基于车载人机交互技术的驾驶学习辅助系统

延鸣，董华

(同济大学 艺术与传媒学院，上海 201804)

1 引言

随着移动互联网技术的发展，人车交互方式与功能日趋多样化。目前汽车与驾驶者的交互领域包含前方路况自然显示、辅助驾驶显示、车内外信息交互与娱乐以及移动设备与汽车整合四个方面[1]。然而驾驶教学中的交互模式多集中于前两个方面[2]，学员在驾驶学习操作中由于对车辆部件不熟悉，视线在目视前方观察路况与低头下视仪表盘之间切换困难，存在安全隐患。因此驾驶任务流程的标准化和驾驶负荷的降低成为主要任务。

从交互界面角度来看，传统的车辆信息交互界面为物理界面，分为仪表盘和中控台旋钮，主要为物理按键操作。由于近年来交互方式的发展，物理界面逐步转向空间界面，触屏操作逐步普及[3]。由于中控台触屏操作相比于物理按键视觉上更加直观，一定程度上可以缩短驾驶学习的操作时间，成为人车交互系统的发展趋势。

在汽车人机交互模型中交互方式主要为体感交互、语音交互和多通道交互[4]。其中体感交互主要为手势交互，但由于其操作复杂、容易造成误判以及难以撤销等问题，不适合运用在驾驶教学中；语音交互在日常驾驶中一般用于拨打电话、车辆导航等，在驾驶学习中可通过其对学员进行及时指导和错误纠正，这将在一定程度上减轻教练的教学负担；多通道交互综合了语音、体感、视觉等多种交互模式，更加适用于驾驶学习[5]。由于在传统仪表板条件下，阅读屏幕信息(包括眼睛的来回视线调整)至少需要半秒[5]，在30km /min的速度条件下，意味着驾驶员盲驾约4.2 m，这对于驾驶新手来说十分危险[6]。所以驾驶教学的多通道教学系统应多集中于HUD(Head-up Display)显示与语音提示两方面，将前挡风玻璃的信息与路况实景高度融合有利于驾驶者更高效地获取信息，但如今此交互方式还没有被应用于驾驶教学之中。

综上，在保证学员安全的情况下实现驾校车辆的教学辅助功能是亟待解决的问题。本文将基于车载互联技术研究驾驶教学辅助交互系统[7]。

2 交互系统设计分析

2.1 市场现状及竞品分析

现有车辆驾驶教学市场中以驾校教练教学为主要方式；其它交互方式及系统主要分为三类：模拟驾驶学习软件、汽车驾驶模拟机以及相关驾考手机APP。对这三类产品的市场现状及优缺点分析发现，用户存在诸多痛点与需求点，见表1。

表1 驾驶教学交互竞品分析

2.2 用户交互需求研究

在对驾驶教学市场竞品进行分析之后，笔者认为基于车载互联技术的驾驶教学辅助交互系统应把用户所需要的具体交互方式和操作作为设计的关键因素，所以设计研究应从用户入手。本研究首先通过自然观察和用户深度访谈了解学习驾驶的任务流程、情绪及动作、偏好与习惯、困难与期望等，通过对学员和教练两类用户模型的建立归纳用户的具体需求；再通过用户体验地图和服务蓝图的方法，总结出系统应该具有的具体功能点；最后通过KA卡片法进行信息架构分析，确定系统的内容类别与功能结构，确定产品设计规范。

2.2.1 用户模型建构

首先运用自然观察法，在驾校的自然条件下对总计67名的驾驶学员的言语、行为和表情等进行有目的、有计划地观察，以了解其心理活动和存在的困难，并在学员驾驶操作过程中有目的地以视频的形式进行记录。通过对以上学员的观察记录、视频数据进行大体的整理与总结，运用此方法得到驾校教学中存在的基本问题，总结用户痛点与需求。

在此基础上进一步深入调研，将所有的用户进行归类与划分，选择具有典型特点的五类用户，并在67名用户中选取五位典型用户代表进行逐一的分析，分别为：22岁男大学生赵某、36岁已婚女士王某、42岁驾校教练孙某、56岁学车困难的阿姨贾某和66岁退休爷爷王某。通过对这些具有代表性的用户进行直接的、一对一的深入访谈挖掘用户对驾驶教学辅助交互系统的感知及态度。在此基础上确定本研究的潜在用户为驾校学员与教练两类人群，并针他们的不同需求与痛点，对学员和教练两种人物原型和使用场景进行构建，分析归纳存在的设计点，见表2。

表2 用户需求及设计点分析

2.2.2 用户体验地图与服务蓝图梳理

在总结用户需求的基础上，运用用户体验地图和服务蓝图探究系统应具备的功能点与开发相关细节。首先，建立用户体验地图，用导向图总结用户在整个任务流程中与服务或产品的交互接触点，详细描述不同用户(学员与教练)在学习驾驶过程中采取的具体操作步骤，总结任务流程中存在的使用困难、用户期望及相关设计机会。在用户体验地图完成后，借助流程图，通过设计可提供的系统服务相关过程与接触点，直观地展示原型设计应具备的功能并建立服务蓝图，用以感受服务流程质量。借助服务蓝图将基于车互联技术的驾驶教学辅助交互系统的服务流程有形化、可视化，从而总结出此系统应包含的功能点，见表3。最终，经过对系统开发分析结果的梳理，总结出本系统应具有功能点的架构图(图1)。

表3 系统开发分析

图1 系统功能点架构图

2.2.3 KA卡片法确定系统信息架构

在用户体验地图和服务蓝图的基础上，基于定性信息和文本表达，分析具体场景中发生了什么、关键词是什么、生活中的价值(即用户想要得到什么)，随即通过KA卡片法[8](与kurosu的“微场景法”[9]相似)最终确定本系统的PDS(Product Design Specifications)，从而产生该研究的系统整体信息架构(图2)。

图2 系统架构

最终确定通过运用汽车“主动安全”的四周雷达防撞系统等相关科学技术，实现智能的驾驶教学自动操作和辅助功能，一定条件下使学员可以在没有教练的车辆指导下完成科目二与科目三的驾驶训练，在考试场地进行模拟驾考，了解自己的真实驾驶水平，并在取得驾驶证后，运用此系统逐步过渡到在社会道路上自主行驶。另外，此系统需配套设有手机同款APP，用户回到家后可以温习当天学习的驾驶相关内容，并且实现考试预约，信息查询等功能。

3 交互系统原型设计

在利用上述研究方法确立信息架构的基础上，原型聚焦于交互流程开发和用户界面设计，包括中控台中学员和教练的操作架构和界面设计(图3)、相关语音库汇总以及手机app交互架构信息及界面设计(图4)。最终借助驾驶模拟器和平板电脑来模拟电子原型，对其进行测试，以便高速地进行原型迭代。

3.1 设计原型概述

教练上车后，在中控屏幕通过管理员密码登录系统，输入当日训练人数和训练项目，系统将自动生成当日的训练计划，包括每人的训练次数和时长。学员刷学员卡上车训练，中控将进入学员模式，主界面分为“学车模式”、“驾考模拟”、“新手上路”三个模块，还提供“学习进度”(各项训练的完成情况查询)和“学习情况”(学习计划设置和错误集锦回顾)。学车模式包括车辆基础展示(基础知识、基本操作)、道路驾驶(科目二和科目三操作提示及教学)、车辆维护及交通安全(科目一和科目四理论知识)等三大教学模块。

图3 中控台高保真交互界面

在用户进入车辆基础和车辆维护及交通安全模块时，车辆处于静止状态，中控通过图片、动画、视频的方式将理论知识进行呈现。进入道路驾驶模块，车辆处于运动状态，中控台将不再显示任何信息，以免干扰驾驶，驾驶员所需要的相关视觉信息将通过HUD进行投射，并辅助以相关的语音提示来规范驾驶流程。当驾驶员操作错误时，车辆将通过视觉和听觉双重信号进行提示与警告。

当相关训练结束后，可进入驾驶考试模拟模式，选择想要模考的项目，当车辆行驶到相应项目的考试位置时系统将语音提示考试开始，并在操作结束后告知用户考试成绩以及视频展示错误点，进行正确示范。

在取得驾驶证后，用户可运用此系统逐步过渡到可以在社会道路上自主驾驶，省去寻找陪练的阶段。另外，系统还设有配套手机APP，可以在回家后用手机温习当天学习的驾驶内容，还可以预约考试、信息查询等。

图4 配套手机app高保真交互界面

3.2 设计原型技术支持

针对驾驶员最担心的安全问题，该系统将运用一系列高端科技，在保障学员安全的前提下进行设计。运用汽车四周雷达防撞技术(包括测速雷达、障碍物探测雷达、自适应巡航控制雷达、防撞雷达、驻车雷达等)了解自身车辆和前方车辆的实时速度，与前车保持安全距离[10]；当检测到前方道路上可能引起碰撞的危险障碍物时，提早提醒、规避危险。该技术可帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶安全性[11]。同时，该系统还运用汽车安全技术(包括车体前方/后方/侧边碰撞预警和缓解(Crash Mitigation)、车道偏离示警、平视显示器技术、盲点预警、驾驶疲劳警示和自动刹车控制等[12])，在车辆遇到突发危险情况时，能自身主动产生制动效果让车辆减速并刹车，帮助驾驶员避免城市交通常见的低速行驶追尾事故[13]。HUD技术利用光学反射原理，将重要资讯投射在前挡风玻璃上，显示高度大致与驾驶员的眼睛成水平状态，在驾驶过程中将外界景象与HUD显示资料融合在一起[14]。降低低头与抬头之间的事故率，也可缓解眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适[15]，最大程度保障安全驾驶。

4 测试与评估

4.1 可用性测试流程

此系统原型可用性测试地点为同济大学汽车人机交互实验室。招募的被测人员6位，均为同济大学学生，其中 2人已经有2年以上驾驶经验，2人为刚拿到驾驶证的新手，还有2人没有学习过驾驶。由于此系统将同时针对有驾驶经验、无驾驶经验以及刚获得驾驶经验的用户，因此通过包含此三类不同种类的6位被测人员，将使可用性测试的结果更为准确。由于研究重点是驾驶教学新的交互方式，因此测试脚本包括两个部分：第一项任务为静态操作，要求被试者在车辆停止的状态下，通过平板电脑模拟车辆中控台，找到学员模式中车辆基础教学中“操作杆介绍”进行学习。第二项任务为动态操作，要求被试者在使用模拟驾驶器驾驶的过程中选择科目二“侧方位停车” 项目，并根据模拟驾驶器中的具体场景进行学习。由于所有被试者均没有事先接触驾驶教学的交互系统经验，测试前首先进行10 min的系统原型介绍和操作示范，直到用户对于测试过程和交互模式有初步认知之后才开始进行相关任务流程的测试。

测试中在场3名测试人员对被测者进行分工操作，第一名工作人员告知用户操作具体流程，并要求被试者使用有声思维方法，叙述其正在进行的操作和过程中存在的疑惑。第二名工作人员运用纸笔在旁记录操作者操作过程，第三名工作人员录制整个测试过程和用户表现，辅助进行记录。测试所需设备及流程如图5所示。原型测试用以寻找系统的设计不足，从而进行设计评估。

图5 测试所需设备及流程

4.2 设计评估

在6位用户完成以上任务后，用问卷法调查其对该系统可用性的评价，将该系统的可用性分为效用(清晰度、准确度)、效率(快速性、简单性、易学性)、满意度(功能、交互体验、美观性)及安全四个维度，让6位用户分别对这四项进行评分。评分标准为每个维度1至10分，1分为非常不满意，10分为非常满意。从而汇总出可用性测试结果数据，如表4。

表4 可用性测试数据

通过用户对系统的可用性评估结果可以看出，6位被测用户对系统原型均较为满意。另外，由于此时用户已熟悉该交互原型的具体操作方式。采用焦点小组访谈的方式，即与被试者自由交谈，由于被试者没有参与前期原型开发，无经验干涉，相对于开发人员更容易找到系统中隐藏的交互问题。经过焦点小组访谈，总结出系统设计中存在的不足之处，进一步改进原型设计，发现的问题如下：“HUD 上的指示性图标和操作性图标过于类似”、“开车时教学系统没有中断功能”，并对此进行改正，确定了最终的驾驶教学辅助交互系统原型。

在测试中，用户在整个工作流中没有认知障碍和操作困难，通过此交互系统原型，被测者可以流畅准确地完成任务，验证了此系统的可用性。

5 讨论

本文通过前期调研(包括市场现状及竞品分析)、用户研究(包括建立用户模型、用户体验地图、服务蓝图以及KA卡片法)、信息构架梳理、设计评估、可用性测试等方法，验证了HUD视觉操作机制与中控交互界面在系统语音提示下，可以实现驾驶教学辅助功能，并降低用户操作时的驾驶负荷，提供系统化教学体系。并在此基础上，提出了基于车载互联技术下的驾驶学习辅助交互模型。

此系统采用汽车四周雷达防撞系统、人体感应技术、主动刹车技术、城市安全系统技术、平视显示器(Head Up Display)技术等相关技术，对车内部进行新的交互设计，保障学生的人身安全。选择车辆中控台、前挡风玻璃、内外观后镜、仪表盘等部件进行人机交互，能在完成其主要功能的基础上，增加多种交互方式，使操作更加智能化，简洁化，人性化。

6 结论

当今社会，我国汽车拥有量正处于疾速增加阶段，用户学习驾驶时对于学车的环境及标准有所要求。本文针对驾驶学习过程中学员的需求，开发了基于车载互联技术的驾驶教学辅助交互模型，并通过初步验证证明了其潜力，对相关驾驶学习辅助交互系统设计的理论与应用开发具有一定的参考价值与借鉴意义。

但此研究的交互机制目前仅处于开发初期阶段，用户操作时的心理层面因素尚未考虑。建议后期深入研究时，根据心理学的相关知识，对学员的教学及提示根据感官刺激的大小和程度划分为不同等级，以更好地针对学员不同阶段的学习。可在训练初期采用人工语音指导与视觉提示相结合的模式；在训练中期将语音指导变为声音提示，利用声音大小和缓急程度进行提示；在训练后期进行视觉符号提示及触觉提示[16]；当训练完成后，学员无需系统提示，如有错误操作系统自动记录即可。