車載通信畢業(yè)論文

車載通信畢業(yè)論文5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)研究摘要為了防止在極端條件下發(fā)生列車追尾事故，將列車接近預(yù)警系統(tǒng)作為既有高速鐵路保障列車運行安全的補(bǔ)充手段，提出基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)。結(jié)合車車通信技術(shù)發(fā)展和鐵路運營特點，研究了適用于高速鐵路的車車通信技術(shù)，并針對2種實現(xiàn)方式進(jìn)行了分析；提出了列車接近預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，描述了各個組成部分的功能，并說明了系統(tǒng)實現(xiàn)多源融合定位、基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信、列車接近預(yù)警等主要功能的原理；詳細(xì)闡述了車載預(yù)警處理設(shè)備的軟件設(shè)計方案。通過對基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)研究，能夠為未來車車通信技術(shù)在列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供借鑒。我國鐵路具有高度集中的特點，運營場景十分復(fù)雜，各工作環(huán)節(jié)需緊密聯(lián)系、協(xié)同配合［1］。為防止在極端情況下（如惡劣氣候、人為因素等），如果列車控制、調(diào)度指揮同時出現(xiàn)錯誤，列車存在發(fā)生追尾事故的可能［2］，我國鐵路研究使用GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)承載車地數(shù)據(jù)通信，采用“差分衛(wèi)星定位+車輪速度傳感器”實現(xiàn)列車的精確定位，通過在地面設(shè)置預(yù)警服務(wù)器和在列車上設(shè)置預(yù)警單元的方式，構(gòu)建高速鐵路列車接近預(yù)警系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)在信息傳送時延、地面設(shè)備復(fù)雜度等方面還存在局限。如果將基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信技術(shù)運用其中，則列車能夠通過車車通信獲取前方列車的運行位置信息，并自主進(jìn)行列車接近預(yù)警邏輯計算，從而可以有效降低信息傳送時延和地面設(shè)備復(fù)雜度［3］，提升列車接近預(yù)警系統(tǒng)的性能。隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，我國鐵路已開展了5G總體技術(shù)方案、系統(tǒng)組網(wǎng)、頻率規(guī)劃、鐵路專用業(yè)務(wù)等方面的研究，利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速率、低時延、大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸；同時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成網(wǎng)運營，也為列車高精度定位提供了有利條件。基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)，可作為高速鐵路列車既有列控系統(tǒng)的補(bǔ)充，通過基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信、列車精確定位、列車追蹤邏輯計算等，在列車與前方追蹤列車的距離達(dá)到設(shè)定門限時，向司機(jī)發(fā)出預(yù)警，提醒司機(jī)提前進(jìn)行相關(guān)操作，避免列車追尾事故的發(fā)生，提高高速鐵路列車運行的安全性。PART

01車車通信技術(shù)車車通信（V2V）技術(shù)起源于車聯(lián)網(wǎng)（V2X），用于實現(xiàn)道路車輛與一切可能影響車輛的實體（其他車輛、行人、路側(cè)設(shè)備等）之間的信息交互，實現(xiàn)包括車輛跟蹤預(yù)警、路面異常預(yù)警、行人防撞、交叉口協(xié)調(diào)等主動安全防護(hù)，最終達(dá)到減少事故發(fā)生、減緩交通擁堵、降低環(huán)境污染、節(jié)能減排，以及智能化的目的［4］。早期的車車通信主要基于專用短距離通信技術(shù)（DSRC），實現(xiàn)車載設(shè)備之間的直接信息交互［5］，后續(xù)出現(xiàn)了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車車通信技術(shù)。按照通信方式區(qū)分，車車通信可以有“直接通信”和“基于網(wǎng)絡(luò)通信”2種方式?！爸苯油ㄐ拧笔墉h(huán)境影響較大，不能保證數(shù)公里以上的可靠數(shù)據(jù)傳輸，只適合短距離通信，如相鄰汽車之間，且通信距離與具體的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，一般從幾十米到幾百米不等；“基于網(wǎng)絡(luò)通信”方式受環(huán)境影響較小，適合長距離通信，其通信距離可以根據(jù)業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用方式確定。由于鐵路列車追蹤距離通常在10km以上，因此，更適用采用“基于網(wǎng)絡(luò)通信”方式。對于列車接近預(yù)警系統(tǒng)而言，雖然車載設(shè)備無法在脫離地面服務(wù)器的情況下確定車車通信的對象，但地面服務(wù)器卻可根據(jù)車載設(shè)備上報的列車位置信息構(gòu)建車車通信網(wǎng)絡(luò)，并向車車通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的列車發(fā)送其他列車的信息，從而實現(xiàn)車車通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)列車之間的車車通信。車載設(shè)備在進(jìn)行運行位置信息交互時，可采用經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)和通過網(wǎng)絡(luò)直接通信2種方式。車車通信連接示意見圖1。圖1

車車通信連接示意方式1經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)（見圖1（a））。攜帶目的標(biāo)識和車車通信數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包首先由車載設(shè)備發(fā)送給服務(wù)器，再由服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的標(biāo)識轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的列車。方式2通過網(wǎng)絡(luò)直接通信（見圖1（b））。列車的車車通信數(shù)據(jù)不經(jīng)過服務(wù)器，而是直接由車載設(shè)備根據(jù)目的列車標(biāo)識通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給目的列車。圖1中，將服務(wù)器設(shè)為A，對于包含B、C、D、E的4個列車成員的車車通信網(wǎng)絡(luò)，如果采用方式1，實現(xiàn)列車車車通信需要AB、AC、AD、AE共4路通信連接；如果采用方式2，由于列車車載設(shè)備必須與服務(wù)器建立通信連接，以報告自身位置信息，因此實現(xiàn)車車通信需要AB、AC、AD、AE、BC、CD、DE、BD、BE、CE共10路通信連接。方式2的網(wǎng)絡(luò)控制面信令開銷明顯高于方式1，且在列車密集的地點（如車站），2種方式的開銷差別更為顯著。因此，建議采用方式1完成列車之間的數(shù)據(jù)交互。PART

02列車接近預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)（簡稱“接近預(yù)警系統(tǒng)”）由地面服務(wù)器設(shè)備和車載預(yù)警處理設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。圖2

基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)2.1地面服務(wù)器設(shè)備地面服務(wù)器設(shè)備由車車通信服務(wù)器和電子地圖服務(wù)器組成，通過接入鐵路局5G核心網(wǎng)，實現(xiàn)與車載預(yù)警處理設(shè)備的通信。車車通信服務(wù)器采用分散設(shè)置，每個鐵路局設(shè)置1套，用于收集管轄范圍內(nèi)所有列車報告的位置信息，并以列車位置為中心，構(gòu)建一定范圍內(nèi)的車車通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置于北京局、武漢局的車車通信服務(wù)器同時具備歸屬查詢功能，能夠為車載預(yù)警處理設(shè)備提供當(dāng)前位置所屬車車通信服務(wù)器的IP地址查詢功能。電子地圖服務(wù)器采用集中設(shè)置方式，在北京局和武漢局各設(shè)置1套，互為校核，用于為車載預(yù)警處理設(shè)備提供列車運行線路的軌道電子地圖下載服務(wù)。2.2車載預(yù)警處理設(shè)備車載預(yù)警處理設(shè)備由主控單元、業(yè)務(wù)接入單元、記錄單元、速度傳感器單元（預(yù)留）、應(yīng)答器接收單元（預(yù)留）、操作顯示終端等組成。1）主控單元。對各功能模塊進(jìn)行集中調(diào)度和控制，并完成多源融合位置計算、接近預(yù)警邏輯計算等；采用雙板卡冗余設(shè)計，同一時刻一個控制板處于主用狀態(tài)，另一個處于備用狀態(tài)；主用、備用控制單元之間實時通信，從而實現(xiàn)信息同步。2）業(yè)務(wù)接入單元。包括串口模塊和網(wǎng)口模塊，與5G車載傳輸平臺（簡稱“WTP”，含北斗衛(wèi)星定位單元和5G傳輸單元）、應(yīng)答器傳輸模塊（簡稱“BTM”）、列控動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱“DMS”）、司法記錄單元（簡稱“JRU”）、列車控制管理系統(tǒng)（簡稱“TCMS”）等外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時具備控制板主備仲裁、網(wǎng)口數(shù)據(jù)交換等功能。車載預(yù)警處理設(shè)備接入WTP，與車車通信服務(wù)器、電子地圖服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并獲取基于北斗衛(wèi)星定位的經(jīng)緯度信息；接入BTM、DMS、JRU等既有車載設(shè)備，獲取無源應(yīng)答器信息［6］；接入TCMS，獲取列車運行速度信息。3）記錄單元。用于記錄車載預(yù)警處理設(shè)備接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)［7］。4）速度傳感器單元（預(yù)留）。當(dāng)車載預(yù)警處理設(shè)備無法從其他既有車載設(shè)備獲取速度信息時，可加裝車輪速度傳感器，由速度傳感器單元（預(yù)留）接收車輪速度傳感器提供的脈沖波，并將脈沖波轉(zhuǎn)換為實際速度數(shù)據(jù)。5）應(yīng)答器接收單元（預(yù)留）。當(dāng)車載預(yù)警處理設(shè)備無法從其他既有車載設(shè)備獲取應(yīng)答器信息時，可加裝BTM天線，由預(yù)留的應(yīng)答器接收單元接收應(yīng)答器報文。6）操作顯示終端。用于顯示自身所屬列車的車次號和運行位置信息、追蹤列車的車次號和運行位置信息、追蹤距離和接近預(yù)警信息，以及車載預(yù)警處理設(shè)備的工作狀態(tài)等，并為用戶提供預(yù)警信息按鍵確認(rèn)、列車信息錄入等操作功能。PART

03功能原理列車接近預(yù)警系統(tǒng)的主要功能包括列車多源融合定位、基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信，以及列車接近預(yù)警功能。作為系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，車載預(yù)警處理設(shè)備通過列車多源融合定位功能，確定自身所屬列車的運行位置信息，并將自身位置信息上報至車車通信服務(wù)器；車車通信服務(wù)器根據(jù)管轄范圍內(nèi)列車的位置，將一定范圍內(nèi)的列車納入車車通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)列車之間建立車車通信關(guān)系，交互運行位置信息，進(jìn)行列車接近預(yù)警邏輯計算，識別運行在同一線路、同一行別的正線追蹤列車，實時計算列車追蹤距離；當(dāng)列車追蹤距離滿足接近預(yù)警條件時，發(fā)出接近預(yù)警信息，提示司機(jī)采取處置措施。3.1列車多源融合定位功能車載預(yù)警處理設(shè)備通過列車多源融合定位功能，確定自身所屬列車的位置信息。列車位置信息是實現(xiàn)基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，可分為車車通信位置信息和列車運行位置信息。其中，車車通信位置信息用于構(gòu)建車車通信網(wǎng)絡(luò)，可使用列車位置經(jīng)緯度信息作為車車通信位置信息；而列車運行位置信息是系統(tǒng)確定列車運行位置和進(jìn)行接近預(yù)警計算的關(guān)鍵依據(jù)，包括列車運行線路、行別、正/側(cè)線、方向、速度、公里標(biāo)等信息。我國鐵路列車運行環(huán)境復(fù)雜，存在各種隧道、峽谷等衛(wèi)星信號衰弱環(huán)境，線路并行、交叉等情況多見。在列車高速移動的情況下，僅依靠北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行列車定位，無法滿足定位精度要求［8］。因此，將“北斗衛(wèi)星定位+5G網(wǎng)絡(luò)+無源應(yīng)答器+列車速度傳感器”等進(jìn)行多源融合計算，輔以軌道電子地圖，可確定列車運行位置。列車多源融合定位示意見圖3。列車運行線路、行別、正/側(cè)線信息可通過無源應(yīng)答器編號映射的方式獲??；列車運行方向可通過列車位置經(jīng)緯度變化軌跡趨勢結(jié)合軌道電子地圖的方式獲取，或在經(jīng)過無源應(yīng)答器組時通過無源應(yīng)答器編號的變化趨勢獲?。涣熊囘\行速度可通過車速傳感器信息獲取。當(dāng)列車運行于北斗衛(wèi)星信號正常接收的區(qū)段時，車載設(shè)備可通過北斗衛(wèi)星定位獲取列車運行位置的經(jīng)緯度，匹配軌道電子地圖［9］，確定列車運行位置的公里標(biāo)；當(dāng)列車運行于無法接收北斗衛(wèi)星信號的區(qū)段（如隧道、山區(qū)）時，車載設(shè)備通過5G基站信息獲取列車運行位置的經(jīng)緯度，通過車速信息推算得出列車公里標(biāo)。圖3

列車多源融合定位示意3.2基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信功能在確定自身所屬列車的運行位置之后，車載預(yù)警處理設(shè)備將車車通信位置信息周期性地上報至車車通信服務(wù)器。車車通信服務(wù)器在接收到車載設(shè)備的車車通信位置信息后，判斷列車是否處于管轄范圍，如果是，則注冊或更新列車的車車通信位置信息，將該列車和以該列車為中心30km范圍內(nèi)的其他列車組成車車通信交互網(wǎng)絡(luò)，并將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他列車的位置信息和通信標(biāo)識信息發(fā)送給該列車；否則，向該列車回復(fù)車車通信位置信息拒絕消息，并注銷該列車的車車通信位置信息。車載預(yù)警處理設(shè)備在獲取車車通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他列車的通信標(biāo)識信息之后，向其他列車發(fā)送自身運行位置信息，同時也接收來自其他列車的運行位置信息?；?G網(wǎng)絡(luò)的車車通信過程示意見圖4。列車A與距離自身30km范圍內(nèi)的列車B和列車C組成車車通信網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行列車運行位置信息交互。圖4

基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信示意3.3列車接近預(yù)警功能在車載預(yù)警處理設(shè)備接收到其他列車的運行位置信息之后，首先判斷該列車運行的線路信息是否與本車相同，如果不相同且該車為當(dāng)前追蹤列車，則將該追蹤列車刪除；如果相同，則繼續(xù)判斷當(dāng)前是否已經(jīng)存在追蹤列車，如果存在，則根據(jù)自身與該車的距離判斷是否更新追蹤列車；否則，將該車設(shè)置為追蹤列車。此外，在列車側(cè)線接發(fā)、轉(zhuǎn)線運行的場景下，如果原有列車追蹤關(guān)系發(fā)生變化，則車載預(yù)警處理設(shè)備應(yīng)重新識別追蹤列車。在識別出追蹤列車之后，列車接近預(yù)警系統(tǒng)需要確定合適的預(yù)警距離，既要保證在追蹤距離超過認(rèn)可的安全范圍時能及時提醒司機(jī)，又要避免頻繁提醒對司機(jī)正常行車造成干擾，即預(yù)警距離應(yīng)大于列車緊急制動距離限值，但也不能設(shè)置過大而影響預(yù)警效果。此外，還需考慮在系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警至采取制動措施之間司機(jī)思考和處理時間。一般情況下，車載設(shè)備提示司機(jī)的語音播放時長約為4s，間隔3s重復(fù)播放，即司機(jī)思考和處理的時間按20s考慮。根據(jù)不同速度等級下的列車緊急制動距離限制，綜合考慮司機(jī)思考和處理時間內(nèi)列車的運行距離，計算得出動車組運行速度與預(yù)警距離的對應(yīng)關(guān)系，見表1。表1

動車組運行速度與預(yù)警距離的對應(yīng)關(guān)系車載預(yù)警處理設(shè)備根據(jù)追蹤列車的公里標(biāo)，計算與自身運行公里標(biāo)的差值，獲取列車追蹤距離，并結(jié)合列車與前方追蹤列車的相對運行速度，設(shè)置3個預(yù)警等級，分別為藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警和紅色預(yù)警［10］。不同預(yù)警等級的列車接近預(yù)警距離見表2。表2

不同預(yù)警等級的列車接近預(yù)警距離注：相對速度為列車自身與追蹤列車的運行速度的差值列車接近預(yù)警示意見圖5。當(dāng)車載預(yù)警處理設(shè)備分別發(fā)出藍(lán)色、黃色預(yù)警時，系統(tǒng)提示司機(jī)當(dāng)前列車運行速度和追蹤距離，并需分別在20s和14s的反應(yīng)思考時間之內(nèi)采取制動措施；而當(dāng)車載預(yù)警處理設(shè)備發(fā)出紅色預(yù)警時，追蹤距離已臨近當(dāng)前相對速度對應(yīng)的緊急制動距離限值，司機(jī)應(yīng)在聽到預(yù)警語音之后，立即采取制動措施。圖5

列車接近預(yù)警示意PART

04車載預(yù)警處理設(shè)備的軟件設(shè)計車載預(yù)警處理設(shè)備軟件主要實現(xiàn)以下功能：①與地面服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；②多源融合定位；③自主識別追蹤列車；④實時進(jìn)行追蹤距離和接近預(yù)警判斷；⑤通過聲、光等方式向司機(jī)發(fā)出列車接近預(yù)警。車載預(yù)警處理設(shè)備主要由接入、控制、通信和記錄4個處理模塊組成。車載預(yù)警處理設(shè)備軟件模塊之間的邏輯關(guān)系見圖6。其中，接入模塊負(fù)責(zé)接收應(yīng)答器編號、列車速度、車輪速度傳感器脈沖、經(jīng)緯度、基站編號等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊中的融合定位子模塊；通信模塊負(fù)責(zé)解析和打包車載預(yù)警處理設(shè)備接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)；記錄模塊將數(shù)據(jù)以文本文件的形式進(jìn)行存儲。圖6

車載預(yù)警處理設(shè)備軟件模塊之間的邏輯關(guān)系控制模塊包括融合定位子模塊、車車通信子模塊和接近預(yù)警子模塊。1）融合定位子模塊根據(jù)應(yīng)答器編號查詢獲取當(dāng)前列車運行線路和應(yīng)答器公里標(biāo)，并根據(jù)當(dāng)前判定的定位模式選擇相應(yīng)接入數(shù)據(jù)進(jìn)行位置計算；當(dāng)能夠正常接收經(jīng)緯度信息時，判定定位模式為衛(wèi)星模式，此時通過地圖匹配算法將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)與電子地圖匹配，獲取當(dāng)前公里標(biāo)，輸出列車運行位置信息和車車通信位置信息；當(dāng)無法正常接收經(jīng)緯度信息時，判定定位模式為推算模式，可通過基站編號查詢基站位置，并將基站位置經(jīng)緯度近似為列車位置經(jīng)緯度，同時，利用速度和應(yīng)答器公里標(biāo)信息，推算列車當(dāng)前公里標(biāo)，并在經(jīng)過無源應(yīng)答器時使用無源應(yīng)答器公里標(biāo)對推算結(jié)果進(jìn)行校正，最后輸出列車運行位置信息和車車通信位置信息。2）車車通信子模塊根據(jù)車車通信位置完成當(dāng)前所屬車車通信服務(wù)器的IP地址查詢和注冊，向當(dāng)前車車通信服務(wù)器上報位置信息，處理來自車車通信服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)信息，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他列車的通信標(biāo)識進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。3）接近預(yù)警子模塊根據(jù)其他列車的運行位置信息，將與自身所屬列車同線路、同行別、同方向且距離最近的前方列車認(rèn)定為追蹤列車，并實時計算與追蹤列車的距離。當(dāng)距離滿足接近預(yù)警距離條件時，向操作顯示終端發(fā)出接近預(yù)警信息，由操作顯示終端發(fā)出接近預(yù)警聲光提示。列車接近預(yù)警界面示意見圖7。圖7

列車接近預(yù)警界面示意PART

05結(jié)論列車接近預(yù)警系統(tǒng)能夠作為既有高速鐵路列控系統(tǒng)的補(bǔ)充，在列控系統(tǒng)偶發(fā)失效時為列車提供安全保障，防止列車發(fā)生追尾事故。將基于5G網(wǎng)絡(luò)的車車通信技術(shù)融入列車接近預(yù)警系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的信息傳輸效率，簡化系統(tǒng)地面設(shè)備的復(fù)雜程度。該系統(tǒng)的車載預(yù)警處理設(shè)備通過車車通信，可自主識別追蹤列車，實現(xiàn)列車接近預(yù)警功能，滿足我國鐵路列車智能化安全保障需求。但由于目前車車通信技術(shù)所遵循的車車協(xié)同原則與當(dāng)前CTCS列控系統(tǒng)技術(shù)體系中車地協(xié)同的原則有較大不同［11］，短期內(nèi)開展基于車車通信的列控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用挑戰(zhàn)較大，因此，基于5G網(wǎng)絡(luò)車車通信的列車接近預(yù)警系統(tǒng)研究可作為基于車車通信的列控系統(tǒng)的前期探索，為未來車車通信技術(shù)在列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供借鑒。

基于車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道人機(jī)交互設(shè)計研究隨著車載通信技術(shù)的不斷發(fā)展，車載信息系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)的終端，正朝著多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車之中。技術(shù)的發(fā)展使車載信息系統(tǒng)日趨成為一個復(fù)雜的信息娛樂體系，它涵蓋了音樂、導(dǎo)航、游戲等眾多的信息服務(wù)功能，在給駕駛員帶來娛樂與便利的同時，也使車載信息系統(tǒng)在駕駛過程中的使用頻率變高。然而這在一定程度上也增加了駕駛負(fù)荷，導(dǎo)致用戶注意力分心，嚴(yán)重影響著駕駛安全及用戶體驗。因此，本文試圖在車載信息系統(tǒng)任務(wù)中引入多通道交互方式，通過合理分配駕駛員注意力資源，減少車載信息系統(tǒng)帶來的駕駛危險，提升用戶體驗。Part01

概念解讀

車載信息系統(tǒng)任務(wù)車載信息系統(tǒng)包括信息服務(wù)系統(tǒng)及信息娛樂系統(tǒng)兩個方面，簡稱IVIS(In-VehicleInformationSystem)。它是一種由車身總線系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)形成的綜合信息處理系統(tǒng)。隨著計算機(jī)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，車載信息系統(tǒng)的功能也朝著多樣化、智能化的方向發(fā)展，越來越多的功能涌入車載信息系統(tǒng)，并為駕駛員提供資訊、三維導(dǎo)航、娛樂等信息服務(wù)。多種信息服務(wù)功能在駕駛員駕駛過程中給駕駛員帶來了越來越多需要及時處理的任務(wù)，這些任務(wù)在滿足用戶需求的同時也給駕駛安全帶來了隱患。

汽車多通道人機(jī)交互多通道交互是以手勢識別、語音識別、生物識別等多種新穎的交互識別技術(shù)為基礎(chǔ)，通過允許用戶使用身體的不同通道以非精準(zhǔn)交互操作的形式與計算機(jī)進(jìn)行交互，以此來實現(xiàn)自然與高效的交互操作。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用戶與計算機(jī)之間的交互方式往多樣化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)物理控鍵的使用正在縮減，駕駛員與汽車進(jìn)行交互的界面也不再局限于屏幕，交互方式變得“無所不在”。Part02

理論研究本文的理論研究主要包括汽車多通道人機(jī)交互系統(tǒng)及車載信息系統(tǒng)任務(wù)。首先，本文闡明了多通道人機(jī)交互的概念，分析總結(jié)了車內(nèi)多通道人機(jī)交互的過程。同時，在對大量的文獻(xiàn)、量產(chǎn)車、概念車進(jìn)行調(diào)研后，總結(jié)了現(xiàn)階段汽車人機(jī)交互過程中幾種主要的控制與顯示方式。通過分析多通道交互的優(yōu)勢，證明了將多通道應(yīng)用于汽車人機(jī)交互過程中是汽車人機(jī)交互設(shè)計發(fā)展的必然趨勢。

同時，本文也對車載信息系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行了研究。結(jié)合汽車手冊及其他研究，將常見的車載信息系統(tǒng)功能及任務(wù)進(jìn)行了整理總結(jié)，見表1。通過對車載信息系統(tǒng)的定義與功能任務(wù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了車載信息系統(tǒng)的兩大特點。并引入了解決多任務(wù)資源分配的最常用方法之一——多資源理論。表1

IVIS功能任務(wù)列表之后，本文研究了多通道人機(jī)交互可用性評價方法及車載信息系統(tǒng)任務(wù)資源分配研究方法，并提出了基于車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道交互設(shè)計的研究框架，如圖1所示。

圖1

基于車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道交互研究框架

Part03

相關(guān)實驗

實驗研究的內(nèi)容主要基于上文提出的車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道交互研究框架展開，共進(jìn)行了兩次實驗。第一次是通過卡片分類的方式對車載信息系統(tǒng)任務(wù)的分類進(jìn)行研究。第二次實驗以信息系統(tǒng)中音樂播放系統(tǒng)為例對多通道方式體驗進(jìn)行了研究。這兩次實驗為后續(xù)從任務(wù)出發(fā)構(gòu)建汽車多通道交互設(shè)計模型奠定了基礎(chǔ)。

實驗一：車載信息系統(tǒng)任務(wù)的分類研究本文針對目前L3級別的自動駕駛汽車中的人機(jī)交互任務(wù)展開調(diào)研，并結(jié)合車載信息系統(tǒng)的任務(wù)類別及McKnight等人提出的駕駛?cè)蝿?wù)，篩選出與本研究相關(guān)的車載信息系統(tǒng)任務(wù)類別，最終統(tǒng)計得到337個車載信息系統(tǒng)中的子任務(wù)。隨后采用卡片分類法對任務(wù)進(jìn)行相似性歸類整合。

第一次卡片分類，參與者將337個子任務(wù)卡片分類，得到了打開/關(guān)閉、輸入、選擇、調(diào)節(jié)、查看等五種操作任務(wù)。第二次卡片分類邀請了行業(yè)設(shè)計專家、有經(jīng)驗的駕駛員以及參與過第一次卡片歸類的同學(xué)，共6個人，平均分為兩組。兩組參與者在第一次分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，將車載信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)任務(wù)歸為4大類，分別命名為：錄入（Entry）、選擇（Selection）、激活/關(guān)閉（Activation/Deactivate）、調(diào)節(jié)（Adjustment）。部分歸類詳情如表2所示。并最終根據(jù)這4類任務(wù)的特點將其進(jìn)行定義，如表3所示。

表2

次級駕駛基礎(chǔ)任務(wù)（部分示例）

表3

次級駕駛基礎(chǔ)任務(wù)定義實驗二：多通道方式體驗研究實驗以信息系統(tǒng)中音樂播放系統(tǒng)為例，針對前面卡片分類得出的激活/關(guān)閉、調(diào)節(jié)、選擇、錄入4個基礎(chǔ)任務(wù)對象展開相關(guān)實驗研究，然后通過駕駛負(fù)荷、駕駛分心、用戶滿意度三個指標(biāo)去評估不同通道的交互方式，為構(gòu)建基于多通道交互的車載信息系統(tǒng)任務(wù)模型提供依據(jù)。實驗采用模擬駕駛器進(jìn)行研究，共11名男司機(jī)和11名女司機(jī)參與本次實驗。在被試熟悉環(huán)境后，用戶以40km/h的速度勻速行駛，1分鐘后主試會提示被試進(jìn)行任務(wù)操作，被試需針對每一個任務(wù)依次完成所對應(yīng)的控制方式，具體任務(wù)如表4所示。與此同時，記錄人員每隔10s對用戶的駕駛速度進(jìn)行記錄。任務(wù)操作實驗完成后，讓被試對各個交互方式進(jìn)行SUS量表評分，并針對實驗過程中的典型行為展開對被試體驗感受的訪談。整個實驗流程如圖2所示。

表4

音樂播放系統(tǒng)測試任務(wù)圖2

實驗流程Part04

多通道交互設(shè)計模型基于前期實驗結(jié)果中的評價指標(biāo)及影響因素，構(gòu)建了基于車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道交互設(shè)計評估模型，并提出了進(jìn)行車載信息系統(tǒng)任務(wù)下的交互方式設(shè)計時所需遵循的設(shè)計原則及設(shè)計流程。多通道交互設(shè)計評估模型該模型具體分為兩個部分，第一部分是多通道交互方式評估模型，該模型從功能出發(fā)分解到各個任務(wù)，通過實驗研究法來探索用戶在具體的任務(wù)執(zhí)行過程中，不同交互方式對駕駛負(fù)荷、駕駛分心、主觀滿意度的影響。具體來說就是通過多資源模型中的用戶行為要素表來獲取用戶駕駛負(fù)荷值、通過用戶具體操作過程中對速度的保持情況來獲取用戶的駕駛分心程度、通過系統(tǒng)可用性評分來獲取用戶的主觀滿意度。基于這三方面來實現(xiàn)對各個交互方式之間的評價，從而得到具體任務(wù)下交互方式的優(yōu)先級。

第二部分是多通道人機(jī)交互方式的設(shè)計模型，它是通過對交互方式評估模型的反向執(zhí)行而形成的。交互方式的設(shè)計可以從具體影響駕駛負(fù)荷、駕駛分心、主觀滿意度這三個方面的因素展開，以及從操作步驟、操作范圍、操作位置、任務(wù)持續(xù)時間、交互反饋、技術(shù)成熟度、環(huán)境、學(xué)習(xí)成本、認(rèn)知習(xí)慣這幾個方面展開，通過對這兩種方式的研究，進(jìn)而得到在駕駛安全和用戶滿意度上更高的交互方式。模型如圖3所示。

圖3

車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道人機(jī)交互設(shè)計評估模型

多通道交互設(shè)計原則根據(jù)實驗研究的結(jié)果，結(jié)合任務(wù)完成過程中用戶體驗的相關(guān)描述，研究從任務(wù)出發(fā)提出了汽車多通道人機(jī)交互設(shè)計原則，為設(shè)計實踐提供指導(dǎo)。設(shè)計原則如下：1）簡化操作步驟，提升復(fù)雜任務(wù)的交互效率。2）針對任務(wù)特征展開交互方式的選擇。3）設(shè)計符合用戶常規(guī)認(rèn)知的操作與反饋方式以減輕認(rèn)知負(fù)荷。4）針對特殊任務(wù)展開智能趣味的交互方式設(shè)計，提升主觀滿意度。

多通道交互設(shè)計流程本文從具體任務(wù)出發(fā)構(gòu)建了設(shè)計流程。從設(shè)計方法上而言，該流程在設(shè)計前期可以更好的幫助設(shè)計師獲取用戶的需求，從用戶的角度獲取核心產(chǎn)品功能；在設(shè)計過程中，能針對具體任務(wù)對用戶行為進(jìn)行分析，從具體影響用戶操作行為及體驗的因素出發(fā)進(jìn)行設(shè)計。通過簡化用戶操作方式，減少駕駛負(fù)荷與分心，提升用戶滿意度；在設(shè)計結(jié)果上，基于任務(wù)展開交互方式的設(shè)計，能夠更好地理解目標(biāo)用戶的需求，設(shè)計出讓用戶滿意度更高、體驗更佳的交互方式。圖4

基于車載信息系統(tǒng)任務(wù)的多通道人機(jī)交互設(shè)計流程

Part05

實踐應(yīng)用基于車載信息系統(tǒng)任務(wù)操作下的通道資源的有限理論研究，本文提出了汽車人機(jī)交互設(shè)計的設(shè)計方法，并通過汽車多通道人機(jī)交互設(shè)計研究項目中的音