论文题目：面向复杂交互情景下的车载信息系统界面层级设计研究
摘要：论文选题源自校企合作项目,以实践需求为出发点,以理论研究为支撑点,系统研究了面向复杂交互情景下车载信息系统界面层级的相关问题。当下,信息技术、数字科技在车内人机交互领域广泛应用,车载信息系统正逐步由传统物理式、分散性的显控模式向现代体感式、集成性的显控一体化复杂交互模式转变。论文从宏观、微观角度定义和概述了车载信息系统界面层级的研究概念即面向车载物理空间环境的硬界面层级关系-行为层级、面向数字空间环境的软界面层级关系-视觉层级以及基于用户视觉、动作两个维度在两者之间的驱动、反馈、交互等综合机制。车载系统的界面层级作为传递给驾驶者的首要信息感知、认知要素,其设计优劣对驾驶安全具有较大影响。论文构建了车载界面层级与车载用户感知、认知之间匹配的协调关系,在保证驾驶安全的前提下,通过合规、合理、合情的界面层级交互方式满足用户驾驶体验和信息需求。车内人机交互的数字化是信息时代发展的趋势,伴随着汽车由驾驶功能向多维度驾驶体验转变,人的安全不断受到来自车内物理信息环境、车内数字信息环境、车外综合信息环境、用户自身综合因素等诸多复杂交互情景的挑战。其复杂性相对于其他人机界面的特点主要表现在四点:首先,显控环境的复杂性。基于当前车载系统按键、旋钮、开关等实体部件逐步消退,文字、图标、形状等虚拟控件不断流行,车内综合呈现出数字、物理、数字+物理交叉呈现的复杂显控环境,对用户获取信息的认知、理解、感知、执行提出较高要求;其次,用户行为的复杂性。驾驶行为是眼、耳、手、脚、身综合配合的机体行为模式,数字化的显控模式突破了以往实体部件的空间局限与用户行为模式的局限,在更高空间、时间维度上呈现出自由、开放的认知、感知交互态势,这客观上解放了用户在车载环境中对信息的探索和追求。但如果没有根据内容构建逻辑的层级关系,会给用户带来额外的认知负担和驾驶分心,最终影响驾驶安全;第三,显控通道的复杂性。汽车控制系统提供诸如盘控、触控、手势、体感,平视显示、中控显示、仪表盘显示等丰富的信息输入、输出介质,呈现多通道、深层次、富交互的结构逻辑,这些综合调动用户的视觉、听觉、动作等身体机能,增加用户行为的复杂性和不确定性;第四,系统自身的复杂性。当前车载信息系统综合集成大量的数字内容,包括菜单、布局、结构、色彩、导航等信息,相互交错穿插、结构错综复杂,如果没有构建合理顺畅的信息通道会增加驾驶行为的风险系数。随着车内信息环境的日益复杂,单软界面层面的视觉层级设计已无法满足驾驶安全需求,来自用户对硬界面层面信息执行的层级关系也变得同样重要。目前对于车载信息系统界面层级设计研究特别是基于硬软界面层级视角的研究尚缺乏较为系统的论述,对车内人机交互来说创造安全驾驶前提下的用户体验和信息需求是当前用户的追求目标。从信息传达角度来看,软硬界面的层级关系相当一个复合的信息容器,用户驾驶相关的重要信息汇聚于此。向内,层级将车载信息系统每个独立的“功能孤岛”通过信息解码、信息加工形成符合用户认知的“信息流”;向外,层级将车载信息系统“信息流”通过良好的形式特征形成符合用户感知的“操作流”,其过程本质就是构建车载功能、信息呈现、用户操作之间的桥梁。基于当前复杂交互情景下的车载信息系统界面层级设计问题的重要性,在理论研究层面,本研究结合了设计学、认知科学、心理学、计算机科学、人类工效学等相关学科理论,呈现多学科理论交叉研究特征。在方法研究层面,依据界面层级的视觉内容属性与交互任务属性的阶段性特征,采用了文献研究、案例分析、实验分析、用户调查等研究思路和方法,在实践评价研究层面,通过北京奔驰研发中心及北京理工大学设计与艺术学院海尔联合实验室提供的研究测试设备、环境和系统整合评估,对操作层级、视觉层级进行较为完整的定性、定量分析与评价。研究成果主要体现在以下几个方面:首先,本文从宏观、微观角度系统研究车载信息系统界面层级的定义、范畴和机制,基于驾驶安全下的车载体验内因,从软硬界面层级、用户视觉、动作维度构建从个体到整体、从单维到多维、从感性到理性的理论求解过程,基于软硬界面层级构建了较为清晰的信息通道,从宏观的信息架构、层级划分到微观的视觉设计,行为决策设计,研究成果对车内人机交互这一交互设计细分领域相关研究具有一定的创新意义和研究意义。其次,论文基于车内环境软硬层级的宏观依据构建全面的界面层级系统模型,根据用户对复杂车载信息系统的操作机制构建了用户界面层级需求模型。研究界面层级与交互设计的创新方法,并就设计流程进行评估测试,通过对设计对象、评估对象、评估方法、设计任务进行相关的解析,构建基于车载用户视觉、动作维度的软硬界面整合设计的理论体系,并就设计流程从主观评价和客观评价两个维度提出设计评估,通过整合软硬界面层级相互分离的领域知识为设计主体提供设计辅助,优化设计效率。设计知识衍生的外缘是工具层,反映出设计的方法、途径、手段,因而在设计方法论层面具有创新意义。第三,研究面向汽车信息交互用户的5个交互设计层次,即战略层、范围层、结构层、框架层、表现层,探讨界面层级与车载用户感知、认知的协调关系,提出基于层级的硬界面层级与软界面层级之间的匹配关系和对应关系,两者不可分割。基于车载信息的输入输出通道,从窄而深的视觉信息架构基础上提出跨维度整合快捷入口的多维层级输入的概念,这对于当下日趋复杂的车内人机领域用户的认知行为模式具有一定的实践参考价值意义。第四,从用户与界面层级交互的评价标准角度提出基于界面层级的车载信息系统交互设计4大原则即减少切换成本、减少选择时长、提高操作效率、提高界面辨识,并结合实际操作原型和实车进行定性、定量分析,检验该原则的有效性和普适性意义。
关键词：复杂交互情景;车载信息系统;界面层级;人机交互;设计研究
学科专业：设计学
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究意义
1.2.1 理论层面意义
1.2.2 实践层面意义
1.3 相关研究综述
1.3.1 复杂信息系统人机交互相关研究论述
1.3.2 复杂车载信息系统人机交互相关研究论述
1.3.3 复杂车载信息系统界面层级人机交互相关研究综述
1.4 研究内容及组织框架
1.5 研究思路
1.6 研究方法
第2章 车载信息系统研究及理论
2.1 定义
2.1.1 系统的复杂性
2.1.2 复杂车载信息系统的定义
2.1.2.1 车载环境的复杂性
2.1.2.2 车载用户的复杂性
2.1.2.3 功能体验的复杂性
2.2 面向复杂交互情景下的车载信息系统分析
2.2.1 面向目标主体的复杂性-车载信息系统分析
2.2.1.1 车载信息系统的历史演变
2.2.1.2 发展现状分析
2.2.1.3 未来趋势分析
2.2.2 面向使用主体的复杂性-车载信息系统用户分析
2.2.2.1 感知分析
2.2.2.2 认知分析
2.2.2.3 情感分析
2.2.3 面向技术主体的复杂性-车载信息系统技术分析
2.2.3.1 触屏
2.2.3.2 语音
2.2.3.3 手势
2.2.3.4 脑电
2.2.3.5 未来发展趋势
2.2.4 面向设计主体的复杂性-车载信息系统交互分析
2.2.4.1 信息内容呈现的复杂性
2.2.4.2 信息交互的复杂性
2.3 车载信息系统用户认知感知机理相关理论研究
2.3.1 认知心理学
2.3.1.1 认知心理学中的感觉贮存
2.3.1.2 认知心理学中的知觉译码
2.3.1.3 认知心理学中的记忆
2.3.1.4 认知心理学中的决策
2.3.1.5 认知心理学中的反馈
2.3.1.6 认知心理学中的注意
2.3.2 认知负荷理论
2.3.2.1 认知负荷的结构模型
2.3.2.2 认知负荷的类型分类
2.3.2.3 认知负荷的理论基础
2.3.3 心智模型理论
2.3.3.1 心智模型的层次
2.3.3.2 心智模型的功用
2.3.4 人类工效学
2.3.4.1 人类工效学在车内人机交互中用户生理因素的参考依据
2.3.4.2 人类工效学在车内人机交互中的作用
2.3.5 态势感知
2.3.5.1 车载信息系统与态势感知
2.3.6 信息架构
2.3.6.1 信息架构概述
2.3.6.2 信息架构系统
2.3.6.3 信息架构类型
2.3.6.4 信息架构横纵结构
2.3.6.5 信息架构的相关准则
2.4 主要研究内容
2.4.1 面向复杂交互情景下的车载信息系统界面层级研究
2.4.2 硬界面-信息的交互操作层
2.4.3 软界面-信息的组织架构层
2.4.4 由“硬”及“软”-车载信息系统的交互通道
2.4.5 构建数字信息与行为逻辑的匹配层级
2.4.6 车载信息系统界面层级架构模型
本章小结
第3章 车载信息系统界面层级设计要素分析
3.1 视觉层面设计要素
3.1.1 概述
3.1.2 色彩
3.1.2.1 车载信息系统中界面色彩的关系构成
3.1.2.2 车载信息系统中界面色彩的分类构成
3.1.2.3 车载信息系统中界面色彩的用途构成
3.1.3 构件
3.1.3.1 窗口
3.1.3.2 图标
3.1.3.3 按钮
3.1.3.4 文字
3.1.3.5 构件的相关原则
3.1.4 布局
3.1.4.1 布局的相关原则
3.1.5 导航
3.1.5.1 导航的相关功能
3.1.5.2 案例分析-主流车载信息系统导航结构分析
3.1.6 过渡
3.1.6.1 过渡的相关功能
3.1.7 视觉要素层面小结
3.2 行为层面设计要素
3.2.1 概述
3.2.2 动素要素
3.2.3 动作分析
3.2.4 车载信息系统用户行为分析
3.2.4.1 车载信息系统有效动素
3.2.4.2 车载信息系统辅助动素
3.2.4.3 车载信息系统无效动素
3.2.5 行为层面小结
本章小结
第4章 车载信息系统界面层级设计方法与流程
4.1 概述
4.2 车载信息系统界面层级任务域
4.3 面向复杂交互情景下的车载信息系统界面层级设计相关模型
4.4 车载信息系统安全为前提的任务交互原则
4.4.1 总原则一-减少切换成本
4.4.2 总原则二-减少选择时长
4.4.3 总原则三-提高操作效率
4.4.4 总原则四-提高界面辨识
4.4.5 总原则在行为层面的基本准则
4.4.5.1 减少动作的数量
4.4.5.2 缩短动作的距离
4.4.5.3 提升动作的轻松
4.4.6 总原则在视觉层面的基本准则
4.4.6.1 所见即所得
4.4.6.2 感觉即认知
4.5 面向复杂交互情景下的车载信息系统界面层级设计的系统框架
4.6 面向复杂交互情景下的车载信息系统界面层级设计的流程
4.6.1 流程案例背景
4.6.2 设计研究核心
4.6.2.1 驾驶任务分析研究
4.6.2.2 驾驶用户分析研究
4.6.2.3 驾驶环境分析研究
4.6.2.4 驾驶相关设计研究
本章小结
第5章 车载信息系统界面层级评价方法与测试
5.1 评价概述
5.2 主观评价法
5.2.1 车载信息系统评价的软硬件环境搭建
5.2.1.1 搭建目的
5.2.1.2 技术方案
5.2.2 车载信息系统评价流程
5.2.2.1 数据提炼与分析评价
5.2.2.2 数据细化评价
5.2.2.3 数据呈现评价
5.2.2.4 数据反馈
5.3 客观评价法
5.3.1 眼动仪追踪技术与眼动交互设计
5.3.2 测试评价环境
5.3.3 测试工具
5.3.4 原型测试对象
5.3.5 测试目的
5.3.6 测试流程
5.3.7 测试评价结果对比
本章小结
结论
总结
展望
参考文献
致谢