汽车人机交互界面设计研究

1、第 2 卷 第 5 期2012 年 9 月Vol.2 No.5 Sept. 2012汽车工程学报Journal of Automotive Engineering汽车人机交互界面设计研究1，（1. 汽车车身先进设计制造2，3，湖南，长沙 410082；2. 湖南大学 设计艺术学院，湖南，长沙 410082； 3.亚，北京，100176）摘 要：随着通讯与在交通工具领域的广泛应用，汽车人机交互界面正在发生着巨大的变化。研究了汽车人机交互的相关因素对驾驶分心、驾驶负荷、情境意识等认知指标的影响，提出了汽车内室人机交互界面设计要素，并多通道人机交互模式设计的两个主要方面自然交互和增强现实进行了探讨与

2、设计实践。对当前汽车人机交互界面设计具有一定的指导意义。： 汽车人机交互界面；人的因素；多通道人机交互模式号：TP39，TH122文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.05.01Vehicle Human Machine Interface Design ResearchTan Hao1，Zhao Jianghong2，Wang Wei3（1. The State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body ，Changsha，Hunan 410082，Ch

3、ina；2. School of Design，Hunan University，Changsha，Hunan 410082，China；3. Nokia Research Center，100013，China）Abstract：Vehicle human machine interface is undergoing a tremendous change with the widely use of technologies in communication and information. In the paper, the influences between vehicle hum

4、an machine interaction and the driver's cognition factors such as driving distraction, driving workload and the situated awareness were analyzed and the design issues of vehicle human machine interface design were put forward. Finally, natural interaction and augmented reality, which are two maj

5、or design fields for the multimodal human- machine interface of vehicles, were investigated and practiced. The study findings can guide the vehicle human-machine interface design.Keywords：vehicle human machine interface design; human factors; multichannel vehicle human machine interaction随着计算机技术和网络技

6、术在交通工具领域的广泛应用和车载技术的不断发展，汽车的内部空间、人机界面、操作和交互过程正在发生性的变化。当前，汽车内部的信息模型已经从单一的行车和车况信息模型逐步发展成为包括汽车信息、汽车间（Car to Car）信息、汽车和其它信息载体（Car to互的信息在内的复杂信息体系 1。在这样的复杂信息体系下，驾驶员除了完成汽车、保持车道、道路状况等主驾驶任务（Primary Task）外，还执行着大量和收稿日期：2012-06-06基金项目：基亚自然科学基金（60903090）、湖南省自然科学基金（11JJB002）、汽车车身先进设计制造课题、诺Mobile in Automobile 项目资

7、助。316汽车工程学报第 2 卷驾驶无关或不直接相关的驾驶次任务（In-vehicleSecondary Task），这些次级任务会在不同程Workload）、情境意识（Situation Awareness）等认知指标的影响。驾驶分心属于驾驶过程中多任务情况下注意力分配问题 9，是驾驶员由于受到外界因素度上占用驾驶员的视觉、认知和动作，分散驾驶员的注意力，产生较高的认知负荷 2。许多研究都已经证明以车内信息交互为代表的次级任务严重影响着驾驶员的驾驶效能和交通安全 3-4。的影响，将其注意力与认知从汽车、保持车道、道路状况等基本驾驶任务上转移。美国微软的研究表明，驾驶中的人机交互很容易威胁 1

8、0。引起注意力分散，从而对行车安全虽然驾驶复杂性快速增加和驾驶险的问题，但是大量的车载信息系统（In-vehicle Information System，IVIS）还是不断进入到汽车驾驶空间中 5。按照 Norman 的观点，追求复杂是驾驶分心的关键问题在于驾驶分心的注意力分散源，注意力分散源可分为可避免的（Avoidable）和不可避免的（Unavoidable）两类 11。一般说来， 可避免的注意力分散大多数驾驶员选择了忽略它人类对功能和情感体验需求的体现，问题的们。不可避免的注意力分散则包含突发或驾关键不是简单地减少复杂，而是通过精心的设计来良好地管理复杂，为用户提供复杂但易用的产品

9、6。汽车也不例外。汽车驾驶及交互空间的复驶过程中必须完成的任务，如看速度表等，都是对驾驶绩效产生重要影响的要素。一般通过提高驾驶员的辨别应对能力和良好的交互界面设计来杂性是驾驶员追求驾驶体验和信息功能需求减少对驾驶的分心。除了分散源以外，交所造成的。因此，在复杂信息情境下，关于汽车通部和美国丰田技术研究中心的研究表明，驾驶任务持续时间也是影响驾驶分心的一个因素 12。人机交互界面设计的一个关键性问题在在设计人机交互界面和信息系统过程中，既满足驾驶员次级任务需求，又保证驾驶安全和效能。在这样的情况下，汽车人机交互界面及其相关的设计问题就必然成为当前汽车工程和人机界面领域的 关键性问题之一。驾驶负

10、荷则是认知知过程中驾驶员的的有限性问题，即认能力有限带来的负荷。驾驶负荷是一个度的结构，与驾驶环境下的多任务密切相关，受到任务、驾驶外部支持和因素的影响 13。从汽车人机界面设计的角度看驾驶负荷则应维持在合理水平，过高和过低的负荷 水平均不利于驾驶的绩效14。英国南安普顿大学、美国麻省理工大学、美国乔治亚理工大学等的研1驾驶是一种高度复杂的任务。驾驶行为包含计划、策略和3 个水平的任务层级和 1 600 个任务7-8。在上述驾驶相关的任务中，最主要究表明，工作量强度、情绪以及交互系统的智能水平均对驾驶负荷产生重要的影响 15-17。情境意识（Situation Awareness）是指用户对环

11、境中变化的情境的感知和认知能力，它解释了驾驶员如何管理驾驶的长期目标（到达目的地） 和短期目标（避免事故）之间的关系 18-19。情境意识对于感知一定时间和空间环境要素，从而理解其意义并推测将来状态具有非常重要的作用。的任务是汽车、保持车道和道路，而以车内复杂信息交互就是上述主要的因一。因此，汽车用户界面的驾驶行为和认知的研究，都会在驾驶任务和交互任务两个方面进行研究。近年来，汽车人机交互的相关因素主要包括相关的信息和情境因素对驾驶分心（Drive Distraction）作用，并在此基础上造成的对驾驶负荷（Drive汽车人机交互界面设计中的人的因素317第 5 期等：汽车人机交互界面设计研究

12、大量研究显示，人机交互界面复杂性增加，对驾个重要问题就是所谓的感问题。随着汽车不驶员情境意识有影响。例如，Tractinsky 等的断配备先进的驾驶辅助系统，驾驶员已经不再是 汽车驾驶的唯一决策者。驾驶辅助系统设计的目 的是多方面辅助驾驶员从而让驾驶更安全和舒适，这些系统甚至可以改变对驾驶的理解，特别是当研究表明，有经验驾驶员对险情的探测识别能力都好于无经验驾驶员；但是如果驾驶员使用，由于情境意识降低，险情的感知能力会降低到与新驾驶员一样的水平 20。系统接管了一项特定的驾驶任务，例如速度。目前，最的是与驾驶辅助系统的交互常2常下降到纯粹的功能层面。尽管放弃权常常从以人为中心的角度出发，从驾驶

13、员主要交互行为的角度，可以将汽车内室人机交互界面划分为：主驾驶界面、辅助驾驶界面、车内外信息是信任的表现，但是当驾驶辅助系统接管任务，驾驶员必须相信汽车正在做的是正确的事 21。对于系统能力的过高评价将会导致和潜在的危交互与（图 1）。界面、移动设备与车的整合交互界面险情况，这样会降低驾驶员的信任感。这些均是辅助驾驶界面设计的关键。图 2 中的辅助停车系统充分保证了驾驶员的感。主驾驶界面车内外信息交互与界面辅助驾驶界面移动设备与汽车的整合界面图 1 汽车人机交互界面图 2 E-Park 辅助停车界面设计主驾驶界面主要是驾驶员方向盘、查看设计者：、华、（湖南大学）前方路况、踩踏油门、制动、离合器

14、等踏板的基本操作。其设计是传统的汽车内室设计范围，在此不详细叙述。车内外信息交互与界面包括收听广播音乐、车内、GPS 导航、以及收发辅助驾驶界面包括查看信息、操作雨邮件和等。用户可以获得汽车当前状态的信刷、灯光、智能驾驶系统（如自适应定速巡息，汽车传感器获得的信息以及通过网络整合的信息（例如天气和交通状况）。不断发展的智能航）、停车辅助，帮助保持车道，保持稳定速度的同时又与前车保持安全距离，警告各种潜在危 险等辅助驾驶操作。图2 是一个停车辅助界面设计， 该界面通过距离传感器感应前后汽车与自身汽车 位置，并将反馈信息以图形化方式展现到中控台，辅助驾驶员进行侧方位停车。辅助驾驶系统的一交通系统以

15、及“车”交流技术，使有关汽车所在环境的可用信息增加。从技术上看，汽车是直接从其它汽车上得到了信息流，但是问题的关键在于驾驶员如何选择画面，如何将这个呈现给驾驶员，这正是人机交互界面需要解决的问题。汽车人机交互界面设计318汽车工程学报第 2 卷图 3 是关于车队之间进行信息交流的界面设计。该界面通过互联网蜂窝数据进行传送，当前的界面状态为车队领头汽车更改行车路线后，每个汽车在界面上收到的信息。3在界面本体的基础上，交互模式设计也是汽车人机交互界面设计的关键。传统的汽车人机交互界面的交互方式主要基于方向盘、物理按钮以及其它相关的设备（如转向杆）的交互形式。经过汽车百年的发展历史，基于驾驶的物理交

16、互方式已经非常成熟，被认为是效能较高的交互方式和模式。但是，随着智能交通系统、互联网等信息系统逐步引入，基于物理按钮的交互方式面临新的形势和巨大。一个典型的情况就是物理操作器数量的急剧上升 1，5。由于新的功能不断涌入汽车，按键和旋钮等物理操作器的数量急图 3 EasyGo 车队导航系统界面设计设计者：、（湖南大学）剧上升。大多数用户这样的交互界面，都会移动设备与车的整合交互界面包括、平产生恐惧。在这样的情况下，汽车人机交板电脑等设备在车内的使用导致的车载界面和汽 车界面发生的变化以及移动设备在车内的应用等。驾驶时，驾驶员在与许多移动设备交互，这些交互可能会影响到驾驶表现和视觉注意力。因此，

17、在界面设计上，如何为这些车内设备设计界面和交互方式而不造成认知负荷就成为设计的关键。互界面交互方式必然向着在功能日益增加的内室信息交互环境下甚至减少按钮数量的展。多通道人机交互模式主要集中在自然交互和增强现实两个方面。3.1自然交互自然交互是指直接通过人作为传感器，直接例如亚亚车载模式（Nokia Car Mode）是由基于驾驶认知负荷的研究，面向驾驶中设备而不必通过物理的器。与汽车内室相关的比较典型的自然交互包括语音交互、触屏交互和体感位置交互。信息需求开发的的导航、通话和用户界面。其提供基于功能，并可以通过声音作为设备来进行交互首先需要解决Mirrolink 技术与车载显示系统交互，共享屏

18、幕。22（图 4）。的是在技术层面提升语音识别技术。由于语言具有较大的复杂性和车载信息系统学习的难度，因此，当前主要集中在基于导航系统指令上。导航语音的最大优势在于其地理位置信息的有限性，且信息格式相对简单。例如在国内凯立德开发了语音的导航系统，就是使用语音进行导航的设备。除了导航以外，对于层级菜单而言，声音也具有较大的优势，特别是对于那些层次较为复杂的菜单树，声音控制具有较大的优势。图 4亚车载模式多通道人机交互模式设计319第 5 期等：汽车人机交互界面设计研究触屏交互作为一种典型的自然交互形式在手持移动设备上取得了。然而，在汽车信息系统中，触屏交互受到一定的局限。首先在汽车的复杂情况下，

19、触屏交互在器的识别层面，没有物理器那么容易。其次，在汽车驾驶情境下，触屏交互在反馈上也不如物理按钮和移动设备的振动反馈那么明显。但是触屏显示的优势是可以解决物理按钮只能担任一个功能进而导致按钮数量增加的问题。同时，在现有的基于移动设备的设计范例下，触屏交互已经开发出了完整的设计范例，非常易于移植和使用。最为经典的图 6奔驰概念车中抬头显示菜单的手势3.2增强现实增强现实是将屏幕上的虚拟信息和现实世界信息进行嵌套，并以此为基础进行交互。在汽车人机交互设计领域，增强现实和快速发展的平视显示（Head-up Display，HUD）进行结合。平视显是概念车 200C 是采用全触屏的，整个内室没有一个

20、物理按钮，实现了完全的触屏控制 23（图 5）。示将信息直接投影到前挡风上，进而产生虚拟图形。平视显示很大程度上解决了当前驾驶员查看汽车显示设备时需要视线扫视（Glance）带来的安全隐患。图 7 就是将增强现实和平视显示结合对目标进行导航的案例。图 5200C EV 概念汽车的全触屏内室界面体感位置交互是未来人机交互设计的重要方向。微软的以 Kinect 为基础的交互方式，使体感交互获得了巨大的发展。由于汽车的特殊环境， 在传统的汽车中开展体感位置交互主要包括头部运动的交互和手部运动的交互。然而这样的情况正在发生改变。目前，电动汽车的快速发展，导图 7 导航系统的增强现实平视显示设计设计者：

21、霖、（湖南大学）4汽车人机交互界面设计是一个全新的课题， 需要在设计内容、方法和流程上进行全新的思考和实践。信息和网络技术的快速发展使车内的体验发生巨大的变化，车内交互、自适应用户界面、车载交互设备正在为更加有效的汽车驾驶体验做出更大的贡献。汽车人机交互界面领域的设计和致汽车驾驶交互行为上可能不再受到传统的机械操作的影响。这使汽车内室的人机交互方式可能出现性的进展。目前已经有部分的设计案例属于本类。例如，奔驰概念车中的抬头显24示菜单，就是通过手势体感交互形式进行（图 6）。结论320汽车工程学报第 2 卷研究方兴未艾。本文分别从人的因素、界面设计和交互模式设计 3 个方面对汽车人机交互界面设

22、计和研究进行了探讨，描绘出了学术界和工业界在该领域发展的现状。值得一提的是，在技术高速发展的同时，作为设计师而言，需要去思考人的因素在汽车人机交互界面设计中的作用。设计的目的是为人们提供更好的生活，而不仅仅是对技术的展示。有理由相信，通过设计，未来的汽车人机交互界面将带给人们更好的生活和驾驶体验。参考文献 (References):1SCHMIDT A，SPIESSL W，KERN D. Driving Auto- motive User Interface ResearchJ. IEEE Pervasive Com- puting，2010(1-3)，85-88.WANG J S，KNIPL

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