无人驾驶电动汽车人机交互界面设计探索

吴勘 胡鑫苑 门龙龙

（西安科技大学，陕西 西安 710054）

如何让行人第一时间可以准确预知汽车接下来的行为，不管是人工驾驶还是无人驾驶，都是汽车行业急需解决的问题。现有的一些制造商和学者为了解决这个问题做了很多研究，并得到一些解决措施。驭势科技“城市移动空间”车通过技术手段使散热器格栅变成显示屏，给即将过人行横道的行人或其他可通行车辆显示文字信息。百度-红旗L4级自动驾驶乘用车，通过前置的投影装置，将信息（动态斑马线）投射在行人面前。瑞典Semcon公司，在散热器格栅处将微笑采用拟人化设计方式呈现在车外人机界面的概念车原型[1]中，将拟人化设计用于汽车车外人机交互界面。此外，拟人化信息表达可以加深用户对无人驾驶的信任感。Verberne等[2]研究表明，虚拟的代理驾驶员与乘客的外貌、行为、思考问题的方式越相似，用户就会越信任这个虚拟代理驾驶员。Waytz等[3]在研究中，赋予一辆无人驾驶汽车名字、性别和声音，然后，与没有拟人化的无人驾驶进行比较，试验结果显示，受试者对具有拟人化特征的无人驾驶汽车更加信任。文章将拟人化交互设计方式应用在无人驾驶汽车人机界面设计中，以期为行人传递更为直观、高效、安全的信息，提高行人对无人驾驶的信任度。

1 信息拟人化传递过程中的信任问题

无人驾驶作为一项新技术的产生，人们对它既陌生又好奇。牛东方等[4]发现，人类所独有的、共性的自然倾向就是把存在于环境中的事物进行拟人化。所以，在无人驾驶环境中采用拟人化的信息表达方式，更利于乘客的识别和理解，而拟人化的表达方式对无人驾驶来说交互体验感和安全舒适感都很强，从而使无人驾驶的可靠性有效提升。

可靠性既要使无人驾驶在技术上突破瓶颈满足最基本安全性能，还要从用户与无人驾驶在情感交互体验方面提升可靠性。对于乘客而言，车内采用多通道信息表达的方式，使无人驾驶的信息传递更高效，同样也给乘客提供了更多的信息去掌握无人驾驶的运行情况，乘客也能恢复对无人驾驶的掌控感。对于行人而言，无人驾驶通过拟人化的车外人机交互界面将驾驶信息传递给行人。其优点一在于通过拟人化设计使行人对无人驾驶迅速产生认知，快速准确理解其表达含义，进而达到提升对无人驾驶信任度的目的；优点二在于无人驾驶中拟人化设计能够代表虚拟的人工驾驶员与行人进行信息交流，却又区别于人工驾驶员，这样能进一步激发行人对无人驾驶新技术交互体验的乐趣，使得无人驾驶这项技术更容易被行人接受、信赖。

2 人机交互设计要点

未来，无人驾驶对于乘客而言，驾驶场景的体验已不再重要，而在相对狭小的空间内，能够进行舒适的休息、轻松的办公、欢快的娱乐活动变得更为重要，因此信任度的建立很有必要。对于行人而言，关注点是如何与汽车进行良好的信息交流，增加信息识别的高效性。基于此问题，文章针对无人驾驶汽车，将通过车外人机交互界面的设计与行人进行信息交互；车内采用多通道信息表达方式提升乘客的信任度。

2.1 车外人机交互界面设计原则

无人驾驶车外人机交互界面的设计是汽车与道路中的行人建立交互的有效途径。例如Deb等[5]研究了车外人机交互界面的设计对行人过马路时的安全性和舒适性的影响。经过文献[6-8]阅读，总结出无人驾驶交互界面的设计要点，见表1。

表1 人机交互界面设计要点

2.1.1 界面设计的简明性 简单明确，就是考虑车外人机交互界面传达信息的简单明确性，给行人提供的信息，要在短时间内快速理解，并及时作出反馈。尽量避免过于复杂、模棱两可的设计。

2.1.2 界面设计的熟悉性 在车外人机交互界面设计时，要求交互界面选用的色彩、图形与行人日常生活中所熟悉的当前交通系统中所使用的一致，目的是为了提高界面设计样式的熟悉度。信息传递形式要求是行人所普遍熟悉的信息传递形式，目的是为了做到界面设计的有效性，进而体现熟悉性。红黄绿3种颜色构成国内交通系统信号灯的颜色，红灯停、黄灯等、绿灯行。因此，在色彩设计上要与交通系统使用的色彩一致，避免给行人造成错误的认知，反而引发交通事故。此外，在图形的选用上，也要选择普遍性强且符合人们日常习惯的图形，这样才更容易被行人理解。

2.1.3 界面设计的一致性 一致性指在设计人机交互界面时，文本表达、色彩用料、图形描绘方面的一致性，即文本和色彩、文本和图形、图形和色彩保持一致。例如文本和色彩的一致性，字体颜色和字所表达的含义要符合人们的日常交通行为认知习惯。在通过十字路口或者人行横道时，显示牌上出现红色“禁止通行”字样，交通灯显示红色，表示停止行人及其他交通参与者通行，而显示绿色“请通行”字样，交通灯显示绿色，表示行人及其他交通参与者可通行。有研究已证实，在色彩用料和文本表达的含义不一致时，会造成行人理解的偏差，给行人带来一定的困扰，甚至引发交通事故。

2.1.4 界面设计的互动舒适性 图本搭配，看起来是一个最安全的界面。图形和文本结合，不但能够保证信息传递的有效性，让行人更容易理解，而且还能给行人带来舒适感，必要时添加投影动效、音效等方式，更加增强其体验感，为行人营造一种高安全性和舒适性的交互环境。

2.2 车内人机交互信任度的建立

在人工驾驶中，信息的实时沟通是乘客捕获所需信息的主要方式，这部分内容正是无人驾驶所没有的。无人驾驶环境中，乘客极易产生无助的孤独感，原因是乘客无法与车子进行信息的实时沟通，所以要建立对车子的信任度就很困难。

无人驾驶的信任度是车内人机交互主要的关注点。信任度是决定人们是否乐于接受和信赖无人驾驶汽车的关键因素[9]。人们的不信任直接降低了大众对于无人驾驶汽车的接受度[10]，究其原因人工驾驶员变相地被机器所替代导致的人机交流障碍，是影响用户对无人驾驶系统不够信任的重要原因之一[11]。因此，探究驾驶信息高效传递的方式对解决用户与无人驾驶之间的交流障碍（图1），提升交互界面的有效性，提高用户对无人驾驶的信任度意义重大。

图1 建立信任的两大阻碍

2.2.1 信息障碍一 无人驾驶时，系统与用户直接进行信息交换，系统虽能对驾驶状况进行高效处理，采取相应措施，但在信息表达和反馈方面远无法像人工驾驶员一样自然流畅。人类在表达信息时，合理地将不同通道组合表达各类信息。由此看来，无人驾驶技术无法通过多通道组合进行信息表达，很难给用户建立信任感。

2.2.2 信息障碍二 用户和系统之间无法建立良好的协调机制，比如用户无法知晓系统目前的处理状态，系统也无法知晓用户对信息的了解程度，这正是无人驾驶最大的问题，导致所传递的信息以错误的强度被表达出来，造成信息传递的有效性低下。系统容易误用过强或过弱的信息强度来表达信息，从而造成理解偏差。人工驾驶员会实时对各种驾驶情景自然地表达出相应强度的信息以及自然流畅的反馈。因此，虽然无人驾驶发生的事故远低于人工驾驶中由于人为因素造成的事故，但用户还是会选择更加信任无障碍的、即时沟通的人工驾驶。

人类的感觉通道不会被独立地使用，各种感觉通道会被集成为统一的知觉[12]，即多通道感知。多通道信息传播面广，更容易被理解，信息同时通过不同的通道被接受，能提高信息的强度、被识别和理解的效率。由此可见，合理地进行通道组合相当重要。牛东方等[13]将无人驾驶情景细分为三类（图2），文章选择第一种，可预设驾驶情景，通过预设一定变量达到理想的驾驶状态，即用户对车辆驾驶条件的预设，如目的地、路线、速度等，用户可以提前得知车辆自身即将发生的动作；第二种安全不可驾驶情景，即驾驶状况是无法通过变量预设来完成的。作为研究对象，第三种驾驶情景更为复杂，不安全因素较多，无人驾驶系统无法有效地解决突发状况，容易发生交通事故。

图2 驾驶情景分类及不同情景所表达强度

3 实验验证

3.1 车外人机交互界面设计

人机界面的色彩设计，例如Zhang等[14]发现，驾驶员倾向于将绿色与正在行驶中、红色与减速或停止的无人驾驶车辆联系起来。还包括文本、图形、拟人、动效、声音等方面的研究。Fridman等[15]发现，简单的文本和图形在传达信息方面更加直观。黎兰平等[16]的研究将通过投影和显示屏将斑马线投射到道路表面，传达的信息简单明确，意图明显，目的性强。

首先对界面设计要点前三点归纳为“文本+图形”，要点四为“文本+图形+动效（投影）”。在交互界面设计上充分体现设计要点，文本简单、图形颜色和形态与交通系统使用一致。在试验中将8个车外人机交互界面设计方案展示给受试者（图3），包括两种颜色（红色、绿色）设计和4种信息表达方式（文本、图形、文本+图形、文本+图形+动效投影），通过显示屏显示在汽车前散热器格栅上及前置的投影装置。

图3 拟人化汽车车外人机交互界面设计

3.2 车外人机交互界面设计试验评估

3.2.1 受试、试验环境与设备

受试者：20名男性，20名女性，平均年龄为25岁，且具有正常或矫正的视力，能够以正常的速度和步态行走，其他生理特征无任何异常[5]。

试验环境：室内实验室进行。

试验设备：14寸联想ThinkPad笔记本一台，屏幕亮度调至最大值，便于浏览视频和图片；一台型号为AJ-UPX360MC摄像机，用于试验中的摄像记录；一支型号为AigoR6635录音笔，用于试验中的声音记录。VR眼镜一副，用于模拟尽量接近真实的驾驶情景。

3.2.2 试验评估及要求

（1）试验评估

采用李克特五点量表计分法。5分为非常安全，4分为安全，3分为一般，2分为不安全，1分为十分不安全[17]。试验过程中，依据语料分析法[18]分析受试者给出8个界面设计的主观评分原因及界面设计方面存在问题的建议与期望，然后对交互界面进行优化。

（2）试验要求

试验前将8张汽车图像（已完成车外交互界面的概念设计视频截图）停在人行横道前面，展现给每位受试者，并告知在试验中，每位受试者都需要在脑海中想象自己即将通过既无斑马线也无红绿灯的人行横道，然后受试者戴上VR眼镜，观看8个交互界面概念设计的视频，根据视频中车外人机交互界面传递出来的信息，自己作出相应判断，是否此时通过该人行横道是最为安全的。此外，受试者不但需要对车外交互界面设计方案给出评分值及主观评分的原因，还要给出车外人机交互界面设计方面需要改进的建议，同时做好记录工作。为了增加试验的随机性，汽车图像将会以打乱顺序形式呈现给受试者。为了保证试验结果的准确性，需对受试者的整个试验过程进行录像、录音，用于后续试验结果的分析材料。

3.2.3 试验结果分析 当把绿色设计为车外交互界面的颜色时（设计为红色时，结果类似），在给受试者呈现的4个车外人机交互界面概念设计中，文本样式“绿色请通行”与“行人+绿灯+音效（五琴线谱）+动效投影（卡通小人）”图形、动效样式相结合设计的交互界面，受众面最广，传达的信息清晰易懂、简单明确，舒适安全，在车外人机交互界面概念设计获得平均分最高，受试者对8个界面的主观评分见图4。受试者主观评价语料诠释的归纳总结见表2。

表2 主观评价语料诠释总结

图4 受试者对8个界面的主观评分

分析以上结果可知：驾驶信息通过简单的拟人形象形式（拟人化图像或图标、卡通人物）表达更加高效、准确，音效和动效更是增添了拟人化的效果，增加了车与行人的互动舒适性。色彩表达的含义与交通系统中的含义一致，体现出设计的一致性。图形和文本的结合简单明确，较为直观，具有很高的熟悉度，行人易理解。在车外人机交互界面的设计中信息以文本的形式传递给行人更加有效和准确，仅有图形的车外人机交互界面设计表达信息的含义不明确，行人会产生一定的理解偏差。

3.3 视听触多通道试验

3.3.1 试验设计 采用VR虚拟技术，受试者需要戴上VR眼镜观看视频，目的是模拟的场景更接近实际生活。试验中视频A可预设驾驶场景，视频B增加突发因素（前车突然变道）遇障紧急刹车下安全不可预设驾驶情景。针对两种驾驶情景提供3种信息表达，即信息表达1（视觉通道信息）、信息表达2（视听通道信息）和信息表达3（视听触多通道信息）。其中，以图形和符号表现视觉通道，以电子语音表现听觉通道，以施加压力表现触感通道。试验视频截图见图5。B1（安全不可预设+视觉通道）、B2（安全不可预设+视听通道）、B3（安全不可预设+视听触通道），A1（可预设+视觉通道）、A2（可预设+视听通道）、A3（可预设+视听触通道）。

图5 试验视频部分截图

试验组合分为7组：A1+A2、B1+B2、A1+B1、A2+B2、A2+A3、B2+B3、A3+B3，测试为3组：A2+A3、B2+B3、A3+B3见表3。其中，A1+A2、B1+B2、A2+B2、A1+B1在文献[13]中已验证，A1+A2和B1+B2验证了在可预设和安全不可预设两种情况下，视听双通道比视觉单通道信息表达能获得更多的用户信任；A1+B1验证了在可预设和安全不可预设驾驶情景下，视觉单通道对用户的信任影响没有明显差别。A2+B2在可预设与安全不可预设两种情景下，视听双通道信息表达对用户信任产生了明显的差异性影响。根据表3设定进行试验，受试者在安静的环境下观看视频A2后的感觉为基准值，再观看视频A3，进行对比后回答问卷。然后，让受试者进行第2组试验，分别观看B2和B3视频，按照试验1的对比原则来回答问卷。第3组同试验1、2。试验1、2目的是为了验证在同一驾驶情景下，多通道和双通道信息表达相比是否会使乘客的信任度产生差异。试验3的目的为了验证混合多通道信息表达在不同驾驶情景下是否会使乘客的信任度产生差异。

表3 试验设计方案

3.3.2 数据处理 试验结果的评估方法采用调查问卷法。选取已被验证的信任度量表[19]，来设置问卷问题，共设8道题，每道题都将受试者对触感通道传递信息的感受分别对应-3~3七个划分等级，T为触感通道在试验过程中作用评分值，T的范围是-3≤T≤3；T=0，触感无效；T>0，触感起辅助作用；T<0，触感通道传递的信息干扰到自己。问卷的结果可以体现出受试者对于一组试验中不同变量对信任度的差别。为了保证试验问卷结果的有效性，筛选试验问卷，问卷得分出现全部一致，或者试验操作不当而完成问卷等，视为无效问卷。

3.3.3 试验结果 试验的受试者为40人，年龄范围25~55岁，身体健康，无任何异常。回收到的问卷40份。利用SPSS进行数据统计分析，得出每组试验数据的得分区域和临界P值；P≤5%差异显著，P≥10%无显著差异，验证是否普遍的得分域是在0

图6 触感信息得分区域

经过试验数据分析，可得到如下结果：

（1）试验1中对比视频A2、A3，将问卷每题得分均值与0作比较，获得P1=0.008≤5%。可得出，在可预设驾驶情景中，用户不需要强烈的信息表达，因此触感通道很难得到用户的信任，甚至产生反感；相反视听通道中听感通道可以起到辅助信息表达，向人传递系统自身的处理状态信息的作用，能获得更多的用户信任。因此，在可预设的情景下，视听通道组合传递信息是最适合的多通道组合方式。

（2）试验2中对比视频B2、B3，将问卷每题得分均值与0作比较，获得P4=0.005≤5%。由此得出，在安全不可预设驾驶情景下，视听触多通道和只有视听通道在信息表达上对用户信任产生了明显的差异性影响。相比之下，在安全不可预设情景中用户对视听触多通道的信息表达更为信任。因为不可预设的驾驶情境，就是指计划外事件给用户造成担忧、不安全的感觉，但更接近于实际状况，用户对偶发信息的需求较高，所以就需要一定强度的信息传递，而触感的信息传递强度最高。比如在该驾驶情景中有人会选择睡觉，当紧急突发事件发生，需要靠触感通道及时叫醒用户，迅速配合视感和听感通道来感知当前发生的情况，汽车就会发出请求，让用户来接管驾驶权。如果在一定的时间内用户没有接管驾驶权，汽车就会紧急制动来避免危险的发生。

（3）试验3中对比视频A3、B3，将问卷每题得分均值与0作比较，获得P3=0.004≤5%。由此得出，视听触多通道信息表达在可预设和安全不可预设驾驶情景下，对用户信任产生了明显的差异。对比之下，在可预设驾驶情景中，视听通道对用户产生更多的信任；不可预设驾驶情景中，视听触多通道对用户产生更多的信任。

上述试验结果表明：在可预设、安全不可预设驾驶情景下，视听和视听触多通道信息传递对无人驾驶信任度产生积极影响。可预设情景下更倾向于视听通道的组合，而不可预设情景下倾向于视听触多通道的组合。尤其在更为复杂的驾驶情景下，视听触多通道信息传递对信任度提升有更显著的效果，试验结果符合预期假设。原因是在复杂不可预设的驾驶情境中，遇到突发情况时，系统需要惊醒用户让用户主动来接管驾驶权，此时需要很强的信息强度来激发人体自我保护的本能，让用户有紧急避险的心理准备。这种情况下，视感和听感通道都可能因为意识暂停而失去作用，原因是两者都需要先被理解才能发挥作用，而触感通道是传递信息最简单直接、最强烈地发挥作用。在不安全不可预设的情景中，需要组合触感、听感和视感变得更为必要，目的是通过触感通道告知危险的发生，通过声音和图像传递人应该采取的避险方案，如用户主动接管驾驶。为此，视听触多通道的设计将为无人驾驶在不安全不可预设的驾驶情境中行驶提供理论指导。

4 结语

无人驾驶技术主要涉及车外的人机界面交互设计和车内对用户信任度的建立。对于车外交互界面设计当下还未形成统一的标准。文章通过搜集前人的设计要素进行简单的总结归纳，然后进行车外交互界面的设计实验来验证其设计的合理性。试验结果与预期的目的基本吻合。通过在不同驾驶情景下，车内多通道信息的表达强度对用户信任度的产生具有明显的差异性，不同驾驶情景需匹配相适应的多通道组合来进行信息表达。视听触多通道试验结果表明，针对具体的，特别是在复杂的驾驶情景中，运用视听触多通道组合恰当地表达出合理的信息强度，对提升无人驾驶信任度有积极显著影响。