耿 言

(南京科技職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210048)

0 引言

隨著國內(nèi)外汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、先進的設(shè)計理念被應(yīng)用于汽車上，汽車的各種安全設(shè)備、娛樂舒適功能越來越多，控制要求越來越復(fù)雜，這些繁多的功能控制按鍵大都集中于中控臺這一不大的區(qū)域內(nèi)，因此對中控臺的空間利用、人機交互方式設(shè)計提出了更高的要求，且隨著時代的發(fā)展，人車信息交互方式將發(fā)生巨大的變化。本文將重點研究這些發(fā)展趨勢對汽車安全駕駛帶來的影響，思考人與汽車信息交流的主要界面——中控臺設(shè)計的發(fā)展方向。

1 現(xiàn)有的中控臺布局設(shè)計類型

汽車中控臺是用來顯示汽車行駛中的某些參數(shù)及放置功能控制裝置的地方。顯示的參數(shù)主要有：行駛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油余量、水溫、車燈提示、故障提示、電量和電機功率等?？刂频墓δ苡校盒熊嚢踩o助裝置，包括各類車燈、雨刮器、雷達報警等；行車控制裝置，包括擋位、行駛模式、定速巡航等；舒適性功能控制裝置，包括空調(diào)、影音系統(tǒng)等。

目前市場上主流的幾種汽車中控臺布局如圖1所示，市場上主流的汽車中控臺布局設(shè)計主要分為以下幾類：

圖1 市場上主流的幾種汽車中控臺布局

(1)各功能在中控臺全部為按鍵控制。中控臺只有一臺收音機可顯示調(diào)頻，其他功能均為按鍵控制。隨著汽車電氣系統(tǒng)各項功能越來越多，不得不增多的按鍵必然會擠滿中控臺全部空間，單個按鍵的接觸面積越來越小，造成視覺凌亂，增加操作難度，所以該中控臺布局方式已經(jīng)被淘汰，目前只在一些低端車或低配車型上可見。

(2)按鍵為主，屏幕為輔。該布局將大部分功能用按鍵控制，指示清晰，但由于控制功能較多，在有限的空間內(nèi)布局了過多的按鍵，導(dǎo)致按鍵外形尺寸較小，分布過密，視覺較混亂；屏幕主要起輔助顯示作用，一般外形尺寸較小，能夠顯示的內(nèi)容有限。

(3)屏幕為主，按鍵為輔。該布局目前較為流行，一般采用大尺寸觸摸屏，觸摸屏軟件集合了一些舒適性控制功能甚至行車安全輔助控制功能，外觀上更顯現(xiàn)代化，迎合了當下消費者的審美觀，科技感十足。部分常用功能仍然采用按鍵形式，但數(shù)量相對于第(2)種中控臺已經(jīng)大大減少，通常，單個按鍵的面積也會相應(yīng)增大。

(4)大尺寸觸摸屏幾乎集中全部功能。隨著手機、平板電腦的發(fā)展，觸摸屏的應(yīng)用越來越成熟[1]。自美國汽車制造商特斯拉開發(fā)的Model S車型問世以來，其在中控臺使用的17寸大觸摸屏日漸成為潮流[2，3]。近些年，這種中控臺布局方式在高檔新能源汽車中尤其常見，而且觸摸屏的尺寸也在逐漸增大。借助更高端的處理器及軟件技術(shù)，汽車電氣系統(tǒng)的全部功能幾乎都可以在觸摸屏上調(diào)用和控制，人機交流更加集中。這種大尺寸觸摸屏占用了中控臺幾乎全部的空間，同時也簡化了中控臺的布局。

中控臺作為車輛狀態(tài)信息顯示和控制接口安裝的主要部位，其布局形式反映了人車信息交互方式。目前汽車上的控制功能和需要顯示的信息越來越多，中控臺的設(shè)計布局卻愈加簡潔，控制接口愈加集中，人機交互方式向可觸摸的方向發(fā)展。

2 當前人車交互設(shè)計存在的駕駛安全缺陷

隨著科技的發(fā)展、現(xiàn)實的需要以及消費者審美的遷移，汽車中控臺上的實體按鍵越來越少，彩色顯示屏幕升級為觸摸屏，且觸摸屏面積越來越大，集合的功能越來越多，這種人機交互形式已成為當代汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢，但目前這種人機交互設(shè)計存在著很多方面的問題，尤其是駕駛安全方面。

2.1 視野不佳

資料顯示，顯示器與駕駛員眼睛的直線距離最好為710 mm左右，人眼的水平最佳視區(qū)是10°內(nèi)、較為良好的視區(qū)是30°以內(nèi)，最佳視區(qū)的范圍是距駕駛員兩側(cè)125 mm內(nèi)，良好視區(qū)的范圍是駕駛員右側(cè)410 mm內(nèi)，絕大部分中控臺操作區(qū)都在最佳視區(qū)外、良好視區(qū)內(nèi)，如果中控臺設(shè)計為折彎形，則視野會更好一些。同樣，在垂直視區(qū)內(nèi)，人眼的最佳視區(qū)范圍也在水平線上下10°內(nèi)，控制面板最好與眼睛平行，但卻在現(xiàn)實中很難做到[4]。較為良好的垂直視區(qū)是水平視線以上10°至以下30°范圍內(nèi)[5]，計算后可以看出，如果中控臺控制面板垂直方向上過長，則很有可能會超出良好視區(qū)。當駕駛員在正常坐姿下操作方向盤時，頭部一般會略微自然前傾，則中控臺面板一般要相應(yīng)地傾斜，與汽車客室地板平面形成60°～75°的夾角，如此在良好視區(qū)范圍內(nèi)的面板尺寸又必須略微減小。所以，隨著在汽車中控臺上使用的觸摸屏面積增大，會進一步影響駕駛員的認讀，增加駕駛員的疲勞感，從而降低駕駛的安全性。人眼的水平視區(qū)與垂直視區(qū)如圖2所示。

圖2 人眼的水平視區(qū)與垂直視區(qū)

2.2 認讀時間增加

試驗指出，當觀察距離為800 mm時，若眼球不動，水平視野20°范圍內(nèi)為最佳認讀范圍，其正確認讀時間為1 s左右；當水平視野超過24°時，正確的認讀時間便開始迅速增加[6]，如圖3所示。若汽車以60 km/h的速度行駛，認讀中控臺的信息時間為3 s，則相當于這段時間內(nèi)駕駛員盲開50 m，安全隱患非常大。觸摸屏集中功能多，各廠商對觸摸屏人機交互界面的設(shè)計理念不同，如界面顯示內(nèi)容過多或調(diào)用功能的程序較為復(fù)雜，則都會大大增加操作時間；且觸摸屏與實體按鍵的不同在于，觸摸屏對人手的觸摸操作沒有物理反饋，駕駛員只能再次通過眼睛去觀察操作結(jié)果，這也增加了操作時間[7]；在車輛轉(zhuǎn)彎、經(jīng)過不平路面時，車身的不穩(wěn)定會增加手指按觸屏幕特定區(qū)域的難度，而這時的駕駛尤其需要集中精力；觸摸屏復(fù)雜的功能層級和炫目的色彩及動畫對駕駛員有著極大的吸引力，人的心理作用總是要忍不住多看幾眼屏幕[8，9]?？梢?，中控臺控制區(qū)域面積的增加，會增加駕駛員認讀時間，觸摸屏雖然可以通過軟件實現(xiàn)與實體部件的通信與控制，但因其本身的特點，相比較于實體按鍵，在一些環(huán)境中可能會增加操作難度，同時增加駕駛的安全風險。

Ⅰ-最優(yōu)認讀范圍；Ⅱ-有效認讀范圍；1-駕駛員左側(cè)視野正確認讀時間曲線；2-駕駛員右側(cè)視野正確認讀時間曲線

2.3 干擾因素增多

有資料統(tǒng)計顯示，因為駕駛員的行為產(chǎn)生差錯所造成的道路交通事故占到總事故數(shù)的70%，這其中駕駛員的思想不集中、注意力轉(zhuǎn)移、雙手較長時間離開方向盤等精力受到干擾的情況占到多數(shù)[10]。進入大屏時代后，一塊屏幕上可同時顯示多種信息，顯示信息數(shù)量增多，顯示信息分類和歸屬復(fù)雜，信息調(diào)用層級增多，顯示信息的形式多樣，可平面動畫顯示，可3D顯示，即使是普通的文字顯示也可根據(jù)需要設(shè)計為不同的字體、字號、色彩。觸摸屏在操作時可以點觸、長按、雙擊、雙指控制，控制形式多樣。這些多樣的顯示信息與操控方式提升了汽車的科技感，但在枯燥的駕駛中也難免會刺激駕駛員的好奇心，吸引注意力，構(gòu)成了駕駛中一個不可忽視的干擾源。

3 中控臺人機交互設(shè)計的發(fā)展方向

汽車功能的增多已成必然，如何在汽車中控臺集中更多的控制功能、顯示更多的信息，優(yōu)化人機交互方式成為未來的發(fā)展方向。針對現(xiàn)有的汽車中控臺布局形式及人機交互方式的缺點，可從以下幾個方面進行研究。

3.1 優(yōu)化人機交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局

如圖4所示的中控臺人機交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局中，將按鍵或屏幕安放在中控臺A區(qū)域，在駕駛員的右下方視野中，這一塊區(qū)域面積有限且部分面積超出駕駛員最佳視野區(qū)。在設(shè)計駕駛室布局時，可以充分開拓和利用駕駛室空間，例如，可以在左側(cè)車門扶手區(qū)域(B區(qū)域)增加按鍵或小屏幕顯示次要信息，利用扶手自然的斜度，按鍵和屏幕可設(shè)置在較高的位置且與水平地板面呈較大的角度，方便左手操作，操作時也可降低駕駛員的視野盲區(qū)；借鑒飛機駕駛室布局，在駕駛員上方頭頂區(qū)域(C區(qū)域)安放按鍵，上方頭頂區(qū)域可抬手觸及，水平視線抬起較小角度便可目視這一區(qū)域，操作時可有較大的余光范圍觀察汽車前方，熟悉按鍵位置后，可實現(xiàn)盲操作，對駕駛視野的影響較小，且增加了操作樂趣，還可以提升汽車客室的科技感。

圖4 中控臺人機交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局

3.2 開發(fā)多功能集成化按鍵

汽車日益增加的功能需要更多的按鍵進行操控，在有限的空間無法布置數(shù)量過多的按鍵，這也促成了中控臺觸摸屏的流行這一趨勢，但是實體按鍵依然有其獨特的地位，不可完全拋棄不用。為了解決這一矛盾，應(yīng)充分挖掘各功能之間的邏輯聯(lián)系、使用頻次，開發(fā)一種集中多個功能于一體的集成化按鍵，將2種～4種功能集合于這種按鍵上，這樣既能減少按鍵數(shù)量，又能增加操控功能，還可以增加操作樂趣。按鍵數(shù)量減少后，在有限的空間范圍內(nèi)，可增大按鍵的面積，方便駕駛員尋找和操控，減少反應(yīng)時間，增加駕駛安全系數(shù)。

3.3 充分運用視野內(nèi)空間

不論是前述的視野不佳問題還是認讀時間過長問題，從一定角度來看，其根源都是由于人機交互的界面區(qū)域有限。在3.1節(jié)中，通過優(yōu)化人機交互設(shè)備結(jié)構(gòu)布局，充分利用左前門扶手處、車頂處空間，可大幅增加利用區(qū)域，但如果設(shè)計不當則有駕駛室布置凌亂之嫌。而在駕駛員前方有廣大的三維空間一直沒有得到有效利用，很多先進技術(shù)可以應(yīng)用在汽車上以充分開發(fā)利用這一駕駛員視野正前方的優(yōu)良空間，比如HUD(Head-Up Display)平視顯示技術(shù)是一塊透明的放置于駕駛者前方擋風玻璃上的抬頭顯示器，其可以顯示基本行車信息；全息投影技術(shù)(見圖5)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的記錄和再現(xiàn)地技術(shù)，可以立體地顯示動態(tài)信息[11]。這些先進的技術(shù)都正在或有極大的潛力應(yīng)用于汽車上，可以創(chuàng)新性地利用車內(nèi)空間，充分利用駕駛員正常行駛時視野內(nèi)的空間，立體顯示車輛行駛的信息與重要參數(shù)，將駕駛員識讀信息的注意力轉(zhuǎn)移至平視區(qū)域，免去視線轉(zhuǎn)移帶來的駕駛安全煩惱。但需要指出的是，這些技術(shù)都是利用光線原理在空間形成的虛擬影像，如果顯示的內(nèi)容過多、信息過于雜亂或虛擬影像體積過大，會影響駕駛員正常觀察車前路況，有分散駕駛員注意力和光線污染的風險。

圖5 全息投影技術(shù)

3.4 合理布置顯示屏位置和優(yōu)化觸摸屏程序結(jié)構(gòu)

觸摸屏屬于顯示屏的一種，其幾乎已經(jīng)成了轎車的標配，大部分觸摸屏的位置設(shè)置在控制臺的中下部，集中了幾乎全部的娛樂影音功能，還有些汽車將空調(diào)控制等功能也設(shè)置在觸摸屏上，加之觸摸屏本身的操縱特點，操作過程中會嚴重分散駕駛員的注意力。顯示屏與觸摸屏可根據(jù)其特點在人車交互中有所分工，其中，顯示屏可分擔觸摸屏的部分信息顯示的作用，設(shè)在中控臺遠方位置，遠離手指可碰觸的位置，這樣可延伸和抬高視線，方便觀察，充分利用空間；觸摸屏則著重控制作用，輔以顯示功能。

不論觸摸屏面板尺寸如何擴大，所有程序功能不會同時集中于同一頁面上，而觸摸屏程序結(jié)構(gòu)決定了各項功能調(diào)用的順序和方式方法。為減少分散駕駛員的精力，應(yīng)減少功能層級，精簡每一層級的內(nèi)容，優(yōu)化功能調(diào)用的方式，合理地使用字體、字號和背景色，醒目的顯示文字內(nèi)容和動畫。

3.5 大力發(fā)展AI語音控制功能

傳統(tǒng)的控制和顯示方式都是利用人的觸覺和視覺完成，而忽略了人的語言功能和聽覺。人工智能語音可以通過智能對話與即時問答，使得駕駛員不用騰出手來進行任何操作即可完成對汽車功能的控制[12]。隨著汽車中各項控制調(diào)節(jié)性功能越來越多，這種智能的語音控制可以充分利用人的語言能力，并用聽覺進行操控結(jié)果確認，既免去了視線轉(zhuǎn)移的擔憂，也無操作時間的限制，可以在不占用視覺系統(tǒng)的情況下進行全方位的聲音信息接收[13]。但是在使用過程中由于車內(nèi)各種干擾音源較多，可利用機械按鍵作為語音控制的總開關(guān)，在駕駛員頭部附近區(qū)域安裝麥克風接收語音傳輸。

4 結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)及5G通信時代的到來，科技的進步也給汽車設(shè)計帶來了新的理念和發(fā)展方向，消費者的審美及對汽車的關(guān)注點也會隨之變化。但是應(yīng)當看到，任何事物的發(fā)展都有其兩面性，對于汽車而言，無論時代如何發(fā)展，汽車駕駛的安全性始終應(yīng)當為社會所關(guān)注，如何提高道路運輸安全性，降低事故發(fā)生率是汽車設(shè)計者首要考慮的問題。本文針對駕駛操作中最常接觸的中控臺這一部件，總結(jié)了當下常見的幾種中控臺設(shè)計布局及人車交互方式，從駕駛的安全性角度出發(fā)，提出了當下流行的中控臺設(shè)計布局和人車交互方式存在的問題和安全隱患，指出中控臺布局設(shè)計與人車交互方式合理的發(fā)展方向，鼓勵合理、有效、有度的利用先進科技，從設(shè)計上提高汽車駕駛的主動安全，造福人民。