基于安全原則的汽車(chē)中控臺(tái)人機(jī)交互設(shè)計(jì)研究

耿 言

(南京科技職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210048)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念被應(yīng)用于汽車(chē)上，汽車(chē)的各種安全設(shè)備、娛樂(lè)舒適功能越來(lái)越多，控制要求越來(lái)越復(fù)雜，這些繁多的功能控制按鍵大都集中于中控臺(tái)這一不大的區(qū)域內(nèi)，因此對(duì)中控臺(tái)的空間利用、人機(jī)交互方式設(shè)計(jì)提出了更高的要求，且隨著時(shí)代的發(fā)展，人車(chē)信息交互方式將發(fā)生巨大的變化。本文將重點(diǎn)研究這些發(fā)展趨勢(shì)對(duì)汽車(chē)安全駕駛帶來(lái)的影響，思考人與汽車(chē)信息交流的主要界面——中控臺(tái)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 現(xiàn)有的中控臺(tái)布局設(shè)計(jì)類(lèi)型

汽車(chē)中控臺(tái)是用來(lái)顯示汽車(chē)行駛中的某些參數(shù)及放置功能控制裝置的地方。顯示的參數(shù)主要有：行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油余量、水溫、車(chē)燈提示、故障提示、電量和電機(jī)功率等?？刂频墓δ苡校盒熊?chē)安全輔助裝置，包括各類(lèi)車(chē)燈、雨刮器、雷達(dá)報(bào)警等；行車(chē)控制裝置，包括擋位、行駛模式、定速巡航等；舒適性功能控制裝置，包括空調(diào)、影音系統(tǒng)等。

目前市場(chǎng)上主流的幾種汽車(chē)中控臺(tái)布局如圖1所示，市場(chǎng)上主流的汽車(chē)中控臺(tái)布局設(shè)計(jì)主要分為以下幾類(lèi)：

圖1 市場(chǎng)上主流的幾種汽車(chē)中控臺(tái)布局

(1)各功能在中控臺(tái)全部為按鍵控制。中控臺(tái)只有一臺(tái)收音機(jī)可顯示調(diào)頻，其他功能均為按鍵控制。隨著汽車(chē)電氣系統(tǒng)各項(xiàng)功能越來(lái)越多，不得不增多的按鍵必然會(huì)擠滿中控臺(tái)全部空間，單個(gè)按鍵的接觸面積越來(lái)越小，造成視覺(jué)凌亂，增加操作難度，所以該中控臺(tái)布局方式已經(jīng)被淘汰，目前只在一些低端車(chē)或低配車(chē)型上可見(jiàn)。

(2)按鍵為主，屏幕為輔。該布局將大部分功能用按鍵控制，指示清晰，但由于控制功能較多，在有限的空間內(nèi)布局了過(guò)多的按鍵，導(dǎo)致按鍵外形尺寸較小，分布過(guò)密，視覺(jué)較混亂；屏幕主要起輔助顯示作用，一般外形尺寸較小，能夠顯示的內(nèi)容有限。

(3)屏幕為主，按鍵為輔。該布局目前較為流行，一般采用大尺寸觸摸屏，觸摸屏軟件集合了一些舒適性控制功能甚至行車(chē)安全輔助控制功能，外觀上更顯現(xiàn)代化，迎合了當(dāng)下消費(fèi)者的審美觀，科技感十足。部分常用功能仍然采用按鍵形式，但數(shù)量相對(duì)于第(2)種中控臺(tái)已經(jīng)大大減少，通常，單個(gè)按鍵的面積也會(huì)相應(yīng)增大。

(4)大尺寸觸摸屏幾乎集中全部功能。隨著手機(jī)、平板電腦的發(fā)展，觸摸屏的應(yīng)用越來(lái)越成熟[1]。自美國(guó)汽車(chē)制造商特斯拉開(kāi)發(fā)的Model S車(chē)型問(wèn)世以來(lái)，其在中控臺(tái)使用的17寸大觸摸屏日漸成為潮流[2，3]。近些年，這種中控臺(tái)布局方式在高檔新能源汽車(chē)中尤其常見(jiàn)，而且觸摸屏的尺寸也在逐漸增大。借助更高端的處理器及軟件技術(shù)，汽車(chē)電氣系統(tǒng)的全部功能幾乎都可以在觸摸屏上調(diào)用和控制，人機(jī)交流更加集中。這種大尺寸觸摸屏占用了中控臺(tái)幾乎全部的空間，同時(shí)也簡(jiǎn)化了中控臺(tái)的布局。

中控臺(tái)作為車(chē)輛狀態(tài)信息顯示和控制接口安裝的主要部位，其布局形式反映了人車(chē)信息交互方式。目前汽車(chē)上的控制功能和需要顯示的信息越來(lái)越多，中控臺(tái)的設(shè)計(jì)布局卻愈加簡(jiǎn)潔，控制接口愈加集中，人機(jī)交互方式向可觸摸的方向發(fā)展。

2 當(dāng)前人車(chē)交互設(shè)計(jì)存在的駕駛安全缺陷

隨著科技的發(fā)展、現(xiàn)實(shí)的需要以及消費(fèi)者審美的遷移，汽車(chē)中控臺(tái)上的實(shí)體按鍵越來(lái)越少，彩色顯示屏幕升級(jí)為觸摸屏，且觸摸屏面積越來(lái)越大，集合的功能越來(lái)越多，這種人機(jī)交互形式已成為當(dāng)代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，但目前這種人機(jī)交互設(shè)計(jì)存在著很多方面的問(wèn)題，尤其是駕駛安全方面。

2.1 視野不佳

資料顯示，顯示器與駕駛員眼睛的直線距離最好為710 mm左右，人眼的水平最佳視區(qū)是10°內(nèi)、較為良好的視區(qū)是30°以內(nèi)，最佳視區(qū)的范圍是距駕駛員兩側(cè)125 mm內(nèi)，良好視區(qū)的范圍是駕駛員右側(cè)410 mm內(nèi)，絕大部分中控臺(tái)操作區(qū)都在最佳視區(qū)外、良好視區(qū)內(nèi)，如果中控臺(tái)設(shè)計(jì)為折彎形，則視野會(huì)更好一些。同樣，在垂直視區(qū)內(nèi)，人眼的最佳視區(qū)范圍也在水平線上下10°內(nèi)，控制面板最好與眼睛平行，但卻在現(xiàn)實(shí)中很難做到[4]。較為良好的垂直視區(qū)是水平視線以上10°至以下30°范圍內(nèi)[5]，計(jì)算后可以看出，如果中控臺(tái)控制面板垂直方向上過(guò)長(zhǎng)，則很有可能會(huì)超出良好視區(qū)。當(dāng)駕駛員在正常坐姿下操作方向盤(pán)時(shí)，頭部一般會(huì)略微自然前傾，則中控臺(tái)面板一般要相應(yīng)地傾斜，與汽車(chē)客室地板平面形成60°～75°的夾角，如此在良好視區(qū)范圍內(nèi)的面板尺寸又必須略微減小。所以，隨著在汽車(chē)中控臺(tái)上使用的觸摸屏面積增大，會(huì)進(jìn)一步影響駕駛員的認(rèn)讀，增加駕駛員的疲勞感，從而降低駕駛的安全性。人眼的水平視區(qū)與垂直視區(qū)如圖2所示。

圖2 人眼的水平視區(qū)與垂直視區(qū)

2.2 認(rèn)讀時(shí)間增加

試驗(yàn)指出，當(dāng)觀察距離為800 mm時(shí)，若眼球不動(dòng)，水平視野20°范圍內(nèi)為最佳認(rèn)讀范圍，其正確認(rèn)讀時(shí)間為1 s左右；當(dāng)水平視野超過(guò)24°時(shí)，正確的認(rèn)讀時(shí)間便開(kāi)始迅速增加[6]，如圖3所示。若汽車(chē)以60 km/h的速度行駛，認(rèn)讀中控臺(tái)的信息時(shí)間為3 s，則相當(dāng)于這段時(shí)間內(nèi)駕駛員盲開(kāi)50 m，安全隱患非常大。觸摸屏集中功能多，各廠商對(duì)觸摸屏人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)理念不同，如界面顯示內(nèi)容過(guò)多或調(diào)用功能的程序較為復(fù)雜，則都會(huì)大大增加操作時(shí)間；且觸摸屏與實(shí)體按鍵的不同在于，觸摸屏對(duì)人手的觸摸操作沒(méi)有物理反饋，駕駛員只能再次通過(guò)眼睛去觀察操作結(jié)果，這也增加了操作時(shí)間[7]；在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎、經(jīng)過(guò)不平路面時(shí)，車(chē)身的不穩(wěn)定會(huì)增加手指按觸屏幕特定區(qū)域的難度，而這時(shí)的駕駛尤其需要集中精力；觸摸屏復(fù)雜的功能層級(jí)和炫目的色彩及動(dòng)畫(huà)對(duì)駕駛員有著極大的吸引力，人的心理作用總是要忍不住多看幾眼屏幕[8，9]?？梢?jiàn)，中控臺(tái)控制區(qū)域面積的增加，會(huì)增加駕駛員認(rèn)讀時(shí)間，觸摸屏雖然可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)與實(shí)體部件的通信與控制，但因其本身的特點(diǎn)，相比較于實(shí)體按鍵，在一些環(huán)境中可能會(huì)增加操作難度，同時(shí)增加駕駛的安全風(fēng)險(xiǎn)。

Ⅰ-最優(yōu)認(rèn)讀范圍；Ⅱ-有效認(rèn)讀范圍；1-駕駛員左側(cè)視野正確認(rèn)讀時(shí)間曲線；2-駕駛員右側(cè)視野正確認(rèn)讀時(shí)間曲線

2.3 干擾因素增多

有資料統(tǒng)計(jì)顯示，因?yàn)轳{駛員的行為產(chǎn)生差錯(cuò)所造成的道路交通事故占到總事故數(shù)的70%，這其中駕駛員的思想不集中、注意力轉(zhuǎn)移、雙手較長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)方向盤(pán)等精力受到干擾的情況占到多數(shù)[10]。進(jìn)入大屏?xí)r代后，一塊屏幕上可同時(shí)顯示多種信息，顯示信息數(shù)量增多，顯示信息分類(lèi)和歸屬?gòu)?fù)雜，信息調(diào)用層級(jí)增多，顯示信息的形式多樣，可平面動(dòng)畫(huà)顯示，可3D顯示，即使是普通的文字顯示也可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為不同的字體、字號(hào)、色彩。觸摸屏在操作時(shí)可以點(diǎn)觸、長(zhǎng)按、雙擊、雙指控制，控制形式多樣。這些多樣的顯示信息與操控方式提升了汽車(chē)的科技感，但在枯燥的駕駛中也難免會(huì)刺激駕駛員的好奇心，吸引注意力，構(gòu)成了駕駛中一個(gè)不可忽視的干擾源。

3 中控臺(tái)人機(jī)交互設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

汽車(chē)功能的增多已成必然，如何在汽車(chē)中控臺(tái)集中更多的控制功能、顯示更多的信息，優(yōu)化人機(jī)交互方式成為未來(lái)的發(fā)展方向。針對(duì)現(xiàn)有的汽車(chē)中控臺(tái)布局形式及人機(jī)交互方式的缺點(diǎn)，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

3.1 優(yōu)化人機(jī)交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局

如圖4所示的中控臺(tái)人機(jī)交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局中，將按鍵或屏幕安放在中控臺(tái)A區(qū)域，在駕駛員的右下方視野中，這一塊區(qū)域面積有限且部分面積超出駕駛員最佳視野區(qū)。在設(shè)計(jì)駕駛室布局時(shí)，可以充分開(kāi)拓和利用駕駛室空間，例如，可以在左側(cè)車(chē)門(mén)扶手區(qū)域(B區(qū)域)增加按鍵或小屏幕顯示次要信息，利用扶手自然的斜度，按鍵和屏幕可設(shè)置在較高的位置且與水平地板面呈較大的角度，方便左手操作，操作時(shí)也可降低駕駛員的視野盲區(qū)；借鑒飛機(jī)駕駛室布局，在駕駛員上方頭頂區(qū)域(C區(qū)域)安放按鍵，上方頭頂區(qū)域可抬手觸及，水平視線抬起較小角度便可目視這一區(qū)域，操作時(shí)可有較大的余光范圍觀察汽車(chē)前方，熟悉按鍵位置后，可實(shí)現(xiàn)盲操作，對(duì)駕駛視野的影響較小，且增加了操作樂(lè)趣，還可以提升汽車(chē)客室的科技感。

圖4 中控臺(tái)人機(jī)交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局

3.2 開(kāi)發(fā)多功能集成化按鍵

汽車(chē)日益增加的功能需要更多的按鍵進(jìn)行操控，在有限的空間無(wú)法布置數(shù)量過(guò)多的按鍵，這也促成了中控臺(tái)觸摸屏的流行這一趨勢(shì)，但是實(shí)體按鍵依然有其獨(dú)特的地位，不可完全拋棄不用。為了解決這一矛盾，應(yīng)充分挖掘各功能之間的邏輯聯(lián)系、使用頻次，開(kāi)發(fā)一種集中多個(gè)功能于一體的集成化按鍵，將2種～4種功能集合于這種按鍵上，這樣既能減少按鍵數(shù)量，又能增加操控功能，還可以增加操作樂(lè)趣。按鍵數(shù)量減少后，在有限的空間范圍內(nèi)，可增大按鍵的面積，方便駕駛員尋找和操控，減少反應(yīng)時(shí)間，增加駕駛安全系數(shù)。

3.3 充分運(yùn)用視野內(nèi)空間

不論是前述的視野不佳問(wèn)題還是認(rèn)讀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，從一定角度來(lái)看，其根源都是由于人機(jī)交互的界面區(qū)域有限。在3.1節(jié)中，通過(guò)優(yōu)化人機(jī)交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局，充分利用左前門(mén)扶手處、車(chē)頂處空間，可大幅增加利用區(qū)域，但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)則有駕駛室布置凌亂之嫌。而在駕駛員前方有廣大的三維空間一直沒(méi)有得到有效利用，很多先進(jìn)技術(shù)可以應(yīng)用在汽車(chē)上以充分開(kāi)發(fā)利用這一駕駛員視野正前方的優(yōu)良空間，比如HUD(Head-Up Display)平視顯示技術(shù)是一塊透明的放置于駕駛者前方擋風(fēng)玻璃上的抬頭顯示器，其可以顯示基本行車(chē)信息；全息投影技術(shù)(見(jiàn)圖5)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)地技術(shù)，可以立體地顯示動(dòng)態(tài)信息[11]。這些先進(jìn)的技術(shù)都正在或有極大的潛力應(yīng)用于汽車(chē)上，可以創(chuàng)新性地利用車(chē)內(nèi)空間，充分利用駕駛員正常行駛時(shí)視野內(nèi)的空間，立體顯示車(chē)輛行駛的信息與重要參數(shù)，將駕駛員識(shí)讀信息的注意力轉(zhuǎn)移至平視區(qū)域，免去視線轉(zhuǎn)移帶來(lái)的駕駛安全煩惱。但需要指出的是，這些技術(shù)都是利用光線原理在空間形成的虛擬影像，如果顯示的內(nèi)容過(guò)多、信息過(guò)于雜亂或虛擬影像體積過(guò)大，會(huì)影響駕駛員正常觀察車(chē)前路況，有分散駕駛員注意力和光線污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 全息投影技術(shù)

3.4 合理布置顯示屏位置和優(yōu)化觸摸屏程序結(jié)構(gòu)

觸摸屏屬于顯示屏的一種，其幾乎已經(jīng)成了轎車(chē)的標(biāo)配，大部分觸摸屏的位置設(shè)置在控制臺(tái)的中下部，集中了幾乎全部的娛樂(lè)影音功能，還有些汽車(chē)將空調(diào)控制等功能也設(shè)置在觸摸屏上，加之觸摸屏本身的操縱特點(diǎn)，操作過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重分散駕駛員的注意力。顯示屏與觸摸屏可根據(jù)其特點(diǎn)在人車(chē)交互中有所分工，其中，顯示屏可分擔(dān)觸摸屏的部分信息顯示的作用，設(shè)在中控臺(tái)遠(yuǎn)方位置，遠(yuǎn)離手指可碰觸的位置，這樣可延伸和抬高視線，方便觀察，充分利用空間；觸摸屏則著重控制作用，輔以顯示功能。

不論觸摸屏面板尺寸如何擴(kuò)大，所有程序功能不會(huì)同時(shí)集中于同一頁(yè)面上，而觸摸屏程序結(jié)構(gòu)決定了各項(xiàng)功能調(diào)用的順序和方式方法。為減少分散駕駛員的精力，應(yīng)減少功能層級(jí)，精簡(jiǎn)每一層級(jí)的內(nèi)容，優(yōu)化功能調(diào)用的方式，合理地使用字體、字號(hào)和背景色，醒目的顯示文字內(nèi)容和動(dòng)畫(huà)。

3.5 大力發(fā)展AI語(yǔ)音控制功能

傳統(tǒng)的控制和顯示方式都是利用人的觸覺(jué)和視覺(jué)完成，而忽略了人的語(yǔ)言功能和聽(tīng)覺(jué)。人工智能語(yǔ)音可以通過(guò)智能對(duì)話與即時(shí)問(wèn)答，使得駕駛員不用騰出手來(lái)進(jìn)行任何操作即可完成對(duì)汽車(chē)功能的控制[12]。隨著汽車(chē)中各項(xiàng)控制調(diào)節(jié)性功能越來(lái)越多，這種智能的語(yǔ)音控制可以充分利用人的語(yǔ)言能力，并用聽(tīng)覺(jué)進(jìn)行操控結(jié)果確認(rèn)，既免去了視線轉(zhuǎn)移的擔(dān)憂，也無(wú)操作時(shí)間的限制，可以在不占用視覺(jué)系統(tǒng)的情況下進(jìn)行全方位的聲音信息接收[13]。但是在使用過(guò)程中由于車(chē)內(nèi)各種干擾音源較多，可利用機(jī)械按鍵作為語(yǔ)音控制的總開(kāi)關(guān)，在駕駛員頭部附近區(qū)域安裝麥克風(fēng)接收語(yǔ)音傳輸。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)及5G通信時(shí)代的到來(lái)，科技的進(jìn)步也給汽車(chē)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的理念和發(fā)展方向，消費(fèi)者的審美及對(duì)汽車(chē)的關(guān)注點(diǎn)也會(huì)隨之變化。但是應(yīng)當(dāng)看到，任何事物的發(fā)展都有其兩面性，對(duì)于汽車(chē)而言，無(wú)論時(shí)代如何發(fā)展，汽車(chē)駕駛的安全性始終應(yīng)當(dāng)為社會(huì)所關(guān)注，如何提高道路運(yùn)輸安全性，降低事故發(fā)生率是汽車(chē)設(shè)計(jì)者首要考慮的問(wèn)題。本文針對(duì)駕駛操作中最常接觸的中控臺(tái)這一部件，總結(jié)了當(dāng)下常見(jiàn)的幾種中控臺(tái)設(shè)計(jì)布局及人車(chē)交互方式，從駕駛的安全性角度出發(fā)，提出了當(dāng)下流行的中控臺(tái)設(shè)計(jì)布局和人車(chē)交互方式存在的問(wèn)題和安全隱患，指出中控臺(tái)布局設(shè)計(jì)與人車(chē)交互方式合理的發(fā)展方向，鼓勵(lì)合理、有效、有度的利用先進(jìn)科技，從設(shè)計(jì)上提高汽車(chē)駕駛的主動(dòng)安全，造福人民。