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自动驾驶技术对车内人机界面设计的影响研究
「自动驾驶技术给人们带来新的驾驶和互动体验,汽车中的人机界面(Human-Machine Interface,HMI)也已经从传统的仪表和按钮向触摸屏、平视显示器、语音控制等新技术转型。自动驾驶技术如何影响车内人机界面的设计,以及如何通过设计改善技术对人的影响将会成为本文的研究问题。本文从人因工程学的角度出发,探讨了自动驾驶技术对人在行为和认知上的影响,通过概述和案例分析研究在完全自动驾驶技术实现之前,车内人机界面设计将如何应对这些问题。(2020-9-20)」
关键词:自动驾驶技术;人机界面设计;人因工程;影响
  中国分类号:TB472 文献标识码:A
  文章编码:1672-7053(2019)11-0145-02
  自动驾驶技术是汽车发展的一大革命,将从根本上改变汽车行业。随着自动化技术的不断进步以及车辆自动化的升级,驾驶者逐渐放下了驾驶任务而承担起监管职责,被允许甚至鼓励参与到其他非驾驶相关的任务中;同时,由于完全自动驾驶技术还未实现,过渡阶段中的驾驶者必须在监管过程中充分了解自动驾驶技术功能的能力和局限性,掌握车辆正在做什么以及何时需要进行干预。车内人机界面(HMI)作为人与车辆的桥梁,必须以符合人因工程学的方式清晰地传达自动化状态和限制因素,以防止意外[1]。
  1自动驾驶技术概述
  自动驾驶技术是指在没有驾驶者直接操作的情况下,其中部分或全部安全控制功能可以自主完成的车辆,是自动化技术发展的革命。汽车工程师协会[2]根据自动化功能的实现程度和驾驶者的介入程度定义了LO到L5的汽车自动化水平,L5则是完全的自动驾驶技术。而2019年市场上的自动驾驶技术汽车已经可以达到L2级别,即在驾驶者必须充分关注的条件下,由自动驾驶技术系统控制制动和加速功能;已经实现的车型有特斯拉、奔驰E级等;L3水平的新款奔驰A8在2019年刚上市,该等级的自动驾驶技术仅需驾驶者在适当的时候提供应答,由自动驾驶技术系统完成所有驾驶操作。
  2人机界面的概念
  人机界面(Human-Machine Interface,HMI)狭义上是指汽车控制面板、显示屏、控制器等部件,广义上通常是指人与系统交流中用户可见的部分。从早期的机械仪表,到可读性高的电气式仪表,HMI的设计终究以驾驶者的安全操作为核心,设计师需要运用人因工程学等可用性的知识,满足可用性、用户体验和用户喜悦度的三个关键参数[3],使人车交互可用并实用[4]。
  3自动驾驶技术中的人因工程学问题分析
  3.1信任问题分析
  有机构调研称[5],71%的美国人惧怕乘坐自动驾驶技术汽车,但89%的中国人表示已经准备好了迎接新技术,体现了不同群体对自动驾驶技术不同程度的信任。
  信任的缺失来源于三个方面[6]:即新技术是否拥有能力(Ability);是否具备履行承诺的诚信(Integrity);当问题发生时,是否保障对用户的仁慈(Benevolence)以及用户利益的维护。Verberne在201 2年的研究表明[7],给乘客显示足够的驾驶信息并且分享可预见的目标能够提升自动驾驶技术的信任度和接受度;透明化的信息能帮助驾驶者判断无人驾驶的运行和任务情况,弥补驾驶者缺失的操控感。
  3.2注意力问题分析
  车内HMI设计中最大的考量因素是用户的注意程度(Attention)[8],而分心(Distraction)是注意力转移的表现。有人驾驶汽车中的HMI设计让驾驶者集中最多的注意力是在驾駛操作上,尽可能减少非驾驶操作的注意;L3级别以上的自动驾驶技术允许用户释放注意力,自动驾驶技术使驾驶者交出了大部分控制权,由操控者变为了监管者。在L3级以上的自动驾驶技术中,由系统控制主要的动态驾驶任务,驾驶者的注意力被释放到非驾驶相关活动中,此时的HMI设计的组织逻辑将从驾驶为中心转向分配外围注意力到二级任务中去,HMI设计会呈现出兼顾驾驶活动和非驾驶活动的混合布局[9]。
  3.3情境意识问题分析
  情境意识(Situation Awareness,SA)是指一定空间和时间内对环境中元素的感知、理解和对其将来状态的预测[10]。当驾驶者将注意力从自动驾驶技术中分散到竞争力弱的活动时,他的SA会随着注意资源的减少而降低,对车辆状态和道路情况的感知减弱[11]。如果驾驶者不知道自动驾驶技术汽车的状态,他会错误地根据他所认为的状态来做出判断,从而在接管驾驶任务的过程中出现危险情形。车内HMI是系统和驾驶者之间的桥梁,它的作用是使驾驶者充分了解车辆状态和道路交通情况,以提高情境意识。Regan[1]认为HMI必须以符合人因工程学的方式清晰地传达自动化状态和限制,这种呈现或交流方式必须始终易于监控,以防止出现自动化意外。
  4自动驾驶技术对车内人机界面设计的影响体现
  随着自动驾驶技术的发展,驾驶系统对驾驶者的操纵和应答要求发生改变,用户需求也变得更加多元,界面上的信息、层级增多,数字化的显示界面和触屏操控更能满足需求。
  4.1信息层级的改变
  在传统驾驶领域中,驾驶者的中心注意力分配给驾驶任务相关的活动,外围注意力分配给非驾驶相关的活动[11];随着自动化水平升级,中心注意力更多地分配给非驾驶相关的活动,使得服务体验变得更丰富。驾驶相关任务和非驾驶相关任务通常被分为三个等级:
  1)基础信息。(1)驾驶中的关键绩效指标,包括速度表、转速表、电池状态等;(2)重要警示信息、包括警示灯、发动机检查、湿滑路面等。
  2)二级信息,主要是车内的系统状态,包括车内外温度、空调控制、导航等。
  3)三级信息,包括广播播放、音乐播放以及其他软件。
  在通常设计中,基础信息必须直接显示在每个屏幕上的相同位置,且位于驾驶者可视范围内,二级和三级信息尽量放在基础信息屏幕的外围;此外,有人驾驶模式应隐藏与驾驶或当前任务无关的信息,有助于保持驾驶者的注意力始终集中在路面上。 而在自动驾驶模式中,车辆掌控着基础信息,驾驶信息的显示已经发生了巨大变化;以特斯拉Model 3为例,车内HMI设计的主体是具有前瞻性的15寸中控大屏幕,并且省去了仪表盘。屏幕中,靠近驾驶者的半侧屏幕显示车况信息,相当于传统仪表盘加上系统信息,视为基础信息;右侧屏幕显示电话、音乐、导航等信息,为三级信息;下方的隐藏菜单为空调、座椅等二级信息的入口。可见在屏幕呈现中,非驾驶活动在汽车中获得了更多地关注,在自动驾驶技术的辅助下,车辆驾驶的基础信息仅在需要的情景下出现。因此,在车内HMI的设计上,应首先根据汽车的自动化程度区分用户在不同阶段的核心行为,得出用户行为优先级和信息优先级,在不同的模式下重点展示一级信息,提炼精华展示二级信息,对三级信息提供展示或者入口;同时根据信息层级在视觉上以位置、大小、距离、内容形式和色彩等因素区分信息层级。   4.2更多的触屏操作
  有人驾驶操作过程中,驾驶者的控制范围在方向盘、制动踏板和中控区域,大多是物理按键或者按钮,需要驾驶者在高度集中时准确进行操作。而在自动驾驶模式下,物理按钮将会被迅速替代和简化[14]。触觉交互方式是对视觉任务的补充[3],可以保持驾驶视野不变,所以更多的触屏操作将是必然的趋势。比如特斯拉的Model S仅在方向盘上有几个物理按键,用来操作巡航控制,自动驾驶技术等;Model 3的方向盘上仅剩两个操作方向盘高低的滚轴;特斯拉车中大多二级功能都没有物理控件,由触摸屏上的图标代替,视为“软按钮”。部分软按钮为了不改变用户习惯,操作逻辑依然和物理按键相类似,比如Model 3的屏幕操作被重新设计成两种快捷操作模式:两点式操作和三点式操作,两点旋转调节多媒体音量,两点横向拖动快进音乐,三点旋转调节空调温度等。特斯拉屏幕操作的新设计虽然给用户带来一定的学习成本,但是由于屏幕化可以搭载更多功能和模块的便利性,沿袭了旧的操作习惯,减少用户注意力从而减少驾驶中的分心。
  5结论
  在完全自动驾驶技术到来之前,车内驾驶者仍需要控制或者监管汽车运行,而自动驾驶技术正在给人车交互与界面设计带来新的挑战。通过概述和案例分析的研究,可以得出自动驾驶技术中的HMI设计需要保证对系统恰当的信任,保持驾驶者在驾驶和接管时的注意力,以及传达充分的信息以提升驾驶者的情境意识。而自动驾驶技术带来的非驾驶模式也给车内次级任务的完成带来了更多可能性,由此车内的信息层级发生了变化,HMI的设计需要在不同模式的变化中展现对的信息,以及当驾驶者在不同模式的操作中,控制范围和显示范围也会相应变化,在这些技术的升级和改革中,车内HMI设计也会在碰撞中找到新的机会点。
  参考文献
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  作者简介
  顾丽雯/1994年生/女/江苏人/硕士在读/研究方向为工业设计、人因工程学(上海200092)
(从肺)
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