是利用快節奏音樂來喚醒駕駛員。

3.1.3 觸覺模態

觸覺模態是一種更直接高效的交互模態，通過為人體提供觸覺反饋來傳遞信息。通?？梢栽诜较虮P和安全帶上安裝振動傳感器，利用車內振動傳感器向駕駛員傳遞振動信號，也可通過座椅傳感器來監測身體姿勢和肢體運動情況，從而提醒駕駛員休息或調整姿勢，避免長時間保持同一姿勢造成疲勞。

3.1.4 嗅覺模態

嗅覺模態較少被應用到汽車疲勞預警人機交互中，但也有一定的潛力。例如，可以在車內安裝一些氣體傳感器，監測駕駛員所處環境的空氣質量及溫度等，調節車內溫度。當駕駛員疲勞時，嗅覺模態可以從通風口散發香味進行疲勞喚醒，從而提高駕駛舒適度，減少疲勞駕駛風險［4］。

3.2 多模態輸入與交互反饋

駕駛員身體狀態信息是多模態輸入的關鍵，這包括生理和行為數據，如心率、呼吸頻率、眨眼次數、身體姿勢等，可以通過客觀的疲勞檢測技術獲取這些數據。此外，還可以通過問卷調查等方式獲取用戶主觀疲勞感受相關數據。

駕駛員對疲勞狀態的響應可以分為兩種情況：一是駕駛員意識到自己疲勞了，并采取相應措施緩解疲勞，如停車休息、調整姿勢等；二是駕駛員未意識到自己疲勞，或者意識到但未采取相應措施，此時疲勞預警機制需要進一步發揮作用。應針對駕駛員不同疲勞狀態進行分級提醒，可以將其分為三個等級：輕度疲勞、中度疲勞、重度疲勞。不同等級的疲勞狀態需要采取不同的預警機制和強度［5］。因此，利用多模態組合交互方式反饋，可根據“視覺+聽覺”“視覺+聽覺+觸覺”“視覺+聽覺+觸覺+嗅覺”進行疲勞分級預警。

設計多模態交互疲勞預警反饋方式時，需要遵循以下原則。

第一，以用戶為中心原則。人是人機交互設計的關鍵，要以用戶需求、特征、場景為出發點，考慮駕駛員年齡、性別、個人偏好等因素，盡可能減少用戶負擔與疲勞感。根據用戶反饋合理調整，不斷改進疲勞預警機制，以提高預警準確度。

第二，安全性原則。設計汽車疲勞預警系統的初衷在于保障駕駛安全，因此必須考慮安全因素。一是避免分散駕駛注意力，如頻繁地提示；二是確保系統的準確性和可靠性，應選擇合適的疲勞檢測技術，并充分測試和驗證。

第三，及時性原則。在用戶輸入或操作后，應給予明確的反饋，讓用戶知道系統當前狀態和結果。疲勞預警機制需要盡可能準確判斷用戶的身體狀態，同時也需要具備實時性，通過多模態提醒方式，及時告知疲勞信息，實現有效提醒。

第四，易用性原則。簡化人機交互流程，減少用戶認知負擔和操作成本，提高交互效率和準確度。一是操作簡單，汽車疲勞預警界面應簡單易懂，避免指令或操作復雜的問題；二是易于記憶，操作過程中減少重復學習，避免操作煩瑣和易錯。

第五，個性化原則。每個用戶的需求和行為習慣千差萬別，疲勞預警機制需要具有靈活性。根據用戶偏好，提供聲音、振動、彈出窗口等選項來自定義疲勞預警方式，根據需要開啟或關閉功能，以合適的方式提醒用戶注意自身狀態。

4 未來發展方向及改進措施

未來，汽車疲勞預警人機交互可以更加人性化、個性化和智能化，結合多模態交互，為駕駛員提供更加全面和舒適的駕駛體驗。首先，汽車疲勞預警產品會更加注重人機交互的舒適性和自然性，將不再是單一視覺或聽覺提示，而是集成多感官通道。其次，多模態交互將使疲勞預警功能變得更加個性化。通過收集和分析駕駛員的駕駛習慣、生理及心理狀態等信息，在駕駛過程中實時動態調整，以適應不同駕駛員的需求。最后，多模態交互將推動汽車疲勞預警產品智能化升級。借助大數據和人工智能技術，結合語音助手獲取交通路況、健康狀態及調節空調等，使疲勞預警功能更加智能化。

5 結語

本文針對汽車疲勞預警的人機交互設計展開分析，通過分析多模態交互，總結多模態交互疲勞預警反饋設計原則，有助于改善駕駛體驗。未來可以結合不同的交互模式，增強疲勞預警的有效性，相信多模態交互在汽車疲勞預警中的應用會越來越普及和成熟，從而更好地保障駕駛安全。因此，我們應持續關注和推動汽車疲勞預警人機交互設計的發展，以為駕駛員提供更加安全和智能化的出行體驗。

參考文獻：

［1］ 劉玉磊，馬艷陽，徐伯初，等.車載智能預警系統中的人機交互［J］.包裝工程，2020，41（18）：78-89.

［2］ 劉聰，朱蘭芹.基于多模態交互的汽車人機交互設計研究［J］.汽車電器，2022（8）：3-5.

［3］ 薛興樂，高啟超，張震，等.基于人機互動的疲勞駕駛監測預警系統設計［J］.林業機械與木工設備，2020，48（3）：32-35.

［4］ 譚浩，孫家豪，關岱松，等.智能汽車人機交互發展趨勢研究［J］.包裝工程，2019，40（20）：32-42.

［5］ 胥川，郭啟明，王雪松.疲勞預警分級提示下的駕駛行為響應特征［J］.西南交通大學學報，2019，54（1）：189-195.

作者簡介：孫茹蔓（1999—），女，上海人，碩士在讀，研究方向：產品造型藝術及應用實踐。

付亞芹（1996—），女，山東泰安人，碩士，講師，研究方向：交互設計。

李琦（1972—），男，上海人，博士，副教授，研究方向：信息與產品設計。