人工智能背景下的車載人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究

劉宗漢，唐藝

南京理工大學(xué)，南京210094

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來和人工智能技術(shù)的推廣，人們使用各類基于人工智能技術(shù)應(yīng)用的習(xí)慣開始逐漸被培養(yǎng)起來，這類應(yīng)用可以較為流暢地與用戶進(jìn)行溝通，甚至主動預(yù)測用戶的意圖并給出相關(guān)建議，從而給人們的生活帶來極大的便利。然而，目前在人們使用頻繁的乘用車領(lǐng)域，車載人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與研發(fā)并不盡如人意，尤其是傳統(tǒng)汽車品牌的車輛中控屏的交互界面還存在操作不便、智能化程度低等情況，較多地占用了用戶的注意資源，成為危及行車安全的潛在因素。因此，本研究的重點(diǎn)在于對用戶使用頻率高、功能種類多，但占用用戶注意資源的中控屏幕界面展開優(yōu)化，探討如何將人工智能技術(shù)引入車載人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過該技術(shù)學(xué)習(xí)和分析用戶的駕駛偏好，嘗試建立一個基于人工智能的車載人機(jī)交互界面控制系統(tǒng)，在為用戶提供更準(zhǔn)確有效的信息和更自然的交互體驗(yàn)的同時，也能為傳統(tǒng)汽車品牌的車載交互界面設(shè)計(jì)研究提供新的思路。

一、車載人機(jī)交互的現(xiàn)狀分析

為了更好地了解汽車交互的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合分析2019 年上半年的乘用車銷售數(shù)據(jù)，根據(jù)品牌類型、車型和價位分別選取了汽油車和新能源汽車中銷量較好、知名度較高的大眾朗逸、榮威i6、寶馬i3、特斯拉Model 3、Model X和蔚來ES8等二十款車型，對車載交互方式、交互界面的設(shè)計(jì)展開了調(diào)研。

（一）車載人機(jī)交互方式的發(fā)展現(xiàn)狀

通過分析從汽車廠商官方網(wǎng)站和汽車綜合信息類等網(wǎng)站獲取到的參數(shù)和車內(nèi)圖片，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)汽車品牌與新興汽車品牌的車型均采用了實(shí)體按鍵、觸控屏和語音控制相結(jié)合的交互方式。其中，實(shí)體按鍵在車輛中控區(qū)的出現(xiàn)頻率最高，車輛座椅、空調(diào)和危險報(bào)警閃光燈等操作大多由實(shí)體按鍵實(shí)現(xiàn)；傳統(tǒng)品牌的車型以實(shí)體按鍵操控為主；新興汽車品牌的車型則取消了大部分中控區(qū)實(shí)體按鍵，與車載系統(tǒng)的交互主要通過觸控屏完成。此外，方向盤上的實(shí)體按鍵也成為這些車型的標(biāo)配，方向盤上的實(shí)體按鍵主要功能為多媒體控制、電話控制和語音助手喚醒。

觸控式觸控中控屏在這些車型中均有配備，電容式觸控屏可以支持多點(diǎn)手勢觸控等自定義的復(fù)雜操作，但支持手勢觸控的車型不多，手勢觸控的操作方式也較為復(fù)雜。此外，語音控制也是這些車型的標(biāo)配，可以通過方向盤上的實(shí)體按鍵或廠商特定喚醒詞喚醒語音助手，不過僅支持電話、導(dǎo)航、空調(diào)等特定功能的語音控制，使用場景較為局限。

（二）車載人機(jī)交互界面的發(fā)展現(xiàn)狀

車載人機(jī)交互界面是車輛與用戶之間信息交換的重要渠道，在這些車型中，中控屏幕的尺寸從6.5 英寸到17 英寸不等，配備8～11 英寸屏幕的車型占60%以上，新興汽車品牌的中控屏尺寸普遍較大，屏幕界面中集成了原來由機(jī)械按鈕控制的功能。在界面的配色方面，背景幾乎都選用了深色色調(diào)，界面中其他元素的顏色存在數(shù)量過多或與背景區(qū)分不明顯的問題。在界面圖標(biāo)和文字的使用方面，圖標(biāo)和文字在80%以上的車載交互界面中被組合使用。在界面布局方面，除了新興汽車品牌蔚來ES8的特定頁面布局和特斯拉菜單欄中的部分功能按鈕可以由用戶自定義之外，其余車型均為固定布局，不可變更大小或位置。在界面的菜單層級上，約80%的廠商仍然使用類似于智能手機(jī)界面的多層級設(shè)計(jì)思維，沿用“桌面”這一概念，不同功能之間的切換仍需返回主菜單后才能進(jìn)行。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)汽車品牌對車載人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)沒有給予足夠的重視，另外，由于產(chǎn)品線較多，不同車型之間有較大差異，對車載交互界面的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整工作量較大，因此，車載人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)也相對滯后。而新興汽車品牌的車型則比較注重車載交互界面的設(shè)計(jì)，車型也相對較少，便于調(diào)整其車載交互界面的設(shè)計(jì)，因此，在車載人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)方面要略優(yōu)于傳統(tǒng)汽車品牌。由此可知，設(shè)計(jì)師需要在充分研究用戶偏好和需求的基礎(chǔ)上，提出更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)策略，并且將設(shè)計(jì)策略與新技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用在車載人機(jī)交互界面中，使傳統(tǒng)汽車品牌的車載人機(jī)交互界面智能化程度更高。

二、人工智能技術(shù)在車載人機(jī)交互界面中的應(yīng)用

（一）人工智能技術(shù)概述

人工智能是指由人類制造出來的機(jī)器所表現(xiàn)出來的智能，是一門旨在研究模擬人類智能并將其擴(kuò)展和延伸的理論、方法及技術(shù)的新科學(xué)，當(dāng)前主要分為六大研究方向，分別為計(jì)算機(jī)視覺、認(rèn)知與推理、自然語言學(xué)習(xí)及處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人學(xué)和博弈與倫理。其中，自然語言學(xué)習(xí)及處理和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域在日常生活中較為常見，自然語言的學(xué)習(xí)和處理目的就是在于實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之前自然的交流，機(jī)器將可以理解與人對話中普遍存在的多義性；而機(jī)器學(xué)習(xí)是研究如何在算法的指導(dǎo)下，自動學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)樣本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)在規(guī)律并獲得新的經(jīng)驗(yàn)與知識，從而對新樣本進(jìn)行智能識別，甚至可以對未來進(jìn)行預(yù)測[1]，從而在供需雙方的互動中，產(chǎn)生供給側(cè)和需求側(cè)的精準(zhǔn)匹配[2]。目前市面上基于人工智能技術(shù)并較為成功的商業(yè)應(yīng)用有很多，例如近年發(fā)展起來的小愛音箱等智能家居設(shè)備和谷歌助手、蘋果Siri等個人智能助理等。

基于人工智能技術(shù)的設(shè)備和系統(tǒng)與現(xiàn)使用的傳統(tǒng)設(shè)備及系統(tǒng)等有著較大的區(qū)別，傳統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)僅能被動地按照預(yù)設(shè)的程序運(yùn)行，而引入人工智能技術(shù)的設(shè)備和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化和自我適應(yīng)，能夠充分利用設(shè)備的硬件運(yùn)算能力，并在系統(tǒng)應(yīng)用層面提供智能預(yù)測、自動規(guī)劃、智能決策和智能控制等一系列功能，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化和自動化。

（二）將人工智能技術(shù)引入車載人機(jī)交互界面

用戶使用車輛可簡單分為駕駛開始前、駕駛過程中、駕駛暫停時與駕駛結(jié)束后四個階段。在每個階段或狀態(tài)時，用戶分配給車載人機(jī)界面的注意資源是不同的，車載人機(jī)界面是車載信息娛樂系統(tǒng)與用戶交互的主要渠道之一，其界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣可能影響到用戶的使用體驗(yàn)，甚至行車安全，而現(xiàn)有界面固化、操作繁瑣等問題又會占用用戶不必要的注意資源。因此，將人工智能技術(shù)引入車載人機(jī)交互界面，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，不斷地對用戶的駕駛行為信息進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，嘗試建立一個基于人工智能的車載人機(jī)交互界面控制系統(tǒng)，其控制機(jī)制，見圖1。在充分研究用戶行為偏好的基礎(chǔ)上，分析駕駛狀態(tài)與用戶信息，動態(tài)地調(diào)整界面中顯示的內(nèi)容，從而滿足用戶需求并充分保證其駕駛安全。

圖1 基于人工智能的車載人機(jī)交互界面控制機(jī)制

三、用戶的行為與偏好研究

（一）用戶行為研究

通過觀察用戶在使用車輛過程中的駕駛行為、與車載人機(jī)界面的交互行為及其他行為，了解用戶在駕駛開始前、駕駛過程中等不同階段的車內(nèi)狀況，并且對用戶行為的安全性進(jìn)行評估。這階段選取了三十名用戶進(jìn)行觀察，獲得了有效的觀察記錄二十七份。在實(shí)際觀察過程中發(fā)現(xiàn)，用戶在駕駛開始前與駕駛結(jié)束后進(jìn)行的操作較為相似，在駕駛過程中與駕駛暫停時的操作同樣較為相似，因此，將行為觀察結(jié)果依據(jù)駕駛階段分為兩大類，從駕駛階段、用戶行為、操作的設(shè)備和對駕駛安全的影響四個方面匯總，用戶駕駛行為觀察匯總結(jié)果，見表1。

（二）用戶的駕駛偏好研究

本次用戶駕駛偏好研究主要采用問卷調(diào)查方式，分為三個部分，主要了解用戶的基本信息、對現(xiàn)有車載交互系統(tǒng)的使用情況和用戶需求的方向。問卷調(diào)查的目標(biāo)人群年齡段為21～40 歲，駕齡為一年以上。目標(biāo)人群的篩選依據(jù)有二：首先，由于該年齡段的人群更了解新產(chǎn)品和新技術(shù)，有更強(qiáng)的學(xué)習(xí)、適應(yīng)能力；其次，擁有一年以上駕齡的人群對車輛的使用已經(jīng)相對熟悉，能提供具有參考價值的信息。共發(fā)放了一百零三份問卷，根據(jù)目標(biāo)人群的篩選條件，回收了有效問卷七十一份。對參與本次調(diào)研的人群進(jìn)行分析，其職業(yè)以白領(lǐng)為主，占總數(shù)的62%；駕駛車型以轎車和SUV為主；主要能源類型為汽油，新能源汽車所占比例僅為21%；其車輛的主要用途為上下班，占比82%。

表1 用戶駕駛行為觀察匯總

用戶對現(xiàn)有車載人機(jī)交互界面的總體滿意度，見圖2，僅有13%的用戶表示滿意。對車載人機(jī)交互界面中各個部分的滿意度，見圖3，滿意度從高到低依次為娛樂控制、車輛控制、界面布局、通訊和導(dǎo)航部分。針對用戶行為進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了用戶在駕駛過程中存在使用手機(jī)的情況，問卷中也展開了調(diào)研，目的是了解用戶使用手機(jī)的頻率和原因，為后續(xù)研究提供參考。駕駛車輛過程中用戶使用手機(jī)的頻率見圖4，用戶在駕駛過程中使用手機(jī)的原因見圖5。

圖2 用戶現(xiàn)有車載人機(jī)交互界面的滿意度

圖3 用戶現(xiàn)有車載人機(jī)交互界面中各部分的滿意度

圖4 駕駛車輛過程中用戶使用手機(jī)的頻率

此外，關(guān)于用戶需求的調(diào)研調(diào)研見圖6，顯示了用戶對界面智能調(diào)整、通訊信息整合、界面層級簡化、智能行程建議、交互方式創(chuàng)新和物聯(lián)網(wǎng)信息整合等六大方面的需求。

（三）用戶觀察與調(diào)研結(jié)果分析

交互過程應(yīng)更靠近人與人特有的自然交流，用戶與汽車的自然化交互行為也應(yīng)當(dāng)成為發(fā)展的新趨向[3]。然而，從用戶行為觀察結(jié)果和用戶調(diào)研數(shù)據(jù)看，現(xiàn)有的車載人機(jī)交互界面在層級設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和操控方式等方面還存在較多問題，用戶對界面中各部分的滿意度較低。同時，調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)的使用手機(jī)的情況也需要重點(diǎn)關(guān)注，雖然近三年來交通事故總量在逐步下降，但是機(jī)動車交通事故致死人數(shù)呈上升趨勢[4-6]，而開車玩手機(jī)更是位列機(jī)動車交通事故發(fā)生誘因的第三名，占比10.56%[7]。這反應(yīng)出現(xiàn)有車載交互界面在通訊信息整合方面存在缺陷，可能影響駕駛安全，因此，在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)對車載人機(jī)界面的布局、信息呈現(xiàn)和操控方式重點(diǎn)優(yōu)化，在保證安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)用戶與車載人機(jī)界面的自然化交互行為。

四、基于人工智能的車載人機(jī)交互界面交互設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）基于人工智能的車載人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)策略

結(jié)合用戶調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的問題，并利用基于人工智能技術(shù)系統(tǒng)具有的自我學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化和自動適應(yīng)的特點(diǎn)，針對層級、布局和信息呈現(xiàn)提出以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)策略來改善當(dāng)前車載人機(jī)界面中的設(shè)計(jì)缺陷。

圖5 用戶在駕駛過程中使用手機(jī)的原因

圖6 用戶需求調(diào)研結(jié)果

首先，簡化界面中的層級。在駕駛開始前和駕駛結(jié)束后這兩個階段采用平鋪式菜單設(shè)計(jì)。在駕駛過程中和駕駛暫停時，基于用戶偏好和環(huán)境信息，利用人工智能控制系統(tǒng)，智能隱藏與當(dāng)前無關(guān)的功能菜單，以遵循界面的層級應(yīng)減少切換成本、減少選擇時長、提高操作效率和界面辨識性的原則[8]。

其次，優(yōu)化界面布局，降低對用戶注意資源的占用和分散。人工智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)用戶在不同駕駛階段對各項(xiàng)功能的不同需求，自動調(diào)整導(dǎo)航區(qū)域、菜單區(qū)域、通知區(qū)域、功能控制區(qū)域等功能區(qū)域在界面中的位置、大小，以及決定其是否顯示。

最后，針對信息呈現(xiàn)方面的優(yōu)化。在駕駛過程中應(yīng)保證界面上呈現(xiàn)的信息不會對用戶的駕駛行為產(chǎn)生干擾，因此，人工智能控制系統(tǒng)將接管手機(jī)的通知消息，根據(jù)不同優(yōu)先級顯示用戶相關(guān)的通訊信息、物聯(lián)網(wǎng)信息和環(huán)境相關(guān)信息，從而降低用戶在駕駛過程中因使用手機(jī)獲取信息所導(dǎo)致的潛在安全風(fēng)險。

（二）基于人工智能的車載人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)實(shí)踐

1.布局設(shè)計(jì)

動態(tài)的界面布局相比靜態(tài)布局將能夠更好地利用屏幕空間，并保證各個區(qū)域主要內(nèi)容的完整顯示。然而，即便是業(yè)界設(shè)計(jì)方面領(lǐng)先的新興汽車品牌特斯拉，其Model 3車型上的v9.0版本界面布局也是相對固定的，除菜單欄中的功能可以自定義外，界面中的其他部分均不能動態(tài)調(diào)整，見圖7。另外，在進(jìn)行控制操作時，彈出的控制界面會遮擋部分導(dǎo)航、地圖和菜單內(nèi)容?；谏鲜隹紤]，設(shè)計(jì)了能夠根據(jù)不同駕駛狀態(tài)，進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的布局，見圖8。

由于駕駛開始前和駕駛結(jié)束后這兩個階段車輛處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，界面布局的設(shè)計(jì)無需過多考慮占用用戶注意資源的問題，并且界面的各個區(qū)域、各項(xiàng)功能可以較為完整地呈現(xiàn)，所以在處于這兩個階段下的界面布局中，增加了平鋪式菜單欄和智能通知的展示區(qū)域。

而駕駛過程中與駕駛暫停時這兩個階段明顯需要用戶分配更多的注意資源給駕駛?cè)蝿?wù)，因此，處于這兩個狀態(tài)下的界面布局靈活性較高，除導(dǎo)航區(qū)域、地圖區(qū)域和通知區(qū)域不可自定義意外，常用功能入口和常用功能控制區(qū)域均可自定義顯示內(nèi)容，或者由人工智能控制系統(tǒng)決定顯示內(nèi)容、顯示位置和顯示時間。

2.設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)

最終的車載人機(jī)交互界面高保真設(shè)計(jì)原型，見圖9。在基礎(chǔ)視覺元素的設(shè)計(jì)方面，配色選用了深色色調(diào)，清晰易讀。地圖的顏色與現(xiàn)有導(dǎo)航APP 一致，可根據(jù)時間自動切換，本原形中展現(xiàn)的是晚間駕車時的深色地圖模式。圖形和文字的組合相對于單純的文字或圖像來說，更容易理解并記住[9]，因此，界面中菜單欄的設(shè)計(jì)采用了文字與圖標(biāo)結(jié)合的形式。

當(dāng)人工智能控制系統(tǒng)檢測到車輛處于駕駛開始前或結(jié)束后這兩個階段，則默認(rèn)顯示完整的菜單欄、功能控制、行程建議和用戶信息的界面，方便用戶查找和操作。若處于駕駛過程中或駕駛暫停時，則隱藏菜單欄，僅在左側(cè)的導(dǎo)航信息下方顯示用戶常用的功能按鈕，并且在界面底部顯示用戶常用功能的控制區(qū)。為了滿足調(diào)研中了解到的用戶關(guān)于手勢控制的需求，并且使控制區(qū)域占用的屏幕空間更小，控制區(qū)域采用手勢控制的方式。有研究表明，提升手勢控制用戶體驗(yàn)的重點(diǎn)在于明確操作區(qū)域[10]，因此，本方案中駕駛過程中屏幕呈現(xiàn)的手勢控制區(qū)域相對固定，在一定程度上降低了用戶注意資源的占用。同時，手勢操控的方式也做了適當(dāng)?shù)暮喕?，僅保留了上下滑動和左右滑動兩種常見的操控手勢，從而降低用戶的學(xué)習(xí)成本。以空調(diào)控制區(qū)為例，在控制區(qū)內(nèi)兩指上下滑動可以進(jìn)行溫度調(diào)整，兩指左右滑動可進(jìn)行風(fēng)速調(diào)整。

圖7 特斯拉Model 3的v9.0版本界面布局

圖8 基于人工智能的車載人機(jī)交互界面布局設(shè)計(jì)

圖9 車載人機(jī)交互界面高保真設(shè)計(jì)原型

若當(dāng)前未處于駕駛過程中，并有來自手機(jī)的通知消息，人工智能控制系統(tǒng)將會自動彈出通知詳情供用戶處理，用戶可以手動退出該界面。一旦車輛開始行駛，該界面會立即關(guān)閉。

五、結(jié)語

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來車載人機(jī)交互界面的智能化將成為新的發(fā)展和研究方向。在自動駕駛技術(shù)發(fā)展到駕駛車輛全程無需人工干預(yù)之前，用戶在駕駛車輛時仍需要將注意資源更多地分配給駕駛?cè)蝿?wù)。筆者提出利用人工智能技術(shù)來動態(tài)調(diào)整車載人機(jī)交互界面呈現(xiàn)的內(nèi)容，并嘗試建立一套基于人工智能的車載人機(jī)交互界面控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)策略，旨在實(shí)現(xiàn)用戶與車載人機(jī)界面間更加自然、高效、安全的交互。這同時也為傳統(tǒng)汽車品牌的車載人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)提供了新的思路。