智能座舱中HMI设计发展趋势研究

周毅　朱兰娟

摘 要：在智能座舱趋势下，显示屏作为人机交互的主要界面，扛起了智能化的大旗，也带来了交互体验、操作安全性的问题。本文根据新能源电动汽车用户HMI体验问卷调查数据，总结出智能座舱发展趋势与设计原则，深入分析未来汽车HMI设计的发展方向。

关键词：智能座舱 人机交互界面（HMI） 大屏 多模态

1 前言

从特斯拉的十七英寸大屏，再到拜腾的四十九英寸超宽一体大屏，短短几年内，各个主机厂纷纷投入到智能座舱的应用创新上，多屏幕的产品形态开始陆续上市。不管是新势力车厂，还是传统主机厂，从新车型的亮相上可以预见，超宽一体屏的应用已是未来趋势。新的科技发展会引发我们的思考，超宽一体屏不仅仅是一块简单的屏幕，而是其整个汽车技术演变的结果，目前自动驾驶技术还没有成熟，如果没有一个有效的HMI设计，就不能实现有效的人机交互，在汽车实现完全的自动驾驶之前，汽车应该以全面的方式与驾驶者沟通他的意图，并且还应招待乘客，使乘客感到舒适。所以智能座舱的交互方法、内容展现、驾驶人员的注意力管理都值得继续研究。

2 汽车HMI设计概述

2.1 HMI概念

人机交互（Human Machine Interaction，简称HMI），是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。应用在车辆上的人机交互系统可以实现人与车之间的沟通。驾驶者可以通过该系统，获取车辆信息、车辆报警，并且进行车辆设置、实现娱乐功能等。

其中我们通常所说的“人机交互界面”是指用户可见的部分。通过人机交互界面与系统交流并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。因此，人机交互界面的设计要包含用户对系统的理解（即心智模型），这是为了系统的可用性或者用户友好性。

就信息的“输入”和“输出”来讲，语音控制、手势识别和触摸屏是目前车载HMI系统的三大利器，各车企均在该领域进行了充分的试验和尝试。因此，不管何时，新技术的引入总是有一定的风险甚至可能造成消费者的反弹，所以汽车主机厂在HMI的研发上也表现出了应有的谨慎。

3 研究过程

我们知道，自动驾驶的出现，让行程中驾驶员的注意力和操作得以解放，在这个移动的空间中可以做更多的事情，驾驶员/乘客在掌握驾驶情况的同时，可以获取信息或者娱乐，也可以当作一个休息空间。那么在这不同的使用场景下，多元化的信息应该如何呈现，才能为驾驶员/乘客带来更好更安全体验呢？自动驾驶与车内HMI展示方式之间又有什么关联呢？

HMI系统广泛用于汽车应用程序中，以用于传输大量的内部和外部信息，特别是在自动驾驶汽车中，HMI平台被用于车与车之间的通信。最重要的是，汽车HMI设计是高级驾驶员辅助系统（ADAS）的一部分，可以帮助汽车制造商确保提供与ADAS相关的服务。那么，汽车制造商和OEM在开发自动驾驶汽车概念时应遵循哪些人机界面设计原则？

3.1 新能源电动汽车用户HMI体验问卷调查

本次调查问卷针对智能汽车常用功能以及用户习惯，设置了20个HMI交互相关的问题。共收回283份有效问卷，每道题均采用0-5分打分制代表喜爱度（李克特6级量表是：非常不喜欢 比较不喜欢 不喜欢 喜欢 比较喜欢 非常喜欢），0分为喜欢，5分为不喜欢。

3.2 问卷调查结果分析

3.2.1 调查数据分析

信度分析和效度分析是问卷分析的第一步，也是检验该问卷是否合格的标准之一，为了提高调查问卷的质量，进而提高整个研究的价值，问卷的信度和效度分析绝非赘疣蛇足，而是研究过程中必不可少的重要环节。本问卷各题项的修正后的项与总计相关性值均大于0.4，且各题项项已删除的Cronbach's Alpha值均小于总体Cronbach's Alpha;总体Cronbach's Alpha为0.936，删除任意一题均不会引起Cronbach's Alpha值增加，故表明变量具有良好的信度。利用SPSS23.0对问卷进行KMO和Bartlett's球形检验，结果显示：kmo=0.925大于0.5，Bartlett球形检验的近似卡方值为3395.434，在自由度（df）为210的条件下显著性概率（s）为0.000，说明问卷具有良好的结构效度。

本次调查采用相关分析，相关分析主要是研究变量之间的相关关系，若相互之间存在相互关系，则讨论彼此之间的相关方向及相关程度。相关系数的取值范围介于-1～1之间，用r表示，相关系数为正，表示变量间存在正相关关系，为负，表示变量间存在负相关关系，绝对值越大，表明变量之间的相关越为紧密。相关系数的取值范围介于-1～1之间，用r表示，相关系数为正，表示变量间存在正相关关系，为负，表示变量间存在负相关关系，绝对值越大，表明变量之间的相关越为紧密。具体来说，若|r|=1，变量之间呈完全相关关系;若0.7≤|r|<1变量之间呈高度相关关系;若0.4≤|r|<0.7，变量之间呈中度相关关系;若0.1≤|r|<0.4，变量之间呈低度相关关系;若|r|<0.1，则认为变量之间没有相关关系。当显著值P<0.05时，表示变量之间具有显著相关性。

我们将题6定为因变量;题2、3、4、5、6归类为自变量1，用于反映屏幕等硬件数量的喜好度;题7、8、9、10、11归类为自变量2，用于反映操作操作方式、步骤的喜好度;题12归类为自变量3，用于反映HMI界面设计风格喜好度;题13、14、15、16歸类为自变量4，用于反映驾驶便利性相关功能的喜好度;题17、18、19、20、21归类为自变量5，用于反映生活、工作、学习等便利性功能的喜好度。

自变量1与因变量：r=0.546，p<0.05，说明两者之间呈显著正相关;

自变量2与因变量：r=0.797，p<0.05，说明两者之间呈显著正相关;

自变量3与因变量：r=0.534，p<0.05，说明两者之间呈显著正相关;

自变量4与因变量：r=0.554，p<0.05，说明两者之间呈显著正相关;

自变量5与因变量：r=0.512，p<0.05，说明两者之间呈显著正相关。

3.2.2 调查数据分析结论

由上述问卷数据均值可知，随着科技发展和车主的期望，车内外的信息和功能越来越多，多数受访者喜欢由更多科技功能的智能座舱，期望有更直接的信息显示，更简化的操作逻辑，并且根据相关性分析，自变量1、2、3、4、5与因变量全部成正相关，说明受访者对于操作的便利性与自动驾驶的期望是一致的，都期望有一个更便利、更安全的驾驶环境。

所以交互方式由此产生阶段性变化：物理旋钮/按键——数字触屏——语音控制——多模态交互。车内信息和功能随着越来越多，物理旋钮/按键的交互方式已经满足不了内容的扩展，数字界面由此在车内出现。但是当网联化后，娱乐信息成为了车内一大内容，数字界面的弊端也逐渐暴露出来了。界面层级导致操作效率的下降，而数字组件控件虽然解决了空间，成本，扩展迭代的问题，但是同时也缺失了物理旋钮/按键原本的触感反馈，易定位性及效率精细操作等优势，一定程度上影响到驾驶安全。

此刻语音的出现，可以有效的提高操作效率，减少车主视线移开路面的时长，提高了驾驶安全。那么语音交互就是最终的理想形态了吗？答案是否定的，功能不可见性/输入输出效率低/识别正确率/意图理解/勿扰性等等弊端导致语音交互并不能解决所有问题。因此提出多模态交互方式，试图改善这些问题。

所谓“多模态”（modality），即“感官”，多模态即多感官融合。人类在智能座舱中的常用感官有视觉、听觉、触觉、嗅觉模态等。多模态交互就是综合运用语音交互、机器视觉、触觉，甚至嗅觉等其他传感器智能技术，更加精准、主动和个性化地提供车内交互方式。从“驾驶员主动交互”循序渐进地升级到“智能车辆主动交互”，能最大程度上较少驾驶员精力分散，并提升乘员交互体验。

4 智能座舱HMI发展趋势

1.近期数字座舱成为汽车智能化重点：自动驾驶带来的人员解放，需要座舱功能从交互、环境、控制、空间、数据五大维度进行智能化变革，提升体验。

2.车内感知需求日趋强烈：车内视觉感知能够实现座舱多样功能的技术，实现个性化的车内体验;车内视觉感知也能够有效地辅助自动驾驶，保障车辆自动驾驶决策的准确性。

3.触摸屏不是交互的终点：在更好更成熟的技术出现之前，触摸屏只是HMI的一个载体，智能座舱HMI设计还是将以驾驶任务为中心。

5 智能座舱HMI设计原则

一个正确设计的HMI不会扰乱我们的思想，也不会让人捉摸不定。在许多情况下，使用手动驾驶时，驾驶员知道在道路上发生特殊情况时该怎么办。在自动驾驶中，通过语音命令和声像通信，驾驶员应该能够询问并接收关于车辆将要做什么的充分反馈。

1.要触达路径短;

2.要快速响应;

3.要拒绝炫技;

4.要减少视觉占用;

5.要能与自动驾驶结合。

6 总结

汽车HMI的设计，其最终目的无非在于为用户提供好的用户体验，增强用户的驾驶乐趣或駕驶过程中的操作体验。但相比于互联网的用户体验，HMI的设计最为不同的是其独特的环境，这个环境更加注重驾驶的安全性，这样使得HMI的设计必须在好的用户体验和安全之间做平衡，很大程度上安全始终是第一位的。

因此，交互设计必须以驾驶任务为中心，更好的设计方案一定是尽量少的占用“手-眼”资源，智能座舱需要的终极交互方案，应该是车对人的主动式交互，即结合车外环境、车内视觉、语音识别、AR、触屏等多模态感知手段，将车辆打造成为像钢铁侠“贾维斯”这样的人工智能管家，才能全方位提升车主体验。

参考文献：

[1]谭浩等，汽车人机交互界面设计研究，汽车工程学报，Vol.2-No.5 2012.

[2]刘伟.走进交互设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]诺曼.唐纳德.A.设计心理学[M].梅琼，译.北京：中信出版社，2010.