第1章 绪论

汽车作为代步工具已有100多年的历史，通过操纵转向盘和踏板来使汽车按驾驶员的意愿行驶，而这个过程主要依靠个人的驾驶技巧。传感器和计算机技术的飞速发展促使汽车设计工程师去探索如何让驾驶任务可以得到新技术的协助，甚至实现自动驾驶，这样做的最初尝试已经在20世纪80年代开始，当时的美国卡内基梅隆大学（CMU）在其中起着先锋作用。目前，自动技术已经取得了长足的发展且部分技术趋于成熟，以至于大部分汽车都有或多或少的辅助驾驶系统成为汽车的标准配置，例如自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）、车道保持辅助（Lane Keeping Assist，LKA）、碰撞预警等；同时，许多公司正在提供高级辅助驾驶解决方案，比如低级别的自动驾驶，并且正在对车辆做道路测试和实车驾驶测试；更高级别的自动驾驶也在研发中。

开发自动驾驶技术的主要出发点是交通安全。在中国，2017年有超过63000人在交通事故中丧生。在欧洲，2017年有25000人死于交通事故。在美国，2015年的交通事故死亡人数是55000。对交通事故原因的分析表明，绝大多数事故由人为错误引起（酒后驾车、超速行驶、误判、分心，这些是最主要的原因）。因此，人们普遍认为，如果能够更好地协助驾驶员，甚至完全让驾驶员脱离驾驶任务，让人走出人—车—路这个驾驶循环（out of the loop），则可以消除由于人为错误而引起的事故，从而大大减少事故死亡人数。促进汽车自动驾驶技术研究开发的其他出发点还包括便利性（自动化使人们能够在汽车行驶时从事其他活动）、舒适性（可以根据乘员的喜好自动化调节）、连接性（自动化、与互联网的连接可以更好地适应交通状况、各种道路环境）、可持续性（自动系统使行驶更平稳，避免不必要的加速和减速，减少能源消耗）和全社会人员参与的机动性（自动化将使传统上无法或不允许驾驶的人群能够便捷出行，例如醉酒的人、老年人、未成年人和视力障碍者）。

使汽车驾驶自动化是一个复杂的过程，不可能一蹴而就。车辆的控制部分可能相对容易，目前自动驾驶车辆可以在可控条件下和狭窄的区域中表现良好，但要处理现实世界的动态特性（交通状况、基础设施、其他道路使用者行为和天气状况等，这些会随时发生不可预测的变化的因素），则驾驶任务的复杂性将呈级数增大。为了规范大家的讨论，国际机动车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）在他们的标准报告J3016中提出了一种六级自动化分类法，该分类法已在全球范围内采用，并取代了其他分类法，例如BASt（德国）和NHTSA（美国）提出的分类法。图1-1是对SAE分类法从人因的角度进行的一个简单解读。

L0级（用于分类完整性）为完全的手动驾驶。在这里存在一些简单应急辅助设施。驾驶员（持续）负责执行全部动态驾驶任务。

L1级以手动驾驶为主，但有一个辅助驾驶系统。横向与纵向控制都由驾驶员负责，其中典型的辅助驾驶系统，例如自适应巡航控制可在车辆横向或纵向运动控制中对相应部分的目标和事件具备自动探测与响应的能力。这些自动系统的开启和关闭也由驾驶员全权负责。

L2级为部分自动驾驶，比如至少有两个驾驶任务能够自动完成，最常见的是自适应巡航控制（纵向控制）和自动车道保持（横向控制）的组合。这种自动化水平的特征在于，尽管车辆可以在相对简单的交通状况下自动驾驶，例如在高速公路、不发生任何突发事件的正常条件下自动驾驶，但驾驶员仍然需要监视车辆的行为和交通状况，以便在系统无法处理的情况下随时重新接管驾驶任务。

L3级，即有条件自动驾驶，表示系统本身可以处理特定条件下的驾驶任务，例如高速公路上的正常情况。但是，与L2级不同，在L2级中，驾驶员需要识别哪些是系统无法处理的情况，而在L3级中，系统本身则能自动识别其无法处理的情况，在这种情况下，系统会要求驾驶员重新掌握驾驶控制权，同时也给予驾驶员一定的反应时间。因此，当车辆处于自动模式时，驾驶员不需要监视车辆的行为和交通状况，并且可以从事与驾驶无关的活动，但需要保持一定的警觉性，对明显的外部刺激（例如救护车警笛等）进行适当的响应。自动系统能够识别动态驾驶任务中用户的接管能力，并在用户的接管能力即将不满足要求时，自动系统会在一定的时间内继续执行动态驾驶任务，以便用户正确接管驾驶任务；在发出接管请求后，如果用户未响应，自动系统则适时执行风险减缓策略；当用户请求自动驾驶系统退出时，系统会立即解除控制权。

L4级，即高级自动驾驶，与L3级相似，不同之处在于系统能够处理的路况更多，因此可以自动驾驶的场景也更多。同时，在驾驶员不响应系统请求、重新控制的情况下（例如，驾驶员心脏病突发），车辆自动驾驶系统能够执行将车辆安全地驶入应急车道，使其停顿并自动通知急救人员等一系列操作。在这个级别，驾驶员无须监管驾驶，因此当自动驾驶系统开启后，驾驶员的角色可以转变成乘客，他无须决定是否及如何实现最小风险状态，且无须判断是否达到最小风险状态。他可接受接管请求并执行动态驾驶任务接管，他也有权力请求自动驾驶系统退出而改成手动驾驶。

L5级，即全自动驾驶，表示车辆可以处理驾驶过程中可能遇到的各种路况。在这个水平的自动驾驶中，汽车甚至可以不装备转向盘和手动制动系统。不要求驾驶员对驾驶进行监控，也不存在任何情况下会要求驾驶员接管控制，因此没有必要要求“驾驶员”有驾驶资格，车辆甚至可以在无驾驶员的情况下行驶。

物联网（Internet of Things，IoT）技术的发展为辅助和自动驾驶进一步做出了贡献，它将车辆与其他车辆相连接（Vehicle to Vehicle，V2V）以及与基础设施相连接（Vehicle to Instruction，V2I），为交通管理和单个车辆驾驶带来很多好处。例如，通过物联网收集关于交通流量的大量数据成为可能，这些数据可用于为单个车辆提供导航指导，使交通管理人员能够在需要时动态打开和关闭车道，并为决策者提供有关的交通信息和车流密度。通过V2V连接，可以通知车辆前方道路和车辆即将发生的异常情况，并协调交叉路口的动态控制。V2V在跟车随行上也起到重大作用。

这些技术的发展创造了广阔的设计空间，同时也提出了两个重要问题：1）哪些是可以满足社会和个人用户需求的技术？应该开发哪些辅助系统？其功能应该是什么？应该如何开发自动驾驶系统？2）如何设计和展示这些技术以使用户理解该技术、了解如何使用该技术且不会开始滥用或弃用该技术？如何设计能使用户获得最大价值？

这就需要用到以人为本的设计方法，该方法可确保在设计过程中考虑到用户的需求、偏好、能力和局限性，目的是将产品创新过程的结果通过交互设计，能够更好地满足用户的需求。在这里，“用户”一词包括客户、驾驶员，有时也包括其他的道路使用者。当人们开始应用相关的尤其是创新的技术时，如果不考虑用户的需求，则可能会导致意想不到的结果，甚至适得其反的效果。

一个具体的例子是特斯拉的自动驾驶系统（L2级自动化水平：自适应巡航控制和自动车道保持的结合）。由于它是L2级系统，所以要求用户始终握住转向盘并监视车辆，以便在出现特殊情况时能够接管驾驶控制权。但人们常常对这个系统有误解，以为可以放松警惕，可以一边开车，一边做别的事情。我们在中国和荷兰对特斯拉驾驶员进行的访谈显示，大多数驾驶员在观察到该系统按预期运行后，实际上会将其视为L3级系统，并开始从事与驾驶无关的活动，例如发短信、在智能手机上玩游戏等。

另一个例子是，如果自动驾驶不能满足他们当前的需求（例如，在十字路口通行时能够变慢或快速抢在黄灯亮时通过，或显示出因为行人的意外出现而发生制动行为），人们可能会认为系统设计不好而关闭自动驾驶。

第三个例子是，人们可能不了解该系统的工作原理，例如，他们根本就不知道该系统是可用的。我们在荷兰最近的一项研究表明，很多人不知道他们的车辆有辅助驾驶系统。一个具体的案例是自适应巡航控制系统，它有两个版本：全速度范围和常规版本（仅在30km/h以上的速度下运行）。我们的一位熟人开了一辆安装有ACC的汽车，由于他发现ACC很方便，所以在外地出差租车时，要求提供具有ACC的租赁车。但是，在一次交通拥堵中，他发现，自己的汽车具有全速度范围的ACC，但租赁的车的ACC在速度低于30km/h的交通拥堵中无法正常工作，造成了很多的不便和操作错误。难道我们应该期望此人在开始使用该系统之前要先详尽地阅读手册吗？这几乎是不可能的。ACC的另一个例子是它的加速性能，通常被认为是缓慢的。我们的另一个熟人使用了他自己发现的方法来解决这一问题：将高速公路上的巡航速度设置为180km/h，因为他发现加速度的大小取决于实际速度与目标速度之间的差：差距越大，加速性能就高。正如他所说，鉴于交通状况，汽车实际上不会以最高时速180km/h行驶，因为前方总是有以120km/h的速度行驶的汽车。但是，当他不得不下高速匝道，而出口没有其他车辆时，他发现这种方法会造成很大的风险。

这几个案例显示，人们在使用相关的新技术时，其使用方法可能与设计者期待的方法大相径庭。

关于自动驾驶技术可能无法满足人们的能力或偏好的其他示例将在本书的后续内容中进行讨论（特别是第13章）。由于辅助/自动驾驶所提供的功能将变得更加复杂，从以上案例推论，我们可以假设，设计者认为能满足用户喜好和能力的设计与人们实际对技术的理解和使用的差别会越来越大。由于技术发展迅速，在设计过程中似乎很难获得包含来自用户的信息和有关用户的知识，因为用户不具备所需的使用经验。

本书共分15章，内容包含了汽车交互设计所需的认知心理学基础知识、汽车交互设计相关的理论、不同的设计流程（尤其是以人为本的设计流程）、各种设计方法、检测方法；讨论了多模态与语音、图形、触觉、AR和VR等交互技术，以及智能技术在创建预测性界面方面的应用。此外，本书还讨论了不同自动驾驶水平中的人因问题，既探讨了在不同自动化级别上出现的挑战，又探讨了由于自动驾驶汽车将与其他道路使用者互动而引起的挑战，并对各种驾驶场景和可能发生的事件进行分类，以便设计如何向驾驶员提供智能帮助。为了提高汽车交互设计研究水平，我们还在最后的章节中专门讨论了驾驶模拟器的各种问题和实验方法学等基础知识。

本书的主要读者是汽车设计人员，它也可以作为汽车学院师生的教材或参考书。它包含了交互设计的一些基础概念和理论；所用的例子和所选择的理论和交互设计方法，基本都是为汽车设计服务的。这是一本交互设计的基础教科书，对于那些需要深入了解汽车上的交互设计，尤其是涉及某个具体系统的设计，则需要设计者进一步参考其他文献和研究报告。