近年來(lái)，隨著鐵路運(yùn)營(yíng)的逐步數(shù)字化，列車中數(shù)字控制元件的數(shù)量不斷增加。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化資源利用，并提高運(yùn)輸服務(wù)的質(zhì)量和安全性。鐵路運(yùn)輸公司希望通過(guò)使用移動(dòng)終端設(shè)備，快速且經(jīng)濟(jì)有效地取代之前以紙質(zhì)文件為基礎(chǔ)的操作流程。當(dāng)然，盡管目前鐵路運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅猛，但在未來(lái)幾十年中，列車駕駛員仍是不可取代的。因此，有必要研究數(shù)字技術(shù)對(duì)列車駕駛員操控列車的支持潛力，并從工效學(xué)的角度對(duì)此類技術(shù)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 列車駕駛室內(nèi)的數(shù)字技術(shù)

在德國(guó)，現(xiàn)代列車駕駛室在出廠時(shí)就裝配了許多數(shù)字控制元件，具體如下。

（1）傳統(tǒng)數(shù)字技術(shù)。包括鐵路專用全球數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）、傳感器和診斷系統(tǒng)，以及電子行車時(shí)刻表和緩行區(qū)系統(tǒng)（EBuLa）。

（2）列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。包括德國(guó)用的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（點(diǎn)式列車自動(dòng)控制系統(tǒng)PZB或連續(xù)式列車自動(dòng)控制系統(tǒng)LZB）以及歐洲通用的歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）。

（3）歐洲駕駛員臺(tái)（EUDD）。該駕駛員操縱臺(tái)內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)化的控制元件和顯示裝置，總共有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字顯示器，即人機(jī)界面（DMI），如圖1所示。這一系統(tǒng)的研發(fā)是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的。

（4）移動(dòng)終端設(shè)備（如平板電腦、智能手機(jī)）。

（5）外置的駕駛員輔助系統(tǒng)（DAS）。

移動(dòng)終端設(shè)備和外置DAS系統(tǒng)在近幾年內(nèi)才開(kāi)始使用。下面將介紹這2種數(shù)字技術(shù)。

1.1 移動(dòng)終端設(shè)備

為了確保鐵路運(yùn)營(yíng)的安全、準(zhǔn)時(shí)和經(jīng)濟(jì)，列車駕駛員必須遵守列車運(yùn)行時(shí)間表、速度規(guī)定、緩行區(qū)實(shí)時(shí)清單，以及多項(xiàng)鐵路運(yùn)營(yíng)法規(guī)。他們需要通過(guò)填寫(xiě)和確認(rèn)表單（如指令表或行車時(shí)刻表通知單），以確保不出現(xiàn)常規(guī)操作偏差。目前，各種紙質(zhì)文檔已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，這使列車駕駛員使用平板電腦和智能手機(jī)開(kāi)展工作成為可能。瑞士聯(lián)邦鐵路公司（SBB）在2012/13年度為列車駕駛員配發(fā)安裝了“列車駕駛員電子助手（LEA）”應(yīng)用程序的平板電腦，成為歐洲在這一領(lǐng)域的先驅(qū)。

從2015年開(kāi)始，德國(guó)鐵路股份公司下屬長(zhǎng)途客運(yùn)子公司（DB Fernverkehr AG）在列車駕駛室內(nèi)引入移動(dòng)終端設(shè)備，為列車駕駛員提供緩行區(qū)實(shí)時(shí)清單及其他重要信息，如法規(guī)、指令和行車時(shí)刻表文件等。同時(shí)，德國(guó)鐵路股份公司（DB）下屬子公司Systel開(kāi)發(fā)的軟件Rail in Motion（RiM）促進(jìn)了數(shù)字緩行區(qū)的推廣（圖2）。由于數(shù)字緩行區(qū)在DB內(nèi)部的推行獲得成功，DB下屬線路網(wǎng)絡(luò)子公司（DB Netz AG）在2017年12月更改行車時(shí)刻表后停止分發(fā)紙質(zhì)緩行區(qū)清單。此后，非國(guó)有鐵路運(yùn)輸公司也開(kāi)始為列車駕駛員配備平板電腦。對(duì)緩行區(qū)實(shí)時(shí)清單進(jìn)行數(shù)字化顯示，成為平板電腦以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（即后端系統(tǒng)）多樣化更新和功能擴(kuò)展的第1個(gè)里程碑。通過(guò)與DB各子公司的合作，Systel公司擴(kuò)展了平板電腦應(yīng)用程序RiM的功能。截至2017年底，RiM已擁有18 000個(gè)用戶。通過(guò)該程序，列車駕駛員可以在平板電腦上調(diào)取與安全相關(guān)的文件和行程信息。RiM所支持的功能有：①調(diào)取法規(guī)、指令和行車時(shí)刻表文件;②顯示有關(guān)班次、工單及短期變更的信息;③記錄和計(jì)算工作時(shí)間;④報(bào)告列車故障。

第2種適用于駕駛室平板電腦的軟件是德國(guó)CN-Consult公司開(kāi)發(fā)的DiLoc|Sync。DiLoc|Sync軟件模塊可以通過(guò)文檔服務(wù)器將文檔同步分發(fā)到列車駕駛員所持有的移動(dòng)終端設(shè)備上，并將其在本地存儲(chǔ)。DiLoc|Sync所支持的功能有：①自動(dòng)將文檔分發(fā)給規(guī)定的人群，并支持閱讀確認(rèn);②顯示緩行區(qū)及實(shí)時(shí)清單;③提供服務(wù)和作業(yè)規(guī)劃;④以多種文件格式顯示和保存文件;⑤與合作企業(yè)協(xié)同工作。根據(jù)制造商提供的信息（參考年份為2019年），自2010年產(chǎn)品推出以來(lái)，歐洲范圍內(nèi)有超過(guò)130家鐵路運(yùn)輸公司、至少30 000個(gè)用戶在使用DiLoc|Sync。

第3種軟件是德國(guó)柏林IVU Traffic Technologies AG公司開(kāi)發(fā)的IVU.pad，其應(yīng)用在最近幾年漸趨成熟。自2016年9月以來(lái)，瑞士EVU Wynental-und Suhrentalbahn AG（SWB）公司一直在使用該平板電腦應(yīng)用程序作為試點(diǎn)（圖3）。IVU.pad專注于駕駛員和調(diào)度員之間的數(shù)字信息交換，其支持的功能如下：①根據(jù)列車位置，動(dòng)態(tài)顯示行車時(shí)刻表，包括列車到發(fā)時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、制動(dòng)條件以及基礎(chǔ)設(shè)施信息;②獲取關(guān)于列車損壞和維修的信息;③從調(diào)度員處獲取關(guān)于短期變更和故障的信息;④分發(fā)工作指示，支持電子閱讀確認(rèn);⑤向管理系統(tǒng)提交休假和出差申請(qǐng);⑥記錄工作時(shí)間，計(jì)算工資。

1.2 外置DAS系統(tǒng)

DAS系統(tǒng)在近幾年得到了長(zhǎng)足發(fā)展。DAS系統(tǒng)的作用是輔助列車駕駛員的加速和制動(dòng)操作，以減少能源消耗和磨損。

隨著21世紀(jì)初期EBuLa系統(tǒng)的推出，DB開(kāi)發(fā)了第1個(gè)DAS系統(tǒng)——節(jié)能駕駛風(fēng)格（ESF）模塊，并將其作為EBuLa的標(biāo)準(zhǔn)配置。該模塊集成在EBuLa中，可基于已存儲(chǔ)的行車時(shí)刻表、列車實(shí)時(shí)位置以及運(yùn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，給出列車制動(dòng)能量回收的最佳時(shí)間點(diǎn)，以使列車能夠滑行至要?？康能囌?。列車駕駛員可自行決定是否遵循系統(tǒng)的建議。由于使用了ESF模塊，德國(guó)城際高速列車（ICE）可以實(shí)現(xiàn)5%的節(jié)能潛力。

隨后，有越來(lái)越多的私營(yíng)鐵路運(yùn)輸公司加入德國(guó)區(qū)域旅客運(yùn)輸以及貨物運(yùn)輸領(lǐng)域。這些公司并非全部采用了EBuLa系統(tǒng)和ESF模塊，而是同以前一樣使用紙質(zhì)行車時(shí)刻表。在這種背景下，各公司開(kāi)發(fā)了至少13種獨(dú)立于EBuLa系統(tǒng)之外的DAS系統(tǒng)，以求在列車控制中達(dá)到節(jié)能的目的，如由ETC公司和Inavet公司共同開(kāi)發(fā)的smarttrains.das系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2017年由cantus、nordbahn和agilis 3家私營(yíng)鐵路運(yùn)輸公司進(jìn)行了原型測(cè)試，并隨后正式投入使用（圖4）。該系統(tǒng)適合在移動(dòng)設(shè)備（平板電腦、智能手機(jī)）上使用，不需要任何車輛設(shè)備接口，可以訪問(wèn)計(jì)算機(jī)輔助操作控制系統(tǒng)（RBL）;可以綜合考慮線路參數(shù)和車輛數(shù)據(jù)，以計(jì)算出最節(jié)能的行車流程。當(dāng)?shù)竭_(dá)列車牽引和滑行之間的最佳切換時(shí)間點(diǎn)時(shí)，移動(dòng)終端設(shè)備的顯示屏上會(huì)彈出“關(guān)閉電源！”的重要提示，向列車駕駛員發(fā)出切換信號(hào)。根據(jù)實(shí)際使用條件，采用smarttrains.das系統(tǒng)可以節(jié)省5%～15%的能源。

自2016年秋季以來(lái)，DB下屬貨運(yùn)子公司（DB Cargo）為德國(guó)境內(nèi)的機(jī)車裝配了由克諾爾制動(dòng)公司（Knorr-Bremse）開(kāi)發(fā)的DAS系統(tǒng)“列車駕駛員輔助顯示系統(tǒng)和事件記錄儀（LEADER）”（圖5）。該系統(tǒng)通過(guò)駕駛室中的附加顯示屏為列車駕駛員提供信息，以達(dá)到在駕駛過(guò)程中節(jié)能和減少磨損的目的;還可以評(píng)估線路相關(guān)數(shù)據(jù)和車輛數(shù)據(jù)，為駕駛員提供建議。安裝在LEADER車載設(shè)備中的GPS接收器用于機(jī)車定位。根據(jù)DB Cargo的聲明，LEADER在測(cè)試運(yùn)行中節(jié)省了多達(dá)12%的能源。

雖然DAS系統(tǒng)的種類較多，但其在德國(guó)軌道車輛中所占的市場(chǎng)份額僅為15%。迄今為止，還有各種障礙使DAS系統(tǒng)難以得到廣泛應(yīng)用，例如，鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商難以免費(fèi)調(diào)用當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，不同制造商的接口和數(shù)據(jù)格式不一致，以及現(xiàn)有機(jī)車對(duì)新技術(shù)普遍不兼容。

2 上述數(shù)字技術(shù)的工效學(xué)評(píng)估

通過(guò)對(duì)在駕駛室內(nèi)使用平板電腦和智能手機(jī)進(jìn)行工效學(xué)評(píng)估，可以了解引入上述數(shù)字技術(shù)可能給列車駕駛員帶來(lái)的干擾和疲勞。列車駕駛員在受干擾和疲勞狀態(tài)下可能會(huì)違規(guī)操作設(shè)備，從而導(dǎo)致設(shè)備失效。例如，2016年2月在Bad Aibling發(fā)生的列車相撞事故，就是因?yàn)榱熊囻{駛員使用移動(dòng)終端設(shè)備而出現(xiàn)分心。從移動(dòng)終端設(shè)備的潛在干擾中可以推出對(duì)列車駕駛員的安全要求，例如合理使用平板電腦。本文建議對(duì)列車駕駛員進(jìn)行培訓(xùn)，使其進(jìn)一步了解不當(dāng)使用平板電腦的危險(xiǎn)性，并發(fā)布正確使用平板電腦的說(shuō)明書(shū)。通過(guò)員工培訓(xùn)和技術(shù)支持來(lái)減少對(duì)平板電腦的錯(cuò)誤操作，從而降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

在列車行駛過(guò)程中，列車駕駛員的任務(wù)之一是讀取駕駛室內(nèi)各種顯示屏上的信息，并通過(guò)硬鍵或軟鍵按鈕手動(dòng)輸入信息。符合EUDD標(biāo)準(zhǔn)的駕駛員操縱臺(tái)上有4個(gè)固定顯示器、諸多選裝的附加設(shè)備和應(yīng)用設(shè)備，以及強(qiáng)制配備的傳統(tǒng)書(shū)面文件（圖6）。這就給列車駕駛員帶來(lái)了雙重甚至是多重的視覺(jué)負(fù)荷。對(duì)此必須進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估，因?yàn)槿说恼J(rèn)知范圍有限，對(duì)平行視覺(jué)刺激的處理也只能局限在一定范圍內(nèi)（即視覺(jué)系統(tǒng)瓶頸效應(yīng)）。汽車行業(yè)的模擬器研究已經(jīng)證實(shí)，與駕駛活動(dòng)相關(guān)的不同信息源組合會(huì)減少駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。這種效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)在列車駕駛員的駕駛過(guò)程中。

因此，設(shè)計(jì)駕駛室時(shí)應(yīng)考慮到并盡可能減少列車駕駛員的多重視覺(jué)負(fù)荷。在使用平板電腦輔助駕駛操作時(shí)，可以選擇帶有聲學(xué)組件的多模式人機(jī)界面，這樣列車駕駛員的注意力便不會(huì)始終集中在顯示屏上。相關(guān)的1個(gè)示例是自動(dòng)停車裝置（Sifa）的聲音警報(bào)。

由于數(shù)字化速度監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)（如LZB系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛和制動(dòng)控制系統(tǒng)或ETCS系統(tǒng)的“完全監(jiān)控”模式）以及復(fù)雜診斷工具的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，列車技術(shù)已朝著自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變。列車駕駛員駕駛?cè)蝿?wù)的自動(dòng)化以及列車的無(wú)人駕駛正在逐步實(shí)現(xiàn)。然而，在高度自動(dòng)化的情況下，列車駕駛員的任務(wù)是純被動(dòng)監(jiān)控，如此會(huì)導(dǎo)致列車駕駛員的態(tài)勢(shì)感知能力變差，疲勞感增加，從而使其對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的感知受限。在這種情況下，如果發(fā)生故障或事故，列車駕駛員對(duì)事件的反應(yīng)速度會(huì)慢于他主動(dòng)操控機(jī)車時(shí)，這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。只有減少列車駕駛員駕駛時(shí)的單調(diào)感和疲勞感，才能保證列車的安全運(yùn)行。

3 列車駕駛室和顯示屏的優(yōu)化設(shè)計(jì)

列車駕駛室應(yīng)符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)《人機(jī)交互的人類工效學(xué)》（DIN EN ISO 9241-110）的規(guī)定，以及有關(guān)可控性、容錯(cuò)性和期望一致性的一般要求。這就需要在統(tǒng)一不同車輛操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，考慮工效學(xué)（如人體測(cè)量學(xué)）設(shè)計(jì)原理，并將其反映在人性化的視覺(jué)空間和人體可達(dá)空間的設(shè)計(jì)中。優(yōu)化列車駕駛室和顯示屏設(shè)計(jì)，不僅可以滿足工效學(xué)要求，還可以提高員工工作的安全性和效率，并使統(tǒng)一培訓(xùn)和繼續(xù)教育成為可能。

在鐵路領(lǐng)域，只有列車系統(tǒng)滿足了安全要求后，才會(huì)在后續(xù)的硬件和軟件調(diào)試中考慮工效學(xué)因素，例如給ETCS系統(tǒng)添加DMI。但對(duì)于選裝的附加設(shè)備（如平板電腦、DAS系統(tǒng)），工效學(xué)方面的問(wèn)題往往被忽略，并且缺少必要的人性化設(shè)計(jì)方法。對(duì)于DMI，應(yīng)該針對(duì)其可視化屬性（如字體大小、顯色性和亮度）進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的和選裝的駕駛室顯示器，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，例如調(diào)整移動(dòng)終端設(shè)備在駕駛室的安裝位置等。移動(dòng)終端設(shè)備的安裝位置對(duì)其工效學(xué)作用會(huì)產(chǎn)生重大影響。若將它們直接安裝在駕駛員操縱臺(tái)上，會(huì)遮擋駕駛員的視野，并且導(dǎo)致駕駛員的肩部和頸部肌肉活動(dòng)量增加，產(chǎn)生不適;而且在某些駕駛室中既沒(méi)有固定移動(dòng)終端設(shè)備以防滑落的裝置，也沒(méi)有足夠的操縱臺(tái)空間安放該設(shè)備。因此，駕駛員在輸入信息時(shí)只能將移動(dòng)終端設(shè)備拿在手中。為此，本文建議將移動(dòng)終端設(shè)備安裝在與頭部平齊的位置。

在駕駛室中集成了基于平板電腦的系統(tǒng)以及其他附加系統(tǒng)之后，EUDD的功能已不能滿足鐵路運(yùn)輸公司的要求，因此建議進(jìn)一步開(kāi)發(fā)優(yōu)化。對(duì)于駕駛臺(tái)上安裝的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顯示器，應(yīng)針對(duì)鐵路運(yùn)輸公司的特定需求進(jìn)行定制，使之符合工效學(xué)要求。還應(yīng)為各顯示器配置標(biāo)準(zhǔn)化接口及與鐵路運(yùn)輸公司后端系統(tǒng)的連接，以增加顯示器的數(shù)據(jù)可用性;并采用尺寸更大的觸摸屏和更靈敏、亮度更高的顯示器，以替代駕駛室中原有的顯示屏。此外，建議采用平視顯示器，以及增加聲音信號(hào)的使用。當(dāng)然，應(yīng)該指出的是，出于經(jīng)濟(jì)方面的原因，在短期內(nèi)更新現(xiàn)有駕駛員操縱臺(tái)配置不太實(shí)際，因此應(yīng)該尋求短期和中期內(nèi)優(yōu)化使用移動(dòng)終端設(shè)備的過(guò)渡解決方案（圖7）。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然數(shù)字技術(shù)簡(jiǎn)化了列車駕駛員的各種操作和鐵路運(yùn)營(yíng)的一般流程，但從運(yùn)輸學(xué)和工效學(xué)的角度來(lái)看，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)還有優(yōu)化的潛力：①應(yīng)提升駕駛室內(nèi)固定顯示器的功能和可用性;②應(yīng)根據(jù)駕駛員的視野和肢體可達(dá)區(qū)，從工效學(xué)的角度優(yōu)化移動(dòng)顯示和輸入設(shè)備的安裝位置。此外，從工效學(xué)角度還應(yīng)考慮到，并行使用固定顯示屏、移動(dòng)顯示屏和紙質(zhì)文檔等會(huì)給列車駕駛員帶來(lái)多重視覺(jué)負(fù)荷，導(dǎo)致列車駕駛員注意力不集中和駕駛效率下降。因此，應(yīng)該對(duì)駕駛室顯示器進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并開(kāi)展進(jìn)一步的相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]Fabian Stoll， Nils Nie?en， Jochen Nells， et al. Digitale Technologien zur Unterstützung von Triebfahrzeugführern[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：25-30.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-12-08