抬頭顯示技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的可行性分析

盤 宇，劉 輝，劉海軍

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

顯示器作為主要的人機(jī)交互手段，已被廣泛用于軌道交通車輛司機(jī)室當(dāng)中。以HXD系列機(jī)車為例，司機(jī)室中主要有列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置(LKJ)顯示器、列車控制與管理系統(tǒng)(train control and management system, TCMS)顯示器、機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備(cab integrated radio communication equipment,CIR)顯示器等，其均被布置在操縱臺(tái)前方。司機(jī)通過(guò)這些顯示器了解機(jī)車設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行安全相關(guān)信息等。有研究表明，在整個(gè)機(jī)車駕駛作業(yè)過(guò)程中，列車司機(jī)90%以上的注視時(shí)間都用于對(duì)前方線路情況及機(jī)車信號(hào)等視覺(jué)刺激源的觀察上[1]。而為了獲取顯示器上的信息，司機(jī)需頻繁低頭或者轉(zhuǎn)移視線，這樣會(huì)造成司機(jī)接收機(jī)車前方路況信息的不連續(xù)性，從而導(dǎo)致忽略掉某些重要信息。整個(gè)駕駛過(guò)程中，司機(jī)視線焦點(diǎn)不斷移動(dòng)，不僅會(huì)分散司機(jī)的注意力，而且極易增加司機(jī)的疲勞感，降低司機(jī)反應(yīng)速度，這將對(duì)列車的安全駕駛造成隱患。因此，對(duì)司機(jī)室的信息顯示方式作出改進(jìn)是非常必要的。抬頭顯示(headup display, HUD)作為一種安全、高效的駕駛輔助系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于航空及汽車領(lǐng)域。HUD上可呈現(xiàn)駕駛過(guò)程中常用的信息，減少用戶視線在路面與儀表盤之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，使用戶將注意力更多地集中在路面信息上，以提高駕駛的安全性[2]。國(guó)外已有學(xué)者對(duì)HUD在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的可行性進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]確定了HUD作為一種技術(shù)在機(jī)車駕駛室中應(yīng)用的可能；文獻(xiàn)[4]基于數(shù)字光處理投影顯示技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了HUD在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的可行性；但國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的較少。

1 HUD系統(tǒng)類型

HUD系統(tǒng)按照成像方式可以分為3種類型，分別是直接反射式、擋風(fēng)玻璃集成式及間接集成式。這三者的應(yīng)用目的相同，成像顯示原理類似，但細(xì)節(jié)有所不同[5]。

直接反射式(entry HUD)系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的HUD系統(tǒng)，通常將段碼式顯示屏產(chǎn)生的反向圖像，經(jīng)擋風(fēng)玻璃上的顯示膜一次反射后到達(dá)人眼。人眼看到的是正向的虛像。這種直接反射式HUD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低，安裝簡(jiǎn)單；但由于只經(jīng)過(guò)擋風(fēng)玻璃一次發(fā)射成像，沒(méi)有精密的光路設(shè)計(jì)，因此顯示的虛像清晰度較差，視距較短，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)加重駕駛員的眼部疲勞感，造成額外的視覺(jué)負(fù)擔(dān)。

擋風(fēng)玻璃集成式(windows-shield HUD)系統(tǒng)是將圖像源通過(guò)投射光源投射在顯示器中，顯示器上的圖像經(jīng)一次反射后到達(dá)反射器上，再經(jīng)過(guò)二次反射投射至擋風(fēng)玻璃上，最后經(jīng)過(guò)擋風(fēng)玻璃的第三次反射射入人眼，此時(shí)駕駛?cè)藛T可以透過(guò)擋風(fēng)玻璃觀察到前方虛像信息。擋風(fēng)玻璃集成式HUD系統(tǒng)依靠精密的光路結(jié)構(gòu)，不僅可以獲得較好的顯示效果，而且能夠有效縮短視線移動(dòng)以及焦點(diǎn)調(diào)節(jié)的時(shí)間。這樣增加了駕駛舒適度，提高了行車安全性。但由于需要高折射率的擋風(fēng)玻璃來(lái)增加表面反射率，對(duì)擋風(fēng)玻璃制造工藝要求非常苛刻；其次，還需要調(diào)整擋風(fēng)玻璃傾角以滿足成像要求，以避免在擋風(fēng)玻璃上出現(xiàn)重影的現(xiàn)象，因此這對(duì)于整車制造要求是比較高的。

間接集成式(combiner HUD)系統(tǒng)是通過(guò)一塊經(jīng)過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)的透明玻璃板作為組合器來(lái)替代擋風(fēng)玻璃，通過(guò)兩次反射的方式，將信息的虛像顯示在前方。由于使用組合器能夠顯著降低系統(tǒng)對(duì)于擋風(fēng)玻璃安裝角度的高精度要求，不僅降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，提高了整車制造的柔性，而且開(kāi)發(fā)成本低。但這種顯示系統(tǒng)受組合器尺寸的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積的顯示。

由于擋風(fēng)玻璃集成式HUD系統(tǒng)對(duì)玻璃本身和安裝傾角有較高的要求，需要在軌道交通車輛設(shè)計(jì)之初進(jìn)行考慮，因此僅適用于新造車。間接集成式HUD系統(tǒng)由于自帶組合器對(duì)安裝車輛要求較低，其顯示效果也能得到保證，因此適用于既有車輛的改造升級(jí)。直接反射式HUD系統(tǒng)顯示效果相對(duì)較差，在軌道交通領(lǐng)域可以不做考慮。

2 HUD系統(tǒng)在軌道交通應(yīng)用的可行性分析

目前，HUD系統(tǒng)還未被應(yīng)用在列車司機(jī)室內(nèi)，司機(jī)仍需要頻繁轉(zhuǎn)移視線才能觀察到安裝在操作臺(tái)上的各個(gè)顯示設(shè)備的信息。以高速動(dòng)車組為例，在其正線運(yùn)行過(guò)程中，有發(fā)車、高速運(yùn)行、過(guò)分相和站內(nèi)停車4項(xiàng)主要工作任務(wù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集4名沈陽(yáng)—大連運(yùn)行區(qū)段的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組司機(jī)的眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可得出在每項(xiàng)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中司機(jī)對(duì)各區(qū)域的具體關(guān)注比例，具體如表1所示[6]。

表1 各任務(wù)階段的注視點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Statistics of fixation points in each task phase

由表1可知，在整個(gè)動(dòng)車組正線行駛過(guò)程中，司機(jī)的視線是在不斷轉(zhuǎn)移的。在不同的任務(wù)階段，司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象也會(huì)發(fā)生變化，為了獲取顯示設(shè)備上的必要信息，司機(jī)需將視線焦點(diǎn)在不同設(shè)備上來(lái)回移動(dòng)。這樣，在整個(gè)行車過(guò)程，司機(jī)的視線一直在轉(zhuǎn)移，分散了司機(jī)的注意力，易形成安全隱患。特別是單司機(jī)值乘的動(dòng)車組，在惡劣天氣條件、需要加強(qiáng)瞭望的情況下，這種安全隱患更為突出。此外，有研究表明，高速列車在行車過(guò)程中，司機(jī)的視野會(huì)隨著速度的增加而逐漸縮小并集中，產(chǎn)生一種視覺(jué)隧道現(xiàn)象[7]。這也會(huì)使司機(jī)忽略一些未處于視覺(jué)中心的重要信息，造成安全隱患。因此使用HUD系統(tǒng)，通過(guò)將必要的信息與文字符號(hào)相結(jié)合的方式在司機(jī)前方可觀察區(qū)域顯示，避免司機(jī)視線頻繁轉(zhuǎn)移，能讓司機(jī)視野更加集中，減少注意力的分散，使行車安全得到更多保障。

軌道交通車輛司機(jī)室與汽車駕駛區(qū)類似，駕駛員位置均處于車輛的左方且前方均有較大的可觀察區(qū)域，在進(jìn)行視覺(jué)作業(yè)域檢驗(yàn)時(shí)，司機(jī)僅眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)的有效視野范圍水平方向?yàn)樽笥?5°，垂直方向?yàn)樯舷?5°[8]?，F(xiàn)有第二代HUD視場(chǎng)角約為10°，投影距離約為3 m，顯示尺寸15～20 inch (l inch=2.54 cm)；第三代HUD視場(chǎng)角大于50°，可實(shí)現(xiàn)全車窗信息顯示[9]。因此使用HUD進(jìn)行信息顯示完全符合軌道交通使用要求。另外，軌道交通車輛司機(jī)室與汽車駕駛區(qū)在外部光照、內(nèi)部照明等因素影響HUD顯示效果的方面均大同小異，因此在汽車領(lǐng)域已成熟運(yùn)用的HUD系統(tǒng)可以適應(yīng)軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 HUD系統(tǒng)在軌道交通應(yīng)用的安全性分析

HUD系統(tǒng)作為司機(jī)駕駛依據(jù)的重要信息來(lái)源，可將司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的列控信息、機(jī)車信息和調(diào)度信息直觀地顯示在司機(jī)前方。HUD系統(tǒng)要保證信息顯示的安全性，需要對(duì)HUD系統(tǒng)隱患即設(shè)備顯示錯(cuò)亂和錯(cuò)誤顯示當(dāng)前行車信息進(jìn)行識(shí)別。

設(shè)備顯示錯(cuò)亂產(chǎn)生的后果主要是易導(dǎo)致列車在運(yùn)行途中停滯而影響正常的行車計(jì)劃。在HUD系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取如下措施以避免顯示錯(cuò)亂的發(fā)生或減輕顯示錯(cuò)亂造成的影響：采取適當(dāng)?shù)姆翔F路電磁兼容性要求的技術(shù)措施；遵照標(biāo)準(zhǔn)IEC 62279 《軌道交通 通信、信號(hào)和處理系統(tǒng) 控制和防護(hù)系統(tǒng)軟件》執(zhí)行軟件開(kāi)發(fā)，提升軟件質(zhì)量；采用冗余設(shè)計(jì)、提升元器件等級(jí)、加強(qiáng)防護(hù)等手段提高硬件設(shè)備的可靠性。

錯(cuò)誤顯示當(dāng)前行車信息產(chǎn)生的后果為，顯示內(nèi)容非當(dāng)前實(shí)際行車真實(shí)信息從而誤導(dǎo)司機(jī)行車操作，可能造成列車超速、冒進(jìn)信號(hào)，從而引發(fā)安全事故。其減輕錯(cuò)誤影響的措施為使用安全通信協(xié)議保證顯示信息的正確性和實(shí)時(shí)性；遵照標(biāo)準(zhǔn)IEC 62279執(zhí)行軟件開(kāi)發(fā)，提升軟件質(zhì)量等。

考慮到HUD系統(tǒng)在軌道交通車輛司機(jī)室內(nèi)并非作為唯一的信息顯示終端，其他既有顯示設(shè)備均能完整地顯示司機(jī)駕駛所需信息。關(guān)閉HUD系統(tǒng)信息顯示功能不會(huì)影響列車的正常運(yùn)行，因此將HUD系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)的導(dǎo)向安全側(cè)措施設(shè)置為“關(guān)閉HUD系統(tǒng)信息顯示功能”。

綜上所述，使用HUD系統(tǒng)識(shí)別出的安全隱患均有對(duì)應(yīng)的減輕措施，可降低其發(fā)生危害的頻率，并且導(dǎo)向安全側(cè)措施不會(huì)影響列車的正常運(yùn)行。因此HUD系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用安全性是可以得到保證的。

4 HUD系統(tǒng)的顯示信息組織分析

軌道交通車輛司機(jī)室內(nèi)顯示信息主要可以分為3類：運(yùn)行控制類、設(shè)備狀態(tài)類和通信調(diào)度類。運(yùn)行控制類信息主要是指和列車安全運(yùn)行相關(guān)的控制信息，例如列車當(dāng)前速度、列車限制速度、列車當(dāng)前位置、限速點(diǎn)目標(biāo)距離及機(jī)車信號(hào)等。設(shè)備狀態(tài)類信息主要是提示車輛設(shè)備狀態(tài)，如牽引信息和制動(dòng)信息等。通信調(diào)度類信息主要指和行車調(diào)度有關(guān)的信息，如運(yùn)行線路信息和調(diào)度通信狀態(tài)等。

根據(jù)表1可知，同一類顯示信息在不同的工作任務(wù)階段受到的關(guān)注度會(huì)有所變化；在不同工作任務(wù)階段，首要關(guān)注的顯示信息也不盡相同。因此，需要根據(jù)工作任務(wù)的不同對(duì)HUD顯示的內(nèi)容與形式進(jìn)行逐一分析。

4.1 發(fā)車任務(wù)顯示信息組織

在列車發(fā)車過(guò)程中，司機(jī)首先需要確認(rèn)列車行車參數(shù)是否正常，然后進(jìn)行列車制動(dòng)試驗(yàn)、牽引試驗(yàn)、呼喚應(yīng)答、確認(rèn)車門關(guān)閉及開(kāi)車等操作。此時(shí)需要司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的顯示信息如下：

（1）機(jī)車信號(hào)；

（2）機(jī)車速度，嚴(yán)格按照目標(biāo)速度控制車速；

（3）前方線路情況，特別是道岔正/反向開(kāi)通情況；

（4）各儀表顯示數(shù)據(jù)，確認(rèn)列車管壓力、總風(fēng)缸壓力、網(wǎng)壓及網(wǎng)流值處于正常范圍之內(nèi)。

在此任務(wù)中，機(jī)車信號(hào)、機(jī)車速度、當(dāng)前限制速度等運(yùn)行控制類信息需要被時(shí)刻了解且醒目地顯示，因此適合安排至人眼關(guān)注度較高的屏幕左側(cè)靠上部位置進(jìn)行布置。因發(fā)車經(jīng)過(guò)岔區(qū)時(shí)，線路復(fù)雜且需人工確認(rèn)道岔開(kāi)通情況，司機(jī)室前擋玻璃中間需要預(yù)留大塊空間供司機(jī)觀察路況。目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、股道號(hào)一般不會(huì)有重大突變，可安排至關(guān)注點(diǎn)較少的屏幕中間偏下位置進(jìn)行布置。目標(biāo)距離采用柱形顯示方式，不僅減少了數(shù)字頻繁跳動(dòng)帶來(lái)的干擾，還能準(zhǔn)確地判斷出變化規(guī)律。設(shè)備狀態(tài)類信息均為數(shù)值，不需要被頻繁了解，可布置在屏幕底部位置。發(fā)車任務(wù)顯示信息組織示意如圖1所示。

圖1 發(fā)車任務(wù)顯示信息Fig. 1 Display information of task as train departing

4.2 高速行駛?cè)蝿?wù)顯示信息組織

在列車高速行駛階段，司機(jī)主要任務(wù)是控制車速并觀察前方路況，注意機(jī)車信號(hào)變化情況及各儀表數(shù)值是否正常。當(dāng)需要進(jìn)行車機(jī)聯(lián)控時(shí)，司機(jī)接收前方車站發(fā)出的進(jìn)路信息并反饋；當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，司機(jī)可及時(shí)處理故障信息。此時(shí)需要司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的顯示信息如下：

（1）機(jī)車速度，嚴(yán)格按照目標(biāo)速度控制車速；

（2）線路情況，提防人員/物體侵入，鳴笛警示；

（3）機(jī)車信號(hào)；

（4）各儀表顯示數(shù)據(jù)，確認(rèn)列車管壓力、總風(fēng)缸壓力、網(wǎng)壓及網(wǎng)流值處于正常范圍之內(nèi)；

（5）CIR顯示器提示信息；

（6）故障提示信息。

在此任務(wù)中，運(yùn)行控制類信息依然是需要重點(diǎn)關(guān)注的，應(yīng)醒目顯示。由于與發(fā)車任務(wù)關(guān)注程度一樣，顯示位置和形式需要與發(fā)車任務(wù)場(chǎng)景保持一致。隨著行車速度的提高，司機(jī)的視野也會(huì)往屏幕中間集中，可根據(jù)需要顯示更多的信息，預(yù)留司機(jī)觀察路況的區(qū)域可適當(dāng)減小。由于通信調(diào)度類信息和故障信息顯示時(shí)間較短且需要及時(shí)響應(yīng)，其可以臨時(shí)顯示在屏幕中間區(qū)域；建議對(duì)其采用閃爍的形式顯示以加強(qiáng)人的關(guān)注度。高速行駛?cè)蝿?wù)顯示信息組織示意如圖2所示。

圖2 高速行駛?cè)蝿?wù)顯示信息Fig. 2 Display information of task as train driving with high speed

4.3 過(guò)分相任務(wù)顯示信息組織

在列車(電力牽引)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)分相區(qū)，司機(jī)接收到分相區(qū)接近的信息后，首先需判斷當(dāng)前車速是否滿足通過(guò)分相區(qū)要求。進(jìn)入分相區(qū)前，司機(jī)要操作手柄至零位，斷開(kāi)主斷路器或降下受電弓，同時(shí)注意網(wǎng)壓及網(wǎng)流變化情況。通過(guò)分相區(qū)后，司機(jī)要操作并確認(rèn)主斷路器閉合或受電弓升起，同時(shí)確認(rèn)網(wǎng)壓、網(wǎng)流恢復(fù)正常。此時(shí)需要司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的顯示信息如下：

（1）機(jī)車速度，嚴(yán)格按照目標(biāo)速度控制車速，確保列車通過(guò)分相區(qū)；

（2）線路情況，及時(shí)進(jìn)行主斷路器/受電弓相關(guān)操作；

（3）主斷路器/受電弓狀態(tài)，網(wǎng)壓、網(wǎng)流變化情況及手柄工況。

列車過(guò)分相前，司機(jī)需重點(diǎn)關(guān)注列車在無(wú)牽引力的情況下速度是否足夠通過(guò)分相區(qū)，避免列車停在分相區(qū)內(nèi)而引發(fā)救援。保證速度足夠高的同時(shí)也不能超速，因此運(yùn)行控制類信息依然需要重點(diǎn)關(guān)注。由于過(guò)分相操作時(shí)機(jī)與列車經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)有關(guān)，就需要有足夠的區(qū)域觀察路況，屏幕中間預(yù)留區(qū)域不能太小。該任務(wù)與車輛設(shè)備狀態(tài)類信息強(qiáng)相關(guān)，因此需要提高顯示的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)受電弓安裝位置的特點(diǎn)，可將受電弓狀態(tài)、主斷路器狀態(tài)在顯示器界面上方顯示。為使司機(jī)迅速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)壓、網(wǎng)流的下降與上升情況，網(wǎng)壓、網(wǎng)流信息可用柱狀形態(tài)布局在界面右側(cè)。過(guò)分相任務(wù)顯示信息組織示意如圖3所示。

圖3 過(guò)分相任務(wù)顯示信息Fig. 3 Display information of task as train passing neutral section

4.4 站內(nèi)停車任務(wù)顯示信息組織

列車站內(nèi)停車時(shí)，司機(jī)需要控制列車速度，將列車?？吭谥付ü傻篮椭付ㄎ恢?。此時(shí)需要司機(jī)重點(diǎn)關(guān)注的顯示信息如下：

（1）機(jī)車速度，嚴(yán)格按照目標(biāo)速度控制車速；

（2）線路情況，核對(duì)?？抗傻?，?？课恢?；

（3）機(jī)車目標(biāo)距離，注意機(jī)車信號(hào)變化；

（4）列車管壓力及制動(dòng)缸壓力變化情況。

站內(nèi)停車與發(fā)車類似，除運(yùn)行控制類信息醒目顯示、保留大塊顯示空間供司機(jī)觀察路況外，因涉及司機(jī)減壓制動(dòng)操作，壓力信息也要重點(diǎn)顯示，其以柱狀形態(tài)被布局在顯示界面右側(cè)。站內(nèi)停車任務(wù)顯示信息組織示意如圖4所示。

圖4 站內(nèi)停車任務(wù)顯示信息Fig. 4 Display information of task as train parking in the station

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了HUD系統(tǒng)的主要類型，并結(jié)合現(xiàn)有機(jī)車的實(shí)際情況，提出了適合軌道交通應(yīng)用的HUD系統(tǒng)類型。根據(jù)在不同工作任務(wù)中司機(jī)對(duì)各種信息的關(guān)注度數(shù)據(jù)，對(duì)適合HUD系統(tǒng)的信息組織方式進(jìn)行了初步分析。未來(lái)，軌道交通人機(jī)交互系統(tǒng)可將HUD技術(shù)、AR技術(shù)、智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)及手勢(shì)操作技術(shù)相結(jié)合，幫助司機(jī)更快、更準(zhǔn)確、更方便地處理列車行駛中各種工作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)真正的智能化。