智能化汽車主動安全人機交互界面評價方法的設(shè)計理念研究

文/謝嘉悅 張 舒

智能化汽車主動安全人機交互界面評價方法的設(shè)計理念研究

文/謝嘉悅1張 舒2

本文對比了智能化汽車主動安全技術(shù)與傳統(tǒng)汽車安全技術(shù)的不同，闡述了智能化主動安全技術(shù)的設(shè)計理念，同時設(shè)計和驗證了簡易固定式駕駛模擬器，可用于和指導(dǎo)智能化主動安全產(chǎn)品HMI的評價和優(yōu)化。

智能化主動安全 人機交互界面 設(shè)計理念 駕駛模擬器

汽車安全技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)由單純的被動安全技術(shù)，向一體化安全發(fā)展。一體化安全技術(shù)的概念（見圖1）融合了主動安全技術(shù)和被動安全技術(shù)，覆蓋了從碰撞前10 s左右到碰撞后2 h的時間段。當(dāng)前，被動安全技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，對降低道路交通死亡率做出了巨大的貢獻，但該技術(shù)無法降低事故發(fā)生概率。隨著汽車保有量的不斷提高，交通事故的數(shù)量居高不下。主動安全技術(shù)可以防止事故的發(fā)生，如制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）等在過去的30年中得到了長足的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，有效地降低了交通事故的發(fā)生率。

圖1 一體化安全概念

一、智能化汽車主動安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會對汽車安全性能的要求進一步提高，該技術(shù)越發(fā)得到重視，各種更加先進、智能化主動安全產(chǎn)品層出不窮。如，前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCW）、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDW）和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）等。此類智能化主動安全系統(tǒng)通過雷達或者攝像頭等車載傳感器實時捕捉和處理交通道路環(huán)境信息，幫助駕駛員識別車輛行駛過程中潛在的危險并提醒他們做出正確的反應(yīng)，以提高駕駛的安全性。研究表明，90%以上的交通事故是由于駕駛員錯誤響應(yīng)造成的。此類主動安全技術(shù)可以幫助駕駛員減少和糾正錯誤。因此，可以有效地提高汽車安全性和舒適性。

由于智能化汽車主動安全產(chǎn)品需要與駕駛員進行多方面的信息交互，故它的設(shè)計具有特殊性。設(shè)計良好的智能化主動安全產(chǎn)品可以有效輔助駕駛員駕駛車輛，在提高安全性的同時提高駕駛的舒適性。但是，這些優(yōu)勢可能會因駕駛員對智能化主動安全產(chǎn)品不恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)而減少，甚至消失。如過于頻繁的提示可能會導(dǎo)致駕駛員煩躁，過于夸張的提示可能會導(dǎo)致駕駛員注意力分散等。

成功的智能化主動安全產(chǎn)品設(shè)計，不僅僅需要正確處理通過雷達或者攝像頭獲取的交通道路環(huán)境信息，還必須通過簡潔明了的人機交互界面（HMI）向駕駛員及時傳遞正確信息，幫助駕駛員識別危險，不可以加重駕駛員的負荷，造成注意力分散。可以說HMI的設(shè)計是智能化主動安全技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵一環(huán)，為此展開以下研究。

二、智能化主動安全設(shè)計理念研究

汽車安全技術(shù)的發(fā)展，是從被動安全技術(shù)開始的。它的設(shè)計理念是降低乘員在碰撞過程中受到的傷害。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以ABS和ESC為代表的車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)帶來了汽車安全技術(shù)的變革。汽車安全從單一的被動安全跨越進入了主動安全時代。車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)主要關(guān)注的是碰撞發(fā)生前0.5～2 s內(nèi)的時間段，通過車輛動力學(xué)的控制將駕駛員意圖最優(yōu)地轉(zhuǎn)化為車輛的響應(yīng)，以調(diào)整車輛的運動狀態(tài)，使車輛保持穩(wěn)定。車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)的設(shè)計理念，是控制車輛保持穩(wěn)定從而避免碰撞的發(fā)生。

智能化技術(shù)的進步，促進了汽車主動安全技術(shù)的進一步發(fā)展。以前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)為例，智能化的主動安全技術(shù)幫助駕駛員識別車輛行駛過程中潛在的危險，并提醒他們做出正確的反應(yīng)，以提高駕駛的安全性。它關(guān)注的是碰撞前10 s到碰撞前1～2 s內(nèi)的時間段。智能化主動安全技術(shù)是一個非常復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員是其中最重要的環(huán)節(jié)。智能化主動安全產(chǎn)品需要在向駕駛員實時提供信息的同時，駕駛員也需要根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的反應(yīng)，系統(tǒng)與駕駛員之間始終存在著信息的交互。因此，智能化主動安全產(chǎn)品的設(shè)計必須考慮到駕駛員的主觀感受和響應(yīng)，它的設(shè)計理念與被動安全技術(shù)和車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)等傳統(tǒng)的汽車安全技術(shù)相比有很大的差別。

對于被動安全技術(shù)，它的設(shè)計參數(shù)都是基于客觀的數(shù)據(jù)，與駕駛員的行為無關(guān)。而車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)，雖然需要考慮駕駛員的操作意圖，但它的介入都是后臺進行，與駕駛員之間不存在信息的交互。被動安全技術(shù)和車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)都可以看作由系統(tǒng)完全取代了駕駛員的操作。但智能化主動安全產(chǎn)品工作時，駕駛員通常有足夠的反應(yīng)時間來進行正確地應(yīng)對操作，使車輛恢復(fù)到安全駕駛狀態(tài)。

智能化主動安全產(chǎn)品向駕駛員提供信息，目的是輔助駕駛員安全駕駛。因此，提供的信息必須及時、準(zhǔn)確、簡明，讓駕駛員有足夠的時間做出相應(yīng)的反應(yīng)，而且這些信息不能造成駕駛員的超負荷，干擾駕駛員的正常駕駛。如果駕駛員的注意力被分散，或者信息負荷超過了他們的認知能力，發(fā)生碰撞的危險就反而會大大增加。因此，智能化主動安全技術(shù)的設(shè)計理念就是輔助駕駛員安全駕駛，關(guān)鍵在于輔助，而不是完全代替。

目前，有很多文獻對智能化主動安全的設(shè)計理念和評價方法進行研究，比如Haberl等人提出了“駕駛輔助系統(tǒng)的10條黃金法則”，從這10條法則可以看出，智能化主動安全產(chǎn)品的設(shè)計，除了技術(shù)層面外，更重要的是關(guān)注駕駛員與系統(tǒng)之間的信息交互。駕駛員與系統(tǒng)之間所有的信息交互都是通過HMI進行的。因此，成功的智能化主動安全產(chǎn)品必須基于合適、易接受的HMI。

綜上所述，以駕駛輔助為宗旨的智能化主動安全產(chǎn)品的設(shè)計理念與傳統(tǒng)的被動安全技術(shù)和穩(wěn)定性控制技術(shù)是完全不同的，它不僅僅需要客觀數(shù)據(jù)，而且取決于駕駛員的主觀感受和響應(yīng)。

三、HMI評價方法研究

從前面的分析可以看出，智能化主動安全技術(shù)的關(guān)鍵是HMI的設(shè)計。目前，已經(jīng)有很多關(guān)于HMI的研究，如歐盟的自適應(yīng)集成人車界面項目（AIDE）,該項目致力于HMI的開發(fā)和評價方法的建立?，F(xiàn)在各企業(yè)和機構(gòu)提出了很多關(guān)于HMI的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針，但成功的HMI設(shè)計不僅僅需要遵循特定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而且應(yīng)該在整個設(shè)計過程中切實關(guān)注系統(tǒng)的適用性。Gould和Lewis針對HMI的設(shè)計提出了關(guān)于在設(shè)計早期就關(guān)注用戶和用途、實驗驗證和循環(huán)迭代的理念。

由此可見，只有不斷地基于用戶進行實踐檢驗才能夠?qū)MI方案進行有效地評價，幫助研究人員發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，開發(fā)更加完善的HMI。

目前，用于HMI評價的實驗方法主要有實車實驗和采用駕駛模擬器進行實驗這兩種方式。在真實交通環(huán)境下進行實車實驗的最大優(yōu)點，是能夠詳細記錄駕駛員在各種道路情況下的真實反應(yīng)。但，實車實驗的重復(fù)性難以控制，危險性也比較大，開發(fā)的成本高、時間長。采用駕駛模擬器實驗來進行HMI的開發(fā)和評價，能夠避免上述問題，駕駛模擬器有著效率高、工況重復(fù)性好、實驗危險性低的優(yōu)點。因此，整車和零部件廠家目前采用的是實車實驗和駕駛模擬器實驗相結(jié)合的方式，在設(shè)計開發(fā)的早期階段和中期階段采用駕駛模擬器實驗和評價HMI方案；在開發(fā)的最后階段，通過實車實驗進行最終方案的驗收。

駕駛模擬器通常又分為運動式駕駛模擬器和固定式駕駛模擬器兩種。運動式駕駛模擬器可以提供實時的車輛運動學(xué)狀態(tài)，如縱向的加速度和側(cè)傾等，更加真實地模擬駕駛員在車輛行駛過程中的感受。但是在駕駛員實際操作車輛的過程中，并不需要感受各方向的加速度，就能夠直接對潛在的危險做出正確的反應(yīng)。由此，固定式駕駛模擬器是能夠滿足絕大多數(shù)的評價需求，且成本比較低。為此，本文將采用固定式駕駛模擬器對智能化主動安全產(chǎn)品的HMI 方案進行評價。

在設(shè)計固定式的駕駛模擬器之前，必須明確評價的對象和目的，以便指導(dǎo)模擬器的設(shè)置、制定實驗計劃、數(shù)據(jù)收集和處理。在實驗過程中，輸入的信息主要由道路、環(huán)境變量和HMI顯示組成，輸出信息為駕駛員對該HMI界面的主觀評分、操作所對應(yīng)的客觀數(shù)據(jù)。

基于前文描述的設(shè)計理念，且參考相關(guān)文獻，搭建了一個簡易的固定式駕駛模擬器（見圖2）用于HMI的評價和優(yōu)化。

圖2 固定式駕駛模擬器示意圖

該駕駛模擬器采用賽車游戲座椅，置于地面上，支持不同身材的駕駛員調(diào)節(jié)。在座椅前方的固定裝置上安裝賽車游戲方向盤套件，包括方向盤、排擋以及加速、制動和離合器踏板。在方向盤前方安裝一個大屏幕的顯示器，以及音箱，用以將虛擬的交通場景、道路狀況、車輛和外界環(huán)境的噪音展示給駕駛員。整個系統(tǒng)由一臺電腦控制，運行虛擬交通場景并記錄駕駛員的操作信息。待評價的智能化主動安全產(chǎn)品的HMI顯示屏，可以由單獨固定支架放置在駕駛員的視線范圍之內(nèi)，如方向盤左側(cè)。駕駛模擬器的硬件構(gòu)成如圖3所示：

圖3 固定式駕駛模擬器硬件構(gòu)成

虛擬交通場景可采用某系統(tǒng)技術(shù)公司的STISIM Drive軟件進行編寫。這些虛擬的交通場景都來源于真實交通環(huán)境下的視頻采集。實驗進行過程中，通過顯示器將虛擬的交通場景展示給駕駛員，如圖4所示。

待評價的智能化主動安全產(chǎn)品輸入信息也是直接來源于電腦中STISIM Drive軟件，而并非采用雷達或者攝像頭，捕捉虛擬交通場景中的信息。智能化主動安全產(chǎn)品將虛擬交通場景中包含的車輛周圍，包括其他車輛、行人和交通標(biāo)志等數(shù)據(jù)信息處理之后，顯示在其HMI屏幕上。

圖4 虛擬交通場景

對于HMI評價實驗而言，需要同時獲取客觀和主觀的數(shù)據(jù)?？陀^數(shù)據(jù)用來評價智能化主動安全產(chǎn)品對于駕駛員駕駛狀態(tài)的改變，比如潛在碰撞（距離發(fā)生碰撞的時間小于0.5 s）次數(shù)，由STISIM Drive軟件自動記錄并計算輸出。主觀數(shù)據(jù)用來評價駕駛員對智能化主動安全產(chǎn)品的主觀感受和體驗。本實驗中通過調(diào)查問卷來獲得駕駛員的主觀感受，該問卷由一個10分制的打分項目組成，主要用于評價系統(tǒng)的有用性和駕駛員對系統(tǒng)的滿意度（見表1）。

表1 主觀評分考量標(biāo)準(zhǔn)

對于一般的HMI實驗，根據(jù)Nielsen的結(jié)論，采用20個樣本就能獲得置信度較高的結(jié)果。

在對某智能化主動安全產(chǎn)品的HMI設(shè)計優(yōu)化過程中，針對兩個版本的HMI界面進行了駕駛模擬器的評價實驗，并對20個有效參試者的主客觀數(shù)據(jù)進行分析，評價對比結(jié)果見圖5、表2。

從參試者的主觀評分可以看出，2.0版本的駕駛員的主觀評分比1.0版本有所提高，說明大部分參試者對2.0版本的接受程度更高，更加滿意。從客觀實驗數(shù)據(jù)也可以看出，潛在碰撞次數(shù)隨著版本提升而減小，說明駕駛員在經(jīng)歷2.0版本產(chǎn)品的若干次提醒之后采取了更為保守的駕駛操作，與其他車輛的安全距離保持得更大。因此，可以獲得更高的安全性。

圖5 HMI實驗界面版本圖

表2 HMI兩版本的評價對比結(jié)果

四、結(jié) 論

汽車主動安全技術(shù)有巨大的潛力來提高道路交通安全性和駕駛的舒適性。隨著汽車安全技術(shù)的不斷發(fā)展，主動安全技術(shù)的研究得到了越來越多的重視。智能化主動安全技術(shù)與傳統(tǒng)的汽車安全技術(shù)相比有很大的不同。被動安全技術(shù)和穩(wěn)定性控制技術(shù)的設(shè)計理念都是基于客觀的數(shù)據(jù)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相對容易確定。智能化主動安全技術(shù)需要不斷地與駕駛員進行信息交互，故它的設(shè)計理念則不再僅僅是確定數(shù)據(jù)，而且還包括了駕駛員的主觀感受和響應(yīng)，駕駛員的接受程度決定了智能化主動安全設(shè)計的成敗。由于所有的信息交互都是通過HMI來實現(xiàn)的，故智能化主動安全設(shè)計的關(guān)鍵是通過對駕駛員行為研究設(shè)計適合的HMI。

在對HMI進行設(shè)計優(yōu)化時，固定駕駛模擬器由于效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點，因而得到了廣泛的運用。本文設(shè)計了一個簡易的固定式駕駛模擬器用以HMI的評價和優(yōu)化。使用該模擬器進行的駕駛員主觀和客觀實驗表明，該方法能夠有效地指導(dǎo)智能化主動安全產(chǎn)品HMI的設(shè)計和優(yōu)化。

This paper compares the difference between the active safety technology of intelligent automotive and the safety technology of traditional automotive, and describes the design concept of the intelligent active safety technology. A simple fixed driving simulator, which can be used to guide the evaluation and optimization of intelligence active safety product HMI, was designed and verifed.

Intelligent Active Safety; HMI; Design Concept Research; Driving Simulator

（作者單位：1上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心2國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海））