地鐵調(diào)度員工作站人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究

趙 嫚，方衛(wèi)寧，穆建成

（北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

在城市軌道交通管理中，調(diào)度員工作站人機(jī)交互界面作為調(diào)度員處理地鐵運(yùn)營(yíng)突發(fā)事件的載體，在保障地鐵列車按運(yùn)行圖正常運(yùn)營(yíng)中占據(jù)了重要的地位。工作站界面上的顯示和控制元素越來(lái)越多，在輔助調(diào)度員工作的同時(shí)，也增加了調(diào)度員處理信息的工作負(fù)荷。以北京地鐵1號(hào)線為例，站場(chǎng)圖中包括25個(gè)車站（其中兩個(gè)修建時(shí)是為國(guó)防服務(wù)，現(xiàn)已棄用，但仍可停放車輛），2個(gè)車輛段，多個(gè)列車（高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)可達(dá)50多輛），信號(hào)機(jī)，站臺(tái)等，線路全長(zhǎng)34. 82 km。調(diào)度員與工作站界面的交互信息量的增長(zhǎng)，使得人的因素越來(lái)越成為限制突發(fā)事件高效處理的“瓶頸”。

盡管地鐵列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）調(diào)度系統(tǒng)硬件系統(tǒng)已更新?lián)Q代，但是交互界面的表現(xiàn)形式，功能圖標(biāo)、站場(chǎng)圖等并沒(méi)有與顯示器的顯示水平同步發(fā)展。本文從人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，針對(duì)目前調(diào)度員工作站系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)問(wèn)題展開研究，以生態(tài)界面理論為基礎(chǔ)，用工業(yè)設(shè)計(jì)的界面設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)方法對(duì)工作站界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使調(diào)度員與工作站的交互更為友好。

1 地鐵ATS調(diào)度工作站系統(tǒng)研究

界面設(shè)計(jì)以北京地鐵1號(hào)線ATS系統(tǒng)調(diào)度員工作站為研究對(duì)象，對(duì)操作界面進(jìn)行分析。選擇該條線路有以下幾點(diǎn)考慮：

（1）客運(yùn)量大。圖1為除了4號(hào)線和14號(hào)線（京港地鐵）以外的北京各個(gè)地鐵線路客運(yùn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在北京地鐵各條線路中，1號(hào)線是北京地鐵運(yùn)營(yíng)線路中客運(yùn)量最大的線路。

（2）對(duì)調(diào)度員要求高。北京市其他地鐵線路的調(diào)度員大部分是從1號(hào)線的調(diào)度員中分配的，只有經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的調(diào)度員才能勝任1號(hào)線的調(diào)

圖1 北京地鐵運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)

圖2 調(diào)度員工作站系統(tǒng)提取圖

在調(diào)度員工作站系統(tǒng)的抽象提取圖中，可以看出整個(gè)系統(tǒng)宏觀上分成2個(gè)部分。第1部分是信息顯示和功能操作，主要位于工作站界面的上端和下端，調(diào)度員通過(guò)屏幕上方分布的各類按鈕、顯示圖片以及列表等整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和對(duì)站場(chǎng)圖上的線路元素進(jìn)行操作。第2部分是站場(chǎng)圖，是整個(gè)1號(hào)線線路的簡(jiǎn)圖，可以客觀的展示整個(gè)線路的位置以及狀態(tài)，并且隨時(shí)監(jiān)視和控制列車的運(yùn)行。

圖2中的第1模塊包括菜單、設(shè)備狀態(tài)顯示、報(bào)警欄和時(shí)間顯示4個(gè)部分，如圖3所示。它們都是工作站界面的主要操作模塊，是調(diào)度員實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)視和監(jiān)控的主要工具[1]。其中報(bào)警信息尤為重要，它可以實(shí)時(shí)顯示列車運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)狀況，調(diào)度員可根據(jù)報(bào)警模塊提供的報(bào)警信息進(jìn)行分析處理，并及時(shí)找到故障發(fā)生點(diǎn)，對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行處理。這一部分提供了各個(gè)級(jí)別的報(bào)警信息，可幫助調(diào)度員對(duì)信息進(jìn)行分類處理。

圖3 功能操作模塊

圖2中的第2模塊相當(dāng)于第1模塊的操作對(duì)象，所有的功能操作都在站場(chǎng)圖中體現(xiàn)，調(diào)度員大部分對(duì)于行車的組織操作都是在站場(chǎng)圖上進(jìn)行的。如圖4所示，它包含豐富的線路信息，也是界面設(shè)計(jì)最重要的模塊。站場(chǎng)圖中的線路元素主要包括軌道、軌號(hào)、道岔、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)、列車、車站名、接觸軌、車次號(hào)、車次窗、狀態(tài)顯示標(biāo)志等。在站場(chǎng)圖上的操作包括移動(dòng)站場(chǎng)圖、右鍵點(diǎn)擊操作等。

圖4 站場(chǎng)圖

2 ATS調(diào)度工作站的生態(tài)界面抽象層次分析

生態(tài)界面設(shè)計(jì)（EID, Ecological Interface Design）是一種在復(fù)雜的社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)中用來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)界面的理論體系，它以抽象層級(jí)以及技術(shù)（skills）、規(guī)則（rules）和知識(shí)（knowledge）類為理論基礎(chǔ)。其主要作用是幫助知識(shí)型工作者適應(yīng)度工作，因此1號(hào)線是對(duì)調(diào)度員經(jīng)驗(yàn)要求最高的線路。

（3）雖然各個(gè)地鐵線路的界面都不一樣，但是需要實(shí)現(xiàn)的基本功能是大致相同的。

（4）1號(hào)線采用的ATS系統(tǒng)是比較有代表性的典型ATS調(diào)度系統(tǒng)。

所以，本文選擇北京地鐵1號(hào)線作為分析對(duì)象，提取出調(diào)度員工作站雙屏顯示界面的展示內(nèi)容，如圖2所示。變化的環(huán)境和新事物，并可提高問(wèn)題解決的績(jī)效[2]。

抽象層級(jí)是用來(lái)描述某一工作領(lǐng)域的有用體系，它可被定義為一種分為多層級(jí)的組織[3]。層級(jí)的較低水平與較高水平間是一種具有指向性的手段-目的的關(guān)系。抽象層級(jí)的分析是對(duì)工作領(lǐng)域的分析，而非具體任務(wù)的分析，即它分析整個(gè)控制系統(tǒng)，這可以使人們不局限于某一具體情形或事件，因此具有更好的適應(yīng)性[4]。抽象層級(jí)具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）為操作者提供處理不可預(yù)期的事件的信息；（2）為問(wèn)題解決提供有效的心理地圖。

本文進(jìn)行生態(tài)界面分析的工作域是地鐵調(diào)度工作站。對(duì)于交互界面信息的分類與組織，依據(jù)生態(tài)界面理論，采用抽象層次法進(jìn)行分析，如圖5所示。各個(gè)層次的描述如下。

2.1 功能目的層

該層次主要描述工作域是因?yàn)槭裁茨康亩辉O(shè)計(jì)出來(lái)的[5]。功能目的的描述應(yīng)該包括一些能夠幫助用戶判斷工作域是否正常工作的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)度員工作站的整體設(shè)計(jì)需要保證列車在站場(chǎng)內(nèi)安全運(yùn)營(yíng)。這個(gè)過(guò)程又可以表述成具體的功能目的，調(diào)度工作的主要內(nèi)容是保證列車在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)按照運(yùn)行圖的計(jì)劃運(yùn)行，因此功能目的的第1點(diǎn)是保證列車準(zhǔn)點(diǎn)。另外維持站場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)必須保證站場(chǎng)自身的可靠安全，所以功能目的的第2點(diǎn)是最小化施工對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾。

2.2 抽象功能層

該層次主要描述工作域包含的一些因果關(guān)系以及守恒定律，如能量守恒，質(zhì)量守恒等。調(diào)度員工作站在這一層次的描述表述在系統(tǒng)的具體功能上為2個(gè)部分：（1）運(yùn)營(yíng)列車的出庫(kù)、按運(yùn)行圖運(yùn)行以及回庫(kù)；（2）施工人員的進(jìn)線、施工檢修作業(yè)以及出線。抽象功能層是功能目的層的進(jìn)一步細(xì)化和分析。

2.3 一般功能層

該層次用于解釋抽象功能層的相關(guān)法則是如何被獲得并遵守的。如何實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行和施工檢修作業(yè)的正常進(jìn)行。這里包括列車正常運(yùn)行的監(jiān)視和控制、故障和突發(fā)事件處理、夜間施工維修。一般功能層是對(duì)抽象功能層的進(jìn)一步解釋和具體化。

2.4 物理功能層

該層次描述工作域的具體物理功能，各自的功能模塊以及它們的實(shí)現(xiàn)能力。其中尤為關(guān)鍵的是描述了這些能力的限度。調(diào)度員工作站工作域的主要物理功能模塊包括2個(gè)部分：信息顯示功能操作模塊和站場(chǎng)圖。

2.5 物理形式層

該層次主要描述工作域的物理形式。包括尺寸、顏色、形狀、外觀、物理位置、環(huán)境等。映射到調(diào)度員工作站表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的表現(xiàn)狀態(tài)以及顯示標(biāo)識(shí)等，如圖5所示。

3 調(diào)度員工作站的生態(tài)界面設(shè)計(jì)方案

在界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，抽象層級(jí)上面的每一層都要提供視覺結(jié)構(gòu)和流，這主要包括2方面：構(gòu)建邏輯路徑、對(duì)稱和平衡。界面布局必須采用正確而有效的邏輯路徑，用戶可以沿著該路徑與界面互動(dòng)，現(xiàn)代人們眼睛閱讀的習(xí)慣是從上到下，從左到右；從視覺平衡的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，對(duì)稱是組織界面的一個(gè)有用工具，如果不對(duì)稱，界面會(huì)顯得失衡，界面中常用到的兩種對(duì)稱是垂直軸對(duì)稱和對(duì)角線對(duì)稱[6]。

根據(jù)信息模塊化及重要性等設(shè)計(jì)原則[7]，將整個(gè)工作站界面劃分為3個(gè)部分，分別是信息顯示、功能操作和站場(chǎng)圖。工作站操作界面采用雙屏顯示，按照人們的閱讀習(xí)慣，左屏為主要操作屏，右屏相對(duì)次要。如圖6所示，界面中灰色部分為標(biāo)題欄；綠色部分為信息顯示部分，主要展示一些設(shè)備的狀態(tài)以及運(yùn)營(yíng)組織流程的顯示；藍(lán)色部分為功能操作模塊，主要包括報(bào)警信息、用戶管理、功能區(qū)、天氣時(shí)間顯示以及站場(chǎng)圖的縮略圖部分；黃色部分為站場(chǎng)圖。

圖6 站場(chǎng)圖模塊圖

根據(jù)生態(tài)界面的抽象層次分析對(duì)調(diào)度員工作站系統(tǒng)的分析，本文提出一種“旋渦式”設(shè)計(jì)方法。即由外及內(nèi)，由大到小，由粗到細(xì)，由遠(yuǎn)及近的設(shè)計(jì)方式，先整體后細(xì)節(jié)的層層展示界面的具體內(nèi)容。先對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行抽象層次分析，再對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行抽象層次分析。

圖5 調(diào)度員工作站抽象層次分析

整個(gè)界面的主體對(duì)應(yīng)功能目的層，即通過(guò)界面上的內(nèi)容展示和相關(guān)控制功能模塊，保證列車準(zhǔn)點(diǎn)以及最小化夜間施工對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾。抽象功能層的具體映射到界面上表現(xiàn)在整個(gè)界面的左上角，即圖6中的信息顯示模塊，可切換夜間施工模式和正常運(yùn)營(yíng)模式。

3.1 界面模塊劃分設(shè)計(jì)

根據(jù)人眼閱讀習(xí)慣以及眼睛的視距區(qū)域劃分，將整個(gè)界面分為2大部分，站場(chǎng)圖與信息顯示功能操作。根據(jù)在地鐵調(diào)度員日常工作中的調(diào)研，他們最關(guān)注的是站場(chǎng)圖的變化，需要精確無(wú)誤的獲取站場(chǎng)圖的信息，在發(fā)生突發(fā)狀況之后通過(guò)一些功能操作對(duì)站場(chǎng)圖進(jìn)行操作。站場(chǎng)圖占據(jù)的面積較大，根據(jù)王海燕在2011年《新一代戰(zhàn)斗機(jī)顯控界面布局設(shè)計(jì)研究》中所做的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果[10]，如圖7所示。根據(jù)人的視覺習(xí)慣和眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中(a)是最優(yōu)的界面。

圖7 界面布局方案

所以信息顯示和功能模塊置于上方小面積處，站場(chǎng)圖置于下方大面積處。

3.2 信息顯示和功能操作設(shè)計(jì)

根據(jù)在地鐵調(diào)度中心的實(shí)地調(diào)研以及在調(diào)度員日常工作中所做的調(diào)查，報(bào)警信息是功能操作模塊中最重要的一個(gè)部分，本節(jié)將詳述報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)來(lái)展開界面的設(shè)計(jì)過(guò)程。并將基于理論設(shè)計(jì)的生態(tài)界面和傳統(tǒng)界面進(jìn)行對(duì)比。

研究中在界面上展示的內(nèi)容是固定的，即報(bào)警信息的內(nèi)容、等級(jí)以及處理操作。

如圖8所示，在傳統(tǒng)界面中，報(bào)警內(nèi)容包括類型、級(jí)別、狀態(tài)、時(shí)間、事件；報(bào)警等級(jí)按等級(jí)排列分別包括A、B、C、事件4個(gè)等級(jí)；報(bào)警處理包括確認(rèn)、刪除、刪除全部。事件的等級(jí)區(qū)分采用顏色區(qū)分法，紅色為A級(jí)警告，藍(lán)色為B級(jí)警告。所有的報(bào)警信息以列表的形式進(jìn)行展示，滾動(dòng)條顯示多條信息。調(diào)度員需要時(shí)刻關(guān)注報(bào)警欄以發(fā)現(xiàn)最新的報(bào)警信息。

圖8 報(bào)警信息模塊的傳統(tǒng)界面

圖9為根據(jù)前文的抽象層次分析得出的生態(tài)界面設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)報(bào)警模塊的再次抽象層次分析，對(duì)報(bào)警欄進(jìn)行了生態(tài)界面設(shè)計(jì)。

圖9 報(bào)警信息模塊的生態(tài)界面

（1）報(bào)警欄的功能目的是將最新發(fā)生的警告信息傳達(dá)給調(diào)度員，因此在這一模塊的左上角，即人眼視覺最關(guān)注的位置，繪制一個(gè)報(bào)警圖標(biāo)，當(dāng)調(diào)度員必須關(guān)注的B級(jí)報(bào)警信息發(fā)生時(shí)，報(bào)警圖標(biāo)會(huì)有閃爍表示。更高級(jí)別A級(jí)報(bào)警信息產(chǎn)生時(shí)還會(huì)伴隨聲音提示。如圖9（a）中紅框所示。

（2）報(bào)警欄的抽象目的是及時(shí)并詳細(xì)展示調(diào)度員最需要的報(bào)警信息以及對(duì)報(bào)警信息的處理。如圖9（a）中的第一個(gè)標(biāo)簽頁(yè)所示，將較高級(jí)別的A級(jí)和B級(jí)報(bào)警信息內(nèi)容在這一區(qū)域詳細(xì)展示出來(lái)，并在其右側(cè)以按鈕的形式提供處理操作的功能。顯示內(nèi)容的顏色設(shè)置為A級(jí)紅色，B級(jí)藍(lán)色，C級(jí)黃色，事件黑色。

（3）報(bào)警欄的一般功能是實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的展示、分類、設(shè)置以及處理。因此，將報(bào)警信息的內(nèi)容分為ID、時(shí)間、級(jí)別、類別、狀態(tài)、內(nèi)容。報(bào)警信息的等級(jí)劃分為A、B、C、事件4個(gè)等級(jí)，以及提供所有警告和當(dāng)前警告信息的查看。報(bào)警時(shí)間的處理分為確認(rèn)、處理、回復(fù)和刪除。

（4）報(bào)警欄的物理功能是如何實(shí)現(xiàn)一般功能的具體物理操作。如圖9（b）中紅框所示，以標(biāo)簽頁(yè)的形式將報(bào)警信息的各個(gè)等級(jí)區(qū)別劃分并實(shí)現(xiàn)切換查看的功能。以按鈕的形式實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的處理操作，報(bào)警設(shè)置會(huì)產(chǎn)生下一級(jí)窗口進(jìn)行報(bào)警信息顯示的設(shè)置。

（5）報(bào)警欄的物理形式層的表現(xiàn)主要是顏色、圖標(biāo)大小和樣式的變化。例如，報(bào)警圖標(biāo)的閃爍顯示是可以緊抓視覺的重要元素，并且黃色是通用的警告色，在沒(méi)有報(bào)警信息的狀態(tài)下，圖標(biāo)為灰色，是靜態(tài)圖片，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的視覺差；當(dāng)有報(bào)警信息提供時(shí)，黃色和紅色的警告程度明顯加強(qiáng)，會(huì)立即增加人眼的關(guān)注度。

對(duì)于傳統(tǒng)界面和新設(shè)計(jì)的生態(tài)界面進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，采用了專家打分法，結(jié)果表明，圖9展示的生態(tài)界面要比圖8展示的傳統(tǒng)界面更加容易理解和掌握。

圖10 任務(wù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用SMI的RED型桌面式眼動(dòng)測(cè)試儀作為實(shí)驗(yàn)工具，它包括iView PC測(cè)試計(jì)算機(jī)、Stimulus PC圖像顯示計(jì)算機(jī)和下方安裝的2組紅外光源及攝像頭。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)主要采集的是定量化的任務(wù)數(shù)據(jù)，即行為類型總數(shù)和行為時(shí)間。需要通過(guò)眼動(dòng)儀記錄的數(shù)據(jù)有：注視點(diǎn)位置、注視時(shí)間、行為執(zhí)行時(shí)間。

本實(shí)驗(yàn)選取的案例任務(wù)是“完成對(duì)報(bào)警信息的確認(rèn)”，這個(gè)任務(wù)是在對(duì)行車調(diào)度系統(tǒng)和調(diào)度任務(wù)進(jìn)行調(diào)查分析后得出的結(jié)果。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程以及數(shù)據(jù)記錄如圖10所示。

被試選取的是北京交通大學(xué)的研究生共7名，全部為男生，參與者年齡介于21～26歲之間。所有被試沒(méi)有接觸過(guò)ATS系統(tǒng)，所以需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熟悉操作培訓(xùn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由眼動(dòng)儀自帶的BeGaze數(shù)據(jù)分析軟件分析結(jié)果得出如表1所示的數(shù)值，表中數(shù)值為7名被試測(cè)試后的平均值（假設(shè)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間為第0 s）。

由上述結(jié)果分析可知EID界面相對(duì)于傳統(tǒng)界面來(lái)說(shuō)，用戶能夠更快速的獲取報(bào)警提示，及時(shí)得到報(bào)警信息的內(nèi)容并進(jìn)行處理。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在ATS調(diào)度員工作站人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)中，利用生態(tài)界面設(shè)計(jì)理論中的抽象層級(jí)分析法，對(duì)調(diào)度員工作站系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、總結(jié)和歸納，通過(guò)對(duì)各個(gè)功能層級(jí)的分析，對(duì)界面顯示內(nèi)容進(jìn)行了模塊化的分類和合并。在具體顯示設(shè)計(jì)時(shí)，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法流程。結(jié)合調(diào)度員在實(shí)際過(guò)程中對(duì)當(dāng)前工作界面的真實(shí)感受以及對(duì)界面顯示的一些功能需求，重新設(shè)計(jì)了界面的顯示構(gòu)架。按照調(diào)度員處理突發(fā)事件的任務(wù)要求和人類的視覺規(guī)律，利用眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證生態(tài)界面和傳統(tǒng)界面的優(yōu)劣。由結(jié)果可知對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)界面的布局，這一方法是可行的。

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