基于駕駛員個體差異的車載信息設備界面設計

【日】 久門仁

關鍵詞：電子控制;人機界面;個體差異;用戶體驗設計

0 前言

用戶的個體差異要求主要是指駕駛員依據個人不同的身體條件、愛好、想法等，在考量商品和服務時提出明顯帶有個人偏好的需求。為適應這樣的個體差異，研究人員可專門為其設計出“定制”方案。在個人電腦或智能手機等產品上，研究人員可對相關參數進行設置變更，從而滿足用戶的個性化需求。研究人員在對汽車的車載信息界面進行設計時，同樣也需要考慮用戶的特定需求。

目前，車輛及乘員保護系統還未實現定制化需求，研究人員通過強制將汽車各項參數設置為初始狀態（默認值），以確保所有的駕駛員在駕駛車輛時不會產生顧慮，而讓駕駛員按照個人喜好對車輛參數進行設置，目前并不現實。

汽車的人機界面需要采用“通用設計”的方法，以簡化駕駛員的操作過程。汽車的通用設計與無障礙設計是2個不同的概念，且容易產生混淆。考慮到不同駕駛員之間的個體差異，研究人員必須充分了解“通用設計”的概念。

本文以運動型汽車為例，針對用戶的個體差異，介紹了通用設計的方法。本文還以雷克薩斯（LEXUS）發布的全新改款LS系列車型為例，基于用戶對自動駕駛系統的依賴性等個體差異，介紹了圖形設計的實例。

1 基于用戶差異的界面設計過程

在新車型的開發過程中，基于“用戶形象”這一特點，研發人員設置了相應的分析過程。這一過程代表了研究人員在設計過程中，針對用戶形象進行的設想與描述。例如，在制定“青年消費者購買運動型汽車”這一設計方案中，研究人員設置了如圖1所示的用戶形象。在該車型設計過程中，此類用戶形象是用于定位目標客戶的核心內容，具有較強的代表性。因此，對于1款車型的設計應主要針對目標用戶的共同愛好、行為及觀點等方面進行分析，并結合企業的經驗來進行產品開發。

該款運動型汽車在上市銷售后，所面向的用戶并不只局限于之前所設定的目標人群。在銷售運動型汽車的市場中，大齡用戶的偏好往往更為豐富，其主要原因如下：（1）部分大齡用戶希望實現自己年輕時的夢想;（2）部分大齡用戶希望遵循內心的想法;（3）部分大齡用戶經濟狀況較好，購買力較強。選擇了該款車型的目標人群往往會與大齡用戶的愛好相似。因此，研究人員在進行車型設計時，應以用戶形象作為前提。

在車型的實際使用等方面，設計過程也會因用戶形象的不同而出現一系列問題。在本案例中，研究人員充分考慮了用戶的身體差異。而實際上，偏好此類運動型汽車的大齡用戶，其心理年齡比生理年齡更為年輕，其駕駛技能及經驗等方面也較為豐富。

盡管如此，研究人員在進行用戶形象分析時，用戶所面臨的一些實際問題仍然無法通過目標人群的心態及其運動習慣等方面表現出來。例如，大多數大齡用戶都會面臨“老花眼”這一問題，為了滿足其駕駛汽車的需求，并便于大齡用戶讀取儀表盤和顯示器上的信息，研究人員需要對儀表盤和顯示器等部件進行設置，比如將文字設置為大號字體，從而方便該類用戶讀取。

針對大齡用戶的實際需求，研究人員在進行設備界面設計時需要考慮采用大號的文字，并加寬儀表盤上的刻度間隔，便于大齡用戶讀取信息（圖2）。按此要求進行調整，既滿足了大齡用戶的需求，同時年輕用戶的可視性也不會受到影響。為提升運動型汽車的精致感，研究人員需要優化儀表板內配置布局的協調性。

研究人員在進行產品設計時，如果僅關注可視性，那么相關設計方案將會與重點用戶的特征產生偏離。1個具有較強吸引力的產品設計方案應兼顧不同年齡段用戶的想法，因為不同用戶往往也會有著相同或相近的個人偏好。如果研究人員僅從年輕用戶的角度出發來設計產品，則會失去具有相同偏好的潛在大齡用戶。例如，研究人員可以采用數字式速度顯示方法，并且不會對設計性及商品特性造成負面影響。與模擬式速度顯示方法相比，該方法通過大號的文字來顯示速度，而且在整個范圍內的最小刻度為1km/h，具有較高的精確性。如果有必要，模擬式顯示方式與數字式顯示方式將有望實現同時并存，并且不會對通用設計方案產生負面影響。

目前，汽車儀表正在向全圖形化發展。現階段的設計思路是將模擬式儀表置換成數字式儀表，未來還將發展成為通用的可視化儀表，以滿足各種信息的顯示需求，所涉及的功能也會相應增多。因此，研究人員通常會將可視性作為優先級最高的設計要求。

此外，HUD（圖3）作為車用顯示器，是1種實用性較強的通用設備。該設備利用汽車前擋風玻璃和專用反射板進行反射，在駕駛員視線前方形成投影圖像，從根本上消除了大齡用戶由于老花眼所產生的駕駛問題。HUD并不是1款全新設備，早在1988年，美國通用汽車公司就已首次采用了這一技術，而在日本國內，日產汽車公司、豐田汽車公司也幾乎同時開展了跟蹤研發。盡管豐田汽車公司并沒有迅速推廣HUD，但是近30年來，豐田汽車公司持續生產了安裝有HUD的汽車。

近年來，寶馬汽車公司（BMW）等歐洲汽車制造商也在迅速推廣HUD。薄膜晶體管液晶顯示器（TFTLCD）具有全彩色化及成套化等優勢，正逐漸成為與自動駕駛相匹配的主要設備之一。

相比以前的顯示器，不管是數字式速度顯示儀表，還是HUD，其自身所產生的屏幕反光較少。在信息傳遞方面，這些設備具有明顯優勢，因此在汽車和飛機等產品中得到了廣泛應用。針對用戶身體因素的差異，研究人員在進行界面設計時，采用通用設計是1種較好的方法。

2 對系統存在依賴性的界面設計

目前全球汽車工業正處于互聯、自動駕駛、共享、電動化的時代，而傳統的汽車技術也正在逐步向自動駕駛技術轉型。如果未來汽車能完全實現自動駕駛，那么固有的人機界面將會被取消，用戶駕駛汽車也如同乘坐無軌電車和城市客車一樣便捷。

伴隨著這一變化，研究人員在設計時需要思考如何協調人與汽車的相關性。例如，駕駛員應如何持續監視系統，以觀察系統是否能夠作出正確的判斷;在突發緊急情況時，駕駛員應如何快速介入并進行修正。因此，研究人員需要充分考慮駕駛員對自動駕駛或輔助駕駛系統的依賴性，以及不同駕駛員之間的個體差異。

2020年7月，豐田汽車公司發布了具有先進駕駛功能的LEXUSLS 車型配置。該車型配置采用了豐田汽車公司最先進的高級駕駛輔助技術，并在高速公路上進行了試驗。汽車的車載系統能根據實際的交通狀況作出合理的認知、判斷和操作，實現了維持車距、分流、變道、超車等功能。依賴于先進的駕駛系統，雖然駕駛員的操作負荷大幅降低，但是駕駛員仍有必要提高警惕，以防意外發生。

豐田汽車公司與東京大學合作，重點開發了該款車型的人機界面（HMI），并針對駕駛員的“行為主體感”進行了相關研究。研究人員對“行為主體感”的定義如下：駕駛員在駕駛汽車的過程中，對自己應負的駕駛責任的主觀感受。HMI開發就是研究駕駛員應該采取怎樣的操作方式來持續加強這一感受。

當駕駛員駕駛配備有LEXUSLS 高級駕駛輔助系統的車型時，如果系統出現疏忽或錯誤判斷，駕駛員必須要對其進行修正。研究人員設定了以下2種系統失效的場景（圖4）：（1）汽車主動發生事故（簡稱為事故）;（2）道路上發生了意外事故，駕駛員未對此作出反應，而是駕駛汽車繼續前行。在場景一中，HMI需要迅速向駕駛員通報所發生的事故，并促使駕駛員作出合適的判斷。在場景二中，如果HMI未被觸發，而駕駛員也未持續監視系統，則有可能會出現安全問題。當駕駛員高度依賴系統并積累了一定的經驗，駕駛員對問題發生時的警覺性和應變能力將會逐步弱化。

在該項研究中，研究人員使用了增強現實技術（AR）作為HUD的擴展。AR是1種可將汽車未來所處位置的實景圖形合成到駕駛模擬器前置畫面中的新技術。以往表示車輛前進路線的圖形只是一般性的顯示功能，但新設備能顯示出汽車的加減速方向、未來所處的數個位置，并可短時監視汽車前方的狀況，使駕駛員具有身臨其境之感。研究人員從多種場景出發，探討了這一顯示方式的特性。例如，怎樣的顯示方式會使駕駛員具有更強的行為主體感，屏顯持續時長維持是否有效等。

目前，就先進駕駛圖形顯示方式的研究方法而言，研究人員需要預先設定若干不同條件，并對與之相匹配的方法進行探討，從而使其與車輛的實際運行過程相適應，以貼近用戶的心理。

其中最大的不同點就是AR顯示。研究人員在研究過程中，將行駛線顯示在駕駛模擬器的屏幕上，并使用了AR方式。采用LEXUSLS車型的HUD所展示的圖形區域并不能覆蓋全部視角。該車型的HUD所顯示的圖形和以前基本一樣，只是將前方道路以相似的縮小圖形來進行展示（圖5）。在該圖形中，為了展示出所需要的效果，研究人員需要重點關注以下2個要點。

第1個要點是對車輛動態軌跡的顯示（圖6）。對車輛軌跡進行實時顯示的指示器是由車輛行駛路線加固定時間刻度顯示線組成的，也即未來處于車輛前端、假想的緩沖器位置所顯示的場景（圖4）。在量產車中，該圖形能以固定時間間隔內所通過道路上的標記來顯示。駕駛員通過指示器的運動軌跡，能較輕易地捕捉到車輛的運動。此外，因為指示器布置于車體下方，車輛的顯示圖形會存在與周圍車輛運動軌跡重疊在一起的情況。在車輛行駛時，駕駛員也能想像出車輛移動的狀態，從而可以規避一些風險。

第2個要點是HUD所采用的圖形上觀測角度的變化（圖6）。在HUD固定時，駕駛員所看到的前方畫面是以縮小的形式來顯示的。該顯示方式為來自駕駛員視角的1車道圖形，是把駕駛員所在車道進行放大顯示的簡單圖形。所顯示的圖形包含了從后方駛來并接近駕駛車輛的其他車輛的狀況。同時，該顯示方式還包含有以旁觀者視角觀察的3車道顯示圖形，是從車輛后方俯視，包含了駕駛員所在車道與左右相鄰的3條車道，以及駕駛員所在車輛的俯視圖。

兩者之間的變化可通過連續的車輛活動畫面來實現切換。假設駕駛員站在客觀角度來觀察自己車輛所處的活動畫面，并通過該車輛活動畫面，使HUD中的圖形成為連續且保有較高關聯性的畫面，這樣就可以提醒駕駛員密切關注車輛周圍所發生的事故。同樣，駕駛員即使沒有長期關注某個場景，但由于周圍視野是動態變化的，也能讓駕駛員注意到事故的發生。

當系統發現應該發生的事故實際上卻沒有發生時，系統將會與期望值之間產生落差，會引起駕駛員的不適感，也會相應提升駕駛員的警覺性。該系統可將動態的軌跡和HUD的觀測角度進行切換。在駕駛員觀察周圍視野時，該系統可通過較易于識別的動態顯示相關信息，便于駕駛員進行連續監控。

在圖形儀表中，“先進駕駛”在常態下成為從旁觀者視角俯視的顯示狀態。這是因為儀表上的圖形能像雷達一樣，以客觀狀態顯示自己車輛周圍的情況。當事件發生時，系統會將駕駛員的意識反映到儀表中，并將前方實景轉移到駕駛員的視野中，因此與HUD 條件有所不同。就車輛動態的軌跡而言，即使在儀表上進行了同樣顯示，但駕駛員通過周圍視野卻更易于識別該類軌跡。

在采用LEXUSLS的駕駛過程中，為了適應對系統依賴性及意識方面的個體差異，研究人員充分利用了駕駛員周圍視野的動態要素。該方案在識別要素和提升駕駛員注意力方面非常有效。這也是豐田汽車公司的研究人員基于“直觀界面”這一研發目標所得到的結果。

3 面向未來的“直觀界面”

HMI的分類方法如圖7所示。未來，研究人員可根據該方案開展相關研究。

在一般情況下，HMI被研究人員認為是從汽車到駕駛員的輸出“顯示”和從駕駛員到汽車的輸入“操作”的總稱。本文所述的“顯示”，不僅是視覺信息，也包含聽覺（聲音）、身體感覺（力量、振動）等方面的信息。由于HMI不需要駕駛員進行人為輸入，因此也能使用傳感器檢測出駕駛員的狀態，并對輸入信息進行自動檢測。HMI可以分成2個系統，其中1個是在駕駛員有意識狀態下進行輸入和輸出的操作顯示系統，另1個是在駕駛員無意識狀態下進行輸入和輸出的作用檢測系統。

本文所涉及的個體差異，主要是在通過駕駛員的意識對系統進行操作時所產生的情況。此外，除個體差異外，駕駛員也會由于狀態不同而出現不同的反應。在作用檢測系統中，對駕駛員進行定量分析時，會因個體的不同存在較大差異。在對駕駛員進行定性分析時，由于研究人員采用了更為直觀的方法，使得個體差異相對較小。

在汽車逐步向自動駕駛技術轉型的時代，HMI的檢測系統將變得更為重要，因為其可以掌握人的狀態，并引導駕駛員采用正確的駕駛習慣。在已逐漸實現量產的車型中，系統可通過駕駛員監視器，檢測出駕駛員是否出現閉眼或瞥眼的狀態，并通過一系列功能使駕駛員維持清醒狀態。

未來對于如何使駕駛員維持清醒狀態，以及如何防止乘員暈車等課題，研究人員有可能運用某些視覺效果及其他系統來實現該目標（圖8）。

研究人員發現，駕駛員如果遇到緊急狀況并通過本能進行反應，由此所產生的個體差異將變小。例如，向腕部投射飛快移動的紅色光線時，將會對駕駛員產生造成強烈的警示作用。

4 結語

本文重點介紹了不易受駕駛員生理及心理等個體差異影響的通用設計方案。通過上文所述的定制化方法，研究人員可以在適應駕駛員個人愛好，且在系統允許的基礎上自由配置HMI。理想的設計方案是系統可以通過不斷的學習以自動地適應駕駛員需求。如果具備這樣的設計理念，未來的圖形設備將具有極佳的商品特性。

研究人員下一步的設計重點主要是如何平衡以下2個功能設計，以滿足更高層次的人機界面設計。（1）針對個體差異，開發出與之相適應的功能設計;（2）排除個體差異的影響，并確保駕駛員安全的功能設計。