劉雨佳， 王建民， 王文娟， 張小龍

(1.同濟大學 設計創(chuàng)意學院, 上海 200092；2.同濟大學 藝術與傳媒學院汽車交互設計實驗室, 上海 201804；3.賓夕法尼亞州立大學 信息科學與技術學院, 帕克分校, PA16802)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是汽車和信息、通信等產(chǎn)業(yè)跨界融合的重要載體和典型應用，是全球創(chuàng)新熱點和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高峰. 隨著汽車技術發(fā)展，車內(nèi)人機交互界面(HMI)也在不斷的發(fā)展，尤其在近幾年，車內(nèi)HMI越來越受到用戶以及汽車廠商的重視. HMI設計需要經(jīng)歷不斷的測試和改進，進行實車測試和評估時，能準確地考慮人與汽車、人與界面的人機關系；同時，被測試者會有最真實的反應，測試也是最有效的. 然而實車測試的時間周期會比較長，耗費較大的人力、物力和其他資源，重要的是，會有一定的安全風險. 所以越來越多的設計者提出了在駕駛模擬器上進行前期的車內(nèi)HMI測試,搭建一個基于駕駛模擬器的HMI可用性測試實驗環(huán)境成了一個急需解決的問題. 雖然目前對于HMI測試的方法已經(jīng)有了很多研究工作，但是針對駕駛模擬器的可用性測試方法還處于探索階段. 本文從物理平臺與軟件系統(tǒng)兩個維度來考慮搭建實驗環(huán)境，并提出一個針對模擬器的HMI測試方法，并以車道偏離警示系統(tǒng)功能為例驗證方法的可行性. 通過對可用性測試實驗環(huán)境的搭建，還可以擴展到驗證基于高級駕駛輔助系統(tǒng)中功能的HMI設計，如盲區(qū)監(jiān)測功能等技術.

1 從駕駛模擬器到整體實驗環(huán)境

汽車駕駛模擬器一般是根據(jù)典型汽車的功能需求把汽車零部件與車載儀表盤等屏幕組合在一起，將虛擬駕駛仿真系統(tǒng)技術運用在上面，通過模擬和顯示汽車的基本功能，為駕駛員提供真實的操作環(huán)境. 科研型駕駛模擬器不僅能保證在極限行駛工況下給駕駛員提供一個安全的實驗環(huán)境，還能更便捷準確地采集到實驗所需的數(shù)據(jù)[1]. 大型駕駛模擬器實驗成本高，而小型駕駛模擬器功能具備不完全，因此，進行汽車人機界面設計的研究，去搭建中小型科研型駕駛模擬器來進行研究具有很好的可行性. 虛擬現(xiàn)實等技術的成熟，也極大地推動了駕駛模擬器的研究工作，促進了可用性評估方法的完善[2]. 但在一個完整的可用性測試過程中，涉及的不僅僅是模擬器的搭建開發(fā)與被測駕駛人員的研究，還包括其他人與人(如：輔助駕駛人員與記錄人員等)，人與機之間的相互關系. 考慮到HMI測試過程中所有相關人員與環(huán)境的協(xié)調(diào)關系，需要搭建一個基于駕駛模擬器的HMI可用性測試實驗環(huán)境. 在這個實驗環(huán)境中，包括物理實驗平臺的搭建，系統(tǒng)軟件的設計、選取與應用，考慮相關人員的相應位置關系，人與機器的交互關系，最后通過實驗對其功能進行了驗證.

2 智能駕駛模擬器的物理實驗環(huán)境搭建

2.1 實驗環(huán)境功能分區(qū)

在HMI可用性測試中，通常涉及到多角色的相互協(xié)作，所以在考慮實驗環(huán)境搭建的過程中，需要對環(huán)境進行功能分區(qū)(圖1). 根據(jù)實驗中不同功能的需求，將分為4大區(qū)域：接待區(qū)、主測試區(qū)、輔助駕駛區(qū)和操作監(jiān)控區(qū).

2.1.1接待區(qū)

接待區(qū)是進行實驗前的活動區(qū)域. 實驗人員在這里進行被試人員的招募與實驗引導，講解必要的流程與介紹實驗相關的器材.

2.1.2主測試區(qū)

隨著智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，未來智能汽車作為人機交互的載體，其發(fā)展方向愈加智能化. 在這個區(qū)域內(nèi)不僅要考慮物理的臺架設計，還要考慮人與人、人與臺架的交互方式. 臺架內(nèi)交互區(qū)域的選擇可以從用戶、活動和技術三個角度著手. 用戶即明確車內(nèi)交互區(qū)域的使用者，被測試人員坐在主駕駛位置，接受由實驗人員發(fā)布的任務，如有必要的話，還有輔助駕駛人員坐在后排，觀察被試者行為，協(xié)助實驗順利進行. 測試車前方有環(huán)幕，可以顯示出預設的各種道路工況和動態(tài)的交通場景. 活動指的是用戶在車內(nèi)的主要行為與任務，不同行為與任務所涉及到的車內(nèi)區(qū)域也不同. 駕駛員在車內(nèi)最主要的任務是駕駛，因此和駕駛相關的信息輸入輸出都集中在駕駛員前方區(qū)域，駕駛員操作最方便的區(qū)域，而其余像空調(diào)調(diào)節(jié)、車窗開關的操作就設計在駕駛員側方區(qū)域. 技術的發(fā)展支持了車內(nèi)交互區(qū)域的延伸，而現(xiàn)在的增強現(xiàn)實技術更是將交互區(qū)域延伸到了車外，車內(nèi)的可交互區(qū)域也變得越來越多.

2.1.3輔助駕駛區(qū)

在實驗過程中為了營造更加真實的環(huán)境，需要加入若干輔助駕駛車輛模擬真實的道路場景. 當多輛駕駛車同時運行時，各輛測試車之間通過網(wǎng)絡連接，輔助駕駛人員和被試駕駛員可以互相看到其他進入同一場景的駕駛車輛，可以配合完成不同的駕駛場景. 實現(xiàn)網(wǎng)絡連接后，該駕駛仿真系統(tǒng)則可以有更大的靈活性，只要在同一局域網(wǎng)下，則可以任意接入駕駛車輛，實現(xiàn)多車測試，更加真實地模擬真實交通環(huán)境.

2.1.4操作監(jiān)控區(qū)

操作監(jiān)控區(qū)中有記錄人員和測試工程師兩種角色. 記錄人員能夠在觀察屏上看到駕駛者操控硬件設備的實時錄像、場景的全局地圖以及當前駕駛車輛的局部地圖，這樣能夠更加清晰地看到駕駛車輛在地圖中的位置信息，并且觀察到車輛周圍的環(huán)境；同時，也可以通過錄像中駕駛員的動作來提出駕駛意見. 在觀察屏中記錄了車輛數(shù)據(jù)實時曲線圖，包括速度、加速度、方向盤轉角、剎車、儀表盤、HUD、中控屏等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實時曲線圖數(shù)據(jù)保存后與視頻有統(tǒng)一的時間線，便于后期的數(shù)據(jù)分析.

測試工程師是指在被試測試過程中檢查軟件有沒有缺陷，測試系統(tǒng)是否具有穩(wěn)定性、易操作性等性能，和切換駕駛場景的專門工作人員. 他們保證了實驗的順利進行，并且可以在實驗結束后與記錄人員一起分析數(shù)據(jù).

2.2 智能駕駛汽車臺架設計

未來駕駛座艙將為駕駛者提供更高效更便捷的信息操作及多通道的交互方式. 汽車駕駛模擬器對于科學實驗與教學研究具有重要意義，不僅能保障被試者的安全，還能通過實驗獲得與實車實驗相近的實驗數(shù)據(jù). 本文針對未來駕駛座艙的理念，提出了一個可變、可調(diào)、可拆裝式的中小型臺架設計.

2.2.1總體設計

設計的中小型科研駕駛模擬器主要有基礎支架部分、多屏顯示布局、轉向操作機構、電子踏板和轉角傳感器等組成.

2.2.2基礎支架設計

基礎支架是承接其他組成部分的重要連接部分，由不同規(guī)格鋁型材組成，彼此通過角件連接. 基礎支架包括基座、支撐架、絲桿腳輪等. 支撐架與基座彼此分離，座椅和屏幕可在基座上進行角度與位移的變換. 基礎支架最大特點是便于拆裝和轉移.

2.2.3多屏聯(lián)動顯示布局設計

智能汽車需要準確感知并理解人類駕駛員意圖并主動地介入駕駛任務，還需要通過多通道的交互途徑，整合不同屏幕，在合適的時間、合適的場景中、傳達合適的信息給駕駛員，從而提高駕駛體驗和駕駛效率. 車內(nèi)交互設計不同于傳統(tǒng)人與計算機界面的交互，計算機只有一個屏幕，所有的交互活動都在這個屏幕上進行，但車輛是一個三維空間，車輛信息無法集中于一個特定的區(qū)域，因此為了使車內(nèi)繁多的信息更加快速清楚地傳遞給駕駛員以及使駕駛員快速進行信息輸入，需要在車輛的三維空間維度上選擇合適的區(qū)域進行設計，之后落實到每個區(qū)域內(nèi)的具體人機界面.

共享經(jīng)濟的到來也給智能座艙帶來了很大的影響，未來座艙更傾向于“艙”的概念，車內(nèi)多屏聯(lián)動更趨于“零屏”——艙內(nèi)一切皆為屏. 可定制、個性化、情感化、數(shù)字化、共享化、多模式的設計是未來座艙發(fā)展的趨勢. 通過對車內(nèi)多屏聯(lián)動顯示布局與車內(nèi)可交互區(qū)域進行拆分與設計，大致可以分為以下：儀表盤、中控屏、信息系統(tǒng)顯示屏、HUD、內(nèi)外后視鏡、輔助信息顯示屏、后排屏和車窗屏等,如圖2所示，實驗臺架實景如圖3所示.

① 儀表盤. 儀表盤是車架內(nèi)最主要的信息輸出空間，車輛各種狀態(tài)信息、系統(tǒng)工作信息、以及駕駛員操作反饋都主要顯示在儀表盤上. 儀表盤位于駕駛員前方視線之下，使得駕駛員能夠較為方便地實時監(jiān)控車輛信息. 由于儀表盤大小有限，因此主要承擔與駕駛任務相關的車輛信息.

② 中控屏. 中控屏是信息系統(tǒng)顯示屏上方的一塊屏幕，由于它比信息系統(tǒng)顯示屏高，位于方向盤右側，因此駕駛員在獲取信息時不需要低頭，只需要略微轉頭便可獲取，因此它相較于信息系統(tǒng)顯示屏更適合顯示一些行駛過程中與駕駛任務相關或者一些非駕駛任務的信息，比如車輛倒車時獲取倒車影像顯示在屏幕上.

③ 信息系統(tǒng)顯示屏. 信息系統(tǒng)顯示屏由于其位置不在駕駛員視線主要位置內(nèi)，且距離駕駛員雙手操作位置稍遠，因此信息系統(tǒng)顯示屏主要承載了一些非駕駛任務信息，如音樂控制、空調(diào)控制、系統(tǒng)參數(shù)設置等.

④ HUD. 車輛駕駛中執(zhí)行額外的任務或汽車界面信息過載會對駕駛員駕駛產(chǎn)生不利影響，特別是在當駕駛員工作負載已經(jīng)很高或駕駛員具有較低的響應能力的時候. HUD顯示的好處就是它直接出現(xiàn)在駕駛員視線前方位置，避免了駕駛員低頭或者轉頭，因此信息可以被快速獲取；同時駕駛員仍然可以繼續(xù)關注前面路面信息. 因此一些簡要的導航和緊急信息可以通過HUD顯示呈現(xiàn)給駕駛員，使駕駛員最快地獲取情況，從而及時做出反應.

⑤ 內(nèi)外后視鏡. 內(nèi)外后視鏡是駕駛員獲取后方信息的主要方式，但駕駛員視線仍然存在盲點，而盲點信息最主要影響駕駛員變道行為，因此在變道場景的設計中，可以將盲點信息與內(nèi)外后視鏡結合起來設計考慮，使駕駛員在查看后視鏡的時候立即獲得周圍環(huán)境信息，減少因為盲點信息造成的危險情況.

⑥ 輔助信息顯示屏. 輔助信息顯示屏承擔一些輔助設置信息的功能，例如娛樂功能，一般由副駕駛員操作，這樣就能使用單獨屏幕而不會相互影響，實現(xiàn)多行為操作. 或是將其與儀表盤、中控屏結合，形成“一字屏”，整體更加趨于一體化.

⑦ 后排屏. 后排屏是放置在前排座椅的頭枕后部的顯示屏，在模擬器中可以給乘客播放視頻、游戲娛樂等用途，也可以給輔助駕駛人員使用以協(xié)助測試者.

⑧ 側窗屏. 整體側窗屏的概念傾向于針對未來駕駛座艙，座艙的側立面都可視作側窗屏. 座艙里人員在座位上可以通過生物交互、全息交互、語音交互等操作整體側窗屏以切換自己想要的模式(例如旅行模式、辦公模式、親子模式等)，情感化設計實現(xiàn)不同的群體的不同需要. 側窗屏還可以延伸到車外，通過指紋、面容ID、移動端控制來實現(xiàn)解鎖汽車. 針對局部的屏幕，像是主駕駛人員旁的側窗屏，可用作查看盲點區(qū)域和呈現(xiàn)附近信息，為用戶提供更多地多方位導航信息.

3 實驗平臺軟件系統(tǒng)構架

此實驗平臺軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)是基于開發(fā)引擎——Unity3D平臺，對汽車基礎功能進行模擬，設計并實現(xiàn)汽車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)，模擬不同交通環(huán)境下車輛的駕駛行為，實現(xiàn)具有可交互性和高擴展性的虛擬駕駛行為[3].

為實現(xiàn)整個系統(tǒng)，需要滿足以下的功能需求：① 汽車功能模擬. 能基本實現(xiàn)一個典型的汽車具有的功能. ② 汽車駕駛場景演示. 將汽車初始狀態(tài)以及智能車輛的產(chǎn)生位置和數(shù)量進行不同的組合，形成不同交通環(huán)境下的駕駛場景. ③ 局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡連接. 實現(xiàn)網(wǎng)絡連接后，該駕駛仿真系統(tǒng)則可以有更大的靈活性，只要在同一局域網(wǎng)下，則可以任意接入駕駛車輛，實現(xiàn)多車測試，更加真實地模擬真實交通環(huán)境來進行駕駛安全教育. ④ 觀察屏. 駕駛人員或者其他人員能夠在觀察屏上看到駕駛者操控硬件設備的實時錄像、場景的全局地圖以及當前駕駛車輛的局部地圖，這樣能夠更加清晰地看到駕駛車輛在地圖中的位置信息，并且觀察到車輛周圍的環(huán)境. 虛擬駕駛仿真系統(tǒng)按照實現(xiàn)的功能模塊可以劃分為測試車模塊、環(huán)境場景與交通設置兩大部分，整體功能框架圖如圖4所示.

測試車模塊主要用來展示汽車的基本功能和結構能. 汽車構造系統(tǒng)是一個非常龐大且復雜的系統(tǒng)，為了更好地建立汽車的仿真模型，給汽車駕駛場景的建立提供完整的汽車功能模型，對汽車構造系統(tǒng)進行了抽象簡化與建模[4]. 測試車與輔助車的輸入方式不僅有油門、剎車、方向盤、轉向，同時還有智能的交互輸入方式——手勢交互與語音交互. 系統(tǒng)收集到測試車的信息后，可以反饋到智能駕駛座艙里的屏幕中. 多輛測試車之間通過局域網(wǎng)連接，駕駛人員可以看到其他駕駛人員駕駛的車輛.

環(huán)境場景與交通設置模塊主要為汽車提供駕駛環(huán)境，包括聲音、天氣、場景、智能車輛、道路、天空盒、等模型，還對建筑物等模型設置碰撞體，同時設置智能車輛在不同場景中的行駛路線、速度和數(shù)量，盡量符合真實駕駛環(huán)境. 周圍環(huán)境與設施包含場景中虛擬的駕駛車輛，紅路燈、建筑房屋、地形樹木等交通輔助設施. 收集的數(shù)據(jù)信息主要為縱向數(shù)據(jù)(速度、加速度、位置等)、橫向數(shù)據(jù)(方向盤轉角，水平偏移等)和狀態(tài)信息(高級輔助駕駛系統(tǒng)、道路環(huán)境等)[5-6]. 后期分析時可以根據(jù)具體實驗需求，遴選所需數(shù)據(jù).

4 基于模擬器的智能駕駛汽車LDW功能的HMI測試方法分析

隨著大數(shù)據(jù)、計算機視覺、機器學習、云計算等技術等不斷發(fā)展，推動了汽車的自動化和智能化，越來越多的汽車正在開發(fā)ADAS. 通過收集數(shù)據(jù)，識別，檢測和跟蹤靜態(tài)和動態(tài)的對象，并結合導航地圖數(shù)據(jù)以執(zhí)行系統(tǒng)操作和分析，從而讓駕駛人員提前察覺到可能發(fā)生的危險，有效提高了汽車駕駛的舒適性和安全性. 上述的測試實驗環(huán)境可以適用ADAS中的各項功能，以下以LDW為例分析HMI的測試方法.

4.1 LDW功能分析

LDW通過在汽車上的一個物理按鍵被激活，如果駕駛員在駕駛過程中偏離了原來的行駛車道，但沒有轉向操作(如打轉向燈)，系統(tǒng)就會發(fā)出相應的信號警示，從而減少因車輛偏離行駛車道而造成的交通事故[7]. 常見的 LDW警報方式有在儀表盤及HUD的提示、聲音、方向盤的振動、方向盤的回正力、安全帶的縮緊等.

4.2 基于LDW功能的HMI測試實驗

實驗假設在使用LDW功能后，不同的縱向駕駛速度下對系統(tǒng)可用性、駕駛員心理、行為因素有不同的影響.

4.2.1場景設計

在對LDW進行應用場景設計前，要先確定測試法規(guī)，這里選取的美國高速公路安全管理局NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)制定的標準. 車道線的寬度在 10～15 cm 之間，車輛兩側分別為黃色不連續(xù)虛線與白色連續(xù)實線. 主要場景選定直道左偏,如圖5所示. 車輛在最早報警線(距離車道線0.75 m)與最遲報警線(距離車道線0.30 m)之間發(fā)出警報，對應屏幕上的界面隨著發(fā)生改變，并且伴隨著語音提醒.

針對 LDW 的HMI測試，這里主要測試了三種縱向速度下的被試行車反應. 車輛以縱向速度分別為40，55和70 km/h的速度進行測試，允許在±2 km/h之內(nèi). 只要車輛在最早報警線與最遲報警線之間發(fā)出警報即視此次測驗為有效.

當被試開啟LDW功能以指定駕駛速度在當前車道平穩(wěn)行駛后，因無意識車道偏離受到HUD上界面提示后，轉動方向盤使車輛回正，界面提示消失, 如圖6所示. 每位被試一共以3次測試每完成一次測試，填寫系統(tǒng)可用性量表(SUS)、總體工作負荷量表以及進行簡短的實驗后訪談.

共有12名被試參與了這項實驗，5名男性、7名女性. 他們年齡在20～30歲之間，平均年齡24歲(SD=3.3),駕齡在一年以上. 并且，被試沒有眼疾或行為上的疾病. 測試前介紹了LDW的功能，并進行了10～20 min的練習以熟悉模擬器的駕駛.

4.2.2實驗設備和測量

此次實驗在上述可用性測試實驗環(huán)境中完成. 實驗裝置主要硬件部分如下：① 一套羅技G29：包括方向盤和三腳踏板，被試通過方向盤上的物理按鍵開啟LDW功能；② 一臺計算機：控制G29駕駛模擬器，供被試使用；③ 三臺顯示器：用于操作監(jiān)控區(qū)實驗人員觀察實驗場景與數(shù)據(jù). 實驗裝置軟件部分為Unity 5.0及Unity相關插件：營造真實的駕駛環(huán)境. 車輛速度、THW值、方向盤轉角、剎車、加速等駕駛信號可以通過Unity獲得并導出.

4.2.3實驗結果

根據(jù)模擬器采集的回正時間數(shù)據(jù)可知，不同速度下的平均回正時間有著顯著的差異, 如圖7～8所示. 經(jīng)過對比分析，40 km/h速度下，回正時間為4.1 s，高于70 km/h速度下1.0 s. ANOVA(α=0.05)檢驗了3組數(shù)據(jù)之間的顯著的差異性(F(2,33)=43.80,p<0.05).

系統(tǒng)可用性量表SUS是廣泛用于測試產(chǎn)品、系統(tǒng)的可用性的量表，具有很高的信度. 其包含十項題目，奇偶題目穿插正面積極與負面消極描述，5點量表(1為強烈反對，5為非常同意). 得到原始數(shù)據(jù)后需將其轉化為百分制的分數(shù). 將12名被試的可用性量表總分數(shù)據(jù)統(tǒng)計表、三組速度的對比分別如圖9～10所示.

速度為40 km/h的平均得分為74.0分(SD=10.6)，高于55 km/h速度下得分69.1分(SD=9.61)與70 km/h速度下得分66.3分(SD=10.7). 說明參與實驗的被試人員認為低速時LDW功能的體驗更好些.

根據(jù)上述結果與試驗后訪談情況，被試在不同駕駛速度下使用LDW功能有著顯著的差異，表現(xiàn)在：速度越高時，心理負荷增高，界面可用性略降低，同時回正時間明顯減少. 因此，在設計LDW的HMI時，應注意盡量避免過多占用被試的行為資源，簡潔明了為主，同時提高系統(tǒng)性能，增強系統(tǒng)可用性.

5 結束語

通過分析汽車人機界面可用性測試中人與機器之間的相互關系，設計了未來智能駕駛臺架，并搭建了一個仿真實驗測試環(huán)境. 梳理了基于駕駛模擬器的HMI測試方法，最后以LDW功能為例驗證了測試實驗環(huán)境的合理性，為未來的汽車HMI測試方法提供了理論指導和技術支持.