六論以用戶為中心的設(shè)計(jì)：智能人機(jī)交互的人因工程途徑

許 為

（浙江大學(xué)心理科學(xué)研究中心，杭州 310058）

1 引言

基于人工智能（AI）技術(shù)的各類智能系統(tǒng)正在改變傳統(tǒng)人機(jī)交互（human-computer interaction，HCI）領(lǐng)域的人機(jī)關(guān)系模式和研究范式（許為，2005）。智能系統(tǒng)中的智能體（intelligent agent，或稱為智能代理）在特定操作場景中具備情境感知、用戶意圖識別、自主學(xué)習(xí)、自主決策、自主執(zhí)行等能力，由此帶來了一個(gè)新的研究領(lǐng)域：智能人機(jī)交互（intelligent HCI，以下簡稱iHCI），同時(shí)也給人因工程（human factors engineering）研究帶來了新機(jī)遇（許為，葛列眾，2018，2020；許為，2019a）。傳統(tǒng)人機(jī)交互的人因工程研究主要針對人與非智能系統(tǒng)之間的交互，iHCI研究和設(shè)計(jì)需要一種新的研究范式和設(shè)計(jì)思維。

iHCI是AI技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)不斷發(fā)展和融合的產(chǎn)物，目前已經(jīng)進(jìn)入人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕钪?。例如，語音交互、人臉識別等。在交互模式上，iHCI利用視覺、聽覺等多模態(tài)交互，提高人機(jī)交互的自然性和有效性；從交互技術(shù)來看，iHCI正在向用戶生理和情感計(jì)算、用戶意圖識別等方面發(fā)展；在交互理念上，iHCI注重人機(jī)協(xié)同合作等方面，強(qiáng)調(diào)“以用戶為中心”的人機(jī)組隊(duì)（human-machine teaming）合作（O’Neill et al.，2020；Babsal et al.，2019；許為，2020）；從研究層面來看，iHCI正在促使人、智能系統(tǒng)以及社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)之間的緊密結(jié)合，解決智能技術(shù)的責(zé)任、倫理、道德等問題（吳亞東等，2020）。

本文從“以用戶為中心的設(shè)計(jì)”理念出發(fā)（許為，2003），在分析iHCI的人因工程特征和提出“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)新理念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出一個(gè)基于協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)、情景意識認(rèn)知理論以及智能代理理論的iHCI人因工程新框架；并且以自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕模式為例進(jìn)一步分析該框架的應(yīng)用；最后，討論和分析iHCI中的一些人因基本問題以及今后研究的重點(diǎn)。本文的目的是從人因工程的角度出發(fā)，倡導(dǎo)人因工程設(shè)計(jì)的新理念，提出針對iHCI研究和應(yīng)用的人因工程新思路，推動(dòng)這方面工作的開展。

2 智能人機(jī)交互及人因特征

不同于傳統(tǒng)的人機(jī)交互，iHCI研究的對象是人類用戶與基于AI技術(shù)的智能系統(tǒng)之間的交互。人因工程的總思路是通過基于“以人為中心設(shè)計(jì)”理念的一系列人與智能系統(tǒng)交互的研究、建模、設(shè)計(jì)、評估等活動(dòng)，開發(fā)出符合用戶需求、有用的、自然的、有效的、安全的iHCI系統(tǒng)。iHCI是人-AI交互這一新型交叉學(xué)科領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容之一（許為，葛列眾，高在峰，2021）。

從系統(tǒng)架構(gòu)角度看，iHCI主要有以下三種形態(tài)：（1）傳統(tǒng)的非智能用戶界面（系統(tǒng)前端）+智能后端系統(tǒng)，例如一個(gè)在線的智能化產(chǎn)品推薦系統(tǒng)或信息決策系統(tǒng)，它的用戶界面可能是簡單的圖形用戶界面（GUI），其智能后端系統(tǒng)擁有一個(gè)或多個(gè)提供智能化功能（信息推理和決策等）的智能體；（2）智能人機(jī)界面+非智能后端系統(tǒng)，例如一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它可以采用一個(gè)基于智能技術(shù)的語音交互人機(jī)界面作為用戶輸入，該界面具有智能交互代理的職能，建立起用戶與系統(tǒng)后端系統(tǒng)之間有效交互的橋梁；（3）智能人機(jī)界面+智能后端系統(tǒng)，例如擁有智能語音交互人機(jī)界面的智能化產(chǎn)品推薦系統(tǒng)或者信息決策系統(tǒng)。

以上這三種iHCI形態(tài)的共同點(diǎn)就是系統(tǒng)都帶有一個(gè)或多個(gè)智能體，用戶使用這些系統(tǒng)時(shí)，他們與系統(tǒng)的智能體交互，而這些智能體擁有基于AI技術(shù)的一些自主化特征，在某些使用場景中表現(xiàn)出類似人類認(rèn)知的感知、學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、獨(dú)立執(zhí)行等能力。正是這些智能體帶來的自主化特征給iHCI帶來了區(qū)別于傳統(tǒng)人機(jī)交互的許多新特征。表1從人因工程角度概括了從傳統(tǒng)人機(jī)交互（HCI）向智能人機(jī)交互（iHCI）過渡中所表現(xiàn)出的新特征（許為，2020；許為，葛列眾，2018，2020；許為，葛列眾，高在峰，2021）。

由表1可知，智能時(shí)代iHCI的這些新特征擴(kuò)大了iHCI研究和設(shè)計(jì)的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)人機(jī)交互研究和設(shè)計(jì)的范圍。因此，我們需要一種新思維和方法論來考慮如何更加有效地解決這些iHCI新特征所帶來的新問題。另外，表1所列的許多新特征目前還沒有完全實(shí)現(xiàn)，它們既反映今后iHCI技術(shù)發(fā)展的方向，也對今后的人因工程和iHCI研究提出了新要求。

表1 傳統(tǒng)人機(jī)交互（HCI）與智能人機(jī)交互（iHCI）之間的特征比較

3 智能人機(jī)交互的設(shè)計(jì)理念

本系列文章（四論“以用戶為中心的設(shè)計(jì)”：以人為中心的人工智能）提出的“以人為中心AI”是指導(dǎo)AI系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)理念（許為，2019b），該理念同樣適用于iHCI的研究和應(yīng)用。“以人為中心AI”理念框架包括技術(shù)、人因（human factors）、倫理三方面。本文進(jìn)一步拓展“以人為中心AI”的開發(fā)理念到iHCI研究和應(yīng)用中，提出“面向用戶的iHCI”的設(shè)計(jì)理念（見圖1）。圖1概括了圍繞三方面工作的主要途徑（見圖1中圍繞三個(gè)周邊圓形部分的字體），例如用戶需求和應(yīng)用場景；圖1也定義了“面向用戶的iHCI”研究和應(yīng)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)（見圖1中圍繞“面向用戶的iHCI”中心圓形部分的字體），例如自然的、可用的、有效的人機(jī)交互。

圖1 “面向用戶的智能人機(jī)交互（iHCI）”設(shè)計(jì)理念

“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)理念主要強(qiáng)調(diào)以下三方面的工作：

（1）“技術(shù)”方面：強(qiáng)調(diào)開發(fā)用戶狀態(tài)（如生理、認(rèn)知、情感、意圖等）識別技術(shù)、用戶穩(wěn)定特征（如人格等）識別技術(shù)、多模態(tài)交互技術(shù)、算法和模型等來支持“面向用戶的iHCI”的實(shí)現(xiàn)。另外，AI界已經(jīng)認(rèn)識到單獨(dú)發(fā)展AI技術(shù)的路徑遇到了瓶頸效應(yīng)，在高級人類認(rèn)知方面難以達(dá)到人類的智能水平（Z heng et al.，2017），因此，“面向用戶的iHCI”理念強(qiáng)調(diào)將人的作用融入智能人機(jī)系統(tǒng)，開發(fā)人機(jī)混合增強(qiáng)智能，達(dá)到人機(jī)智能互補(bǔ)。iHCI技術(shù)開發(fā)的目的是開發(fā)出高效的、人可控制的iHCI系統(tǒng)，提升人的能力，而不是取代人。

（2）“人因”方面：強(qiáng)調(diào)在iHCI研發(fā)中從用戶需求出發(fā)，落實(shí)有效的應(yīng)用場景，開發(fā)有效的用戶認(rèn)知、意圖識別、情感等模型；基于人機(jī)協(xié)同合作的設(shè)計(jì)思維，在研發(fā)中實(shí)施基于“以用戶為中心”的iHCI設(shè)計(jì)和方法（例如用戶研究、建模、用戶界面原型設(shè)計(jì)、用戶體驗(yàn)測評）。目的是開發(fā)出有用的（滿足用戶需求、有使用價(jià)值）、自然可用的（易用、易學(xué)）、人類擁有最終決控權(quán)的iHCI系統(tǒng)。

（3）“倫理”方面：強(qiáng)調(diào)從用戶倫理需求（公平、隱私、道德、人的決策權(quán)等）出發(fā)，遵循倫理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過有效的倫理道德計(jì)算、AI倫理開發(fā)實(shí)踐等方法。目的是開發(fā)出倫理化、負(fù)責(zé)任的iHCI系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，圖1所示的“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)了以下特征并且對iHCI研究和設(shè)計(jì)提出了以下要求：

首先，“以用戶為中心”的理念。“技術(shù)”方面的工作從用戶角度來設(shè)計(jì)和創(chuàng)新適用的交互模式，通過智能傳感、智能用戶意圖推理等方式構(gòu)建自然可用的iHCI；根據(jù)用戶需求來保證機(jī)器適應(yīng)人（而不是人適應(yīng)機(jī)器）；通過人機(jī)智能之間的深度整合來增強(qiáng)人類能力；確保將人類置于智能系統(tǒng)的中心?！叭艘颉狈矫娴墓ぷ魇峭ㄟ^讓人類成為最終決策者來確保iHCI是人類可控的、有效的、可用的以及自然的?！皞惱怼狈矫婀ぷ髦荚谕ㄟ^提供合乎人類道德的iHCI來控制和解決智能系統(tǒng)中的倫理問題。

其次，人因、技術(shù)和倫理三方面工作的協(xié)同合作（如圖1中連接三個(gè)方面的線條所示）。例如，一方面，如果在設(shè)計(jì)中不考慮AI對人類的影響（例如AI的倫理道德），則iHCI系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)以人為中心的設(shè)計(jì)目標(biāo)的，最終可能會(huì)傷害人類；另一方面，符合倫理的iHCI需要通過人因工程設(shè)計(jì)，借助自然有效的智能人機(jī)用戶界面來確保人類操作員能夠在緊急情況下快速有效地接管對系統(tǒng)的控制。

最后，系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思維。將人和智能系統(tǒng)視為一個(gè)系統(tǒng)，力求在人機(jī)系統(tǒng)的框架內(nèi)開發(fā)人機(jī)智能之間的互補(bǔ)?！懊嫦蛴脩舻膇HCI”理念強(qiáng)調(diào)從人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的角度出發(fā)，保證有人類（需求、生理、心理等）、智能技術(shù)和環(huán)境（物理、文化、組織、倫理、社會(huì)等）之間的最佳匹配（許為，2022a）。因此，“面向用戶的iHCI”理念強(qiáng)調(diào)iHCI系統(tǒng)的開發(fā)不僅僅是一個(gè)技術(shù)項(xiàng)目，而是一個(gè)需要跨學(xué)科協(xié)作的系統(tǒng)項(xiàng)目。

4 智能人機(jī)交互的人因工程分析

4.1 智能人機(jī)交互的人因工程框架

在分析iHCI的人因特征以及定義iHCI設(shè)計(jì)理念和目標(biāo)的基礎(chǔ)上，本節(jié)提出一個(gè)針對iHCI的人因工程架構(gòu)，為iHCI研究和應(yīng)用提出人因工程解決方案。

傳統(tǒng)人機(jī)交互理論的研究主要包括人機(jī)交互評價(jià)體系、交互認(rèn)知機(jī)理、可計(jì)算的交互模型等方面。在人機(jī)交互評價(jià)體系方面，Norman（1986）提出了“以用戶為中心”，的人機(jī)界面評價(jià)原則，但它主要是針對鼠標(biāo)鍵盤輸入和屏幕輸出的傳統(tǒng)交互界面。在人機(jī)交互認(rèn)知建模方面，人們采用人類信息處理模型來預(yù)測人類用戶如何與系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過對人類的認(rèn)知建模來設(shè)計(jì)出更高效的人機(jī)界面，例如MHP、GOMS、SOAR、ACT-R、EPIC等模型（詳見綜述：王宏安等，2020）。這些模型主要針對非智能人機(jī)交互，無法有效處理復(fù)雜場景中的智能人機(jī)交互任務(wù)，也沒有考慮iHCI中人與智能系統(tǒng)之間的協(xié)同合作新型人機(jī)關(guān)系，并且機(jī)器僅僅是作為一個(gè)工具來考慮（許為，葛列眾，2020）。劉燁等人（2018）后來提出的人機(jī)合作心理模型已經(jīng)開始考慮到人與智能系統(tǒng)之間潛在的人機(jī)協(xié)同合作。

如上一篇系列文章所討論（“五論以用戶為中心的設(shè)計(jì)：從自動(dòng)化到智能時(shí)代的自主化以及自動(dòng)駕駛車”）（許為，2021），在非智能人機(jī)交互中，非智能系統(tǒng)是作為一種輔助工具（例如，自動(dòng)化機(jī)器）來支持人類的操作，機(jī)器本質(zhì)上是通過“刺激-反應(yīng)”式的“交互”來完成對人類操作的支持（Farooq & Grudin，2016）。這些機(jī)器依賴于由人事先固定設(shè)計(jì)的邏輯規(guī)則和算法來響應(yīng)操作員的指令，通過單向、非分享的（即只有人針對機(jī)器單方向的信任、情境意識、決策控制等）、非智能互補(bǔ)（即只有人類的生物智能）等方式來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。盡管人機(jī)之間也存在一定程度上的人機(jī)合作，但是作為輔助工具的機(jī)器是被動(dòng)的，只有人可以啟動(dòng)這種有限的合作。

智能技術(shù)擁有的自主化特征帶來了一種新型的人機(jī)關(guān)系：人機(jī)組隊(duì)（human-machine teaming）式的合作關(guān)系，智能系統(tǒng)中的智能體（界面智能體或者代理）不僅僅是支持人類作業(yè)的一個(gè)工具，也可以成為與人類協(xié)同合作的團(tuán)隊(duì)隊(duì)友，這種協(xié)同合作式是由兩者之間雙向主動(dòng)的、分享的、互補(bǔ)的、可替換的、自適應(yīng)的、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的以及可預(yù)測等特征所決定的。隨著AI技術(shù)的發(fā)展，未來更多的智能系統(tǒng)將具備這些特征（許為，2020）。人與智能系統(tǒng)之間的這種新型人機(jī)關(guān)系為建立iHCI的人因工程框架奠定了基礎(chǔ)?；谥悄軙r(shí)代這種新型人機(jī)關(guān)系范式，采用協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)理論（Hollnagel & Woods，2005）、情景意識認(rèn)知理論（Endsley，1995）以及智能代理理論（Wooldridge & Jennings，1995；王祝萍 & 張皓，2020），本文初步提出一個(gè)iHCI人因工程框架（見圖2）。

相對傳統(tǒng)人機(jī)交互框架，圖2所示的iHCI人因工程框架體現(xiàn)了以下三方面的新特征。

圖2 智能人機(jī)交互（i H C I）人因工程框架的概念示意圖

第一，iHCI人因工程框架將人類用戶和智能系統(tǒng)（包括智能界面）均視作能夠完成一定的認(rèn)知信息加工任務(wù)的認(rèn)知體，從而一個(gè)iHCI系統(tǒng)可以被視為一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的人機(jī)交互系統(tǒng)，iHCI是人類用戶認(rèn)知體與智能機(jī)器認(rèn)知體之間的交互。具備自主化特征的機(jī)器智能體具有一定程度上類似人類的認(rèn)知特征，可以通過自然有效的人機(jī)交互方式（如語音、手勢、眼神、表情、唇動(dòng)、腦電等）與人類用戶開展雙向的主動(dòng)式交互和協(xié)同合作。在不確定性的人機(jī)交互條件下，智能體可對用戶狀態(tài)（認(rèn)知、生理、意圖、情感等狀態(tài)）、環(huán)境上下文等狀態(tài)進(jìn)行自主感知、識別、學(xué)習(xí)、推理、理解等認(rèn)知作業(yè)，并且作出自適應(yīng)的自主執(zhí)行。

傳統(tǒng)的人因工程研究和應(yīng)用主要關(guān)注人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，而不是從人機(jī)協(xié)同合作的角度將人機(jī)系統(tǒng)作為一個(gè)整體的協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)來考慮。iHCI人因工程框架認(rèn)為人和機(jī)器不是人機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)獨(dú)立的部分，而是一個(gè)整體，人和智能系統(tǒng)之間是協(xié)同合作的關(guān)系，整個(gè)認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)的績效取決于在復(fù)雜動(dòng)態(tài)的操作場景中人機(jī)之間的協(xié)同合作程度，而不僅僅是某個(gè)部分的績效。

第二，iHCI人因工程框架采用Endsley的“情景意識三層次”認(rèn)知理論來表征人類用戶和機(jī)器認(rèn)知體的智能信息加工機(jī)制（Endsley，1995，2015）。Endsley的模型將情景意識（situation awareness，SA）定義為“人類操作員對當(dāng)前環(huán)境（包括人機(jī)界面、系統(tǒng)、操作環(huán)境、團(tuán)隊(duì)合作隊(duì)友等）狀態(tài)的情景感知、情景理解以及對未來情景預(yù)測”的認(rèn)知加工過程，該模型還包括了情景意識與記憶、經(jīng)驗(yàn)、知識、心理模型等其他因素的認(rèn)知交互。如圖2所示（左側(cè)），該SA三層情景要素（感知、理解、預(yù)測）同時(shí)擁有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（根據(jù)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行理解和預(yù)測情景）和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)（根據(jù)目標(biāo)以及當(dāng)前的理解和預(yù)測進(jìn)行基于感知數(shù)據(jù)的驗(yàn)證）的信息加工機(jī)制。借助于一個(gè)信息收集和后期響應(yīng)的動(dòng)態(tài)反饋回路機(jī)制，人類用戶能夠感知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境情景來更新獲取的信息。

如圖2所示（右側(cè)），對應(yīng)于人類操作員的信息加工機(jī)制，iHCI人因工程框架采用與人類用戶認(rèn)知體異質(zhì)同構(gòu)性的方式來表征機(jī)器認(rèn)知體的信息加工機(jī)制。該信息加工機(jī)制包括：（1）機(jī)器認(rèn)知體不僅僅需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信息加工機(jī)制（數(shù)據(jù)感知、處理層等），同時(shí)也需要目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的處理模塊和反饋機(jī)制以及針對目標(biāo)驅(qū)動(dòng)處理的“自上而下”的決策信息加工機(jī)制；中層是對情景意識的智能評估和推理；上層則進(jìn)行知識轉(zhuǎn)化，預(yù)測當(dāng)前情景意識可能發(fā)生的事件；目標(biāo)、規(guī)劃、任務(wù)等智能體構(gòu)成了反饋循環(huán)機(jī)制。（2）機(jī)器認(rèn)知體擁有自適應(yīng)的智能代理模塊，根據(jù)環(huán)境、系統(tǒng)、上下文、用戶狀態(tài)的識別，領(lǐng)域知識庫評估整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。機(jī)器認(rèn)知體基于系統(tǒng)任務(wù)、目標(biāo)和規(guī)劃，能夠自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的自主輸出。（3）機(jī)器認(rèn)知體擁有多智能代理，各智能代理處理相應(yīng)的認(rèn)知加工任務(wù)并且互相協(xié)調(diào)。

第三，iHCI人因工程框架采用AI領(lǐng)域的智能代理理論來表征智能系統(tǒng)認(rèn)知體的信息加工機(jī)制。智能代理是一個(gè)自治的智能計(jì)算實(shí)體，它能夠不斷地、自主地與環(huán)境發(fā)生交互（Wooldridge & Jennings，1995；王祝萍 & 張皓，2020）。智能代理系統(tǒng)研究的目的是使智能代理能在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)并完成特定的任務(wù)，這需要智能代理擁有對自身狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的建模、決策、規(guī)劃和控制能力。一個(gè)理想的智能代理應(yīng)該具有以下一些基本特征（Wooldridge 1995；王祝萍 & 張皓，2020）：自治性（即可以主動(dòng)控制自身的行為）、目標(biāo)性（對自己的意圖和目標(biāo)作出計(jì)劃）、交互性（對環(huán)境的感知和影響）、協(xié)作性（多代理之間的協(xié)作，并且能夠完成單智能體難以完成的復(fù)雜任務(wù)）、可通信性（代理之間或者代理與人之間可開展一定程度的“會(huì)話”）、學(xué)習(xí)能力、推理和規(guī)劃能力、社會(huì)性、進(jìn)化性、容錯(cuò)性、擴(kuò)展性等。從人因工程角度看，智能代理的這些特征就是具備類似人類的認(rèn)知信息加工特征，所以這些智能代理可以視為智能系統(tǒng)中相交互的認(rèn)知體。iHCI人因工程框架提倡利用智能代理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“面向用戶的iHCI”的設(shè)計(jì)理念。

基于以上三方面的新特征，本文提出的iHCI人因工程框架能夠有效地表征基于智能技術(shù)的人機(jī)交互新特征。需要指出的是，該iHCI人因工程框架是一個(gè)指導(dǎo)性的系統(tǒng)框架（reference architecture），它不是一個(gè)在工程上具體實(shí)現(xiàn)iHCI解決方案式的系統(tǒng)框架（solution architecture），iHCI人因工程框架還有待于今后進(jìn)一步研究的充實(shí)。

作為一個(gè)指導(dǎo)性的系統(tǒng)框架，針對iHCI的人因問題空間，iHCI人因工程框架提出了一個(gè)基于“面向用戶的iHCI”的人因工程解決方案。表2進(jìn)一步概括了該iHCI人因工程框架所表征的新特征以及人因工程解決方案的工作思路。

如表2所列，iHCI人因工程框架對今后的iHCI研究和應(yīng)用提出了新特征和新需求，這些新特征是傳統(tǒng)人機(jī)交互和人因工程解決方案所不具備的，這些新需求也是目前iHCI研究和應(yīng)用中存在的人因問題。因此，本文所提出的iHCI人因工程框架將有助于指導(dǎo)今后的iHCI研究和應(yīng)用工作，促進(jìn)“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)理念和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

表2 iHCI人因工程框架的主要新特征以及對iHCI研究和應(yīng)用的意義

4.2 自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕的人因工程分析

目前，盡管人因工程、工程心理學(xué)、人機(jī)交互等專業(yè)人員參與了自動(dòng)駕駛車的研發(fā)，但是頻頻發(fā)生的事故提醒我們需要評估目前的方法和尋找新的設(shè)計(jì)思維，從而能夠進(jìn)一步提升自動(dòng)駕駛車的安全設(shè)計(jì)（NTSB，2017；Endsley，2018，許為，2020）。SAE（2019）將自動(dòng)駕駛車系統(tǒng)分為5個(gè)“自動(dòng)化”等級（L1-L5），但由于當(dāng)前技術(shù)、交通法規(guī)、交通環(huán)境系統(tǒng)、政策法規(guī)、公眾接受度等原因，完全的無人自動(dòng)駕駛還有很長的路要走，在可預(yù)見的相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，智能自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕將是常態(tài)，智能駕駛汽車研究和應(yīng)用仍會(huì)集中在人機(jī)共駕層面（宗長富等，2021），人類駕駛員與智能自主系統(tǒng)仍然需要共同對車輛分時(shí)、分權(quán)地完成雙方都能獨(dú)立完成駕駛的任務(wù)，人類駕駛員依然扮演著重要的角色。本節(jié)采用iHCI人因工程框架對智能自動(dòng)駕駛車的人機(jī)共駕模式做初步分析。

4.2.1 單車層面分析

從自動(dòng)駕駛車單車層面看，基于AI智能技術(shù)的自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕模式就是一個(gè)iHCI系統(tǒng)。未來的智能自動(dòng)駕駛車是一個(gè)會(huì)學(xué)習(xí)的輪式智能機(jī)器人，它與人類駕駛員一樣具有一定程度的感知系統(tǒng)（攝像、激光雷達(dá)裝備等）、智能交互界面（語音輸入等）和學(xué)習(xí)等能力，在一些特定設(shè)計(jì)的場景中能夠應(yīng)對各種工況（馬楠等，2018）。

在該車載iHCI中，人類駕駛員和智能車載系統(tǒng)是能夠完成一定認(rèn)知信息加工任務(wù)的兩個(gè)認(rèn)知體，該智能人機(jī)系統(tǒng)可以被視為一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)，人機(jī)共駕體現(xiàn)了人類駕駛員與智能車載系統(tǒng)之間的交互。具備自主化特征的車載智能體具有一定程度上類似人類的認(rèn)知特征，人類用戶可以通過有效的iHCI交互方式（如語音交互）與其開展雙向的交互和協(xié)同合作。裝備智能感知等系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛車可對人類駕駛員狀態(tài)、環(huán)境上下文等狀態(tài)進(jìn)行自主感知、識別、學(xué)習(xí)、推理、理解等認(rèn)知作業(yè)，與人類駕駛員開展有效的人機(jī)共駕（X u，2021）。

但是，人機(jī)共駕存在許多人因問題需要進(jìn)一步地研究和探索，例如，有效的人機(jī)溝通模式，人機(jī)意圖及情景意識和信息的雙向交換，人機(jī)感知信息共享與交換，人機(jī)互信，應(yīng)急狀態(tài)下的人機(jī)控制權(quán)交接等等，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的差錯(cuò)都可能導(dǎo)致安全問題（程洪等，2020；Soualmi et al.，2014）。

采用iHCI人因工程框架的新范式有助于開拓設(shè)計(jì)思路，探索有效的人因工程解決方案。人因工程解決方案主要包括以下幾方面。

（1）人機(jī)協(xié)同合作的設(shè)計(jì)新范式：智能自動(dòng)駕駛車是由兩個(gè)認(rèn)知體（人類駕駛員，機(jī)器認(rèn)知體/“機(jī)器智能駕駛員”）組成的一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)，兩者是團(tuán)隊(duì)合作的隊(duì)友，因此人機(jī)共駕的iHCI研究和應(yīng)用可以從人機(jī)協(xié)同合作的新角度考慮。例如，研究要充分理解人類駕駛員與智能自主化系統(tǒng)在人機(jī)共駕中應(yīng)該分別扮演什么角色，如何根據(jù)智能化等級和駕駛環(huán)境來確定人機(jī)共駕中人機(jī)協(xié)同合作之間的各種關(guān)系以及系統(tǒng)架構(gòu)?；谌藱C(jī)協(xié)同合作的新范式，人機(jī)共駕的研究要從人機(jī)合作、人機(jī)互信、感知和情景意識共享、人機(jī)控制共享和協(xié)同駕駛等角度探索車載人機(jī)交互的優(yōu)化和安全設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)共駕（Jeong，2019；高在峰，李文敏，梁佳文等，2021）。例如，研究如何保證在應(yīng)急狀態(tài)下車輛控制權(quán)在人機(jī)之間的快速有效切換，確保人擁有最終控制權(quán)（包括遠(yuǎn)程控制等）（Fridman，2018）；借助人機(jī)協(xié)同合作的工作思路和有效的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，探索在什么條件下（例如人機(jī)互信程度，人類駕駛員狀態(tài)和行車意圖）如何完成有效的控制權(quán)轉(zhuǎn)移切換。

（2）人機(jī)雙向狀態(tài)識別的技術(shù)：iHCI人因工程架構(gòu)強(qiáng)調(diào)人機(jī)兩個(gè)認(rèn)知體之間雙向主動(dòng)的狀態(tài)識別，通過機(jī)器認(rèn)知體對人類駕駛員生理、認(rèn)知、情感、駕駛行為和意圖的監(jiān)測識別和理解，以及人類駕駛員對智能系統(tǒng)和環(huán)境的情景意識，人機(jī)之間才能夠擁有情景意識分享、人機(jī)互信、任務(wù)和目標(biāo)分享、決策和控制分享等，從而有效支持人機(jī)協(xié)同合作。這方面問題需要今后的研究，例如，探索如何通過建模方法來模擬駕駛員的駕駛操作和駕駛意圖；如何提高對人類駕駛員狀態(tài)監(jiān)測和駕駛意圖識別的準(zhǔn)確性。

（3）“人在環(huán)內(nèi)”的人機(jī)混合智能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：人機(jī)共駕必須是一個(gè)“人在環(huán)內(nèi)”（human-in-the-loop）的人機(jī)混合智能系統(tǒng)，而基于人機(jī)雙向狀態(tài)識別和系統(tǒng)控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)“人在環(huán)內(nèi)”的系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)提供了保障。首先，研究要從系統(tǒng)和iHCI設(shè)計(jì)角度來解決導(dǎo)致近幾年自動(dòng)駕駛車事故的人因問題（例如“人在環(huán)外”、低參與度、情景意識下降），研究在系統(tǒng)層面（例如“人在環(huán)內(nèi)控制”“人機(jī)協(xié)同控制”）或者/和生物層面（例如腦機(jī)控制）上如何有效地實(shí)現(xiàn)“人在環(huán)內(nèi)”的iHCI設(shè)計(jì)。其次，研究如何采用人機(jī)智能優(yōu)勢互補(bǔ)的設(shè)計(jì)思路來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高車載協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)的整體可靠性和安全性。最后，探索如何落實(shí)“有意義的人類控制”（meaningful human control）設(shè)計(jì)（Santoni & van den，2018）。例如，通過“人在環(huán)內(nèi)”的iHCI設(shè)計(jì)，探索車載“故障追蹤系統(tǒng)”來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)改善和人機(jī)故障問責(zé)的機(jī)制，推動(dòng)“人類可控AI”設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（4）基于智能自主化的設(shè)計(jì)思路：SAE（2019）定義L4-L5等級的自動(dòng)駕駛車不需要人類監(jiān)控和干預(yù)，人因工程的工作思路質(zhì)疑SAE這種設(shè)計(jì)指南。我們認(rèn)為SAE沒有基于AI技術(shù)的視角去評價(jià)自動(dòng)駕駛車的能力，無視自動(dòng)化技術(shù)和自主化技術(shù)之間的本質(zhì)差別，這種對自動(dòng)駕駛車智能自主化等級劃分的忽略可能對設(shè)計(jì)、安全、標(biāo)準(zhǔn)化和認(rèn)證產(chǎn)生不利影響（許為，2020）。作為一個(gè)“移動(dòng)式”的智能自主化系統(tǒng)，高等級自動(dòng)駕駛車不是傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)，智能系統(tǒng)認(rèn)知體擁有獨(dú)特的自主化特征，這些特征對自動(dòng)駕駛車iHCI設(shè)計(jì)提出了不同于傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的新需求，只有充分理解這些新特征并且采取有效的iHCI設(shè)計(jì)來對付這些新挑戰(zhàn)，才能保證自動(dòng)駕駛車的行駛安全。

（5）合作式認(rèn)知界面設(shè)計(jì)：基于人機(jī)協(xié)同合作的新范式，今后的研究需要探索有效的“合作式認(rèn)知界面”來支持人機(jī)共駕操作中的人機(jī)協(xié)同合作、人機(jī)互信、感知和情景意識共享、人機(jī)狀態(tài)識別、控制共享等問題，需要考慮有效的人機(jī)界面設(shè)計(jì)隱喻、范式以及認(rèn)知架構(gòu)。例如，探索在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中如何有效地實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同合作的設(shè)計(jì)方案來支持應(yīng)急狀態(tài)下快速有效的控制權(quán)交付和接管；探索開發(fā)有效的合作式認(rèn)知界面來解決自動(dòng)駕駛中的一些人因問題（例如“人在環(huán)外”、情景意識下降、自動(dòng)化模式混淆）；探索基于認(rèn)知工作分析（CWA）方法的車載生態(tài)用戶界面（EID）的設(shè)計(jì)（Vicente，1999；Burns & Ha j dukiewicz，2004）。

4.2.2 宏觀系統(tǒng)層面分析

從宏觀社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)層面來分析，安全有效的自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕的最終實(shí)現(xiàn)不僅僅依賴于單車層面上的有效iHCI設(shè)計(jì)，還需要基于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、AI與云計(jì)算、智能車聯(lián)網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)等技術(shù)；需要自動(dòng)駕駛車開發(fā)企業(yè)、電信運(yùn)營商、政府等各部門的合作；需要通過實(shí)現(xiàn)人、車、路、環(huán)境的協(xié)同交互（人與車、車與車、車與交通環(huán)境等之間）以及通過車端、路端、云端之間的信息交互，從而為自動(dòng)駕駛車的安全駕駛、決策和規(guī)劃提供系統(tǒng)化的支持。所有這些形成了一個(gè)智能自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕的生態(tài)系統(tǒng)（譚征宇等，2020）。

我們將iHCI人因工程架構(gòu)所表征的人類智能體與機(jī)器智能體的協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)概念拓寬到整個(gè)自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕的生態(tài)系統(tǒng)中，這樣整個(gè)自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕生態(tài)系統(tǒng)可以表征為一個(gè)協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)（許為，2022b）。該協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)擁有一個(gè)多層次的系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)可以是整體協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)中的某一層次。人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)中的各個(gè)協(xié)同認(rèn)知分系統(tǒng)可以由i-HCI人因工程架構(gòu)所表征，例如，人類智能體與機(jī)器智能體之間（行人與智能自動(dòng)駕駛車等），多重機(jī)器智能體之間（多輛自動(dòng)駕駛車之間，自動(dòng)駕駛車與智能道路系統(tǒng)之間等）。

圖3示意了自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的多層次架構(gòu)，表3概括了人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)各層次的系統(tǒng)組成部分。如圖3和表3所示，認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)的范圍和邊界條件是相對的，取決于分析的目的（即系統(tǒng)的功能而不是它的結(jié)構(gòu)）。

采用iHCI人因工程框架在宏觀層面上對自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)互駕的分析提供了以下的人因工程新思維和新途徑。

首先，協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的宏觀和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)視野。自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕的設(shè)計(jì)需要從宏觀的協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)角度來考慮，任何局限于“人類駕駛員+智能自動(dòng)駕駛車”單車層面協(xié)同認(rèn)知子系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)都無法保證整個(gè)協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)人因工程研究注重于人-車（“人類駕駛員+智能自動(dòng)駕駛車”）的交互和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。基于人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的架構(gòu)（圖3），自動(dòng)駕駛單車中的“人類駕駛員+智能自主駕駛車”僅僅是一個(gè)協(xié)同認(rèn)知子系統(tǒng)，影響該子系統(tǒng)人機(jī)共駕績效和安全的不僅僅是單車系統(tǒng)中兩個(gè)認(rèn)知體（人類駕駛員，智能自動(dòng)駕駛車）之間的協(xié)同合作，還有整個(gè)人機(jī)共駕生態(tài)系統(tǒng)中其他層次上的協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)以及相應(yīng)的多重認(rèn)知體。如圖3和表3所示，如果將iHCI解決方案的分析邊界逐步擴(kuò)展到智能道路系統(tǒng)（即人-車-路系統(tǒng)）、智能交通系統(tǒng)（人-車-路-交通系統(tǒng)）以及智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)（人-車-路-交通-社會(huì)系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車整體系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全取決于各種認(rèn)知體（智能體）之間的協(xié)同合作。例如，智能車聯(lián)網(wǎng)（例如智能安全系統(tǒng)）、道路智能傳感器、路面行駛中的其他自動(dòng)駕駛車（例如自動(dòng)駕駛車之間的行駛狀態(tài)識別、交互和協(xié)調(diào)，行車規(guī)范和行為）、智能交通信號（例如信號系統(tǒng)智能化程度、與自動(dòng)駕駛車之間的交互和兼容）、智能交通指揮系統(tǒng)（例如系統(tǒng)人類操作員、決策者、智能系統(tǒng)）、公眾（例如對自動(dòng)駕駛車的信任、體驗(yàn)）、行人（例如對自動(dòng)駕駛車、道路交通的認(rèn)知和行為）、自動(dòng)駕駛車開發(fā)企業(yè)（例如人機(jī)控制權(quán)分配設(shè)計(jì)決策和設(shè)計(jì)理念）、電信運(yùn)營商、政府（例如智能駕駛、智能交通政策規(guī)劃和決策）等等，所以這些認(rèn)知體形成了一個(gè)宏觀的協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)。

圖3 自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕的協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)（示意圖）

表3 人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)中各層次的主要組成部分

由此可見，自動(dòng)駕駛車的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，取決于人機(jī)共駕生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)所有系統(tǒng)組成部分之間的有效協(xié)同合作和整體系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，低估這種系統(tǒng)化工程的設(shè)計(jì)思路會(huì)造成潛在的安全威脅。

其次，“以人為中心AI”的設(shè)計(jì)理念。從“以人為中心AI”和“面向用戶的iHCI”的理念出發(fā)，人因工程強(qiáng)調(diào)人機(jī)共駕模式的設(shè)計(jì)必須是“以人為中心”，應(yīng)該從整個(gè)人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)來保證人類擁有自動(dòng)駕駛車的最終決控權(quán)。例如，在自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕模式中，單車人類駕駛員一般擁有最終決控權(quán)。當(dāng)車輛處于失控狀態(tài)（例如系統(tǒng)故障，黑客攻擊，人類駕駛員失能），一方面，車載智能系統(tǒng)啟動(dòng)智能應(yīng)急方案來脫離當(dāng)前的失控場景，保護(hù)人類（包括單車駕駛員、乘客、道路行人和其他車輛等），這體現(xiàn)“以人為中心AI”的理念；另一方面，從系統(tǒng)余度化安全設(shè)計(jì)考慮，作為整個(gè)人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的分系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)的中央指揮控制中心操作員可遠(yuǎn)程接管故障車（例如“5G云代駕”）來脫離當(dāng)前交通場景，同時(shí)指揮協(xié)調(diào)路面其他智能駕駛車，從而保證智能道路系統(tǒng)的整體安全，確?！叭祟惪煽谹I”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，避免災(zāi)難性的后果。今后研究要探索如何有效地實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方案。例如，在整個(gè)自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，研究如何根據(jù)人的能力、狀態(tài)和駕駛環(huán)境進(jìn)行駕駛權(quán)限和責(zé)任的實(shí)時(shí)分配，研究在應(yīng)急狀態(tài)下如何確保人類擁有對整個(gè)人機(jī)共駕協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的最終控制權(quán)限。

最后，圖3和表3也示意了智能自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的可能路徑。這些路徑包括：（1）“自下而上”的路徑，即從“人類駕駛員+智能自動(dòng)駕駛車”到“智能道路系統(tǒng)”“智能交通系統(tǒng)”“智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)車”；（2）“自上而下”的路徑，即從“智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)車”到“智能交通系統(tǒng)”“智能道路系統(tǒng)”“人類駕駛員+智能自動(dòng)駕駛車”；（3）混合或者并行的路徑，即“自下而上”路徑與“自上而下”路徑的組合或者并行發(fā)展?；旌匣蛘卟⑿械陌l(fā)展路徑可能是最佳安全的路徑，該結(jié)論有待進(jìn)一步的研究。

5 智能人機(jī)交互的基本人因問題

iHCI中有許多人因問題，其中包括用戶認(rèn)知、生理計(jì)算、情感計(jì)算、用戶意圖識別、多模態(tài)人機(jī)交互、人機(jī)協(xié)同合作等（Xu，Dainoff et al.，2022）。限于篇幅，本節(jié)基于“面向用戶的iHCI”理念和設(shè)計(jì)目標(biāo)（圖1）和iHCI人因工程框架（圖2），主要從人因工程角度對以下兩個(gè)基本問題展開初步的討論，并且概括了今后的一些工作。

5.1 用戶意圖識別

iHCI中的人機(jī)雙向交互需要機(jī)器智能體能夠感知用戶意圖、操作環(huán)境和上下文，并對用戶意圖做出自適應(yīng)的交互操作?；谟脩粢鈭D識別的設(shè)計(jì)策略體現(xiàn)了“以用戶為中心”的理念，可以降低人機(jī)沖突概率，也是實(shí)現(xiàn)iHCI中模糊和自然人機(jī)交互的關(guān)鍵。

用戶生理、認(rèn)知、情感等狀態(tài)識別和計(jì)算建模為面向用戶的意圖識別提供了基礎(chǔ)。用戶意圖識別可以通過多模態(tài)信息實(shí)現(xiàn)，其中包括用戶生理計(jì)算（運(yùn)動(dòng)、視覺、聽覺、腦電等），用戶運(yùn)動(dòng)意圖（表面肌電信號、腦電信號、眼電信號等），用戶肢體動(dòng)作（手指、手部、頭動(dòng)運(yùn)動(dòng)等），用戶神經(jīng)系統(tǒng)信號計(jì)算（如通過腦機(jī)接口技術(shù)讀取用戶思維活動(dòng)中的交互意圖信息）（張丹等，2018；程洪等，2020；Gao et al.，2014；Mc-Farland et al.，2017）。

用戶意圖識別中的另一個(gè)關(guān)鍵是對用戶意圖的推理。用戶意圖推理主要包括兩個(gè)方面：一是對用戶交互意圖的推理；二是對人機(jī)交互情境和上下文的推理（易鑫等，2018）。例如，在普適計(jì)算環(huán)境中，采用Bayes方法的用戶意圖推理，利用大數(shù)據(jù)用戶行為、人物畫像建模方法來理解以及提取用戶意圖。

在自動(dòng)駕駛車人機(jī)共駕研究領(lǐng)域，人類駕駛員的意圖識別和短時(shí)行為預(yù)測是重要研究內(nèi)容之一，有助于提升自動(dòng)駕駛車的行駛安全（宗長富等，2021）。例如，研究者使用換道意圖預(yù)測系統(tǒng)來確定每個(gè)提示用于確定意圖的相對有效性，同時(shí)利用推理分類器算法預(yù)測駕駛員的換道操作（Doshia，2008）。驗(yàn)證結(jié)果表明，頭部運(yùn)動(dòng)與車道位置和車輛動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法是預(yù)測換道意圖的有效方法之一。基于駕駛模擬器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，呂岸等（2010）結(jié)合高斯-隱馬爾可夫混合模型來識別人類駕駛員在高速公路上的超車行為，并且推理分析駕駛員超車意圖和行為的合理性。研究者還利用駕駛員生理信號、駕駛動(dòng)態(tài)環(huán)境（例如周邊車輛的運(yùn)行狀況）、車輛到車道邊緣的距離等信息來預(yù)測駕駛員的行車意圖（Tawari et al.，2014；Yuen，2016；Mar et al.，2014；Gaikwad et al.，2015）。

iHCI人因工程框架強(qiáng)調(diào)開展對用戶意圖識別的研究來為人機(jī)協(xié)同提供條件，從而達(dá)到自然和有效的iHCI設(shè)計(jì)目的。這方面有許多工作需要開展，以下列出其中的幾項(xiàng)主要工作。

首先，目前的許多研究主要針對用戶意圖的識別技術(shù)，但是理論層面上有許多問題迫切需要解決，需要結(jié)合用戶需求，開展人因工程研究，引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向。例如，用戶不同通道（如動(dòng)作、生理、語言等）所產(chǎn)生的意圖需要不同的技術(shù)，從理論上如何把各類意圖進(jìn)行系統(tǒng)化地表征、建模和解釋，找到多通道用戶意圖之間的可解釋性、互補(bǔ)性等特征，這是人因工程的一個(gè)重要課題。另外，如何建立理解用戶意圖表達(dá)的認(rèn)知模型和計(jì)算框架？如何有效地使用知識圖譜（言語表征等）等方法來表征和理解用戶交互意圖（Aminer，2020）？同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)自然的iHCI，今后的研究需要建立人與智能系統(tǒng)雙方所需要的共同認(rèn)知基礎(chǔ)，其中包括構(gòu)建與交互情境相關(guān)的知識圖譜、常識性的知識推理和個(gè)性化的知識更新，幫助智能體不僅可以通過感知信息對知識圖譜進(jìn)行自動(dòng)更新，還可以采取主動(dòng)交互策略來確認(rèn)和排除不可靠的推理結(jié)果（王宏安等，2020）。

其次，分析和評估用戶多樣性、用戶行為不確定性以及使用場景多樣性等因素對用戶意圖推理的影響（易鑫等，2018）。例如，在完成某一項(xiàng)動(dòng)作時(shí)，由于用戶可能做出不同動(dòng)作所帶來的不確定性，不同用戶針對同一交互意圖可能采用的不同交互行為，不同場景下的用戶交互行為的非一致性。

第三，探索和實(shí)現(xiàn)從用戶交互意圖的模糊表達(dá)到準(zhǔn)確識別的跨越（史元春，2019）。例如，用戶交互意圖是內(nèi)在的，同時(shí)通過外部傳感器獲取的交互數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性大、背景噪聲強(qiáng)、應(yīng)用場景廣泛等特點(diǎn)，這些問題對用戶意圖的準(zhǔn)確識別和推理帶來了更大的挑戰(zhàn)。例如，在手機(jī)iHCI方面，史元春等人針對手機(jī)用戶輸入的“胖手指”問題，基于用戶行為特征建模，提出了基于貝葉斯推理的用戶意圖理解的框架，能夠從用戶模糊輸入信號中推測出用戶的真實(shí)交互意圖（Aminer，2020）。

第四，隨著情感計(jì)算理論研究和技術(shù)的突破，iHCI將向著多模態(tài)情感識別、情感意圖理解、智能體多模態(tài)情感表達(dá)以及人機(jī)情感交互系統(tǒng)的方面深化，最終使智能系統(tǒng)具有主動(dòng)情感認(rèn)知能力（韓晶等，2015；黃宏程等，2019）。因此，加速對用戶情感狀態(tài)測量和建模的研究將有助于進(jìn)一步開發(fā)針對用戶意圖識別和預(yù)測的解決方案（Wendemuth et al.，2018）。

最后，利用多模態(tài)信息的有效融合和人機(jī)交互技術(shù)來支持對用戶意圖的準(zhǔn)確理解，為人機(jī)協(xié)同合作提供支持（孫效華等，2020）。雖然AI技術(shù)使得智能體能夠比較準(zhǔn)確地理解用戶的單通道行為（例如語音識別、人臉識別），但是智能體需要借助于多通道信號的有效融合來準(zhǔn)確理解用戶的交互意圖（例如用戶在做什么，要做什么）（王宏安等，2020）。目前的研究主要圍繞三方面探索：（1）準(zhǔn)確識別用戶已知的交互意圖；（2）準(zhǔn)確地將已知意圖的新個(gè)性化行為歸納到已知意圖；（3）準(zhǔn)確判斷和標(biāo)識用戶行為中出現(xiàn)的未知意圖類別，并添加到已知學(xué)習(xí)模型。如何利用多通道信息融合方法，將已知意圖的新個(gè)性化行為和新意圖類別擴(kuò)展到現(xiàn)有模型中，使得智能體在與用戶的交互中學(xué)習(xí)、理解并整合新知識的能力，這將是今后的重要工作之一（楊明浩，陶建華，2018）。

5.2 人機(jī)協(xié)同合作

如前所述，不同于傳統(tǒng)人機(jī)交互，iHCI可以被視為兩個(gè)認(rèn)知體之間的協(xié)同合作，在一定的操作和任務(wù)環(huán)境中，人與智能體之間是基于一種團(tuán)隊(duì)隊(duì)友之間的合作來實(shí)現(xiàn)兩者之間的“交互”，這種交互是由兩者之間雙向主動(dòng)的、分享的、互補(bǔ)的、可替換的、自適應(yīng)的、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的以及可預(yù)測等人因工程特征所決定的。隨著機(jī)器智能自主化程度的提高，這些特征表現(xiàn)更加明顯（許為，葛列眾，2020）。

針對人機(jī)協(xié)同合作的研究剛剛起步，許多研究從多學(xué)科角度出發(fā)，初步提出了一些解決方案。例如，人-AI合作研究策略和框架（O’Neill et al.，2020），人-AI合作團(tuán)隊(duì)績效評估（Babsal et al.，2019），人-AI互信（Bindewald et al.，2017），人-AI合作中的心理模型（Bansal et al.，2019），人-AI合作的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Ozkaya，2020），人-AI合作系統(tǒng)權(quán)限（Haring et al.，2019），人-AI合作的定量和定性建模（Peters，2019）。針對iHCI中人與智能體有可能成為“團(tuán)隊(duì)隊(duì)友”的問題，Klien，Woods等人（2004）提出了人因工程研究面臨的十大挑戰(zhàn)，其中包括人與智能體之間的可預(yù)測性（預(yù)測對方的計(jì)劃、行動(dòng)等），建模（表征對方的意圖和行動(dòng)），透明性、可解釋性和理解性（針對對方意圖和行為狀態(tài)），雙向的協(xié)調(diào)控制等。按照這些標(biāo)準(zhǔn)來分析，目前針對iHCI人機(jī)協(xié)同合作的研究和應(yīng)用尚處于由“傳統(tǒng)人機(jī)交互”向“初級人機(jī)協(xié)同合作”轉(zhuǎn)變的階段，相應(yīng)的研究和應(yīng)用仍然不全面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想的要求。

另外，智能時(shí)代的人機(jī)交互有“雙刃劍”效應(yīng)。一方面，智能系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)、AI深度學(xué)習(xí)等技術(shù)可以整合基于大量專家知識的群體智能，主動(dòng)幫助人類操作員在非正常的場景中解決以往單人知識或者操作所不能解決的問題，這是傳統(tǒng)非智能系統(tǒng)無法達(dá)到的；另一方面，如果iHCI設(shè)計(jì)中不遵循“以人為中心AI”理念，并且不能保證人類擁有對系統(tǒng)的最終決策控制權(quán)，智能系統(tǒng)自主獨(dú)立執(zhí)行的結(jié)果則有可能帶來倫理和安全隱患。

iHCI人因工程框架將人機(jī)系統(tǒng)視為一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)開展針對人機(jī)協(xié)同合作的研究和應(yīng)用，從而達(dá)到高效自然的人機(jī)交互設(shè)計(jì)目標(biāo)。今后的研究應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面。

首先，要開發(fā)有效的iHCI中人機(jī)協(xié)同合作的理論、方法以及認(rèn)知架構(gòu)，進(jìn)一步開發(fā)人機(jī)情景意識共享、人機(jī)互信、人機(jī)心理模型共享、人機(jī)決策共享的理論、模型和方法。例如，從技術(shù)角度進(jìn)一步解決人機(jī)協(xié)同合作中的人機(jī)功能分配、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)和修正、主動(dòng)交互模式等問題；從人機(jī)協(xié)同的體驗(yàn)視角進(jìn)一步研究人機(jī)協(xié)同合作中的可解釋性、人機(jī)互信、人機(jī)情感化、公平負(fù)責(zé)的人機(jī)協(xié)同合作等問題（孫效華等，2020）。

其次，學(xué)術(shù)界針對iHCI中人-智能體之間的關(guān)系有不同的理解，有待進(jìn)一步研究和評估。例如，iHCI中智能體是否真正可以成為與人類協(xié)同合作的隊(duì)友（同伴、受指導(dǎo)者或團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)），還是僅僅作為一個(gè)智能超級工具（Shneiderman，2020；Klien & Woods，et al.，2004）。今后工作應(yīng)該側(cè)重于研究人類與智能體如何交互、協(xié)商以及作為隊(duì)友進(jìn)行協(xié)作合作；研究如何在iHCI設(shè)計(jì)中界定各自的角色和責(zé)任以及協(xié)作的規(guī)則；研究人機(jī)協(xié)作合作的層次結(jié)構(gòu)以及各層次之間的關(guān)系（例如，協(xié)調(diào)/coordination，協(xié)作共事/cooperation，合作/collaboration）。從“面向用戶的iHCI”理念出發(fā)，iHCI系統(tǒng)的最終策控制者應(yīng)該是人，如何在人機(jī)共駕模式設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這種理念需要進(jìn)一步的工作。

第三，開展針對人機(jī)協(xié)同合作的計(jì)算模型和定量評估。傳統(tǒng)非智能系統(tǒng)的人機(jī)交互模型（例如GOMS，MHP）已不能滿足iHCI中復(fù)雜交互任務(wù)的需求（例如Card et al.，1983），需要探索人類認(rèn)知機(jī)制來建模人與智能系統(tǒng)的交互和協(xié)作合作（劉燁等，2018），目前還沒有系統(tǒng)化的人機(jī)交互和協(xié)作合作模型。簡單明確的任務(wù)性人機(jī)交互任務(wù)相對容易建模，但是當(dāng)人機(jī)交互任務(wù)包括體驗(yàn)性、娛樂性、溝通性以及大量的人-人之間交互活動(dòng)，人機(jī)交互建模成為一項(xiàng)非常困難的工作，今后需要進(jìn)一步開展這方面的研究。另外，人與智能體在社會(huì)交互情境中的交互也面對情境意識計(jì)算和模型的挑戰(zhàn)，其中包括人與智能體之間的理解、意圖、情緒、目標(biāo)、角色結(jié)構(gòu)、文化規(guī)范以及社會(huì)關(guān)系類型等，這方面的工作也有待進(jìn)一步深入。

第四，開發(fā)和設(shè)計(jì)有效的人機(jī)界面來支持人機(jī)協(xié)同合作。人機(jī)兩個(gè)認(rèn)知體之間的協(xié)同合作必然需要能夠有效支持這種人機(jī)任務(wù)的人機(jī)界面，這是個(gè)重要的課題。例如，開發(fā)“合作式認(rèn)知界面”來支持人機(jī)協(xié)同合作、人機(jī)互信、感知和情景意識共享、人機(jī)狀態(tài)識別、人機(jī)控制共享等，探索基于認(rèn)知工作分析的車載生態(tài)用戶界面的設(shè)計(jì)（Vicente，1999；Burns& Ha j dukiewicz，2004）。

最后，開展針對iHCI中長期性人機(jī)協(xié)同合作的研究。目前許多研究注重于iHCI中人和智能體之間的短期協(xié)同合作（例如，人與智能機(jī)器人），如何保持人和智能體之間的長期有效的協(xié)同合作仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)（Prada & Paiva，2014）。例如，針對老年人、殘疾人的智能康復(fù)機(jī)器人，作為認(rèn)知體的機(jī)器人智能體如果無法保持與人類用戶合作的興趣，人機(jī)交互質(zhì)量將大大下降。今后的研究需要解決如何能夠使智能體保持與用戶合適的交互和合作方式、建立關(guān)系（例如信任）、關(guān)注用戶需求（例如情感需求）等問題。另外，智能體也可擁有自己的需求，也需要人類用戶的幫助，今后的研究需要探索如何從iHCI設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)這種長期的人機(jī)協(xié)同合作的關(guān)系。

6 總結(jié)

（1）智能技術(shù)給智能人機(jī)交互（iHCI）帶來了區(qū)別于傳統(tǒng)人機(jī)交互的許多人因工程新特征，這些新特征擴(kuò)大了iHCI的研究范圍，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)人機(jī)交互的研究范圍。我們需要一種新思維和方法論來考慮如何更加有效地解決iHCI新特征所帶來的新問題，它們既反映iHCI技術(shù)發(fā)展的方向，也對今后的研究提出了新要求。

（2）本文進(jìn)一步拓展“以人為中心AI”的開發(fā)理念到iHCI研究中，提出了“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)理念和目標(biāo)。該理念體現(xiàn)“以用戶為中心”的設(shè)計(jì)思想；強(qiáng)調(diào)人因、技術(shù)和倫理三方面的協(xié)同合作以及系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思維，從而達(dá)到“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）基于智能時(shí)代新型的人機(jī)協(xié)同合作關(guān)系，采用協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)、情景意識認(rèn)知理論和智能代理理論，本文提出一個(gè)iHCI人因工程框架。該框架將iHCI中用戶和智能系統(tǒng)視為一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)的兩個(gè)認(rèn)知體，強(qiáng)調(diào)“面向用戶的iHCI”設(shè)計(jì)理念和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)取決于該系統(tǒng)中的人機(jī)協(xié)同合作、人機(jī)雙向狀態(tài)識別、人機(jī)智能互補(bǔ)、智能化自適應(yīng)人機(jī)交互、合作式認(rèn)知界面等方面的研究和應(yīng)用。

（4）采用以上設(shè)計(jì)理念和框架，本文分別在單車層面和宏觀系統(tǒng)層面上分析了智能自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕的人因問題，自動(dòng)駕駛?cè)藱C(jī)共駕提供了人因工程新思維和新途徑。

（5）用戶意圖識別和人機(jī)協(xié)同合作是iHCI研究和應(yīng)用中的兩個(gè)基本問題，進(jìn)一步開展這方面的研究將有助于實(shí)現(xiàn)“面向用戶的iHCI”理念和設(shè)計(jì)目標(biāo)，有許多人因工程方面的問題需要進(jìn)一步研究。