汽车智能座舱交互设计研究综述_蔡萌亚.pdf
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1、 包 装 工 程 第 44 卷 第 6 期 430 PACKAGING ENGINEERING 2023 年 3 月 收稿日期:20221106 基金项目:上海工程技术大学博士单位培育-艺术学院申博学科支撑项目 作者简介:蔡萌亚(1988),女,博士,讲师,主要研究方向为人因工程、情感计算、设计评价。汽车智能座舱交互设计研究综述 蔡萌亚1,2,王文丽1(1.上海工程技术大学,上海 201620;2.同济大学上海国际设计创新研究院,上海 200092)摘要:目的目的 随着信息技术的发展,汽车座舱逐渐从纯粹的驾驶空间升级为智能移动生活终端,人机交互的智能化趋势日益显著,通过对相关研究现状进行梳理和
2、分析,为汽车智能座舱交互设计的优化方向提供参考,旨在为智能汽车用户带来更好的驾乘体验。方法方法 总结相关文献发表概况,梳理智能座舱的发展历程并阐述智能座舱及其交互设计的含义,对智能座舱及其交互设计的研究现状、关键技术、设计案例等进行梳理和归纳。结果结果 总结得出汽车智能座舱交互设计当前面临的问题和未来发展的趋势。结论结论 目前智能座舱交互设计面临着交互性与安全性的矛盾平衡、舱内与舱外的协同交互、智能座舱与其他智慧生活形态的有机连接、智能交互的应用实现等四个主要问题,并呈现出交互模态多元化、复合化,交互方式人性化、情感化,交互设计场景化,交互相关技术日益成熟的发展趋势。关键词:智能座舱;交互设计
3、;汽车 HMI;智能汽车 中图分类号:TB472 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2023)06-0430-11 DOI:10.19554/ki.1001-3563.2023.06.049 Review of Interaction Design in Automotive Intelligent Cockpit CAI Meng-ya1,2,WANG Wen-li1(1.Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.Tongji University Shanghai Institute o
4、f Design and Innovation,Shanghai 200092,China)ABSTRACT:With the development of information technology,the automobile cockpit is gradually upgraded from pure driving space to intelligent mobile life terminal,and the intelligent trend of human-machine interaction is becoming in-creasingly significant.
5、The work aims to comb and analyze relevant researches to provide a reference for optimization of automotive intelligent cockpit(AIC)interaction design,to bring better driving experience for the users.After summariz-ing the literature publication and combing the history of AIC,the interpretation of A
6、IC and its interaction design were expounded.Relevant researches,key technologies and design cases of AIC and its interaction design were sorted out and summarized,and then the problems that AIC interaction design faces and its future development were analyzed.Conclu-sions are drawn that there are f
7、our main problems in current interaction design of intelligent cockpit:the contradiction and balance between interactivity and safety,the coordination of interaction inside and outside the cockpit,the organic con-nection between AIC and other intelligent life sections,and the implementation of intel
8、ligent interaction;meanwhile,there are four main trends:diversified and composite interaction modes,humanized and emotional interaction methods,scenario-based interaction design,and increasingly mature technologies of interaction design.KEY WORDS:intelligent cockpit;interaction design;automobile HMI
9、;intelligent vehicle 近年来,随着以物联网、人工智能、大数据为代表的互联通信数字技术的飞速发展,汽车人机交互关系也随之呈现出全新的变化。作为人与汽车主要的交互空间,汽车座舱的数字化、智能化、互联化特征日益凸显,尤其是新能源汽车座舱设计,打破了机械化、电气化时代汽车座舱的传统交互模式1,更多地采用第 44 卷 第 6 期 蔡萌亚,等:汽车智能座舱交互设计研究综述 431 了多通道、智能化、沉浸式的人车交互设计方案。汽车座舱不再只是单纯的驾驶空间,而是向着集交通驾驶、工作学习、休闲娱乐于一体的智能生活“第三空间”的方向发展1-2。可以说汽车智能座舱或数字座舱的交互设计直接影响着
10、新一代汽车设计的总体水平,也决定了未来汽车生活与智能社会的连接方式,是未来社会万物互联的关键环节。与此同时,围绕汽车智能座舱及其交互设计的研究方兴未艾、技术先行,尚未呈现出较明确的整体研究发展脉络,因此对现有的相关研究进行综述分析有助于明确汽车智能座舱交互设计的研究现状、发展方向和未来预期,为该领域的进一步研究发展提供阶段性参考。1 汽车座舱人机交互发展历程 汽车座舱的人机交互发展可划分为三个阶段1,3-5:(1)基于机械仪表的人机交互;(2)基于传感器和数字仪表的人机交互;(3)基于高速无线通信和人工智能的人机交互。第一阶段:座舱的主要功能围绕驾驶与控制展开,人机交互主要依赖于中控平台的机械
11、仪表与控制器,人在驾驶任务中担任绝对中心的角色,汽车按照驾驶员的决策及指令运行,即机器体现出被动性。第二阶段:得益于更多的传感器和芯片技术的运用,座舱功能在驾驶的基础上开始向外延伸,呈现出部分智能化的特点。逐步发展成为集导航、信息娱乐、车辆管理等功能于一体的综合性座舱系统;人机交互多依赖于中控大屏或多屏融合技术,并开始引入语音等非接触式交互通道;同时开始配备 Level 1、Level 2级别的有限辅助驾驶功能6,汽车开始主动参与到驾驶任务中。第三阶段:汽车座舱迈入全面智能化时代,凸显交互的人性化。基于物联网和人工智能技术的进一步 完善,座舱的通信、控制、执行、交互、管理、安全、娱乐等功能高度
12、集成化,且自动驾驶技术趋于成熟,达到 Level 3“有条件自动驾驶”级别及以上6;汽车开始自主承担驾驶任务并为其关联的移动生活模式提供全方位的服务,使智能座舱真正成为集移动办公、生活起居、休息娱乐、社交通讯于一体的移动生活“第三空间”。人逐渐从驾驶者身份转变为乘坐者身份,人机交互的技术趋于多元化,如语音识别、手势识别、人脸识别、AI(人工智能)、AR(增强现实)、HUD(抬头显示)、ADAS(高级驾驶辅助系统)、车联网模块、SRV 环视等7;人机交互的媒介也趋于多样化,如座舱空间布局、一体化中控显示、流媒体中央后视镜、音响、座椅、灯光等1,8。当前汽车座舱正处于第二阶段和第三阶段的过渡期3,
13、呈现出融合的特性,未来将逐步走向智能座舱的成熟期。由此,智能座舱可解释为:汽车座舱及其搭载的功能具有自主感知特性(包括对车内人员的语音语义识别、人脸识别、生理状态识别,以及对车辆周围及环境的主动感知等),并能据此进行智能化判断与反馈,然后借助多模态立体交互方式,实现汽车与人的协同驾驶,同时可结合用户偏好,满足每一位车载人员的个性化需求。由此形成的智能系统,可称之为智能座舱或数字座舱,见图 1。显而易见,智能座舱具有较强的服务属性。智能座舱的人机交互可解释为:在人车协同驾驶情景下,智能座舱与驾乘人经由多通道进行互动沟通与信息交换,实现人与人、人与车、车与车、车与路的全方位人机交互。其设计不仅包含
14、狭义的人机交互界面(HMI,Human Machine Interface)设计,还包括广义的人机交互(Human Machine Interaction)设计,即借助除界面之外的其他硬件、软件模组(如座 图 1 汽车智能座舱图示1 Fig.1 Illustration of automotive intelligent cockpit1 432 包 装 工 程 2023 年 3 月 舱空间、自动驾驶系统等)为驾乘人员提供综合性的人车互动体验。智能座舱的出现大大提升了汽车用户体验水平,突破性的交互模式变革使汽车成为了万物互联的一个关键节点,催生了新的汽车服务理念及相应的行业生态,是未来智慧城市
15、建设的重要载体。2 智能座舱交互设计相关研究 汽车智能座舱研究主题的兴起与新能源汽车产业的发展密切相关9。目前中国新能源汽车产业处于世界先进水平,2022 年一季度中国新能源车销量全球占比达 59%10,2020 年 11 月 2 日国务院办公厅印发了新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年),标志着中国新能源汽车正式进入快速发展期。相关研究也随之迅速涌现,通过 Citespace 分析知网文献得到的汽车人机交互知识图谱可知(见图 2),智能汽车、电动汽车、智能座舱等关键词与人机交互、交互 设计、用户体验、人机界面等关键词有较强的关联性,这也从侧面印证了汽车智能座舱的研究发展与新能源汽车
16、发展同步,且电动汽车对人机交互设计与用户体验的关注度较高。通过知网论文发表年度趋势可知(见图 3):以“智能座舱”为主题的文献发表数量在 2018 年以后出现显著增长,近 5 年总体文献数量为 320 篇左右,但其中趋势类、应用类、资讯类文献较多,研究类、综述类文献较少,且现有综述文献多为学位论文的综述章节,研究主题较为分散;研究现状的系统性尚显不足。更多研究直接聚焦于汽车 HMI 设计,尤其关注 HMI 与驾驶安全的关系,近 5 年以“汽车 HMI”为主题发表的文献约为 80 篇,研究成果相对有限。以马斯洛需求模型为基础,本文将从 HMI 设计与驾驶安全、HMI 设计与人车合作信任、用户认知
17、与情感化等三方面由低到高逐层对智能座舱交互设计研究进行梳理,此外还将对人机交互评价的相关研究进行总结。图 2 汽车人机交互知识图谱 Fig.2 Automotive human-machine interaction knowledge graph 图 3 知网论文发表年度趋势 Fig.3 Annual trend of CNKI paper publication 第 44 卷 第 6 期 蔡萌亚,等:汽车智能座舱交互设计研究综述 433 2.1 HMI 设计与驾驶安全研究 汽车智能座舱人机交互的核心媒介是人机交互界面,通常分为物理界面(即按键、旋钮、拨片等)、触屏界面(即用户可在屏幕上通过
18、点、拉、拖等动作对车辆发出指令)、语音界面(即对人的语音指令进行识别和响应)、动作界面(即对人的动作指令进行识别和响应)等。智能座舱常搭载的交互界面如图 4所示。刘雪等11从交互通道、显示设备以及操作方式等方面对现有智能汽车人机交互方式进行了总结、分析,指出目前的汽车人机交互方式日益多样化,越来越多的智能座舱人机界面设计倾向于将视觉、听觉、触觉等多感官通道进行结合,并指出“安全性”和“拟人化”逐渐成为了交互界面设计的重要考量。在汽车 HMI 优化设计上,鞠伟男等12聚焦汽车人机交互中的视觉优化研究,从生理的角度探索优化HMI 设计的路径;研究的主要对象是人的眼椭圆,即驾驶员坐在车内时的视野特性
19、,通过对 4 000 余份人体眼椭圆样本进行统计学意义上的对比与分析,得出了中国人眼椭圆的生理特性,为中国汽车 HMI 设计提供了数据与理论支撑。刘宗汉13通过问卷、访谈、行为观察、KANO 模型等方法探索了用户需求属性及层次,然后基于用户需求项进行分层匹配,通过用户 体验要素层次模型提出了汽车人机交互界面的优化策略,提炼并确定设计要素,以小鹏 P7 为例验证了交互界面设计优化对提升用户体验的积极作用。陈雪等14也强调了交互界面设计对提升用户体验的必要性,并研究总结出了基于用户体验的人机界面设计四要素:视敏度、注意力、学习友好、情感化。李红亮15通过对汽车 HMI 的技术迭代过程进行归纳总结,
20、提取了影响用户体验的设计因素,进而提出汽车 HMI的开发流程及设计原则,为设计师提供了汽车 HMI的设计思路。在汽车 HMI 交互逻辑架构上,王运16聚焦汽车导航交互设计,在研究中分析了中控导航上各系统的显示逻辑,并结合导航系统的功能,对中控导航界面显示优先级进行了排序,从而解决了中控导航系统交互层级混乱的问题,对简化人机交互行为、减少安全隐患有重要意义。Largillier 等17借助 AHP 层次分析法对汽车 HMI 逻辑架构的所有变量进行了评价及权重分析,总结出了设计的变量优先级,得到了良好的交互层级关系,为汽车 HMI 交互逻辑架构的优化提供了参考。Qbal 等18在其研究中指出,在驾
21、驶员专注于驾驶任务时,其他非驾驶类的人机交互行为会在一定程度上分散驾驶人的注意力,从而造成安全隐患。Huang 等19也指出,在驾驶过程中不宜采用复杂 图 4 车载交互界面的分类11 Fig.4 Classification of in-vehicle interactive interfaces11 434 包 装 工 程 2023 年 3 月 的交互方式,如手势交互、触摸交互等,会明显提升驾驶的安全风险,汽车智能座舱应优先采用语音交互和视觉交互。因此汽车 HMI 设计宜简不宜繁,在逻辑清晰的前提下,交互逻辑架构的层级越少越好。此外,胡宏宇等20指出,在未来自动驾驶的场景下,汽车 HMI 设
22、计不能仅仅局限于车内,还应包括车外的人机交互,即自动驾驶车辆与行人的交互研究,目的是让行人有效识别自动驾驶汽车的行驶意图从而避免交通安全风险、提高道路通行效率;文章从行人检测与跟踪、行人意图识别及行为预测、自动驾驶汽车的决策等三方面介绍了当前车外人机交互的发展概况,并指出了车外人机交互面临的挑战及未来的发展方向。吕伟等21也持有相同观点,认为解决自动驾驶汽车与行人的交互问题是实现自动驾驶商业化的前提之一,并对相关研究进行了综述分析,提出以行人为中心的自动驾驶汽车外部 HMI 设计原则。可见,汽车 HMI 设计直接关联驾驶安全问题,是智能座舱交互设计的重要内容,交互界面的逻辑架构、任务层次、人因
23、要素等都是优化界面、提升驾驶安全性的主要因素。2.2 HMI 设计与人车合作信任研究 智能座舱的第三阶段,即以 Level 3 以上级别自动驾驶为背景的智能座舱,目前还处在测试与理论研究阶段,其中基于人车合作信任的交互设计是研究的热点之一。由芳等22以 Level 3 级别自动驾驶汽车的接管系统为对象,搭建典型驾驶场景和 HMI 原型,通过在模拟驾驶器上进行设计验证,对方向盘灯带和中控信息透明度进行再设计,有效提高了接管场景下人对自动化系统的信任度,并提高了接管效率和用户满意度。Lee 等23探讨了信任在智能语音交互系统中的作用,提出了“交互质量”的概念用以提高人对语音交互的信任度,并通过实验
24、加以验证,最后基于社会反应理论提出了语音交互信任机制。Alessandro 等24对多模态并行的汽车人机交互进行了建模,并通过仿真实验对模型进行了验证。Suji 等25提出了自动驾驶系统信任度的交互设计策略,并通过虚拟仿真实验进行了评估验证,指出社会环境会对人车信任度产生影响。郑凯淘等26构建了面向人机交互的智能汽车信任度分析模型,通过实验再次验证了人机交互对信任度的显著正向影响,此外交互方式和交互内容也共同影响着乘客的信任度。孙晓枫等27探讨了人车信任的影响因素及其作用机制,得出了信息内容、信息载体、信息通道、系统透明度、技术能力和情况管理等六个信任度影响因子。总之,HMI 设计直接影响人车
25、合作信任,而人车合作信任直接影响未来自动驾驶技术的推广和普及。目前的相关研究多集中在机制、策略、模型等方面,对人机交互影响因子与信任变量的关系研究有待进一步加强。2.3 用户认知、情绪研究 人在驾驶过程中难免会随着时间、环境的变化产生各种情绪,尤其是因为驾驶时长与复杂交通状况产生的负面情绪;进入智能座舱时代后,人机交互方式的改变也会为驾驶人的认知和情绪带来新的影响。Dukes 等28提出智能驾驶过程中驾驶员的认知、情绪和生理感知都会在一定程度上影响驾驶员的接管驾驶行为。Vaa29通过比较分析驾驶行为的理论模型,也指出驾驶员在执行驾驶任务时的认知能力和情感状态会在很大程度上影响其作出正确的驾驶判
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