全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛臺(tái)顯控器件的配置與分級(jí)*

張 寶 陳悅源 任 菲 龐 穎

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，100068，北京；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100068，北京；3.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，100044，北京∥第一作者，高級(jí)工程師)

全自動(dòng)運(yùn)行(FAO)系統(tǒng)通過(guò)智能化、自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)了列車(chē)無(wú)人駕駛，通常無(wú)需設(shè)置駕駛臺(tái)，僅需要設(shè)置極其簡(jiǎn)易的動(dòng)車(chē)功能以備應(yīng)急之用(某些項(xiàng)目為了特殊需要依舊設(shè)置了駕駛臺(tái))。

目前，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛界面的設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題:臺(tái)面器件種類(lèi)及數(shù)量繁多，器件布置缺乏科學(xué)合理的依據(jù)，且若在列車(chē)駕駛室前端設(shè)置逃生門(mén)，將導(dǎo)致駕駛臺(tái)尺寸縮減，臺(tái)面可布局面積將大幅減少，這使得臺(tái)面器件數(shù)量、布置形式與臺(tái)面尺寸之間產(chǎn)生沖突。駕駛界面顯控器件的布局若不能夠很好地適應(yīng)司機(jī)在全自動(dòng)運(yùn)行模式下的操作需求，不僅會(huì)增加司機(jī)日常駕駛中的視覺(jué)負(fù)擔(dān)及任務(wù)難度，也不利于在應(yīng)急與模式降級(jí)場(chǎng)景下準(zhǔn)確、快速地完成任務(wù)，給行車(chē)安全帶來(lái)諸多隱患。因此，迫切需要研究適用于全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的駕駛臺(tái)器件配置和設(shè)計(jì)方法，以保障司機(jī)的高效作業(yè)和列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。

本研究通過(guò)調(diào)研訪談，探究FAO系統(tǒng)的作業(yè)需求，采用任務(wù)分析與主觀問(wèn)卷相結(jié)合的方法，定性和定量地對(duì)器件的重要性和頻次性展開(kāi)研究。結(jié)合人因原則對(duì)器件重新配置，篩選關(guān)鍵器件并通過(guò)聚類(lèi)分析劃分器件等級(jí)，可為全自動(dòng)列車(chē)駕駛臺(tái)器件的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

自21世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)外眾多軌道交通組織都愈發(fā)重視列車(chē)的人因設(shè)計(jì)研究。英國(guó)鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、英國(guó)國(guó)家鐵路路網(wǎng)公司及美國(guó)聯(lián)邦鐵路局相繼成立了人因研究部門(mén)，人因規(guī)范逐漸融入列車(chē)駕駛臺(tái)設(shè)計(jì)中。隨著國(guó)際運(yùn)輸愈發(fā)重要，為應(yīng)對(duì)和諧化設(shè)計(jì)及區(qū)域性運(yùn)輸需求，EUDD(歐洲跨境運(yùn)輸用司機(jī)臺(tái))研究獲得了歐盟的支持，致力于開(kāi)發(fā)可方便歐洲鐵路跨境運(yùn)輸用的模塊化結(jié)構(gòu)駕駛臺(tái)[1]。自此，歐洲多國(guó)駕駛臺(tái)的設(shè)計(jì)均朝著模塊化、功能化和界面標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，提升了駕駛臺(tái)設(shè)計(jì)的可用性與安全性。

目前，我國(guó)列車(chē)駕駛臺(tái)器件的配置與布局設(shè)計(jì)尚缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但諸多學(xué)者從人因?qū)W角度，對(duì)駕駛臺(tái)的人性化設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)功能性臂長(zhǎng)的測(cè)定和仿真，界定了最大作業(yè)范圍和最舒適作業(yè)區(qū)域。文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析重要度和使用頻次鏈值將器件分為3個(gè)等級(jí)，為布局設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]對(duì)駕駛室內(nèi)環(huán)境及顯控設(shè)備進(jìn)行了合理配置。文獻(xiàn)[5]基于人機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)器件布局開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。但這些研究均針對(duì)傳統(tǒng)人工駕駛操縱臺(tái)，未考慮FAO系統(tǒng)的駕駛特性，且對(duì)于人因規(guī)范和準(zhǔn)則的使用也停留在理論指導(dǎo)和主觀評(píng)價(jià)層面，缺乏從任務(wù)出發(fā)針對(duì)器件特性展開(kāi)定量分析來(lái)指導(dǎo)器件配置及優(yōu)化布局的研究。

基于對(duì)全世界已投入使用全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)的線路調(diào)研，綜合分析多個(gè)地區(qū)及國(guó)家全自動(dòng)列車(chē)駕駛臺(tái)設(shè)計(jì)可知，其設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①列車(chē)前端通常設(shè)有逃生門(mén)，駕駛臺(tái)尺寸減小，器件可布置面積減少；②駕駛臺(tái)面器件數(shù)量較少；③器件布置不止局限于駕駛臺(tái)面和機(jī)柜中；④大多數(shù)情況下，駕駛臺(tái)蓋板閉合。

基于我國(guó)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)前端設(shè)有逃生門(mén)的現(xiàn)狀，為解決器件數(shù)量與有限可布局面積間的沖突，本文提出一種基于層次任務(wù)分析的全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛臺(tái)顯控器件配置與分級(jí)方法，旨在滿足全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)駕駛?cè)蝿?wù)的需求，并進(jìn)一步提高駕駛界面的人機(jī)適配性。

2 駕駛臺(tái)器件配置與分級(jí)方法

2.1 層次任務(wù)分析

HTA (層次任務(wù)分析)是一種描述目標(biāo)及其子目標(biāo)層次體系的方法，具有靈活便捷、分析全面和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制、航空、駕駛和公共技術(shù)等領(lǐng)域[6-7]。

結(jié)合FAO列車(chē)的任務(wù)特點(diǎn)，基于HTA的任務(wù)分析首先應(yīng)明確分析目的，定義所分析的任務(wù)。本文研究的分析目的是保證列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)，所分析的任務(wù)需涵蓋包括日常運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急處置及列車(chē)救援在內(nèi)的所有場(chǎng)景任務(wù)。采用專(zhuān)家訪談、觀察、文獻(xiàn)分析和問(wèn)卷調(diào)查等方法開(kāi)展相關(guān)數(shù)據(jù)收集工作，收集任務(wù)流程、使用技術(shù)、交互方式和行為限制等特定數(shù)據(jù)。HTA頂層為整體目標(biāo)，以FAM(全自動(dòng)運(yùn)行模式)下列車(chē)出段場(chǎng)為例進(jìn)行分析，如圖1所示。由圖1可知，“列車(chē)出段場(chǎng)”任務(wù)下僅包含“列車(chē)出庫(kù)”一個(gè)次目標(biāo)，而將次目標(biāo)進(jìn)一步分解是任務(wù)細(xì)化的關(guān)鍵，該過(guò)程需要一直持續(xù)分解至具體行為操作，最后將所有操作按照一定規(guī)程制定執(zhí)行計(jì)劃。大多數(shù)情況下，可將此任務(wù)分解的行為操作情況按照計(jì)劃順序排列，但并非所有計(jì)劃均為線性，也可存在條件循環(huán)的情況。

圖1 全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)層次任務(wù)分析示例Fig.1 Example of hierarchical task analysis for FAO train

2.2 顯控器件使用特性分析

由于顯控器件眾多，無(wú)法使各器件均布置在最佳位置，所以依據(jù)其重要性和頻次性原則展開(kāi)臺(tái)面顯控器件的重新配置及分級(jí)研究，以獲得最佳的整體布局效果。

重要性原則即評(píng)估器件對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的重要程度，將重要設(shè)備放置在便于操作的位置。設(shè)計(jì)5級(jí)李克特量表通過(guò)專(zhuān)家打分獲取各器件的重要性。評(píng)估以“如果延遲或遺漏使用該設(shè)備，對(duì)行車(chē)安全造成不同等級(jí)的危險(xiǎn)”來(lái)衡量，1～5表示重要等級(jí)從低到高。頻次性原則用于評(píng)估各設(shè)備的使用頻次，并將使用頻次高的器件放置在便于操作的位置。在HTA基礎(chǔ)上，將“次目標(biāo)分解”層進(jìn)一步細(xì)化，分析執(zhí)行某個(gè)任務(wù)的具體行為操作，創(chuàng)建“行為操作”層，建立任務(wù)與器件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建“場(chǎng)景-任務(wù)-器件”模型。以FAM正常行車(chē)時(shí)的出段場(chǎng)作業(yè)為例進(jìn)行分析，如圖2所示。對(duì)所分析的場(chǎng)景及其任務(wù)依次建模，并統(tǒng)計(jì)各器件數(shù)量，可以獲得某器件單次任務(wù)下的使用頻次。

圖2 “場(chǎng)景-任務(wù)-器件”模型分析示例Fig.2 Example of ‘scene-task-device’ model analysis

定義目標(biāo)層任務(wù)集合T={t1,t2,…,ti}，獲取每日發(fā)車(chē)車(chē)次Ntra及站臺(tái)數(shù)量Nsta，統(tǒng)計(jì)各類(lèi)任務(wù)的執(zhí)行頻次FT=[Ft1Ft2…Fti]。定義駕駛臺(tái)器件的集合D={d1,d2,…,dj}，則執(zhí)行一次任務(wù)ti過(guò)程中器件dj的使用頻次集合為：

雖然,FAO系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天的全自動(dòng)駕駛，考慮到司機(jī)技能保持的需求，全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)線路每天依舊需要留有一定的非FAM運(yùn)營(yíng)時(shí)間，即列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)下的AM(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行模式)和CM(編碼列車(chē)駕駛模式)，通過(guò)調(diào)研運(yùn)營(yíng)模式可獲得駕駛模式權(quán)重M=[mFAM,mAM/CM](mFAM為FAM駕駛權(quán)重,mAM/CM為AM/CM駕駛權(quán)重)，進(jìn)而可以計(jì)算得到單日內(nèi)執(zhí)行任務(wù)ti時(shí)，顯控器件的使用頻次P=FtiftiM。

2.3 顯控器件配置原則

FAO系統(tǒng)使得司機(jī)從原本的駕駛作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控作業(yè)，同時(shí)要應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，因此以能夠滿足應(yīng)急故障處置、系統(tǒng)降級(jí)后的人工駕駛及司機(jī)技能培訓(xùn)與保持的需求為目的，提出以下配置原則。

1) 瞭望需求原則：駕駛室內(nèi)司機(jī)的一個(gè)重要任務(wù)為瞭望作業(yè)，通過(guò)時(shí)刻監(jiān)控路段信息來(lái)判斷是否能夠繼續(xù)安全行車(chē)。因此在執(zhí)行瞭望作業(yè)時(shí)，所操作的器件必須位于駕駛臺(tái)面上方，以保障列車(chē)安全行駛。可基于頻次性原則，統(tǒng)計(jì)執(zhí)行瞭望作業(yè)任務(wù)時(shí)所使用的器件頻次，剔除頻次為0的器件。

2) 瞬時(shí)反應(yīng)原則：對(duì)應(yīng)急處置方案中發(fā)生緊急或故障情況進(jìn)行瞬時(shí)操作的器件，如緊急制動(dòng)按鈕和蜂鳴器等，必須放置在駕駛臺(tái)面上。

3) 篩除冗余原則：對(duì)于原本存在冗余設(shè)計(jì)且只需要單個(gè)器件就能實(shí)現(xiàn)功能的器件，如ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)按鈕等，可將具有相同功能的冗余器件剔除。

2.4 器件分級(jí)方法

基于重要性和頻次性原則劃分器件等級(jí)，用以指導(dǎo)優(yōu)化布局結(jié)果，提高作業(yè)高效性和舒適性。然而，有限的最佳布局位置使得兩個(gè)原則很難同時(shí)兼顧，因此采用聚類(lèi)分析同步考慮兩個(gè)原則，以最小化二者間的沖突。結(jié)合器件操作域的特點(diǎn)(舒適操作、有效操作和可擴(kuò)展操作區(qū))，可將器件劃分為3個(gè)等級(jí)。采用K-Means聚類(lèi)分析，將通過(guò)重新配置篩選獲得的器件重要性等級(jí)和使用頻次作為分類(lèi)指標(biāo)，獲得臺(tái)面顯控器件的分級(jí)結(jié)果。完整的全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛臺(tái)顯控器件配置與分級(jí)方法的流程如圖3所示。

圖3 全自動(dòng)列車(chē)駕駛臺(tái)器件配置與分級(jí)方法

3 案例研究

運(yùn)用所提方法對(duì)北京地鐵燕房線展開(kāi)分析。當(dāng)前的燕房線列車(chē)駕駛臺(tái)設(shè)計(jì)僅是將自動(dòng)駕駛器件安放在傳統(tǒng)駕駛臺(tái)面上而形成的布置。臺(tái)面共有51個(gè)器件，布置方案缺乏科學(xué)理論依據(jù)，忽視了應(yīng)急處置與切換駕駛模式后的需求。

通過(guò)跟車(chē)觀察、調(diào)研訪談及行車(chē)規(guī)范文件分析，對(duì)各運(yùn)行模式正常行車(chē)場(chǎng)景的12項(xiàng)任務(wù)、19個(gè)應(yīng)急處置、15個(gè)車(chē)輛故障處置及22個(gè)車(chē)載信號(hào)故障處理場(chǎng)景進(jìn)行梳理，構(gòu)建行車(chē)任務(wù)庫(kù)?；贖TA展開(kāi)任務(wù)分析并構(gòu)建“場(chǎng)景-任務(wù)-器件”模型，統(tǒng)計(jì)各器件的使用頻次。

北京地鐵燕房線當(dāng)前共設(shè)12個(gè)站臺(tái)，在工作日和周末采用不同的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃：正常運(yùn)營(yíng)秩序下，工作日和周末每日分別運(yùn)行300和262個(gè)車(chē)次，即Ntra__d=300車(chē)次，Ntra__w=262車(chē)次。工作日平峰時(shí)段，調(diào)配7輛列車(chē)上線運(yùn)營(yíng)；早晚高峰時(shí)，加調(diào)4列列車(chē)以提高運(yùn)行密度；高峰時(shí)段后，再調(diào)配4輛列車(chē)退出運(yùn)營(yíng)。由此可知，工作日出入庫(kù)作業(yè)頻次F出入庫(kù)-d=15次，周末無(wú)加開(kāi)列車(chē)，F(xiàn)出入庫(kù)-w=7次。不同任務(wù)的執(zhí)行頻次有所差別，以站臺(tái)作業(yè)為例，單日所有車(chē)次站臺(tái)作業(yè)器件頻次P站臺(tái)作業(yè)可以表示為：

式中：

f站臺(tái)作業(yè)——單次站臺(tái)作業(yè)器件使用頻次。

同理可得，區(qū)間作業(yè)器件頻次P區(qū)間作業(yè)、折返作業(yè)器件頻次P折返作業(yè)及其他作業(yè)(出勤、整備、出段場(chǎng)、回段場(chǎng)、休眠、退勤、洗車(chē)與調(diào)車(chē)作業(yè))器件頻次P其他作業(yè)可以表示為：

式中：

f區(qū)間作業(yè)——單次區(qū)間作業(yè)器件使用頻次；

f折返作業(yè)——單次折返作業(yè)器件使用頻次；

f其他作業(yè)——單次其他作業(yè)器件使用頻次。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)時(shí)間可知，F(xiàn)AM與非FAM模型的運(yùn)營(yíng)比例為43…57，通過(guò)計(jì)算獲得各顯控器件的使用頻次并將其轉(zhuǎn)化為使用頻率。基于顯控器件的配置原則篩選器件，獲得27個(gè)顯控器件及各器件的正常運(yùn)營(yíng)與應(yīng)急場(chǎng)景使用頻率。采用問(wèn)卷調(diào)查法，由3名駕齡3年以上的司機(jī)填寫(xiě)。臺(tái)面器件使用特性如表1所示。

采用K-Means聚類(lèi)分析對(duì)臺(tái)面27個(gè)器件分級(jí)，如圖4所示。原布置于駕駛臺(tái)面的51個(gè)顯控器件，除布置于臺(tái)面的27個(gè)以及刪減的7個(gè)器件外，剩余17個(gè)器件可根據(jù)司機(jī)室的設(shè)計(jì)布置于側(cè)墻或機(jī)柜內(nèi)側(cè)。

表1 駕駛臺(tái)面器件使用特性Tab.1 Operation characteristics of driver console devices

4 全自動(dòng)駕駛顯控界面探討

隨著軌道交通自動(dòng)化程度的不斷提升，自動(dòng)化設(shè)備將逐步輔助并替代人的作用，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的全自動(dòng)運(yùn)行(GoA4,GoA為自動(dòng)化等級(jí))。目前，我國(guó)FAO列車(chē)的駕駛等級(jí)正處于GoA3到GoA4的過(guò)渡階段，司機(jī)逐漸走出駕駛室從駕駛員變?yōu)槌藙?wù)員。但軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)始終是一個(gè)人機(jī)混合系統(tǒng)，當(dāng)FAO系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，仍需司機(jī)上車(chē)處置，人作為自動(dòng)化系統(tǒng)的最后一道安全防線，對(duì)安全可靠的運(yùn)營(yíng)依舊起到至關(guān)重要的作用。FAO系統(tǒng)的列車(chē)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及運(yùn)營(yíng)中的人-機(jī)關(guān)系不匹配，可能導(dǎo)致自動(dòng)化自滿、自動(dòng)化諷刺、人員技能退化和情景意識(shí)缺失等問(wèn)題[8]。因此，人因理論及方法在軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。本研究正是從人與FAO系統(tǒng)的交互作業(yè)出發(fā)，針對(duì)FAO系統(tǒng)的人機(jī)交互特征，分析不同場(chǎng)景與駕駛模式下的任務(wù)，通過(guò)建立任務(wù)與器件之間的映射關(guān)系，對(duì)器件的使用頻次展開(kāi)定量化分析，并對(duì)器件進(jìn)行等級(jí)劃分，進(jìn)而為全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛臺(tái)的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

本研究依舊處于對(duì)駕駛臺(tái)既有顯控器件的配置與分級(jí)探討，在數(shù)字化趨勢(shì)的推動(dòng)下，駕駛臺(tái)控制器件的設(shè)計(jì)也應(yīng)朝數(shù)字化方向發(fā)展，如網(wǎng)壓表、電壓表等設(shè)備所示信息已在數(shù)字化界面呈現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)物理控件的數(shù)字化設(shè)計(jì)能使FAO列車(chē)駕駛界面在保有健全功能的同時(shí)，減少駕駛員的作業(yè)負(fù)荷，也給駕駛臺(tái)提供了更多的設(shè)計(jì)空間。然而，并非所有物理控件均能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成，如緊急制動(dòng)等需快速反應(yīng)操作的控件，若采用顯示控制會(huì)增加執(zhí)行時(shí)間，反而給運(yùn)營(yíng)安全增加風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于顯示器尺寸有限，過(guò)多的功能集成使得界面設(shè)計(jì)愈發(fā)復(fù)雜，多級(jí)菜單的應(yīng)用也會(huì)降低作業(yè)績(jī)效，因此，對(duì)于全自動(dòng)駕駛臺(tái)物理控件的數(shù)字化集成設(shè)計(jì)將成為未來(lái)駕駛臺(tái)設(shè)計(jì)的研究方向之一。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的司機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，通過(guò)層次任務(wù)分析所構(gòu)建的“場(chǎng)景-任務(wù)-器件”分析模型能夠?qū)崿F(xiàn)人因設(shè)計(jì)中頻次性原則的定量化應(yīng)用。結(jié)合重要性原則與所提出的器件配置原則，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛臺(tái)顯控器件的配置與分級(jí)，為未來(lái)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)駕駛臺(tái)顯控器件的設(shè)計(jì)和后續(xù)駕駛?cè)藱C(jī)界面布局優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。