1、第 2 卷 第 5 期2012 年 9 月Vol.2 No.5 Sept. 2012汽車工程學報Journal of Automotive Engineering汽車人機交互界面設計研究1，（1. 汽車車身先進設計制造2，3，湖南，長沙 410082；2. 湖南大學 設計藝術學院，湖南，長沙 410082； 3.亞，北京，100176）摘 要：隨著通訊與在交通工具領域的廣泛應用，汽車人機交互界面正在發生著巨大的變化。研究了汽車人機交互的相關因素對駕駛分心、駕駛負荷、情境意識等認知指標的影響，提出了汽車內室人機交互界面設計要素，并多通道人機交互模式設計的兩個主要方面自然交互和增強現實進行了探討與

2、設計實踐。對當前汽車人機交互界面設計具有一定的指導意義。： 汽車人機交互界面；人的因素；多通道人機交互模式號：TP39，TH122文獻標志碼：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隨著計算機技術和網絡技

6、術在交通工具領域的廣泛應用和車載技術的不斷發展，汽車的內部空間、人機界面、操作和交互過程正在發生性的變化。當前，汽車內部的信息模型已經從單一的行車和車況信息模型逐步發展成為包括汽車信息、汽車間（Car to Car）信息、汽車和其它信息載體（Car to互的信息在內的復雜信息體系 1。在這樣的復雜信息體系下，駕駛員除了完成汽車、保持車道、道路狀況等主駕駛任務（Primary Task）外，還執行著大量和收稿日期：2012-06-06基金項目：基亞自然科學基金（60903090）、湖南省自然科學基金（11JJB002）、汽車車身先進設計制造課題、諾Mobile in Automobile 項目資

7、助。316汽車工程學報第 2 卷駕駛無關或不直接相關的駕駛次任務（In-vehicleSecondary Task），這些次級任務會在不同程Workload）、情境意識（Situation Awareness）等認知指標的影響。駕駛分心屬于駕駛過程中多任務情況下注意力分配問題 9，是駕駛員由于受到外界因素度上占用駕駛員的視覺、認知和動作，分散駕駛員的注意力，產生較高的認知負荷 2。許多研究都已經證明以車內信息交互為代表的次級任務嚴重影響著駕駛員的駕駛效能和交通安全 3-4。的影響，將其注意力與認知從汽車、保持車道、道路狀況等基本駕駛任務上轉移。美國微軟的研究表明，駕駛中的人機交互很容易威脅 1

8、0。引起注意力分散，從而對行車安全雖然駕駛復雜性快速增加和駕駛險的問題，但是大量的車載信息系統（In-vehicle Information System，IVIS）還是不斷進入到汽車駕駛空間中 5。按照 Norman 的觀點，追求復雜是駕駛分心的關鍵問題在于駕駛分心的注意力分散源，注意力分散源可分為可避免的（Avoidable）和不可避免的（Unavoidable）兩類 11。一般說來， 可避免的注意力分散大多數駕駛員選擇了忽略它人類對功能和情感體驗需求的體現，問題的們。不可避免的注意力分散則包含突發或駕關鍵不是簡單地減少復雜，而是通過精心的設計來良好地管理復雜，為用戶提供復雜但易用的產品

9、6。汽車也不例外。汽車駕駛及交互空間的復駛過程中必須完成的任務，如看速度表等，都是對駕駛績效產生重要影響的要素。一般通過提高駕駛員的辨別應對能力和良好的交互界面設計來雜性是駕駛員追求駕駛體驗和信息功能需求減少對駕駛的分心。除了分散源以外，交所造成的。因此，在復雜信息情境下，關于汽車通部和美國豐田技術研究中心的研究表明，駕駛任務持續時間也是影響駕駛分心的一個因素 12。人機交互界面設計的一個關鍵性問題在在設計人機交互界面和信息系統過程中，既滿足駕駛員次級任務需求，又保證駕駛安全和效能。在這樣的情況下，汽車人機交互界面及其相關的設計問題就必然成為當前汽車工程和人機界面領域的 關鍵性問題之一。駕駛負

10、荷則是認知知過程中駕駛員的的有限性問題，即認能力有限帶來的負荷。駕駛負荷是一個度的結構，與駕駛環境下的多任務密切相關，受到任務、駕駛外部支持和因素的影響 13。從汽車人機界面設計的角度看駕駛負荷則應維持在合理水平，過高和過低的負荷 水平均不利于駕駛的績效14。英國南安普頓大學、美國麻省理工大學、美國喬治亞理工大學等的研1駕駛是一種高度復雜的任務。駕駛行為包含計劃、策略和3 個水平的任務層級和 1 600 個任務7-8。在上述駕駛相關的任務中，最主要究表明，工作量強度、情緒以及交互系統的智能水平均對駕駛負荷產生重要的影響 15-17。情境意識（Situation Awareness）是指用戶對環

11、境中變化的情境的感知和認知能力，它解釋了駕駛員如何管理駕駛的長期目標（到達目的地） 和短期目標（避免事故）之間的關系 18-19。情境意識對于感知一定時間和空間環境要素，從而理解其意義并推測將來狀態具有非常重要的作用。的任務是汽車、保持車道和道路，而以車內復雜信息交互就是上述主要的因一。因此，汽車用戶界面的駕駛行為和認知的研究，都會在駕駛任務和交互任務兩個方面進行研究。近年來，汽車人機交互的相關因素主要包括相關的信息和情境因素對駕駛分心（Drive Distraction）作用，并在此基礎上造成的對駕駛負荷（Drive汽車人機交互界面設計中的人的因素317第 5 期等：汽車人機交互界面設計研究

12、大量研究顯示，人機交互界面復雜性增加，對駕個重要問題就是所謂的感問題。隨著汽車不駛員情境意識有影響。例如，Tractinsky 等的斷配備先進的駕駛輔助系統，駕駛員已經不再是 汽車駕駛的唯一決策者。駕駛輔助系統設計的目 的是多方面輔助駕駛員從而讓駕駛更安全和舒適，這些系統甚至可以改變對駕駛的理解，特別是當研究表明，有經驗駕駛員對險情的探測識別能力都好于無經驗駕駛員；但是如果駕駛員使用，由于情境意識降低，險情的感知能力會降低到與新駕駛員一樣的水平 20。系統接管了一項特定的駕駛任務，例如速度。目前，最的是與駕駛輔助系統的交互常2常下降到純粹的功能層面。盡管放棄權常常從以人為中心的角度出發，從駕駛

13、員主要交互行為的角度，可以將汽車內室人機交互界面劃分為：主駕駛界面、輔助駕駛界面、車內外信息是信任的表現，但是當駕駛輔助系統接管任務，駕駛員必須相信汽車正在做的是正確的事 21。對于系統能力的過高評價將會導致和潛在的危交互與（圖 1）。界面、移動設備與車的整合交互界面險情況，這樣會降低駕駛員的信任感。這些均是輔助駕駛界面設計的關鍵。圖 2 中的輔助停車系統充分保證了駕駛員的感。主駕駛界面車內外信息交互與界面輔助駕駛界面移動設備與汽車的整合界面圖 1 汽車人機交互界面圖 2 E-Park 輔助停車界面設計主駕駛界面主要是駕駛員方向盤、查看設計者：、華、（湖南大學）前方路況、踩踏油門、制動、離合器

14、等踏板的基本操作。其設計是傳統的汽車內室設計范圍，在此不詳細敘述。車內外信息交互與界面包括收聽廣播音樂、車內、GPS 導航、以及收發輔助駕駛界面包括查看信息、操作雨郵件和等。用戶可以獲得汽車當前狀態的信刷、燈光、智能駕駛系統（如自適應定速巡息，汽車傳感器獲得的信息以及通過網絡整合的信息（例如天氣和交通狀況）。不斷發展的智能航）、停車輔助，幫助保持車道，保持穩定速度的同時又與前車保持安全距離，警告各種潛在危 險等輔助駕駛操作。圖2 是一個停車輔助界面設計， 該界面通過距離傳感器感應前后汽車與自身汽車 位置，并將反饋信息以圖形化方式展現到中控臺，輔助駕駛員進行側方位停車。輔助駕駛系統的一交通系統以

15、及“車”交流技術，使有關汽車所在環境的可用信息增加。從技術上看，汽車是直接從其它汽車上得到了信息流，但是問題的關鍵在于駕駛員如何選擇畫面，如何將這個呈現給駕駛員，這正是人機交互界面需要解決的問題。汽車人機交互界面設計318汽車工程學報第 2 卷圖 3 是關于車隊之間進行信息交流的界面設計。該界面通過互聯網蜂窩數據進行傳送，當前的界面狀態為車隊領頭汽車更改行車路線后，每個汽車在界面上收到的信息。3在界面本體的基礎上，交互模式設計也是汽車人機交互界面設計的關鍵。傳統的汽車人機交互界面的交互方式主要基于方向盤、物理按鈕以及其它相關的設備（如轉向桿）的交互形式。經過汽車百年的發展歷史，基于駕駛的物理交

16、互方式已經非常成熟，被認為是效能較高的交互方式和模式。但是，隨著智能交通系統、互聯網等信息系統逐步引入，基于物理按鈕的交互方式面臨新的形勢和巨大。一個典型的情況就是物理操作器數量的急劇上升 1，5。由于新的功能不斷涌入汽車，按鍵和旋鈕等物理操作器的數量急圖 3 EasyGo 車隊導航系統界面設計設計者：、（湖南大學）劇上升。大多數用戶這樣的交互界面，都會移動設備與車的整合交互界面包括、平產生恐懼。在這樣的情況下，汽車人機交板電腦等設備在車內的使用導致的車載界面和汽 車界面發生的變化以及移動設備在車內的應用等。駕駛時，駕駛員在與許多移動設備交互，這些交互可能會影響到駕駛表現和視覺注意力。因此，

17、在界面設計上，如何為這些車內設備設計界面和交互方式而不造成認知負荷就成為設計的關鍵?；ソ缑娼换シ绞奖厝幌蛑诠δ苋找嬖黾拥膬仁倚畔⒔换キh境下甚至減少按鈕數量的展。多通道人機交互模式主要集中在自然交互和增強現實兩個方面。3.1自然交互自然交互是指直接通過人作為傳感器，直接例如亞亞車載模式（Nokia Car Mode）是由基于駕駛認知負荷的研究，面向駕駛中設備而不必通過物理的器。與汽車內室相關的比較典型的自然交互包括語音交互、觸屏交互和體感位置交互。信息需求開發的的導航、通話和用戶界面。其提供基于功能，并可以通過聲音作為設備來進行交互首先需要解決Mirrolink 技術與車載顯示系統交互，共享屏

18、幕。22（圖 4）。的是在技術層面提升語音識別技術。由于語言具有較大的復雜性和車載信息系統學習的難度，因此，當前主要集中在基于導航系統指令上。導航語音的最大優勢在于其地理位置信息的有限性，且信息格式相對簡單。例如在國內凱立德開發了語音的導航系統，就是使用語音進行導航的設備。除了導航以外，對于層級菜單而言，聲音也具有較大的優勢，特別是對于那些層次較為復雜的菜單樹，聲音控制具有較大的優勢。圖 4亞車載模式多通道人機交互模式設計319第 5 期等：汽車人機交互界面設計研究觸屏交互作為一種典型的自然交互形式在手持移動設備上取得了。然而，在汽車信息系統中，觸屏交互受到一定的局限。首先在汽車的復雜情況下，

19、觸屏交互在器的識別層面，沒有物理器那么容易。其次，在汽車駕駛情境下，觸屏交互在反饋上也不如物理按鈕和移動設備的振動反饋那么明顯。但是觸屏顯示的優勢是可以解決物理按鈕只能擔任一個功能進而導致按鈕數量增加的問題。同時，在現有的基于移動設備的設計范例下，觸屏交互已經開發出了完整的設計范例，非常易于移植和使用。最為經典的圖 6奔馳概念車中抬頭顯示菜單的手勢3.2增強現實增強現實是將屏幕上的虛擬信息和現實世界信息進行嵌套，并以此為基礎進行交互。在汽車人機交互設計領域，增強現實和快速發展的平視顯示（Head-up Display，HUD）進行結合。平視顯是概念車 200C 是采用全觸屏的，整個內室沒有一個

20、物理按鈕，實現了完全的觸屏控制 23（圖 5）。示將信息直接投影到前擋風上，進而產生虛擬圖形。平視顯示很大程度上解決了當前駕駛員查看汽車顯示設備時需要視線掃視（Glance）帶來的安全隱患。圖 7 就是將增強現實和平視顯示結合對目標進行導航的案例。圖 5200C EV 概念汽車的全觸屏內室界面體感位置交互是未來人機交互設計的重要方向。微軟的以 Kinect 為基礎的交互方式，使體感交互獲得了巨大的發展。由于汽車的特殊環境， 在傳統的汽車中開展體感位置交互主要包括頭部運動的交互和手部運動的交互。然而這樣的情況正在發生改變。目前，電動汽車的快速發展，導圖 7 導航系統的增強現實平視顯示設計設計者：

21、霖、（湖南大學）4汽車人機交互界面設計是一個全新的課題， 需要在設計內容、方法和流程上進行全新的思考和實踐。信息和網絡技術的快速發展使車內的體驗發生巨大的變化，車內交互、自適應用戶界面、車載交互設備正在為更加有效的汽車駕駛體驗做出更大的貢獻。汽車人機交互界面領域的設計和致汽車駕駛交互行為上可能不再受到傳統的機械操作的影響。這使汽車內室的人機交互方式可能出現性的進展。目前已經有部分的設計案例屬于本類。例如，奔馳概念車中的抬頭顯24示菜單，就是通過手勢體感交互形式進行（圖 6）。結論320汽車工程學報第 2 卷研究方興未艾。本文分別從人的因素、界面設計和交互模式設計 3 個方面對汽車人機交互界面設

22、計和研究進行了探討，描繪出了學術界和工業界在該領域發展的現狀。值得一提的是，在技術高速發展的同時，作為設計師而言，需要去思考人的因素在汽車人機交互界面設計中的作用。設計的目的是為人們提供更好的生活，而不僅僅是對技術的展示。有理由相信，通過設計，未來的汽車人機交互界面將帶給人們更好的生活和駕駛體驗。參考文獻 (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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