基于安全原则的汽车中控台人机交互设计研究

耿 言

(南京科技职业学院 智能制造学院，江苏 南京 210048)

0 引言

随着国内外汽车技术的飞速发展，越来越多的新技术、先进的设计理念被应用于汽车上，汽车的各种安全设备、娱乐舒适功能越来越多，控制要求越来越复杂，这些繁多的功能控制按键大都集中于中控台这一不大的区域内，因此对中控台的空间利用、人机交互方式设计提出了更高的要求，且随着时代的发展，人车信息交互方式将发生巨大的变化。本文将重点研究这些发展趋势对汽车安全驾驶带来的影响，思考人与汽车信息交流的主要界面——中控台设计的发展方向。

1 现有的中控台布局设计类型

汽车中控台是用来显示汽车行驶中的某些参数及放置功能控制装置的地方。显示的参数主要有：行驶速度、发动机转速、燃油余量、水温、车灯提示、故障提示、电量和电机功率等。控制的功能有：行车安全辅助装置，包括各类车灯、雨刮器、雷达报警等；行车控制装置，包括挡位、行驶模式、定速巡航等；舒适性功能控制装置，包括空调、影音系统等。

目前市场上主流的几种汽车中控台布局如图1所示，市场上主流的汽车中控台布局设计主要分为以下几类：

图1 市场上主流的几种汽车中控台布局

(1)各功能在中控台全部为按键控制。中控台只有一台收音机可显示调频，其他功能均为按键控制。随着汽车电气系统各项功能越来越多，不得不增多的按键必然会挤满中控台全部空间，单个按键的接触面积越来越小，造成视觉凌乱，增加操作难度，所以该中控台布局方式已经被淘汰，目前只在一些低端车或低配车型上可见。

(2)按键为主，屏幕为辅。该布局将大部分功能用按键控制，指示清晰，但由于控制功能较多，在有限的空间内布局了过多的按键，导致按键外形尺寸较小，分布过密，视觉较混乱；屏幕主要起辅助显示作用，一般外形尺寸较小，能够显示的内容有限。

(3)屏幕为主，按键为辅。该布局目前较为流行，一般采用大尺寸触摸屏，触摸屏软件集合了一些舒适性控制功能甚至行车安全辅助控制功能，外观上更显现代化，迎合了当下消费者的审美观，科技感十足。部分常用功能仍然采用按键形式，但数量相对于第(2)种中控台已经大大减少，通常，单个按键的面积也会相应增大。

(4)大尺寸触摸屏几乎集中全部功能。随着手机、平板电脑的发展，触摸屏的应用越来越成熟[1]。自美国汽车制造商特斯拉开发的Model S车型问世以来，其在中控台使用的17寸大触摸屏日渐成为潮流[2，3]。近些年，这种中控台布局方式在高档新能源汽车中尤其常见，而且触摸屏的尺寸也在逐渐增大。借助更高端的处理器及软件技术，汽车电气系统的全部功能几乎都可以在触摸屏上调用和控制，人机交流更加集中。这种大尺寸触摸屏占用了中控台几乎全部的空间，同时也简化了中控台的布局。

中控台作为车辆状态信息显示和控制接口安装的主要部位，其布局形式反映了人车信息交互方式。目前汽车上的控制功能和需要显示的信息越来越多，中控台的设计布局却愈加简洁，控制接口愈加集中，人机交互方式向可触摸的方向发展。

2 当前人车交互设计存在的驾驶安全缺陷

随着科技的发展、现实的需要以及消费者审美的迁移，汽车中控台上的实体按键越来越少，彩色显示屏幕升级为触摸屏，且触摸屏面积越来越大，集合的功能越来越多，这种人机交互形式已成为当代汽车技术的发展趋势，但目前这种人机交互设计存在着很多方面的问题，尤其是驾驶安全方面。

2.1 视野不佳

资料显示，显示器与驾驶员眼睛的直线距离最好为710 mm左右，人眼的水平最佳视区是10°内、较为良好的视区是30°以内，最佳视区的范围是距驾驶员两侧125 mm内，良好视区的范围是驾驶员右侧410 mm内，绝大部分中控台操作区都在最佳视区外、良好视区内，如果中控台设计为折弯形，则视野会更好一些。同样，在垂直视区内，人眼的最佳视区范围也在水平线上下10°内，控制面板最好与眼睛平行，但却在现实中很难做到[4]。较为良好的垂直视区是水平视线以上10°至以下30°范围内[5]，计算后可以看出，如果中控台控制面板垂直方向上过长，则很有可能会超出良好视区。当驾驶员在正常坐姿下操作方向盘时，头部一般会略微自然前倾，则中控台面板一般要相应地倾斜，与汽车客室地板平面形成60°～75°的夹角，如此在良好视区范围内的面板尺寸又必须略微减小。所以，随着在汽车中控台上使用的触摸屏面积增大，会进一步影响驾驶员的认读，增加驾驶员的疲劳感，从而降低驾驶的安全性。人眼的水平视区与垂直视区如图2所示。

图2 人眼的水平视区与垂直视区

2.2 认读时间增加

试验指出，当观察距离为800 mm时，若眼球不动，水平视野20°范围内为最佳认读范围，其正确认读时间为1 s左右；当水平视野超过24°时，正确的认读时间便开始迅速增加[6]，如图3所示。若汽车以60 km/h的速度行驶，认读中控台的信息时间为3 s，则相当于这段时间内驾驶员盲开50 m，安全隐患非常大。触摸屏集中功能多，各厂商对触摸屏人机交互界面的设计理念不同，如界面显示内容过多或调用功能的程序较为复杂，则都会大大增加操作时间；且触摸屏与实体按键的不同在于，触摸屏对人手的触摸操作没有物理反馈，驾驶员只能再次通过眼睛去观察操作结果，这也增加了操作时间[7]；在车辆转弯、经过不平路面时，车身的不稳定会增加手指按触屏幕特定区域的难度，而这时的驾驶尤其需要集中精力；触摸屏复杂的功能层级和炫目的色彩及动画对驾驶员有着极大的吸引力，人的心理作用总是要忍不住多看几眼屏幕[8，9]。可见，中控台控制区域面积的增加，会增加驾驶员认读时间，触摸屏虽然可以通过软件实现与实体部件的通信与控制，但因其本身的特点，相比较于实体按键，在一些环境中可能会增加操作难度，同时增加驾驶的安全风险。

Ⅰ-最优认读范围；Ⅱ-有效认读范围；1-驾驶员左侧视野正确认读时间曲线；2-驾驶员右侧视野正确认读时间曲线

2.3 干扰因素增多

有资料统计显示，因为驾驶员的行为产生差错所造成的道路交通事故占到总事故数的70%，这其中驾驶员的思想不集中、注意力转移、双手较长时间离开方向盘等精力受到干扰的情况占到多数[10]。进入大屏时代后，一块屏幕上可同时显示多种信息，显示信息数量增多，显示信息分类和归属复杂，信息调用层级增多，显示信息的形式多样，可平面动画显示，可3D显示，即使是普通的文字显示也可根据需要设计为不同的字体、字号、色彩。触摸屏在操作时可以点触、长按、双击、双指控制，控制形式多样。这些多样的显示信息与操控方式提升了汽车的科技感，但在枯燥的驾驶中也难免会刺激驾驶员的好奇心，吸引注意力，构成了驾驶中一个不可忽视的干扰源。

3 中控台人机交互设计的发展方向

汽车功能的增多已成必然，如何在汽车中控台集中更多的控制功能、显示更多的信息，优化人机交互方式成为未来的发展方向。针对现有的汽车中控台布局形式及人机交互方式的缺点，可从以下几个方面进行研究。

3.1 优化人机交互设备结构布局

如图4所示的中控台人机交互设备结构布局中，将按键或屏幕安放在中控台A区域，在驾驶员的右下方视野中，这一块区域面积有限且部分面积超出驾驶员最佳视野区。在设计驾驶室布局时，可以充分开拓和利用驾驶室空间，例如，可以在左侧车门扶手区域(B区域)增加按键或小屏幕显示次要信息，利用扶手自然的斜度，按键和屏幕可设置在较高的位置且与水平地板面呈较大的角度，方便左手操作，操作时也可降低驾驶员的视野盲区；借鉴飞机驾驶室布局，在驾驶员上方头顶区域(C区域)安放按键，上方头顶区域可抬手触及，水平视线抬起较小角度便可目视这一区域，操作时可有较大的余光范围观察汽车前方，熟悉按键位置后，可实现盲操作，对驾驶视野的影响较小，且增加了操作乐趣，还可以提升汽车客室的科技感。

图4 中控台人机交互设备结构布局

3.2 开发多功能集成化按键

汽车日益增加的功能需要更多的按键进行操控，在有限的空间无法布置数量过多的按键，这也促成了中控台触摸屏的流行这一趋势，但是实体按键依然有其独特的地位，不可完全抛弃不用。为了解决这一矛盾，应充分挖掘各功能之间的逻辑联系、使用频次，开发一种集中多个功能于一体的集成化按键，将2种～4种功能集合于这种按键上，这样既能减少按键数量，又能增加操控功能，还可以增加操作乐趣。按键数量减少后，在有限的空间范围内，可增大按键的面积，方便驾驶员寻找和操控，减少反应时间，增加驾驶安全系数。

3.3 充分运用视野内空间

不论是前述的视野不佳问题还是认读时间过长问题，从一定角度来看，其根源都是由于人机交互的界面区域有限。在3.1节中，通过优化人机交互设备结构布局，充分利用左前门扶手处、车顶处空间，可大幅增加利用区域，但如果设计不当则有驾驶室布置凌乱之嫌。而在驾驶员前方有广大的三维空间一直没有得到有效利用，很多先进技术可以应用在汽车上以充分开发利用这一驾驶员视野正前方的优良空间，比如HUD(Head-Up Display)平视显示技术是一块透明的放置于驾驶者前方挡风玻璃上的抬头显示器，其可以显示基本行车信息；全息投影技术(见图5)是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现地技术，可以立体地显示动态信息[11]。这些先进的技术都正在或有极大的潜力应用于汽车上，可以创新性地利用车内空间，充分利用驾驶员正常行驶时视野内的空间，立体显示车辆行驶的信息与重要参数，将驾驶员识读信息的注意力转移至平视区域，免去视线转移带来的驾驶安全烦恼。但需要指出的是，这些技术都是利用光线原理在空间形成的虚拟影像，如果显示的内容过多、信息过于杂乱或虚拟影像体积过大，会影响驾驶员正常观察车前路况，有分散驾驶员注意力和光线污染的风险。

图5 全息投影技术

3.4 合理布置显示屏位置和优化触摸屏程序结构

触摸屏属于显示屏的一种，其几乎已经成了轿车的标配，大部分触摸屏的位置设置在控制台的中下部，集中了几乎全部的娱乐影音功能，还有些汽车将空调控制等功能也设置在触摸屏上，加之触摸屏本身的操纵特点，操作过程中会严重分散驾驶员的注意力。显示屏与触摸屏可根据其特点在人车交互中有所分工，其中，显示屏可分担触摸屏的部分信息显示的作用，设在中控台远方位置，远离手指可碰触的位置，这样可延伸和抬高视线，方便观察，充分利用空间；触摸屏则着重控制作用，辅以显示功能。

不论触摸屏面板尺寸如何扩大，所有程序功能不会同时集中于同一页面上，而触摸屏程序结构决定了各项功能调用的顺序和方式方法。为减少分散驾驶员的精力，应减少功能层级，精简每一层级的内容，优化功能调用的方式，合理地使用字体、字号和背景色，醒目的显示文字内容和动画。

3.5 大力发展AI语音控制功能

传统的控制和显示方式都是利用人的触觉和视觉完成，而忽略了人的语言功能和听觉。人工智能语音可以通过智能对话与即时问答，使得驾驶员不用腾出手来进行任何操作即可完成对汽车功能的控制[12]。随着汽车中各项控制调节性功能越来越多，这种智能的语音控制可以充分利用人的语言能力，并用听觉进行操控结果确认，既免去了视线转移的担忧，也无操作时间的限制，可以在不占用视觉系统的情况下进行全方位的声音信息接收[13]。但是在使用过程中由于车内各种干扰音源较多，可利用机械按键作为语音控制的总开关，在驾驶员头部附近区域安装麦克风接收语音传输。

4 结语

随着互联网及5G通信时代的到来，科技的进步也给汽车设计带来了新的理念和发展方向，消费者的审美及对汽车的关注点也会随之变化。但是应当看到，任何事物的发展都有其两面性，对于汽车而言，无论时代如何发展，汽车驾驶的安全性始终应当为社会所关注，如何提高道路运输安全性，降低事故发生率是汽车设计者首要考虑的问题。本文针对驾驶操作中最常接触的中控台这一部件，总结了当下常见的几种中控台设计布局及人车交互方式，从驾驶的安全性角度出发，提出了当下流行的中控台设计布局和人车交互方式存在的问题和安全隐患，指出中控台布局设计与人车交互方式合理的发展方向，鼓励合理、有效、有度的利用先进科技，从设计上提高汽车驾驶的主动安全，造福人民。