基于駕駛?cè)蝿?wù)優(yōu)化的汽車人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計方法研究

李勝楠 高瞻

摘要：隨著車載通信技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車人機(jī)交互系統(tǒng)朝著多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。技術(shù)的發(fā)展使汽車人機(jī)交互系統(tǒng)成為一個復(fù)雜的信息娛樂體系，涵蓋了多種信息服務(wù)功能，在為駕駛者帶來娛樂與便利的同時，增加了駕駛者車內(nèi)的交互任務(wù)與行為。人車之間的各種復(fù)雜信號的交互造成了駕駛負(fù)荷，這些負(fù)荷為駕駛埋下了安全隱患。駕駛員認(rèn)知能力有限，行車過程中復(fù)雜的多任務(wù)活動易引發(fā)交通事故，為解決這一問題，文章對復(fù)雜的汽車駕駛?cè)蝿?wù)進(jìn)行研究。基于多資源理論提出駕駛?cè)蝿?wù)分層—占用資源時間線分析的設(shè)計方法，描述執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)在不同時間段內(nèi)的資源占用情況，并采用駕駛負(fù)荷評分的方法對其進(jìn)行計算，結(jié)合駕駛?cè)蝿?wù)和駕駛行為分析，得出駕駛負(fù)荷過大的原因，最后基于資源分配原則對人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并通過設(shè)計實(shí)踐驗證優(yōu)化方案的合理性，以期為汽車人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：多資源理論；汽車駕駛?cè)蝿?wù)；任務(wù)分層分析；汽車人機(jī)交互

中圖分類號：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）20-00-03

0 引言

駕駛是一項難度高而復(fù)雜的任務(wù)，駕駛行為包括規(guī)劃、決策及過程控制等三個水平上的任務(wù)層次，以及約1600項獨(dú)立的任務(wù)層次［1］。本文提出利用多資源理論基于駕駛?cè)蝿?wù)優(yōu)化的研究方法，對汽車人機(jī)交互進(jìn)行改良設(shè)計，最后進(jìn)行實(shí)踐設(shè)計應(yīng)用，對該方法進(jìn)行了驗證。

1 復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下的人機(jī)交互系統(tǒng)

汽車人機(jī)交互系統(tǒng)是指人與汽車之間的信息交互和控制方式。為了提高汽車的駕駛效率和保障安全，設(shè)計科學(xué)合理的人機(jī)交互系統(tǒng)至關(guān)重要。需要對復(fù)雜的駕駛?cè)蝿?wù)進(jìn)行分析，駕駛?cè)蝿?wù)包括車輛控制、導(dǎo)航、娛樂和通信等方面。根據(jù)駕駛?cè)蝿?wù)的不同，人機(jī)交互系統(tǒng)需要提供不同的控制和信息顯示方式。根據(jù)以上分析結(jié)果，在人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要考慮以下幾個方面。

第一，控件設(shè)計：根據(jù)駕駛?cè)蝿?wù)需要，設(shè)計合適的控件。例如，對于導(dǎo)航，需要設(shè)計觸摸屏幕、語音控制和按鈕等控件。

第二，信息顯示設(shè)計：根據(jù)駕駛?cè)蝿?wù)需要，設(shè)計合適的信息顯示方式。例如，對于車輛控制，需要顯示車速、轉(zhuǎn)速和油量等信息。

第三，人機(jī)交互方式設(shè)計：根據(jù)駕駛?cè)蝿?wù)需要，設(shè)計合適的人機(jī)交互方式。例如，對于導(dǎo)航，需要設(shè)計觸摸屏幕、語音控制和按鈕等方式。

2 駕駛負(fù)荷與資源提取

駕駛負(fù)荷是駕駛者在駕駛過程中執(zhí)行復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)時所產(chǎn)生負(fù)荷的總稱，包括腦力負(fù)荷與體力負(fù)荷。為分析駕駛過程中的負(fù)荷情況，需要采用多資源占用理論對其進(jìn)行階段性劃分。多資源理論具體是指將人的認(rèn)知資源分為不同的類型，包括通道、編碼和階段三個維度，其認(rèn)為人在進(jìn)行任務(wù)時需要同時使用多種認(rèn)知資源［2］。

基于多資源理論的駕駛負(fù)荷分析方法，得出腦力負(fù)荷產(chǎn)生于知覺與認(rèn)知階段，體力負(fù)荷則在應(yīng)答階段明顯增加。在執(zhí)行多個駕駛?cè)蝿?wù)時，駕駛負(fù)荷問題就是駕駛?cè)蝿?wù)執(zhí)行過程中的資源分配問題，若兩個任務(wù)在同一個維度上占用相同的資源，則存在資源分配上的沖突，會增加駕駛員的心理與生理負(fù)荷，從而影響駕駛?cè)蝿?wù)完成的績效，即影響駕駛安全。

3 駕駛?cè)蝿?wù)分層與時間線分析

汽車駕駛?cè)蝿?wù)分層分析是指將駕駛?cè)蝿?wù)按照不同的層次分類分析，以便更好地了解駕駛?cè)蝿?wù)的復(fù)雜性和駕駛員在不同層次上的認(rèn)知、行為特點(diǎn)。分層任務(wù)分析是一種常用于復(fù)雜任務(wù)結(jié)構(gòu)的任務(wù)分析方法，能通過結(jié)構(gòu)化的方式對所要執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行系列劃分，可以將其分為任務(wù)層、子任務(wù)層和需求層，需求層能完整分析任務(wù)執(zhí)行過程中的所有操作及資源需求［3］。為了保證實(shí)驗的完整性及科學(xué)性，本文還增加了時間維度的測量，基于多資源理論計算各時間段內(nèi)所有任務(wù)通道的資源占用程度，將其作為本文的評估指標(biāo)。對照時間線判斷駕駛負(fù)荷的增減情況，其中需要分析與推理的情感認(rèn)知任務(wù)則通過VACP負(fù)荷評級標(biāo)準(zhǔn)量表進(jìn)行評定（見表1）。

4 駕駛負(fù)荷實(shí)驗設(shè)計與分析

車內(nèi)交互性硬件設(shè)備包括中控屏、數(shù)字儀表、方向盤、抬頭顯示（HUD）等。向50個駕齡超過3年的用戶發(fā)放調(diào)查問卷，收集到的43份有效問卷中表明在行駛過程中的各類駕駛?cè)蝿?wù)中，導(dǎo)航、音樂、電話三項任務(wù)的開展最為頻繁，因此以該三項駕駛?cè)蝿?wù)作為實(shí)驗設(shè)計內(nèi)容。通過在規(guī)定的駕駛場景中分階段執(zhí)行任務(wù)，來檢驗復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)對人機(jī)交互系統(tǒng)效率的影響及埋下的安全隱患。

按照上文人機(jī)交互行為分析與路徑進(jìn)行設(shè)計，基于多資源理論的汽車人機(jī)交互，通過分層分析、任務(wù)占用時間線分析進(jìn)行實(shí)驗設(shè)計。駕駛場景設(shè)定如下：

任務(wù)一：啟動車輛，輸入規(guī)定目的地，按照導(dǎo)航路線行駛；

任務(wù)二：在行駛路段打開QQ音樂隨意搜索一首喜愛的歌曲并播放；

任務(wù)三：接到一通電話（實(shí)驗安排內(nèi)容），被告知需要更換目的地，并掛斷電話；

任務(wù)四：開始搜索并更改導(dǎo)航目的地，并駕駛車輛前往新的目的地，最終到達(dá)目的地。

駕駛?cè)蝿?wù)結(jié)束。

挑選有經(jīng)驗的駕駛者進(jìn)行任務(wù)操作并記錄，實(shí)驗挑選極氪001新能源電動車為駕駛車輛。依照以上駕駛?cè)蝿?wù)場景，以錄像的方式記錄駕駛者在駕駛過程中的行為，并通過任務(wù)分層與時間線分析的方法，記錄駕駛?cè)蝿?wù)執(zhí)行中的負(fù)荷情況，并基于資源重新分配的方法對汽車人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

以下為駕駛?cè)蝿?wù)分層分析，按照任務(wù)層、子任務(wù)層駕駛?cè)蝿?wù)、需求層以及所占用資源排布。

任務(wù)一：

啟動汽車—啟動按鍵/方向盤—視覺、運(yùn)動資源

處理導(dǎo)航信息—點(diǎn)擊中控進(jìn)入導(dǎo)航—視覺、運(yùn)動、認(rèn)知資源

系安全帶—拉動安全帶—運(yùn)動資源

開始駕駛—觀察車周環(huán)境/控制方向盤—視覺、運(yùn)動、認(rèn)知資源

任務(wù)二：

輸入音樂—主駕：嗨，EVA/語音助手：主駕請說/主駕：播放陳奕迅的《十年》—運(yùn)動、聽覺資源

確認(rèn)語音信息—語音助手：馬上播放陳奕迅的《十年》—聽覺資源

查看界面信息—中控顯示播放音樂—視覺資源

保持駕駛—觀察道路/控制方向盤—視覺、運(yùn)動、認(rèn)知資源

任務(wù)三：

查看電話界面信息—中控屏顯示來電信息—視覺資源

確認(rèn)并接通電話—右手點(diǎn)擊方向盤按鍵接通電話—運(yùn)動資源

語音對話確認(rèn)信息—撥打者：我在松江大學(xué)城地鐵站，你可以來接我嗎/駕駛者：好的，我等下過去接你—運(yùn)動資源

掛斷電話—右手點(diǎn)擊方向盤按鍵—運(yùn)動資源

保持駕駛—觀察道路情況/控制方向盤—視覺、運(yùn)動、認(rèn)知資源

任務(wù)四：

喚醒語音對話功能—與系統(tǒng)對話：嗨，EVA，語音助手未回應(yīng)，點(diǎn)擊中控屏喚醒導(dǎo)航—運(yùn)動、視覺、認(rèn)知資源

再次與系統(tǒng)對話并輸入第二目的地—主駕：嗨，EVA/語音助手：主駕請講/主駕：更改目的地到松江大學(xué)城地鐵站—運(yùn)動、聽覺資源

確認(rèn)信息被識別—語音系統(tǒng)：已為您找到12個結(jié)果—聽覺資源

查看界面信息—中控屏顯示搜索目的地信息—視覺資源

選擇正確地點(diǎn)—語音確認(rèn)第一個/語音助手：開始為您導(dǎo)航—運(yùn)動、聽覺資源

保持駕駛—觀察道路情況/控制方向盤—視覺、運(yùn)動、認(rèn)知資源

通過記錄駕駛者執(zhí)行任務(wù)的資源分配情況，對照時間線進(jìn)行排列，得出用戶在駕駛狀態(tài)下執(zhí)行各任務(wù)的時間線—駕駛負(fù)荷評分圖（見圖1）。

結(jié)合表1和圖1的數(shù)據(jù)信息以及駕駛錄像和訪談記錄，對駕駛負(fù)荷超過5的時間段進(jìn)行分析。

58～60 S，視覺資源被多任務(wù)占用，駕駛負(fù)荷評分為5.9。結(jié)合駕駛員訪談記錄進(jìn)行分析，在保持駕駛?cè)蝿?wù)的同時，駕駛者需要確認(rèn)中控屏幕的文字信息，導(dǎo)致視線偏離道路。

82～93 S，視覺及運(yùn)動資源被多任務(wù)占用，駕駛負(fù)荷評分為10.6。在駕駛員進(jìn)行語音控制時，語音系統(tǒng)因被電話占用無應(yīng)答，導(dǎo)致駕駛者在保持駕駛的同時需要占用視覺資源來確定信息界面，視覺偏離道路；通過手動操作的方式進(jìn)入導(dǎo)航界面，右手暫時離開方向盤；再對其進(jìn)行語音操作。

102～103 S，視覺資源和手部運(yùn)動資源被多任務(wù)占用，駕駛負(fù)荷評分為8.1。更改目的地后系統(tǒng)推薦的地址信息未在一個界面完整展出，需要用手指左右滑動查看，同時占用視覺資源和手部運(yùn)動資源，視線偏離道路，右手暫時離開方向盤。

105.3～110 S，視覺資源和手部運(yùn)動資源被多任務(wù)占用，駕駛負(fù)荷評分為5.4。選擇目的地信息時以文字形式呈現(xiàn)，導(dǎo)航列表和導(dǎo)航界面沒有對應(yīng)，無法直接查看新的目的地全局路線，需要再次操作，以查看新的導(dǎo)航路線。

5 資源再分配與駕駛?cè)蝿?wù)優(yōu)化設(shè)計實(shí)踐

根據(jù)分析所得結(jié)果，按照資源分配原則進(jìn)行優(yōu)化處理，設(shè)計方案如下。

第一，在語音助手確定音樂的同時，為避免駕駛者調(diào)用視覺資源從正前方到右側(cè)方的中控屏幕，減少注視焦點(diǎn)的大幅度變動，降低視覺上的負(fù)荷，可以在駕駛員正前方的硬件設(shè)備上展示音樂信息。例如在數(shù)字儀表或者抬頭顯示上增加播放音樂的簡潔信息。

第二，當(dāng)車內(nèi)存在多個駕駛?cè)蝿?wù)，且各任務(wù)之間不存在資源沖突的情況下，可以選擇平級任務(wù)展示，減少界面切換導(dǎo)致的額外資源占用。例如在接打電話時信息在導(dǎo)航信息上方以浮窗形式呈現(xiàn)，從（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）而減少因系統(tǒng)被占用駕駛員需要再次確認(rèn)的情況。

第三，更改目的地信息，須減少信息確認(rèn)任務(wù)對視覺資源和手部運(yùn)動資源的占用。例如標(biāo)注“最近瀏覽”“經(jīng)常瀏覽”“去過”并將其放在前排，通過符號或者標(biāo)識等簡潔、提示性強(qiáng)的信息來提醒駕駛者，提升信息識別率，減少對視覺和手部運(yùn)動資源的占用情況。

第四，在系統(tǒng)展示新的目的地文字信息時，須通過減少閱讀級別的視覺信息來降低駕駛負(fù)荷，將系統(tǒng)搜索結(jié)果以縮放地圖的形式展示，縮短駕駛者的閱讀時間，從而減少視覺資源占用。

以極氪001原有界面為基礎(chǔ)進(jìn)行改良，并通過模擬駕駛艙實(shí)現(xiàn)改良設(shè)計的實(shí)踐測評，在不考慮模擬駕駛艙與現(xiàn)實(shí)環(huán)境差異的情況下，改良后的設(shè)計方案與原有設(shè)計相比，四項任務(wù)的執(zhí)行時間都相對減少，同時實(shí)驗證明每一項任務(wù)的駕駛負(fù)荷都有相應(yīng)的降低。因此采用多資源理論優(yōu)化駕駛?cè)蝿?wù)的人機(jī)交互設(shè)計方法，準(zhǔn)確識別駕駛負(fù)荷較大的資源占用情況及時間節(jié)點(diǎn)，分析資源占用沖突的根本原因，依照資源分配原則對其進(jìn)行優(yōu)化，最終通過設(shè)計實(shí)踐完成汽車人機(jī)交互的最優(yōu)設(shè)計方案。

6 結(jié)語

本文利用多資源模型和任務(wù)層次分析相結(jié)合的方法探究駕駛?cè)蝿?wù)優(yōu)化下的汽車人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計。首先按照時間線的劃分對駕駛?cè)蝿?wù)進(jìn)行分層分析，通過描述資源占用的分配情況分析駕駛負(fù)荷較大的原因，然后按照資源分配原則對各駕駛?cè)蝿?wù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過減少資源占用沖突降低每一時間段的駕駛負(fù)荷，最終通過設(shè)計實(shí)踐完善優(yōu)化方案，這對未來汽車人機(jī)設(shè)計交互體驗的優(yōu)化及駕駛安全的提升具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 曹新濤，泮俊，胡江碧.基于駕駛工作負(fù)荷的心生理指標(biāo)研究［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2011，7（6）：264-267.

［2］ 厲鈺琪，鞏淼森.復(fù)雜駕駛?cè)蝿?wù)下基于多資源理論的汽車人機(jī)交互設(shè)計方法［J］.設(shè)計，2022，35（10）：24-27.

［3］ 李姝.車載音樂設(shè)備使用對駕駛安全影響分析［J］.綜合運(yùn)輸，2018，40（5）：81-84.

作者簡介：李勝楠（1999—），女，河南安陽人，碩士在讀，研究方向：工業(yè)設(shè)計。

高矚（1965—），男，上海人，博士，教授，研究方向：交通工具設(shè)計形態(tài)學(xué)及其產(chǎn)業(yè)化。

基金項目：本論文為2022年度上海市促進(jìn)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展財政扶持資金支持項目“‘上海工程技術(shù)大學(xué)工業(yè)設(shè)計中心設(shè)計創(chuàng)新成果”研究成果，項目編號：2022410013V0