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基于驾驶员个体差异的车载信息设备界面设计
2021-12-29 23:08:57· 来源：汽车与新动力
通过采用通用设计，可使汽车界面适应各种用户的需要。在汽车向自动驾驶技术的发展过程中，采用不易受依赖系统个体差异影响的界面设计方案，有着较高的重要性。0
通过采用通用设计，可使汽车界面适应各种用户的需要。在汽车向自动驾驶技术的发展过程中，采用不易受依赖系统个体差异影响的界面设计方案，有着较高的重要性。
0 前言
用户的个体差异要求主要是指驾驶员依据个人不同的身体条件、爱好、想法等，在考量商品和服务时提出明显带有个人偏好的需求。为适应这样的个体差异，研究人员可专门为其设计出“定制”方案。在个人电脑或智能手机等产品上，研究人员可对相关参数进行设置变更，从而满足用户的个性化需求。研究人员在对汽车的车载信息界面进行设计时，同样也需要考虑用户的特定需求。
目前，车辆及乘员保护系统还未实现定制化需求，研究人员通过强制将汽车各项参数设置为初始状态(默认值)，以确保所有的驾驶员在驾驶车辆时不会产生顾虑，而让驾驶员按照个人喜好对车辆参数进行设置，目前并不现实。
汽车的人机界面需要采用“通用设计”的方法，以简化驾驶员的操作过程。汽车的通用设计与无障碍设计是2个不同的概念，且容易产生混淆。考虑到不同驾驶员之间的个体差异，研究人员必须充分了解“通用设计”的概念。
本文以运动型汽车为例，针对用户的个体差异，介绍了通用设计的方法。本文还以雷克萨斯(LEXUS)发布的全新改款LS系列车型为例，基于用户对自动驾驶系统的依赖性等个体差异，介绍了图形设计的实例。
1 基于用户差异的界面设计过程
在新车型的开发过程中，基于“用户形象”这一特点，研发人员设置了相应的分析过程。这一过程代表了研究人员在设计过程中，针对用户形象进行的设想与描述。例如，在制定“青年消费者购买运动型汽车”这一设计方案中，研究人员设置了如图1所示的用户形象。在该车型设计过程中，此类用户形象是用于定位目标客户的核心内容，具有较强的代表性。因此，对于1款车型的设计应主要针对目标用户的共同爱好、行为及观点等方面进行分，并结合企业的经验来进行产品开发。
图1 运动型车的用户形象示例
该款运动型汽车在上市销售后，所面向的用户并不只局限于之前所设定的目标人群。在销售运动型汽车的市场中，大龄用户的偏好往往更为丰富，其主要原因如下：(1)部分大龄用户希望实现自己年轻时的梦想；(2)部分大龄用户希望遵循内心的想法；(3)部分大龄用户经济状况较好，购买力较强。选择了该款车型的目标人群往往会与大龄用户的爱好相似。因此，研究人员在进行车型设计时，应以用户形象作为前提。在车型的实际使用等方面，设计过程也会因用户形象的不同而出现一系列问题。在本案例中，研究人员充分考虑了用户的身体差异。而实际上，偏好此类运动型汽车的大龄用户，其心理年龄比生理年龄更为年轻，其驾驶技能及经验等方面也较为丰富。尽管如此，研究人员在进行用户形象分析时，用户所面临的一些实际问题仍然无法通过目标人群的心态及其运动习惯等方面表现出来。例如，大多数大龄用户都会面临“老花眼”这一问题，为了满足其驾驶汽车的需求，并便于大龄用户读取仪表盘和显示器上的信息，研究人员需要对仪表盘和显示器等部件进行设置，比如将文字设置为大号字体，从而方便该类用户读取。
针对大龄用户的实际需求，研究人员在进行设备界面设计时需要考虑采用大号的文字，并加宽仪表盘上的刻度间隔，便于大龄用户读取信息(图2)。按此要求进行调整，既满足了大龄用户的需求，同时年轻用户的可视性也不会受到影响。为提升运动型汽车的精致感，研究人员需要优化仪表板内配置布局的协调性。
图2 通用设计的设备
研究人员在进行产品设计时，如果仅关注可视性，那么相关设计方案将会与重点用户的特征产生偏离。1个具有较强吸引力的产品设计方案应兼顾不同年龄段用户的想法，因为不同用户往往也会有着相同或相近的个人偏好。如果研究人员仅从年轻用户的角度出发来设计产品，则会失去具有相同偏好的潜在大龄用户。例如，研究人员可以采用数字式速度显示方法，并且不会对设计性及商品特性造成负面影响。与模拟式速度显示方法相比，该方法通过大号的文字来显示速度，而且在整个范围内的最小刻度为1 km/h，具有较高的精确性。如果有必要，模拟式显示方式与数字式显示方式将有望实现同时并存，并且不会对通用设计方案产生负面影响。
目前，汽车仪表正在向全图形化发展。现阶段的设计思路是将模拟式仪表置换成数字式仪表，未来还将发展成为通用的可视化仪表，以满足各种信息的显示需求，所涉及的功能也会相应增多。因此，研究人员通常会将可视性作为优先级最高的设计要求。
此外，HUD(图3)作为车用显示器，是1种实用性较强的通用设备。该设备利用汽车前挡风玻璃和专用反射板进行反射，在驾驶员视线前方形成投影图像，从根本上消除了大龄用户由于老花眼所产生的驾驶问题。HUD并不是1款全新设备，早在1988年，美国通用汽车公司就已首次采用了这一技术，而在日本国内，日产汽车公司、丰田汽车公司也几乎同时开展了跟踪研发。尽管丰田汽车公司并没有迅速推广HUD，但是近30年来，丰田汽车公司持续生产了安装有HUD的汽车。
图3 显示设备的视觉特性(HUD的优点)
近年来，宝马汽车公司(BMW)等欧洲汽车制造商也在迅速推广HUD。薄膜晶体管液晶显示器(TFTLCD)具有全彩色化及成套化等优势，正逐渐成为与自动驾驶相匹配的主要设备之一。
相比以前的显示器，不管是数字式速度显示仪表，还是HUD,其自身所产生的屏幕反光较少。在信息传递方面,这些设备具有明显优势，因此在汽车和飞机等产品中得到了广泛应用。针对用户身体因素的差异，研究人员在进行界面设计时，采用通用设计是1种较好的方法。
2 对系统存在依赖性的界面设计
目前，全球汽车工业正处于互联、自动驾驶、共享、电动化的时代，而传统的汽车技术也正在逐步向自动驾驶技术转型。如果未来汽车能完全实现自动驾驶，那么固有的人机界面将会被取消，用户驾驶汽车也如同乘坐无轨电车和城市客车一样便捷。
伴随着这一变化，研究人员在设计时需要思考如何协调人与汽车的相关性。例如，驾驶员应如何持续监视系统，以观察系统是否能够作出正确的判断；在突发紧急情况时，驾驶员应如何快速介入并进行修正。因此，研究人员需要充分考虑驾驶员对自动驾驶或辅助驾驶系统的依赖性，以及不同驾驶员之间的个体差异。
2020年7月，丰田汽车公司发布了具有先进驾驶功能的LEXUSLS车型配置。该车型配置采用了丰田汽车公司最先进的高级驾驶辅助技术，并在高速公路上进行了试验。汽车的车载系统能根据实际的交通状况作出合理的认知、判断和操作，实现了维持车距、分流、变道、超车等功能。依赖于先进的驾驶系统，虽然驾驶员的操作负荷大幅降低，但是驾驶员仍有必要提高警惕，以防意外发生。
丰田汽车公司与东京大学合作，重点开发了该款车型的人机界面(HMI)，并针对驾驶员的“行为主体感”进行了相关研究。研究人员对“行为主体感”的定义如下：驾驶员在驾驶汽车的过程中，对自己应负的驾驶责任的主观感受。HMI开发就是研究驾驶员应该采取怎样的操作方式来持续加强这一感受。
当驾驶员驾驶配备有LEXUSLS高级驾驶辅助系统的车型时，如果系统出现疏忽或错误判断，驾驶员必须要对其进行修正。研究人员设定了以下2种系统失效的场景(图4)：(1)汽车主动发生事故(简称为事故)；(2)道路上发生了意外事故，驾驶员未对此作出反应，而是驾驶汽车继续前行。在场景一中，HMI需要迅速向驾驶员通报所发生的事故，并促使驾驶员作出合适的判断。在场景二中，如果HMI未被触发，而驾驶员也未持续监视系统，则有可能会出现安全问题。
图4 系统失效设置的场景
当驾驶员高度依赖系统并积累了一定的经验，驾驶员对问题发生时的警觉性和应变能力将会逐步弱化。在该项研究中，研究人员使用了增强现实技术(AR)作为HUD的扩展。AR是1种可将汽车未来所处位置的实景图形合成到驾驶模拟器前置画面中的新技术。以往表示车辆前进路线的图形只是一般性的显示功能，但新设备能显示出汽车的加减速方向、未来所处的数个位置，并可短时监视汽车前方的状况，使驾驶员具有身临其境之感。研究人员从多种场景出发，探讨了这一显示方式的特性。例如，怎样的显示方式会使驾驶员具有更强的行为主体感，屏显持续时长维持是否有效等。
目前，就先进驾驶图形显示方式的研究方法而言，研究人员需要预先设定若干不同条件，并对与之相匹配的方法进行探讨，从而使其与车辆的实际运行过程相适应，以贴近用户的心理。
其中最大的不同点就是AR显示。研究人员在研究过程中，将行驶线显示在驾驶模拟器的屏幕上，并使用了AR方式。采用LEXUS LS车型的HUD所展示的图形区域并不能覆盖全部视角。该车型的HUD所显示的图形和以前基本一样，只是将前方道路以相似的缩小图形来进行展示(图5)。在该图形中，为了展示出所需要的效果，研究人员需要重点关注以下2个要点。
图5 叠加显示和非叠加显示(目前的HUD)
第1个要点是对车辆动态轨迹的显示(图6)。对车辆轨迹进行实时显示的指示器是由车辆行驶路线加固定时间刻度显示线组成的，也即未来处于车辆前端、假想的缓冲器位置所显示的场景(图4)。在量产车中，该图形能以固定时间间隔内所通过道路上的标记来显示。驾驶员通过指示器的运动轨迹，能较轻易地捕捉到车辆的运动。此外，因为指示器布置于车体下方，车辆的显示图形会存在与周围车辆运动轨迹重叠在一起的情况。在车辆行驶时，驾驶员也能想像出车辆移动的状态，从而可以规避一些风险。
图6 LEXUSLS先进驾驶图形
第2个要点是HUD所采用的图形上观测角度的变化(图6)。在HUD固定时，驾驶员所看到的前方画面是以缩小的形式来显示的。该显示方式为来自驾驶员视角的1车道图形，是把驾驶员所在车道进行放大显示的简单图形。所显示的图形包含了从后方驶来并接近驾驶车辆的其他车辆的状况。同时，该显示方式还包含有以旁观者视角观察的3车道显示图形，是从车辆后方俯视，包含了驾驶员所在车道与左右相邻的3条车道，以及驾驶员所在车辆的俯视图。两者之间的变化可通过连续的车辆活动画面来实现切换。假设驾驶员站在客观角度来观察自己车辆所处的活动画面，并通过该车辆活动画面，使HUD中的图形成为连续且保有较高关联性的画面，这样就可以提醒驾驶员密切关注车辆周围所发生的事故。同样，驾驶员即使没有长期关注某个场景，但由于周围视野是动态变化的，也能让驾驶员注意到事故的发生。
当系统发现应该发生的事故实际上却没有发生时，系统将会与期望值之间产生落差，会引起驾驶员的不适感，也会相应提升驾驶员的警觉性。该系统可将动态的轨迹和HUD的观测角度进行切换。在驾驶员观察周围视野时，该系统可通过较易于识别的动态显示相关信息，便于驾驶员进行连续监控。
在图形仪表中，“先进驾驶”在常态下成为从旁观者视角俯视的显示状态。这是因为仪表上的图形能像雷达一样，以客观状态显示自己车辆周围的情况。当事件发生时，系统会将驾驶员的意识反映到仪表中，并将前方实景转移到驾驶员的视野中，因此与HUD条件有所不同。就车辆动态的轨迹而言，即使在仪表上进行了同样显示，但驾驶员通过周围视野却更易于识别该类轨迹。
在采用LEXUSLS的驾驶过程中，为了适应对系统依赖性及意识方面的个体差异，研究人员充分利用了驾驶员周围视野的动态要素。该方案在识别要素和提升驾驶员注意力方面非常有效。这也是丰田汽车公司的研究人员基于“直观界面”这一研发目标所得到的结果。
3 面向未来的“直观界面”
HMI的分类方法如图7所示。未来，研究人员可根据该方案开展相关研究。
图7 HMI的分类(日本汽车工程师学会(JSAE)2011春季大会论坛)
在一般情况下，HMI被研究人员认为是从汽车到驾驶员的输出“显示”和从驾驶员到汽车的输入“操作”的总称。本文所述的“显示”，不仅是视觉信息，也包含听觉(声音)、身体感觉(力量、振动)等方面的信息。由于HMI不需要驾驶员进行人为输入，因此也能使用传感器检测出驾驶员的状态，并对输入信息进行自动检测。HMI可以分成2个系统，其中1个是在驾驶员有意识状态下进行输入和输出的操作显示系统，另1个是在驾驶员无意识状态下进行输入和输出的作用检测系统。
本文所涉及的个体差异，主要是在通过驾驶员的意识对系统进行操作时所产生的情况。此外，除个体差异外，驾驶员也会由于状态不同而出现不同的反应。在作用检测系统中，对驾驶员进行定量分析时，会因个体的不同存在较大差异。在对驾驶员进行定性分析时，由于研究人员采用了更为直观的方法，使得个体差异相对较小。
在汽车逐步向自动驾驶技术转型的时代，HMI的检测系统将变得更为重要，因为其可以掌握人的状态，并引导驾驶员采用正确的驾驶习惯。在已逐渐实现量产的车型中，系统可通过驾驶员监视器，检测出驾驶员是否出现闭眼或瞥眼的状态，并通过一系列功能使驾驶员维持清醒状态。
未来对于如何使驾驶员维持清醒状态，以及如何防止乘员晕车等课题，研究人员有可能运用某些视觉效果及其他系统来实现该目标(图8)。
图8 作用系统视觉效果(LEXUSLS)
研究人员发现，驾驶员如果遇到紧急状况并通过本能进行反应，由此所产生的个体差异将变小。例如，向腕部投射飞快移动的红色光线时，将会对驾驶员产生造成强烈的警示作用。
4 结语
本文重点介绍了不易受驾驶员生理及心理等个体差异影响的通用设计方案。通过上文所述的定制化方法，研究人员可以在适应驾驶员个人爱好，且在系统允许的基础上自由配置HMI。理想的设计方案是系统可以通过不断的学习以自动地适应驾驶员需求。如果具备这样的设计理念，未来的图形设备将具有极佳的商品特性。
研究人员下一步的设计重点主要是如何平衡以下2个功能设计，以满足更高层次的人机界面设计。(1)针对个体差异，开发出与之相适应的功能设计；(2)排除个体差异的影响，并确保驾驶员安全的功能设计。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第5期
作者：[日]久門仁
整理：蔡佩亮
编辑：吴玲
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