智能网联汽车人机交互界面分析

刘雪，石天聪，余政涛

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

随着计算机技术的飞速发展，汽车现在早已不再被当作是简单的代步工具，不断有人研发新的控制技术并应用到车辆上，使车辆变得越来越智能化。智能化主动安全系统其实是一个非常复杂的闭环系统，驾驶人是其中非常重要的一环。安全系统需要实时向驾驶人提供信息，同时驾驶人也需要根据这些信息做出相应的反应，在这个过程中系统与驾驶人之间始终存在着信息的交互。而驾驶人与系统之间所有的信息交互都需要一个媒介，这就是HMI（Human-Machine Interac-tion 人机交互界面）。HMI是人机交流的桥梁，通过它可以让驾驶人与车辆之间实现更有效的沟通。对驾驶人而言，他们对汽车运行状态信息的了解以及驾驶过程中所进行的操作大多都是通过人机界面实现的。良好的人机交互界面能够在使用过程中为驾驶人提供准确明了的信息，方便驾驶人操作，给驾驶人带来良好的驾驶体验感，提高驾驶人驾驶的安全性。

1 人机交互方式分析

1.1 交互通道分析

在道路上行驶的车辆、车内的驾驶人、道路环境共同构成了典型的人机环境系统。在车辆行驶时，驾驶行为是信息感知、判断决策和操作所组成的一个不断往复进行的信息处理过程，感知作用于判断后决策后影响到操作。驾驶人与车辆的交互方式主要表现为：道路上来往车辆、行人、交通标志及车辆自身运行工况等信息，通过驾驶人的视觉、听觉和触觉等感官通道传入驾驶人的大脑，驾驶人根据其驾驶经验加工处理后，作出相应的判断和决策，之后再通过手脚等运动器官发出操作指令，从而改变车辆的运动状态。而车辆的行驶轨迹、振动、速度等的状态变化再通过上述感官通道反馈给驾驶人，同时驾驶人也在不断接受新的道路及环境信息，调整自身驾驶状态以适应新的交通环境，确保车辆的稳定性和安全性。在这个不断循环的过程中，驾驶人的视觉通道、听觉通道、触觉通道等多通道往往需要相互协调、共同作用于驾驶人与车辆的交互过程。

1.2 显示设备分析

通过对不同汽车品牌人机交互系统的分析，目前汽车中的显示设备的设置大致有以下三个范围：仪表盘、中控显示屏、前挡风玻璃（HUD）。他们各自具备不同的特性。

行驶过程中需要驾驶人时刻注意的车辆动态参数（车速、转速、燃油/电量、里程、温度等）及监控信息（故障提示）在主要在仪表盘上进行显示。越来越多的汽车品牌选择将路况信息和实时导航整合到仪表盘中央接近主要视野的地方显示，方便驾驶人观察。

需要引起特别高的注意力的信息（例如车距警告、雷达报警、引路指示）借助抬头显示器（HUD）进行显示，HUD的图像通过挡风玻璃投射到驾驶人的主要视野中，HUD的视觉系统可以在较大的观测间隔中产生可视图像，不会影响驾驶人一直观测道路情况，不需要驾驶人的目光偏离路面，可以有效保障行车安全。

需要通过进行一定操作的交互信息（导航、电话等）、与主驾驶任务无关的信息以及娱乐功能则被整合到中控显示屏，通过多种交互方式（触摸、手势、语音等）进行显示。

1.3 操作方式分析

目前主流的操控方式主要包括物理操控、触屏操控、语音操控、手势操控四种方式。物理操控是通过实体的按键、旋钮、拨片等实现对车辆的控制；触屏操控是仿照手机触控的模式，将中控显示屏设置为可触控的屏幕，用户可以在屏幕上通过点、拉、拖等操作对车辆进行设置；语音操控方式是在系统中搭载语言分析软硬件设施，对驾驶人的语音指令进行识别和操作；手势操控为在系统中搭载感应模块，通过对驾驶人特定手势的分析，将其转换为指令进行操作。

2 人机交互研究进展分析

2.1 国内研究进展分析

2010年，文献[1]在研究中通过对语音交互与触摸屏、手势等交互方式的比较，分析出语音交互在汽车人机界面体验设计中的优势，提出了在驾驶环境下创建以任务为导向的语音交互场景的设计方法。

2012年，文献[2]从人的因素、界面设计以及交互模式三个方面进行分析，得出了汽车人机交互界面设计的要素，并针对多通道人机交互模式中的自然交互方式和增强现实方式进行了探讨和实践。文献[3]总结了视觉信息显示技术的发展，通过对视觉信息的组织方式进行研究，提出了汽车人机交互界面的视觉信息显示应从内容、识别、理解和体验四个层面进行设计。

2015年，文献[4]通过对已有 HUD产品的分析，提出了HUD 视觉交互界面的设计原则，并据此设计了新的HUD视觉交互界面原型，最后进行了人因工效学实验，实验结果表明：新的 HUD 视觉交互界面原型能够有效地降低驾驶者的认知负荷，缓解驾驶过程中的分心行为，从而有效提高驾驶安全性。

2017年，文献[5]分析了无人驾驶电动汽车交互界面发展现状，对无人驾驶电动汽车界面特点进行了深入的研究，总结出无人驾驶场景对人机交互界面的功能需求，在此基础上根据汽车人机交互设计理论设计出了无人驾驶电动汽车的中控触摸屏及平视显示系统的交互界面原型。

2018年，文献[6]从美观性、易用性和安全性三个角度分析得出HMI及其配套设备的设计规律和相关准则，考虑语境的以用户体验为中心的理念设计出的人机交互界面交互逻辑框架能够实现驾驶人注意力干扰最小化、用户学习成本最小化。文献[7]分析了国内外人机交互界面设计方向的学术研究现状以及市场上的设计应用现状，以荣威汽车人机交互系统为研究对象，借用 Censydiam 模型预测了未来汽车 HMI 的技术发展趋势。

2.2 国外研究进展分析

2015年，文献[8]研究了在平视显示器（HUD）上实现增强现实(AR)时的信息准确度，通过研究驾驶环境下AR 导航信息的显示效果和用户接受度，得出在导航环境下AR容易分散驾驶人的注意力。在未来应用AR技术时，应该考虑到信息的显示时机，对 HUD 进行优化。

2016年，文献[9]介绍了一个名为 LRA的项目的前两个阶段，其中涉及自动驾驶汽车的人机界面（HMI）设计。文中使用认知工作分析（CWA）来确定在特定驾驶阶段（以车道变换为例）需要使用哪些信息。然后结合Lyons的模型，识别和分类驾驶人使用的信息，以使自动驾驶系统“透明化”，最后提出了两种方法用于确定哪些信息在自动驾驶模式下必须显示给驾驶人。

2017年，文献[10]的研究表明：在紧急情况下视觉提醒比听觉提醒更及时有效，并据此提出了在挡风玻璃上安装 LED发光单元，可以在紧急情况下通过灯光的闪烁来提醒驾驶人注意安全。

2018年，文献[11]研究如何通过人机交互（HMI）在用户与自动驾驶车辆系统之间建立适当级别的信任，提出了一种将信任相关因素应用到 HMI界面设计的指导框架。文献[12]提出了车载人机界面的设计原则，并根据这些原则分析了一些汽车品牌当前在用的HMI设计。作者认为在许多方面目前的HMI设计都存在一定缺陷。最后，作者就如何在所提出原则的基础上对 HMI设计进行改进提出了建议。文献[13]提出了一种新的LED环境光的简洁HMI概念，在挡风玻璃的底部安装一排 LED灯光带来传递有关自动驾驶系统的状态和意图信息，当检测到潜在危险或接收到警告信息时通过改变LED灯光的颜色，频率，亮度来引起驾驶员注意，增强驾驶人的情景意识。经过对照试验，这种新的HMI表现出很高的认可度，可以有效增加驾驶人对自动驾驶系统的信任，同时避免过度信任。

3 结语

随着互联网、大数据和人工智能等先进技术在交通运输领域的应用与发展，汽车的内部空间、人机界面、操作方式和交互过程正在发生革命性的变化。智能驾驶是现今研究的热点，智能驾驶的交互方式也会是各行业研究智能驾驶的方向。从汽车人机交互界面的发展现状来看，汽车人机交互方式多种多样，越来越多的人机界面设计倾向于将视觉、听觉、触觉等多感官通道进行结合，安全性、拟人化逐渐成为汽车人机界面设计的重要考虑因素。