復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下基于多資源理論的汽車人機交互設(shè)計方法

厲鈺琪 鞏淼森

關(guān)鍵詞：多資源理論 復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù) 分層任務(wù)分析 時間線分析 汽車人機交互

引言

隨著車載功能不斷涌入駕駛空間，汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€集合通訊、導(dǎo)航、娛樂、社交等多元功能的智能交互式空間，車內(nèi)交互信息與交互行為的種類也變得愈加繁多。這一轉(zhuǎn)變提高了駕駛員行車的機動性和舒適性，也增加了駕駛者對車輛控制任務(wù)執(zhí)行不良的風(fēng)險和危險水平[1]。與此同時，依賴著車載技術(shù)的發(fā)展，人車共駕、車內(nèi)顯示多樣化、多通道交互等成為了汽車設(shè)計的主流趨勢，這為駕駛者更高效自然地執(zhí)行車內(nèi)復(fù)雜任務(wù)創(chuàng)造了可能。在這樣的背景下，汽車人機交互設(shè)計的核心就是基于車內(nèi)技術(shù)設(shè)備，為駕駛者提供良好的交互方式以應(yīng)對復(fù)雜駕駛環(huán)境、提升駕駛體驗。

當(dāng)前，面向復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)的汽車人機交互設(shè)計研究主要從多通道交互、自然交互、駕駛仿真等領(lǐng)域展開，但未對在特定的任務(wù)條件下進行設(shè)計應(yīng)用提供指導(dǎo)。在汽車交互設(shè)計過程中，出現(xiàn)了車載交互技術(shù)“盲目疊加”“繁復(fù)累贅”等問題，駕駛者難以有足夠的資源應(yīng)對車內(nèi)復(fù)雜的交互環(huán)境。為了讓車內(nèi)技術(shù)設(shè)備更好地發(fā)揮價值，有必要針對復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)進行交互設(shè)計分析，思考各時間段下如何合理調(diào)用可用資源來執(zhí)行任務(wù)。因此，本文從多資源理論出發(fā)，結(jié)合分層任務(wù)分析法與時間線分析法，提出了一種針對復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)的汽車交互設(shè)計方法，以探析各時間段中出現(xiàn)的人機交互設(shè)計問題，并從資源分配的角度思考人機交互優(yōu)化策略。最后以一復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)為例進行設(shè)計應(yīng)用，驗證了本方法的有效性。

一、復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下的汽車人機交互設(shè)計

駕駛?cè)蝿?wù)的復(fù)雜性體現(xiàn)在三個方面，一是任務(wù)高難度，即任務(wù)本身對內(nèi)認知需求較高，或者任務(wù)需求超出一般認知能力;二是任務(wù)多樣性，即各任務(wù)的重要層次不同，所需工作資源不同;三是任務(wù)關(guān)聯(lián)性，不同的任務(wù)之間存在交叉、并行或重疊的關(guān)聯(lián)。復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下，隨著任務(wù)難度的上升、多樣性及關(guān)聯(lián)性的變化，駕駛者在處理任務(wù)時出現(xiàn)知覺模態(tài)沖突、強認知或操作難度上升等現(xiàn)象，影響了主次任務(wù)的執(zhí)行。而這種“失控感”也給駕駛者帶來了較大的心理壓力，容易產(chǎn)生不良的駕駛體驗。據(jù)研究，在人機交互過程中，給予操作者一定的靈活性，使其能自我調(diào)節(jié)到負荷的“最佳水平”，可以使任務(wù)完成績效維持在較優(yōu)的水平，其心理壓力也不會過高[2]。

因此，復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下的汽車人機交互設(shè)計的目標(biāo)可以被理解為：在信息輸入階段，避免各通道間信息流過載;信息加工過程中，減少認知干擾，維持較優(yōu)的認知負荷;信息反饋時，避免操作沖突，維持較優(yōu)的體力工作負荷。圍繞該目標(biāo)，復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下的汽車人機交互設(shè)計路徑為：判斷當(dāng)前復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下駕駛者的知覺模態(tài)占用、認知負荷及工作負荷情況，確認是否存在資源占用沖突或超負荷，并分析造成上述現(xiàn)象的原因，以尋求車內(nèi)人機交互設(shè)計問題，針對性進行優(yōu)化。

二、資源占用維度提取

為分析駕駛者在執(zhí)行復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)時的資源占用情況，需要對人所擁有的身體資源進行分類。

多資源理論（MRT，Multiple Resource Theory）是Wickens等人提出的解釋多任務(wù)之間資源分配的理論[3]。為描述人的資源多樣性，Wickens提出了包含三個維度的多資源模型（圖1）的假設(shè)，即階段（stages）、知覺模態(tài)（modalities）、加工代碼（codes），后來又發(fā)展出第四個維度，用來區(qū)分視知覺的焦點視覺和外周視覺?！半A段”

維度描述了信息的處理過程，分為知覺、認知、反應(yīng)三個步驟?！爸X模態(tài)”維度涉及到視覺、聽覺、觸覺三個模態(tài)。在視覺模態(tài)中延伸出的焦點視覺和外周視覺，前者用于識別精細的細節(jié)或物體，后者則用于感知方向和自我運動情況?！凹庸ごa”維度反映了空間的加工和符號的加工之間的區(qū)別。

依照多資源模型描述的資源類型，將用戶在汽車駕駛過程中涉及到的的人的資源類型以“階段”劃分，可將其整理如（表1）。

三、任務(wù)結(jié)構(gòu)化分析

復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下，駕駛者與車內(nèi)設(shè)備進行交互來完成各項任務(wù)目標(biāo)，為清晰直觀呈現(xiàn)任務(wù)流程，把握任務(wù)細節(jié)與要點，需要對任務(wù)進行結(jié)構(gòu)化分析。

分層任務(wù)分析（HTA，Hierarchical Task Analysis）是一種廣泛應(yīng)用的任務(wù)分析方法，它將任務(wù)執(zhí)行和任務(wù)計劃結(jié)構(gòu)化，將其分為任務(wù)層、子任務(wù)層和操作層，并列出操作人員在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行的各種操作及執(zhí)行這些操作所需的條件 [4]。為了更清晰地描述用戶在任務(wù)執(zhí)行過程中與車載系統(tǒng)的交互情況，本文在HTA的基礎(chǔ)上，對各任務(wù)下用戶與系統(tǒng)的交互形式及行為要素進行描述，并判斷所處的信息加工階段，同時參照上節(jié)總結(jié)的基于多資源模型的人的資源分類，分析各階段所占用的資源，如圖2。

四、任務(wù)占用資源時間線分析

由于復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下各任務(wù)之間存在關(guān)聯(lián)、交叉、并行或重疊的情況，以時間維度對各任務(wù)執(zhí)行時所在時間點、所用時間長度及對應(yīng)占用的資源進行分析，可以更好地把握任務(wù)執(zhí)行過程中的資源占用及負荷情況。

對于時間信息的記錄，非認知任務(wù)可通過行為觀測直接記錄，人的認知活動卻很難通過行為觀測來計算時間。但可以確定的是，認知負荷伴隨著任務(wù)而產(chǎn)生。駕駛者在知覺過程中接收任務(wù)信息，認知后作出反應(yīng)，該過程中任務(wù)所需的認知負荷程度可以參照Aldrish提出的VACM腦力負荷評級標(biāo)準(zhǔn)進行評定，該評級標(biāo)準(zhǔn)將多資源理論（MRT）融入模型，具有良好的適應(yīng)性和可信度[5]。其中，認知資源的負荷評分標(biāo)準(zhǔn)如（表2）。

因此，任務(wù)執(zhí)行過程中的非認知資源占用情況可構(gòu)建“時間-任務(wù)-資源需求”關(guān)系圖（圖3）來表現(xiàn)。而認知資源的占用情況，可通過執(zhí)行任務(wù)所需的認知負荷程度來間接表現(xiàn)，即判斷任務(wù)所對應(yīng)的認知屬性，參照量表進行度量（圖4）。

五、資源再分配與交互設(shè)計

基于以上分析，可判斷駕駛者的資源負荷與沖突情況。為減輕資源負荷或沖突，需要參照多資源理論所述的資源特征及各資源之間的關(guān)系，在明確駕駛者的狀態(tài)和駕駛環(huán)境的前提下，進行資源再分配。通過整理Wickens等人的研究成果，可參考的資源分配原則如下：1.跨模態(tài)的時間分享比模態(tài)內(nèi)的時間分享表現(xiàn)更好[6]，在模態(tài)可調(diào)用的狀態(tài)下，若有多個車內(nèi)任務(wù)信息需要傳遞，應(yīng)選擇多模態(tài)進行表征。

2.若車內(nèi)的多樣化信息需通過視覺傳遞，應(yīng)避免過長的視覺掃描，并增加信息之間的區(qū)分度及凸顯度，以提升信息的接收效率并減少混淆。

3.同時性的聽覺信息加工十分困難[7]，當(dāng)多個任務(wù)占用聽覺資源時，需將部分信息轉(zhuǎn)化為其他形式進行表征。

4.觸覺模態(tài)表征信息與聽覺模態(tài)有著相似的優(yōu)勢[8]，部分結(jié)構(gòu)簡單的信息可通過震動拍打等形式進行表征。

5.對重要的車載信息，通過多個模態(tài)冗余顯示可增加用戶信息加工的準(zhǔn)確性。

6.在焦點視覺的被占用的情況下，外周視覺可承擔(dān)部分易識別且結(jié)構(gòu)簡單的信息的接收。

7.知覺任務(wù)與需要工作記憶來儲存或轉(zhuǎn)換信息的認知任務(wù)之間存在干擾，在駕駛員知覺任務(wù)與認知任務(wù)難度及數(shù)量過高時，應(yīng)及時進行調(diào)配。

8.在個體認知資源有限的情況下，為減輕認知負荷，可通過設(shè)置合理的訓(xùn)練、簡化車內(nèi)任務(wù)流程、引導(dǎo)用戶主動學(xué)習(xí)車內(nèi)設(shè)備使用方式等途經(jīng)來降低任務(wù)本身需要的認知資源。同時，在設(shè)計車內(nèi)信息呈現(xiàn)方式時，應(yīng)設(shè)置合理的通道、關(guān)注信息之間的時間及空間連續(xù)性、突顯關(guān)鍵及重要細節(jié)、過濾不相關(guān)信息，以此來減少外部認知負荷。

在圍繞復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)進行資源再分配后，可基于車內(nèi)技術(shù)設(shè)備進行交互設(shè)計，以充分調(diào)動車-人的能動性，使用戶在執(zhí)行過程中能夠靈活進行操作，自我調(diào)節(jié)負荷至“最佳水平”。

六、設(shè)計應(yīng)用

依照復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下的汽車人機交互設(shè)計路徑，上文提出的基于多資源理論的汽車人機交互設(shè)計方法可分為任務(wù)結(jié)構(gòu)化分析、任務(wù)占用資源時間線分析、資源再分配與交互設(shè)計三個步驟。為驗證該方法可有效指導(dǎo)設(shè)計，筆者就一駕駛?cè)蝿?wù)情境進行了基于上述方法的設(shè)計實踐。設(shè)計優(yōu)化對象挑選了吉利博瑞（圖5）。

通過對車內(nèi)硬件設(shè)備的調(diào)研，了解到車內(nèi)交互設(shè)備除駕駛操作設(shè)備，還配備了位于方向盤正前方的儀表屏、位于駕駛位右前方的中控屏，以及分布于駕駛位周邊及方向盤內(nèi)側(cè)的各類實體按鍵。車內(nèi)軟件系統(tǒng)主要涉及到語音助理、地圖、電話及系統(tǒng)設(shè)置等。

為提取復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)情境，挑選了10位年齡在25-35歲且有駕駛經(jīng)驗的被試進行了駕駛過程記錄與訪談。調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用戶在執(zhí)行駕駛導(dǎo)航狀態(tài)下添加途經(jīng)點的任務(wù)時耗時較長，且對該狀態(tài)下的任務(wù)評價較低。因此，本文選取了該任務(wù)場景，對照駕駛者操作任務(wù)錄像，進行任務(wù)結(jié)構(gòu)化分析及資源占用時間線分析，以分析造成任務(wù)執(zhí)行評價較低的原因，并基于資源分配原則尋找汽車人機交互設(shè)計優(yōu)化點。

（一）任務(wù)結(jié)構(gòu)化分析該復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)共包括駕駛、導(dǎo)航、添加途經(jīng)點三部分，表3依照上文提出的任務(wù)結(jié)構(gòu)化分析方法對其進行了剖析。

（二）任務(wù)占用資源時間線分析結(jié)合上一步驟中對各任務(wù)所需資源的分析，對照駕駛者操作任務(wù)錄像，記錄各任務(wù)執(zhí)行時間，將所需資源按照時間線排列，得出時間-任務(wù)-資源需求關(guān)系圖（圖7）。并分析各時間段下任務(wù)所對應(yīng)的認知類型，參照VACM標(biāo)準(zhǔn)量表進行計算，得出時間-認知負荷評分圖（圖8），例：0-1秒內(nèi)，保持駕駛所需的認知負荷評分為1.0，觀察道路信息所需的認知負荷評分為0，跟蹤路況等提示信息所需的認知負荷評分為3.7，則該時間段下任務(wù)認知負荷需求評分為4.7。

依據(jù)圖7及圖8所示，判斷資源負荷及情況，并分析原因。

（1）6.0s至7.2s，聽覺及視覺資源被多任務(wù)占用。分析其原因為：使用語音系統(tǒng)輸入途經(jīng)點時，因?qū)Ш叫畔⑷酝ㄟ^語音進行播報，造成聽覺資源占用沖突，駕駛者需調(diào)用視覺資源捕捉儀表屏中的導(dǎo)航信息，使焦點視覺偏離路線。

（2）11.3s至15.0s，在選擇途經(jīng)點、查看途徑點位置時，視覺資源被頻繁調(diào)用，并造成了手部資源的占用。分析其原因為：途徑點信息以全文字形式展現(xiàn)，所需閱讀時間較長;系統(tǒng)語音識別不準(zhǔn)確，駕駛者需點擊中控屏選擇確認;途徑點位置未在選擇時在地圖中呈現(xiàn)，無法了解其在路線中的位置，在選擇后還需觸控操作屏幕查看，任務(wù)流程復(fù)雜。

（3）4.2s至6.0s及12.6s至13.9s，任務(wù)所需的認知負荷評分較高。分析其原因為：語音系統(tǒng)同時處理途經(jīng)點輸入任務(wù)及播報導(dǎo)航任務(wù)，出現(xiàn)多任務(wù)并行的情況;對途經(jīng)點進行選擇時，相關(guān)信息呈現(xiàn)不直觀，用戶選擇途經(jīng)點后，還需觸控查看途經(jīng)點在地圖中的位置，任務(wù)流程復(fù)雜。

（三）資源再分配及交互設(shè)計示例基于以上資源沖突情況及原因分析，參考資源分配原則，提出汽車人機交互設(shè)計策略。

在駕駛者需要同時執(zhí)行“添加途經(jīng)點”及“跟蹤導(dǎo)航信息”任務(wù)時，為保障用戶在執(zhí)行“添加途經(jīng)點”任務(wù)時不錯過導(dǎo)航信息，需弱化“跟蹤導(dǎo)航信息”任務(wù)對聽覺、視覺資源的占用，并減少對認知資源的需求。依照上文總結(jié)的資源分配原則：（1）在模態(tài)可調(diào)用的狀態(tài)下，若有多個車內(nèi)任務(wù)信息需要傳遞，應(yīng)選擇多模態(tài)進行表征;（2）多個視覺信息可通過避免過長的視覺掃描或凸顯信息及區(qū)分度，來優(yōu)化用戶對信息的接收效率。基于此，可考慮調(diào)整知覺模態(tài)資源或通過界面設(shè)計凸顯關(guān)鍵信息以強化表征來進行設(shè)計優(yōu)化。

例如，在該情境下，導(dǎo)航信息為：即將右轉(zhuǎn)，進入××路。在聽覺資源被“添加途經(jīng)點”任務(wù)所占用的情況下，可考慮調(diào)用駕駛員的觸覺資源，通過震動提示來傳達轉(zhuǎn)向信息，同時優(yōu)化轉(zhuǎn)向及車道信息在儀表屏中的顯示以更好被識別（圖9）。該方案與當(dāng)前狀態(tài)相比，將語音傳達的導(dǎo)航信息轉(zhuǎn)化為用觸覺及視覺進行表征，避免了同時的聽覺信息對駕駛者產(chǎn)生干擾。

在駕駛者需要查看途經(jīng)點信息并進行選擇時，需減少該任務(wù)對視覺、空間及認知資源的占用，以避免對駕駛?cè)蝿?wù)產(chǎn)生干擾。依照上文所述的資源分配原則，利用聽覺及言語資源與系統(tǒng)進行交互可被沿用，系統(tǒng)需要提高語音識別效率，以降低用戶通過視覺從中控屏中捕捉信息及觸控操作的可能。除此之外，對必要的需通過視覺傳遞的信息，應(yīng)考慮優(yōu)化信息顯示、簡化任務(wù)流程，來提升信息識別效率。

在該情境下，當(dāng)系統(tǒng)給出途經(jīng)點推薦時，可考慮將搜索結(jié)果與地圖界面相結(jié)合，在結(jié)果所在位置給出“最近”“最順路”等標(biāo)記，幫助用戶輕松捕捉到途經(jīng)點，以更快作出選擇（圖10）。該方式與當(dāng)前狀態(tài)相比，更直觀地將途經(jīng)點相關(guān)信息在推薦階段呈現(xiàn)，縮短了用戶的閱讀時間，避免了駕駛者在選擇途經(jīng)點后還需確認其所在位置，簡化了任務(wù)流程，較大程度上減少了該任務(wù)對視覺、空間及認知資源的需求。

（四）小結(jié)從上述過程中可以看出，基于多資源理論的復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下的汽車人機交互方法，可以清晰地描述任務(wù)執(zhí)行過程中駕駛者與車載系統(tǒng)的交互情況及資源占用情況，并準(zhǔn)確找出資源負荷較高或資源沖突的時間段，探尋任務(wù)執(zhí)行評價較劣的原因，并為交互設(shè)計優(yōu)化提供思路。在依照上述交互方法進行設(shè)計后，通過駕駛?cè)蝿?wù)模擬、任務(wù)執(zhí)行評價及再設(shè)計的方式，可尋求出最優(yōu)的人機交互設(shè)計方案。

在復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)情境多樣的狀態(tài)下，依照上述流程進行任務(wù)分析，得出各類任務(wù)情境下汽車人機交互設(shè)計方案，從而形成系統(tǒng)集的交互設(shè)計手冊，對提供符合認知規(guī)律和操作習(xí)慣的駕駛交互系統(tǒng)、保障駕駛安全、提升駕駛體驗有著重要意義。

結(jié)論

在智能技術(shù)迅速發(fā)展的當(dāng)下，車載功能的涌入使得車內(nèi)駕駛?cè)蝿?wù)情境愈加復(fù)雜，人們需要更具包容性的交互方式來進行任務(wù)管理，以保障駕駛安全、優(yōu)化駕駛體驗。本文通過對多資源理論的研究，結(jié)合分層任務(wù)分析法及時間線分析法，提出了適用于該背景的汽車人機交互設(shè)計方法。隨著多資源理論研究的發(fā)展，其構(gòu)建的多資源模型不斷細化，資源間的關(guān)系更加清晰，對汽車人機交互設(shè)計的指導(dǎo)作用值得繼續(xù)探尋。