某乘用車座艙中控屏布置與交互設計研究

許可 張新 劉國亮 湯小虎 黃雅蓮

【歡迎引用】 許可， 張新， 劉國亮， 等. 某乘用車座艙中控屏布置與交互設計研究[J]. 汽車文摘， 2024（3）： 39-46.

【Cite this paper】 XU K， ZHANG X， LIU G L， et al. Research on the Layout and Interaction Design of a Vehicle Cockpit Central Control Screen[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（3）： 39-46.

【摘要】為了適應乘用車座艙中控屏尺寸日益增大的趨勢，在設計階段更好地提升中控屏人機交互體驗水平，以乘用車座艙中控屏布置設計為研究對象，梳理乘用車座艙發展現狀及目前中控屏人機交互存在的問題，基于多模態和多場景對座艙功能、硬件選型、概念布局、中控屏布置、人機交互設計進行了詳細分析，尤其是針對中控屏進行了Ramsis、Speos、Protopie虛擬分析，并利用Seating Buck模型、量產狀態樣車等完成中控屏易用性評價，確保方案切實可行。

關鍵詞：智能座艙；中控屏；概念布局；人機交互；易用性

中圖分類號：U462.2+2? ?文獻標志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230182

Research on the Layout and Interaction Design of A Vehicle Cockpit Central Control Screen

Xu Ke1， Zhang Xin2， Liu Guoliang1， Tang Xiaohu1， Huang Yalian1

（（1.Bestune Development Institute，FAW Car Co.， Ltd.，Changchun 130000；2. Commercial Vehicle Development Institute， FAW Jiefang Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】 To adapt to the increasing trend of the size of the central control screen in passenger car cockpit and enhance the Human Machine Interaction （HMI） experience level of the central control screen during the design phase， this paper takes the layout design of the intelligent cockpit and central control screen as the research object and sorts out the development status of the intelligent cockpit as well as the problems of the central control screen existing in the current HMI. The paper analyzes the cockpit function， component selection， conceptual layout，central control screen layout design，? and HMI design in detail based on multi-mode and multi-scene， with a focus on the virtual analysis of Ramsis， Speos and Protopie for the central control screen. To verify the practicality and feasibility of the proposed scheme， the Seating Buck model and production status sample vehicles are used to complete the central control screen usability evaluation.

Key words： Intelligent cockpit， Central display， Conceptual layout， Human Machine Interaction （HMI）， Usability

縮略語

HMI? ? ? Human Machine Interface

DMS? ? ? Driver Monitoring System

HUD? ? ? Head-Up Display

W-HUD? Windshield Head-Up Display

0 引言

隨著中國汽車市場向電動化、網聯化、智能化、共享化方向快速轉變，乘用車座艙技術深入發展。近年來，乘用車座艙正在由傳統駕駛艙逐漸向智能駕駛艙過渡，有關智能座艙技術發展趨勢的研究也不斷增多[1-5]，內容主要集中于座艙布置、人機交互（Human Machine Interface，HMI）設計?，F階段，座艙內部造型和布局更加簡潔，呈現大屏化座艙趨勢。

乘用車座艙主要包括內飾和電子電氣系統，主要包括儀表板、副儀表板、座椅、空調、中控屏。傳統座艙通過大量物理按鍵實現人對車的操控，而現階段大屏化座艙以設置在儀表板和中控屏上的虛擬按鍵代替物理按鍵，使車內交互模式由人-車交互轉變為人-中控屏交互，大大縮小了駕駛員操作范圍，在一定程度上提高了車輛科技感和使用便利性。

現階段大屏化座艙也存在一些問題。一方面，駕駛員需要重新適應新型操作面板。傳統座艙內對傳統物理按鍵的操作方式主要包括：單指提拉、單指按壓、兩指旋轉操作；而大屏化座艙的操作方式主要包括對屏幕輕觸、長按、滑動、拖動、縮放，這延長了駕駛員低頭操作時間，降低了操作效率，也在一定程度上影響了整車交互體驗水平。另一方面，屏幕面積增大使車內反光問題更加復雜化，駕駛員可能無法正常讀取屏幕內容。在座艙屏幕布置設計方面，吳進軍[6]論述了中控屏布置的工程約束條件，分析了中控屏與空調出風口的3種布置關系，并指出其優缺點。田林枝[7]論述了組合儀表屏幕可視性的反光炫目問題，提出增加組合儀表帽檐高度和調整組合儀表與水平面夾角的優化方案。金鑫[8]論證了使駕駛員最舒適的中控屏觸摸按鍵尺寸范圍。邱燁[9]針對車載系統人機交互界面的整體設計原則進行了論述和分析，提出交互界面設計應注重提高用戶的體驗性。本文主要以某車型座艙中控屏布置開發為研究對象，系統闡述如何在開發過程中更好的進行座艙中控屏的概念定義、布置分析、交互設計和設計驗證，盡量規避大屏化導致的屏幕反光和交互體驗變差問題，提升人-車交互體驗水平，為后續車型開發積累經驗。

1 座艙概念定義

在智能化趨勢下，儀表板和中控屏的集成度越來越高，中控屏成為整車的控制和顯示中心?，F階段座艙概念開發是在傳統座艙概念開發的基礎上不斷細化電子電氣系統（如中控屏）的過程。首先應基于市場需求展開，明確功能需求，以確定功能開發目標為起點，保證產品的前瞻性。

1.1 功能定義

功能是指整車應該提供或者完成的任務或活動。整車功能[10]可以劃分為整車級、系統級和零件級，物理硬件是功能實現的基礎。用戶在不同使用場景下對功能的需求比較復雜，需基于多場景和多模態分析，針對一些特殊操作設置功能冗余，能最大限度提升用戶使用體驗。

如圖1、圖2所示，前期開發時基于六維使用場景，對多個功能域進行分析，對整車功能進行詳細分解，確保功能定義更貼近用戶需求。

考慮虛擬按鍵對人機操作的影響，在行車場景尤其是高速行車場景下，增加多模態交互功能（如語音控制[11]、手勢控制）有利于提高座艙的易用性。本車型將常用功能（如空調、導航、音樂、車窗升降）定義為既可以進行觸控操作，也可以進行語音控制，從而滿足駕駛員在不同場景下的使用需求，如在高速行駛中通過語音控制可以實現無接觸交互，從而提升行車安全性。

1.2 硬件選型

如圖3所示，根據功能與裝備的映射關系，由功能定義推導出裝備需求，使功能與裝備相對應。裝備定義直接影響整車各系統方案制定，本車型設計時，針對座艙內信號輸入端主被動安全、舒適及方便、智能網聯、空調配置進行前瞻性分析，重點考慮大尺寸中控屏、虛擬按鍵、駕駛員監測系統（Driver Monitoring System，DMS）、抬頭顯示（Head-Up Display，HUD）、語音交互。

DMS能在行車過程中任一時刻檢測駕駛員面部行為，判斷駕駛員眼睛是否朝向正前方，因此，應將其布置在駕駛員前方對準面部和眼睛的位置。在選型時，綜合考慮A柱、儀表板遮光板和內后視鏡位置的可行性。

如圖4所示，轉向護罩位置攝像頭光軸水平夾角過大，且很難捕捉到駕駛員眼睛，內后視鏡位置可能存在駕駛員低頭時不能照到眼睛的問題，經過分析最終采用將DMS布置在左側A柱的方案。

通過HUD，駕駛員直視前方就能看到投影到前風窗玻璃上的導航及車速信息，考慮成本和成熟度，采用風窗型抬頭顯示（Windshield Head-Up Display，W-HUD）。

大尺寸中控屏可為駕駛員提供清晰的多媒體信息，如導航信息、空調信息。各車型屏幕尺寸如圖5所示，考慮到成本和布置空間，本文選擇12.6英寸的橫屏和豎屏分別進行概念分析。

駕駛艙各功能按鍵數量如圖6所示，約有85項功能的操作按鍵與座艙相關，其中多媒體按鍵和空調按鍵數量最多，在中控區域所占面積最大。對空調按鍵進行虛擬化設計可減小中控區域高度尺寸，改善儀表板布局和駕駛員前方視野，降低整車成本，如圖7所示。

1.3 概念布局定義

座艙主要功能操作環繞在駕駛員周圍，操作的核心位置是轉向盤、儀表板和中控屏。對多種座艙布局[12]方案進行分析，圖8a所示為采用物理按鍵方式的傳統中控布局，圖8b～圖8f所示為采用虛擬按鍵的多屏布局，轉向盤相關功能操作均采用物理按鍵，DMS攝像頭和語音交互模塊分布在駕駛員前方左右兩側。綜合結構可實現性，選擇相對簡潔的雙屏布局方案，如圖8b和圖8c所示。

2 中控屏布置分析

在詳細設計階段，重點細化中控屏的布置方案，中控屏布置必須滿足可觸及性原則且考慮光線反射的影響。

2.1 可觸及性分析

本車型在設計時重點控制駕駛員右肩點與中控屏4個角點的距離（左下角點LA，左上角點LB，右下角點LC，右上角點LD），以及中控屏側視傾角AS，結合駕駛員中間眼橢圓中心點和中控屏界面中心點建立人機七點分析模型。理論上，中控屏4個角點均應在GB/T 10000—2023 《中國成年人人體尺寸》[13]規定的人體手臂總長范圍內（表1）。

對配備大尺寸中控屏車型進行對標分析發現，95%百分位駕駛員右肩點與中控屏遠端右上角點的距離平均值為885 mm，超過手臂長度76 mm，如圖9所示，駕駛員在操作這些車型（駕駛員右肩點與中控屏遠端右上角點的距離超過手臂長度的車型）的中控屏遠端右上角點時，需要向前俯身，但是市場上并沒有相關的用戶負面反饋。在前期目標設定階段，通過搭建簡易的人機臺架模型，對中控屏位置進行初步評估，嘗試將95%百分位駕駛員右肩點到屏幕右上角點距離分別設定在≤809 mm、809～885 mm、885～950 mm內，在滿足轉向盤、儀表板、出風口布置可行且力求對造型效果影響最小的情況下，無法將中控屏右上角點布置在距離≤809 mm的范圍內。在809～885 mm內，獲得一個可觸及的極限位置，此時，屏幕傾角達到25°，屏幕左下角點剛好落在最大手臂總長范圍內，屏幕右上角點與右肩點距離883 mm，將其定義為方案1。以方案1作為目標值可保證駕駛員操作時手臂可觸及性至少優于市場上50%該類車型，通過評價確認，方案1操作舒適性可接受。在方案1基礎上，保持屏幕左右下角點不動，減小屏幕傾角至18°時，剛好保證轉向盤組合開關邊界與儀表板距離為50 mm，是允許的最小可觸及位置，將其定義為方案2。橫向屏參照縱向屏布置，結果如表2所示。

如表2所示，方案1和方案4操作舒適性居中；方案2距離最短，操作最舒適；方案3不符合要求。采用方案1和方案2，并通過調整中控屏傾角AS可獲得滿足不同造型需求的布置方案。

2.2 光線反射分析

如圖10和圖11所示，針對2.1節所述方案應用Ramsis和Speos軟件對其進行聯合模擬分析，確認中控屏光線反射影響。當中控屏側視傾角AS在18°～25°內時，前風窗入射光經中控屏反射后不存在反光現象，如圖10a，而右側窗入射光經中控屏反射后存在反光現象。在Ramsis軟件中，豎向屏側視傾角AS為25°時，95%百分位人體模型駕駛員所能看到的反光面積為0.001 m2，占屏幕面積的比值為2%，且反光區域在屏幕右上角。如圖11b，橫向屏反光面積最大，是豎向屏的9倍。如圖10c、圖10d所示，AS為18°時反光面積最小，是AS為25°時反光面積的70%。為了確認倒影的影響，對某采用15寸中控屏的對標車進行了同樣的模擬分析，如圖10e所示，該對標車中控屏反光面積占屏幕面積的比值為1.5%，實際評價中控屏界面內容視認沒有問題。如圖11所示，在Speos軟件中，入射光在中控屏右上角形成淺色右側窗框倒影，而不是集中的炫目光點。通過以上分析，本車型設計時，將中控屏反光倒影面積比值設定為≤2%，且其反光位置在屏幕右上角，認為是可行的，由此也證明了2.1節所述方案1和方案2的可行性。若完全消除右側窗倒影，需將中控屏側視傾角AS減小到≤9°，而根據2.1節結論，該方案無法實現，或者在方案1基礎上，將中控屏繞其左側邊向駕駛員側旋轉≥10°，此方案對造型影響較大，難以實現。

2.3 其他影響因素分析

中控屏布置還需考慮其他5個關鍵影響因素，包括中控屏下視角、中控屏右視角、中控屏與轉向盤平行關系、中控屏與儀表平行關系和中控屏對造型的影響，如表3所示，這5個因素綜合評價座艙內布局的整體協調一致性。

綜合表3以及2.1節和2.2節分析結果，當中控屏側視傾角AS為25°時獲得最優造型，座艙協調一致性最佳。

3 人機交互設計分析

在布置方案基礎上，對中控屏界面[14-17]進行初步定義，并進行人機交互概念分析，重點解決虛擬按鍵交互體驗變差的問題，使其體驗感最大化接近物理按鍵。

3.1 主界面布局方案

屏幕主界面形式主要包括以地圖為底的方案、多屏瀏覽方案以及菜單界面方案。經綜合對比，本車型采用以地圖為底、輔助負一屏的界面形式。如圖12所示，主界面主要包括狀態欄、內容切換區和Dock欄。狀態欄主要顯示藍牙、信號和時間信息。內容切換區主要顯示地圖界面和自定義卡片。Dock欄位于中控屏底部，是行車過程中駕駛員操作最頻繁的區域。上下三區布局，界面直觀簡潔，可視性好，確?！? s即視”效果。負一屏控制中心界面為隱藏式設計，操作時自屏幕頂端向下滑出。

3.2 Dock欄設計方案

如圖13所示，使用頻率高的功能按鍵（如空調、多媒體、Home）以組件形式置于Dock欄，確保字體尺寸適合，實現行車場景快速盲操作，解決虛擬按鍵操作不適應問題。

Dock欄內功能按鍵的數量設置以減少用戶認知負擔為前提，在設計布局上盡量提高易用性，減少誤觸風險。根據席克定律[18]，駕駛員面臨的選擇數量越多，做出決策的時間就越長。結合本車型中控屏尺寸，Dock欄內功能按鍵數量控制在5～9個最為合適。

3.3 操作邏輯

3.3.1 功能按鍵操作邏輯

Dock欄內功能按鍵的布局充分考慮操作前后聯動關系，并確保在最短操作路徑中實現。

空調溫度按鍵的最佳設置方式是直接點擊調節，其次是點擊位置彈出浮窗，確保手指移動距離微小。模式變化、風量調節和溫度調節3個按鍵之間存在前后聯動關系，其按鍵位置應相鄰，且操作邏輯保持一致。

3.3.2 界面切換邏輯

進入頁面和返回上一級界面的切換動作滿足一鍵到達、一鍵返回。Dock欄的Home鍵和應用中心按鍵可實現主界面和應用程序界面快速切換。負一屏切換路徑對稱，從屏幕頂端單指下滑展開控制中心頁面，且能單指上滑回。頁面切換層級控制在3級以內。

3.3.3 界面仿真分析

根據功能定義和交互定義，確定中控屏主界面、應用中心、系統設置、導航、空調、多媒體、負一屏界面內容信息。如圖14所示，在Protopie中建立界面分析模型，分析中控屏界面布局合理性，主要包括圖標尺寸和間距、字體尺寸和間距、操作功能按鍵之間的邏輯關系、界面上按鍵距離遠近、誤操作、盲操作、易讀性。同時基于Protopie進行人機交互原型動畫模擬分析，確認從Dock欄按鍵切換到應用中心界面、通過Home按鍵返回主界面的動效、負一屏切換動效，充分復現實際場景下的交互狀態，經過分析確認，界面原型具有較好的交互體驗水平。

4 實物驗證分析

4.1 Seating Buck模型驗證

概念設計階段應用Seating Buck模型進行座艙1∶1實物驗證評價，確認方案可行性。如圖15a所示，Seating Buck模型采用整體樹脂材料成型，座椅為實物樣件，采用3D打印工藝制造儀表、中控屏、轉向盤模型，利用背景燈模擬中控屏亮度。

通過評價確認座艙整體布局可行、各百分人體（5%、50%、95%）對座艙關鍵件（如座椅、轉向盤、儀表、中控屏）和屏幕主界面的可觸及性優于對標車，如圖15b所示。

針對方案1的反光現象，中控屏在外界強光作用下，屏幕界面右上角產生右側窗的倒影，倒影呈淺色亮面，并且未覆蓋中控屏主要顯示區域，觀察時沒有產生炫目現象，在打開屏幕背景燈光情況下，駕駛員可清晰地觀察到屏幕內容。

4.2 量產車驗證

在量產階段，需要對實物樣車進行評價驗證，如圖16所示，以確保方案可行。本車型開發過程中，引入易用性評價方法進行評價驗證，參考產品開發相關論述，易用性是指產品對用戶來說有效、易學和令人滿意[19-23]。ISO 9241—11： 2018 《人與系統相互作用的人類工效學》（Ergonomics of human-system interaction）[24]將易用性定義為產品在特定使用環境下所具有的有效性、效率和用戶主觀滿意度，上述定義同樣適用，即屏幕界面既要容易理解，也要容易操作。容易理解包括用戶對中控屏顯示內容（如文字、符號、圖標）的可見性、屏幕內容對用戶的指導性、屏幕設計是否符合常見的使用習慣、屏幕反饋速度、反饋清晰度以及語音交互是否輕松愉悅等。容易操作包括人機操作姿勢、觸覺軟硬舒適度、操作行程和操作力等。具體評價標準參考上述定義及行業分析[25]，如表4所示，確定為各使用場景下人機交互動作、交互愉悅性、關鍵功能使用等維度，評價采用10分制標準基于六維使用場景和121個維度打分，1分代表非常好，10分代表特別差，5分代表一般。如圖17a、圖17b所示，按照上述維度對使用場景進行加權打分，計算方法為場景分值乘以使用加權系數（0.1～1），場景分值為場景中各項功能加權分值平均值的和，如行車信息交互場景包括調節空調溫度和導航功能，每一項功能分別按上述易用性維度進行加權打分，然后將各項的平均分值相加得到信息交互場景的總分值。評價結果表明，所開發車型座艙及中控屏在各場景的交互體驗水平評價結果均優于對標車交互體驗水平評價結果。

5 結束語

汽車產業“新四化”的快速發展，促使汽車座艙由傳統座艙逐漸向智能座艙轉變，不斷完善座艙的設計思路、方法和評價體系，做好技術方案儲備開發，才能確保所開發產品在未來激烈的市場競爭中立于不敗之地。

本文基于多模態和多場景分析，完成座艙及中控屏概念方案定義、模擬分析和驗證評價，尤其是對座艙中控屏的布置設計流程進行了完整演示，同時闡述了人機交互原型的基本設計思路，為解決座艙大屏化的人機交互現存問題提供可行性方案。在前期設計過程中，利用Ramsis和Speos軟件相結合的方式進行虛擬分析驗證，可以將屏幕反光面積控制在2%以內且不會產生炫目光點，確保屏幕反光對駕駛員的影響在可接受范圍內。利用Protopie對屏幕布局和交互進行模擬分析，能夠確保屏幕界面原型具有較好的人機交互體驗水平。在后期驗證過程中，通過Seating Buck模型評價、量產狀態樣車易用性評價驗證了整體設計的有效性，能夠為后續車型開發提供更好的參考經驗。

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（責任編輯 梵鈴）