基于車載人機(jī)交互技術(shù)的駕駛學(xué)習(xí)輔助系統(tǒng)

延鳴，董華

(同濟(jì)大學(xué) 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，上海 201804)

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人車交互方式與功能日趨多樣化。目前汽車與駕駛者的交互領(lǐng)域包含前方路況自然顯示、輔助駕駛顯示、車內(nèi)外信息交互與娛樂以及移動設(shè)備與汽車整合四個方面[1]。然而駕駛教學(xué)中的交互模式多集中于前兩個方面[2]，學(xué)員在駕駛學(xué)習(xí)操作中由于對車輛部件不熟悉，視線在目視前方觀察路況與低頭下視儀表盤之間切換困難，存在安全隱患。因此駕駛?cè)蝿?wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和駕駛負(fù)荷的降低成為主要任務(wù)。

從交互界面角度來看，傳統(tǒng)的車輛信息交互界面為物理界面，分為儀表盤和中控臺旋鈕，主要為物理按鍵操作。由于近年來交互方式的發(fā)展，物理界面逐步轉(zhuǎn)向空間界面，觸屏操作逐步普及[3]。由于中控臺觸屏操作相比于物理按鍵視覺上更加直觀，一定程度上可以縮短駕駛學(xué)習(xí)的操作時間，成為人車交互系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

在汽車人機(jī)交互模型中交互方式主要為體感交互、語音交互和多通道交互[4]。其中體感交互主要為手勢交互，但由于其操作復(fù)雜、容易造成誤判以及難以撤銷等問題，不適合運(yùn)用在駕駛教學(xué)中；語音交互在日常駕駛中一般用于撥打電話、車輛導(dǎo)航等，在駕駛學(xué)習(xí)中可通過其對學(xué)員進(jìn)行及時指導(dǎo)和錯誤糾正，這將在一定程度上減輕教練的教學(xué)負(fù)擔(dān)；多通道交互綜合了語音、體感、視覺等多種交互模式，更加適用于駕駛學(xué)習(xí)[5]。由于在傳統(tǒng)儀表板條件下，閱讀屏幕信息(包括眼睛的來回視線調(diào)整)至少需要半秒[5]，在30km /min的速度條件下，意味著駕駛員盲駕約4.2 m，這對于駕駛新手來說十分危險[6]。所以駕駛教學(xué)的多通道教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)多集中于HUD(Head-up Display)顯示與語音提示兩方面，將前擋風(fēng)玻璃的信息與路況實(shí)景高度融合有利于駕駛者更高效地獲取信息，但如今此交互方式還沒有被應(yīng)用于駕駛教學(xué)之中。

綜上，在保證學(xué)員安全的情況下實(shí)現(xiàn)駕校車輛的教學(xué)輔助功能是亟待解決的問題。本文將基于車載互聯(lián)技術(shù)研究駕駛教學(xué)輔助交互系統(tǒng)[7]。

2 交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 市場現(xiàn)狀及競品分析

現(xiàn)有車輛駕駛教學(xué)市場中以駕校教練教學(xué)為主要方式；其它交互方式及系統(tǒng)主要分為三類：模擬駕駛學(xué)習(xí)軟件、汽車駕駛模擬機(jī)以及相關(guān)駕考手機(jī)APP。對這三類產(chǎn)品的市場現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，用戶存在諸多痛點(diǎn)與需求點(diǎn)，見表1。

表1 駕駛教學(xué)交互競品分析

2.2 用戶交互需求研究

在對駕駛教學(xué)市場競品進(jìn)行分析之后，筆者認(rèn)為基于車載互聯(lián)技術(shù)的駕駛教學(xué)輔助交互系統(tǒng)應(yīng)把用戶所需要的具體交互方式和操作作為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，所以設(shè)計(jì)研究應(yīng)從用戶入手。本研究首先通過自然觀察和用戶深度訪談了解學(xué)習(xí)駕駛的任務(wù)流程、情緒及動作、偏好與習(xí)慣、困難與期望等，通過對學(xué)員和教練兩類用戶模型的建立歸納用戶的具體需求；再通過用戶體驗(yàn)地圖和服務(wù)藍(lán)圖的方法，總結(jié)出系統(tǒng)應(yīng)該具有的具體功能點(diǎn)；最后通過KA卡片法進(jìn)行信息架構(gòu)分析，確定系統(tǒng)的內(nèi)容類別與功能結(jié)構(gòu)，確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.2.1 用戶模型建構(gòu)

首先運(yùn)用自然觀察法，在駕校的自然條件下對總計(jì)67名的駕駛學(xué)員的言語、行為和表情等進(jìn)行有目的、有計(jì)劃地觀察，以了解其心理活動和存在的困難，并在學(xué)員駕駛操作過程中有目的地以視頻的形式進(jìn)行記錄。通過對以上學(xué)員的觀察記錄、視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行大體的整理與總結(jié)，運(yùn)用此方法得到駕校教學(xué)中存在的基本問題，總結(jié)用戶痛點(diǎn)與需求。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入調(diào)研，將所有的用戶進(jìn)行歸類與劃分，選擇具有典型特點(diǎn)的五類用戶，并在67名用戶中選取五位典型用戶代表進(jìn)行逐一的分析，分別為：22歲男大學(xué)生趙某、36歲已婚女士王某、42歲駕校教練孫某、56歲學(xué)車?yán)щy的阿姨賈某和66歲退休爺爺王某。通過對這些具有代表性的用戶進(jìn)行直接的、一對一的深入訪談挖掘用戶對駕駛教學(xué)輔助交互系統(tǒng)的感知及態(tài)度。在此基礎(chǔ)上確定本研究的潛在用戶為駕校學(xué)員與教練兩類人群，并針?biāo)麄兊牟煌枨笈c痛點(diǎn)，對學(xué)員和教練兩種人物原型和使用場景進(jìn)行構(gòu)建，分析歸納存在的設(shè)計(jì)點(diǎn)，見表2。

表2 用戶需求及設(shè)計(jì)點(diǎn)分析

2.2.2 用戶體驗(yàn)地圖與服務(wù)藍(lán)圖梳理

在總結(jié)用戶需求的基礎(chǔ)上，運(yùn)用用戶體驗(yàn)地圖和服務(wù)藍(lán)圖探究系統(tǒng)應(yīng)具備的功能點(diǎn)與開發(fā)相關(guān)細(xì)節(jié)。首先，建立用戶體驗(yàn)地圖，用導(dǎo)向圖總結(jié)用戶在整個任務(wù)流程中與服務(wù)或產(chǎn)品的交互接觸點(diǎn)，詳細(xì)描述不同用戶(學(xué)員與教練)在學(xué)習(xí)駕駛過程中采取的具體操作步驟，總結(jié)任務(wù)流程中存在的使用困難、用戶期望及相關(guān)設(shè)計(jì)機(jī)會。在用戶體驗(yàn)地圖完成后，借助流程圖，通過設(shè)計(jì)可提供的系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)過程與接觸點(diǎn)，直觀地展示原型設(shè)計(jì)應(yīng)具備的功能并建立服務(wù)藍(lán)圖，用以感受服務(wù)流程質(zhì)量。借助服務(wù)藍(lán)圖將基于車互聯(lián)技術(shù)的駕駛教學(xué)輔助交互系統(tǒng)的服務(wù)流程有形化、可視化，從而總結(jié)出此系統(tǒng)應(yīng)包含的功能點(diǎn)，見表3。最終，經(jīng)過對系統(tǒng)開發(fā)分析結(jié)果的梳理，總結(jié)出本系統(tǒng)應(yīng)具有功能點(diǎn)的架構(gòu)圖(圖1)。

表3 系統(tǒng)開發(fā)分析

圖1 系統(tǒng)功能點(diǎn)架構(gòu)圖

2.2.3 KA卡片法確定系統(tǒng)信息架構(gòu)

在用戶體驗(yàn)地圖和服務(wù)藍(lán)圖的基礎(chǔ)上，基于定性信息和文本表達(dá)，分析具體場景中發(fā)生了什么、關(guān)鍵詞是什么、生活中的價值(即用戶想要得到什么)，隨即通過KA卡片法[8](與kurosu的“微場景法”[9]相似)最終確定本系統(tǒng)的PDS(Product Design Specifications)，從而產(chǎn)生該研究的系統(tǒng)整體信息架構(gòu)(圖2)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

最終確定通過運(yùn)用汽車“主動安全”的四周雷達(dá)防撞系統(tǒng)等相關(guān)科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能的駕駛教學(xué)自動操作和輔助功能，一定條件下使學(xué)員可以在沒有教練的車輛指導(dǎo)下完成科目二與科目三的駕駛訓(xùn)練，在考試場地進(jìn)行模擬駕考，了解自己的真實(shí)駕駛水平，并在取得駕駛證后，運(yùn)用此系統(tǒng)逐步過渡到在社會道路上自主行駛。另外，此系統(tǒng)需配套設(shè)有手機(jī)同款A(yù)PP，用戶回到家后可以溫習(xí)當(dāng)天學(xué)習(xí)的駕駛相關(guān)內(nèi)容，并且實(shí)現(xiàn)考試預(yù)約，信息查詢等功能。

3 交互系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

在利用上述研究方法確立信息架構(gòu)的基礎(chǔ)上，原型聚焦于交互流程開發(fā)和用戶界面設(shè)計(jì)，包括中控臺中學(xué)員和教練的操作架構(gòu)和界面設(shè)計(jì)(圖3)、相關(guān)語音庫匯總以及手機(jī)app交互架構(gòu)信息及界面設(shè)計(jì)(圖4)。最終借助駕駛模擬器和平板電腦來模擬電子原型，對其進(jìn)行測試，以便高速地進(jìn)行原型迭代。

3.1 設(shè)計(jì)原型概述

教練上車后，在中控屏幕通過管理員密碼登錄系統(tǒng)，輸入當(dāng)日訓(xùn)練人數(shù)和訓(xùn)練項(xiàng)目，系統(tǒng)將自動生成當(dāng)日的訓(xùn)練計(jì)劃，包括每人的訓(xùn)練次數(shù)和時長。學(xué)員刷學(xué)員卡上車訓(xùn)練，中控將進(jìn)入學(xué)員模式，主界面分為“學(xué)車模式”、“駕考模擬”、“新手上路”三個模塊，還提供“學(xué)習(xí)進(jìn)度”(各項(xiàng)訓(xùn)練的完成情況查詢)和“學(xué)習(xí)情況”(學(xué)習(xí)計(jì)劃設(shè)置和錯誤集錦回顧)。學(xué)車模式包括車輛基礎(chǔ)展示(基礎(chǔ)知識、基本操作)、道路駕駛(科目二和科目三操作提示及教學(xué))、車輛維護(hù)及交通安全(科目一和科目四理論知識)等三大教學(xué)模塊。

圖3 中控臺高保真交互界面

在用戶進(jìn)入車輛基礎(chǔ)和車輛維護(hù)及交通安全模塊時，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，中控通過圖片、動畫、視頻的方式將理論知識進(jìn)行呈現(xiàn)。進(jìn)入道路駕駛模塊，車輛處于運(yùn)動狀態(tài)，中控臺將不再顯示任何信息，以免干擾駕駛，駕駛員所需要的相關(guān)視覺信息將通過HUD進(jìn)行投射，并輔助以相關(guān)的語音提示來規(guī)范駕駛流程。當(dāng)駕駛員操作錯誤時，車輛將通過視覺和聽覺雙重信號進(jìn)行提示與警告。

當(dāng)相關(guān)訓(xùn)練結(jié)束后，可進(jìn)入駕駛考試模擬模式，選擇想要?？嫉捻?xiàng)目，當(dāng)車輛行駛到相應(yīng)項(xiàng)目的考試位置時系統(tǒng)將語音提示考試開始，并在操作結(jié)束后告知用戶考試成績以及視頻展示錯誤點(diǎn)，進(jìn)行正確示范。

在取得駕駛證后，用戶可運(yùn)用此系統(tǒng)逐步過渡到可以在社會道路上自主駕駛，省去尋找陪練的階段。另外，系統(tǒng)還設(shè)有配套手機(jī)APP，可以在回家后用手機(jī)溫習(xí)當(dāng)天學(xué)習(xí)的駕駛內(nèi)容，還可以預(yù)約考試、信息查詢等。

圖4 配套手機(jī)app高保真交互界面

3.2 設(shè)計(jì)原型技術(shù)支持

針對駕駛員最擔(dān)心的安全問題，該系統(tǒng)將運(yùn)用一系列高端科技，在保障學(xué)員安全的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用汽車四周雷達(dá)防撞技術(shù)(包括測速雷達(dá)、障礙物探測雷達(dá)、自適應(yīng)巡航控制雷達(dá)、防撞雷達(dá)、駐車?yán)走_(dá)等)了解自身車輛和前方車輛的實(shí)時速度，與前車保持安全距離[10]；當(dāng)檢測到前方道路上可能引起碰撞的危險障礙物時，提早提醒、規(guī)避危險。該技術(shù)可幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛安全性[11]。同時，該系統(tǒng)還運(yùn)用汽車安全技術(shù)(包括車體前方/后方/側(cè)邊碰撞預(yù)警和緩解(Crash Mitigation)、車道偏離示警、平視顯示器技術(shù)、盲點(diǎn)預(yù)警、駕駛疲勞警示和自動剎車控制等[12])，在車輛遇到突發(fā)危險情況時，能自身主動產(chǎn)生制動效果讓車輛減速并剎車，幫助駕駛員避免城市交通常見的低速行駛追尾事故[13]。HUD技術(shù)利用光學(xué)反射原理，將重要資訊投射在前擋風(fēng)玻璃上，顯示高度大致與駕駛員的眼睛成水平狀態(tài)，在駕駛過程中將外界景象與HUD顯示資料融合在一起[14]。降低低頭與抬頭之間的事故率，也可緩解眼睛焦距需要不斷調(diào)整產(chǎn)生的延遲與不適[15]，最大程度保障安全駕駛。

4 測試與評估

4.1 可用性測試流程

此系統(tǒng)原型可用性測試地點(diǎn)為同濟(jì)大學(xué)汽車人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室。招募的被測人員6位，均為同濟(jì)大學(xué)學(xué)生，其中 2人已經(jīng)有2年以上駕駛經(jīng)驗(yàn)，2人為剛拿到駕駛證的新手，還有2人沒有學(xué)習(xí)過駕駛。由于此系統(tǒng)將同時針對有駕駛經(jīng)驗(yàn)、無駕駛經(jīng)驗(yàn)以及剛獲得駕駛經(jīng)驗(yàn)的用戶，因此通過包含此三類不同種類的6位被測人員，將使可用性測試的結(jié)果更為準(zhǔn)確。由于研究重點(diǎn)是駕駛教學(xué)新的交互方式，因此測試腳本包括兩個部分：第一項(xiàng)任務(wù)為靜態(tài)操作，要求被試者在車輛停止的狀態(tài)下，通過平板電腦模擬車輛中控臺，找到學(xué)員模式中車輛基礎(chǔ)教學(xué)中“操作桿介紹”進(jìn)行學(xué)習(xí)。第二項(xiàng)任務(wù)為動態(tài)操作，要求被試者在使用模擬駕駛器駕駛的過程中選擇科目二“側(cè)方位停車” 項(xiàng)目，并根據(jù)模擬駕駛器中的具體場景進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于所有被試者均沒有事先接觸駕駛教學(xué)的交互系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，測試前首先進(jìn)行10 min的系統(tǒng)原型介紹和操作示范，直到用戶對于測試過程和交互模式有初步認(rèn)知之后才開始進(jìn)行相關(guān)任務(wù)流程的測試。

測試中在場3名測試人員對被測者進(jìn)行分工操作，第一名工作人員告知用戶操作具體流程，并要求被試者使用有聲思維方法，敘述其正在進(jìn)行的操作和過程中存在的疑惑。第二名工作人員運(yùn)用紙筆在旁記錄操作者操作過程，第三名工作人員錄制整個測試過程和用戶表現(xiàn)，輔助進(jìn)行記錄。測試所需設(shè)備及流程如圖5所示。原型測試用以尋找系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不足，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)評估。

圖5 測試所需設(shè)備及流程

4.2 設(shè)計(jì)評估

在6位用戶完成以上任務(wù)后，用問卷法調(diào)查其對該系統(tǒng)可用性的評價，將該系統(tǒng)的可用性分為效用(清晰度、準(zhǔn)確度)、效率(快速性、簡單性、易學(xué)性)、滿意度(功能、交互體驗(yàn)、美觀性)及安全四個維度，讓6位用戶分別對這四項(xiàng)進(jìn)行評分。評分標(biāo)準(zhǔn)為每個維度1至10分，1分為非常不滿意，10分為非常滿意。從而匯總出可用性測試結(jié)果數(shù)據(jù)，如表4。

表4 可用性測試數(shù)據(jù)

通過用戶對系統(tǒng)的可用性評估結(jié)果可以看出，6位被測用戶對系統(tǒng)原型均較為滿意。另外，由于此時用戶已熟悉該交互原型的具體操作方式。采用焦點(diǎn)小組訪談的方式，即與被試者自由交談，由于被試者沒有參與前期原型開發(fā)，無經(jīng)驗(yàn)干涉，相對于開發(fā)人員更容易找到系統(tǒng)中隱藏的交互問題。經(jīng)過焦點(diǎn)小組訪談，總結(jié)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足之處，進(jìn)一步改進(jìn)原型設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)的問題如下：“HUD 上的指示性圖標(biāo)和操作性圖標(biāo)過于類似”、“開車時教學(xué)系統(tǒng)沒有中斷功能”，并對此進(jìn)行改正，確定了最終的駕駛教學(xué)輔助交互系統(tǒng)原型。

在測試中，用戶在整個工作流中沒有認(rèn)知障礙和操作困難，通過此交互系統(tǒng)原型，被測者可以流暢準(zhǔn)確地完成任務(wù)，驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可用性。

5 討論

本文通過前期調(diào)研(包括市場現(xiàn)狀及競品分析)、用戶研究(包括建立用戶模型、用戶體驗(yàn)地圖、服務(wù)藍(lán)圖以及KA卡片法)、信息構(gòu)架梳理、設(shè)計(jì)評估、可用性測試等方法，驗(yàn)證了HUD視覺操作機(jī)制與中控交互界面在系統(tǒng)語音提示下，可以實(shí)現(xiàn)駕駛教學(xué)輔助功能，并降低用戶操作時的駕駛負(fù)荷，提供系統(tǒng)化教學(xué)體系。并在此基礎(chǔ)上，提出了基于車載互聯(lián)技術(shù)下的駕駛學(xué)習(xí)輔助交互模型。

此系統(tǒng)采用汽車四周雷達(dá)防撞系統(tǒng)、人體感應(yīng)技術(shù)、主動剎車技術(shù)、城市安全系統(tǒng)技術(shù)、平視顯示器(Head Up Display)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，對車內(nèi)部進(jìn)行新的交互設(shè)計(jì)，保障學(xué)生的人身安全。選擇車輛中控臺、前擋風(fēng)玻璃、內(nèi)外觀后鏡、儀表盤等部件進(jìn)行人機(jī)交互，能在完成其主要功能的基礎(chǔ)上，增加多種交互方式，使操作更加智能化，簡潔化，人性化。

6 結(jié)論

當(dāng)今社會，我國汽車擁有量正處于疾速增加階段，用戶學(xué)習(xí)駕駛時對于學(xué)車的環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)有所要求。本文針對駕駛學(xué)習(xí)過程中學(xué)員的需求，開發(fā)了基于車載互聯(lián)技術(shù)的駕駛教學(xué)輔助交互模型，并通過初步驗(yàn)證證明了其潛力，對相關(guān)駕駛學(xué)習(xí)輔助交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論與應(yīng)用開發(fā)具有一定的參考價值與借鑒意義。

但此研究的交互機(jī)制目前僅處于開發(fā)初期階段，用戶操作時的心理層面因素尚未考慮。建議后期深入研究時，根據(jù)心理學(xué)的相關(guān)知識，對學(xué)員的教學(xué)及提示根據(jù)感官刺激的大小和程度劃分為不同等級，以更好地針對學(xué)員不同階段的學(xué)習(xí)?？稍谟?xùn)練初期采用人工語音指導(dǎo)與視覺提示相結(jié)合的模式；在訓(xùn)練中期將語音指導(dǎo)變?yōu)槁曇籼崾?，利用聲音大小和緩急程度進(jìn)行提示；在訓(xùn)練后期進(jìn)行視覺符號提示及觸覺提示[16]；當(dāng)訓(xùn)練完成后，學(xué)員無需系統(tǒng)提示，如有錯誤操作系統(tǒng)自動記錄即可。