皮电测量在虚拟仿真驾驶座舱实验教学中的应用

由 芳，谢雨锟，李雅茹，徐逸君

（同济大学艺术与传媒学院，上海 201804）

0 引言

在汽车人机交互设计领域，虚拟仿真驾驶座舱评测实验的作用至关重要，良好的评测能够帮助设计人员发现设计问题，进行设计优化，实验教学直接影响研究生的科研水平和创新能力的培养［1］，将教学与虚拟仿真结合［2］，掌握多种有效的评测方法有助于汽车人机交互设计专业类的学生进行学习研究以及科研工作。设计评测测量指标主要有3 种［3］：主观测量、行为绩效测量和生理测量。传统的研究中常使用调查问卷的主观评价和行为绩效指标进行设计方案评测，皮电技术的引入可以为虚拟仿真驾驶座舱评测教学提供新的方法和思路，帮助学生探索用户在与车载设备进行交互的过程中的认知负荷和体验［4］，其连续测量的特点能实时、客观地反映动态变化，与主观和行为数据结合能增强可信度和准确性，有助于学生综合分析多种数据，更准确、客观地得到评测结果，启发设计优化迭代，掌握多种人机交互评测方法，通过实践提高实验评测设计，有利于研究生后续的学习和发展［5］。

本文涉及车载音乐评测实验是研究生交互设计课程内容，学生选题为“多屏互动音乐系统”，课程的前期指导学生自主展开设计调研和设计表达，后期培养学生实验设计和设计评测能力，设计一个基于皮电测量方法的人机交互界面设计多场景评测实验方案，由学生在虚拟仿真驾驶座舱上完成人机交互界面设计方案实验可用性评测。

1 皮电测量的应用及优势

1.1 皮电测量在评测中的应用

皮电测量作为一种客观的生理测量方法，可以通过生理激活水平来衡量心理负荷，是生理测量中最常用的生理信号之一。皮电反应在中枢神经系统参与下的精神性出汗，受脑高级皮层的调节，属于信息加工的一个过程［6］。在人机交互设计领域，皮电测量主要应用于以下方面：

（1）皮肤测量能反映情绪觉醒。皮肤电导与唤醒水平呈线性相关［7］，情绪觉醒幅度的变化能引发明显的皮肤电反应变化［8］，常作为唤醒度实验的生理测量指标［9］。研究用户在交互过程中的情绪变化时，常结合自我情绪评定量表（Self-Assessment Manikin Scale，SAM）进行测量［10］。

（2）皮电测量作为界面设计的可用性指标。相关研究发现当界面设计可用性低时，用户任务绩效降低，导致交感神经兴奋，皮肤电导水平比静息状态下高一倍［11］，该现象可能与被试战斗或逃跑的反应相关［12］。皮电测量能有效反映界面可用性，常结合系统可用性量表（System Usability Scale，SUS）、用户界面满意问卷（Questionnaire for User Interface Satisfaction，QUIS）、系统适用性问卷（Post-Study System Usability Questionnaire，PSSUQ）、情景后问卷（After-Scenario Questionnaire，ASQ）等主观量表和行为绩效进行评测。

（3）皮电测量应用于情境意识和工作负荷。Mehler等［13］在心理学经典实验倒数n项测验范式（nback）研究中发现，随着任务难度增加，用户皮电反应增加，皮电反应能有效反映精神负荷随任务难度的动态变化情况，常与工作负荷量表（NASA Task Load Index，NASA-TLX）、态势感知评价（Situation awareness rating technique，SART）、态势感知整体评估（SA global assessment technique，SAGAT）等主观量表结合进行评测［14］。

皮电测量可应用于传统人机交互场景，国内有学者将皮电测量应用于道路驾驶场景下被试的疲劳检测［15］和工作负荷［16］，本文进一步将皮电测量与主观评测和行为绩效结合，应用至汽车交互设计虚拟仿真驾驶座舱评测教学。

1.2 结合皮电测量进行实验的优势

在汽车交互设计虚拟仿真驾驶座舱评测教学实验中将皮电测量与主观和行为绩效测量结合进行实验，具有以下优势：

（1）皮电测量具有实时检测的特点，与主观测量结合分析增加结果可信度。主观测量往往要求被试在体验完产品后报告使用感受，具有延时性，可能受到主试效应或主观倾向性等因素影响［17］，结合皮电反应能验证主观测量的结果准确性。

（2）皮电测量皮电反应敏感［18］，与行为绩效结合分析能深入研究认知心理状态。行为绩效测量需要主试人员通过观察被试行为得到，对被试认知状态的变化缺乏敏感［19］，结合皮电测量能直接得到有效的被试认知变化，找到行为和心理之间的关联。

（3）皮电测量易于操作，容易与主观和行为绩效测量结合使用。皮电设备是非侵入性的，安装流程和方法简单，且不影响被试驾驶，学生容易学习掌握，独自进行实验时不容易出错，容易在教学中展开。

2 教学目标及方法探索

2.1 教学目标

为使学生深入学习汽车交互设计，需要在测试评估理论的基础上，重视学生实践能力的培养，针对测试评估的实践开设虚拟仿真驾驶座舱评测实验课程，课程面向研究生，依托于学院多年汽车交互设计研究背景以及设备环境条件，学生进行自主命题，课程达到以下教学目标：

（1）通过教学，让研究生体验完整虚拟仿真驾驶座舱评测流程，培养学生学习汽车人机交互设计的兴趣，开拓学生的知识面。

（2）学会虚拟仿真驾驶座舱评测实验设计和实验材料开发准备，提高实验实践能力。

（3）学习包括皮电、主观、行为绩效等多种设计评测方法，掌握皮电测量设备的主要操作方法，学会将皮电数据与主观和行为绩效数据结合进行分析，得到设计方案优化的方向。

2.2 教学方法探索

课程改变了传统设计教学模式，建立以研究生作为交互设计课程教学过程的学习主体、教师为引导的教学关系，充分发挥学生主观能动性，这种教学模式贯穿于整个设计流程，主要体现在以下3 个方面。

（1）自主命题及设计。教师依据研究背景确立大课题背景，引导学生在课题背景下展开自主命题，教师协助提出命题意见。各组学生通过适合的设计方法展开调研，教师在课程过程中把握设计方向，教师指导学生完成交互设计方案以及开发工作。

（2）自主设计评测实验。教师介绍评测环境、评测方法和设备使用方法，学生根据设计方案自主展开实验设计，选择合适的测量指标，教师对实验评测方案提出改进建议。学生根据实验设计筛选被试，符合条件的课程学生为实验被试，不符合被试条件的学生作为协助主试完成实验，学生在评测期间合理分工完成评测工作。

（3）自主分析数据及优化方向。要求学生分析皮电数据、主观数据和行为绩效数据，加强数据处理能力，将皮电数据与主观行为绩效数据联系在一起，发现数据的关联和规律，综合分析造成结果的原因，最后提出设计方案优化的方向。

3 课程实验方法

3.1 实验设计

实验设计由学生提出，实验目的是在切换音乐场景下，采用生理测量方法对汽车人机交互界面设计进行可用性评测。实验分为静态和动态两部分，被试在静止和驾驶两种状态下，通过方向盘物理按键或中控触屏两种交互方式完成切换音乐并播报音乐编号的任务，在进行实验任务过程中，实时采集被试的皮电信号（Electrodermal activity，EDA），被试在完成任务后完成系统可用性量表评分。为降低被试进行实验时实验顺序（静止使用方向盘按键组别、静止实验中控触屏组别、驾驶使用方向盘按键组别、驾驶使用中控触屏组别）带来的影响，需要对4 组干预条件进行完全平衡，实验采用组内设计，将采用拉丁方平衡设置任务顺序，具体顺序如图1 所示。

图1 实验任务顺序

3.2 实验人员

为保证课程学生均参与实验，本次实验主试人员为参与该设计方案的学生或其他未持有驾驶证的课程学生，12 名被试为持有驾驶证的课程学生和其他在校人员，平均年龄为24 岁，年龄的标准差（Standard Deviation，SD）为2.42，平均驾龄1.85 年（SD=1.14）。

3.3 设计方案

设计方案由课程学生基于Kanzi软件平台开发的多屏互动娱乐信息系统，该系统以车载音乐应用为例，前期通过调研分析得到驾驶员在不同情景下的行为和音乐娱乐需求，分析车载信息系统各屏定位、界面布局，探究车内多屏互动协作交互方式。娱乐功能适应车载驾驶场景，将音乐娱乐内容合理地呈现在车内多屏上，如图2、3 为仪表和中控双屏音乐应用界面的设计图，在前期的用户调研中，学生发现两种高频使用的交互方式，即方向盘物理按键交互和中控触屏交互。学生希望探究被试在静止和行驶多情境下分别适合以何种交互方式完成车载娱乐功能。在驾驶条件下，被试需要确保安全完成主要驾驶任务的前提下，快速获知信息以及操作信息系统［20］，满足人们的社交需求和安全驾驶的要求，给被试带来更好的用户体验。

图2 仪表界面设计

图3 中控界面设计

3.4 实验环境及设备

如图4 所示，依托于汽车交互实验室多年的研究背景，设计评测实验将在实验室自主开发搭建的驾驶仿真台架上完成，为被试营造一个具有真实感的驾驶空间。驾驶模拟器采用Fanatec Porsche 918 RSR方向盘及相关配件，搭建一台搭载三通道融合环幕的电脑，采用Unity软件开发模拟车辆周围环境仿真程序，评测的虚拟场景为自主开发的双向两车道程序。车载交互显示屏可以根据实验需求自由替换，设计方案涉及仪表和中控双屏，采用两台平板电脑（Surface Pro）进行模拟，采用Kanzi开发相应的界面程序，通过消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）传输Unity程序的驾驶数据。

图4 驾驶仿真台架

3.5 皮电测量设备

皮电测量设备包括BIOPAC Smart Center 生理记录仪及相关材料，采集被试的皮电信号，原始采样率为2 kHz。如图5 所示，为确保采集数据准确，实验中要先去足部角质并涂GEL101 等渗导电膏，再将电极片安装在被试左足。

4 实验结果分析与讨论

4.1 皮电与系统可用性量表

图5 EDA电极片安装过程及位置

将皮电数据与主观数据结合分析，主观数据为系统可用性量表，能对系统的可用性、有效性进行详细地分析和度量［21］，包含10项题目，为5点量表，需转化成百分制的分数，其中8 道题目构成“可用性”分项，2道题目构成“易学性”分项。图6 为系统可用性量表结果，其中中控触屏组干预易学性平均得分91.67（SD=9.73）高于方向盘按键组干预为平均得分69.79（SD=27.42），中控触屏组系统可用性平均得分76.46（SD=11.45）高于方向盘按键组平均得分73.33（SD=18.54），与皮电反应与静息皮电水平差值的数据结果一致，如图7 所示，综合静止状态和驾驶状态，中控触屏组平均EDA差值为3.25（SD=3.23）高于方向盘按键组平均EDA 差值3.48（SD=3.23），说明被试在使用中控触屏切换歌曲时精神负荷小，皮电反应验证系统可用性结果，即中控触屏组的人机交互界面设计比方向盘按键组可用性更高，说明综合皮电和系统可用性数据，参与实验的被试人员使用中控触屏切换歌曲比使用方向盘物理按键切换歌曲具有更好的体验。

图6 系统可用性量表统计图

图7 皮电水平统计图

4.2 皮电与任务行为时间

将皮电数据与任务行为时间结合分析，实验中所有被试均成功完成任务，因此采用任务行为时间作为衡量行为绩效的指标。有研究发现用户在使用系统可用性良好的系统时处于放松状态，皮肤电导水平会逐渐降低；而在使用系统可用性的系统时，皮肤电导水平先持续升高一段时间，然后趋于平缓或者降低［22］，说明存在一定的心理负荷。如图8 所示，被试在任务开始前获取具体任务要求，以提示任务开始时间为横坐标零点，纵轴为皮电。方向盘按键组和中控触屏组整体都是呈现先上升后缓慢下降的趋势，说明二者均存在心理负荷，但方向盘组的初始皮电水平明显比中控触屏组高，即使用方向盘按键的被试在听到具体任务后就保持较高的警觉，被试心理负荷大。如图9 所示，综合静态和动态两种测试状态，方向盘按键组从提示任务开始至第1 次按键触发花费的时间比中控触屏组短，与方向盘按键组皮电率先开始上升以及到达峰值的顺序一致，并且方向盘按键组2 次按键操作总体时间和任务完成时间都比中控触屏长，与方向盘组皮电上升后的下降幅度略小于中控组的趋势一致，将任务行为与皮电数据结合可以得出方向盘按键组任务绩效更低，反映出中控触屏组的可用性更好，同时结果与主观测量结果一致。学生分析得出主要原因在于方向盘两个按键距离过远且指示性差，学习成本高，进一步提出应对方向盘按键位置和样式进行优化，提高易学性，降低精神负荷。

图8 EDA水平统计图

图9 任务行为时间统计图

5 结语

本文选取学生交互设计课程方案，选题为“多屏互动音乐系统”，设计方向盘按键和中控触屏两种交互方式，实验采用皮电测量方法，在模拟器上完成静止和驾驶两种状态下人机交互界面交互方式实验评测，与系统可用性量表和任务行为时间进行比对，可用性低的人机交互界面设计促使被试交感神经的兴奋，引起皮肤电导的变化，实验表明皮电测量方法能客观且准确地检测被试的皮肤电导变化，说明皮电测量的有效性。

该课程依托学院科研背景，紧密结合专业特色，为提高学生交互设计和评测能力，教师从课程前期指导学生自主展开调研和方案设计，到课程后期由学生自主进行实验设计，学习皮电测量方法，在实验中模拟真实驾驶场景，结合主观测量综合分析出不同交互方式、不同界面设计的优劣，帮助学生加强对设计评测的理解和数据分析能力，准确客观的评测结果有助于进行设计优化迭代，同时培养汽车人机交互设计的兴趣和实验能力，为学生后续自主展开研究奠定基础。