米良宇 陳閣

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷 汽車HMI 情境感知 多通道交互 認(rèn)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(jī)交互方式、交互界面、用戶體驗(yàn)?zāi)Ｊ降纫苍诎l(fā)生著革命性的變化。

先進(jìn)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(jì)越來(lái)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(guò)多認(rèn)知資源，引起駕駛員認(rèn)知負(fù)荷過(guò)載，從而影響駕駛員的駕駛效率，嚴(yán)重的可能會(huì)影響駕駛安全。因此，如何通過(guò)設(shè)計(jì)降低汽車駕駛?cè)藱C(jī)交互過(guò)程的認(rèn)知負(fù)荷，提高認(rèn)知效率，降低用戶的認(rèn)知疲勞，應(yīng)是汽車HMI設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究的方向之一。

一、汽車HMI與認(rèn)知負(fù)荷理論

（一）認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)知負(fù)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(rèn)為人的認(rèn)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(gè)信息所需要的認(rèn)知資源超過(guò)人所具有的認(rèn)知資源總量，就會(huì)造成認(rèn)知負(fù)荷。[1]（二）汽車HMI概念HMI（Human Machine Interface），又翻譯為“人機(jī)接口”，也叫“人機(jī)交互界面”，它是車載控制系統(tǒng)與駕乘用戶之間實(shí)現(xiàn)信息交流與互動(dòng)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(jì)而言，HMI更側(cè)重的是人與車內(nèi)界面交互的體驗(yàn)和感受。

Dirk Beer等[3]在研究中指出，在德國(guó)汽車HMI市場(chǎng)有86%的消費(fèi)者將可用性作為核心購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)人員將汽車HMI賦予更多功能，以此來(lái)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但過(guò)度提供功能，可能會(huì)分散駕駛者的注意力，增加駕駛員的認(rèn)知負(fù)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(rèn)知負(fù)荷的類型根據(jù)是否有助于圖式建構(gòu)，認(rèn)知負(fù)荷可分為外在、內(nèi)在及關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。外在認(rèn)知負(fù)荷是由與認(rèn)知無(wú)關(guān)的活動(dòng)引起，不是建構(gòu)圖式所必需，又稱無(wú)效認(rèn)知負(fù)荷。4汽車HMI中的外在認(rèn)知負(fù)荷與交互界面設(shè)計(jì)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(huì)間接地造成用戶的外在認(rèn)知負(fù)荷過(guò)重。[4]內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷主要由人本身的知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)水平?jīng)Q定。汽車HMI的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷與交互界面的復(fù)雜程度、難度及用戶自身的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知圖式相關(guān)，即如果用戶缺乏汽車HMI的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，或人機(jī)交互界面過(guò)于復(fù)雜或難度過(guò)高，就會(huì)增加用戶的認(rèn)知負(fù)荷。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是指由任務(wù)本身所產(chǎn)生的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較低，用戶還有多余的認(rèn)知資源可投入到其他的認(rèn)知活動(dòng)中來(lái)促進(jìn)圖式建構(gòu)，這種在構(gòu)建圖式時(shí)不是必須、但投入后有利于圖式建構(gòu)的認(rèn)知負(fù)荷，就是關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。4在汽車HMI中，這種認(rèn)知方式雖然會(huì)增加一部分用戶的認(rèn)知負(fù)荷，但總體上不會(huì)阻礙用戶的信息認(rèn)知，反而可以促進(jìn)用戶對(duì)于交互界面信息的理解和對(duì)信息的處理。[5]

二、傳統(tǒng)汽車HMI設(shè)計(jì)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(guò)程中所接收的信息也隨之增加，從而造成用戶的認(rèn)知負(fù)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(jī)交互便利性之間的關(guān)系，是汽車HMI設(shè)計(jì)需考慮的重要問題之一。1在與界面交互的過(guò)程中，視覺是用戶和HMI交互的重要途徑之一。[6]視覺認(rèn)知所涉及到汽車HMI的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容主要因素有文字、色彩、對(duì)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(shí)別性的要求，字體大小、樣式及位置等要便于駕駛員快速識(shí)別、讀取文字信息，應(yīng)注意文本量不宜過(guò)大，否則易造成駕駛員長(zhǎng)時(shí)間分散注意力，增加事故風(fēng)險(xiǎn)。色彩通常是用戶對(duì)HMI較直觀的感受，視覺重點(diǎn)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(jì)需考慮色彩心理學(xué)、生理學(xué)等問題，考慮不同人群對(duì)顏色的心理情感、視覺疲勞等問題。[7]長(zhǎng)時(shí)間暴露在外部自然光下，HMI的亮度要應(yīng)對(duì)不同的自然環(huán)境光線的影響，隨環(huán)境光自動(dòng)調(diào)節(jié)以提供合適的對(duì)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(jì)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(jì)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(jī)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(jí)，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(diǎn)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(jì)，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(fù)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(jì)元素應(yīng)保持一致性原則，總體界面布局和各級(jí)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(xì)節(jié)也應(yīng)保持統(tǒng)一。[9]

三、改善汽車HMI認(rèn)知負(fù)荷的方式

（一）降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)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(guò)有效手段幫助用戶更好地理解交互系統(tǒng)，降低信息的認(rèn)知門檻。此外，交互界面設(shè)計(jì)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(rèn)知習(xí)慣，避免新的認(rèn)知成本。[10]（二）降低外在認(rèn)知負(fù)荷首先考慮交互設(shè)計(jì)內(nèi)部的組織邏輯，辛向陽(yáng)[11]認(rèn)為，交互設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)到用戶不是設(shè)計(jì)師或工程師，沒有足夠的專業(yè)知識(shí)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(jiǎn)潔。

（三）降低關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷主要取決于內(nèi)在和外在認(rèn)知負(fù)荷的大小，用戶將多余的認(rèn)知資源投入到其他的認(rèn)知加工中來(lái)促進(jìn)圖式建構(gòu)。明確的反饋機(jī)制也有助于降低關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。交互系統(tǒng)應(yīng)對(duì)用戶的每個(gè)交互行為進(jìn)行信息反饋，可以降低操作失誤，也可以調(diào)動(dòng)用戶積極性，使用戶在交互過(guò)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(lái)汽車HMI設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）設(shè)計(jì)對(duì)象的轉(zhuǎn)變近年來(lái)，汽車逐步從單一的、完成運(yùn)載功能的機(jī)械轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘粋€(gè)集合信息獲取、傳輸、交流、處理的交互式空間。[12]未來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將會(huì)為汽車提供更完善的無(wú)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(jì)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(jī)交互系統(tǒng)，同時(shí)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(jìn)行資源整合，提高交通效率和安全性。

（二）不斷擴(kuò)大的顯示空間顯示設(shè)備是人機(jī)交互的基礎(chǔ)，用戶可以通過(guò)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(duì)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(rèn)知負(fù)荷，可能會(huì)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(zhǎng)，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(tái)、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(rèn)知負(fù)荷來(lái)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(shí)體交互界面實(shí)體交互界面最初叫作可接觸實(shí)體界面（Gr aspable Us erInterface），是用戶通過(guò)物理實(shí)體和物理環(huán)境與數(shù)字信息進(jìn)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(shí)體按鍵、旋鈕被觸摸屏有主見被取代的趨勢(shì)。實(shí)體交互界面相較于全屏觸摸交互的優(yōu)勢(shì)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(shí)，物理形態(tài)的實(shí)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(shí)體交互界面能讓用戶在視線專注在路況的同時(shí)可以快速控制各種燈光、空調(diào)、音量等（如圖3）。此外，實(shí)體交互可以提供視覺焦點(diǎn)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(wú)焦點(diǎn)狀態(tài);實(shí)體指示器可幫助用戶更有導(dǎo)向性地瀏覽信息界面，在細(xì)致精確的操作中可擁有更高的效能。

從操作角度來(lái)說(shuō)，良好的實(shí)體交互可以將固定的操作規(guī)則充分外露，縮短用戶單個(gè)操作認(rèn)知時(shí)長(zhǎng)。實(shí)體交互利用多種感知和動(dòng)作通道，以并行、非精確的方式與計(jì)算機(jī)支持的智能數(shù)字環(huán)境進(jìn)行信息交互，使人機(jī)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(yàn)更為簡(jiǎn)易流暢。15按鍵、旋轉(zhuǎn)、敲擊等相對(duì)較自然的實(shí)體交互方式通過(guò)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(rèn)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(gè)性化趨勢(shì)在數(shù)字技術(shù)、智能化的影響下，汽車HMI設(shè)計(jì)越來(lái)越重視用戶體驗(yàn)與個(gè)性化。無(wú)人駕駛、共享出行等技術(shù)的成熟與應(yīng)用，使用戶對(duì)駕駛或出行的個(gè)性化的訴求也越來(lái)越迫切。生物識(shí)別可為汽車HMI的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，通過(guò)結(jié)合用戶的線上線下數(shù)據(jù)，給予用戶個(gè)性化的駕乘體驗(yàn)。例如，威馬汽車EX6-PLUS提供的威馬ID，通過(guò)個(gè)性化賬號(hào)，實(shí)時(shí)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(yàn)，節(jié)省其操作和認(rèn)知成本，如圖4。

（五）新型人機(jī)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(dòng)化水平不斷提高，汽車HMI設(shè)計(jì)信息化、智能化趨勢(shì)明顯。以智能汽車、無(wú)人駕駛技術(shù)等為主要應(yīng)用領(lǐng)域的人機(jī)交互系統(tǒng)，逐步取代了傳統(tǒng)汽車的人機(jī)交互設(shè)備。

1.彈性的人機(jī)關(guān)系和人機(jī)協(xié)作交互模式人機(jī)關(guān)系由 “人適應(yīng)機(jī)器”到 “機(jī)器適應(yīng)人”，并逐步向“人機(jī)協(xié)作”的交互模式發(fā)展，呈現(xiàn)出“彈性”的人機(jī)關(guān)系。這種人機(jī)協(xié)作交互模式是未來(lái)高復(fù)雜性、高動(dòng)態(tài)性人機(jī)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(jī)協(xié)作交互的核心是適時(shí)調(diào)控人機(jī)主動(dòng)權(quán)，根據(jù)用戶需求或駕駛情境，交互主動(dòng)權(quán)在人與機(jī)器之間轉(zhuǎn)換。從認(rèn)知科學(xué)的角度來(lái)看，這種轉(zhuǎn)換一方面允許人掌握交互的主動(dòng)權(quán)，以彌補(bǔ)在遇到突發(fā)問題時(shí)，智能機(jī)器無(wú)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(gè)人認(rèn)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(guò)程中的認(rèn)知負(fù)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(dòng)下，汽車的交互范圍在逐漸擴(kuò)大，它不僅會(huì)與車內(nèi)用戶交互，還會(huì)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(jìn)行多種形式的互動(dòng)，建立交互關(guān)系。汽車將綜合考量行車環(huán)境與駕駛場(chǎng)景等具體情境，通過(guò)汽車情境感知設(shè)備、數(shù)據(jù)處理算法等技術(shù)手段，對(duì)周圍環(huán)境、車內(nèi)駕乘人信息以及駕駛過(guò)程中的行駛情境等進(jìn)行快速、準(zhǔn)確識(shí)別。通過(guò)對(duì)信息處理加工過(guò)程的分析，汽車所負(fù)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(dòng)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(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段為核心，通過(guò)不斷模擬并實(shí)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(rèn)知能力，并以此作為基礎(chǔ)，賦予智能人機(jī)交互系統(tǒng)“學(xué)習(xí)、思考、理解、共情”的能力，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的情感交互。

3. 多通道交互設(shè)計(jì)多通道交互是將用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、體感等多個(gè)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(guò)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(guò)程中的信息，提高駕駛?cè)蝿?wù)的安全性，同時(shí)避免單一交互通道認(rèn)知任務(wù)過(guò)載，降低用戶的認(rèn)知負(fù)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(yǔ)音交互、手勢(shì)交互、體感交互等方式在交互設(shè)計(jì)中都有不同程度的應(yīng)用。

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)當(dāng)前發(fā)展較為成熟，語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)言的復(fù)雜性和差異性，語(yǔ)音交互在其他控制設(shè)備上的應(yīng)用還需要更先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)在技術(shù)層面給予支持。

手勢(shì)交互是一種自然的交互方式，也是將來(lái)汽車HMI設(shè)計(jì)領(lǐng)域重要的交互技術(shù)。通過(guò)探尋用戶無(wú)意識(shí)動(dòng)作的規(guī)律并構(gòu)建對(duì)應(yīng)的交互規(guī)則，構(gòu)建更加自然的手勢(shì)動(dòng)作交互體系，從而降低用戶學(xué)習(xí)成本和認(rèn)知負(fù)荷，將是未來(lái)汽車HMI設(shè)計(jì)中手勢(shì)交互的趨勢(shì)之一。[16]例如，蘋果智能手表可以感知用戶抬腕行為自動(dòng)喚醒屏幕（如圖5）。這種交互方式源于用戶無(wú)意識(shí)的抬腕看表的行為，使人機(jī)交互體驗(yàn)更加自然。

結(jié)語(yǔ)

在汽車HMI設(shè)計(jì)不斷發(fā)展的今天，智能化、數(shù)字化所帶來(lái)的交互方式的革新，使得用戶在人機(jī)交互過(guò)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(rèn)知過(guò)程所帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷壓力。對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，如何充分考慮用戶的心理體驗(yàn)，降低用戶認(rèn)知負(fù)荷，成為汽車HMI設(shè)計(jì)亟需解決的問題。本文章主要分析了汽車HMI設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，認(rèn)知負(fù)荷的不同類型和優(yōu)化方案，展望了未來(lái)HMI交互方式的發(fā)展趨勢(shì)，以期為基于認(rèn)知負(fù)荷理論的汽車HMI設(shè)計(jì)中的相關(guān)研究提供進(jìn)一步的思路。