智能座艙中HMI設計發展趨勢研究

周毅　朱蘭娟

摘 要：在智能座艙趨勢下，顯示屏作為人機交互的主要界面，扛起了智能化的大旗，也帶來了交互體驗、操作安全性的問題。本文根據新能源電動汽車用戶HMI體驗問卷調查數據，總結出智能座艙發展趨勢與設計原則，深入分析未來汽車HMI設計的發展方向。

關鍵詞：智能座艙 人機交互界面（HMI） 大屏 多模態

1 前言

從特斯拉的十七英寸大屏，再到拜騰的四十九英寸超寬一體大屏，短短幾年內，各個主機廠紛紛投入到智能座艙的應用創新上，多屏幕的產品形態開始陸續上市。不管是新勢力車廠，還是傳統主機廠，從新車型的亮相上可以預見，超寬一體屏的應用已是未來趨勢。新的科技發展會引發我們的思考，超寬一體屏不僅僅是一塊簡單的屏幕，而是其整個汽車技術演變的結果，目前自動駕駛技術還沒有成熟，如果沒有一個有效的HMI設計，就不能實現有效的人機交互，在汽車實現完全的自動駕駛之前，汽車應該以全面的方式與駕駛者溝通他的意圖，并且還應招待乘客，使乘客感到舒適。所以智能座艙的交互方法、內容展現、駕駛人員的注意力管理都值得繼續研究。

2 汽車HMI設計概述

2.1 HMI概念

人機交互（Human Machine Interaction，簡稱HMI），是一門研究系統與用戶之間的交互關系的學問。系統可以是各種各樣的機器，也可以是計算機化的系統和軟件。應用在車輛上的人機交互系統可以實現人與車之間的溝通。駕駛者可以通過該系統，獲取車輛信息、車輛報警，并且進行車輛設置、實現娛樂功能等。

其中我們通常所說的“人機交互界面”是指用戶可見的部分。通過人機交互界面與系統交流并進行操作。小如收音機的播放按鍵，大至飛機上的儀表板、或是發電廠的控制室。因此，人機交互界面的設計要包含用戶對系統的理解（即心智模型），這是為了系統的可用性或者用戶友好性。

就信息的“輸入”和“輸出”來講，語音控制、手勢識別和觸摸屏是目前車載HMI系統的三大利器，各車企均在該領域進行了充分的試驗和嘗試。因此，不管何時，新技術的引入總是有一定的風險甚至可能造成消費者的反彈，所以汽車主機廠在HMI的研發上也表現出了應有的謹慎。

3 研究過程

我們知道，自動駕駛的出現，讓行程中駕駛員的注意力和操作得以解放，在這個移動的空間中可以做更多的事情，駕駛員/乘客在掌握駕駛情況的同時，可以獲取信息或者娛樂，也可以當作一個休息空間。那么在這不同的使用場景下，多元化的信息應該如何呈現，才能為駕駛員/乘客帶來更好更安全體驗呢？自動駕駛與車內HMI展示方式之間又有什么關聯呢？

HMI系統廣泛用于汽車應用程序中，以用于傳輸大量的內部和外部信息，特別是在自動駕駛汽車中，HMI平臺被用于車與車之間的通信。最重要的是，汽車HMI設計是高級駕駛員輔助系統（ADAS）的一部分，可以幫助汽車制造商確保提供與ADAS相關的服務。那么，汽車制造商和OEM在開發自動駕駛汽車概念時應遵循哪些人機界面設計原則？

3.1 新能源電動汽車用戶HMI體驗問卷調查

本次調查問卷針對智能汽車常用功能以及用戶習慣，設置了20個HMI交互相關的問題。共收回283份有效問卷，每道題均采用0-5分打分制代表喜愛度（李克特6級量表是：非常不喜歡 比較不喜歡 不喜歡 喜歡 比較喜歡 非常喜歡），0分為喜歡，5分為不喜歡。

3.2 問卷調查結果分析

3.2.1 調查數據分析

信度分析和效度分析是問卷分析的第一步，也是檢驗該問卷是否合格的標準之一，為了提高調查問卷的質量，進而提高整個研究的價值，問卷的信度和效度分析絕非贅疣蛇足，而是研究過程中必不可少的重要環節。本問卷各題項的修正后的項與總計相關性值均大于0.4，且各題項項已刪除的Cronbach's Alpha值均小于總體Cronbach's Alpha;總體Cronbach's Alpha為0.936，刪除任意一題均不會引起Cronbach's Alpha值增加，故表明變量具有良好的信度。利用SPSS23.0對問卷進行KMO和Bartlett's球形檢驗，結果顯示：kmo=0.925大于0.5，Bartlett球形檢驗的近似卡方值為3395.434，在自由度（df）為210的條件下顯著性概率（s）為0.000，說明問卷具有良好的結構效度。

本次調查采用相關分析，相關分析主要是研究變量之間的相關關系，若相互之間存在相互關系，則討論彼此之間的相關方向及相關程度。相關系數的取值范圍介于-1～1之間，用r表示，相關系數為正，表示變量間存在正相關關系，為負，表示變量間存在負相關關系，絕對值越大，表明變量之間的相關越為緊密。相關系數的取值范圍介于-1～1之間，用r表示，相關系數為正，表示變量間存在正相關關系，為負，表示變量間存在負相關關系，絕對值越大，表明變量之間的相關越為緊密。具體來說，若|r|=1，變量之間呈完全相關關系;若0.7≤|r|<1變量之間呈高度相關關系;若0.4≤|r|<0.7，變量之間呈中度相關關系;若0.1≤|r|<0.4，變量之間呈低度相關關系;若|r|<0.1，則認為變量之間沒有相關關系。當顯著值P<0.05時，表示變量之間具有顯著相關性。

我們將題6定為因變量;題2、3、4、5、6歸類為自變量1，用于反映屏幕等硬件數量的喜好度;題7、8、9、10、11歸類為自變量2，用于反映操作操作方式、步驟的喜好度;題12歸類為自變量3，用于反映HMI界面設計風格喜好度;題13、14、15、16歸類為自變量4，用于反映駕駛便利性相關功能的喜好度;題17、18、19、20、21歸類為自變量5，用于反映生活、工作、學習等便利性功能的喜好度。

自變量1與因變量：r=0.546，p<0.05，說明兩者之間呈顯著正相關;

自變量2與因變量：r=0.797，p<0.05，說明兩者之間呈顯著正相關;

自變量3與因變量：r=0.534，p<0.05，說明兩者之間呈顯著正相關;

自變量4與因變量：r=0.554，p<0.05，說明兩者之間呈顯著正相關;

自變量5與因變量：r=0.512，p<0.05，說明兩者之間呈顯著正相關。

3.2.2 調查數據分析結論

由上述問卷數據均值可知，隨著科技發展和車主的期望，車內外的信息和功能越來越多，多數受訪者喜歡由更多科技功能的智能座艙，期望有更直接的信息顯示，更簡化的操作邏輯，并且根據相關性分析，自變量1、2、3、4、5與因變量全部成正相關，說明受訪者對于操作的便利性與自動駕駛的期望是一致的，都期望有一個更便利、更安全的駕駛環境。

所以交互方式由此產生階段性變化：物理旋鈕/按鍵——數字觸屏——語音控制——多模態交互。車內信息和功能隨著越來越多，物理旋鈕/按鍵的交互方式已經滿足不了內容的擴展，數字界面由此在車內出現。但是當網聯化后，娛樂信息成為了車內一大內容，數字界面的弊端也逐漸暴露出來了。界面層級導致操作效率的下降，而數字組件控件雖然解決了空間，成本，擴展迭代的問題，但是同時也缺失了物理旋鈕/按鍵原本的觸感反饋，易定位性及效率精細操作等優勢，一定程度上影響到駕駛安全。

此刻語音的出現，可以有效的提高操作效率，減少車主視線移開路面的時長，提高了駕駛安全。那么語音交互就是最終的理想形態了嗎？答案是否定的，功能不可見性/輸入輸出效率低/識別正確率/意圖理解/勿擾性等等弊端導致語音交互并不能解決所有問題。因此提出多模態交互方式，試圖改善這些問題。

所謂“多模態”（modality），即“感官”，多模態即多感官融合。人類在智能座艙中的常用感官有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺模態等。多模態交互就是綜合運用語音交互、機器視覺、觸覺，甚至嗅覺等其他傳感器智能技術，更加精準、主動和個性化地提供車內交互方式。從“駕駛員主動交互”循序漸進地升級到“智能車輛主動交互”，能最大程度上較少駕駛員精力分散，并提升乘員交互體驗。

4 智能座艙HMI發展趨勢

1.近期數字座艙成為汽車智能化重點：自動駕駛帶來的人員解放，需要座艙功能從交互、環境、控制、空間、數據五大維度進行智能化變革，提升體驗。

2.車內感知需求日趨強烈：車內視覺感知能夠實現座艙多樣功能的技術，實現個性化的車內體驗;車內視覺感知也能夠有效地輔助自動駕駛，保障車輛自動駕駛決策的準確性。

3.觸摸屏不是交互的終點：在更好更成熟的技術出現之前，觸摸屏只是HMI的一個載體，智能座艙HMI設計還是將以駕駛任務為中心。

5 智能座艙HMI設計原則

一個正確設計的HMI不會擾亂我們的思想，也不會讓人捉摸不定。在許多情況下，使用手動駕駛時，駕駛員知道在道路上發生特殊情況時該怎么辦。在自動駕駛中，通過語音命令和聲像通信，駕駛員應該能夠詢問并接收關于車輛將要做什么的充分反饋。

1.要觸達路徑短;

2.要快速響應;

3.要拒絕炫技;

4.要減少視覺占用;

5.要能與自動駕駛結合。

6 總結

汽車HMI的設計，其最終目的無非在于為用戶提供好的用戶體驗，增強用戶的駕駛樂趣或駕駛過程中的操作體驗。但相比于互聯網的用戶體驗，HMI的設計最為不同的是其獨特的環境，這個環境更加注重駕駛的安全性，這樣使得HMI的設計必須在好的用戶體驗和安全之間做平衡，很大程度上安全始終是第一位的。

因此，交互設計必須以駕駛任務為中心，更好的設計方案一定是盡量少的占用“手-眼”資源，智能座艙需要的終極交互方案，應該是車對人的主動式交互，即結合車外環境、車內視覺、語音識別、AR、觸屏等多模態感知手段，將車輛打造成為像鋼鐵俠“賈維斯”這樣的人工智能管家，才能全方位提升車主體驗。

參考文獻：

[1]譚浩等，汽車人機交互界面設計研究，汽車工程學報，Vol.2-No.5 2012.

[2]劉偉.走進交互設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

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