李嘉鑫 李嘉
摘要：智能汽车对提升交通安全与效率、促进城市可持续发展以及提升人们生活质量具有重要意义。以智能汽车为对象，阐述了智能汽车在交互设计上存在的分心驾驶问题，并分析了针对视觉、听觉、操作和认知层面的分心驾驶人因问题，提出通过简洁性、易用性、反馈的有效性和减少认知负荷的优先级等交互设计原则来提高驾驶员的专注力和安全性，以促进智能汽车的可持续发展。
关键词：智能汽车；
分心驾驶；
交互设计
中图分类号：U469 收稿日期：2024-03-27
DOI：1019999/jcnki1004-0226202406020
1 前言
随着新一轮科技革命和产业革命蓬勃兴起，传统的交通运输行业与先进的信息技术深度融合，汽车智能化已经成为汽车产业发展的必然趋势[1]。随着智能汽车技术的快速发展，车辆内部的信息展示和交互方式日益丰富，但同时也带来了驾驶员分心的潜在风险，一些智能化设计在带来便利的同时，也成为驾驶员分心的潜在因素，根据2021年发布的《2018—2020中国青年注意力分散与交通事故白皮书》显示，7432%的交通事故是由分心驾驶导致。因此，对智能汽车信息与交互进行优化设计以减少分心驾驶，具有重要的理论意义和实践价值。
2 智能汽车分心驾驶人因问题
驾驶员与智能汽车进行交互时在视觉、听觉、操作和认知4个层面可能导致分心驾驶。视觉分心涉及从道路和路况中转移视线至非驾驶任务；
听觉分心发生在驾驶员的听觉注意力从交通环境中转移到车辆内部的声音；
操作分心指的是驾驶员在执行物理操作，如调节控制面板或使用触摸屏幕时的注意力分散；
认知分心主要是思考非驾驶任务时的精神资源消耗。
21 视觉分心
随着汽车智能化程度的加深，驾驶员在与智能汽车交互中的情境复杂性也快速提升，与此同时驾驶员在处理驾驶的长线任务与娱乐通信等短线任务时的情境意识对驾驶安全显得愈加重要。根据恩兹利（Endsley MR）等学者提出的情境意识框架，情境意识可以分为感知（Perception）、理解（Comprehension）和预测（Projection）三个层次[2]。在视觉分心的情况下，驾驶员的情境意识——感知、理解、预测的层次性结构遭遇了明显的瓦解。
a.作为情境意识基础的感知层面受到明显侵蚀，视觉分心使得驾驶者对于外界行车环境关键提示的察觉变得不再敏锐，关键视觉线索未能得到及时捕捉，削弱了其信息输入的完整性。
b.驾驶员的认知框架受视觉分心影响，即便是间歇性地察觉到了视觉信息，也很难将这些碎片化的感知拼合成对交通情境意义的恰当诠释，从而导致行为响应上的不连贯性。
c.视觉分心剥夺了驾驶员从现有情境中洞察未来动态的能力，因为准确预测未来道路事件所需的信息处理（包括估计其他车辆的行动轨迹、速度变化以及空间位置等）被当前分散的注意力所阻碍。
22 听觉分心
智能汽车中多功能系统和连接设备经常伴随着声音提醒、多媒体播放和语音交互，如此种种音频输出都可能造成听觉分心。根据威肯斯（Christopher D Wickens）提出的多通道注意力理论（Multiple-Resource Theory），人类的认知资源划分为多个相互独立的处理通道，各自对应不同的感觉模态与信息类型，如视觉与听觉信息流，任何通道内的资源均具有限定性，且两项任务若争夺同质资源便可能导致认知性能的减损。特别是在驾驶环境下，听觉分心现象显著地挑战了驾驶员的听觉处理资源。不同感官信号（例如视觉与听觉）在不同通道中被处理，与此同时，非关键的车内音频输出，如多媒体播放，可能与行车环境中的紧急声音信号发生竞争，进而对驾驶员应答交通声的能力造成削弱。此外，根据威肯斯的“处理代码效应”，信息处理也会受输入与输出类型的制约。例如，语音交互系统的设计需求，让驾驶员进行语音响应，此类声音到声音的信息处理需求，不仅增加了听觉通道的负荷，而且还可能对有效地处理关键道路声音的能力构成额外的干扰。因此，在智能汽车系统设计中，对于如何优化车载音频提示，以及如何通过预防听觉过载以保持驾驶员的注意力集中能力，成为关键的安全考量因素。
23 操作分心
在人机交互领域，操作分心被定义为驾驶员在百分比时间基准上从主要任务（即安全驾驶）中偏离以执行辅助手工任务的现象。这些任务涵盖广泛的交互，包括调节车辆的温度设置、进行导航系统设定，以及与车载信息娱乐系统进行互动等。随着智能汽车界面设计向触摸屏和集成控制台倾斜，这些界面尽管提供了操作的便捷性，也要求驾驶员进行精确的手眼协调。这样的手眼协调不仅依赖于驾驶员的运动技能和认知资源，而且在高度动态的驾驶环境中，这种协调对注意力资源的竞争可能会危及道路安全。费茨提出的Fitts定律提供了一个定量化模型，用于预测执行手工任务，如车辆界面操作的效率。根据该定律，执行任务的时间T是以起始位置到目标对象距离D和目标对象大小W的函数来表示的，其关联性可通过下式进行计算[3]：
[T=a+blog21+DW] （1）
在此模型中，a体现了反应时间的起始延迟，而b指示了动作速率。在实际的驾驶情境中，目标距离D考虑了驾驶员伸手操作界面时的物理距离，目标大小W则涉及到操作按钮或接触点的尺寸。操作座舱内的多功能触控屏或其他输入设备需要驾驶员进行精确的手眼协调，并分派一定的认知资源以处理视觉和动作信息。较远的距离和较小的目标尺寸均会增加操作任务的难度，从而导致驾驶员从驾驶主要任务上的注意力被分散（图1）。
此外，界面设计本身的复杂性也会增加认知负荷，致使视觉搜索和信息处理时间延长，降低驾驶员对突发交通情况的反应能力。反应时间和动作速度进一步阐释了操作特性和人的生理限制如何影响总体性能。综合应用Fitts定律于汽车界面设计，重点在于最小化到达和操作界面所需的时间和努力。减小控制面板或屏幕的D值，增大控制按钮的W值，以及降低操作的复杂性，均可减少由于操作导航系统或其他车载信息系统而引起的操作分心。
24 认知分心
在智能汽车人机交互设计中，认知分心现象是一种驾驶员在执行驾驶任务时所经历的注意力转移，导致对关键驾驶信息感知和响应能力的减弱。在日常和应急驾驶情境中，驾驶员需要以适当的觉醒状态应对不同的任务，以保持对车辆控制的警觉性和反应的迅捷性。
在驾驶过程中，各类情况出现的频率高低决定了人的“觉醒状态”的变化。发生情况频率低时，人处于单调的警觉状态；
随着频率增加，人的觉醒水平也不断提高并可维持一定的警觉状态；
长期的高频率应急刺激，可以让驾驶人员的日常监控超过人的生理心理承受范围，造成认知分心的产生[4]。
认知分心的主要问题在于，它分散了驾驶员的认知资源——一种有限且需要在多项任务间分配的能力，包括感知、记忆、思考和决策过程。在认知心理学中，对于多任务处理能力的研究表明，尽管人类可以在一定程度上进行任务切换，但在两个认知密集型任务之间进行快速切换会导致每项任务的性能下降。
对智能汽车而言，这意味着设计者在人机交互方面的设计必须考虑到如何帮助驾驶员管理认知负荷，避免任务溢出效应，即驾驶员无法同时有效处理所有任务而导致重要的驾驶任务性能下降。
以宝马在2023年美国拉斯维加斯消费电子展展出的全新BMWi数字情感交互概念车Dee的增强现实型抬头显示（AR-HUD）为例，其设计上的实践聚焦于减少驾驶员视野中的非关键信息（图2）。这样的设计思路源于信息减量的策略，通过减少外界刺激来降低因信息处理过载而引起的认知分心风险。该车型取消车内所有大屏，利用先进平视显示系统，可将投影内容覆盖风挡玻璃的整个宽度，这降低了查看仪表盘或中控屏幕所需的视觉转移及认知重新定位的需求，避免了额外的认知处理开销，进而减少了认知分心的可能性。
3 智能汽车分心驾驶控制的交互设计原则
在当今智能交通系统的快速发展背景下，智能汽车的人机交互设计愈发成为关注焦点。这些交互设计不仅直接影响着驾驶员的行车体验，更承担着关乎交通安全与效率的重要责任。通过在智能汽车交互设计中采用功能第一的简洁性、交互方式的易用性、系统反馈的有效性以及减少认知负荷的优先级原则，可以最大程度地降低驾驶员的认知负荷，提高其驾驶专注度和安全性。
31 功能第一的简洁性原则
在智能汽车交互设计领域内，针对驾驶员视觉分心的显著问题，采取“功能第一的简洁性原则”是一个既具理论基础也符合实际应用需求的策略。功能第一的简洁性原则要求设计应最小化非必要的视觉元素，并集中突出与当前驾驶任务密切相关的信息，从而优化驾驶员的情境感知、理解、与预测。根据这一原则，信息呈现的整合性与目的性被置于设计过程的核心，以支撑认知处理的连贯性与信息处理效率。
简洁性原则显著减少了驾驶过程中的感知负荷，减缓了对于关键信号检测的延误，增强了驾驶员从环境中提取准确信息的能力。同样地，通过有意识地重构交互界面，不仅可以在信息识别阶段减少认知上的错误，而且可以减少将碎片化信息综合成有意义情境表示的认知开销，使驾驶员在复杂情境中的行为响应更为连贯、合适。此外，简洁性原则在确保点对点信息传递的准确性的同时，亦能为驾驶员在道路情境中的预测提供必要而准确的数据基础，从而确保驾驶员可有效预判并适应未来可能发生的交通事件和环境变化。
32 交互方式的易用性原则
为了有效减少听觉分心并最大程度提升驾驶员的专注力，在智能汽车系统设计中，交互方式的易用性原则至关重要。这一原则注重设计智能而直观的交互方式，以最小认知负荷为目标，确保对车载音频提示的智能控制，同时有效预防听觉过载，以确保驾驶员的关注保持稳定、集中。
a.易用性原则要求汽车系统的音频交互设置及控制功能尽可能简单，易于理解，借助清晰的界面布局、简洁的菜单操作和直观的图形标识，以减轻视觉和听觉资源的竞争，缓解驾驶员的认知负担，并使其更加专注于行车任务。
b.为实现易用性设计应考虑用户习惯和偏好，整合个性化设置功能，允许驾驶员根据自身偏好进行个性化调整，并提供智能的交互引导，以减少无关音频输入的干扰，并提高处理关键驾驶音频信息的准确性。
c.易用性原则强调系统设计应在大多数情况下保持一致性，减少听觉刺激对驾驶注意力的干扰，并提高用户体验。
d.易用性原则提倡智能化的交互技术应用，通过声音识别技术、智能语音交互等功能，让驾驶员通过简单自然的语音指令完成相关操作，以减少手动操作对听觉资源的占用，并提升对关键驾驶声音的感知能力。
33 系统反馈的有效性原则
随着车辆界面操作的复杂性增加以及驾驶环境的高度动态性，驾驶员面临更大的操作分心风险。采用有效反馈原则可以通过智能汽车的系统反馈有效传达给驾驶员以减少操作分心的发生。
一方面，有效反馈原则要求反馈信息不仅要在适当的时间内传递，还必须以便于驾驶员理解和接受的方式呈现。在智能汽车界面设计中，这一原则可以透过简化反馈信息、提供清晰的指示以及避免过度干扰驾驶员来实现。例如，当驾驶员需要立即关注某一信息时，界面应以非常明确和易于识别的方式向其传递信息，从而减少驾驶员因界面信息反馈而分散注意力的可能性。
另一方面，有效反馈的原则必须与操作分心的实际情境相结合，以确保反馈在驾驶员执行辅助手工任务时能够平衡传达并获得注意。在Fitts定律所描述的操作任务难度背景下，反馈系统应具备综合考虑物理距离D和目标尺寸W等因素的能力，并将这些因素融入反馈性能的设计之中。例如，当面对远距离的目标和较小尺寸的操作按钮时，反馈系统可以提供更为明显且易于感知的反馈信号，以帮助驾驶员更有效地执行相应的操作，从而减少操作分心的可能性。
34 减少认知负荷的优先级原则
认知分心的主要问题在于其分散了驾驶员的认知资源，这些资源是有限的，需要在感知、记忆、思考和决策等多项任务间进行有效分配。基于认知心理学对多任务处理能力的研究，人类尽管可以在一定程度上进行任务切换，但在两个认知密集型任务间快速切换会导致每项任务性能下降的结论表明，减少认知负荷成为设计智能汽车人机交互界面的重要原则。
一方面，可以通过简化界面元素、删除非关键信息以及提炼并直观呈现必要信息等方式实现信息减量，从而有效降低驾驶员处理信息的认知负荷。另一方面，保持驾驶相关信息优先获得驾驶员的注意力也有助于充分利用驾驶员的认知资源从而专注于安全驾驶，可以采用智能提示和警示系统，通过声音提示、视觉警示和触觉反馈等方式，在系统检测到潜在危险或需要驾驶员进行特定操作时提供相关提示和警报，以确保驾驶员在关键时刻优先获得必要的驾驶相关信息。
另外，生理信号监测技术也是一个重要的手段，通过监测驾驶员的生理状态，如头部姿态、眼动轨迹等，智能汽车系统可以根据驾驶员的注意力水平和情绪状态自动调整显示内容和方式，使驾驶员在需要时能够优先获取重要信息以减少驾驶员的认知负荷，提高驾驶效率和安全性。
参考文献：
[1]李克强，王建强，许庆智能网联汽车[M]北京：清华大学出版社， 2022
[2]Endsley M R，Selcon S JDesigning to Aid Decisions Through Situation Awareness Enhancement[C]//Proceedings of the Proceedings of the 2nd Symposium on Situation Awareness in Tactical AircraftGold Canyon：SA Technologies，1997：107-112
[3]Fitts P MThe information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement[J] Journal of Experimental Psychology，1954，47（6）：381-391
[4]谭浩，张迎丽面向安全的智能汽车信息与交互设计研究[J]装饰，2022（8）：22-27
作者简介：
李嘉鑫，女，1998年生，硕士研究生，研究方向为数字媒体艺术。
李嘉（通讯作者），女，1968年生，教授，研究方向为设计学。
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