基于認知負荷理論的汽車HMI 設(shè)計及發(fā)展趨勢研究

米良宇 陳閣

關(guān)鍵詞：認知負荷 汽車HMI 情境感知 多通道交互 認知心理學(xué) 信息交互

引言

隨著5G技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等數(shù)字化、智能化技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，汽車的人機交互方式、交互界面、用戶體驗?zāi)Ｊ降纫苍诎l(fā)生著革命性的變化。

先進的數(shù)字化、智能化技術(shù)與汽車的結(jié)合使得汽車的HMI設(shè)計越來越復(fù)雜，其相關(guān)功能和信息的增加易導(dǎo)致汽車駕駛員注意力分散，消耗駕駛員過多認知資源，引起駕駛員認知負荷過載，從而影響駕駛員的駕駛效率，嚴(yán)重的可能會影響駕駛安全。因此，如何通過設(shè)計降低汽車駕駛?cè)藱C交互過程的認知負荷，提高認知效率，降低用戶的認知疲勞，應(yīng)是汽車HMI設(shè)計重點研究的方向之一。

一、汽車HMI與認知負荷理論

（一）認知負荷理論認知負荷理論最早由澳大利亞心理學(xué)家斯威勒（J.Sweller）提出，其基礎(chǔ)包括資源有限理論和圖式理論;資源有限理論認為人的認知資源是有限的，主要表現(xiàn)在人的工作記憶容量有限，如果加工某個信息所需要的認知資源超過人所具有的認知資源總量，就會造成認知負荷。[1]（二）汽車HMI概念HMI（Human Machine Interface），又翻譯為“人機接口”，也叫“人機交互界面”，它是車載控制系統(tǒng)與駕乘用戶之間實現(xiàn)信息交流與互動的重要媒介，可完成汽車信息的內(nèi)部形態(tài)和人類可接觸形態(tài)間的自由切換。[2]相較于一般的汽車內(nèi)飾設(shè)計而言，HMI更側(cè)重的是人與車內(nèi)界面交互的體驗和感受。

Dirk Beer等[3]在研究中指出，在德國汽車HMI市場有86%的消費者將可用性作為核心購買標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計人員將汽車HMI賦予更多功能，以此來提高市場競爭力。但過度提供功能，可能會分散駕駛者的注意力，增加駕駛員的認知負荷，導(dǎo)致其駕駛效率下降，甚至可能產(chǎn)生駕駛安全問題。

（三）汽車HMI認知負荷的類型根據(jù)是否有助于圖式建構(gòu)，認知負荷可分為外在、內(nèi)在及關(guān)聯(lián)認知負荷。外在認知負荷是由與認知無關(guān)的活動引起，不是建構(gòu)圖式所必需，又稱無效認知負荷。4汽車HMI中的外在認知負荷與交互界面設(shè)計元素的組織形式和呈現(xiàn)方式有關(guān)，例如交互界面內(nèi)圖式與信息沒有明顯關(guān)聯(lián)，單純用文字呈現(xiàn)信息等，都會間接地造成用戶的外在認知負荷過重。[4]內(nèi)在認知負荷主要由人本身的知識儲備和經(jīng)驗水平?jīng)Q定。汽車HMI的內(nèi)在認知負荷與交互界面的復(fù)雜程度、難度及用戶自身的知識經(jīng)驗和認知圖式相關(guān)，即如果用戶缺乏汽車HMI的相關(guān)經(jīng)驗，或人機交互界面過于復(fù)雜或難度過高，就會增加用戶的認知負荷。關(guān)聯(lián)認知負荷是指由任務(wù)本身所產(chǎn)生的內(nèi)在認知負荷較低，用戶還有多余的認知資源可投入到其他的認知活動中來促進圖式建構(gòu)，這種在構(gòu)建圖式時不是必須、但投入后有利于圖式建構(gòu)的認知負荷，就是關(guān)聯(lián)認知負荷。4在汽車HMI中，這種認知方式雖然會增加一部分用戶的認知負荷，但總體上不會阻礙用戶的信息認知，反而可以促進用戶對于交互界面信息的理解和對信息的處理。[5]

二、傳統(tǒng)汽車HMI設(shè)計因素

當(dāng)前數(shù)字化、智能化高速發(fā)展，汽車HMI所承載的功能相應(yīng)變多，導(dǎo)致駕駛過程中所接收的信息也隨之增加，從而造成用戶的認知負荷提高。如何將多樣的功能清晰、有條理地呈現(xiàn)給用戶，協(xié)調(diào)駕駛安全性、功能覆蓋面和人機交互便利性之間的關(guān)系，是汽車HMI設(shè)計需考慮的重要問題之一。1在與界面交互的過程中，視覺是用戶和HMI交互的重要途徑之一。[6]視覺認知所涉及到汽車HMI的具體設(shè)計內(nèi)容主要因素有文字、色彩、對比度、圖標(biāo)、界面布局和交互方式等。

文字是交互界面的基本元素之一，汽車HMI中的文字要符合安全性、可讀性、識別性的要求，字體大小、樣式及位置等要便于駕駛員快速識別、讀取文字信息，應(yīng)注意文本量不宜過大，否則易造成駕駛員長時間分散注意力，增加事故風(fēng)險。色彩通常是用戶對HMI較直觀的感受，視覺重點區(qū)域的色彩不能復(fù)雜繁亂，顏色搭配要和諧統(tǒng)一，顏色所映射的信息邏輯要符合用戶習(xí)慣。深層次的顏色設(shè)計需考慮色彩心理學(xué)、生理學(xué)等問題，考慮不同人群對顏色的心理情感、視覺疲勞等問題。[7]長時間暴露在外部自然光下，HMI的亮度要應(yīng)對不同的自然環(huán)境光線的影響，隨環(huán)境光自動調(diào)節(jié)以提供合適的對比度，從而保證交互界面的顯示性能和可視性。汽車HMI中的圖標(biāo)設(shè)計應(yīng)該優(yōu)先使用為大眾用戶所熟悉的圖標(biāo)。為保證視覺的統(tǒng)一性，圖標(biāo)應(yīng)該盡可能多地使用相同設(shè)計元素。另外，還可應(yīng)用文本和圖標(biāo)相結(jié)合的方式，使圖標(biāo)便于理解。[8]交互界面的布局應(yīng)根據(jù)人機工程學(xué)原則分布信息，從功能使用頻率、重要性等劃分區(qū)域和等級，以清晰明了地方式將常用功能和重要信息放置在視覺焦點位置。目前汽車HMI主要是觸控和按鍵相結(jié)合的交互方式，許多新能源汽車率先采用了智能大屏幕的純觸控式HMI設(shè)計，例如特斯拉汽車所配置的大屏幕中控觸控屏幕，如圖1。不論是傳統(tǒng)按鍵還是純觸控，都需考慮用戶的操作負荷，并盡可能地提供反饋，以降低操作失誤。

綜上所述，汽車交互界面設(shè)計元素應(yīng)保持一致性原則，總體界面布局和各級界面排版樣式應(yīng)避免復(fù)雜多變，按鈕大小、字體圖標(biāo)的外觀大小、彈框樣式及彈出形式等細節(jié)也應(yīng)保持統(tǒng)一。[9]

三、改善汽車HMI認知負荷的方式

（一）降低內(nèi)在認知負荷汽車的控制系統(tǒng)包含大量復(fù)雜的程序，HMI不能改變系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜性，但可以通過有效手段幫助用戶更好地理解交互系統(tǒng)，降低信息的認知門檻。此外，交互界面設(shè)計在當(dāng)前產(chǎn)品以及迭代的產(chǎn)品間應(yīng)保持交互規(guī)則的一致性，以符合用戶已經(jīng)養(yǎng)成的認知習(xí)慣，避免新的認知成本。[10]（二）降低外在認知負荷首先考慮交互設(shè)計內(nèi)部的組織邏輯，辛向陽[11]認為，交互設(shè)計的決策邏輯應(yīng)該是行為邏輯（合理組織行為作為決策依據(jù)），而不是傳統(tǒng)產(chǎn)品信息架構(gòu)所遵循的物理邏輯（強調(diào)物的自身屬性合理配置的決策依據(jù)）;后者雖然看似具備更合理的信息架構(gòu)，但并沒有意識到用戶不是設(shè)計師或工程師，沒有足夠的專業(yè)知識了解產(chǎn)品內(nèi)部的組織邏輯;而行為邏輯則注重最大程度上貼合用戶使用產(chǎn)品的行為習(xí)慣，使交互更為直觀簡潔。

（三）降低關(guān)聯(lián)認知負荷關(guān)聯(lián)認知負荷主要取決于內(nèi)在和外在認知負荷的大小，用戶將多余的認知資源投入到其他的認知加工中來促進圖式建構(gòu)。明確的反饋機制也有助于降低關(guān)聯(lián)認知負荷。交互系統(tǒng)應(yīng)對用戶的每個交互行為進行信息反饋，可以降低操作失誤，也可以調(diào)動用戶積極性，使用戶在交互過程中學(xué)習(xí)積累交互的規(guī)則圖式，以便更順暢地完成交互行為。

四、未來汽車HMI設(shè)計的發(fā)展趨勢

（一）設(shè)計對象的轉(zhuǎn)變近年來，汽車逐步從單一的、完成運載功能的機械轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘粋€集合信息獲取、傳輸、交流、處理的交互式空間。[12]未來，互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將會為汽車提供更完善的無線通信能力，將“人-車-路-云”等交通參與要素聯(lián)系在一起，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)交通交互系統(tǒng)，不斷優(yōu)化汽車內(nèi)部各系統(tǒng)、汽車與人、汽車與環(huán)境之間的協(xié)同交互問題。[13]在此發(fā)展背景下，汽車HMI設(shè)計的研究范圍也不再局限于單一的數(shù)字交互界面，而是完整的汽車人機交互系統(tǒng)，同時包含用戶、交通工具、城市設(shè)施、道路環(huán)境等跨交通工具的交通要素，將各交通要素進行資源整合，提高交通效率和安全性。

（二）不斷擴大的顯示空間顯示設(shè)備是人機交互的基礎(chǔ)，用戶可以通過顯示直觀地獲取信息。由于駕駛員需要投入主要的精力到駕駛?cè)蝿?wù)中，用戶對視覺信息接收能力就變得非常有限，因此而造成一定程度的認知負荷，可能會造成嚴(yán)重的安全問題。

隨著汽車交互系統(tǒng)的智能化發(fā)展，其本身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、車內(nèi)外的信息數(shù)據(jù)以及用戶不斷更新的使用數(shù)據(jù)的增長，導(dǎo)致各類顯示信息數(shù)量和復(fù)雜程度迅速增加。交互界面呈現(xiàn)信息的數(shù)量、種類、復(fù)雜程度，使汽車需要更多顯示空間，顯示設(shè)備不再局限于傳統(tǒng)的中控臺、儀表盤等區(qū)域。目前，在眾多新穎的顯示技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛、技術(shù)更成熟的是平視顯示（HUD Head Up Display），它將視覺信息投射到駕駛員視線內(nèi)的擋風(fēng)玻璃上，使得駕駛員的視線不離開路面，也可獲得各類信息，使用戶以更快的反應(yīng)和更低的認知負荷來完成駕駛?cè)蝿?wù)。[14]例如寶馬X6 M配備的全彩平視顯示系統(tǒng)，如圖2。

（三）實體交互界面實體交互界面最初叫作可接觸實體界面（Gr aspable Us erInterface），是用戶通過物理實體和物理環(huán)境與數(shù)字信息進行交互的界面。隨著觸摸屏的不斷成熟，一些交互設(shè)備上的實體按鍵、旋鈕被觸摸屏有主見被取代的趨勢。實體交互界面相較于全屏觸摸交互的優(yōu)勢在于：它可提供視覺以外的反饋。當(dāng)視覺反饋不足以讓用戶準(zhǔn)確判斷操作狀態(tài)和操作結(jié)果時，物理形態(tài)的實體交互可以提供額外的操作輔助。例如BMW 7系汽車內(nèi)大量的實體交互界面能讓用戶在視線專注在路況的同時可以快速控制各種燈光、空調(diào)、音量等（如圖3）。此外，實體交互可以提供視覺焦點輔助。目前，較為普遍的汽車觸摸交互顯示屏雖然有已經(jīng)發(fā)生操作行為以后的選中狀態(tài)，但無焦點狀態(tài);實體指示器可幫助用戶更有導(dǎo)向性地瀏覽信息界面，在細致精確的操作中可擁有更高的效能。

從操作角度來說，良好的實體交互可以將固定的操作規(guī)則充分外露，縮短用戶單個操作認知時長。實體交互利用多種感知和動作通道，以并行、非精確的方式與計算機支持的智能數(shù)字環(huán)境進行信息交互，使人機交流信息的方式更為自然，用戶理解信息更為高效，用戶體驗更為簡易流暢。15按鍵、旋轉(zhuǎn)、敲擊等相對較自然的實體交互方式通過物理媒介提供了有形的和物理的空間數(shù)據(jù)，使用戶能夠掌握和操作復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)，更符合用戶的行為認知心理和操作習(xí)慣，從而支持更有效和更自然的學(xué)習(xí)。

（四）個性化趨勢在數(shù)字技術(shù)、智能化的影響下，汽車HMI設(shè)計越來越重視用戶體驗與個性化。無人駕駛、共享出行等技術(shù)的成熟與應(yīng)用，使用戶對駕駛或出行的個性化的訴求也越來越迫切。生物識別可為汽車HMI的個性化設(shè)計提供技術(shù)支持，通過結(jié)合用戶的線上線下數(shù)據(jù)，給予用戶個性化的駕乘體驗。例如，威馬汽車EX6-PLUS提供的威馬ID，通過個性化賬號，實時記憶并載入用戶操作習(xí)慣和相關(guān)駕駛信息，使用戶擁有便捷的駕乘體驗，節(jié)省其操作和認知成本，如圖4。

（五）新型人機關(guān)系在互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的支持下，汽車自動化水平不斷提高，汽車HMI設(shè)計信息化、智能化趨勢明顯。以智能汽車、無人駕駛技術(shù)等為主要應(yīng)用領(lǐng)域的人機交互系統(tǒng)，逐步取代了傳統(tǒng)汽車的人機交互設(shè)備。

1.彈性的人機關(guān)系和人機協(xié)作交互模式人機關(guān)系由 “人適應(yīng)機器”到 “機器適應(yīng)人”，并逐步向“人機協(xié)作”的交互模式發(fā)展，呈現(xiàn)出“彈性”的人機關(guān)系。這種人機協(xié)作交互模式是未來高復(fù)雜性、高動態(tài)性人機交互系統(tǒng)的關(guān)鍵載體，也是其效能發(fā)揮的重要保障。[15]彈性人機協(xié)作交互的核心是適時調(diào)控人機主動權(quán)，根據(jù)用戶需求或駕駛情境，交互主動權(quán)在人與機器之間轉(zhuǎn)換。從認知科學(xué)的角度來看，這種轉(zhuǎn)換一方面允許人掌握交互的主動權(quán)，以彌補在遇到突發(fā)問題時，智能機器無法處理的情況。另一方面，智能交互系統(tǒng)的介入，可以降低用戶由于個人認知決策或反應(yīng)速度等生理原因造成的事故發(fā)生概率，降低用戶操作過程中的認知負荷，提高駕駛安全性。

2. 情境感知與情感交互在人工智能及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的驅(qū)動下，汽車的交互范圍在逐漸擴大，它不僅會與車內(nèi)用戶交互，還會與車外的各事物交互，例如行人、汽車及其他智能交互設(shè)備等。汽車將作為交流的渠道之一，與周邊事物進行多種形式的互動，建立交互關(guān)系。汽車將綜合考量行車環(huán)境與駕駛場景等具體情境，通過汽車情境感知設(shè)備、數(shù)據(jù)處理算法等技術(shù)手段，對周圍環(huán)境、車內(nèi)駕乘人信息以及駕駛過程中的行駛情境等進行快速、準(zhǔn)確識別。通過對信息處理加工過程的分析，汽車所負載的綜合交互系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確洞察用戶需求，以更高效、易接受的方式傳遞信息，并以可視化的方式輸出在HMI中，主動向用戶提供行駛信息和相關(guān)服務(wù)。車載的智能綜合服務(wù)系統(tǒng)將以機器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段為核心，通過不斷模擬并實現(xiàn)近似人類的學(xué)習(xí)行為，不斷完善車載服務(wù)系統(tǒng)的感知和認知能力，并以此作為基礎(chǔ)，賦予智能人機交互系統(tǒng)“學(xué)習(xí)、思考、理解、共情”的能力，實現(xiàn)人與機器的情感交互。

3. 多通道交互設(shè)計多通道交互是將用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、體感等多個感知器官融合在一起，基于環(huán)境或任務(wù)情境特性，使用不同交互通道相互配合使用。在汽車HMI中，通過多通道融合交互的方式可以使用戶全面、多維度的感知和判斷駕駛過程中的信息，提高駕駛?cè)蝿?wù)的安全性，同時避免單一交互通道認知任務(wù)過載，降低用戶的認知負荷。目前，除了傳統(tǒng)的汽車HMI中基礎(chǔ)的視覺顯示交互裝置，語音交互、手勢交互、體感交互等方式在交互設(shè)計中都有不同程度的應(yīng)用。

語音識別技術(shù)當(dāng)前發(fā)展較為成熟，語音交互廣泛在以智能家居用品為主的智能產(chǎn)品當(dāng)中。目前語音交互主要集中在汽車導(dǎo)航和燈光音效控制方面，由于不同用戶語言的復(fù)雜性和差異性，語音交互在其他控制設(shè)備上的應(yīng)用還需要更先進的語音識別等技術(shù)在技術(shù)層面給予支持。

手勢交互是一種自然的交互方式，也是將來汽車HMI設(shè)計領(lǐng)域重要的交互技術(shù)。通過探尋用戶無意識動作的規(guī)律并構(gòu)建對應(yīng)的交互規(guī)則，構(gòu)建更加自然的手勢動作交互體系，從而降低用戶學(xué)習(xí)成本和認知負荷，將是未來汽車HMI設(shè)計中手勢交互的趨勢之一。[16]例如，蘋果智能手表可以感知用戶抬腕行為自動喚醒屏幕（如圖5）。這種交互方式源于用戶無意識的抬腕看表的行為，使人機交互體驗更加自然。

結(jié)語

在汽車HMI設(shè)計不斷發(fā)展的今天，智能化、數(shù)字化所帶來的交互方式的革新，使得用戶在人機交互過程中產(chǎn)生的生理問題逐步降低，隨之產(chǎn)生的是交互行為中信息加工和認知過程所帶來的認知負荷壓力。對于設(shè)計師而言，如何充分考慮用戶的心理體驗，降低用戶認知負荷，成為汽車HMI設(shè)計亟需解決的問題。本文章主要分析了汽車HMI設(shè)計的關(guān)鍵因素，認知負荷的不同類型和優(yōu)化方案，展望了未來HMI交互方式的發(fā)展趨勢，以期為基于認知負荷理論的汽車HMI設(shè)計中的相關(guān)研究提供進一步的思路。