郭北苑,巨建濤,王雅楠,方衛(wèi)寧
(北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室,北京 100044)
我國鐵路現(xiàn)代化建設使得高速動車組的運營規(guī)模逐年擴大,動車組運營速度已經(jīng)達到300km/h,最小發(fā)車間隔縮短到了5min,高速度和高密度的運行使得動車組故障發(fā)生頻繁而且種類繁多。為保證列車的安全正點運行,需要動車組司機能對所發(fā)生的故障具有及時反應和快速的處理能力,因此開展故障突發(fā)情況下司機應急作業(yè)特性的工效學研究以提高司機應急作業(yè)可靠性具有重要意義。
由于無法直接在列車實際運行中開展故障實驗,無法直接在實際運行系統(tǒng)中對人的行為特性開展工效學研究,目前采取的主要解決方案是構建仿真工效學實驗系統(tǒng)開展相關研究。比如:在航空航天領域,美國NASA實驗室利用工作站虛擬系統(tǒng)對航天員太空行為特性展開工效學研究[1];在軍事領域,Lieberman H R等[2]人利用工效學實驗系統(tǒng)對軍事應激情況下的軍事人員的行為進行研究,得出了能夠應對軍事應激的人員行為特性;北京航空航天大學也將這項技術應用航空航天領域,如張磊[3]就利用構建的飛機座艙人機功效評定實驗臺來展開飛行員的認知特性的相關研究;北京特種車輛所則設計了裝甲車輛駕駛艙工效學實驗系統(tǒng)用于裝甲車輛座艙的工效學研究,如作業(yè)任務復雜性、駕駛員作業(yè)可靠性等[4];在軌道交通領域,北京交通大學郭北苑等[5]研制了機車駕駛工效學實驗系統(tǒng)來進行人的可靠性和人的控制與決策等工效學實驗。因此本研究構建高速列車工效學實驗系統(tǒng),以實現(xiàn)在實驗室環(huán)境下高速列車司機的應急作業(yè)特性的相關實驗研究。
故障注入技術指的是用人工方法有意識地產(chǎn)生故障并施加于特定的被測系統(tǒng)中,同時將被試者的觀測和處理信息等進行分析并提供反饋[6],目前該技術主要用于系統(tǒng)安全可靠性的驗證中,在工效學實驗系統(tǒng)中應用較少。在本實驗系統(tǒng)構建中引入故障注入技術,以便實現(xiàn)在實驗過程中人工產(chǎn)生動車組的各種應急故障場景,由此展開針對司機應急作業(yè)特性的分析研究。
高速列車應急作業(yè)流程指的是當高速列車在運行過程中發(fā)生應急故障后,司機進行應急故障處理作業(yè)的操作順序[7]。以CRH2型高速動車組為例,其應急故障共79類,當應急故障發(fā)生時,車載信息系統(tǒng)顯示終端會自動顯示故障信息并報警,司機根據(jù)故障信息進行應急故障的處理。故障的處理分為司機單獨處理和與隨車機師配合處理2種方式。司機通過車載信息顯示終端和駕駛臺上的開關按鈕進行應急作業(yè),比如遠程切除或復位設備、遠程切除抱死等;或通過對講機通知隨車機師配合其進行相應的操作。司機最后根據(jù)故障的處理結果來判斷是否繼續(xù)運行或將情況通知調度、安排救援[8]。高速動車組應急作業(yè)流程可以歸結為列車運行操作、故障觸發(fā)、故障監(jiān)控、故障處理和故障報告幾個部分。
利用工效學實驗系統(tǒng)對人的行為特性展開研究一般采用的方法有任務分析法和生理測量法[9],讓操作者執(zhí)行一定的操作任務,同時獲取操作者的行為數(shù)據(jù)和心電、眼動等生理數(shù)據(jù),實驗后分析獲取的實驗數(shù)據(jù),得出在執(zhí)行任務過程中操作者的時間資源占用情況和工作負荷,從而得出被試的作業(yè)特性。結合高速列車應急作業(yè)流程的特點,高速列車應急作業(yè)流程工效學實驗系統(tǒng)的功能為:為被試司機提供完整的仿真駕駛環(huán)境;根據(jù)需要隨時對系統(tǒng)進行故障注入,并做出故障提示;接受司機進行的正常駕駛以及故障處理操作,并與實際處理操作流程標準進行對照后輸出處理結果;記錄和保存司機的操作以及生理變化數(shù)據(jù)等。
在對實驗系統(tǒng)進行功能分析的基礎上,遵循“高內聚,低耦合”的標準,按照模塊化的思想對實驗系統(tǒng)進行了設計,系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)分為實驗管理子系統(tǒng)、高速列車應急作業(yè)子系統(tǒng)和工效學數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)。
圖1 高速列車應急作業(yè)流程工效學實驗系統(tǒng)構架
實驗管理子系統(tǒng)包括故障注入數(shù)據(jù)庫和輔助處理數(shù)據(jù)庫,完成故障注入和機師輔助處理操作功能。高速列車應急作業(yè)子系統(tǒng)包括應急作業(yè)流程推理機和車輛狀態(tài)仿真模塊,其中應急作業(yè)流程推理機由車輛狀態(tài)匹配器、應急作業(yè)流程數(shù)據(jù)庫、車載信息系統(tǒng)顯示終端組成;車輛狀態(tài)仿真模塊包括駕駛臺、信息顯示終端和視景模塊等,該子系統(tǒng)提供實驗的駕駛仿真環(huán)境,向實驗管理子系統(tǒng)提供故障清除命令和進行故障處理操作記錄。工效學數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括眼動儀、動態(tài)心電圖儀、攝像機與行為分析軟件,采集并提供被試者的眼動和生理等數(shù)據(jù),以便實驗后期進行工效學分析。
故障注入分為基于模擬、硬件或軟件實現(xiàn)的故障注入,課題采用基于軟件的模擬仿真故障注入法,可以有效地仿真高速列車運行故障和方便地得到可靠的工效學實驗數(shù)據(jù)[10]。
實驗管理子系統(tǒng)的設計主要包括故障注入數(shù)據(jù)庫和輔助處理數(shù)據(jù)庫的開發(fā),為此引入了實體關系模型(ER模型)來建立數(shù)據(jù)模型,然后根據(jù)建立的數(shù)據(jù)模型分析構建各自的邏輯結構并建立相應的訪問結果的判斷規(guī)則,最終按照人機界面構建的一致性、重要性、功能性等設計原則構建各自的訪問界面[11]。這2個數(shù)據(jù)庫與應急作業(yè)流程推理機之間采用UDP通信方式。故障注入數(shù)據(jù)庫的工作流程和輔助處理數(shù)據(jù)庫的工作流程分別如圖2和圖3所示。
圖2 故障注入數(shù)據(jù)庫工作流程圖
故障注入數(shù)據(jù)庫在接收到實驗管理員的故障注入操作后,將搜索到的故障代碼發(fā)送給車輛狀態(tài)匹配器,同時不斷檢查接收管理員清除故障命令或車輛狀態(tài)匹配器反饋的故障清除命令,來確定是否進行故障清除,完成本次故障注入操作;隨車機師通過輔助處理數(shù)據(jù)庫進行故障處理,數(shù)據(jù)庫按照隨車機師的操作搜索相應的處理代碼,發(fā)送給應急作業(yè)流程推理機,并檢查接收車輛狀態(tài)匹配器傳來的故障清除信息,完成輔助處理操作。
圖3 輔助處理數(shù)據(jù)庫工作流程圖
高速列車應急作業(yè)子系統(tǒng)是整個實驗系統(tǒng)的核心部分,該子系統(tǒng)性能取決于應急作業(yè)流程推理機的性能,其好壞直接影響實驗數(shù)據(jù)的可靠性,而車輛狀態(tài)仿真模塊則為工效學實驗提供仿真駕駛環(huán)境。
2.2.1 基于正向推理的應急作業(yè)流程推理機
推理方法一般有正向推理、反向推理和雙向推理以及狀態(tài)空間搜索法等[12],在應急作業(yè)流程推理機的設計中,需要充分考慮被試者的故障處理操作流程能否清除故障,所以選擇正向推理模式[13]。正向推理模式基本思想是:以已知的故障處理流程為基礎,建立推理機的規(guī)則群;當被試者的操作動作及順序符合推理機數(shù)據(jù)庫中的已有事實,則完成推理,輸出推理結果。將推理的項目歸納總結并建立推理規(guī)則群,在此基礎上構建基于三層架構的應急作業(yè)流程推理機的任務構架,如圖4所示。
圖4 應急作業(yè)流程推理機的構架框圖
其中故障代碼的輸入由實驗管理子系統(tǒng)完成。車輛狀態(tài)匹配器將接收到的速度、運行距離及檔位等信息發(fā)給顯示終端并進行顯示,同時負責故障注入、清除命令的接收與發(fā)送、車輛狀態(tài)的匹配與傳送;應急作業(yè)流程數(shù)據(jù)庫的構建和設計方法與故障注入數(shù)據(jù)庫和輔助處理數(shù)據(jù)庫相同,只是不需要人機界面的開發(fā);車載信息顯示終端完成頁面請求代碼發(fā)送,實現(xiàn)“故障信息”界面的跳轉,顯示匹配后的車輛信息,同時接收被試者進行的故障處理操作,并進行操作記錄。開發(fā)的顯示終端示意圖如圖5所示。
圖5 顯示終端界面
2.2.2 車輛狀態(tài)仿真模塊
車輛狀態(tài)仿真模塊主要功能是為實驗人員提供駕駛仿真環(huán)境,采用半實物仿真方法實現(xiàn),需要設計并生成包括駕駛臺、視景、儀表和音箱等在內的仿真駕駛環(huán)境。
為使被試司機能夠沉浸在構建的實驗系統(tǒng)中,需要進行駕駛場景的構建,包括列車的速度和位置的計算,這由牽引計算模塊完成;虛擬駕駛場景和聲音的生成由聲音和視景模塊完成;最終通過線路數(shù)據(jù)管理模塊來完成運行線路數(shù)據(jù)的維護和管理。
為得到正確的人-機-環(huán)境匹配關系,系統(tǒng)的主要人機界面:如操縱臺控制器件等均采用實物;使用智能化的平面顯示方案,采用虛擬儀表形式進行顯示,使得DMI(人機交互界面)既能滿足工效學測試的需求,又可以與操縱臺圓滿接口,同時由于采用了軟件模擬方法,可以方便地對顯示內容和形式進行調整,具有很好的擴展性。
工效學數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括眼動儀、動態(tài)心電圖儀、攝像機與行為分析系統(tǒng)。利用眼動儀進行注視分析和統(tǒng)計分析,來確定被試者注視情況和測試時間段內注視持續(xù)時間所占的百分比;心電儀可以輸出實驗者的心電數(shù)據(jù);攝像機對被試動作進行錄像,然后通過行為分析系統(tǒng)對錄像進行動作分析,以得出被測試者的操作數(shù)據(jù)。以上設備的組合可以得到合理可靠的工效學實驗分析數(shù)據(jù)。
高速列車應急作業(yè)流程工效學實驗系統(tǒng)的可用性將直接影響工效學實驗數(shù)據(jù)的可靠性,從而影響司機應急作業(yè)特性研究結果的真實性。本節(jié)以CRH2型動車組“牽引變流器傳輸不良”故障處理為例,通過對實驗所采集的數(shù)據(jù)的工效學分析,驗證工效學實驗系統(tǒng)的可用性。
實驗管理人員進行實驗設備的安裝和調試,在實驗過程中進行故障注入和輔助處理操作。實驗采用主任務測量法和生理測量法對實驗者的心理負荷進行研究,利用攝像機和動作分析軟件進行動作數(shù)據(jù)的采集和分析,通過眼動儀和動態(tài)心電圖儀對被試者進行相關生理指標測量和數(shù)據(jù)的采集。實驗現(xiàn)場如圖6所示。
圖6 實驗現(xiàn)場
實驗共進行15min,其中0~5min進行對照組實驗,此時實驗者只進行正常駕駛操作,用攝像機拍攝其操作動作,用眼動儀和心電儀進行生理指標測試;5~10min為被試者休息時間,無實驗任務,此時只有心電儀對被試者進行生理指標測試;10~15min進行實驗組實驗,在正常行駛過程中加入故障處理任務,此時用攝像機拍攝操作動作,并用眼動儀和心電儀對被試者進行生理指標測試。為保證數(shù)據(jù)的準確性,對照組和實驗組的基本駕駛任務的場景相同,駕駛時間相同。
實驗后通過行為分析系統(tǒng)軟件統(tǒng)計出的工效學分析數(shù)據(jù)如表1所示。實驗系統(tǒng)可以正確記錄與得到相關動作分析數(shù)據(jù),通過表1中數(shù)據(jù)可以觀察到在故障注入的情況下,被試者的動作時間、操作頻率和動作時間均高于正常駕駛的情況,顯示被試者在故障處理情況下的心理負荷要大于正常駕駛的心理負荷。
表1 動作分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)
實驗系統(tǒng)獲取的心電實驗數(shù)據(jù)如表2所示??梢杂^察到低頻與高頻之比fL∶fH有:(fL∶fH)19:20>(fL∶fH)19:10>(fL∶fH)19:15,提示被試者在故障處理時的心理負荷要大于正常駕駛的心理負荷;在無任務狀態(tài)下,被試者的情緒平和,心理負荷最小。
表2 心電實驗數(shù)據(jù)
通過獲得的眼動數(shù)據(jù)的分析也可以得出與動作分析及心理負荷數(shù)據(jù)相同的分析結果,說明高速列車應急作業(yè)流程工效學實驗系統(tǒng)能夠為工效學實驗的開展提供合理完善的實驗環(huán)境,并能得到可靠有效的實驗數(shù)據(jù)。
本文中應用故障注入技術,研究并實現(xiàn)了模擬環(huán)境下的高速列車司機應急作業(yè)流程的工效學實驗系統(tǒng),主要包括:構建了故障注入數(shù)據(jù)庫和輔助處理數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了實驗管理子系統(tǒng)對相關信息的管理和信息交互;對應急作業(yè)流程推理機的推理方法、規(guī)則群建立、推理機的構架及推理流程進行了探討,構建了應急作業(yè)流程推理機;設計并完善了車輛狀態(tài)仿真模塊,為工效學實驗提供仿真環(huán)境;設計并構建了工效學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)已被成功應用于相關工效學實驗研究中。本文的研究成果為軌道交通以及其他相關行業(yè)的應急作業(yè)流程工效學實驗系統(tǒng)的設計提供了很好的理論依據(jù)和實例參考。
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