2.2 智能网联汽车人机交互功能定义

2.2.1 智能网联汽车人机交互总体结构

自从有了汽车，就有了人与汽车的驾驶交互行为，驾驶操作控制系统的智能化程度无论如何，汽车终究是一种为人服务的交通工具，对驾驶起决定作用的是人而不是汽车。因此，任何驾驶都是人机交互，即使是L5 级完全自动驾驶汽车出现，当人要体验汽车驾驶乐趣而接管驾驶控制权时，L5 级自动驾驶汽车也是有人驾驶汽车；即使在汽车完全自动驾驶模式下，人也有乘坐安全、舒适、与车信息交互等行为。为此，我们给出汽车人机交互的定义：“所谓汽车人机交互系统，就是人与具有不同智能化程度的汽车座舱、操控和乘坐系统共同组成的人—机—环系统，各自完成工作，在驾驶控制层面，人与汽车共同感知、共同决策、共同执行，保证车辆正常安全行驶；在乘坐方面，人与车形成智能移动空间，保证乘员出行安全和舒适。”在驾驶汽车时，人与车辆就是一个典型的人机交互系统，在这个人机交互系统中，人与汽车座舱内相接触的部位称为人机界面，汽车座舱空间、仪表板、方向盘、加速踏板、离合器踏板、变速操纵杆、座椅、后视镜、空调／音响操纵钮等与人组成的结合面就是人机交互界面。

汽车驾驶的人机交互实现在 3 个层面上，即感知和信息交互层面、控制层面（对输入交互系统的信息进行识别、判断和决策）和执行层面，3 个层面有机结合，构成了汽车人机交互系统的总体结构，如图 2.7 所示。

1）感知层面上的人机交互作用

由人的眼、耳、触、嗅、动等感知器官及汽车的信息显示系统和路况共同组成的汽车人机交互系统感知层面，一方面人感知路况和车况的输入信息，如道路中同向或反向其他车辆行驶、行人走动、障碍物等情况；另一方面汽车传感器感知车辆运行的内部状态信息，如发动机转速、车速、油量、油耗、里程数、水箱水温等，并经数据转换系统转换为人能感知的信息（视觉、听觉），由显示系统传达给人达到信息交互的目的，用于汽车人机交互信息的载体有仪表指针、文字、数字、图形、动画、语音、振动、声光信号等。

人机交互感知的作用：汽车感知系统（包括可穿戴设备）可精确感知车辆状态信息、环境信息、驾驶者的生理信息，并可通过拓宽感知范围感知人类不能感知的信息（如微波、红外、超声波等），而人类则利用自身创造性思维与模糊综合判断决策能力对汽车感知和决策出来的信息作综合感知，正确识别、判断汽车控制系统所需的正确输入信息与反馈信息。因此，通过人机交互感知多维综合信息，充分利用汽车感知视野广阔、定量感知精确和人对复杂现象模糊定性感知和创造性思维、预测能力强等特点，可提高智能网联汽车信息感知的全面性、可靠性、准确性，为汽车智能控制提供支持，从而提高整个汽车行驶的可控性，改善汽车行驶的综合性能。

2）控制层面上的人机共驾决策

在智能网联汽车驾驶中，人主要从事形象思维、灵感思维等创造性思维活动，人的中枢神经系统对人、车、路所感知信息进行综合处理、判断和决策，向人的肢体运动系统下达执行指令或向汽车智能决策系统提供必要信息；汽车的智能决策系统根据汽车对人、车、路感知的综合信息进行复杂数据快速计算和严密的逻辑推理，向人显示运算结果，等候人的进一步指令，或在特殊情况下自动作出必要决策，驱动控制系统或执行系统去执行必要的操作任务。如在两车跟车过程中，后车的自适应巡航系统（ACC）能探测前方车辆行驶速度与后方车辆行驶速度以及后方车辆与前方车辆间距，当后方车辆速度过快或前车突然减速时，制动距离小于安全距离，ACC首先提醒驾驶者注意跟车速度和减速行驶，而当驾驶者未刹车减速时，危险逼近，车辆智能控制系统（ACC）就采取自动刹车，保证后车行驶安全不追尾碰撞。这一过程就充分体现了人机交互共驾决策控制系统的执行效果。

控制层面上的人机交互控制策略有 3 种：第一种为“人主机辅”控制策略，即由智能汽车的感知决策和控制系统来辅助人进行车辆行驶状态控制，智能汽车完成人类感知范围以外的信息处理、大规模数据定量处理及严密的快速逻辑推理等工作，如行驶路径规划、偏道纠正、主动安全、导航等。第二种为“机主人辅”控制策略，虽然人在信息综合分析、定性问题处理、模糊控制以及灵巧动作执行等方面高于智能汽车，但智能汽车感知与控制系统在处理较复杂的驾驶任务时，特别是由车载计算机处理非结构化、非线型、模糊性及随机性强的事件时，比人快得多，而汽车处理未知事件的预测能力、综合判断能力不如人，自动行驶需要得到人的帮助，此时采取“机主人辅”控制策略。另外，在一些情况下，让车载计算机完成复杂控制活动须付出巨大代价，这时“机主人辅”控制策略就起着减少这种代价的作用。第三种为“人机耦合”控制策略，在人机交互控制系统中，由于这样或那样的原因，人或汽车的单独决策都可能出现失误，因此，人机耦合控制，可在人或汽车出现失误时，由智能系统自动切换到另一种控制方式，两者有机地配合，从而保证了系统的稳定性和可靠性，这就是人机共驾控制策略和失效补偿机制。

3）执行层面上人机交互协作

人在智能网联汽车中主要从事灵巧性、协调性、创造性强的感知与操作（如发出指令，操纵方向盘、加速踏板和制动踏板，意外事件应急处理等），而智能汽车则主要完成驱动功率大、定位精度高、动作频率快或一些超出人能力范围的操作，如转向机构操作、制动系统操作。随着汽车智能化程度的不断提高，人在汽车中的驾驶主导地位将被智能网联汽车逐步替代，最终出现的智能网联汽车是，当人要感受驾驶乐趣时，由人驾驶汽车为人提供安全、舒适、快捷的行驶服务，当人在车上要处理公务时，则将控制权交由智能汽车自动驾驶。

2.2.2 智能网联汽车人机交互功能分配

1）智能网联汽车中人机功能特征比较

为了更好地设计出人机一体化的智能网联汽车，对人和智能网联汽车在感知、控制和执行方面能力的特征进行对比分析成为必要。表 2.3—表 2.5 分别列出了人与智能网联汽车在感知（信息输入）、控制（处理信息）和执行（输出结果）3 方面能力的特征比较。

从表 2.3—表 2.5 中可看出，人与智能网联汽车的能力在 3 个方面各有所长。汽车设计的最大目的，就是处理人类很难或不能处理的事情。在人与智能网联汽车的交互操作中，人与智能网联汽车各司其职。人主要从事感知、决策、控制、创造等方面的驾驶工作，而汽车则主要在输出动力、车辆运行和控制执行方面发挥作用，或从事人由于存在生理或心理因素而无法实现的工作（如快速运算、精密控制等）。随着计算机信息技术、通信技术、传感器技术、人工智能技术、多媒体技术及大数据分析等发展，计算机开始涉及思维、感知、决策和创造等方面的人工智能工作，进而“人机共驾”智能网联汽车的思想被提出，其目的就是充分发挥人与智能网联汽车各自的优势，使人与汽车相辅相成，以获得车辆运行的最佳效益。

2）智能网联汽车中的人机交互功能分配

在了解了智能网联汽车中人与汽车各自的功能特征后，就可以进行交互功能设计。第一步就是进行人机功能分配。在人机功能分配完成前，智能网联汽车中人机关系处于一种“浮动”状态，人和汽车两大部分并没有直接发生交互，汽车系统和人员系统的设计都不可能提出明确的要求。只有在人机功能分配完成后，汽车中某项功能由人、汽车或他们相互协作完成的人机功能分配才明确下来，并由此确定了人机界面的具体位置及人与汽车各自的功能职责和配合协调要求。此外所指的人机界面为泛指人与汽车交互界面、人与道路场景发生交互作用的物理或非物理结合部。

对一个具体的智能网联汽车，其人机交互界面的形式主要取决于两个因素：一是汽车本身的功能特征；二是汽车所处的道路交通环境。不同智能化程度的智能网联汽车，有不同人机交互界面，即使相同智能化程度的汽车，在不同道路交通场景下也会有不同人机交互界面。因此，进行人机功能分配的目的就是，根据汽车出行的功能需求和特定道路交通环境合理分配人机交互功能以保证智能网联汽车具有最优的人机交互界面和最佳的行驶效益。

人机功能分配作为人机一体化智能网联汽车人机交互界面设计的第一步，先根据汽车的用户对象和使用范围定义汽车的人机交互基本功能，并按主要功能和子功能两个层次进行分解，然后根据人和汽车的功能特征进行分配，并使已分配的功能交互协调。人机功能分配设计的概念模型如图 2.8 所示。在此模型中汽车交互功能定义是将汽车开发预期的交互功能分为 N 个基本功能，如智能网联汽车中的驾驶控制子系统、驾驶辅助子系统、信息显示子系统、信息交互子系统等，每个子系统就构成了一个基本功能。对基本功能进行分解，就得到如图 2.9 所示的人机功能分配模型。由此模型可以看出，人机界面功能定义最终落实到汽车人机交互主要功能和子功能层次上。对于人机交互主要功能层次来说，某项功能可以由人或汽车来完成，但在完成这些功能的过程中人机之间已经体现出了交互配合关系，这种关系对于人机功能分配是很重要的。在子功能层次上，某项功能由人或汽车完成的人机功能分配已经被明显体现出来了，因此，最终具体的人机功能分配都落实在子功能层面上。

随着汽车智能化程度不断提高，传统有人驾驶汽车正在向自动驾驶汽车发展，人与汽车交互功能分配也在发展变化，如在有人驾驶的智能汽车中，人仍起感知环境、控制车辆行驶方向、速度、制动、选择路径、避让障碍、安全行驶的主导作用，而此时的智能汽车则通过ADAS系统为驾驶者提供驾驶辅助，使人在驾驶汽车时除了体验驾驶乐趣外，有更多安全、高效、舒适、智能的体验感，尤其当驾驶者驾驶汽车出现判断失误、注意力分散、消极情绪、疲劳、生理疾病时，智能汽车的环境感知和人感知系统发现驾驶者出现这些现象，会及时提醒驾驶者注意，并采取必要措施，如驾驶者仍未采取必要措施，车辆行驶会发生安全事故时，智能汽车会接管车辆驾驶控制权，采取必要而正确的控制行为，保证车辆行驶安全和路径正常。

L3～L4 级智能汽车在有条件和高度自动驾驶状态下，仍须驾驶者坐在驾驶位置并负有驾驶监管职能，虽然智能汽车在自动驾驶，但如果智能汽车遇到无法识别和决策的道路场景，会请求人立即接管车辆驾驶控制权，将汽车自动驾驶模式切换为人工驾驶。这种人机共驾模式在未来较长时间内会存在于汽车自动驾驶模式中（表 2.6）。