汽车人机交互课件：汽车人机交互评价概况

汽车人机交互1

汽车人机交互评价概况CONTENT&1汽车人机交互评价的发展&1.1

汽车人因工程&1.2可用性评价&2汽车人机交互测试方法&2.1驾驶次任务测试&2.2模拟测试台架与实验仪器&1.1汽车人因工程汽车人机交互的评价是一个新兴的研究领域，它的研究基础主要来自于汽车人因工程以及非汽车领域的人机交互系统可用性评价。汽车人机交互评价概述人因工程学（humanfactors）是心理学理论在工程和设计领域的应用。汽车人因工程主要研究驾驶员在驾驶车辆时候的心理学模型、行为与错误、工作负荷、对技术的信任等问题。汽车人因工程与人机工程（ergonomics）所研究的范围有相似之处，但后者更偏向于人体的坐姿、视野、动作便利性等问题。汽车人因工程4汽车人因工程与驾驶行为心理学模型5&1.1汽车人因工程行为与机制研究：不仅研究驾驶行为本身，更需借助心理学模型揭示其内在机制。Stanton驾驶行为心理学模型：涵盖七个核心因素（右图所示）：反馈：驾驶员操作后获得的系统回应。信任：车辆表现的可预测性与可靠性。控制点：个体将事件归因于自身或外部环境的倾向。脑力负荷：驾驶任务对驾驶员认知资源的占用程度。应激反应：因驾驶或生活压力引发的情绪与生理状态变化。情境意识：驾驶员为执行任务而在特定时刻激活的全局道路系统知识。心理表征：驾驶员内心构建的、可能与实际不符的理解与推理模型。驾驶分心研究概述由于汽车人机交互系统从2010年代才开始快速发展，关于它的研究在汽车人因工程领域处于起步阶段，尚未形成完整的、系统化的理论体系。一些早期的汽车人机交互研究主要侧重于阅读仪表、跟随导航引导等与驾驶本身强相关的任务，而并没有全面地覆盖当前主流的人机交互产品范围。汽车人机交互系统研究现状驾驶分心的来源是复杂的、多样的，可以是自愿的或不自愿的，可以是车内的或车外的，可以是外部事件或内心想法。分神、吃东西、交谈、使用手机、使用汽车人机交互系统都是驾驶分心的来源。驾驶分心的来源驾驶分心（driver

distraction）是汽车人因工程的一个细分研究领域。作为道路交通事故的重要原因之一，它的研究历史可以追溯到1960年代。驾驶分心的定义与历史6&1.1汽车人因工程可用性研究的多维度指标还有很多其他研究者对可用性提出了不同的指标定义，如表所示。其他研究者的贡献04有用性：产品的功能能否实现。易用性：交互效率、易学性和用户的主观满意度。Hartson的可用性二分法02易学性：用户可快速掌握操作。高效性：用户能高效达成目标。可记忆性：系统使用方法不易遗忘。出错率：用户操作中的错误频率。主观满意度：用户对使用过程的主观感受与接受度。Nielsen的可用性五要素01用户在特定的使用场景下，为了达到特定的目标而使用某产品时，所感受到的有效性、高效性、满意度。ISO9241-11的可用性定义037研究者可用性指标JakobNielsen易学性、高效性、可记忆性、出错、满意度RexHartson有用性、易用性（效率、易学性、满意度）NigelBevan/ISO有效性、高效性、满意度BrianShackel易学性、有效性、态度、灵活性Stanton和Baber感知有用性、任务匹配、任务特性、用户条件DonaldNorman利用常识、任务结构简单、事物可见、映射正确、使用自然力量和人为约束、容错的设计、标准化BenShneiderman学习时间、运行速度、出错率、留存率、主观满意度&1.2可用性评价可用性测试中的主观问卷量表SUS（SystemUsabilityScale，系统可用性量表）就是一种常见的量表，如表&2所示。它由10个标准问题组成，其中5个为正向问题，5个为负向问题。每个问题的计分形式采用5分制的李克特量表（Likertscale）。SUS量表介绍在典型的可用性测试（usabilitytest）过程中，被测用户会在使用交互产品之后，回答一份主观问卷量表，将自己的感受反馈给研究者。可用性测试过程SUS和NASA-TLX都适用于所有产品的可用性测试，包括汽车人机交互系统。量表的适用范围NASA-TLX（任务负荷指数）量表也被广泛使用。它包括6个主观性问题，涉及脑力需求、身体负担、时间需求、任务绩效、努力程度和挫败感。NASA-TLX量表介绍8&1.2可用性评价&2汽车人机交互测试方法在自然驾驶研究中，驾驶员驾驶车辆在真实用车场景下行驶，试验过程的数据记录是在不干扰驾驶员正常驾驶的前提下进行的自然驾驶研究（naturalisticdrivingstudy，NDS）汽车人机交互中的常用任务通常都是驾驶次任务，即需要驾驶员一边驾驶车辆一边进行操作。驾驶次任务的研究主要采用三种试验方法驾驶次任务测试实路操作测试是较大规模的场地测试项目，主要用于评估汽车相关解决方案（如导航和交通信息系统、驾驶辅助系统）的效率、质量、鲁棒性和接受度。实路操作测试（fieldoperationaltest，FOT）驾驶模拟是在相对静止的环境下，利用计算机模拟和图像显示，让驾驶员驾驶虚拟车辆的研究方法，常被用来进行驾驶行为研究和驾驶次任务研究。驾驶模拟（drivingsimulation）9&2.1驾驶次任务测试自然驾驶研究（NDS）自然驾驶研究是在真实用车场景中，以非干扰方式记录驾驶员行为数据的方法，旨在获取最贴近实际生活的驾驶行为，为研究现实驾驶表现、后果与风险提供独特机会。任务干扰难以剥离：自然驾驶中驾驶员专注度不一，环境干扰复杂，难以单独量化人机交互对驾驶的影响；交互任务通常仅作为次任务出现，缺乏深度分析。安全与伦理限制：无法设置可能危及安全的复杂任务，制约了研究范围。数据采集局限：为避免干扰驾驶，设备较为简单，无法监测眼动等生理数据，定位精度也有限。成本与处理负担：测试周期长，数据量庞大，需投入大量时间、人力与资金。自然驾驶研究在人机交互研究中的局限性10研究通过在车上安装传感器等设备，采集车辆动力学、位置、驾驶员行为及音视频数据，广泛应用于驾驶行为分类（如激进、正常、谨慎）、分心研究、疲劳与酒驾分析，以及跟车模型评估等领域。该方法能持续采集数月甚至数年的日常驾驶数据，有效避免驾驶员因觉察被观察而改变行为，从而获得更真实的行为样本。&2.1驾驶次任务测试自然驾驶研究的定义与价值数据采集与应用领域自然驾驶研究主要优势实路操作测试（FOT）实路操作测试是大规模场地测试项目，主要用于评估车载解决方案（如导航系统、驾驶辅助系统）的效率、质量、鲁棒性与用户接受度。11测试通常在固定路线或专业封闭场地进行，遵循详细测试规程，力求实现流程标准化，以保证结果可比性与准确性。测试条件与标准化要求该测试对场地与流程要求高，路面等环境因素可能干扰结果，导致成本高、周期长。此外，其标准化与抽象化特点无法完全还原真实用车全场景，在创新或长时间连续场景研究中，仍不能替代自然驾驶研究。&2.1驾驶次任务测试测试车辆可配备眼动仪、DRT设备、高精定位等复杂采集装置，获取比自然驾驶研究更丰富的数据（如下图），尤其适合对人机交互任务进行精细化分析，并能追溯每次分心行为的源头。实路操作测试的定义与目的数据采集能力与技术优势测试的局限与适用边界驾驶模拟（drivingsimulation）驾驶模拟利用计算机与硬件设备，在静止环境中模拟驾驶行为，常用于行为与次任务研究。驾驶员通过方向盘、踏板控制虚拟车辆，系统通过视听与振动反馈交互。12（1）简易型：由显示屏、方向盘、踏板等组成。（2）静态座舱型：基于座舱改造，配备实车仪表台、内饰与环幕投影。（3）多自由度全景型：实车座舱置于可动模拟舱内，配合全景环幕，能模拟转向体感。（1）视角失真：画面视角与实景差异影响速度感知。（2）模拟眩晕：视觉与身体静止的反差引发眩晕。（3）座舱还原度限制：模拟器座舱布难以完全复现目标车辆人机交互设计，影响实际车型评价的准确性。&2.1驾驶次任务测试（1）绝对安全：可进行高风险测试，无实际碰撞危险。（2）场景灵活：道路参数、天气、交通密度等可自由设置，事件易重复触发。（3）效率较高：省去实车设备安装与转场时间，测试流程紧凑。驾驶模拟方法概述驾驶模拟的主要优势驾驶模拟器分类常见问题与局限&2.2模拟测试台架与实验仪器为了能够全面、高效地测试真实车辆的人机交互系统，作者所在研究团队开发出了实车驾驶模拟台架，如图&5所示。这种新型的驾驶模拟测试方法既能够采集丰富的实时驾驶行为数据，又能够在评价中充分考虑真实车辆的人机交互布局和设计因素。（1）实车驾驶模拟台架13实车驾驶模拟台架的5大组成部分直径7米、视角240°的环形屏幕，其画面由3台高清投影仪进行投射。大尺寸的环幕可以让驾驶员进行模拟驾驶时获得更好的沉浸感，驾驶表现更接近于在真实道路上驾驶。环形屏幕快速接入系统可在几十分钟内将量产车接入模拟环境，驾驶员在实车座舱内通过原车方向盘与踏板操控虚拟场景。专用设备采集车轮转向角与踏板行程、压力等数据，并实时输入模拟软件，实现对虚拟车辆的精准控制。快速接入系统测评管理系统能够将采集到的各类数据进行同步、整合与分析，并基于内嵌的评价体系对车辆的各个测试条目进行打分。测评管理系统模拟驾驶环境包含虚拟道路、车辆动力学模型与交通流等要素。道路设计基于中国实际道路场景，并依据具体测试项目与流程进行定制。为确保车辆动力学的真实性及系统中软硬件的良好协同，建议采用成熟的模拟驾驶软件（如SCANeRStudio）。模拟驾驶环境数据采集系统可获取三类数据：车辆数据（如加速、制动、方向盘转角）来自快速接入系统；道路数据（如行车速度、车道偏离、前车距离）来自模拟驾驶软件；生理数据（如注视位置、注视时间）则通过头戴式眼动仪采集。数据采集系统14&2.2模拟测试台架与实验仪器实车驾驶模拟台架的优势与注意事项通过快速接入系统连接的车辆在模拟驾驶环境中应当具有与真实道路上相似的转向手感、踏板脚感、加速性能和制动性能，否则测试结果可能与车辆的真实表现存在差异。注意车辆动力学还原测试使用真实量产车辆，无需像常规模拟器那样复原车内交互设备的布局，直接保留了原车的人机交互环境。优势：高真实性免还原能严格控制环境变量，排除实路测试中阳光角度、路面起伏等外界因素的干扰；且无需频繁转场调度，测试效率最高可提升3‑5倍。环境稳定与效率显著车辆停放的位置应该使驾驶员座位处在环幕的中心附近，让驾驶员观察到没有畸变的道路场景画面。同时，地平线高度、车道宽度也要进行精心调整，以达到最真实的驾驶感受。注意视角还原15数据采集全面且简便，车辆坐标等关键信息直接来自模拟软件，定位精准无偏差；同时可设计标准化任务与事件，并由计算机精确触发，避免了自然驾驶研究中事件发生的随机性。优势：数据精准与任务可控&2.2模拟测试台架与实验仪器（2）眼动仪眼动仪是心理学基础研究的重要仪器。眼动仪用于记录人在处理视觉信息时的眼动轨迹特征，广泛用于注意、视觉、认知心理学等研究领域。眼动仪的基本功能眼动仪从眼动轨迹的记录中提取注视点、注视时间和次数、眼跳距离、瞳孔大小等数据，进而还可以研究人们的内在认知过程。眼动数据的提取与分析在实路操作测试和驾驶模拟测试中，眼动仪都是非常重要的数据采集设备。眼睛是我们获取附近信息的重要媒介，可以将我们所看到的画面实时地传输给大脑。眼动仪的重要性16注视是视觉中心保持在某个点一定时间，以获取图像信息的过程。注视（Fixation）追随运动是观察者和观察物体处于相对运动状态下，为了保持观察物体在中央视野内的眼动行为，使视线一直保持在观察物体上。追随运动（Pursuitmovement）眼跳是视觉中心从一个点移动到另外一个点的快速眼动过程；由于眼跳过程中眼球处于快速移动状态，且眼跳的持续时间极短，所以人类的绝大多数的视觉信息是在注视过程中获取的。眼跳（Saccade）&2.2模拟测试台架与实验仪器眼动仪的分类及特点将眼动采集装置与摄像头集成于轻量化眼镜上，可采集被试者在真实环境中的眼动行为。被试者能自由移动并与环境自然交互，使实验结果更贴近真实场景。头戴式眼动仪同步录制视野画面并