基于注意力分配的高鐵操縱臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

許永生 ，李麗麗 ，吳尤荻 ，支錦亦 ，向澤銳 ，張潤(rùn)芝

（1. 西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院, 四川 成都611756；2. 西南交通大學(xué)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所, 四川 成都611756）

高速列車駕駛室作為司機(jī)獲取信息、作出決策、對(duì)有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制并駕駛列車完成各種任務(wù)的工作場(chǎng)所，同時(shí)也是保證列車安全最重要的作業(yè)場(chǎng)所[1]. 操縱臺(tái)界面布局設(shè)計(jì)情況將直接影響到列車行駛的安全、效率[2-3]. 因此對(duì)操縱臺(tái)界面進(jìn)行合理的人機(jī)分析和研究，以達(dá)到較佳的人機(jī)匹配度，給司機(jī)提供一個(gè)方便舒適的操作空間，可以減少司機(jī)體力、心理疲勞，降低人為誤操作帶來(lái)的安全隱患，更好地保證列車行駛安全[4-5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)操縱臺(tái)界面布局設(shè)計(jì)一直存在著廣泛的關(guān)注和高度的重視. 早期的人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用二維或三維的物理人體模型，如美國(guó)福特公司按照人在駕駛過(guò)程中的身體姿態(tài)制成關(guān)節(jié)可以活動(dòng)的二維人體模板，分析產(chǎn)品尺寸特性與人體尺度的相合性[6]. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，Bonney等[7]提出了根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)重要性進(jìn)行布局設(shè)計(jì) 的CAPABLE (controls and panel arrangement by logical evaluation)模型；Pulat等[8]研究了一個(gè)采用人體工程學(xué)進(jìn)行大型控制面板布局設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序LAYGEN （layout generator）模型；Jung等[9]提出了一種結(jié)合人體工程學(xué)原理和設(shè)計(jì)約束的交互式迭代控制面板布局方法CSP (corporate social performance)模型；陳德鈞等[10]利用RULA （rapid upper limb assessment）姿勢(shì)負(fù)荷評(píng)價(jià)方法將司機(jī)駕駛作業(yè)動(dòng)作因素定量化，提出了一種基于人因素和幾何位置匹配因素的操縱臺(tái)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；支錦亦等[11]梳理了不同駕駛顯示界面布局類型及元素編碼，及其對(duì)用戶搜索策略、識(shí)別效率、注意力和認(rèn)知負(fù)荷影響的研究現(xiàn)狀；詹自翔[12]引入高速列車司機(jī)信息處理模型，基于VACP理論提出了基于駕駛?cè)蝿?wù)的高速列車駕駛界面布局與適配性評(píng)價(jià)方法.綜上，較多研究側(cè)重從理論的角度出發(fā)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)，以最大化地實(shí)現(xiàn)人體尺度相合性和操作便捷性. 本文從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，采用模擬駕駛系統(tǒng)，通過(guò)分析駕駛員注意力分配情況進(jìn)行高鐵操縱臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，為駕駛員提供更好的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)為今后的設(shè)計(jì)提供原則及參考.

1 研究思路

1.1 高鐵操縱臺(tái)界面的信息構(gòu)成

高鐵操縱臺(tái)是駕駛員對(duì)列車進(jìn)行整體控制、落實(shí)并完成各項(xiàng)任務(wù)的作業(yè)空間，具有空間狹小、操作顯示設(shè)備多的特點(diǎn)，是人機(jī)關(guān)系最復(fù)雜、最核心的區(qū)域之一[13]. 以CRH380D列車模擬駕駛臺(tái)為例，其操縱臺(tái)界面的信息主要分為3類，結(jié)構(gòu)分析如圖1所示（“撒砂”按鈕只在模擬駕駛臺(tái)上有，實(shí)車上沒有）.

為了分析駕駛員在CRH380D模擬駕駛臺(tái)的注意力分配情況，將其人機(jī)界面劃分為多個(gè)不同興趣區(qū)（AOI）：AOI1～AOI5為豎直操作面上的各系統(tǒng)顯示屏，以系統(tǒng)顯示屏簡(jiǎn)稱；AOI6為控制手柄；水平操作面上的各開關(guān)按鈕按其功能分組，分為AOI7～AOI15，以開關(guān)按鈕簡(jiǎn)稱，如圖1所示.

圖1 CRH380D列車模擬駕駛臺(tái)Fig. 1 Composition of CRH380D train simulator

1.2 注意力分配研究路線

將駕駛員在駕駛過(guò)程中的注意力分配情況劃分為3個(gè)維度：視覺層、行為層、心理層，并通過(guò)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，如圖2所示. 視覺層的注意力分配情況主要通過(guò)眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)采集，行為層通過(guò)駕駛員的操作軌跡進(jìn)行分析，心理層采用NASA-TLX量表[14]（美國(guó)航空航天局任務(wù)負(fù)荷指數(shù)量表）進(jìn)行評(píng)估. 結(jié)合與駕駛員的訪談，總結(jié)出高鐵操縱臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，并得出設(shè)計(jì)方案.

圖2 注意力分配情況Fig. 2 Attention distribution

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與儀器

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試地點(diǎn)為成都鐵路局成都機(jī)務(wù)段的動(dòng)車運(yùn)用車間，實(shí)驗(yàn)所采用的仿真平臺(tái)為成都機(jī)務(wù)段駕駛員平時(shí)用來(lái)練習(xí)和培訓(xùn)的，與實(shí)車比例1∶1的CRH380D列車模擬駕駛臺(tái)，可以使駕駛員在虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)真實(shí)的駕駛操作. 駕駛員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的駕駛行為特性通過(guò)眼動(dòng)儀設(shè)備進(jìn)行采集和分析，實(shí)驗(yàn)所用的儀器為Tobii Pro Glasses 2可穿戴式眼動(dòng)儀，其配備有Tobii Pro Lab數(shù)據(jù)分析軟件.

2.2 被 試

選取成都鐵路局成都機(jī)務(wù)段動(dòng)車運(yùn)用車間14名駕駛員，全部男性，年齡27.0～42.0歲，平均31.3歲，駕齡0.5～8.0年不等，受教育程度均為大專及以上水平. 正式實(shí)驗(yàn)前，被試需要保證8 h的充分休息，配合完成眼動(dòng)儀設(shè)備的調(diào)試，并接受實(shí)驗(yàn)任務(wù)介紹.

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)基于眼動(dòng)追蹤技術(shù)，對(duì)CRH380D列車模擬駕駛臺(tái)的人機(jī)界面布局進(jìn)行分析，結(jié)合NASATLX量表評(píng)估駕駛員對(duì)操作任務(wù)的主觀工作負(fù)荷.模擬路段選取“成都東站—簡(jiǎn)陽(yáng)南站”，將駕駛過(guò)程分為發(fā)車準(zhǔn)備、正線行駛、停車制動(dòng)3個(gè)任務(wù). 實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)環(huán)節(jié)：1） 實(shí)驗(yàn)前：向被試介紹實(shí)驗(yàn)任務(wù)，穿戴并調(diào)試眼動(dòng)儀設(shè)備；2） 實(shí)驗(yàn)中：被試先按照自己在真實(shí)駕駛環(huán)境下的操作習(xí)慣依次完成操作任務(wù)，隨后填寫NASA量表，此過(guò)程全程錄像；3） 實(shí)驗(yàn)后：引導(dǎo)被試進(jìn)入訪談室，對(duì)被試進(jìn)行訪談，填寫從“成都東—簡(jiǎn)陽(yáng)南”整個(gè)駕駛過(guò)程的NASA量表，同時(shí)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程.

2.4 指標(biāo)選擇

根據(jù)研究需要，擬選擇注視時(shí)間、注視點(diǎn)數(shù)量、熱點(diǎn)圖、眼動(dòng)軌跡圖、NASA-TLX量表分?jǐn)?shù)作為分析指標(biāo)，各指標(biāo)具體含義如[15]下：1） 注視時(shí)間表示落在AOI的所有注視點(diǎn)的時(shí)間總和；2） 注視點(diǎn)數(shù)量是指落在AOI的所有注視點(diǎn)數(shù)量；3） 熱點(diǎn)圖，用以反映注視點(diǎn)具體的空間分布情況，采用顏色深淺程度反映注視時(shí)間的長(zhǎng)短；4） 眼動(dòng)軌跡圖用以反映被試的眼跳情況，是度量界面布局合理性的重要指標(biāo)；5） NASA-TLX量表是一種主觀的工作量評(píng)估工具，主要用途是對(duì)操作各種人機(jī)系統(tǒng)的操作人員進(jìn)行主觀的工作量評(píng)估：由腦力需求、體力需求、時(shí)間需求、業(yè)績(jī)水平、努力程度、受挫程度6個(gè)維度組成，是迄今使用最為廣泛的主觀工作負(fù)荷評(píng)估工具之一，能有效評(píng)估主觀心理負(fù)荷，具有較高的信效度.

3 結(jié)果與討論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取了14名被試進(jìn)行眼動(dòng)數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示. 其中，有效數(shù)據(jù)12個(gè)，將有效數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Tobii Pro Lab軟件中進(jìn)行分析．

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 3 Experimental site

3.1 AOI數(shù)據(jù)分析

經(jīng)軟件分析，駕駛員在執(zhí)行發(fā)車準(zhǔn)備、正線行駛、停車制動(dòng)3個(gè)任務(wù)時(shí)，其在各AOI內(nèi)的平均注視時(shí)間、注視時(shí)間占比、注視點(diǎn)數(shù)量如表1所示. 由表1可以看到：

表1 AOI數(shù)據(jù)Tab. 1 AOI data

1） 系統(tǒng)顯示屏方面，發(fā)車準(zhǔn)備任務(wù)時(shí)的注視時(shí)間和注視點(diǎn)數(shù)量 AOI3 （ATP）>AOI4 （TCMS1）?AOI1 （CIR）>AOI2 （TCMS2）；正線行駛和停車制動(dòng)任務(wù)時(shí)AOI3 （ATP）? AOI4 （TCMS1）> AOI2（TCMS2）> AOI1 （CIR），其中AOI5作為ATP備用屏,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未被使用，因此不計(jì)入分析. 由此可得：① 3個(gè)任務(wù)中，AOI3 （ATP）在注視時(shí)間和注視點(diǎn)數(shù)量方面都是以絕對(duì)的占比優(yōu)勢(shì)占據(jù)第一位，可以理解為在整個(gè)駕駛過(guò)程中注意力分配最高；② AOI4 （TCMS1）的注視時(shí)間和注視點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)大于AOI2 （TCMS2），經(jīng)與駕駛員訪談得知，TCMS2與TCMS1為同一系統(tǒng)，一個(gè)為主一個(gè)為輔，發(fā)車準(zhǔn)備和停車制動(dòng)時(shí)，駕駛員可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣選擇使用其中一個(gè)或兩個(gè)，正線行駛過(guò)程中一般要求主屏幕顯示列車狀態(tài)、輔屏幕顯示激活界面.

2） 開關(guān)按鈕方面，發(fā)車準(zhǔn)備任務(wù)中，注視時(shí)間和注視點(diǎn)數(shù)量占比最高的為AOI9，其次為AOI12，表明駕駛員注意力在AOI9和AOI12分配比較高，這也與駕駛員上電作業(yè)中的“制動(dòng)試驗(yàn)”和“升弓作業(yè)”相吻合；正線行駛?cè)蝿?wù)中，駕駛員在AOI7～AOI15的平均注視時(shí)間皆小于1 s，注視時(shí)間占比皆小于1%，其在正線行駛?cè)蝿?wù)時(shí)注意力絕大部分分配給了系統(tǒng)顯示屏；停車制動(dòng)任務(wù)中，駕駛員平均注視時(shí)間、注視時(shí)間百分比、注視點(diǎn)數(shù)量最高的都為AOI8 （關(guān)閉左門、打開左門、釋放左門），實(shí)驗(yàn)任務(wù)為簡(jiǎn)陽(yáng)南站左站臺(tái)停車，表明開關(guān)按鈕方面，“開左門”占用駕駛員注意力分配最高. 總體來(lái)說(shuō)，數(shù)量眾多的開關(guān)按鈕相比系統(tǒng)顯示屏來(lái)說(shuō)，注意力分配并不高，甚至有些開關(guān)按鈕如AOI7 （鳴笛按鈕）、AOI13 （聯(lián)掛/洗車旋鈕、操縱模式切換）、AOI15 （隧道模式按鈕）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未被使用.

3.2 熱點(diǎn)圖

經(jīng)Tobii Pro Lab軟件分析，生成了發(fā)車準(zhǔn)備、正線行駛、停車制動(dòng)3個(gè)任務(wù)的熱點(diǎn)圖，為了更直觀地顯示結(jié)果，將模擬駕駛臺(tái)底圖進(jìn)行了灰度處理，最終效果如圖4所示. 熱點(diǎn)圖展示出了駕駛員在操縱臺(tái)上的注意力分布情況：紅色區(qū)域代表駕駛員的注視最集中，黃色和綠色區(qū)域的注視相對(duì)較少. 從圖4（a）可以看出：駕駛員視覺注意力分配集中在ATP、TCMS1，開關(guān)按鈕方面，注視最集中的是AOI9的停放制動(dòng)按鈕. 相比較圖4（a）、（c），圖4（b）中開關(guān)按鈕的注視更少，視覺注意力相比更集中于系統(tǒng)顯示屏，視覺集中點(diǎn)以ATP、前方視野、TCMS1上方的恒速顯示器這3點(diǎn)呈三角形. 由圖4（c）可知：駕駛員視覺注意力分配依舊集中在ATP，其他系統(tǒng)顯示屏的注視很少，開關(guān)按鈕方面，熱點(diǎn)圖多以點(diǎn)狀分布在打開左門、釋放左門、停放制動(dòng)、鑰匙開關(guān)、降弓按鈕等開關(guān)按鈕上；相比前兩個(gè)任務(wù)，開關(guān)按鈕使用得更多. 3個(gè)任務(wù)中ATP都是駕駛員視覺關(guān)注重點(diǎn)區(qū)域，這也和AOI數(shù)據(jù)相吻合，因此在布局設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮.

圖4 熱點(diǎn)圖Fig. 4 Heat map

3.3 眼動(dòng)軌跡圖和操作軌跡圖

鐵路方面為確保駕駛員的工作流程合乎規(guī)范，駕駛員需接受近乎嚴(yán)苛的“半軍事化”管理和紀(jì)律約束，每個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)都要達(dá)到“一次做對(duì)”. 另外，駕駛員值乘時(shí)有“手指” “眼觀” “口呼”的操作規(guī)范，不僅要看著信號(hào)或指令，還必須手指著信號(hào)或指令，大聲朗讀復(fù)誦出來(lái)，以此確保操作全部正確. 且駕駛員需要攜帶《動(dòng)車組關(guān)鍵作業(yè)提示卡控表》進(jìn)行值乘任務(wù)，并嚴(yán)格按照表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程執(zhí)行，每執(zhí)行完一項(xiàng)都需要在表上勾畫后再執(zhí)行下一項(xiàng). 所以駕駛員的操作流程是近乎一致的. 通過(guò)Tobii Pro Lab軟件分析，進(jìn)一步得到眼動(dòng)軌跡圖. 根據(jù)維度的不同，單一分析眼動(dòng)軌跡圖具有局限性，因此將視覺層的眼動(dòng)軌跡圖與行為層的操作軌跡圖結(jié)合分析.

3.3.1 發(fā)車準(zhǔn)備

發(fā)車準(zhǔn)備任務(wù)的操作流程一般包括激活作業(yè)（手柄歸位、插入主控鑰匙、登錄TCMS）—升弓作業(yè)—制動(dòng)試驗(yàn)—ATP設(shè)置—CIR設(shè)置—狀態(tài)確認(rèn)6個(gè)步驟，其操作軌跡圖與眼動(dòng)軌跡圖分別如圖5（a）、（b）所示. 由圖5可以看出：駕駛員的眼動(dòng)軌跡與任務(wù)步驟的順序有關(guān)，且由于駕駛員需要用眼睛確認(rèn)很多信息，例如插入主控鑰匙后需要確認(rèn)系統(tǒng)顯示屏啟動(dòng)正常，所以駕駛員視覺注意力比起行為更加復(fù)雜，集中在ATP與TCMS1. 大部分駕駛員由于右利手的關(guān)系，在發(fā)車準(zhǔn)備任務(wù)中只使用右邊的TCMS1，避免了駕駛員的視線和操作在兩TCMS之間來(lái)回跳轉(zhuǎn)，使其注意力更集中.

圖5 發(fā)車準(zhǔn)備Fig. 5 Preparation for departure

開關(guān)按鈕方面，占用駕駛員注意力的有插入主控鑰匙時(shí)使用的“鑰匙開關(guān)”、升弓作業(yè)中使用的“升弓按鈕”、制動(dòng)試驗(yàn)中使用的“停放制動(dòng)”. 一般情況下“鑰匙開關(guān)”與“升弓按鈕”使用1次，“停放制動(dòng)按鈕”需要使用2次. 從按鈕的注視點(diǎn)來(lái)看，以“停放制動(dòng)”按鈕為例，其注視點(diǎn)沒有精確地聚集，反而覆蓋了從“關(guān)閉左門”到“撒砂”6個(gè)按鈕，在AOI8和AOI9兩個(gè)興趣區(qū)范圍內(nèi). 目前的按鈕布局，駕駛員的注意力并不能精準(zhǔn)地分配給自己所需要的按鈕.

3.3.2 正線行駛

駕駛過(guò)程中，正線行駛的時(shí)長(zhǎng)是遠(yuǎn)超發(fā)車準(zhǔn)備和停車制動(dòng)的，駕駛員在漫長(zhǎng)的正線行駛中，如果注意力太過(guò)分散，很容易產(chǎn)生疲勞，甚至錯(cuò)過(guò)某些信息，影響行車安全. 正線行駛?cè)蝿?wù)的眼動(dòng)軌跡與操作軌跡如圖6所示（藍(lán)色為眼動(dòng)軌跡、橙色為操作軌跡），由圖6可以看到：注視核心為ATP，駕駛員的視線大多在ATP，TCMS1上方的恒速顯示器、前方視野三者之間來(lái)回跳轉(zhuǎn)； 控制手柄、左右TCMS、手動(dòng)過(guò)分相、DSD按鈕占用少部分注意力，但這是行車過(guò)程中所必須的；相較發(fā)車準(zhǔn)備和停車制動(dòng)任務(wù)，正線行駛?cè)蝿?wù)的視覺注視點(diǎn)更為集中.

圖6 正線行駛Fig. 6 Main track driving

操作方面，以右手操作手柄為主，相對(duì)簡(jiǎn)單. 但是單調(diào)的動(dòng)作駕駛員也比較容易走神，因此，為保證駕駛過(guò)程中駕駛員注意力的高度集中，高鐵配備了“無(wú)人警惕裝置”. 以CRH380D列車為例，有腳踏板和DSD按鈕兩種方式，要求駕駛員每隔30 s要踩一次踏板，或按一次DSD按鈕. 經(jīng)訪談得知，駕駛員基本都采取踩踏板的方式，主要原因是其需要駕駛很多不同型號(hào)的高鐵，一些高鐵內(nèi)并沒有按鈕這種方式，從而習(xí)慣了踩踏板.

3.3.3 停車制動(dòng)

停車制動(dòng)任務(wù)的操作步驟包括：減速到站—手柄歸位—開左門（本次實(shí)驗(yàn)為左站臺(tái)停車）—施加停放制動(dòng)—降弓作業(yè)—注銷CIR—拔取主控鑰匙7個(gè)步驟，其操作軌跡與眼動(dòng)軌跡分別如圖7（a）、（b）所示. 此任務(wù)中需要使用的按鈕有：開左門時(shí)的“釋放左門” “打開左門”，施加停放制動(dòng)時(shí)的“停放制動(dòng)按鈕”，降弓作業(yè)中的“降弓按鈕”和拔取主控鑰匙時(shí)的“鑰匙開關(guān)”，在3個(gè)任務(wù)中按鈕的操作最多. 訪談中駕駛員表示占用最多注意力的為“釋放左門”“打開左門”按鈕，有兩個(gè)特別注意點(diǎn)：一是怕誤開，例如左站臺(tái)停車需要開左門，卻誤開成右門，很可能威脅到乘客的生命安全，造成重大事故；另一個(gè)是怕誤碰，為此在正式值乘任務(wù)前，鐵路部門會(huì)給駕駛員發(fā)放“防誤蓋”，用來(lái)蓋住“打開車門” “關(guān)閉車門” “停放制動(dòng)”按鈕. 要想實(shí)現(xiàn)左門打開，必須先按“釋放左門”再按“打開左門”按鈕，已經(jīng)考慮到了一定的防護(hù)，但駕駛員表示為了多重防護(hù)“防誤蓋”是必須的. 駕駛室操縱臺(tái)本來(lái)就空間小、設(shè)備多，這無(wú)疑耗費(fèi)了駕駛員的注意力，加重了駕駛員的負(fù)荷.

圖7 停車制動(dòng)Fig. 7 Parking brake

3.4 NASA量表

14名被試完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，立即填寫單個(gè)任務(wù)的NASA量表，其得分結(jié)果如表2所示（這里省略掉權(quán)重評(píng)估部分直接計(jì)算項(xiàng)目得分），將其繪制成雷達(dá)圖如圖8所示. 由表2及圖8可知：3個(gè)任務(wù)的共性是，駕駛員主觀認(rèn)為，腦力需求遠(yuǎn)大于體力需求，駕駛高鐵更多是個(gè)“腦力活”，需要高度的注意力集中；發(fā)車準(zhǔn)備的時(shí)間需求、努力程度、受挫程度都比較高，表明這一任務(wù)相對(duì)復(fù)雜，可以通過(guò)設(shè)計(jì)為駕駛員適當(dāng)減負(fù)；停車制動(dòng)這一任務(wù)的腦力需求最高，這也和駕駛員開車門時(shí)需要再三考慮有關(guān)，正線行駛的腦力需求最低，這也和熱點(diǎn)圖和軌跡圖的分析相吻合.

表2 單個(gè)任務(wù)得分Tab. 2 Individual task score 分

圖8 雷達(dá)圖（單位：分）Fig. 8 Radar chart (unit: points)

駕駛?cè)蝿?wù)完成后，引導(dǎo)被試進(jìn)入訪談室，回憶從“成都東站—簡(jiǎn)陽(yáng)南站”整個(gè)駕駛過(guò)程，填寫NASA量表，得出總體工作量得分，具體分值如表3所示.平均值53.48分，表明駕駛員的主觀心理負(fù)荷相對(duì)較高，進(jìn)而影響駕駛員注意力集中，需要對(duì)操縱臺(tái)人機(jī)界面進(jìn)一步優(yōu)化，以減輕駕駛員的工作負(fù)荷.

表3 整個(gè)駕駛過(guò)程的總體工作量得分Tab. 3 Overall workload score of the whole driving process 分

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 高鐵操縱臺(tái)界面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

1） 根據(jù)系統(tǒng)顯示屏、開關(guān)按鈕的注意力分配多少進(jìn)行布局設(shè)計(jì)

根據(jù)駕駛員在3個(gè)任務(wù)中的AOI數(shù)據(jù)、熱點(diǎn)圖等可得到，高鐵駕駛室操縱臺(tái)上各系統(tǒng)顯示屏、開關(guān)按鈕的注意力分配情況. 例如占用最多注意力的為ATP，其次為TCMS1，TCMS1相比TCMS2占用更多注意力. 開關(guān)按鈕方面，駕駛員分配較多注意力的為開車門、停放制動(dòng)、升降弓按鈕，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得其擺放位置更加明顯，駕駛員可以更快地將其鎖定，減少駕駛員的搜尋時(shí)間和努力程度.

2） 簡(jiǎn)化或縮短任務(wù)步驟的工作路徑，減少駕駛員的注意力消耗

在漫長(zhǎng)的駕駛過(guò)程中，駕駛員需要時(shí)刻保持注意力集中，但人的注意力都是有限的，可從眼動(dòng)軌跡圖與操作軌跡圖入手，簡(jiǎn)化或縮短駕駛員的眼動(dòng)軌跡與操作軌跡，減輕駕駛員的路徑，減少注意力消耗；例如，漫長(zhǎng)的列車行駛過(guò)程中，駕駛員需不斷地確認(rèn)ATP、恒速、前方視野信息，三角形的視線軌跡，很容易造成肩頸疲勞，可通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)簡(jiǎn)化駕駛員的動(dòng)作.

3） 避免誤操作，最大程度保證行車安全

保障行車安全作為駕駛員工作的重中之重，也是操縱臺(tái)界面布局設(shè)計(jì)的重點(diǎn). 為避免誤操作，駕駛員需時(shí)刻保持高度的注意力和警覺性. 駕駛員方面可能會(huì)造成的誤操作有誤碰按鈕、按錯(cuò)按鈕等,解決誤操作問(wèn)題可以從以下著手：一方面需要做好按鈕的防護(hù)，另一方面需要提高按鈕的可識(shí)別性，此外還可以設(shè)計(jì)一些輔助手段，例如開車門步驟中，如需開左門，“釋放左門”與“打開左門”按鈕以發(fā)光的形式輔助駕駛員確認(rèn)，可以減少駕駛員的心理負(fù)荷. 保證行車安全最需要的還是駕駛員保持高度的注意力集中，目前的“無(wú)人警惕裝置”，無(wú)論踏板還是按鈕都是機(jī)械重復(fù)的動(dòng)作，有一定的局限性，未來(lái)可以采用腦電波來(lái)監(jiān)測(cè)駕駛員的注意力分散情況.

4） 人性關(guān)懷設(shè)計(jì)，減少駕駛員的注意力分散

高鐵駕駛中，駕駛員除需要攜帶防誤蓋之外，還需要攜帶對(duì)講機(jī)、GSMR手持機(jī)、手賬、點(diǎn)牌、卡牌、卡控表等上車，然后按自己的習(xí)慣擺放在操縱臺(tái)空閑位置上，讓本來(lái)狹小的操縱臺(tái)面更加擁擠，設(shè)備、文件增多會(huì)增加操縱臺(tái)的凌亂感，從而分散駕駛員的注意力. 可以通過(guò)人性化的布局設(shè)計(jì)，幫助駕駛員更合理地規(guī)劃物品的擺放，使其擺放更加有條理，從而使得駕駛員的注意力更加集中.

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，對(duì)CRH380D駕駛室操縱臺(tái)界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用Rhino建模、Keyshot渲染，得到設(shè)計(jì)方案如圖9所示.

圖9 設(shè)計(jì)方案Fig. 9 Design scheme

4.2.1 系統(tǒng)顯示屏

1） 在ATP上面加一個(gè)恒速顯示，ATP、恒速、前方視野三點(diǎn)一線，可以極大簡(jiǎn)化正線行駛中駕駛員的眼動(dòng)軌跡，如圖9中綠色軌跡所示，相比原布局簡(jiǎn)化了眼動(dòng)軌跡，使得注意點(diǎn)更加集中.

2） 將原TCMS2與ATP備用屏調(diào)換，TCMS2與TCMS1本為同一系統(tǒng)，駕駛員根據(jù)自己的使用習(xí)慣選擇使用其中一個(gè)或兩個(gè)，大部分駕駛員由于右利手的關(guān)系在發(fā)車準(zhǔn)備和停車制動(dòng)時(shí)只使用TCMS1屏，實(shí)驗(yàn)也證明駕駛員在TCMS1的注意力分配遠(yuǎn)大于TCMS2. ATP作為整個(gè)駕駛過(guò)程中注意力分配最多的設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，原布局中ATP備用屏在最右方，駕駛員眼動(dòng)軌跡便是鈍角三角形，不利于駕駛. 因此將原TCMS2與ATP備用屏調(diào)換.

4.2.2 開關(guān)按鈕

1） 將在駕駛過(guò)程中禁止使用，只在高鐵停車場(chǎng)偶爾使用的“汽笛”按鈕從水平操縱臺(tái)去掉，改到CIR系統(tǒng)旁，減少操縱臺(tái)上的按鈕數(shù)量；

2） 駕駛員為防止誤開門釀成重大事故，在開關(guān)門上投入了大量的注意力，因此將 “關(guān)閉左門”“打開左門” “釋放左門”按鈕下沉設(shè)計(jì)，起到多重防護(hù)的作用，可省去駕駛員自帶“防誤蓋”將其蓋住. “關(guān)閉右門” “打開右門” “釋放右門”同理. 到站停車后，開門側(cè)的按鈕槽內(nèi)會(huì)閃光提醒，使得駕駛員操作更加簡(jiǎn)單直接，最大程度地避免開錯(cuò)門；

3） 將駕駛過(guò)程中占用部分注意力的“DSD按鈕”與平時(shí)不使用的“旁路旋鈕”位置調(diào)換，使得“DSD按鈕”位于這一組按鈕的最右面，更方便駕駛員辨認(rèn)使用；

4） 將升弓、降弓兩個(gè)按鈕合為一個(gè)，向上推即為升弓，向下推即為降弓，更直觀易操作，可省去駕駛員辨認(rèn)按鈕的時(shí)間，減少注意力消耗；

5） 將“保持制動(dòng)”與“停放制動(dòng)”按鈕改到TCMS1的下方. “停放制動(dòng)”按鈕與TCMS、升降弓按鈕、手柄操作比較密切. 以發(fā)車準(zhǔn)備為例，“升弓作業(yè)”中TCMS顯示受電弓升起后，就需要在“制動(dòng)試驗(yàn)”中施加“停放制動(dòng)”、TCMS顯示制動(dòng)試驗(yàn)完成后、手柄歸位后，便需要緩解“停放制動(dòng)”，完整的發(fā)車準(zhǔn)備操作軌跡如圖9（a）中橙色軌跡所示，相比圖5（a）中原操作軌跡縮短許多、集中許多，有利于駕駛員注意力集中；

6） 將原操作臺(tái)最后邊的“隧道模式”按鈕，移到與聯(lián)掛/洗車、操作模式切換成一組，使得按鈕更加集中，也使得最右面占用更多注意力的“關(guān)閉右門”“打開右門”“釋放右門”組更加突出.

4.2.3 人性化設(shè)計(jì)

在操縱臺(tái)駕駛員正前方設(shè)計(jì)固定紙張的夾子，操縱臺(tái)下設(shè)計(jì)可以掛住對(duì)講機(jī)、GSMR手持機(jī)的小籃子，里面可以放一些紙巾等私人物品. 此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)物品更規(guī)律地?cái)[放，還給駕駛員更大的操作空間，避免駕駛員因操縱臺(tái)上物品太多，從而分散注意力的情況.

5 結(jié) 論

本文以駕駛員的注意力分配為切入點(diǎn)，通過(guò)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)的形式，結(jié)合與駕駛員的訪談，從視覺層、行為層、心理層3個(gè)維度分析出駕駛員在CRH380D列車模擬駕駛臺(tái)界面的注意力分配情況.總結(jié)出高鐵操縱臺(tái)界面布局設(shè)計(jì)的原則，并以CRH380D列車為例，得到其布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案. 本研究結(jié)果可為高鐵操縱臺(tái)界面布局設(shè)計(jì)提供原則及參考，有助于優(yōu)化駕駛員的駕駛體驗(yàn)、提升其工作效率、保障行車安全，具有非常重要的社會(huì)意義和應(yīng)用價(jià)值.