基于认知负荷理论的汽车HMI 设计及发展趋势研究

米良宇 陈阁

关键词：认知负荷 汽车HMI 情境感知 多通道交互 认知心理学 信息交互

引言

随着5G技术、人工智能、物联网、大数据等数字化、智能化技术在汽车领域的应用与发展，汽车的人机交互方式、交互界面、用户体验模式等也在发生着革命性的变化。

先进的数字化、智能化技术与汽车的结合使得汽车的HMI设计越来越复杂，其相关功能和信息的增加易导致汽车驾驶员注意力分散，消耗驾驶员过多认知资源，引起驾驶员认知负荷过载，从而影响驾驶员的驾驶效率，严重的可能会影响驾驶安全。因此，如何通過设计降低汽车驾驶人机交互过程的认知负荷，提高认知效率，降低用户的认知疲劳，应是汽车HMI设计重点研究的方向之一。

一、汽车HMI与认知负荷理论

（一）认知负荷理论认知负荷理论最早由澳大利亚心理学家斯威勒（J.Sweller）提出，其基础包括资源有限理论和图式理论;资源有限理论认为人的认知资源是有限的，主要表现在人的工作记忆容量有限，如果加工某个信息所需要的认知资源超过人所具有的认知资源总量，就会造成认知负荷。[1]（二）汽车HMI概念HMI（Human Machine Interface），又翻译为“人机接口”，也叫“人机交互界面”，它是车载控制系统与驾乘用户之间实现信息交流与互动的重要媒介，可完成汽车信息的内部形态和人类可接触形态间的自由切换。[2]相较于一般的汽车内饰设计而言，HMI更侧重的是人与车内界面交互的体验和感受。

Dirk Beer等[3]在研究中指出，在德国汽车HMI市场有86%的消费者将可用性作为核心购买标准，因此设计人员将汽车HMI赋予更多功能，以此来提高市场竞争力。但过度提供功能，可能会分散驾驶者的注意力，增加驾驶员的认知负荷，导致其驾驶效率下降，甚至可能产生驾驶安全问题。

（三）汽车HMI认知负荷的类型根据是否有助于图式建构，认知负荷可分为外在、内在及关联认知负荷。外在认知负荷是由与认知无关的活动引起，不是建构图式所必需，又称无效认知负荷。4汽车HMI中的外在认知负荷与交互界面设计元素的组织形式和呈现方式有关，例如交互界面内图式与信息没有明显关联，单纯用文字呈现信息等，都会间接地造成用户的外在认知负荷过重。[4]内在认知负荷主要由人本身的知识储备和经验水平决定。汽车HMI的内在认知负荷与交互界面的复杂程度、难度及用户自身的知识经验和认知图式相关，即如果用户缺乏汽车HMI的相关经验，或人机交互界面过于复杂或难度过高，就会增加用户的认知负荷。关联认知负荷是指由任务本身所产生的内在认知负荷较低，用户还有多余的认知资源可投入到其他的认知活动中来促进图式建构，这种在构建图式时不是必须、但投入后有利于图式建构的认知负荷，就是关联认知负荷。4在汽车HMI中，这种认知方式虽然会增加一部分用户的认知负荷，但总体上不会阻碍用户的信息认知，反而可以促进用户对于交互界面信息的理解和对信息的处理。[5]

二、传统汽车HMI设计因素

当前数字化、智能化高速发展，汽车HMI所承载的功能相应变多，导致驾驶过程中所接收的信息也随之增加，从而造成用户的认知负荷提高。如何将多样的功能清晰、有条理地呈现给用户，协调驾驶安全性、功能覆盖面和人机交互便利性之间的关系，是汽车HMI设计需考虑的重要问题之一。1在与界面交互的过程中，视觉是用户和HMI交互的重要途径之一。[6]视觉认知所涉及到汽车HMI的具体设计内容主要因素有文字、色彩、对比度、图标、界面布局和交互方式等。

文字是交互界面的基本元素之一，汽车HMI中的文字要符合安全性、可读性、识别性的要求，字体大小、样式及位置等要便于驾驶员快速识别、读取文字信息，应注意文本量不宜过大，否则易造成驾驶员长时间分散注意力，增加事故风险。色彩通常是用户对HMI较直观的感受，视觉重点区域的色彩不能复杂繁乱，颜色搭配要和谐统一，颜色所映射的信息逻辑要符合用户习惯。深层次的颜色设计需考虑色彩心理学、生理学等问题，考虑不同人群对颜色的心理情感、视觉疲劳等问题。[7]长时间暴露在外部自然光下，HMI的亮度要应对不同的自然环境光线的影响，随环境光自动调节以提供合适的对比度，从而保证交互界面的显示性能和可视性。汽车HMI中的图标设计应该优先使用为大众用户所熟悉的图标。为保证视觉的统一性，图标应该尽可能多地使用相同设计元素。另外，还可应用文本和图标相结合的方式，使图标便于理解。[8]交互界面的布局应根据人机工程学原则分布信息，从功能使用频率、重要性等划分区域和等级，以清晰明了地方式将常用功能和重要信息放置在视觉焦点位置。目前汽车HMI主要是触控和按键相结合的交互方式，许多新能源汽车率先采用了智能大屏幕的纯触控式HMI设计，例如特斯拉汽车所配置的大屏幕中控触控屏幕，如图1。不论是传统按键还是纯触控，都需考虑用户的操作负荷，并尽可能地提供反馈，以降低操作失误。

综上所述，汽车交互界面设计元素应保持一致性原则，总体界面布局和各级界面排版样式应避免复杂多变，按钮大小、字体图标的外观大小、弹框样式及弹出形式等细节也应保持统一。[9]

三、改善汽车HMI认知负荷的方式

（一）降低内在认知负荷汽车的控制系统包含大量复杂的程序，HMI不能改变系统内部的复杂性，但可以通过有效手段帮助用户更好地理解交互系统，降低信息的认知门槛。此外，交互界面设计在当前产品以及迭代的产品间应保持交互规则的一致性，以符合用户已经养成的认知习惯，避免新的认知成本。[10]（二）降低外在认知负荷首先考虑交互设计内部的组织逻辑，辛向阳[11]认为，交互设计的决策逻辑应该是行为逻辑（合理组织行为作为决策依据），而不是传统产品信息架构所遵循的物理逻辑（强调物的自身属性合理配置的决策依据）;后者虽然看似具备更合理的信息架构，但并没有意识到用户不是设计师或工程师，没有足够的专业知识了解产品内部的组织逻辑;而行为逻辑则注重最大程度上贴合用户使用产品的行为习惯，使交互更为直观简洁。

（三）降低关联认知负荷关联认知负荷主要取决于内在和外在认知负荷的大小，用户将多余的认知资源投入到其他的认知加工中来促进图式建构。明确的反馈机制也有助于降低关联认知负荷。交互系统应对用户的每个交互行为进行信息反馈，可以降低操作失误，也可以调动用户积极性，使用户在交互过程中学习积累交互的规则图式，以便更顺畅地完成交互行为。

四、未来汽车HMI设计的发展趋势

（一）设计对象的转变近年来，汽车逐步从单一的、完成运载功能的机械转变为了一个集合信息获取、传输、交流、处理的交互式空间。[12]未来，互联网等技术将会为汽车提供更完善的无线通信能力，将“人-车-路-云”等交通参与要素联系在一起，构建出网络交通交互系统，不断优化汽车内部各系统、汽车与人、汽车与环境之间的协同交互问题。[13]在此发展背景下，汽车HMI设计的研究范围也不再局限于单一的数字交互界面，而是完整的汽车人机交互系统，同时包含用户、交通工具、城市设施、道路环境等跨交通工具的交通要素，将各交通要素进行资源整合，提高交通效率和安全性。

（二）不断扩大的显示空间显示设备是人机交互的基础，用户可以通过显示直观地获取信息。由于驾驶员需要投入主要的精力到驾驶任务中，用户对视觉信息接收能力就变得非常有限，因此而造成一定程度的认知负荷，可能会造成严重的安全问题。

随着汽车交互系统的智能化发展，其本身产生的数据、车内外的信息数据以及用户不断更新的使用数据的增长，导致各类显示信息数量和复杂程度迅速增加。交互界面呈现信息的数量、种类、复杂程度，使汽车需要更多显示空间，显示设备不再局限于传统的中控台、仪表盘等区域。目前，在众多新颖的显示技术中，应用最广泛、技术更成熟的是平视显示（HUD Head Up Display），它将视觉信息投射到驾驶员视线内的挡风玻璃上，使得驾驶员的视线不离开路面，也可获得各类信息，使用户以更快的反应和更低的认知负荷来完成驾驶任务。[14]例如宝马X6 M配备的全彩平视显示系统，如图2。

（三）实体交互界面实体交互界面最初叫作可接触实体界面（Gr aspable Us erInterface），是用户通过物理实体和物理环境与数字信息进行交互的界面。随着触摸屏的不断成熟，一些交互设备上的实体按键、旋钮被触摸屏有主见被取代的趋势。实体交互界面相较于全屏触摸交互的优势在于：它可提供视觉以外的反馈。当视觉反馈不足以让用户准确判断操作状态和操作结果时，物理形态的实体交互可以提供额外的操作辅助。例如BMW 7系汽车内大量的实体交互界面能让用户在视线专注在路况的同时可以快速控制各种灯光、空调、音量等（如图3）。此外，实体交互可以提供视觉焦点辅助。目前，较为普遍的汽车触摸交互显示屏虽然有已经发生操作行为以后的选中状态，但无焦点状态;实体指示器可帮助用户更有导向性地浏览信息界面，在细致精确的操作中可拥有更高的效能。

从操作角度来说，良好的实体交互可以将固定的操作规则充分外露，缩短用户单个操作认知时长。实体交互利用多种感知和动作通道，以并行、非精确的方式与计算机支持的智能数字环境进行信息交互，使人机交流信息的方式更为自然，用户理解信息更为高效，用户体验更为简易流畅。15按键、旋转、敲击等相对较自然的实体交互方式通过物理媒介提供了有形的和物理的空间数据，使用户能够掌握和操作复杂的三维数据，更符合用户的行为认知心理和操作习惯，从而支持更有效和更自然的学习。

（四）个性化趋势在数字技术、智能化的影响下，汽车HMI设计越来越重视用户体验与个性化。无人驾驶、共享出行等技术的成熟与应用，使用户对驾驶或出行的个性化的诉求也越来越迫切。生物识别可为汽车HMI的个性化设计提供技术支持，通过结合用户的线上线下数据，给予用户个性化的驾乘体验。例如，威马汽车EX6-PLUS提供的威马ID，通过个性化账号，实时记忆并载入用户操作习惯和相关驾驶信息，使用户拥有便捷的驾乘体验，节省其操作和认知成本，如图4。

（五）新型人机关系在互联网、人工智能、大数据等技术的支持下，汽车自动化水平不断提高，汽车HMI设计信息化、智能化趋势明显。以智能汽车、无人驾驶技术等为主要应用领域的人机交互系统，逐步取代了传统汽车的人机交互设备。

1.弹性的人机关系和人机协作交互模式人机关系由 “人适应机器”到 “机器适应人”，并逐步向“人机协作”的交互模式发展，呈现出“弹性”的人机关系。这种人机协作交互模式是未来高复杂性、高动态性人机交互系统的关键载体，也是其效能发挥的重要保障。[15]弹性人机协作交互的核心是适时调控人机主动权，根据用户需求或驾驶情境，交互主动权在人与机器之间转换。从认知科学的角度来看，这种转换一方面允许人掌握交互的主动权，以弥补在遇到突发问题时，智能机器无法处理的情况。另一方面，智能交互系统的介入，可以降低用户由于个人认知决策或反应速度等生理原因造成的事故发生概率，降低用户操作过程中的认知负荷，提高驾驶安全性。

2. 情境感知与情感交互在人工智能及物联网等技术的驱动下，汽车的交互范围在逐渐扩大，它不仅会与车内用户交互，还会与车外的各事物交互，例如行人、汽车及其他智能交互设备等。汽车将作为交流的渠道之一，与周边事物进行多种形式的互动，建立交互关系。汽车将综合考量行车环境与驾驶场景等具体情境，通过汽车情境感知设备、数据处理算法等技术手段，对周围环境、车内驾乘人信息以及驾驶过程中的行驶情境等进行快速、准确识别。通过对信息处理加工过程的分析，汽车所负载的综合交互系统能够准确洞察用户需求，以更高效、易接受的方式传递信息，并以可视化的方式输出在HMI中，主动向用户提供行驶信息和相关服务。车载的智能综合服务系统将以机器学习等技术手段为核心，通过不断模拟并实现近似人类的学习行为，不断完善车载服务系統的感知和认知能力，并以此作为基础，赋予智能人机交互系统“学习、思考、理解、共情”的能力，实现人与机器的情感交互。

3. 多通道交互设计多通道交互是将用户的视觉、听觉、触觉、嗅觉、体感等多个感知器官融合在一起，基于环境或任务情境特性，使用不同交互通道相互配合使用。在汽车HMI中，通过多通道融合交互的方式可以使用户全面、多维度的感知和判断驾驶过程中的信息，提高驾驶任务的安全性，同时避免单一交互通道认知任务过载，降低用户的认知负荷。目前，除了传统的汽车HMI中基础的视觉显示交互装置，语音交互、手势交互、体感交互等方式在交互设计中都有不同程度的应用。

语音识别技术当前发展较为成熟，语音交互广泛在以智能家居用品为主的智能产品当中。目前语音交互主要集中在汽车导航和灯光音效控制方面，由于不同用户语言的复杂性和差异性，语音交互在其他控制设备上的应用还需要更先进的语音识别等技术在技术层面给予支持。

手势交互是一种自然的交互方式，也是将来汽车HMI设计领域重要的交互技术。通过探寻用户无意识动作的规律并构建对应的交互规则，构建更加自然的手势动作交互体系，从而降低用户学习成本和认知负荷，将是未来汽车HMI设计中手势交互的趋势之一。[16]例如，苹果智能手表可以感知用户抬腕行为自动唤醒屏幕（如图5）。这种交互方式源于用户无意识的抬腕看表的行为，使人机交互体验更加自然。

结语

在汽车HMI设计不断发展的今天，智能化、数字化所带来的交互方式的革新，使得用户在人机交互过程中产生的生理问题逐步降低，随之产生的是交互行为中信息加工和认知过程所带来的认知负荷压力。对于设计师而言，如何充分考虑用户的心理体验，降低用户认知负荷，成为汽车HMI设计亟需解决的问题。本文章主要分析了汽车HMI设计的关键因素，认知负荷的不同类型和优化方案，展望了未来HMI交互方式的发展趋势，以期为基于认知负荷理论的汽车HMI设计中的相关研究提供进一步的思路。