第3章 智能车辆人机界面设计 本章亮点：  情境感知与人机交互： 驾驶分心、驾驶负荷、情境意识的交互设计认知指标。  智能车辆与人机界面： 多维度、多媒介、多显示、多通道的人机交互界面设计。  现代技术与人机交互： 新实体媒介与个性化交互方案是未来智能车辆设计趋势。  交通安全与人机交互： 人机控制方案与多通道融合交互方案创造智能、舒适、安全驾乘体验。 引言 人机交互的发展历史，是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史，大体经历了早期手工作业、作业控制语言及交互命令语言、图形用户界面(GUI)、网络用户界面和多通道、多媒体的智能人机交互阶段等几个不同阶段。当前，车辆智能化、网联化趋势不断加深汽车产业数字化变革，随着互联网、大数据和人工智能等先进技术在交通工具运输领域的应用与发展，车辆的内部空间、人机界面、交互方案和操作方式正在发生革命性的变化，人机交互设计已经成为智能车辆发展和创新的核心要素。未来，智能车辆将围绕自动驾驶系统、车载信息娱乐系统、智能人机交互系统、道路信息感知系统等一系列功能，将以车辆作为载体建立起一个特殊的生态系统，实现智能车辆的场景化应用和拓展。车辆从一个运载工具，发展为包含个人空间、公共空间和社交空间的设计对象。本章重点聚焦于智能车辆人机界面设计、人机交互方案设计、人机系统设计，展现出最前沿的智能车辆人机交互设计。 3.1智能车辆人机系统 智能车辆是指通过搭载先进传感器、控制器、执行器等装置，运用信息、通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术，具有部分或完全自动驾驶功能，由单纯交通运输工具逐步向智能移动空间转变的新一代车辆。 智能车辆能将驾驶员从繁琐的驾驶任务中解放出来，驾驶员无须将注意力集中在驾驶操作上，若没有良好的车辆人机交互体验，不仅会降低整个行程的操作效率，还会使整个行驶过程变得糟糕而无聊，因此智能车辆人机系统是提升用户体验的关键。 3.1.1人机系统概述 1. 人机系统的定义 任何机器、设备和器具，都需要人来操纵、监控或使用，人与机器相互作用、相互配合和相互制约，才能共同实现预期的功能，完成预期的任务。将人与机器联系起来，视为一个整体或系统，就称为人机系统。人机系统处于一定的环境之中，并与周围环境发生相互作用。 第3章智能车辆人机界面设计 智能车辆人机工程 2. 人机系统的分类 按有、无反馈控制环节分类，人机系统可分为闭环人机系统和开环人机系统两大类。 闭环人机系统的主要特征是系统的输出对控制作用有直接影响，即系统过去的行动结果返回去控制未来的行动。若由人来观察和控制系统的输入、输出信息，则称为人工闭环人机系统； 若由自动控制装置来代替人的工作，人只起监督作用，则称为自动闭环人机系统。驾驶员车辆道路系统的方向操纵运动就是一个人工闭环人机系统的典型实例。 开环人机系统的主要特征是系统的输出对控制作用没有影响，虽然它也能提供系统输出的信息，但此信息不用于进一步影响输入。 3. 人机系统的功能 人机系统的功能可概括为信息接收、信息存储、信息处理和执行功能四大项。人机系统与周围环境的相互作用， 表现为人机系统的输入和输出。信息的接收、处理和执行功能是按系统过程的先后顺序发生的，而信息的存储则与这三项功能都有联系，它们之间是相互作用的。 3.1.2车辆人机系统组成及设计内容 1. 车辆人机系统组成 1) 显示装置 显示装置是车辆人机系统中功能最强大、使用最广泛的人机界面元素。在车辆人机系统中，显示装置通过可视化的数值、文字、曲线、图形、图像等向人传递信息。当前车辆显示装置按照显示的视觉信息形式划分为数字式、模拟式和屏幕式； 按照显示信息的特点可分为定性显示(仅显示信息的性质、趋势，如仪表板车况信息等)和定量显示装置(用数量信息表示车辆动态变化信息)。 2) 操纵装置 操纵空间是驾驶员用来操作车辆以改变其运行状态的装置。车辆操纵装置的基本功能是将驾驶员的响应输出为车辆的输入信息，进而控制车辆的运行状态。显示装置、操纵装置和驾驶员共同组成了一个完整的人机系统的信息传递环节。 操纵装置按照操作部位的不同可分为手操纵装置和脚操纵装置。常见的手操纵装置包括转向盘、旋钮、按键、挡杆、屏幕等； 脚操纵装置主要有踏板和脚踏钮两种。此外，操纵装置还可以按照操作功能(开关类、转换类、调节类等)和操作动作(旋转控制、摆动控制、按压控制、滑动控制等)进行分类。 3) 作业空间 作业空间是驾驶员操作车辆所需的活动空间，以及车身、中控台、座椅、发动机舱等所占的空间总和。优良的作业空间可以使驾驶员及乘客获得更加可靠、舒适的驾驶体验，并能提高驾驶员的工作效率。 2. 车辆人机系统设计内容 1) 车辆人机系统的功能分配 把分解了的系统功能逐一分配给“人”或“机”是功能分配的主要任务。分配必然要求合理，而合理却是一个价值判断的命题。长期的设计实践，产生了一系列功能分配的一般原则。 (1) 比较分配原则 比较分配是指关于“人”与“机”的特征机能的比较，并据此进行“客观、逻辑”的功能分配。适合“人”做的就分配给“人”，适合“机”做的就分配给“机”。例如，在处理信息方面，“机”的特征机能是按预定程序可高度准确地处理数据，记忆可靠而且易提取，不会“遗忘”信息； “人”的特征机能是有高度的综合、归纳、联想、创造的思维能力，能记忆，模式识别能力强。因此，设计信息处理系统时，可根据“人”“机”各自的特性进行功能分配。 (2) 宜人分配原则 宜人分配原则是适应现代人的新观念的一种分配方法，要求人完成的工作应当充分体现人的价值和能力，并且通过完成此项工作，能够发展人的能力，证明人的价值。因此，功能分配以人为中心，有意识地尽可能发挥人的特长、能力、智慧和创造性，同时注意补偿人的能力限度。 (3) 弹性分配原则 弹性分配原则是现代科学技术，尤其是电子计算机发展的结果。它的基本思想是由人(使用者、操作者)自己选择参与系统行为的程度，也就是说系统设有多种相互配合的人机接口，操作者可以根据自己的价值观、需求和兴趣进行自由选择，为自己分配一定的功能。这种分配方法一般只适用于计算机控制的系统。例如，现代民航客机，飞行员可在自动飞行或手控飞行上做多种选择，其系统的控制功能就符合弹性分配的原则。 2) 人机界面设计 (1) 显示装置空间布置 显示装置空间布置主要考虑操作者的观察距离和确定显示装置相对于操作者的最优布置区域。为提高工作效率、减轻工作疲劳，应保证操作者尽量不转动头部和眼睛就能看清显示装置。 在布置区域内，显示装置的排列顺序最好与其认读顺序一致，相互联系越多的显示装置应越靠近，并要考虑彼此间逻辑上的联系，还必须考虑到显示装置的重要性、观察频率和功能，以及与操纵装置的协调关系。当有很多显示装置时，应根据它们的功能分区排列。 (2) 操纵装置空间布置 操纵装置的空间布置首先要遵循与其功能、特性和操纵特点相适应，并尽可能减小操纵力。当具有多个操纵装置时，应将较重要和使用频率较高的优先布置在最佳操作区域，即便于施加操纵力、便于观察、便于伸及的区域。对于功能上存在逻辑关系的或者有顺序要求的操纵装置，应该考虑功能组合和按使用顺序排列，所采用的排列顺序还应该与人所习惯的排列形式相适应。要保证能够正确地使用操纵装置而不受附近其他操纵装置的影响，操纵装置之间应当有一个最小的分开距离。 (3) 显示装置与操纵装置的一致性 在人机系统设计中，需要考虑操纵装置与显示装置的协调性。设计合理的操纵装置和显示装置会使日常的监视工作变得容易得多，也可以减少由于混淆而造成的读数错误。 为保证操纵装置与显示装置的协调关系，应该考虑以下原则： 显示装置应与相应的操纵装置尽可能地靠近，并且位置相对应； 可在操纵装置和显示装置上方贴上标签； 当具有多组操纵显示装置时，显示装置的顺序与操纵装置的顺序要相同，且方向一致； 若控制台上的操作不是按顺序进行的，则应对操纵装置和显示装置按功能分类，并可用不同的编码加以区分。 3) 人机系统分析与评价 人机系统的分析与评价是依据一定的标准，采用系统工程的方法，对系统和子系统的设计方案进行定性和定量的分析和评价，目的在于全面了解系统设计的优、缺点，分析存在的问题，为改进设计提供依据。 从综合效果考虑，对人机系统设计的评价可提出下列标准： 安全标准，系统运行安全，并且具有安全防护措施； 可靠标准，系统在额定的时间范围内不出现故障； 经济效益标准，系统运行高效、低成本、低能耗，使总体效能最经济； 宜人化标准，系统适应人的生理和心理特性，使操作者和使用者感到舒适、方便； 社会效益标准，系统运行过程中不对社会产生危害，并为社会创造良好的产值和附加值。 3.1.3智能车辆人机系统示例——Tesla Model 3 1. 系统功能概述 Tesla Model 3，标志性意义的人机系统设计，成为汽车业内一个颠覆式创新。采用极简的内饰设计，精简了物理按键，甚至连仪表都不复存在，所有的一切交互控制都集成在一块中控大屏上，如图31所示。 图31Tesla人机系统界面图 Model 3的15英寸屏幕整体上分成了导航栏、状态栏、车况信息区、内容切换区。 导航栏： 基本型功能的操作入口，这些功能以浮窗的形式在内容切换区显示。 状态栏： 一些时间、信号、车锁等状态信息。 车况信息区： 原来属于仪表的一些信息，如驻车/行车相关的车门状态、车速、警示灯等； 由于该区域离驾驶员较近，所以还有些本属于转向盘按键的功能，如雨刷、语音等。 内容切换区： 默认显示地图导航信息，其他的功能以浮窗的形式显示。这和荣威ERX5 的设计理念是相似的，汽车的本质在于为消费者提供位置服务，地图是位置的天然载体，所以采用以地图为系统底图，将所有服务“种植”在地图上。 2. 场景化设计 由于删减了很多实体按键，所有的信息展示和车辆控制都集合到了15英寸的大屏。为了避免过高的信息密度，场景化设计便是Model 3最重要的思路，在不同的场景显示不同的内容，满足当前场景下的功能需求。 车况信息区： 在驻车时显示车门状态、前后舱门开关和充电口开关。在行驶中显示辅助驾驶相关信息。车速低于24km/h时自动寻找车位，然后用户决定开始自动泊车。如图32所示。 内容切换区： 以地图为底图，在驾驶过程中，导航最重要，而多媒体只在一个mini栏 显示少量信息，用户往上滑动再多显示些收藏的内容，再往上滑动显示更多的内容。 图32Tesla驾驶场景化设计 另外，导航设置中有一项“Trip Planner”，可以根据电量情况把充电站点自动规划到导航路线中，如图33所示。 图33Tesla驾驶场景化设计 3. 人机交互 Model 3的人机交互有三种方式： 物理按键（滚轴、左右控制杆）； 语音； 触屏。Model 3抛弃传统车辆的思维模式，尽可能多 地舍弃物理按键，大屏承载了几乎所有的控制功能。转向盘上仅有的滚轴按键简直复用到了极致。结合触屏上的内容切换，左滚轴可以控制音量增减、音乐切换、外后视镜、转向盘(上/下，伸/缩)，右滚轮可以控制语音唤醒、巡航车速和车距，如图34所示。 图34Tesla滚轮式物理人机交互 传统车型保留物理按键是为了安全驾驶，用户可以根据肌肉记忆去点击/旋转物理按键，而触屏就需要用户将视线离开道路在屏幕上找到按键。Behance上有位设计师Michael Cherkashin基于Model 3的UI，在触屏操作方式上根据驾驶者物理操作习惯尝试设计了两种操控方式： 2点触控和3点触控，有些类似Apple产品的某些多点手势操控。当然这只是一个尝试，可行性还有待考量。如2点触控： 点击屏幕播放和暂停、旋转控制音量、横向滑动快进、上下滚动切换播放源等操作； 3点触控： 驾驶员一侧旋转调节整辆车的温度、乘客一侧旋转调节双区空调、上下滚动调节风量等操作。 4. 辅助驾驶 1) 自适应巡航系统 Model 3把自适应巡航作为一个“挡位”放在怀挡上，可以预见这也是为之后更高等级的自动驾驶做准备。自动驾驶与 P、R、N、D挡位设计成同一等级，在用户心智模型和交互形式上都非常适当。另外，转向盘右滚轴上下调巡航车速，左右调巡航车距，在驾驶过程中的体验也很流畅自然。即便车辆在没有开启巡航时，右滚轴左右也可以调车距，但上下滚动是没有其他响应的，如图35所示。 图35Tesla自适应巡航示意图 2) 自动泊车系统 当车速低于24km/h时，系统会自动寻找车位，不需要用户额外按 Autopark，不需要选择车位类型，不需要选择左边还是右边车位，如图36所示。用户只想有个地方停车，管它横的竖的左的右的。Model 3的自动泊车就三步： 刹车停止是为了D挡转R挡，挂R挡位，点击屏幕中的“Start”按键。 图36Tesla自动泊车示意图 3.2智能车辆人机界面 3.2.1人机界面设计内容 随着通信与信息技术在交通工具运输领域的广泛应用，智能车辆人机交互界面正在发生巨大的变化。本节从智能车辆人机交互中人的相关因素出发，考虑驾驶分心、驾驶负荷、情境意识等认知指标的影响，提出智能车辆内室和外室人机交互界面设计要素。车辆驾驶及交互空间的复杂性是驾驶员追求更多驾驶体验和信息功能需求所造成的。因此，在复杂信息情境下，关于车辆人机交互界面设计的一个关键性问题在于如何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，车辆人机交互界面及其相关的设计问题就必然成为当前车辆工程和人机界面领域的重大关键性问题之一。 1. 车辆人机界面设计人的因素 驾驶行为是一项高度复杂的任务。驾驶行为包含计划、策略和操纵3个水平的任务层级和1600个独立任务。在上述驾驶相关的任务中，最主要的任务是控制车辆、车道保持和道路风险监控，而车内复杂信息交互就是上述任务主要的内容之一。因此，针对车辆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，针对车辆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)的作用，并在此基础上造成驾驶负荷(Drive 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资源分配问题，是驾驶员由于受到外界因素的影响，将其注意力与认知资源从控制车辆、保持车道、监控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引起注意力分散，从而对行车安全构成威胁。驾驶分心的关键问题在于引发驾驶分心的注意力分散源，注意力分散源可分为可避免的和不可避免的两类。一般来说，对于可避免的注意力分散大多数驾驶员选择了忽略它们。不可避免的注意力分散则包含突发事件或驾驶过程中必须完成的任务，如观测车辆仪表等，都是对驾驶任务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减少对驾驶的分心。除了分散源以外，加拿大交通运输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。 驾驶负荷则是认知资源的有限性问题，即认知过程中驾驶员的加工能力有限带来的负荷。驾驶负荷是一个多维度的结构，与驾驶环境下的多任务密切相关，受到任务、驾驶外部支持和个体因素的影响。从车辆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。英国南安普顿大学、美国麻省理工学院、美国佐治亚理工大学等的研究表明，工作量强度、个体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。 情境意识是指用户对环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。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。大量研究显示，人机交互界面复杂性增加，对驾驶员情境意识有重大影响。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手机，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。 2. 车辆座舱人机界面设计因素 从以人为中心的角度出发，从驾驶员主要交互行为的角度，可以将车辆座舱人机交互界面划分为主驾驶界面、辅助驾驶界面、车内外信息交互与娱乐界面、移动设备与车的整合交互界面，如图37所示。 图37车辆人机交互界面 1) 主驾驶界面 主驾驶界面主要是驾驶员操纵转向盘、查看前方路况、踩踏油门、制动、离合器等踏板的基本操作。其设计是传统车辆内室设计范围，在此不详细叙述。 2) 辅助驾驶界面 辅助驾驶界面包括查看仪表盘信息、操作雨刷、灯光控制和高级驾驶辅助系统，实现智能车辆的车道保持、车速协调和车距控制，同时检测并预警各种潜在危险的辅助驾驶操作。本小节主要对高级驾驶辅助系统展开叙述。 图38高级驾驶辅助系统传感器 ADAS(Advanced Driving Assistant System)，即高级驾驶辅助系统，是指利用安装在车辆上的各种传感器，如毫米波雷达、激光雷达、摄像头、超声波雷达等，如图38所示，感知车身周围环境并收集数据，进行静、动态物体辨识、侦测与追踪，并进行系统的运算和分析，从而让驾驶者预先察觉到可能发生的危险，有效增加车辆驾驶的舒适性和安全性。 现代智能车辆中存在许多ADAS应用，一些突出的例子如下： (1) 自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking，AEB) AEB系统即紧急刹车系统利用雷达侦测和前车的距离，如图39所示，并经由ECU做出分析，根据不同的距离和速度做出 报警，如果做出报警显示后驾驶员未做出任何反应，当安全距离小于临界值时AEB系统就会启动，自动介入车辆的刹车系统，借此降低和前车车辆/人物的碰撞概率。