摘要：應(yīng)用情境意識理論對自動超車場景下的汽車人機(jī)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以增強(qiáng)自動駕駛系統(tǒng)的可用性。分析了自動超車行為與自動駕駛中情境意識的認(rèn)知機(jī)制，提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，最后通過設(shè)計(jì)實(shí)踐驗(yàn)證了HMI設(shè)計(jì)的有效性?；谇榫骋庾R設(shè)計(jì)的HMI具備較高的可用性，對未來自動駕駛系統(tǒng)的HMI開發(fā)具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：情境意識；自動超車；自動駕駛；HMI設(shè)計(jì)

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-07-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.008

1 自動超車場景下HMI設(shè)計(jì)的情境意識

情境意識理論認(rèn)為人能意識到自己處于何種情境，并相應(yīng)地調(diào)整行為、情緒和認(rèn)知。它最初是為了理解航空任務(wù)而開發(fā)的理論，但同樣可以擴(kuò)展到發(fā)電、石油化工、核能、指揮控制、交通等其他領(lǐng)域。從本質(zhì)上講，任何需要人們實(shí)時(shí)跟蹤的任務(wù)都有可能成為情境意識研究和應(yīng)用的對象。情境意識分為三個(gè)等級，每一個(gè)階段都是下一個(gè)更高水平的必要前提。該模型遵循信息處理鏈，從感知開始，經(jīng)過解釋，到預(yù)測結(jié)束[1]。在HIM研究中引入情境意識理論，能幫助我們更好地理解駕駛員與自動駕駛系統(tǒng)之間的協(xié)作機(jī)制，確定駕駛員與系統(tǒng)之間的認(rèn)知差異，提出相應(yīng)設(shè)計(jì)策略，增強(qiáng)用戶對自動駕駛系統(tǒng)的信任和接受度。

1.1 情境意識

情境意識理論最經(jīng)典的模型是Endsley提出的三級模型理論。根據(jù)這一理論，情境意識分為三個(gè)層次：感知（Perception）、理解（Comprehension）和預(yù)測（Projection）[2]。它對于感知環(huán)境要素，理解其意義并推測未來狀態(tài)具有非常重要的作用。駕駛員的險(xiǎn)情感知就是經(jīng)典的情境意識[3]。自動駕駛中的情境意識模型如圖1所示。

1.2 情境信息感知

感知是情境意識的基礎(chǔ)，涉及對環(huán)境中各種動態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取。對于駕駛員來說，情境信息感知包括對道路、交通、車輛狀態(tài)以及其他交通參與者行為的全面了解。在自動駕駛中需要駕駛員感知的情境信息可以分為環(huán)境感知與車輛狀態(tài)感知。

環(huán)境感知是指駕駛員和自動駕駛系統(tǒng)對外部環(huán)境的識別和理解。它包括道路標(biāo)識、車道線、交通標(biāo)志和信號燈、其他車輛、行人、騎行者以及路面狀況等。例如在蔚來汽車HMI設(shè)計(jì)中，與其他車輛過近時(shí)，會在相應(yīng)方位顯示警示特效，如圖2所示。

車輛狀態(tài)感知則涉及對自身車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，包括車輛速度、方向、續(xù)航等信息。這些數(shù)據(jù)影響車輛的安全性，關(guān)系著自動駕駛系統(tǒng)決策精度。

1.3 情境信息理解

情境意識的第二階段是對情境的理解，這是基于對前一階段中各元素的整合。情境意識的第二階段可以描述為對周圍環(huán)境中其他因素的理解，特別是如何把這些因素整合在一起與操作員的目標(biāo)相關(guān)聯(lián)[4]。對于自動駕駛系統(tǒng)和駕駛員來說，感知到周圍環(huán)境中的各種要素后，需要理解各種要素及其對駕駛目標(biāo)的影響。在HMI的設(shè)計(jì)上需要考慮在信息內(nèi)容呈現(xiàn)的方面，提供詳細(xì)的自動操作原因幫助駕駛者快速構(gòu)建當(dāng)前的駕駛情境，促進(jìn)駕駛者準(zhǔn)確理解當(dāng)前駕駛狀態(tài)，有效恢復(fù)其情境意識水平，減少駕駛者的思考時(shí)間，幫助其理解自動駕駛系統(tǒng)的操作[5]。

1.4 情境信息預(yù)測

情境信息預(yù)測是情境意識的第三層次，它基于對當(dāng)前情境的理解，預(yù)測未來可能發(fā)生的情況。第三級情境意識涉及預(yù)測環(huán)境中各因素在未來的可能變化。這種預(yù)測是基于對環(huán)境中元素狀態(tài)的認(rèn)識以及對情境情況的理解來實(shí)現(xiàn)的。有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員可以從感知和理解的信息中預(yù)測未來可能發(fā)生的事件，這為他們提供了時(shí)間來決定最合適的行動方案，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)[4]。在這個(gè)過程中，HMI設(shè)計(jì)起著重要作用，要考慮如何將復(fù)雜的預(yù)測信息直觀地傳遞給駕駛員，幫助駕駛者準(zhǔn)確理解當(dāng)前駕駛狀態(tài)并對預(yù)測信息作出反應(yīng)。例如，通過圖形界面告知駕駛員系統(tǒng)即將進(jìn)行的操作，幫助駕駛員做出更加明智的決策。在小米Su7汽車的自動駕駛HMI中，系統(tǒng)會主動標(biāo)注汽車將要進(jìn)行的操作以及下一步的行駛路線，如圖3所示。

2 自動超車場景下的情境意識研究分析

由SAE（Society of Automotive Engineers）建立的駕駛自動化等級包含了從基礎(chǔ)的無輔助駕駛（L0）到完全無需駕駛員干預(yù)的自動駕駛（L5）6個(gè)等級。目前能夠量產(chǎn)的自動駕駛汽車己接近L3 級別，這標(biāo)志著汽車已具備在特定條件下接管駕駛?cè)蝿?wù)的能力，但此階段的智能技術(shù)仍需駕駛員和機(jī)器共享汽車的操控權(quán)，并要求駕駛員在汽車提出接管請求或發(fā)生其他緊急情況時(shí)能夠迅速接管。

2.1 自動超車任務(wù)分析

超車行為是駕駛員為尋求更寬闊的行車環(huán)境和更快駕駛速度而進(jìn)行的行駛活動。它涉及車輛在道路上超越其他車輛，包含復(fù)雜的交通環(huán)境和動態(tài)情境。因此對駕駛員與自動駕駛系統(tǒng)的協(xié)作有著較高的要求。超車時(shí)智能車輛可能出現(xiàn)緊急狀況，所以車速、安全時(shí)間等實(shí)時(shí)預(yù)測以及跟蹤規(guī)劃的超車路徑，均對超車的順利進(jìn)行具有重要意義[6]。

自動超車場景的行為分析能夠加深對駕駛員需求的歸納，理解如何處理超車中的動態(tài)信息。超車是一項(xiàng)復(fù)雜的駕駛行為，可以將超車過程分解為預(yù)備超車、向左變道、并行快速超越和并入原車道4個(gè)階段，如圖4所示。

在自動超車中，駕駛員的任務(wù)由駕駛轉(zhuǎn)為了監(jiān)督，人機(jī)交互的重點(diǎn)在于幫助駕駛員快速理解系統(tǒng)的意圖以便更好地監(jiān)督系統(tǒng)。系統(tǒng)自動超車功能運(yùn)行時(shí)，車機(jī)系統(tǒng)能夠獲取到大量車輛行駛道路環(huán)境信息，并依據(jù)這些信息控制車輛保持合理行駛狀態(tài)。相較于傳統(tǒng)超車，自動超車人機(jī)交互的信息需求不僅局限于車速、車距等簡單數(shù)據(jù)。在自動駕駛系統(tǒng)的協(xié)助下，駕駛員不再依賴個(gè)人對路面狀況的感知，HMI作為汽車與人交互的主要通道，要求也就越來越高，僅提供車速、車距等信息已經(jīng)無法滿足自動超車的需求。

2.2 自動超車任務(wù)分析

通過對自動超車行為和部分L3級汽車HMI的分析，可以根據(jù)情境意識理論提出一些策略優(yōu)化信息設(shè)計(jì)，提高駕駛安全性和可用性。

2.2.1 優(yōu)化信息展示方式

信息層級化處理，在HMI界面上，突出展示與當(dāng)前駕駛?cè)蝿?wù)的關(guān)鍵信息。例如，在超車階段，應(yīng)該重點(diǎn)顯示前方車輛的速度、距離以及后方來車的信息。將次要信息隱藏，將不緊急的信息進(jìn)行隱藏或壓縮展示，駕駛員可通過觸控、語音或手勢等交互方式主動獲取。使用直觀的圖標(biāo)、圖表和動畫來展示復(fù)雜信息，如車輛的相對位置、速度趨勢等，如圖5所示。

2.2.2 增強(qiáng)信息的實(shí)時(shí)性和透明度

根據(jù)駕駛情境的變化動態(tài)調(diào)整信息展示內(nèi)容，保證駕駛員隨時(shí)獲取最新信息，可提升透明度，展示決策過程。在HMI中增加對自動駕駛系統(tǒng)決策過程的展示，使駕駛員理解系統(tǒng)為何做出某種決定。例如為什么選擇超車，在系統(tǒng)進(jìn)行操作前，通過HMI界面或語音提示駕駛員，使其對系統(tǒng)的下一步動作有所預(yù)見，如圖6所示。

2.2.3 提高預(yù)測信息的連續(xù)性

在HMI中引入預(yù)警系統(tǒng)，對潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警。例如，前方道路情況變化時(shí)，提前告知駕駛員可能的風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)應(yīng)對策略。并且系統(tǒng)不僅僅展示當(dāng)前的情境信息，還要對未來一段時(shí)間內(nèi)的情境變化進(jìn)行預(yù)測，甚至能夠預(yù)估其他車輛的行為模式。優(yōu)化視覺設(shè)計(jì)，利用不同顏色編碼來區(qū)分不同類型的信息，綠色表示低風(fēng)險(xiǎn)，黃色表示中風(fēng)險(xiǎn)，紅色表示高風(fēng)險(xiǎn)。例如，在進(jìn)行自動超車時(shí)，HMI可以通過視覺的手段提醒駕駛員當(dāng)前超車的危險(xiǎn)程度以及潛在的危險(xiǎn)因素，如圖7所示。

3 可用性測試

在自動駕駛系統(tǒng)中，HMI可用性對駕駛員和乘客的信任和接受度起著決定性作用。自動駕駛功能的設(shè)計(jì)和開發(fā)，應(yīng)該做到在確保駕駛安全的前提下，不斷提升系統(tǒng)可用性[7]。

3.1 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)對象包括20名駕駛員，選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：具備不同駕駛經(jīng)驗(yàn)（包括新手和有豐富經(jīng)驗(yàn)的駕駛員）、涵蓋不同年齡段（20～60歲之間）、性別均衡（男女各10人）。實(shí)驗(yàn)對象多樣性能夠確保HMI可用性測試結(jié)果的普遍性和代表性，反映真實(shí)用戶的需求和體驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用系統(tǒng)可用性量表（SUS）來評估HMI的可用性。系統(tǒng)可用性量表（SUS）是一種常用的量表，用于評估系統(tǒng)的可用性[8]。系統(tǒng)可用性量表（SUS）由10個(gè)題目組成，采用5分制評分。奇數(shù)項(xiàng)以正面描述問題，偶數(shù)項(xiàng)以反面描述問題。計(jì)算SUS得分時(shí)，首先需要將每個(gè)題目的原始得分轉(zhuǎn)換為特定分值（0～4之間）。對于奇數(shù)項(xiàng)題目，分值等于原始分?jǐn)?shù)減去1；對于偶數(shù)項(xiàng)題目，分值等于5減去原始分?jǐn)?shù)。然后，將所有題目的轉(zhuǎn)換分值相加，并乘以2.5，即可得到SUS的總分，范圍為0～100分。

實(shí)驗(yàn)對象在模擬駕駛器上使用新設(shè)計(jì)的HMI輔助體驗(yàn)自動超車任務(wù)，完成任務(wù)后填寫問卷。最后，通過分析SUS評分和客觀數(shù)據(jù)，評估HMI設(shè)計(jì)的可用性和用戶體驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對量表各項(xiàng)評分進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到一個(gè)總分，范圍在0～100之間。通常，SUS評分達(dá)到68分及以上表示系統(tǒng)具備良好的可用性，超過80分則表示系統(tǒng)具有優(yōu)秀的可用性。在本實(shí)驗(yàn)中，20名實(shí)驗(yàn)對象完成了自動超車任務(wù)并填寫了SUS問卷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用新設(shè)計(jì)HMI界面的實(shí)驗(yàn)組平均SUS得分為83分。數(shù)據(jù)表明，新設(shè)計(jì)的HMI界面在任務(wù)完成時(shí)間、操作準(zhǔn)確性和用戶滿意度方面均比較優(yōu)秀。定性反饋也表明，實(shí)驗(yàn)組的用戶普遍認(rèn)為新界面信息展示直觀、操作簡便，大幅提升了駕駛員對自動駕駛系統(tǒng)的信任。綜合分析表明，基于情境意識設(shè)計(jì)的HMI在自動超車場景下具備較高的可用性，能夠有效提升用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)可用性。

4 結(jié)語

通過對自動超車場景下的情境意識分析，本研究提出了一系列提升系統(tǒng)可用性和用戶體驗(yàn)的策略。設(shè)計(jì)實(shí)踐的可用性測試結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的HMI界面在任務(wù)完成時(shí)間、操作準(zhǔn)確性和用戶滿意度方面均表現(xiàn)優(yōu)秀。用戶普遍認(rèn)為新界面信息展示直觀、操作簡便，提升了對自動駕駛系統(tǒng)的信任。綜合分析表明，基于情境意識設(shè)計(jì)的HMI在自動超車場景下具備較高的可用性，能夠有效提升用戶體驗(yàn)。本研究的優(yōu)化策略和設(shè)計(jì)方案對未來自動駕駛系統(tǒng)的HMI開發(fā)具有重要的參考價(jià)值。

受時(shí)間以及資源的限制，本研究仍存在一些不足之處需要解決。本研究優(yōu)化策略主要針對自動超車場景，其他駕駛場景尚未涉及。未來研究應(yīng)擴(kuò)展更多駕駛場景，進(jìn)一步完善HMI設(shè)計(jì)策略。在未來研究中，自動駕駛系統(tǒng)的HMI設(shè)計(jì)應(yīng)更加關(guān)注系統(tǒng)自適應(yīng)性。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛員的個(gè)人習(xí)慣調(diào)整信息展示和交互方式，從而提高系統(tǒng)的可用性。

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