面向分心駕駛控制的智能汽車信息與交互設(shè)計

李嘉鑫 李嘉

摘要：智能汽車對提升交通安全與效率、促進城市可持續(xù)發(fā)展以及提升人們生活質(zhì)量具有重要意義。以智能汽車為對象，闡述了智能汽車在交互設(shè)計上存在的分心駕駛問題，并分析了針對視覺、聽覺、操作和認知層面的分心駕駛?cè)艘騿栴}，提出通過簡潔性、易用性、反饋的有效性和減少認知負荷的優(yōu)先級等交互設(shè)計原則來提高駕駛員的專注力和安全性，以促進智能汽車的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能汽車；分心駕駛；交互設(shè)計

中圖分類號：U469? 收稿日期：2024-03-27

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406020

1 前言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命蓬勃興起，傳統(tǒng)的交通運輸行業(yè)與先進的信息技術(shù)深度融合，汽車智能化已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。隨著智能汽車技術(shù)的快速發(fā)展，車輛內(nèi)部的信息展示和交互方式日益豐富，但同時也帶來了駕駛員分心的潛在風(fēng)險，一些智能化設(shè)計在帶來便利的同時，也成為駕駛員分心的潛在因素，根據(jù)2021年發(fā)布的《2018—2020中國青年注意力分散與交通事故白皮書》顯示，7432%的交通事故是由分心駕駛導(dǎo)致。因此，對智能汽車信息與交互進行優(yōu)化設(shè)計以減少分心駕駛，具有重要的理論意義和實踐價值。

2 智能汽車分心駕駛?cè)艘騿栴}

駕駛員與智能汽車進行交互時在視覺、聽覺、操作和認知4個層面可能導(dǎo)致分心駕駛。視覺分心涉及從道路和路況中轉(zhuǎn)移視線至非駕駛?cè)蝿?wù)；聽覺分心發(fā)生在駕駛員的聽覺注意力從交通環(huán)境中轉(zhuǎn)移到車輛內(nèi)部的聲音；操作分心指的是駕駛員在執(zhí)行物理操作，如調(diào)節(jié)控制面板或使用觸摸屏幕時的注意力分散；認知分心主要是思考非駕駛?cè)蝿?wù)時的精神資源消耗。

21 視覺分心

隨著汽車智能化程度的加深，駕駛員在與智能汽車交互中的情境復(fù)雜性也快速提升，與此同時駕駛員在處理駕駛的長線任務(wù)與娛樂通信等短線任務(wù)時的情境意識對駕駛安全顯得愈加重要。根據(jù)恩茲利（Endsley MR）等學(xué)者提出的情境意識框架，情境意識可以分為感知（Perception）、理解（Comprehension）和預(yù)測（Projection）三個層次[2]。在視覺分心的情況下，駕駛員的情境意識——感知、理解、預(yù)測的層次性結(jié)構(gòu)遭遇了明顯的瓦解。

a.作為情境意識基礎(chǔ)的感知層面受到明顯侵蝕，視覺分心使得駕駛者對于外界行車環(huán)境關(guān)鍵提示的察覺變得不再敏銳，關(guān)鍵視覺線索未能得到及時捕捉，削弱了其信息輸入的完整性。

b.駕駛員的認知框架受視覺分心影響，即便是間歇性地察覺到了視覺信息，也很難將這些碎片化的感知拼合成對交通情境意義的恰當(dāng)詮釋，從而導(dǎo)致行為響應(yīng)上的不連貫性。

c.視覺分心剝奪了駕駛員從現(xiàn)有情境中洞察未來動態(tài)的能力，因為準確預(yù)測未來道路事件所需的信息處理（包括估計其他車輛的行動軌跡、速度變化以及空間位置等）被當(dāng)前分散的注意力所阻礙。

22 聽覺分心

智能汽車中多功能系統(tǒng)和連接設(shè)備經(jīng)常伴隨著聲音提醒、多媒體播放和語音交互，如此種種音頻輸出都可能造成聽覺分心。根據(jù)威肯斯（Christopher D Wickens）提出的多通道注意力理論（Multiple-Resource Theory），人類的認知資源劃分為多個相互獨立的處理通道，各自對應(yīng)不同的感覺模態(tài)與信息類型，如視覺與聽覺信息流，任何通道內(nèi)的資源均具有限定性，且兩項任務(wù)若爭奪同質(zhì)資源便可能導(dǎo)致認知性能的減損。特別是在駕駛環(huán)境下，聽覺分心現(xiàn)象顯著地挑戰(zhàn)了駕駛員的聽覺處理資源。不同感官信號（例如視覺與聽覺）在不同通道中被處理，與此同時，非關(guān)鍵的車內(nèi)音頻輸出，如多媒體播放，可能與行車環(huán)境中的緊急聲音信號發(fā)生競爭，進而對駕駛員應(yīng)答交通聲的能力造成削弱。此外，根據(jù)威肯斯的“處理代碼效應(yīng)”，信息處理也會受輸入與輸出類型的制約。例如，語音交互系統(tǒng)的設(shè)計需求，讓駕駛員進行語音響應(yīng)，此類聲音到聲音的信息處理需求，不僅增加了聽覺通道的負荷，而且還可能對有效地處理關(guān)鍵道路聲音的能力構(gòu)成額外的干擾。因此，在智能汽車系統(tǒng)設(shè)計中，對于如何優(yōu)化車載音頻提示，以及如何通過預(yù)防聽覺過載以保持駕駛員的注意力集中能力，成為關(guān)鍵的安全考量因素。

23 操作分心

在人機交互領(lǐng)域，操作分心被定義為駕駛員在百分比時間基準上從主要任務(wù)（即安全駕駛）中偏離以執(zhí)行輔助手工任務(wù)的現(xiàn)象。這些任務(wù)涵蓋廣泛的交互，包括調(diào)節(jié)車輛的溫度設(shè)置、進行導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)定，以及與車載信息娛樂系統(tǒng)進行互動等。隨著智能汽車界面設(shè)計向觸摸屏和集成控制臺傾斜，這些界面盡管提供了操作的便捷性，也要求駕駛員進行精確的手眼協(xié)調(diào)。這樣的手眼協(xié)調(diào)不僅依賴于駕駛員的運動技能和認知資源，而且在高度動態(tài)的駕駛環(huán)境中，這種協(xié)調(diào)對注意力資源的競爭可能會危及道路安全。費茨提出的Fitts定律提供了一個定量化模型，用于預(yù)測執(zhí)行手工任務(wù)，如車輛界面操作的效率。根據(jù)該定律，執(zhí)行任務(wù)的時間T是以起始位置到目標對象距離D和目標對象大小W的函數(shù)來表示的，其關(guān)聯(lián)性可通過下式進行計算[3]：

[T=a+blog21+DW]?????????????????????????? （1）

在此模型中，a體現(xiàn)了反應(yīng)時間的起始延遲，而b指示了動作速率。在實際的駕駛情境中，目標距離D考慮了駕駛員伸手操作界面時的物理距離，目標大小W則涉及到操作按鈕或接觸點的尺寸。操作座艙內(nèi)的多功能觸控屏或其他輸入設(shè)備需要駕駛員進行精確的手眼協(xié)調(diào)，并分派一定的認知資源以處理視覺和動作信息。較遠的距離和較小的目標尺寸均會增加操作任務(wù)的難度，從而導(dǎo)致駕駛員從駕駛主要任務(wù)上的注意力被分散（圖1）。

此外，界面設(shè)計本身的復(fù)雜性也會增加認知負荷，致使視覺搜索和信息處理時間延長，降低駕駛員對突發(fā)交通情況的反應(yīng)能力。反應(yīng)時間和動作速度進一步闡釋了操作特性和人的生理限制如何影響總體性能。綜合應(yīng)用Fitts定律于汽車界面設(shè)計，重點在于最小化到達和操作界面所需的時間和努力。減小控制面板或屏幕的D值，增大控制按鈕的W值，以及降低操作的復(fù)雜性，均可減少由于操作導(dǎo)航系統(tǒng)或其他車載信息系統(tǒng)而引起的操作分心。

24 認知分心

在智能汽車人機交互設(shè)計中，認知分心現(xiàn)象是一種駕駛員在執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)時所經(jīng)歷的注意力轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致對關(guān)鍵駕駛信息感知和響應(yīng)能力的減弱。在日常和應(yīng)急駕駛情境中，駕駛員需要以適當(dāng)?shù)挠X醒狀態(tài)應(yīng)對不同的任務(wù)，以保持對車輛控制的警覺性和反應(yīng)的迅捷性。

在駕駛過程中，各類情況出現(xiàn)的頻率高低決定了人的“覺醒狀態(tài)”的變化。發(fā)生情況頻率低時，人處于單調(diào)的警覺狀態(tài)；隨著頻率增加，人的覺醒水平也不斷提高并可維持一定的警覺狀態(tài)；長期的高頻率應(yīng)急刺激，可以讓駕駛?cè)藛T的日常監(jiān)控超過人的生理心理承受范圍，造成認知分心的產(chǎn)生[4]。

認知分心的主要問題在于，它分散了駕駛員的認知資源——一種有限且需要在多項任務(wù)間分配的能力，包括感知、記憶、思考和決策過程。在認知心理學(xué)中，對于多任務(wù)處理能力的研究表明，盡管人類可以在一定程度上進行任務(wù)切換，但在兩個認知密集型任務(wù)之間進行快速切換會導(dǎo)致每項任務(wù)的性能下降。

對智能汽車而言，這意味著設(shè)計者在人機交互方面的設(shè)計必須考慮到如何幫助駕駛員管理認知負荷，避免任務(wù)溢出效應(yīng)，即駕駛員無法同時有效處理所有任務(wù)而導(dǎo)致重要的駕駛?cè)蝿?wù)性能下降。

以寶馬在2023年美國拉斯維加斯消費電子展展出的全新BMWi數(shù)字情感交互概念車Dee的增強現(xiàn)實型抬頭顯示（AR-HUD）為例，其設(shè)計上的實踐聚焦于減少駕駛員視野中的非關(guān)鍵信息（圖2）。這樣的設(shè)計思路源于信息減量的策略，通過減少外界刺激來降低因信息處理過載而引起的認知分心風(fēng)險。該車型取消車內(nèi)所有大屏，利用先進平視顯示系統(tǒng)，可將投影內(nèi)容覆蓋風(fēng)擋玻璃的整個寬度，這降低了查看儀表盤或中控屏幕所需的視覺轉(zhuǎn)移及認知重新定位的需求，避免了額外的認知處理開銷，進而減少了認知分心的可能性。

3 智能汽車分心駕駛控制的交互設(shè)計原則

在當(dāng)今智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展背景下，智能汽車的人機交互設(shè)計愈發(fā)成為關(guān)注焦點。這些交互設(shè)計不僅直接影響著駕駛員的行車體驗，更承擔(dān)著關(guān)乎交通安全與效率的重要責(zé)任。通過在智能汽車交互設(shè)計中采用功能第一的簡潔性、交互方式的易用性、系統(tǒng)反饋的有效性以及減少認知負荷的優(yōu)先級原則，可以最大程度地降低駕駛員的認知負荷，提高其駕駛專注度和安全性。

31 功能第一的簡潔性原則

在智能汽車交互設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)，針對駕駛員視覺分心的顯著問題，采取“功能第一的簡潔性原則”是一個既具理論基礎(chǔ)也符合實際應(yīng)用需求的策略。功能第一的簡潔性原則要求設(shè)計應(yīng)最小化非必要的視覺元素，并集中突出與當(dāng)前駕駛?cè)蝿?wù)密切相關(guān)的信息，從而優(yōu)化駕駛員的情境感知、理解、與預(yù)測。根據(jù)這一原則，信息呈現(xiàn)的整合性與目的性被置于設(shè)計過程的核心，以支撐認知處理的連貫性與信息處理效率。

簡潔性原則顯著減少了駕駛過程中的感知負荷，減緩了對于關(guān)鍵信號檢測的延誤，增強了駕駛員從環(huán)境中提取準確信息的能力。同樣地，通過有意識地重構(gòu)交互界面，不僅可以在信息識別階段減少認知上的錯誤，而且可以減少將碎片化信息綜合成有意義情境表示的認知開銷，使駕駛員在復(fù)雜情境中的行為響應(yīng)更為連貫、合適。此外，簡潔性原則在確保點對點信息傳遞的準確性的同時，亦能為駕駛員在道路情境中的預(yù)測提供必要而準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而確保駕駛員可有效預(yù)判并適應(yīng)未來可能發(fā)生的交通事件和環(huán)境變化。

32 交互方式的易用性原則

為了有效減少聽覺分心并最大程度提升駕駛員的專注力，在智能汽車系統(tǒng)設(shè)計中，交互方式的易用性原則至關(guān)重要。這一原則注重設(shè)計智能而直觀的交互方式，以最小認知負荷為目標，確保對車載音頻提示的智能控制，同時有效預(yù)防聽覺過載，以確保駕駛員的關(guān)注保持穩(wěn)定、集中。

a.易用性原則要求汽車系統(tǒng)的音頻交互設(shè)置及控制功能盡可能簡單，易于理解，借助清晰的界面布局、簡潔的菜單操作和直觀的圖形標識，以減輕視覺和聽覺資源的競爭，緩解駕駛員的認知負擔(dān)，并使其更加專注于行車任務(wù)。

b.為實現(xiàn)易用性設(shè)計應(yīng)考慮用戶習(xí)慣和偏好，整合個性化設(shè)置功能，允許駕駛員根據(jù)自身偏好進行個性化調(diào)整，并提供智能的交互引導(dǎo)，以減少無關(guān)音頻輸入的干擾，并提高處理關(guān)鍵駕駛音頻信息的準確性。

c.易用性原則強調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)在大多數(shù)情況下保持一致性，減少聽覺刺激對駕駛注意力的干擾，并提高用戶體驗。

d.易用性原則提倡智能化的交互技術(shù)應(yīng)用，通過聲音識別技術(shù)、智能語音交互等功能，讓駕駛員通過簡單自然的語音指令完成相關(guān)操作，以減少手動操作對聽覺資源的占用，并提升對關(guān)鍵駕駛聲音的感知能力。

33 系統(tǒng)反饋的有效性原則

隨著車輛界面操作的復(fù)雜性增加以及駕駛環(huán)境的高度動態(tài)性，駕駛員面臨更大的操作分心風(fēng)險。采用有效反饋原則可以通過智能汽車的系統(tǒng)反饋有效傳達給駕駛員以減少操作分心的發(fā)生。

一方面，有效反饋原則要求反饋信息不僅要在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)傳遞，還必須以便于駕駛員理解和接受的方式呈現(xiàn)。在智能汽車界面設(shè)計中，這一原則可以透過簡化反饋信息、提供清晰的指示以及避免過度干擾駕駛員來實現(xiàn)。例如，當(dāng)駕駛員需要立即關(guān)注某一信息時，界面應(yīng)以非常明確和易于識別的方式向其傳遞信息，從而減少駕駛員因界面信息反饋而分散注意力的可能性。

另一方面，有效反饋的原則必須與操作分心的實際情境相結(jié)合，以確保反饋在駕駛員執(zhí)行輔助手工任務(wù)時能夠平衡傳達并獲得注意。在Fitts定律所描述的操作任務(wù)難度背景下，反饋系統(tǒng)應(yīng)具備綜合考慮物理距離D和目標尺寸W等因素的能力，并將這些因素融入反饋性能的設(shè)計之中。例如，當(dāng)面對遠距離的目標和較小尺寸的操作按鈕時，反饋系統(tǒng)可以提供更為明顯且易于感知的反饋信號，以幫助駕駛員更有效地執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而減少操作分心的可能性。

34 減少認知負荷的優(yōu)先級原則

認知分心的主要問題在于其分散了駕駛員的認知資源，這些資源是有限的，需要在感知、記憶、思考和決策等多項任務(wù)間進行有效分配。基于認知心理學(xué)對多任務(wù)處理能力的研究，人類盡管可以在一定程度上進行任務(wù)切換，但在兩個認知密集型任務(wù)間快速切換會導(dǎo)致每項任務(wù)性能下降的結(jié)論表明，減少認知負荷成為設(shè)計智能汽車人機交互界面的重要原則。

一方面，可以通過簡化界面元素、刪除非關(guān)鍵信息以及提煉并直觀呈現(xiàn)必要信息等方式實現(xiàn)信息減量，從而有效降低駕駛員處理信息的認知負荷。另一方面，保持駕駛相關(guān)信息優(yōu)先獲得駕駛員的注意力也有助于充分利用駕駛員的認知資源從而專注于安全駕駛，可以采用智能提示和警示系統(tǒng)，通過聲音提示、視覺警示和觸覺反饋等方式，在系統(tǒng)檢測到潛在危險或需要駕駛員進行特定操作時提供相關(guān)提示和警報，以確保駕駛員在關(guān)鍵時刻優(yōu)先獲得必要的駕駛相關(guān)信息。

另外，生理信號監(jiān)測技術(shù)也是一個重要的手段，通過監(jiān)測駕駛員的生理狀態(tài)，如頭部姿態(tài)、眼動軌跡等，智能汽車系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛員的注意力水平和情緒狀態(tài)自動調(diào)整顯示內(nèi)容和方式，使駕駛員在需要時能夠優(yōu)先獲取重要信息以減少駕駛員的認知負荷，提高駕駛效率和安全性。

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[4]譚浩，張迎麗面向安全的智能汽車信息與交互設(shè)計研究[J]裝飾，2022（8）：22-27

作者簡介：

李嘉鑫，女，1998年生，碩士研究生，研究方向為數(shù)字媒體藝術(shù)。

李嘉（通訊作者），女，1968年生，教授，研究方向為設(shè)計學(xué)。