基于人機(jī)工程學(xué)的高速動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)設(shè)備布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

張永明， 田　鵬， 劉斌普

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司， 山東青島 266000)

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基于人機(jī)工程學(xué)的高速動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)設(shè)備布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

張永明， 田鵬， 劉斌普

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司， 山東青島 266000)

高速動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)作為司機(jī)室內(nèi)主要的人機(jī)交互設(shè)備，是司機(jī)獲取信息，作出決策并對(duì)有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制、駕駛列車(chē)完成各種任務(wù)的主要設(shè)備。因此司控臺(tái)的合理布局以及人性化設(shè)計(jì)，對(duì)于保障人機(jī)效能的充分發(fā)揮和列車(chē)行駛安全至關(guān)重要。本文主要介紹了司控臺(tái)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)備布置方案以及對(duì)其進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，最終得出有利于人機(jī)效能的充分發(fā)揮的設(shè)備布置方案。

高速動(dòng)車(chē)組； 司控臺(tái)； 設(shè)備布置； 人機(jī)工程學(xué)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)室是司機(jī)獲取信息，作出決策并對(duì)有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制、駕駛列車(chē)完成各種任務(wù)的工作場(chǎng)所，司控臺(tái)作為司機(jī)室內(nèi)主要的人機(jī)界面設(shè)備，司機(jī)通過(guò)它實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車(chē)的操控。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電氣設(shè)備應(yīng)用于高速動(dòng)車(chē)組司機(jī)室內(nèi)，給司控臺(tái)的設(shè)備布局帶來(lái)很多困難；人機(jī)之間信息交互量急劇增加，使司機(jī)的工作負(fù)荷越來(lái)越大。人機(jī)工程學(xué)是運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、生物力學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科的研究方法和手段，綜合進(jìn)行人機(jī)結(jié)構(gòu)、功能、心理以及力學(xué)等問(wèn)題研究的學(xué)科[1]。利用人機(jī)工程學(xué)的理論對(duì)高速動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)進(jìn)行合理布局，使司機(jī)能夠發(fā)揮最大效能的機(jī)械、儀器和控制裝置，對(duì)于保障人機(jī)效能的充分發(fā)揮和列車(chē)行駛安全至關(guān)重要。

1　司控臺(tái)設(shè)備的初步布置

(1) 在進(jìn)行司控臺(tái)設(shè)計(jì)前，依據(jù)高速動(dòng)車(chē)組控制和通信原理，確定了安裝在司控臺(tái)上的設(shè)備，并對(duì)這些設(shè)備按照其主要功能特點(diǎn)進(jìn)行了分類(lèi)：

① 顯示控制類(lèi)：ATP顯示屏(2個(gè))、MON顯示屏(2個(gè))、CIR顯示器；

② 儀表指示類(lèi)：故障顯示器、關(guān)門(mén)燈、電壓表、雙針壓力表、空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)指示燈；

③ 主控操作類(lèi)：牽引控制器、制動(dòng)控制器(含主控鑰匙)、緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)、VCB合按鈕、VCB斷按鈕、降弓按鈕、復(fù)位按鈕、緊急復(fù)位按鈕、恒速按鈕、恒速切按鈕；

④ 聯(lián)絡(luò)類(lèi)：無(wú)線打印機(jī)、無(wú)線話筒、廣播話筒；

⑤ 輔助類(lèi)：刮雨器開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)左右門(mén)類(lèi)按鈕、司機(jī)室燈開(kāi)關(guān)、頭燈減光開(kāi)關(guān)；

⑥ 其他：監(jiān)視器揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)、司機(jī)室空調(diào)控制類(lèi)開(kāi)關(guān)、暖風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)。

為了保證列車(chē)安全可靠運(yùn)行，需要對(duì)關(guān)鍵的顯示控制設(shè)備(ATP顯示屏和MON顯示屏)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。在列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)顯示器正常顯示，另一個(gè)熱備;當(dāng)正常顯示的顯示屏出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以迅速切換至另一個(gè)熱備的顯示屏，保證列車(chē)的可靠運(yùn)行。

(2) 根據(jù)司控臺(tái)設(shè)備分類(lèi)及其使用情況，將開(kāi)關(guān)按鈕和儀表進(jìn)行整理并集中布置，形成了3個(gè)集中開(kāi)關(guān)盤(pán)和2個(gè)集中顯示盤(pán)。

① 開(kāi)關(guān)盤(pán)1布置了與列車(chē)運(yùn)行緊密相關(guān)的主控制類(lèi)按鈕，包括VCB合按鈕、VCB斷按鈕、降弓按鈕、復(fù)位按鈕、緊急復(fù)位按鈕、恒速按鈕、恒速切按鈕；

② 開(kāi)關(guān)盤(pán)2布置了與司機(jī)室空氣環(huán)境有關(guān)的開(kāi)關(guān)按鈕及列車(chē)左門(mén)的控制按鈕，包括2個(gè)司機(jī)室電暖氣開(kāi)關(guān)、開(kāi)左門(mén)按鈕、關(guān)左門(mén)按鈕、空調(diào)控制類(lèi)開(kāi)關(guān)及其指示燈；

③ 開(kāi)關(guān)盤(pán)3布置了司機(jī)室燈和列車(chē)燈的控制開(kāi)關(guān)、列車(chē)右門(mén)的控制按鈕和監(jiān)控器揚(yáng)聲器開(kāi)關(guān)；

④儀表顯示盤(pán)布置了廣播話筒、無(wú)線打印機(jī)、電壓表、風(fēng)壓表、刮雨器開(kāi)關(guān)；⑤CIR及故障顯示器盤(pán)布置了CIR顯示器、故障顯示器、無(wú)線話筒、關(guān)門(mén)燈。

(3) 確定了司控臺(tái)上需要安裝的設(shè)備后，開(kāi)始對(duì)司控臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。司控臺(tái)的設(shè)計(jì)及操作設(shè)備和控制系統(tǒng)的布置、型式和動(dòng)作方向首先是以人體測(cè)量學(xué)為基礎(chǔ)的。人在各種工作時(shí)都需要有足夠的活動(dòng)空間，工作位置處的活動(dòng)空間設(shè)計(jì)與人體的功能尺寸密切相關(guān)。圖1為適用于我國(guó)絕大多數(shù)成年人坐姿的活動(dòng)空間人體尺度，圖1(a)為正視圖，零點(diǎn)在正中矢狀面上，圖1(b)為側(cè)視圖，零點(diǎn)在經(jīng)過(guò)臀點(diǎn)的垂直線上，并以該垂線與腳底平面的交點(diǎn)為零點(diǎn)。

圖1　坐姿的活動(dòng)空間[1]

圖1中粗實(shí)線代表上身挺直及頭向前傾的身體輪廓，為保持身體姿勢(shì)而必須的平衡活動(dòng)已考慮在內(nèi)；虛線代表從髖關(guān)節(jié)起上身向前、向側(cè)彎曲的活動(dòng)空間；

點(diǎn)劃線代表上身不動(dòng)，自肩關(guān)節(jié)起手臂向上和向兩側(cè)的活動(dòng)空間；細(xì)實(shí)線代表上身從髖關(guān)節(jié)起向前、向兩側(cè)活動(dòng)時(shí)手臂自肩關(guān)節(jié)起向前和兩側(cè)的活動(dòng)空間；圓點(diǎn)線代表自髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)起腿的伸、曲活動(dòng)空間。

本司控臺(tái)適用于單司機(jī)操作模式，司機(jī)坐在司控臺(tái)中央偏后位置操作各種設(shè)備。UIC651-2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)司控臺(tái)的尺寸(見(jiàn)圖2)和理想的司機(jī)操作和視覺(jué)范圍(見(jiàn)圖3)進(jìn)行了推薦[2]。根據(jù)人體坐姿活動(dòng)空間圖和UIC651標(biāo)準(zhǔn)的推薦確定了司控臺(tái)骨架的基本輪廓。

(4) 接下來(lái)依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論對(duì)司控臺(tái)的設(shè)備進(jìn)行了布置[3]。

① 重要性原則：將最重要的器件布置在最佳位置上。如把影響列車(chē)安全可靠運(yùn)營(yíng)的ATP顯示屏和MON顯示屏放在司控臺(tái)前部中央位置，把主控操作類(lèi)按鈕布置在司控臺(tái)的中央前側(cè)；

口 推薦尺寸 )-(最小尺寸 (-)最大尺寸

圖3　手的理想推薦觸及半徑

② 頻次性原則：將使用頻率最高的器件布置在最佳位置上。如制動(dòng)控制器和牽引控制器的布置；③ 重要度X頻度=鏈值，將鏈值最高的器件布置在最佳位置上；如把制動(dòng)控制器和牽引控制器放置在司機(jī)很容易夠著的司控臺(tái)臺(tái)面上；

④ 功能性原則：將功能上相關(guān)的控制器或顯示器布置在鄰近位置上。如將與列車(chē)運(yùn)行緊密相關(guān)的主控制類(lèi)按鈕安裝在開(kāi)關(guān)盤(pán)1上，將跟調(diào)度有關(guān)的CIR顯示器和無(wú)線話筒放在同一塊面板上；

⑤ 順序性原則：器件的布置應(yīng)與操作的邏輯保持一致。如將開(kāi)關(guān)左門(mén)的按鈕布置司控臺(tái)左面的開(kāi)關(guān)盤(pán)2上，將開(kāi)關(guān)右門(mén)的按鈕布置在司控臺(tái)右面的開(kāi)關(guān)盤(pán)3上；

⑥ 可達(dá)性原則：對(duì)于不能按功能和使用順序來(lái)組合，而又經(jīng)常使用或最重要的器件，應(yīng)布置在最容易接近的位置上。如對(duì)制動(dòng)控制器和牽引控制器的布置。

(5) 最后在CATIA軟件環(huán)境下對(duì)司控臺(tái)進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)三維仿真設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。

圖4　司控臺(tái)三維仿真設(shè)計(jì)方案

最終，形成司控臺(tái)設(shè)備布置初步方案如下：

司控臺(tái)立面主要布置顯示類(lèi)設(shè)備，從左往右圓弧狀依次布置儀表顯示盤(pán)、ATP顯示屏2、ATP顯示屏1、MON顯示屏1、CIR及故障顯示器盤(pán)、MON顯示屏2；

司控臺(tái)臺(tái)面主要布置手動(dòng)控制類(lèi)和按鈕開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備，從左往右呈圓弧狀布置開(kāi)關(guān)盤(pán)2、制動(dòng)控制器、開(kāi)關(guān)盤(pán)1、牽引控制器、開(kāi)關(guān)盤(pán)3，另外將緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)放置在臺(tái)面底部。

2　司控臺(tái)設(shè)備布置的局部?jī)?yōu)化

(1) 對(duì)司控臺(tái)設(shè)備布置初步方案的立面設(shè)備與臺(tái)面設(shè)備操作空間分析后發(fā)現(xiàn)，CIR及故障顯示器盤(pán)上的無(wú)線話筒與牽引控制器上的牽引手柄存在操作空間重疊現(xiàn)象，如圖5所示，牽引控制器布置在司控臺(tái)臺(tái)面上司機(jī)容易操作的地方，無(wú)線話筒布置在司控臺(tái)立面CIR及故障顯示器盤(pán)的左側(cè)，話筒附帶螺旋引出線(圖中未示)。

圖5　初步方案中牽引手柄和無(wú)線話筒三維圖

① 當(dāng)無(wú)線話筒固定，操作時(shí)，經(jīng)測(cè)量，兩者的最小設(shè)計(jì)間距為4.5 mm，最小實(shí)物測(cè)量間距為6 mm； 操作牽引手柄過(guò)程中，在最小間隙處司機(jī)的手與無(wú)線話筒存在輕微摩擦。

② 當(dāng)牽引手柄在中低檔位，拿起或者掛起無(wú)線話筒時(shí)，由于牽引手柄在前，無(wú)線話筒在后，司機(jī)都要越過(guò)牽引手柄去操作，而且話筒引出線可能纏繞在牽引手柄上，會(huì)引起牽引手柄換擋誤操作。

(2) 為了解決無(wú)線話筒與牽引手柄之間的操作空間重疊問(wèn)題，首先對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了深入的分析。

作為重要的且使用比較頻繁的控制裝置，牽引控制器布置在司機(jī)反應(yīng)最靈敏、操作最方便、肢體容易達(dá)到的空間范圍內(nèi)，初步方案就是在充分考慮了以上要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到牽引控制器的外觀尺寸及安裝檢修空間，得出的最佳安裝位置。

CIR及故障顯示器盤(pán)的左側(cè)布置無(wú)限話筒和關(guān)門(mén)燈，其右側(cè)布置CIR顯示器和故障顯示器。這些設(shè)備均在司機(jī)肢體能夠達(dá)到的空間范圍內(nèi)且位置可調(diào)。其中，當(dāng)司機(jī)需要與調(diào)度中心通話時(shí)才使用無(wú)線話筒，其使用頻次較低。

經(jīng)過(guò)以上分析，將CIR及故障顯示器盤(pán)上設(shè)備的布置調(diào)整作為優(yōu)化的解決方案。將CIR及故障顯示器盤(pán)的設(shè)備左右對(duì)調(diào)，即將無(wú)線話筒和關(guān)門(mén)顯示燈布置在面板的右側(cè)，將無(wú)線顯示器和故障顯示器布置在面板的左側(cè)。

(3) 確定解決方案后，對(duì)解決方案的可行性進(jìn)行了評(píng)估和幾何驗(yàn)證。首先該方案中無(wú)線話筒與牽引手柄距離大于100 mm，可以很好的解決初步方案中手柄操作空間重疊問(wèn)題；其次，由于解決方案中設(shè)備位置發(fā)生了變化，對(duì)與之相關(guān)的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核，發(fā)現(xiàn)原方案中的關(guān)門(mén)燈的安裝座已不符合安裝要求，需要重新設(shè)計(jì)制作；再次與CIR及故障顯示器盤(pán)設(shè)備相關(guān)的線纜的走線路徑不需改動(dòng)即可滿(mǎn)足要求；最后，對(duì)設(shè)備幾何空間進(jìn)行校核，在CATIA環(huán)境下校核后，確定設(shè)備與設(shè)備之間的空間滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)評(píng)估，此解決方案可行。優(yōu)化方案的設(shè)備布置三維仿真圖見(jiàn)圖6。

圖6　優(yōu)化方案中牽引手柄和無(wú)線話筒三維圖

3　兩種布置方案的對(duì)比

(1) 兩種方案的共同點(diǎn)：兩種方案所布置的設(shè)備相同，設(shè)備布置在司機(jī)肢體可達(dá)范圍內(nèi)且都能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定的功能。

(2) 兩種方案的不同點(diǎn)：從設(shè)備布置、操作空間、效率、安全性方面對(duì)兩個(gè)方案作了對(duì)比，見(jiàn)表1。

(3) 經(jīng)過(guò)以上的分析得出，優(yōu)化方案無(wú)論在設(shè)備布置的合理性，還是設(shè)備操作空間的充裕度，設(shè)備操作的安全性、設(shè)備操作效率等方面都優(yōu)于初步方案。故優(yōu)化的方案可以更好的實(shí)現(xiàn)司控臺(tái)的功能，有利于人機(jī)效能的充分發(fā)揮。基于人機(jī)工程學(xué)的司控臺(tái)理論在某型動(dòng)車(chē)組升級(jí)改造設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。圖7為根據(jù)該理論設(shè)計(jì)的某型動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)實(shí)物圖。

圖7　利用人機(jī)工程學(xué)理論設(shè)計(jì)的動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)

初步方案優(yōu)化方案1設(shè)備布置(1)牽引控制器位置不變;(2)無(wú)線話筒和關(guān)門(mén)顯示燈布置在面板的左側(cè),無(wú)線顯示器和故障顯示器在面板的右側(cè);(1)牽引控制器位置不變;(2)無(wú)線話筒和關(guān)門(mén)顯示燈布置在面板的右側(cè),無(wú)線顯示器和故障顯示器在面板的左側(cè);2設(shè)備操作空間牽引手柄與無(wú)線話筒操作空間部分重疊:(1)無(wú)線話筒固定,操作牽引手柄時(shí),經(jīng)測(cè)量,兩者的最小設(shè)計(jì)間距為4.5mm,最小實(shí)物測(cè)量間距為6mm;操作中,在最小間隙處司機(jī)的手與無(wú)線話筒存在輕微摩擦。(2)牽引手柄在中低檔位,拿起或掛起無(wú)線話筒時(shí),話筒引出線可能纏繞在牽引手柄上,影響牽引控制器的正常使用。牽引手柄與無(wú)線話筒手柄操作空間不沖突,在操作時(shí),可以很好的解決初步方案中出現(xiàn)的問(wèn)題,設(shè)備操作方便、舒適。3操作效率當(dāng)牽引手柄在中低檔位時(shí),由于牽引手柄在前,無(wú)線話筒在后,司機(jī)的手臂需要越過(guò)牽引手柄去操作操作無(wú)線話筒,影響了操作的直達(dá)性和效率。牽引手柄和無(wú)線話筒操作空間不重疊,設(shè)備操作快速、便捷、高效。4操作安全性牽引手柄和無(wú)線話筒操作空間重疊,操作過(guò)程中可能出現(xiàn)誤操作:操作牽引手柄時(shí)可能把無(wú)線手柄碰掉;操作無(wú)線話筒時(shí)話筒引出線可能牽引手柄換擋牽引手柄和無(wú)線話筒操作空間不重疊,設(shè)備操作安全可靠。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備安裝在高速動(dòng)車(chē)組司控臺(tái)上，對(duì)司控臺(tái)的合理布局以及人性化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在司控臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分利用人機(jī)工程學(xué)理論研究成果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理布置，得到有利于人機(jī)效能的充分發(fā)揮和保障列車(chē)行駛安全的司控臺(tái)設(shè)備布置方案。

[1]丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[2]國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn) UIC651-2002 機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)、動(dòng)車(chē)組和駕駛拖車(chē)的司機(jī)室設(shè)計(jì)[S].

[3]陶林.人機(jī)工程學(xué)在動(dòng)車(chē)組操縱臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].沿海企業(yè)與科技，2013，152(1)：34-37.

Design Optimization of Console Device Layout in the High-speed EMU Cab Based on the Ergonomics

ZHANG Yongming, TIAN Peng, LIU Binpu

(CRRC QingDao SiFang Co.,Ltd., Qingdao 266111 Shandong, China)

As an equipment reflecting man-machine interaction in cab of high-speed EMU, the cab console serves the driver in obtaining information, making decision, controlling train systems and fulfilling driving tasks. Therefore, the reasonable layout and ergonomic design of cab console are of vital importance to ensure the adequate man-machine efficiency and train running safety. This essay introduces the ergonomic arrangement proposals for cab console and relevant regional improvements, so as to work out an equipment arrangement proposal with the best ergonomic performance.

High-speed EMU; cab console; equipment arrangement; ergonomics; design optimization

1008-7842 (2016) 01-0030-04

??)男，工程師(

2015-08-31)

U266

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.07