基于情境意識的汽車接管請求界面設計研究

摘要：針對自動駕駛技術導致的駕駛安全問題，從情境意識角度出發，研究汽車接管請求界面設計對其影響。基于情境意識三級理論，提出汽車接管請求界面設計評估指標。分析典型案例，從中提取關鍵設計要素。通過關鍵設計要素組合與實驗評估，總結其對于不同評估指標的影響。提出基于情境意識的汽車接管請求界面設計策略。實驗相關結論可為自動駕駛汽車HMI設計提供指導性建議，以提高有條件自動駕駛汽車的駕駛安全性。

關鍵詞：情境意識；自動駕駛；接管請求；界面設計；汽車HMI

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）12-0136-04

Abstract：In order to solve the driving safety problems caused by automatic driving technology，from the perspective of situational awareness，to study the impact of the vehicle takeover request interface on the recovery of the driver’s situational awareness. Based on the three-level theory of situational awareness，the evaluation index of car takeover request interface design were put forward. Analyze typical cases and extract key design elements from them. Through the combination of key design elements and experimental evaluation，the influence of key design elements on different evaluation index is summarized. A situational awareness-based design strategy for vehicle takeover request interface was proposed. The relevant conclusions of the experiment can provide guiding suggestions for the HMI design of autonomous vehicles to improve the driving safety of conditional autonomous vehicles.

Keywords：Situational awareness；Automatic driving；Takeover request；Display design；HMI

引言

自動駕駛已經成為汽車行業發展的必然趨勢，麥肯錫預測自動駕駛車輛將在2030年將占機動車總銷量的15%，許多相關領域學者表示自動駕駛系統將在21世紀中葉實現大規模應用[1]。然而，技術的實現并非一步到位，在完全的自動駕駛到來之前，自動駕駛技術將會處于長時間的過渡階段，即駕駛人與駕駛系統協作的人機共駕階段。美國汽車工程師學會（Society of Automotive Engineers，SAE）根據自動化程度，將自動駕駛系統分為五個等級。其中，L2級及以下的自動駕駛系統可以為駕駛人提供輔助駕駛功能，但要求駕駛人必須處于駕駛狀態。L4級及以上則可以實現在設計工況內的高度自動化，自動駕駛系統完成所有的動態任務還能有效應對系統失控的情況，無需駕駛人介入。L3級自動駕駛作為人類和系統掌控駕駛的分水嶺，被定義為有條件自動駕駛，自動駕駛系統可以在限定的工況內完成所有駕駛任務，但要求駕駛人時刻準備接管駕駛權，在接管過程中恢復情境意識，并對接管后的駕駛情境做出決策與反應。駕駛人的情境意識影響接管績效，情境意識也被認為是實現安全駕駛最重要的人為因素之一[2]。本文從恢復駕駛人情境意識的角度出發，基于情境意識三級模型，提出汽車接管請求界面評估指標，并通過案例分析與實驗評估，提出相應設計策略，為汽車HMI設計提供參考。

一、接管請求場景中的駕駛人情境意識

（一）情境意識相關理論基礎：情境意識（Situation Awareness，SA）是個體對所處環境組成成分的獲取、理解及預測。情境意識研究起源于航空航天領域，在后續發展過程中逐漸應用于船舶導航、應急服務以及汽車駕駛等領域[3]。

Ends1ey將情境意識劃分為3個層級，感知要素—理解情境—預測未來，3個層級的關系是自下而上的，見圖1[4]。用戶的情境意識源于對環境要素的感知，這一過程主要通過五感，即視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺完成；對感知到的要素進行加工以理解當前情境，這一過程中主要受到個體經歷和記憶的影響；預測未來是用戶基于感知和理解的結果，對外部環境的變化趨勢進行預測，以輔助其決策與操作。

（二）駕駛人情境意識：基于情境意識的定義，駕駛人情境意識是指駕駛人對當前所處駕駛環境中交通狀況、車輛狀態、天氣狀況等諸多要素的感知、理解及預測。在傳統的手動駕駛場景中，駕駛人主要通過擋風玻璃、反光鏡、后視鏡等從車外獲取駕駛環境中的信息并形成判斷從而作出決策，而在自動駕駛場景下，駕駛人則主要通過汽車人機界面獲取信息。

（三）接管請求界面對駕駛人情境意識的影響：在有條件自動駕駛中，自動駕駛系統可以完成大多數駕駛任務，但是，當自動駕駛系統發生故障或無法識別當前情境信息或情境信息超出自動駕駛條件時，自動駕駛系統就會發出請求，要求駕駛人對車輛進行接管，駕駛系統發出的請求就被稱為接管請求。由于當自動駕駛系統接管車輛時，駕駛人被允許進行駕駛無關任務，例如打電話、看報紙、發短信等，因此駕駛人的注意力并非一直集中在駕駛任務中。當接管請求發出時，駕駛人需要從駕駛無關任務中脫離出來并接管車輛，此時，駕駛人能否快速恢復情境意識顯得尤為重要[5]。合理的汽車接管請求界面，有助于駕駛人情境意識的恢復[6]。

汽車人機界面是車輛與駕駛人溝通的橋梁[7]。在目前的汽車人機界面設計中，接管請求往往通過視覺、聽覺和觸覺等多通道形式進行傳遞。本文聚焦于汽車人機界面的顯示設計，文中提到的接管請求界面特指通過視覺通道向駕駛人傳達接管請求信息的人機界面，其物理載體為汽車儀表盤[8]。

二、基于情境意識的汽車接管請求界面評估指標

在接管請求場景下，駕駛人通過汽車接管請求界面感知信息，完成對當前情境的理解以及對未來情境的預測，以執行接管操作。本文基于接管請求場景的任務特征和Endsley的情境意識三級模型，對汽車接管請求界面的設計要點進行分析，明確后續實驗的評估指標。

（一）感知信息：駕駛人的情境意識始于對信息的感知，在接管請求場景中，表現為對汽車接管請求界面中信息的感知。在此階段，駕駛人獲取信息的方式是被動的，因為當接管請求發生時，駕駛人可能正處于各種類型的駕駛無關任務中。因此，汽車接管請求界面必須足夠明顯與強烈，以快速吸引駕駛人的注意力。此外，界面的信息組織需要具有可讀性，以提高駕駛人獲取信息的效率，為情境意識的恢復打下基礎。

（二）理解情境：理解情境是駕駛人對感知到的信息進行加工的過程，以理解所處情境。該階段與駕駛人的認知水平和駕駛經驗相關，通過將信息與記憶中的情境相匹配，快速理解當前情境狀態。降低用戶對情境信息理解的難度是快速恢復情境意識水平的有效途徑[9]。

在此階段，駕駛人需要在有限的時間內盡快作出決策，界面信息的表達方式應當具有可識別性，提高駕駛人理解情境的效率，從而更快地作出接管決策。當駕駛人從駕駛無關任務中脫離并重新投入到駕駛任務中后，其需要了解當前所處的駕駛環境以進行正確的駕駛決策。因此，汽車接管請求界面需要為駕駛人提供與駕駛環境相關的完整信息，如交通狀況、車輛狀態等，確保駕駛人準確認識和理解當前所處的駕駛環境。

（三）預測未來：預測未來是情境意識的最高層次，駕駛人基于感知的信息和理解的情境預測未來可能發生的變化以作出決策，未來預測的準確度基于情境意識前兩個層次的精度，也與駕駛人的駕駛經驗和駕駛能力相關[3]。

在接管請求場景下，預測未來是指駕駛人對接管后駕駛行為的預測，如制動或轉動方向盤，也包括對駕駛環境的預測，如前方道路變窄等。因此，汽車接管請求界面需要提供指示性的信息，告知駕駛人接管請求發生的原因或正確駕駛的操作等，幫助駕駛人正確預測未來駕駛情境，提高駕駛安全性[10]。

基于接管請求場景的任務特征與情境意識三級模型，分析汽車接管請求界面對駕駛人情境意識不同認知加工階段的影響，并總結其設計評估指標，見圖2。

在感知信息階段，信息的可感知性與可讀性影響駕駛人獲取信息的效率，可感知性即信息的表達方式是否容易吸引駕駛人的注意力，可讀性即信息是否容易閱讀；在理解情境階段，信息的可識別性和完整性影響駕駛人對當前駕駛情境的理解程度，可識別性即信息是否容易被快速理解，完整性即信息能否完整描述駕駛人所處的駕駛環境；在預測未來階段，信息的指示性影響駕駛人預測未來情境的精度，指示性即信息能否指引駕駛人后續的駕駛操作。這些評估指標可用于衡量汽車接管請求界面設計方案是否有助于駕駛人情境意識的恢復。

三、汽車接管請求界面典型案例分析

（一）典型案例關鍵設計要素提取：通過分析市面上現有自動駕駛系統或駕駛輔助系統的汽車接管請求界面，提取其關鍵設計要素。目前，已上市的典型L3級自動駕駛車輛包括奧迪A8、廣汽AION S、長安UNI-T以及本田Legend。此外，L2級自動駕駛汽車在開啟駕駛輔助功能時，要求駕駛人雙手不能離開方向盤，若脫手超過一定時間，系統將發出警告，分析其脫手警告界面對本課題研究同樣具有重要意義。因此，除了上述L3級自動駕駛車輛以外，還選擇了特斯拉Model3、理想ONE、蔚來ES8以及小鵬G3四款典型L2級自動駕駛車輛的脫手警告界面進行案例分析，見圖3。基于界面設計要素，本文從信息內容、頁面布局以及視覺設計3個維度對典型案例進行分析。

（二）典型案例關鍵設計要素分析

1. 信息內容：基于典型案例信息內容的屬性，將其歸納總結為提醒信息、車輛信息、交通信息、導航信息、輔助信息五大類，見表1。典型案例在信息內容維度的主要變量在于提醒信息，部分案例包含圖標與文字提醒，部分案例則為純文字提醒。

2. 頁面布局：基于典型案例頁面布局的特征，總結為6種頁面布局類型，見圖4。整體布局可分為上下布局和左中右布局兩種，其主要區別在于車速信息放置的位置。上下布局中車速信息位于頁面頂部，左中右布局則更接近傳統汽車儀表盤的布局方式，車速信息位于頁面右側。根據接管提醒信息位置的不同，可分為吸頂、居中、吸底3種形式，其中居中提醒往往為圖標與文字提醒，而吸頂與吸底提醒則為純文字提醒。

3. 視覺設計：由于接管請求場景較為緊急，因此典型案例采用的色彩體系較為一致，均以紅色系、橙色系等警戒色為主，但其應用的位置卻并未統一，見表2。在圖標元素中，部分案例將警戒色應用于方向盤，部分應用于雙手，部分則應用于整個圖標。在文本元素中，部分案例并未運用警戒色，部分案例將警戒色用于文字本身，部分案例則用于文本背景。

四、關鍵設計要素組合與實驗評估

（一）汽車接管請求界面關鍵設計要素組合：基于上述案例分析結果，發現典型案例在頁面布局上存在較大差異，因此，以6種頁面布局形式為基礎變量，并補充視覺設計上的兩個變量（警戒色在圖標元素中的應用位置與警戒色在文本元素中的應用位置），最終確定8個設計原型方案：1）左中右布局+吸頂提醒+文字警戒色；2）左中右布局+居中提醒+雙手警戒色；3）左中右布局+吸底提醒+文字警戒色；4）上下布局+吸頂提醒+文字警戒色；5）上下布局+居中提醒+雙手警戒色；6）上下布局+吸底提醒+文字警戒色；7）上下布局+吸頂提醒+背景警戒色；8）上下布局+居中提醒+方向盤警戒色，見圖5。

（二）設計原型方案實驗評估

1. 被試、實驗環境與設備：本次實驗共招募了來自江南大學設計學院的22名研究生作為被試，其中男性10名，女性12名，平均年齡24.1歲，被試年齡范圍屬于自動駕駛高接受度年齡段。被試都具有正常的視力或矯正視力，并且有2年以上駕駛經驗。實驗環境為室內環境，實驗主要設備包括：華碩15.6寸筆記本一臺，亮度為94cd/㎡，用于設計原型方案圖片的展示；錄音筆一支，用于記錄用戶訪談過程中的聲音材料。

2. 評估方法與過程：在實驗之前，向被試傳遞有關有條件自動駕駛和接管請求的知識并告知被試在接下來的實驗中他們將會看到一系列的汽車接管請求界面，他們需要想象自己是一名L3級自動駕駛汽車駕駛員，車輛正處于自動駕駛中，然后根據界面傳遞給他們的信息，判斷能否快速理解當前駕駛環境以及做出后續操作。

在實驗過程中，筆記本電腦屏幕按照隨機順序播放設計原型方案，要求被試在瀏覽完每個方案后，對其進行主觀評分。評分方法為李克特七點量表計分法（7分非常有用，4分一般，1分完全沒有用），基于汽車接管請求界面評估指標，要求被試從可感知性、可讀性、可識別性、完整性以及指示性5個維度對方案進行打分，見表3。

在實驗結束后，對被試進行用戶訪談并對實驗數據和訪談結果進行整理、計算和分析。

3.實驗結果分析：基于被試的主觀評價結果，計算其平均值，結果如圖6所示，該結果展示了不同設計原型方案在不同評估指標的得分情況。

（1）可感知性：方差分析結果顯示不同設計原型方案的可感知性（F=7.454，P=0.000<0.05）存在顯著性差異。其中，圖標加文字提醒（方案2、5）的可感知性普遍強于純文字提醒（方案1、3、4、6）。此外，對比方案7與方案4可以發現，增加警戒色的使用面積也可以增強界面的可感知性。

（2）可讀性：方差分析結果顯示不同設計原型方案的可讀性（F=11.568，P=0.000<0.05）存在顯著性差異。其中，上下布局界面（方案4、5、6）的可讀性明顯強于左中右布局（方案1、2、3）。

（3）可識別性：方差分析結果顯示不同設計原型方案的可識別性（F=3.579，P=0.001<0.05）存在顯著性差異。其中，包含圖標提醒方案（方案2、5）的可識別性明顯強于純文字提醒方案（方案1、3、4、6）。

（4）完整性：方差分析結果顯示不同設計原型方案的完整性（F=4.446，P=0.000<0.05）存在顯著性差異。其中，含有附近車況方案（方案1、3、4、6）的完整性明顯強于不含附近車況的方案（方案2、5）。

（5）指示性：方差分析結果顯示不同設計原型方案的指示性（F4.988，P=0.000<0.05）存在顯著性差異。其中，包含圖標提醒方案（方案2、5）的指示性明顯高于純文字提醒方案（方案1、3、4、6）。此外，警戒色運用于圖標中的雙手（方案2）相比于運用于方向盤（方案8）具有更強的指示性。

五、基于情境意識的汽車接管請求界面設計策略

（一）突出接管提醒，增強可感知性：上文中提到，汽車接管請求界面設計必須足夠明顯與強烈，以快速吸引駕駛人的注意力。基于實驗結果可知，適當突出接管提醒信息，有利于增強界面的可感知性。突出接管提醒信息的具體設計表現方式包括但不限于擴大提醒信息的面積、增加警戒色的范圍、弱化其他信息等。

對比本田legend的自動駕駛與接管請求界面可以發現，當接管請求發生時，其隱藏了與當前任務場景無關的信息內容，重點突出接管提醒與實時車速，有助于駕駛人快速感知并獲取信息，如圖7。

（二）縮短視覺動線，增強可讀性：在突出接管提醒信息的基礎上，應通過合理的頁面布局、整合關聯信息，縮短用戶的視覺動線，增強界面可讀性，確保駕駛人在最短的時間內獲取必要的信息。

廣汽AION S與本田legend的接管請求界面分別是左中右布局與上下布局的代表，對比兩者可以發現，前者的頁面布局導致駕駛人視覺動線混亂、不連貫，信息獲取效率低，后者的視覺動線既明確又簡短，即自上而下，駕駛人信息獲取效率高，如圖8。

（三）準確運用圖標，增強可識別性：相關研究表明，圖標的可識別性要優于文字，因為圖標可以快速傳達其所蘊含的信息，而文字則會受到長度的影響與限制。圖標的準確性對其可識別性有直接的影響，一方面，圖標的樣式需要符合用戶在日常生活中的認知以確保其可被理解，另一方面，圖標需要準確傳達其真實含義，避免產生誤解。在接管請求場景中，圖標應當準確傳達“請接管車輛”的含義。

通過實驗后的用戶訪談發現，大多被試對于在典型案例中應用較為廣泛的 “雙手夾方向盤”圖標的理解為“雙手控制方向盤”，但事實上接管請求不僅要求駕駛人的雙手控制方向盤，也要求駕駛人的腳重新控制車輛。因此，當前的圖標樣式并未準確傳達“請接管車輛”的含義，有可能導致駕駛人忽略腳部的動作，產生駕駛安全隱患。

圖標的設計除了圖形元素還包括色彩元素。接管請求場景較為緊急，因此需要使用警戒色。雖然警戒色可以向用戶傳達當前場景的緊急程度，但是濫用警戒色會導致用戶心理負擔過大，操作出錯的可能性增加。因此，應當適度使用警戒色，控制其應用范圍。此外，警戒色的濫用可能會導致其含義被用戶誤解，產生駕駛安全問題。以“雙手加方向盤”的接管提醒圖標為例，部分案例將警戒色應用于雙手，部分案例則應用于方向盤，后者本意是想提示駕駛人握住方向盤以接管車輛，但部分被試卻將其理解為“方向盤故障”。

（四）保留車況信息，增強完整性：當用戶接管車輛時，需要了解附近的交通狀況，以做出正確的駕駛決策。在傳統的人工駕駛階段，駕駛人通過反光鏡、后視鏡、擋風玻璃等獲取車外信息，了解附近車況。在接管請求場景下，駕駛人需要在有限的時間內盡快作出決策，因此，汽車人機界面應當提供附近車輛與路況信息，減少駕駛人獲取信息的時間，同時確保駕駛人理解情境的完整性。

（五）抽象操作提示，增強指示性：由于自動駕駛汽車尚未普及，大多數用戶缺少相關駕駛經驗并且對于部分專業名詞不熟悉，因此，應將部分操作提示抽象化，以圖形或動畫的形式進行表達，避免因使用純文字導致駕駛人不理解其含義所產生的駕駛安全問題。

通過實驗后的用戶訪談發現，大多被試對于“接管”并沒有清晰的概念，但圖標可以在一定程度上幫助被試大致了解其含義，從而作出相應的駕駛決策。

結語

自動駕駛技術的快速發展對汽車HMI設計也提出了更高的要求，駕駛權的接管與切換問題作為自動駕駛時代汽車人機交互的核心，是當前該領域研究的重點。解決該問題的路徑有兩條，一條是在技術上完成突破，實現真正意義上的自動駕駛；另一條則是在設計上不斷完善，提高駕駛權切換的效率與用戶體驗。本文從駕駛人情境意識的角度出發，試圖從后一條路徑提出汽車接管請求界面設計策略，提高駕駛人的接管績效。無論走哪一條路徑，只有駕駛權的接管問題被解決，自動駕駛汽車才有可能真正普及。

基金項目：基礎加強計劃技術領域基金（2020-JCJQ-JJ-047）

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