人因工效學在ATS系統(tǒng)界面中的應用

陳少杰　陳凈蓮

摘要：分析了人因工效學認知負荷理論，歸納了ATS系統(tǒng)界面的人因工效學特點。從認知負荷的三個來源的角度提出ATS界面改進方法，并對ATS系統(tǒng)界面的布局、背景、色彩進行了分析和設計，以幫助提高調(diào)度員操作ATS系統(tǒng)時的工效。

關鍵詞：ATS系統(tǒng)界面 人因工效學 認知負荷

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）03-0152-02

引言

ATS系統(tǒng)是列車調(diào)度員實施在線列車運行狀況監(jiān)控和實施調(diào)度作業(yè)的載體，對于保障全線列車安全按照運行計劃圖運行具有重要的意義。系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能為：自動記錄列車運行實跡，自動生成列車運行時刻表，自動排列進路，列車運行自動調(diào)整，列車運行和設備狀態(tài)自動監(jiān)視等主要功能。隨著列車控制技術不斷發(fā)展和調(diào)度系統(tǒng)的更新，ATS系統(tǒng)界面的顯示元素和控制內(nèi)容越來越多，雖然優(yōu)化了調(diào)度工作，卻也增加了調(diào)度人員的工作強度。系統(tǒng)界面的人因工效學特性對于調(diào)度員進行調(diào)度作業(yè)的效率和準確性起著關鍵作用，因此如何有效優(yōu)化系統(tǒng)界面的人因工效學特性成為了亟待解決的問題。本文以ATS系統(tǒng)界面為基礎，從人因工效學認知負荷理論的角度，探究改進ATS界面的設計方法，以改進ATS系統(tǒng)界面的人因工效特征。

一、人因工效學理論

（一）人因工效學理論

人因工效學又稱人類工效學，是一門人體科學、工程技術、環(huán)境科學以及社會科學等學科的交叉學科，其基本理論是將人、機器和環(huán)境視為一個整體，并且以人為中心，充分考慮人的生理和心理特征，希望達到安全、舒適、健康和高效的目的，以幫助設計者在研制新產(chǎn)品時更加符合人的心理、生理特點等要求，以取得最佳的工作效率。因此，人因工效學的理論分支也是多種多樣的。其中，認知負荷理論就是其中的一個重要分支。

（二）認知負荷理論

認知負荷是人在實施某項任務時進行信息處理所需要的認知資源的總量，該理論最早由心理學家John Sweller、Fred G.W.C.Paas等在20世紀80年代提出，是研究人類的認知特點與信息來源本身之間的相互作用。該理論認為，工作記憶是大腦進行信息處理的主要方面。馬克斯、庫珀和斯威勒指出，面對既定的認知任務，個體產(chǎn)生的認知負荷主要來自三個方面：一是學習材料的性質(zhì)，二是學習材料的呈現(xiàn)方式，三是學習者的已有經(jīng)驗。ATS系統(tǒng)的界面呈現(xiàn)的認知任務較為復雜，用戶從事復雜的認知任務時，由于需要在工作記憶中同時處理多個信息元素，這可能使得容量有限的工作記憶出現(xiàn)超負荷，無法進行有效的信息處理。降低外在認知負荷的最主要方法是最大限度地呈現(xiàn)直接信息，減少冗余信息和無用功能，得工作記憶釋放出足夠的容量來完成認知處理。

（三）ATS系統(tǒng)界面的認知負荷分析

以北京地鐵一號線ATS系統(tǒng)界面為例，界面分為標題欄、菜單欄、設備狀態(tài)區(qū)域、站場圖區(qū)域和告警欄區(qū)域五個部分。其中，標題欄的功能目的是概述顯示界面內(nèi)容的標題和系統(tǒng)模式，菜單欄的功能目的是實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作，設備狀態(tài)區(qū)域的功能目的為實時顯示服務器設備的狀態(tài)，站場圖區(qū)域的功能目的為顯示與運行相關包括站臺、車次窗等設備的狀態(tài)，告警欄的功能目的為以文字的形式顯示運行事件和告警信息。（如圖1）為北京地鐵一號線ATS系統(tǒng)界面。

其中，告警欄對于調(diào)度員觀察和處理異常狀況起著核心作用，北京地鐵一號線站場圖中告警欄處于整個界面底部，并非處于最佳視區(qū)。同時，告警欄顯示的文字行距較小，增加了觀察告警信息時的錯行幾率。而處于最佳視區(qū)的狀態(tài)欄，卻極少使用到。布局的不合理分配，影響了調(diào)度員操作界面時的工效。

對于界面元素色彩，人類的一般辨識特點為能夠較為快速地從三到四種色彩中去辨識其中一種色彩代表的狀態(tài)，即使對于培訓熟練的調(diào)度員，也難以做到快速從六種以上的色彩中快速分辨出每種色彩所代表的含義。ATS界面站場圖部分的計軸區(qū)段、信號機燈和站臺均由六種以上狀態(tài)，每種狀態(tài)分別用一種色相來表示。當各種狀態(tài)交織在一起時，大大增加了調(diào)度員快速讀取狀態(tài)信息的難度。同時，對于各種不同的狀態(tài)，同樣存在著重要性輕重的關系。一般而言，調(diào)度員應優(yōu)先觀察和處理較為重要的狀態(tài)，如果各種狀態(tài)都具有同等的視覺沖擊力，則會增加調(diào)度員篩選更為重要信息的時間，從而增加了調(diào)度員觀察重要信息時的疲勞度。因此，降低界面的布局、背景和色彩中的認知負荷來源，是提升界面人因工效學水平的核心。

二、基于人因功效學的ATS系統(tǒng)界面設計方案

（一）界面的布局設計

布局的工效學特征界面的工效學特征的重要組成部分，界面的布局也只有迎合用戶的特征和習慣才會取得最佳的效果。界面設計中，良好的規(guī)則運用可以引導用戶建立正確的概念模型，讓設計模型與用戶模型自然匹配，引導用戶接收和理解信息，幫助用戶自然、舒適地完成交互，減輕認知負荷，因此，布局的設計應注重協(xié)調(diào)性和最佳視覺區(qū)的規(guī)則。人們對于平面空間的視覺感知是有規(guī)律可循的，在垂直方向上，人們習慣于由上至下觀看，在水平方向上，人們習慣于從左至右觀看。因此，在一個有限的平面內(nèi)，人們的視覺重點有了先左后右，先上后下的規(guī)律，所以，平面左上部和上中部可以稱為“最佳視閾”，重要的信息應盡量落在最佳視區(qū)內(nèi)。同時，同類的內(nèi)容應該整合在一個區(qū)域，如果這些內(nèi)容散落在不同的區(qū)域，用戶為了找尋這些信息，就需要耗費精力去觀察，因而產(chǎn)生多余的認知符合。調(diào)度員使用ATS系統(tǒng)時，主要觀察和操作的區(qū)域是站場圖區(qū)域，但是如果告警欄區(qū)域如果出現(xiàn)未確認的告警信息，則需優(yōu)先處理。同時，標題欄、設備狀態(tài)區(qū)域?qū)τ谡{(diào)度工作的作用較小。綜上所述，界面各區(qū)域的重要性應依次為：告警欄、站場圖區(qū)域和標題欄。

根據(jù)人們的閱讀習慣，標題欄應置于整個界面的最上端，以方便用戶最先對界面的顯示內(nèi)容進行宏觀的認識。由于設備狀態(tài)區(qū)域較少使用，卻占用了界面的最佳視區(qū)，因此該區(qū)域應當設為常規(guī)狀態(tài)下的缺省模式，取而代之的是綜合顯示欄。綜合顯示欄集成了界面中對于調(diào)度最為重要的三個因素，即告警信息、運行狀態(tài)統(tǒng)計和實時時間，處于最佳視區(qū)便于調(diào)度員以最舒適的視角看到，從而保障調(diào)度員以最舒適的視角觀察到，以降低材料的性質(zhì)給用戶帶來的工作負荷。站場界面區(qū)域的抽象目的是實時將在線列車、信號機、計軸區(qū)段等設備設施的狀態(tài)傳達給調(diào)度工作人員，此區(qū)域是執(zhí)行調(diào)度作業(yè)的核心，應以較大面積顯示于另一最佳視區(qū)。由于站場圖區(qū)域只能顯示一條線路運行狀況的局部信息，調(diào)度員無法通過界面進行全線運行狀況的宏觀認識以及實現(xiàn)顯示區(qū)域的快速切換，因此，在界面底部加入導航欄，以減少調(diào)度員進行區(qū)域切換的難度，同時也增加了全局信息的可視化，從而從材料呈現(xiàn)方式的角度減少了認知負荷的來源。界面的布局劃分設計（如圖2）所示。

（二）界面的背景設計

ATS界面的背景和主色調(diào)為輔助元素，對于調(diào)度工作并不起直接的作用。ATS系統(tǒng)界面是調(diào)度員需要長時間保持較高的注意力觀察的界面。長時間保持較高的關注度，會大大增加調(diào)度員操作界面時的工作負荷。因此，界面應選用合理的模塊區(qū)分和合理的色彩選用。對于圖形和色彩這兩種區(qū)分模式，色彩能夠更快地引起人們的關注，因此，采用不同的色彩區(qū)分不同的模塊。朱祖祥、曹立人等發(fā)現(xiàn)，目標與背景色彩的恰當匹配能顯著提高信息的傳遞績效，彩色CRT顯示屏的背景色有以深色為好的趨勢，目標色有以淺色為好的趨勢，白色的背景具有較高的亮度，能夠更快地引起視覺疲勞，對于需要長時間觀察的區(qū)域，深色帶來的視力疲勞度要低于淺色，因此采用深灰作為站場圖區(qū)域和導航欄。藍色熒光粉具有低亮度輸出，藍色位于視網(wǎng)膜的前端，人眼的藍色感光細胞相對于紅、綠色的貧乏，有效降低界面主色調(diào)的視覺沖擊力，可以減少來自界面輔助元素對于關鍵信息篩選的干擾，因此可選用藍色作為界面的主色調(diào)（如圖3）所示。

三、界面的元素色彩設計

ATS系統(tǒng)的復雜度較高，其界面的元素和狀態(tài)均以不同的顏色來區(qū)分，龐大的色彩信息量大大增加了調(diào)度員的操作負荷，同時也降低了調(diào)度員操作界面時篩選重要信息的速度。因此，合理根據(jù)色彩的視覺沖擊力進行元素重要性區(qū)分有利于降低來自界面元素本身帶來的認知負荷。系統(tǒng)界面的色彩層次是指采用圖解手段，使得界面各元素分別處于不同的感知水平上，某些元素凸顯于上層，某些則隱退于下層，從而便于觀察較為重要的內(nèi)容。通過分析北京地鐵調(diào)度員所提出的界面設計需求，調(diào)度員所關注的界面元素的優(yōu)先級為：異常優(yōu)于正常，狀態(tài)優(yōu)于元素，元素優(yōu)于標注。在ATS界面設計中，應選用具有較高亮度和較高飽和度的色彩表達重要信息。例如，故障狀態(tài)是ATS系統(tǒng)中的重要信息，應被調(diào)度員及早發(fā)現(xiàn)和處理，因此，可應用具有較高亮度、較高飽和度和具有警示作用的紫色、橙色來表達；而操作按鍵和主色調(diào)一般不需快速觀察到，因此可采用人眼敏感度相對較低的綠色和藍色，同時降低這兩種色相的明度和飽和度；界面的常規(guī)設備狀態(tài)和標示注解為界面重要性最低的元素，一般而言，調(diào)度員只在需要看到的時候能夠發(fā)現(xiàn)即可，因此選用飽和度和亮度更低的色彩，甚至選用灰色，并降低色彩的飽和度。根據(jù)各元素狀態(tài)的重要性進行視覺等級劃分，能夠減少使用者操作界面時篩選重要信息的時間，從而提高降低調(diào)度員篩選重要信息的認知符合。

另一方面，ATS界面站場圖部分的計軸區(qū)段、信號燈、和站臺均由6種以上狀態(tài)。種種色彩交織在一起，大大增加了調(diào)度員操作界面時的認知負荷。人類的一般辨識特點為能夠較為快速地從三到四種色彩中去辨識其中一種色彩代表的狀態(tài)，即使對于培訓熟練的調(diào)度員，也難以做到快速從六種以上的色彩中快速分析出每種色彩代表的含義。圖形比起色彩，雖然視覺沖擊力較低，但直觀性更強。因此，對于狀態(tài)多于六種的元素，采用色彩和圖形和結(jié)合的原則，從而降低界面元素本身的特性帶來的認知負荷（如圖4）所示。

結(jié)語

界面是人完成某項任務的工具，界面的設計也只有符合人的生理、心理特征時，才能有效降低人們觀察和操作界面的疲勞，從而提高操作工效和降低操作錯誤率。分析界面認知負荷的來源和界面的特征，從界面的布局、色彩和元素的表達形式方面對ATS系統(tǒng)界面進行全新的設計，是有效提升操作ATS系統(tǒng)工效的有力方法，在未來的調(diào)度系統(tǒng)界面設計中必將有著光明的前景。