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汽车HMI领域洞察(一)| 智慧座舱安全体验白皮书  定义·实践·测量

汽车HMI领域洞察(一)| 智慧座舱安全体验白皮书 定义·实践·测量

新四化为汽车行业变革带来了新的浪潮,随着互联网思维和新技术的导入,以用户为核心的设计也逐渐成为主流。汽车HMI的标准、用户体验策略、人机交互方式都发着了本质的变化。车联网和人工智的渗透加速这汽车数字化进程,智能汽车由此而生,在面对行业变革的浪潮,作为从业者的我们需要不断的学习和进化,去适应并创造新的汽车产品。在这过程中有很多破局者率先发布了汽车HMI领域洞察白皮书,痞子蔡专栏【HMI设计伽汽车HMI领域洞察系列】,希望通过分享行业洞察让更多人的了解和学习,用知识武装自己,来拥抱汽车行业的变革,共建智能汽车HMI领域。


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智慧座舱的发展对驾驶安全性和可靠性的影响目前尚无定论。 本白皮书对智慧座舱做出定义,对国内外相关法律法规和行业标准进行研究,提出智慧座舱交互安全的可行性测量方法,旨在为行业和国家相关标准的制定和各车厂、Tier1及服务商的智慧座舱服务设计提供参考,并为消费者和产业界构建智慧座舱交互安全的广泛共识。


1、智慧座舱的发展与演进

从上世纪80年代CAN总线系统用于车内ECU的数据通信,2012年电动车提供,全新的交互和控制方式,2014年手机车机互联方案面世,到2019年跨智能设备资源共享实现,纵观智慧座舱产业(也称智能座舱、智能驾舱)的发展,可以看到多样化体验的快速渗透和广泛应用。

智慧座舱发展历程
  • 交互方式走向多模态:如特斯拉的语音识别控制系统
  • 舒适化:如丰田的ACES(主动参与舒适空间),可主动调节驾驶坐姿、温度让驾驶者和乘坐者获得最舒适的驾乘体验。
  • 从被动安全扩展到主动安全:如宾利提供的行人检测系统和抬头显示系统、夜视功能、盲点检测系统、下车警告系统和交通标志识别系统 。
  • 空间与服务的扩展:如威马提供的在车内用语音控制家中的智能电器。

中汽中心从物理范围和体验的角度对智慧座舱做了进一步的界定,使得智 慧座舱对于厂家和消费者来说更加具象。从物理范围来看,智慧座舱包括了带给驾驶员和乘客更加安全、舒适、智能的驾乘体验所有模块,包括操控系统、娱乐系统、空调系统、通信系统、座椅系统、交互系统、感知系统等。操控系统包括:方向盘;娱乐系统包括:中控台屏幕、后排多媒体;通信系统包括: 蓝牙、WIFI、NFC等;交互系统包括:中控屏、仪表盘、HUD;感知系统包括: 雷达、摄像头、驾驶员健康监控系统、空气质量传感器等。

智慧座舱的物理范围

从体验的角度来看,智慧座舱在交互安全的基础上,通过对软硬件提出特定功能要求,使驾驶员能在车机互联、语音交互、驾驶员状态监控、生物识别、车路协同、安全预警、物联网、信息安全等技术上得到优质体验,在舒适化、智慧化、办公化等方向上不断进行提升。

智慧座舱的体验范围

对于驾驶员而言,智慧座舱所提供的安全体验包括了基础的交互安全性以及基于相关技术的主动安全(能够预防事故发生,如疲劳驾驶检测、驾驶人健康状态检测等)和被动安全(在发上不可避免的事故后,能够对车内成员和车外行人进行的保护,使人员伤害程度降到最低),本文先从交互安全性着手来进行探讨。


2、智慧座舱安全体验相关的驾驶安全法律法规与标准

从智慧座舱的定义可见交互安全的基础性地位,但当前国内外并无将智慧座舱的交互安全作为整体来进行考量的法律法规和行业标准,相关讨论往往参照“手机使用相关的驾驶安全法律法规与标准”,其主要原因在于智能手机一直处于“引领消费者终端人机交互体验”的地位,当前智慧座舱的交互体验也尚处于追赶并尝试齐平智能手机的阶段。因此从“手机使用相关的驾驶安全法律法规与标准”着手,可以快速了解法律法规和相关标准中明确定义的高风险交互行为。

本文特将“手机使用相关的驾驶安全法律法规与标准”摘录如下,从中可以得到明确的信息,即“手持电话并进行相关操作,在国内外均属于法律法规明令禁止的行为”。

  • 中国:《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》 第六十二条规定,驾驶机动车不得有拨打接听手持电话、观看电视等妨碍安全驾驶的行为;《机动车驾驶证申领和使用规定》中规定驾驶机动车时如有拨打接听手持电话、观看电视等妨碍安全驾驶的行为,处警告或者20-200元罚款。
  • 英国:限制了浏览电子设备等其他需要人手操作手机的行为,驾驶时使用手机一经查处,将罚款200英镑,开车打电话最高可判入狱2年,如因发短信造成致死车祸,肇事司机面临最高14年的监禁。
  • 法国:禁止司机在开车时看视频、使用手机(包括查找手机上的地图)、平板电脑或影碟放映机;司机若想使用手机,则必须将车停在规定停车位,并且引擎熄火。如果违反这一规定,司机将会面临165美元罚款和相应的积分扣除。
  • 日本:警察厅于2018年提出修正案,提出对于开车使用手机的惩罚将从现行的“5万日元以下罚款”修改为“6个月以下拘留,或10万日元以下罚款”。此外,对于可能引发事故的危险情况,将从现行的“3个月以下拘留,或5万日元以下罚款”修改为“1年以下拘留,或10万日元以下罚款”。
  • 新加坡:对开车打电话的初犯者最高罚款1000新加坡元并监禁6个月;对再犯者最高罚款2000新加坡元并监禁1年。
  • 意大利:对驾车违规使用手机者,可处以最低152欧到最高608欧的罚款;对多次违规者,将视情况给予禁驾1至3个月的处罚。
  • 德国:根据《道路交通规定与条例》规定,驾驶员不得使用移动电话或汽车电话。
  • 美国:有20个州明确禁止所有司机手持电话交谈,48个州禁止所有的司机发短信。此外,美国国家道路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)制定了车内电子设备指南(Visual-Manual NHTSA Driver Distraction Guidelines for In-Vehicle Electronic Devices)对车内电子设备交互行为的安全性指导影响深远。
NHTSA车内电子设备指南要点


3、人与应用交互行为过程解析

中国司法大数据研究院发布的《机动车交通事故责任纠纷案件报告》显示,2012年1月1日至2017年6月30日,全国各级人民法院机动车交通事故责任纠纷一审审结案件449.1万余件,排名第三的事故诱因是驾驶时使用手机,占比10.56%。美国国家公路交通安全管理局公布数据显示,2010-2016年间交通死亡事故中,分心驾驶导致的事故约占事故总数的10%,其中驾驶时使用手机导致的死亡事故数约占分心驾驶导致的死亡事故数的13%。

在座舱内直接使用手机或者将手机与车机进行互联时使用已成为常态,要了解智慧座舱中如何实现安全交互,不妨从驾驶过程中与手机的交互行为出发,找到高频行为,解析交互过程。

同济大学研究者基于上海自然驾驶实验中采集的60名驾驶人员累积161055公里的日常驾驶行为数据,对驾驶人在自然驾驶过程中使用手机的交互行为进行了解析。

3.1、驾驶过程中的高频交互行为

在研究提取的1244次手机使用事件中,最频繁的五种驾驶时使用手机的主任务依次为“浏览阅读”、“通话”、“收发短信”、“移动手机位置”、“持握手机”,占全部事件的 98.8%,具体统计结果如下图所示。

不同任务类型手机使用事件频率与平均时长

3.2、高频的交互行为对驾驶的影响

高频交互行为对驾驶的影响,需先考虑衡量的维度和指标:

  • 视觉分心:美国国家道路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)制定的车内电子设备指南(Visual Manual NHTSA Driver Distraction Guidelines for In-Vehicle Electronic Devices)定义视觉分心为驾驶人视线从道路移开,转移至与驾驶不相关的任务的状态。
  • 身体动作分心:NHTSA定义为需要驾驶人将一只手从方向盘上拿下来操作电子设备的状态,规定驾驶人在执行分心驾驶任务时不能使用多于一只手来操作。驾驶时使用手机的手部占用建议值:应该不需要超过一只手来操作。在此基础上,研究者添加了双手脱离方向盘时间占比、手部占用情况变换次数、时间平均手部脱离方向盘数三项指标。
  • 车辆控制状态:车辆控制状态是学界用于研究交互行为带来的交通安全危害常用的分析角度,例如对比车道偏离标准差在存在高频交互行为和不存在高频交互行为下的波动,可以明显看到其波动在存在高频交互行为时变小,说明驾驶人减少了对车辆控制的投入,交通安全风险随之提升。

基于自然驾驶数据提取的手机使用信息,从视觉分心、身体动作分心和车辆控制三个方面进行分析,可深入解读高频交互行为对驾驶的影响:


4、应用交互安全的衡量方法

4.1 基于指标和阈值要求的衡量方法

在安全交互方面建立了分心(包括视觉分心、身体动作分心、认知分心)和车辆控制维度的系列衡量指标(参见表2-表5)并广泛用于驾驶安全性与可靠性研究。其中,视觉分心和身体动作分心的指标可测试性较强,已有在其基础上进行测试用例设计的实践,认知分心和车辆控制状态受测试技术成熟度影响较高(如车辆控制状态部分的测试需配备六自由度或八自由度的驾驶模拟器,或者基于自然驾驶行为检测),在实际使用中存在较多限制。

视觉分心维度衡量的指标和阈值参考
身体动作分心维度衡量的指标和阈值参考
认知分心维度衡量的指标参考
车辆控制状态衡量的指标和阈值参考

在实际测试用例方面,测试者可基于具体的测试项,综合选择衡量维度和指标进行设计。如下面“通过语音方式导航到一个新的目的地”测试项,就综合考虑了“视觉分心”和“身体动作分心”。

基于绝对指标和阈值的交互安全测试用例设计示例

4.2、基于信息感知模型的衡量方法

智慧座舱的整体发展来看,座舱帮助驾驶人完成即使是单次的任务越也来越通过视觉、听觉、触觉、认知等多感知信息通道完成,在设计之初,智慧座舱的产品经理们就需要从不同的交互方案中选择对于驾驶更加安全可靠的方案。在这方面,国内“入舱”最早的企业最有体会:

同样功能,采用不同的交互方案给使用者带来的信息量存在着差异,从信息量的角度来对衡量交互的安全性,在道路交通标志设计领域已有相关研究。结合了心理学模糊理论的信息感知模型,能够从智慧座舱应用交互设计之初就帮助厂商选择出更具有安全性和可靠性的方案,具体步骤如下:

第一,对多模态交互过程建模:基于模糊逻辑建立信息感知模型,分析信息的条件状况与驾驶行为之间是否存在逻辑关系,建立模糊规则(如图像“前方车距近”与感知“前向车距近” 等),标定单一模态信息的感知隶属度函数。

基于模糊逻辑建立信息感知模型示意

第二,将多模态信息感知融合与人车协同感知模型构建,它可以通过建立多元模糊集合构建多模态信息对驾驶人感知机制的叠加影响,融合各个模态信息、标定各模态信息所占权重、建立融合感知机制,形成多模态信息融合的模糊感知模型;

多模态信息融合的模糊感知模型示意

第三,对驾驶人个体感知差异建模并展开分析:考虑个体差异进行感知模型标定,它需要基于每位受试驾驶人的个人感知数据进行感知信息建模分别标定模糊感知模型的各个关键参数(均值、方差、权重),通过对比特征参数分析驾驶人感知能力的个体差异性,对驾驶人的感知能力进行排序,针对感知能力较差的受试者,结合面对面访谈,识别影响感知能力的关键因素 (信息量、信息模态、触发时间等等);

最终,利用蒙特卡洛和多层logit模型等方法进行感知失效与危险事件分析,并计算感知边界信息量:利用模糊逻辑中的不确定性转化定量特征与定性特征,将驾驶过程中的行为特征(数字信息)模糊化后转为驾驶人的心理特征(模糊信息),完成驾驶人心理感知的量化与融合,分析重点驾驶场景、重点驾驶人的感知失效与危险驾驶事件,识别典型失效原因与失效路径,明确智慧座舱典型应用/服务交互的安全衡量指标与阈值设定,提出提高驾驶安全的信息 交互改善对策与建议。

模型建立过程示意

基于信息感知模型的衡量方法在高速公路的标识设计安全性比较中已有研究,将其引入智慧座舱,作为交互方案的安全性比较衡量模型,在学术领域也还处于开创阶段。通过揭示手机-汽车互联环境下驾驶人的态势感知与决策特性,分析并预防手机-汽车互联状态下驾驶人感知失效,既发挥互联价值、提高驾驶安全,又明确安全边界、防止信息过载。相较于基于指标和阈值的衡量方法,信息感知模型为智慧座舱发展下的多模态交互的安全性设计提供了一个新 的可能--“设计师无需依赖后端测试即可自行选择出更加安全的设计方案”。相关的学术研究已经展开,研究结果可为提高手机-汽车互联安全可靠性和驾驶体验提供方法和实践依据,拭目以待。

本文来源于软件绿色联盟,痞子蔡仅做分享!

编辑于 2019-08-23

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