3级自动驾驶汽车HMI设计：场景驱动
HMI设计过程的三个阶段
设计HMI的过程中有三个主要阶段：
1.分析
2.创造
3.执行
在第一阶段，需要分析未来方案的市场、客户、应用案例、技术、法律以及生存周期。需要回答的基本问题有：
1. 方案的使用者是谁？方案是为专业人士还是大范围人群设计的？典型用户画像是什么？等等
2.方案怎么使用？方案是主要任务还是次要任务的产品？它适用于移动环境吗？它能在含噪声的、多尘的、潮湿的、无菌的环境中使用吗？等等
3.在以上环境中有可能使用多点触控屏幕吗？我们有必要提供一个允许戴手套操作的选项吗？
4.旧版本方案积累的体验可以被使用吗？我们需要对同一细分产品做对标吗？有可能和其他细分产品做对标吗？合理吗？是否有法律限制HMI设计？
分析阶段的数据来源是内外部市场调查的结果。其他信息来源是对内部市场销售团队、技术提供者的访谈、竞争者分析、对标行为、或法律。分析阶段的交付物是HMI草图。它们以纸质或电子版的方式呈现。之后，可用性专家分析调查数据和可交付物并针对集中小组进行测试。在初期阶段，任何·改动都是便宜的，而且会很快被应用。
在创造阶段，可以使用多种以用户为中心的设计方法。以用户为中心的设计指的是一个工具和行为的结合体，把用户、用户需求、期望、局限、能力集中于设计过程中心。在初期阶段，实施自由和创造性技术如头脑风暴（增加功能，使HMI更厚重）或系统的创新思维（限制功能，使HMI更薄）。在创造阶段的第二时期，更正规化的程序被使用。例如，艾伦·库珀介绍了一种被广泛使用的方法：用户画像。用户画像是基于市场或以经验为依据的研究而创造的。它们反映出典型用户人群和他们的需求，能力，使用实例。HMI方案的想法是由用户画像为指导方针。其他方法还有场景技术或情境设计。情景设计是一种传递信息的工具如用户真正做了什么，为什么他们这样做，他们这样做的方式是什么等。
在创造阶段，每一时期的反馈都要分析（可用性分析，焦点小组，可用性研究）。创造阶段的下一时期是概念设计。基于早期步骤的信息累积，专家选择合适的交互技术（手动输入，语音识别等），开发图样概念，描绘交互设计的草图。连续循环中，细节的程度在步步增长。创造阶段的交付物是：
说明书（描述HMI性能、阶层式界面菜单、用语、输入程序的一份书面文件）
风格指南（描绘屏幕设计图形）
为执行做准备的绘图
在完成上述文件之前，用户参与是必需的。通过展开可用性研究，专家分析，或焦点小组，可以实现用户参与。这种通过外部实例进行研究的方式十分有用。用户参与阶段也是整个发展过程中最后一个不需要高付出和大损失就能对HMI概念进行变动的阶段。
在执行阶段，HMI团队要么扩充，要么完全改革。HMI专家负责前两个阶段，他们必须有心理学，平面设计，人因工程学的背景。在执行这一阶段，软件工程师参与项目。创造阶段的交付物是各组开发者相互交流的基础。
概念构想的目的
随着驾驶场景的快速变化并朝着更多自动化发展，驾驶员的角色将从操作者转变成系统的监督者。这种变化将导致对HMIs和人机协作的新要求。即将到来的L3级别自动驾驶对汽车制造商、HMI设计师、相关工程师提出了新的挑战。应对这些挑战的主要问题是：
1. 我们怎样能创造出一个HMI方案使驾驶员更多意识到功能部件和自动驾驶特征？
2. 驾驶员怎样能以直觉化的方式与HMI方案产生交互并在L3自动驾驶前提下对车内驱动系统进行个性化调节？
3. 我们怎样能设计出一个灵活的HMI方案满足可伸缩性的需求（如：使方案适用于不同汽车模型并且执行各种主动安全系统）？
我们在这本电子书中提及这个项目的目的在于提供一个全面的人机界面（HMI）方案概念。这个概念提供给驾驶者一个清楚的综述和对所有L3自动驾驶车内系统的良好理解。
组合仪表：关键元素与关键设计
在众多的人机交互界面中，我们决定把仪表盘作为汽车的基本反馈要素进行阐述。当我们靠近一辆自动驾驶汽车时，仪表和中控将继续成为HMI的主要平台。汽车制造厂商正在采用集成3D图形和动画甚至自然语音控制的的可视控件，汽车制造商面临的挑战将是设计更友好、个性化的仪表，驾驶员将更多地依赖屏幕来获取所需信息，确保他们在驾驶过程中的安全和舒适。下面是我们设计的3级自动驾驶汽车仪表盘的一些观点。在我们的设计过程中，我们试图遵循汽车人机界面设计的一般原则（见part2部分），从传统的仪表盘中获取基础元素，并将它们与自动驾驶的关键元素和定制化视觉效果结合起来，为用户创造一种愉悦而有意义的车内体验，下面将重点介绍一下整个概念设计的要点。关键要素如下：
时速表，由弧刻度和数字指示器组成；
转速表与档位指示器集成，精确显示转速和所选档位；
高级显示器：从后车顶和道路上的标记看到汽车的风格化视图，它提供了有关车辆和周围车辆在车道上的位置、道路标记类型以及与其他车道上车辆相比自身车辆的相对位置的详细信息；
自动驾驶相关视觉符号：仪表盘右下角的图标，显示了自动驾驶系统的状态；
续航里程数，结合了燃油表和可续航里程等要素；
故障提示和警报。基于位置、时间和交通状况(本地限速、交通警报、路标图标)；
车内系统指示器，显示汽车系统的状态：车内外温度、空调模式等。
关键设计原则如下：
视觉传达。除了纯数字输出，我们还尽可能使其可视化。例如，时速表既能显示数据，又能通过圆周的弧度长度直观的传达出来。
适应层级结构。根据驾驶模式(手动或自动)的不同，自适应进行相对应的设计调整，根据用户的操作，为元素的显示提供优先级，以便在正确的时间显示正确的信息。例如，在手动模式下行驶时，速度、转速和档位优先，而档位是辅助信息，占用的空间较小，相反，在自动模式下，转速表对驾驶员的重要性降低，一张显示未来汽车动向和环境情况的交互式地图是优先考虑的信息。
群组。我们选择以简单的分组方式显示信息，例如，所有与导航相关的数据(行程的最终目的地、剩余距离、预计到达时间等)都分组在“交互式地图显示”上。通过对信息进行分组，驾驶员可以一次看遍同一种类型的数据，并且可以更快地了解显示器上的不同元素。
深色背景和对比度。对于HMI概念，我们选择了几乎是黑色的背景和霓虹蓝/绿/白的高光。这种配色方案提供了最简单的对比度，并且允许用户快速扫视离散的信息，而不必在黑暗环境中努力辨别具体细节。
颜色的使用，ISO是汽车符号和信号装置的国际标准，从我们的概念中可以看出，我们已经采纳了ISO的要求。绿色表示安全、正常工作状态。灰色是用来描绘“关闭”状态的柔和颜色。所有的灰色图标和指示灯都以白色亮起，表示整个驾驶过程中汽车系统和路况的变化。我们还在我们的设计中加入了蓝色，用于在限速、档位状态和一些上下文指示灯范围内行驶时的速度指示灯，蓝色是中性的，并且与日光具有相同的色度，红色用于警报条件，它表示可能对人员或设备造成危险的或迫在眉睫的事件。
3级自动驾驶HMI设计：场景的作用
本次HMI设计中的一个重点是设计和开发一个能展示驾驶员和3级自动驾驶系统之间交互的场景。整个场景设计由4个阶段组成，每个阶段都以系统的特定状态为特征：
启动车辆；
手动驾驶；
从手动模式切换到自动驾驶模式；
自动驾驶模式；
停用自动驾驶模式。
启动车辆：当司机按下电源按钮启动汽车时，位于电源按钮上的指纹系统会自动识别司机是谁，之后显示欢迎信息。
首次激活车辆时都进行系统自检，向驾驶员显示所有系统（尤其是自动驾驶系统）是否正常工作。此系统检查传达一种专家系统的表达方式，是为了让用户内心对自动驾驶系统实现更高水平的信任。同时向用户呈现个性化的自动驾驶(AD)系统，例如姓名和声音（在进入车辆时系统可能已经呈现过），使系统更为拟人化。
手动模式：在手动模式下，“传统仪表”-速度表和转速表(与档位指示器集成)在HMI显示屏上具有最高优先级。其他元素依次是高级显示汽车的位置、距离状态、故障提示和警报，以及车内系统指示灯等。自自动驾驶的图标位于仪表盘的右下角，灰色图标显示自动驾驶模式不可用。
自动驾驶系统必须满足一定的环境条件才能投入使用。系统可用性的标准列表可能非常广泛。例如，汽车必须在高速公路或多车道道路上，且车道之间设置明显的分界线，车辆自身速度不得超过规定的限制，并且在车辆传感器的相关观察范围内不得有交通灯或行人等障碍物。
在我们的概念设计中，当满足上述所有条件时，系统消息会出现在仪表盘的显示器上，方向盘顶部的灯带变白，自动驾驶图标也以白色亮起，表示自动驾驶模式可用。
当涉及到设计自动驾驶系统的图标时，我们坚持人们熟悉的知识和理解。使用熟悉的图标限制停留时间和认知负荷。我们选择了一个带有“自动驾驶（AD）”字母的方向盘图标，意指“自动驾驶”。
从手动模式切换到自动驾驶模式：一旦自动驾驶系统被激活，服务消息就会出现，以确认车辆是自动驾驶模式。图标颜色变为绿色，方向盘顶部的绿色灯带亮起也象征着该功能正在运行。
随着驾驶员将车辆从手动模式切换到自动驾驶模式，仪表盘的设计也发生了根本性的变化。由于车辆在自动驾驶模式下，转速表暂时隐藏在组合仪表之外，以往突出的转速表设计变得并不那么重要。由于车辆需要始终显示档位信息，其指示器右移，并且与车速表集成到一个信息群组。
在自动驾驶模式下，驾驶员的注意力转移到监测车辆的横向和纵向运动上，这就是为什么高级显示器至关重要的原因：它提供了关于车辆及其周围车辆在车道上关于位置的详细信息，以及与其他车道上车辆的相对位置信息，依靠车身周围的ADAS传感器，自动驾驶系统甚至可以控制并完成车辆近距离切入等类似苛刻的行为，而驾驶员可以通过显示器来监控这种情况。
交互式地图取代转速表是系统自主反馈的另一个重要部分，除了导航功能外，交互式地图还专注于协调即将发生的车辆和环境突发状况。它还为高速公路上出现交通堵塞或其他可能的危险区域的部分提供了警告图标，让司机全面了解交通信息。例如，如果某个特定路段不适合自动驾驶模式，系统将通过向驾驶员发出预先信息警告来提醒驾驶员，从而允许驾驶员在该特定区域提高注意力。
非常重要的一点是要了解其他不同类型的反馈有哪些在自动驾驶模式中比在手动模式更相关，反之亦然。然而，在控制过程中更改人机界面设计的最重要目的是使驾驶员能够完全理解目前所处的模式到底是哪个，以防止模式的混淆。
自动驾驶模式的运作模式：在3级自动驾驶模式下，自动驾驶系统功能允许车辆自行变道，或在满足特定道路条件时启动超车。在下面的示例中，一个较慢行驶的车辆在我们自动驾驶汽车车道上相遇，旁边超车道中没有其他车辆。为了建立信任并确保该驾驶员的安全，该系统会不断显示一系列涉及该车辆下一步动向的描述信息，通过显示车辆未来轨迹及行车间距等额外视觉信息也可以提高驾驶的舒适性。
总之，先进显示器和交互式地图是为了提供驾驶相关的早期信息，使驾驶员充分意识到自动驾驶系统接下来将会如何运行、正在运行的及这样运行的原因是什么等信息。
停用自动驾驶模式：当环境条件发生重大变化，且自动驾驶系统无法再应对时，车辆应及时向驾驶员发出警告，例如，在从高速公路出口到城市街道之前，系统将提醒用户注意自动驾驶系统关闭及接管请求，自动驾驶系统需要通知其无法处理的原因，并提供关闭及请求接管的倒计时提醒。在我们的概念设计中，方向盘顶部的灯带开始显示红色并不断跳动，自动驾驶图标变红并发出轻微的警告信号。同时，一条警告信息 “高速公路驾驶即将结束，请恢复对车辆的完全控制！”与下面的倒计时一起出现。如果驾驶员不采取任何措施，警告会变得更具侵略性，系统会发出嘟嘟的声音，如果驾驶员没有把手放在方向盘上，车辆将自动减速直至完全停止。
结论
随着车辆的自动化程度越来越高，非常重要的一点是驾驶员仍然需要了解车辆什么可以做什么不可以做。在理想情况下，车和人可以被看作是一个协调安全驾驶和舒适驾驶的认知协作系统。在人车的协作中，车辆与人之间的主要通信方式是人机交互界面。人机交互界面使车辆了解人类的命令和意图，让人了解到车辆所处的模式、系统状态和系统意图，最后，它负责人车交互信息的传递。因此，人机交互界面在人车协作系统的运作中发挥着核心和关键的作用。
在我们的研究框架内，该项目的目标是创建一个整体的人机界面解决方案概念，为驾驶员提供一个清晰的概览，使驾驶员对车内3级自动驾驶系统有充分的了解。本文基于工业界和案例研究的结果，设计了三级自动驾驶组合仪表的设计概念，在设计过程中，我们试图遵循汽车人机界面设计的原则，从传统的仪表盘中提取基础元素，并将它们与自动驾驶的关键元素和视觉效果结合起来，为用户创造一种愉悦而有意义的车内体验。我们相信，我们的研究和我们的设计概念，可以为增强人对自动驾驶系统的信任提供指导。
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