智能网联汽车人机交互现状及发展趋势分析

近年来，随着全球新一轮科技和产业革命的蓬勃发展，我国智能网联汽车产业发展势头迅猛，产业规模不断扩大。2018年12月，工业和信息化部印发了《车联网（智能网联汽车）产业发展行动计划》，发展行动计划目标在2020年，实现车联网（智能网联汽车）产业跨行业融合取得突破，具备高级别自动驾驶功能的智能网联汽车实现特定场景规模应用，车联网综合应用体系基本构建，用户渗透率大幅提高，智能道路基础设施水平明显提升，汽车智能化已经成为我国产业发展的战略方向。

未来，汽车智能化、网联化、电动化、共享化的趋势将深刻影响人、车、环境的关系，人机交互设计也将成为智能网联汽车发展和创新的核心要素。随着用户需求的不断提升，越来越多的功能集成于汽车，汽车不仅仅是简单的交通工具，也将满足用户对信息、娱乐、办公、生活等方面的需求。同时，汽车作为互联网的入口，还包括车载信息娱乐系统、智能车载语音交互系统、道路状况信息系统等，智能网联汽车的功能走向多样化和复杂化趋势，人机交互系统的设计是否科学合理将在很大程度上影响汽车的安全性和便捷性。多种交互方式的使用、新技术的应用、基于场景化的设计将在未来打造全新的智能网联汽车驾驶舱。

一、研究背景和意义

（一）人机交互与人机交互界面

人机交互（(Human Machine Interaction, 简写HMI）：是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程，是一门研究系统与用户之间的交互关系的学科，涉及机械工程学、人机工程学、认知学、心理学等学科领域。人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。

图1 汽车人机交互系统

（二）人机交互发展趋于人性化、高效化

人机交互的发展历史, 是从人类通过学习适应机器到机器不断地适应人类的过程，人机交互的发展降低了人类使用机器的难度壁垒。主要经历了几个阶段:

图2 人机交互发展历程

1.早期手工作业阶段

早期人机交互的特点是由设计者本人来操作计算机，没有显示设备，采用手工操作和依赖机器（二进制机器代码）的方法，通过电传打字机完成数据的输入和输出，实现简单的交互，具有很高的专业要求和操作难度。

2.作业控制语言及交互命令语言阶段

20世纪60-80年代，计算机显示设备出现，磁芯存储器和操作系统问世，采用批处理作业语言或交互命令语言的方式与计算机交互, 需要记忆命令和熟练使用键盘,可调试程序、了解计算机执行情况，采用专用语言的交互具有较高的专业要求。

3.图形用户界面(GUI)阶段

20世纪80年代后，人机交互主要特点是桌面隐喻、WIMP技术、直接操纵和所见即所得。普通用户通过视窗、菜单、图标、按钮可以与计算机交互，菜单选择和图像化的交互方式降低了交互难度壁垒，扩大了用户人群。

4.网络用户界面阶段

20世纪90年代后，以超文本标记语言HTML和超文本传输协议HTTP为主的网络浏览器是网络用户界面的代表，多媒体、搜索引擎、社交工具新技术高频出现，多元化的交互方式拓展了系统的功能性和实用性。

5.多通道人机交互阶段

未来人机交互将使用多种通道与计算机通信的人机交互方式，适应了“以人为中心”的自然交互准则。使用触觉、语音、手势、面部表情、体感等多种方式实现人与机器的交互，提高了交互效率和便捷性，使得人机交互更加接近人与人直接的交互。

（三）人机交互已成为智能网联汽车的发展的核心问题

未来智能网联汽车将作为平台集成大量的功能，人机交互对于汽车安全性和操作效率起到关键的作用。任何汽车都是由人来操作或者使用的，人机交互系统设计的工作效率、安全性、便捷性，甚至是人在操作设备时的心理愉悦感和疲劳感，都直接影响到汽车的使用安全和工作状态，要尽可能发挥人机各自的特点和优势，采用科学有效的交互方式，最大限度的利用机器，同时发挥人的积极作用和智慧，使人机协同工作，形成合理的人机交互系统。另外，随着汽车智能驾驶水平的提高和商业化落地，汽车的场景化趋势更加突出，基于不同场景的人机交互设计将满足用户更多的功能需求。

图3 人机交互发展历程

二、智能网联汽车人机交互设计现状

（一）人机交互研究呈多学科融合特征

人机交互是一门综合学科，智能网联汽车的交互设计涉及到车辆工程、人机工程学、心理学、计算机科学等多个研究领域。车辆工程的研究包括汽车动力系统、汽车制动系统、汽车导航系统、汽车多媒体系统等与驾驶员之间的关系以及人-车-路模型；工业设计的研究包括人机交互系统中显示方式设计（图形、颜色、显示设备），操作装置设计（按键形状、布局，操作装置结构、形状）等；心理学研究包括基于心理学角度研究人机界面设计与评价、驾驶行为、心理负荷与情境意识等；人机工程学研究包括“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法；计算机科学研究包括研究人机交互系统软硬件的开发，图像识别和处理、自然语言处理、数据分析和决策等。

图4 人机交互涉及研究领域

（二）以用户为中心的设计理念和设计流程

汽车智能化程度的加深使得各功能的操作趋于复杂化，对人机交互设计带来新的挑战。智能网联汽车的人机交互设计必须以保证汽车安全性、提高核心功能操作效率、简化操作流程为出发点，以提高车内驾乘人员的用户体验，充分发挥汽车的功能和性能。智能网联汽车通过触屏、语音、物理按键、手势等多种类型的人机交互方式实现汽车的主功能和副功能，优化驾驶员的操作体验，如图5所示。

图5 智能网联汽车交互设计方式

人机交互系统的设计流程主要包括需求分析阶段、调查研究阶段、系统分析规划阶段、系统设计阶段、测试阶段、人机系统的生产制造及提交使用阶段。在设计过程中，通过调研和分析明确系统服务对象的特征和需求，以用户为中心展开产品规划和设计工作，包括交互方式、各部件造型和尺寸、硬件和软件等，在完成相关项目的测试后投入使用。

图6 智能网联汽车交互设计方式

（三）智能化趋势对人机交互提出更高的要求

未来具有自动驾驶功能的智能网联汽车将实现基于使用场景定制化的人机交互设计。智能网联汽车由于操纵机构的简化，有大量空间可以释放，所以智能网联汽车的内部设计将被重新定义，并且向定制化、多功能化的方向发展。功能的增加使智能网联汽车的人机交互系统有更多的发展空间，传统汽车以驾驶为核心要素的人机交互设计理念将被弱化，多种场景功能的实现将成为主要考虑的人机交互设计问题。相比传统汽车，智能网联汽车的车载信息系统也将更为强大，支撑汽车实现自动驾驶或辅助驾驶、状态监测、娱乐、办公、通讯等多种功能。

图7 智能网联汽车车载信息系统平台

多功能、多通道的交互设计使智能网联汽车趋于定制化方向发展。智能网联汽车中自动驾驶功能、多媒体娱乐功能、移动办公功能、智能导航功能等的交互设计理念、优先级、设计风格将更多的依赖于场景定义，交互方式也由于空间的扩大和功能的扩展趋于多通道化，实现智能语音交互、手势控制、触屏交互、物理按键交互等多种方式融合。场景化将驱动智能网联汽车及交互设计走向基于用途导向的特定功能组合，例如搭载了移动办公系统和移动网络的智能网联汽车可以变成移动办公室、移动会议室；搭载了多媒体娱乐系统和移动网络的智能网联汽车可以成为移动休息娱乐室。

图8 无人驾驶汽车功能性及发展趋势

（四）国内外典型的人机交互系统

目前，大多数汽车企业都推出人机交互系统，交互方式基本以触摸显示屏、物理按键/旋钮、语音控制等方式为主。基于各厂家的不同设计理念，控制方式、操作流程和控制区的设计各有特色，部分厂家支持后台人工远程控制和售后支持等深度服务。

1. 宝马iDrive系统

iDrive系统（intelligent-Drive system）是宝马公司的智能驾驶控制系统，采用了简单、安全和方便的未来驾驶理念。宝马iDrive系统的外显装置是一个位于传统轿车排档杆位置的旋钮控制器和仪表板中部的一个显示屏。旋钮具有类似电脑鼠标的功能，通过推拉、旋转和下按等动作，可以控制显示屏菜单，实现数百个功能的选控，旋钮周围分布了退后、选项、菜单等功能的操作，用一个手就可以完成所有的操作，在熟悉功能和逻辑后可以实现盲操，如图9所示。

2.奔驰COMAND系统

COMAND是奔驰研发的独立影音控制系统，这套系统由前台液晶屏下方的一排按键和中央扶手箱上的一个旋钮来控制，如图10所示。控制终端的旋钮可以进行向下按、旋转和前后左右四向移动控制，实现菜单功能的选控，在熟悉按键位置和功能设置后可以实现盲操。另外，在汽车后排这套系统还有一个分支按键，同样可以进行功能的操作。显示屏最上方的主菜单有导航、音响、电话、影像和车辆5个选项，通过旋钮旋转或左右拨动来选择相应的内容，按下旋钮为进入下一级菜单；返回上一级可向上拨动旋钮或按返回快捷键，每一级都有类似的数据库结构，操作逻辑清晰。

图9 宝马iDrive系统 图10 奔驰COMAND系统

3.奥迪MMI系统

奥迪MMI（Multi MediaInterface）是多媒体交互系统，MMI在一个显示屏和操作系统中融合了所有信息娱乐系统的操作，操作区域如图11所示。MMI采用统一逻辑，通过精简控制器几个按键完成所有功能的设置和操作，快速、直观地使用相应的功能，使用相同逻辑，即可操作各种功能。具体操作通过八个功能键，选择各个主要功能；旋转和按下控制按钮，选择并激活子功能；多媒体交互系统显示屏的四个角分别对应四个控制键的当前功能，驾驶员按下“返回键”，即可返回上一级菜单。在汽车行驶的时候，通过多功能方向盘上的菜单滚动键也可对其进行操作，操作原理和逻辑不变。

图11 奥迪MMI系统 图12 安吉星系统

4.安吉星系统

安吉星是通用汽车、上汽集团和上海通用汽车的合资公司，应用于凯迪拉克、别克、雪佛兰的多种车型。通过应用全球卫星定位系统（GPS）和无线通信技术为用户提供汽车安全信息服务，包括碰撞自动求助、路边救援协助、全音控免提电话、实时按需检测和全程音控领航等十多项，图12为搭载安吉星系统的汽车。

5.福特MyFordTouch系统

MyFordTouch系统是福特的车载多媒体互动系统。主要包括一个可触摸的显示屏，界面和图像由新一代福特SYNC支持，如图13所示。交互系统以微软Windows Embedded Auto作为平台，集成三维彩色导航、多媒体娱乐、无线网络、蓝牙电话、空调控制等功能于一体，驾驶员可以通过彩色显示屏和语音来控制各种功能。

6.沃尔沃SENSUS系统

沃尔沃全新Sensus系统主要由“智能在线（SensusConnect）”和“随车管家（VolvoOn Call）”两大核心功能组成。系统包括了互联、服务、娱乐、导航、控制在内的车载互联功能，采用了人性化设计的控制系统，屏幕由多个“功能模块”构成，各模块可以交互展开，方向盘上增加Sensus相关功能快捷键、集成式语音控制、自适应巡航等功能，如图14所示。

图13 福特MyFord系统 图14 沃尔沃SENSUS系统

7.日产CARWINGS系统

CARWINGS是日产的车载信息服务系统。其中，中央屏幕支持触摸和旋钮两种操作方式，方向盘右手侧有一键语音的快捷键，能够对电话、导航、音响进行简单控制，如图15所示。娱乐系统方面支持多种音源。人工后台为车辆提供远程服务，可以通过电话、网络对驾驶员及车辆提供服务，还能够实现人工导航。

8.丰田G-book系统

G-BOOK智能副驾即车载智能通信系统，由豪华汽车品牌雷克萨斯推出。G-BOOK平台的操控集中于变速杆的右侧，通过一个G-BOOK的操作摇杆进行操作，显示界面如图16所示。其中，雷克萨斯用户能够通过车载智能通信系统G-BOOK智能副驾，以无线网络连接数据中心，获得包括紧急救援、防盗追踪、道路救援、保养通知、话务员服务、资讯服务、G路径检索、预订服务、网络地图接收、高速公路安全驾驶提醒以及图形交通信息服务在内的15大智能通信服务。

图15 日产CARWINGS系统 图16 丰田G-book系统

9.荣威inkaNet系统

inkaNet是上汽集团发布的3G智能网络行车系统，基于3G互联实现了丰富的车载功能，涵盖了导航、收音机、对讲机、电话、网络、音乐、视频等多项内容，采用物理按键和触摸显示屏结合的交互方式，如图17所示。同时，还具备了“一键服务”，能够接通荣威客服中心，进行远程问题沟通。

10.比亚迪DiLink智能网联系统

DiLink智能网联系统是比亚迪基于移动互联、人工智能、语音识别、车联网等技术独立自主研发的交互系统。采用了智能自动旋转大屏DiPad，可根据软件的应用场景和交互方式提前预判，进行智能自动旋转，如图18所示。同时，大屏还支持分屏功能，可以同时显示多个软件界面。DiLink智能网联系统包含DiPad、Di云、Di生态和Di开放四大能力平台，可以实现连接人-机-车-云。

图17 荣威inkanet系统 图18 比亚迪DiLink智能网联系统

三、智能网联汽车人机交互发展趋势

（一）交互内容和场景趋于多样化

智能网联汽车人机交互将以“人-车-环境”作为整体来设计，同时场景化引领汽车设计走向定制化。对于智能网联汽车时代，汽车只是整个交通系统中的一部分，智能网联汽车的交互设计需要考虑到整个交通系统的顶层设计，不仅仅要以提高车内驾乘人员的交互效率为目标，同时要考虑优化整合交通系统和环境。

1.智能网联汽车与环境充分交互

未来的人机交互不仅仅是人与车之间的单一交互，更是人、车辆、基础设施、城市和环境等所构成的跨交通工具的交通系统。汽车的智能化将更多的体现在V2X方面，汽车智能化和环境智能化的互通为汽车带来全新的功能扩展，不仅仅是对汽车本身智能驾驶、实时环境数据分析、智能导航、能量补给策略等功能的增强，也是对整个城市交通系统的智能化升级，有助于城市交通拥堵的缓解、城市车辆监控和管理、驾驶行为和违章信息统计等。

图19 车辆与环境的交互发展趋势

2.智能网联汽车的多场景化交互

智能网联汽车基于自身的智能网联设备与周围场景进行信息和服务的交互，实现多种车载功能的场景落地。智能网联汽车通过自身或车内移动设备连接网络，与周边物理和虚拟环境进行互联，如图20所示，作为一个新的移动终端和周边环境或网络进行信息传递与交互，实现更多的场景功能。例如，新能源智能网联汽车可以通过车载智能导航寻找周围汽车剩余电量可以到达的充电桩，提供最优的能源补给方案；智能网联汽车还可以通过车载网络进行周边餐馆订餐和目的地酒店订房等服务。

图20 智能网联汽车与多场景的交互

3.车内及车外信息显示与分析

智能网联汽车对车内外信息进行采集和显示，帮助驾驶员判断汽车当前状态和环境情况。通过环境感知设备、车内设备检测系统、车载移动网络等进行车辆数据、车内外信息交互数据、周围车辆信息等多种数据的获取，经过分析实现重要数据的显示，包括：车辆状态信息（汽车行驶信息、汽车设备和系统工作情况、汽车保养维护情况等）、车外环境信息（天气、温度等）、周围其他车辆信息、周边交通信息等，如图21所示。

图21 智能网联汽车信息显示内容

4.智能网联汽车人机共驾交互设计

随着智能网联汽车逐步实现自动驾驶功能，新的人机交互方式将改变汽车现有的驾驶模式。智能网联汽车有人工驾驶、辅助驾驶和无人驾驶不同的模式，切换关系如图22所示，具体包括人与车之间转换，实现任务的接管与移交，紧急情况的任务转移和处理，以及智能网联车辆和综合信息管理平台的信息交互。人车协同驾驶将成为智能网联汽车的核心交互设计方向，交互方式、交互流程、交互安全和交互效率将成为重点研究的对象。

图22 智能网联汽车任务接管与移交

（二）新技术的应用使交互方式更加人性化

新材料的研发和电子信息技术的进步催生了新交互模式和交互技术出现。智能网联汽车集成的功能越来越多，人机交互界面的复杂化促使新交互模式的出现，新的交互方式将致力于简化操作、提高功能实现的便利性、提高汽车行驶的安全性。在媒介材料上，其材质、柔韧度、弯曲度等性能实现了多样化实体，通过控制交互传感器的线性度、灵敏度、重复性等条件构建新交互形式。

1.显控一体化交互

对于多功能集成的智能网联汽车，显示控制一体化是一种高效的交互方式。显控一体化可以使驾驶员在信息数据获取的同时操作相应的功能，缩短操作时间，提高驾驶过程中的安全性。显控一体化也可以有多种方式，例如显示屏和物理（虚拟）按键和组合（如图23所示），抬头显示和物理（虚拟）按键的组合等，这种人机交互方式可以使驾驶员在驾驶汽车时候视线处于汽车行驶方向，或者视线可以在行驶方向和屏幕之间快速切换，根据显示内容迅速完成功能的操作。

图23 显示屏集成与方向盘的人机交互模式

2.多通道协同交互

基于触觉、听觉、视觉等多通道的人机交互是智能网联汽车未来的发展趋势。随着各种智能化技术的成熟，可以实现视觉交互、语音交互、手势交互等多种交互形式的融合，根据不同场景实现不同功能的协同交互。嗅觉和味觉交互目前没有成为主流交互方式，也没有在量产车中规模化应用。

图24 多通道人机交互模式

多通道人机交互系统将具有场景识别功能。车内人机交互系统可以根据驾驶员当前所处的状态按照优先级实现单通道、多通道的交互，用多种方式实现功能。例如，在高速驾驶或者激烈驾驶时可以优先语音交互，以确保驾驶员的视线不离路面，手不离转向盘，保障行车安全。在车内噪音干扰较大时候优先按键交互或手势交互，保证操作的成功率，同时也可以多种交互模式同优先级，根据驾驶员的习惯选择。

3.基于生物识别和感知技术的人机交互

生物识别与感知技术使汽车具备一些类似生物的感知能力，能够更加人性化的和车内人员进行交互。通过对人体数据的采集，线上数据和线下生物识别的整合，对人的生理和心理状态实时监控，快速实现一些功能。例如，通过身份识别和心理感知技术，对驾驶员状态进行检测，实现汽车人机界面的实时调整，使车内气氛、交互环境与驾驶员当前驾驶状态吻合，这也是未来智能网联汽车人性化和情感化的表现。生物数据对于智能网联汽车来说，能够提高汽车与人的交互效率，但由于智能网联汽车的入网也会存在隐私泄露的风险，数据保存和管理将是一个值得关注的问题。

图25 生物识别功能

4.基于智能化技术的情感交互

智能情感交互是汽车人机交互的重要趋势和终极体现。随着人工智能技术和生物识别技术的发展，智能网联汽车将具备类似人的感知功能、思维功能和行为功能，具有情感识别、情感理解和情感表达能力。同时交互范围也会扩大，能够与车内乘客进行交互、与车外的行人进行交互，更加的智能和人性化。例如，车内驾驶员在疲劳时，汽车可以通过振动、声音或者灯光提醒驾驶员，引导去就近停车场休息或者启动自动驾驶模式。在识别出车内乘员晕车时候，提醒驾驶员调整驾驶风格或者开启车内通风等功能，实现功能的情感化执行。

图26 智能网联汽车情感交互

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