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運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，100068，北京；3.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，100044，北京∥第一作者，高級工程師)

全自動運行(FAO)系統(tǒng)通過智能化、自動化聯(lián)動作業(yè)實現(xiàn)了列車無人駕駛，通常無需設(shè)置駕駛臺，僅需要設(shè)置極其簡易的動車功能以備應(yīng)急之用(某些項目為了特殊需要依舊設(shè)置了駕駛臺)。

目前，全自動運行列車駕駛界面的設(shè)計存在一些問題:臺面器件種類及數(shù)量繁多，器件布置缺乏科學(xué)合理的依據(jù)，且若在列車駕駛室前端設(shè)置逃生門，將導(dǎo)致駕駛臺尺寸縮減，臺面可布局面積將大幅減少，這使得臺面器件數(shù)量、布置形式與臺面尺寸之間產(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)司機在全自動運行模式下的操作需求，不僅會增加司機日常駕駛中的視覺負擔(dān)及任務(wù)難度，也不利于在應(yīng)急與模式降級場景下準確、快速地完成任務(wù)，給行車安全帶來諸多隱患。因此，迫切需要研究適用于全自動運行列車的駕駛臺器件配置和設(shè)計方法，以保障司機的高效作業(yè)和列車的安全運營。

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

1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

自21世紀開始，國外眾多軌道交通組織都愈發(fā)重視列車的人因設(shè)計研究。英國鐵路安全與標準委員會、英國國家鐵路路網(wǎng)公司及美國聯(lián)邦鐵路局相繼成立了人因研究部門，人因規(guī)范逐漸融入列車駕駛臺設(shè)計中。隨著國際運輸愈發(fā)重要，為應(yīng)對和諧化設(shè)計及區(qū)域性運輸需求，EUDD(歐洲跨境運輸用司機臺)研究獲得了歐盟的支持，致力于開發(fā)可方便歐洲鐵路跨境運輸用的模塊化結(jié)構(gòu)駕駛臺[1]。自此，歐洲多國駕駛臺的設(shè)計均朝著模塊化、功能化和界面標準化發(fā)展，提升了駕駛臺設(shè)計的可用性與安全性。

目前，我國列車駕駛臺器件的配置與布局設(shè)計尚缺少統(tǒng)一標準，但諸多學(xué)者從人因?qū)W角度，對駕駛臺的人性化設(shè)計展開研究。文獻[2]通過功能性臂長的測定和仿真，界定了最大作業(yè)范圍和最舒適作業(yè)區(qū)域。文獻[3]通過分析重要度和使用頻次鏈值將器件分為3個等級，為布局設(shè)計提供基礎(chǔ)。文獻[4]對駕駛室內(nèi)環(huán)境及顯控設(shè)備進行了合理配置。文獻[5]基于人機設(shè)計準則，對器件布局開展優(yōu)化設(shè)計。但這些研究均針對傳統(tǒng)人工駕駛操縱臺，未考慮FAO系統(tǒng)的駕駛特性，且對于人因規(guī)范和準則的使用也停留在理論指導(dǎo)和主觀評價層面，缺乏從任務(wù)出發(fā)針對器件特性展開定量分析來指導(dǎo)器件配置及優(yōu)化布局的研究。

基于對全世界已投入使用全自動運行技術(shù)的線路調(diào)研，綜合分析多個地區(qū)及國家全自動列車駕駛臺設(shè)計可知，其設(shè)計具有以下幾個特點：①列車前端通常設(shè)有逃生門，駕駛臺尺寸減小，器件可布置面積減少；②駕駛臺面器件數(shù)量較少；③器件布置不止局限于駕駛臺面和機柜中；④大多數(shù)情況下，駕駛臺蓋板閉合。

基于我國全自動運行列車前端設(shè)有逃生門的現(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)分析的全自動運行列車駕駛臺顯控器件配置與分級方法，旨在滿足全自動運行系統(tǒng)駕駛?cè)蝿?wù)的需求，并進一步提高駕駛界面的人機適配性。

2 駕駛臺器件配置與分級方法

2.1 層次任務(wù)分析

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

結(jié)合FAO列車的任務(wù)特點，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安全運營，所分析的任務(wù)需涵蓋包括日常運營、應(yīng)急處置及列車救援在內(nèi)的所有場景任務(wù)。采用專家訪談、觀察、文獻分析和問卷調(diào)查等方法開展相關(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，以FAM(全自動運行模式)下列車出段場為例進行分析，如圖1所示。由圖1可知，“列車出段場”任務(wù)下僅包含“列車出庫”一個次目標，而將次目標進一步分解是任務(wù)細化的關(guān)鍵，該過程需要一直持續(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劃順序排列，但并非所有計劃均為線性，也可存在條件循環(huán)的情況。

圖1 全自動運行列車層次任務(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臺面顯控器件的重新配置及分級研究，以獲得最佳的整體布局效果。

重要性原則即評估器件對實現(xiàn)系統(tǒng)目標的重要程度，將重要設(shè)備放置在便于操作的位置。設(shè)計5級李克特量表通過專家打分獲取各器件的重要性。評估以“如果延遲或遺漏使用該設(shè)備，對行車安全造成不同等級的危險”來衡量，1～5表示重要等級從低到高。頻次性原則用于評估各設(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“次目標分解”層進一步細化，分析執(zhí)行某個任務(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“場景-任務(wù)-器件”模型。以FAM正常行車時的出段場作業(yè)為例進行分析，如圖2所示。對所分析的場景及其任務(wù)依次建模，并統(tǒng)計各器件數(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

定義目標層任務(wù)集合T={t1,t2,…,ti}，獲取每日發(fā)車車次Ntra及站臺數(shù)量Nsta，統(tǒng)計各類任務(wù)的執(zhí)行頻次FT=[Ft1Ft2…Fti]。定義駕駛臺器件的集合D={d1,d2,…,dj}，則執(zhí)行一次任務(wù)ti過程中器件dj的使用頻次集合為：

雖然,FAO系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天的全自動駕駛，考慮到司機技能保持的需求，全自動運營線路每天依舊需要留有一定的非FAM運營時間，即列車自動防護系統(tǒng)下的AM(列車自動運行模式)和CM(編碼列車駕駛模式)，通過調(diào)研運營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)，進而可以計算得到單日內(nèi)執(zhí)行任務(wù)ti時，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)使得司機從原本的駕駛作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L時間監(jiān)控作業(yè)，同時要應(yīng)對各種突發(fā)情況，因此以能夠滿足應(yīng)急故障處置、系統(tǒng)降級后的人工駕駛及司機技能培訓(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)司機的一個重要任務(wù)為瞭望作業(yè)，通過時刻監(jiān)控路段信息來判斷是否能夠繼續(xù)安全行車。因此在執(zhí)行瞭望作業(yè)時，所操作的器件必須位于駕駛臺面上方，以保障列車安全行駛。可基于頻次性原則，統(tǒng)計執(zhí)行瞭望作業(yè)任務(wù)時所使用的器件頻次，剔除頻次為0的器件。

2) 瞬時反應(yīng)原則：對應(yīng)急處置方案中發(fā)生緊急或故障情況進行瞬時操作的器件，如緊急制動按鈕和蜂鳴器等，必須放置在駕駛臺面上。

3) 篩除冗余原則：對于原本存在冗余設(shè)計且只需要單個器件就能實現(xiàn)功能的器件，如ATO(列車自動運行)按鈕等，可將具有相同功能的冗余器件剔除。

2.4 器件分級方法

基于重要性和頻次性原則劃分器件等級，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原則很難同時兼顧，因此采用聚類分析同步考慮兩個原則，以最小化二者間的沖突。結(jié)合器件操作域的特點(舒適操作、有效操作和可擴展操作區(qū))，可將器件劃分為3個等級。采用K-Means聚類分析，將通過重新配置篩選獲得的器件重要性等級和使用頻次作為分類指標，獲得臺面顯控器件的分級結(jié)果。完整的全自動運行列車駕駛臺顯控器件配置與分級方法的流程如圖3所示。

圖3 全自動列車駕駛臺器件配置與分級方法

3 案例研究

運用所提方法對北京地鐵燕房線展開分析。當(dāng)前的燕房線列車駕駛臺設(shè)計僅是將自動駕駛器件安放在傳統(tǒng)駕駛臺面上而形成的布置。臺面共有51個器件，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。

通過跟車觀察、調(diào)研訪談及行車規(guī)范文件分析，對各運行模式正常行車場景的12項任務(wù)、19個應(yīng)急處置、15個車輛故障處置及22個車載信號故障處理場景進行梳理，構(gòu)建行車任務(wù)庫?；贖TA展開任務(wù)分析并構(gòu)建“場景-任務(wù)-器件”模型，統(tǒng)計各器件的使用頻次。

北京地鐵燕房線當(dāng)前共設(shè)12個站臺，在工作日和周末采用不同的運營計劃：正常運營秩序下，工作日和周末每日分別運行300和262個車次，即Ntra__d=300車次，Ntra__w=262車次。工作日平峰時段，調(diào)配7輛列車上線運營；早晚高峰時，加調(diào)4列列車以提高運行密度；高峰時段后，再調(diào)配4輛列車退出運營。由此可知，工作日出入庫作業(yè)頻次F出入庫-d=15次，周末無加開列車，F(xiàn)出入庫-w=7次。不同任務(wù)的執(zhí)行頻次有所差別，以站臺作業(yè)為例，單日所有車次站臺作業(yè)器件頻次P站臺作業(yè)可以表示為：

式中：

f站臺作業(yè)——單次站臺作業(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、回段場、休眠、退勤、洗車與調(diào)車作業(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)運營時間可知，F(xiàn)AM與非FAM模型的運營比例為43…57，通過計算獲得各顯控器件的使用頻次并將其轉(zhuǎn)化為使用頻率?；陲@控器件的配置原則篩選器件，獲得27個顯控器件及各器件的正常運營與應(yīng)急場景使用頻率。采用問卷調(diào)查法，由3名駕齡3年以上的司機填寫。臺面器件使用特性如表1所示。

采用K-Means聚類分析對臺面27個器件分級，如圖4所示。原布置于駕駛臺面的51個顯控器件，除布置于臺面的27個以及刪減的7個器件外，剩余17個器件可根據(jù)司機室的設(shè)計布置于側(cè)墻或機柜內(nèi)側(cè)。

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

4 全自動駕駛顯控界面探討

隨著軌道交通自動化程度的不斷提升，自動化設(shè)備將逐步輔助并替代人的作用，最終實現(xiàn)無人值守的全自動運行(GoA4,GoA為自動化等級)。目前，我國FAO列車的駕駛等級正處于GoA3到GoA4的過渡階段，司機逐漸走出駕駛室從駕駛員變?yōu)槌藙?wù)員。但軌道交通運行系統(tǒng)始終是一個人機混合系統(tǒng)，當(dāng)FAO系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，仍需司機上車處置，人作為自動化系統(tǒng)的最后一道安全防線，對安全可靠的運營依舊起到至關(guān)重要的作用。FAO系統(tǒng)的列車設(shè)計、開發(fā)及運營中的人-機關(guān)系不匹配，可能導(dǎo)致自動化自滿、自動化諷刺、人員技能退化和情景意識缺失等問題[8]。因此，人因理論及方法在軌道交通自動化系統(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FAO系統(tǒng)的人機交互特征，分析不同場景與駕駛模式下的任務(wù)，通過建立任務(wù)與器件之間的映射關(guān)系，對器件的使用頻次展開定量化分析，并對器件進行等級劃分，進而為全自動運行列車駕駛臺的布局優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

本研究依舊處于對駕駛臺既有顯控器件的配置與分級探討，在數(shù)字化趨勢的推動下，駕駛臺控制器件的設(shè)計也應(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)。實現(xiàn)物理控件的數(shù)字化設(shè)計能使FAO列車駕駛界面在保有健全功能的同時，減少駕駛員的作業(yè)負荷，也給駕駛臺提供了更多的設(shè)計空間。然而，并非所有物理控件均能實現(xiàn)數(shù)字化集成，如緊急制動等需快速反應(yīng)操作的控件，若采用顯示控制會增加執(zhí)行時間，反而給運營安全增加風(fēng)險。此外，由于顯示器尺寸有限，過多的功能集成使得界面設(shè)計愈發(fā)復(fù)雜，多級菜單的應(yīng)用也會降低作業(yè)績效，因此，對于全自動駕駛臺物理控件的數(shù)字化集成設(shè)計將成為未來駕駛臺設(shè)計的研究方向之一。

5 結(jié)語

本文基于全自動運行列車的司機作業(yè)特點，通過層次任務(wù)分析所構(gòu)建的“場景-任務(wù)-器件”分析模型能夠?qū)崿F(xiàn)人因設(shè)計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，實現(xiàn)全自動運行列車駕駛臺顯控器件的配置與分級，為未來全自動運行列車駕駛臺顯控器件的設(shè)計和后續(xù)駕駛?cè)藱C界面布局優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。