基于人機工程學的高速動車組司控臺設備布置優(yōu)化設計

張永明， 田　鵬， 劉斌普

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266000)

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基于人機工程學的高速動車組司控臺設備布置優(yōu)化設計

張永明， 田鵬， 劉斌普

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266000)

高速動車組司控臺作為司機室內(nèi)主要的人機交互設備，是司機獲取信息，作出決策并對有關系統(tǒng)進行指令控制、駕駛列車完成各種任務的主要設備。因此司控臺的合理布局以及人性化設計，對于保障人機效能的充分發(fā)揮和列車行駛安全至關重要。本文主要介紹了司控臺的人機工程學設備布置方案以及對其進行局部優(yōu)化，最終得出有利于人機效能的充分發(fā)揮的設備布置方案。

高速動車組； 司控臺； 設備布置； 人機工程學； 優(yōu)化設計

高速動車組司機室是司機獲取信息，作出決策并對有關系統(tǒng)進行指令控制、駕駛列車完成各種任務的工作場所，司控臺作為司機室內(nèi)主要的人機界面設備，司機通過它實現(xiàn)了對列車的操控。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，越來越多的電氣設備應用于高速動車組司機室內(nèi)，給司控臺的設備布局帶來很多困難；人機之間信息交互量急劇增加，使司機的工作負荷越來越大。人機工程學是運用人體測量學、生理學、心理學、生物力學以及工程學等學科的研究方法和手段，綜合進行人機結構、功能、心理以及力學等問題研究的學科[1]。利用人機工程學的理論對高速動車組司控臺進行合理布局，使司機能夠發(fā)揮最大效能的機械、儀器和控制裝置，對于保障人機效能的充分發(fā)揮和列車行駛安全至關重要。

1　司控臺設備的初步布置

(1) 在進行司控臺設計前，依據(jù)高速動車組控制和通信原理，確定了安裝在司控臺上的設備，并對這些設備按照其主要功能特點進行了分類：

① 顯示控制類：ATP顯示屏(2個)、MON顯示屏(2個)、CIR顯示器；

② 儀表指示類：故障顯示器、關門燈、電壓表、雙針壓力表、空調(diào)運行狀態(tài)指示燈；

③ 主控操作類：牽引控制器、制動控制器(含主控鑰匙)、緊急制動開關、VCB合按鈕、VCB斷按鈕、降弓按鈕、復位按鈕、緊急復位按鈕、恒速按鈕、恒速切按鈕；

④ 聯(lián)絡類：無線打印機、無線話筒、廣播話筒；

⑤ 輔助類：刮雨器開關、開關左右門類按鈕、司機室燈開關、頭燈減光開關；

⑥ 其他：監(jiān)視器揚聲器開關、司機室空調(diào)控制類開關、暖風機開關。

為了保證列車安全可靠運行，需要對關鍵的顯示控制設備(ATP顯示屏和MON顯示屏)進行了冗余設計。在列車正常運行時，一個顯示器正常顯示，另一個熱備;當正常顯示的顯示屏出現(xiàn)問題時，可以迅速切換至另一個熱備的顯示屏，保證列車的可靠運行。

(2) 根據(jù)司控臺設備分類及其使用情況，將開關按鈕和儀表進行整理并集中布置，形成了3個集中開關盤和2個集中顯示盤。

① 開關盤1布置了與列車運行緊密相關的主控制類按鈕，包括VCB合按鈕、VCB斷按鈕、降弓按鈕、復位按鈕、緊急復位按鈕、恒速按鈕、恒速切按鈕；

② 開關盤2布置了與司機室空氣環(huán)境有關的開關按鈕及列車左門的控制按鈕，包括2個司機室電暖氣開關、開左門按鈕、關左門按鈕、空調(diào)控制類開關及其指示燈；

③ 開關盤3布置了司機室燈和列車燈的控制開關、列車右門的控制按鈕和監(jiān)控器揚聲器開關；

④儀表顯示盤布置了廣播話筒、無線打印機、電壓表、風壓表、刮雨器開關；⑤CIR及故障顯示器盤布置了CIR顯示器、故障顯示器、無線話筒、關門燈。

(3) 確定了司控臺上需要安裝的設備后，開始對司控臺進行設計。司控臺的設計及操作設備和控制系統(tǒng)的布置、型式和動作方向首先是以人體測量學為基礎的。人在各種工作時都需要有足夠的活動空間，工作位置處的活動空間設計與人體的功能尺寸密切相關。圖1為適用于我國絕大多數(shù)成年人坐姿的活動空間人體尺度，圖1(a)為正視圖，零點在正中矢狀面上，圖1(b)為側視圖，零點在經(jīng)過臀點的垂直線上，并以該垂線與腳底平面的交點為零點。

圖1　坐姿的活動空間[1]

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

點劃線代表上身不動，自肩關節(jié)起手臂向上和向兩側的活動空間；細實線代表上身從髖關節(jié)起向前、向兩側活動時手臂自肩關節(jié)起向前和兩側的活動空間；圓點線代表自髖關節(jié)、膝關節(jié)起腿的伸、曲活動空間。

本司控臺適用于單司機操作模式，司機坐在司控臺中央偏后位置操作各種設備。UIC651-2002標準對司控臺的尺寸(見圖2)和理想的司機操作和視覺范圍(見圖3)進行了推薦[2]。根據(jù)人體坐姿活動空間圖和UIC651標準的推薦確定了司控臺骨架的基本輪廓。

(4) 接下來依據(jù)人機工程學理論對司控臺的設備進行了布置[3]。

① 重要性原則：將最重要的器件布置在最佳位置上。如把影響列車安全可靠運營的ATP顯示屏和MON顯示屏放在司控臺前部中央位置，把主控操作類按鈕布置在司控臺的中央前側；

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；如把制動控制器和牽引控制器放置在司機很容易夠著的司控臺臺面上；

④ 功能性原則：將功能上相關的控制器或顯示器布置在鄰近位置上。如將與列車運行緊密相關的主控制類按鈕安裝在開關盤1上，將跟調(diào)度有關的CIR顯示器和無線話筒放在同一塊面板上；

⑤ 順序性原則：器件的布置應與操作的邏輯保持一致。如將開關左門的按鈕布置司控臺左面的開關盤2上，將開關右門的按鈕布置在司控臺右面的開關盤3上；

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

(5) 最后在CATIA軟件環(huán)境下對司控臺進行了人機工程學三維仿真設計，見圖4。

圖4　司控臺三維仿真設計方案

最終，形成司控臺設備布置初步方案如下：

司控臺立面主要布置顯示類設備，從左往右圓弧狀依次布置儀表顯示盤、ATP顯示屏2、ATP顯示屏1、MON顯示屏1、CIR及故障顯示器盤、MON顯示屏2；

司控臺臺面主要布置手動控制類和按鈕開關類設備，從左往右呈圓弧狀布置開關盤2、制動控制器、開關盤1、牽引控制器、開關盤3，另外將緊急制動開關放置在臺面底部。

2　司控臺設備布置的局部優(yōu)化

(1) 對司控臺設備布置初步方案的立面設備與臺面設備操作空間分析后發(fā)現(xiàn)，CIR及故障顯示器盤上的無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臺面上司機容易操作的地方，無線話筒布置在司控臺立面CIR及故障顯示器盤的左側，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線話筒三維圖

① 當無線話筒固定，操作時，經(jīng)測量，兩者的最小設計間距為4.5 mm，最小實物測量間距為6 mm； 操作牽引手柄過程中，在最小間隙處司機的手與無線話筒存在輕微摩擦。

② 當牽引手柄在中低檔位，拿起或者掛起無線話筒時，由于牽引手柄在前，無線話筒在后，司機都要越過牽引手柄去操作，而且話筒引出線可能纏繞在牽引手柄上，會引起牽引手柄換擋誤操作。

(2) 為了解決無線話筒與牽引手柄之間的操作空間重疊問題，首先對相關設備進行了深入的分析。

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反應最靈敏、操作最方便、肢體容易達到的空間范圍內(nèi)，初步方案就是在充分考慮了以上要求的基礎上，同時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及故障顯示器盤的左側布置無限話筒和關門燈，其右側布置CIR顯示器和故障顯示器。這些設備均在司機肢體能夠達到的空間范圍內(nèi)且位置可調(diào)。其中，當司機需要與調(diào)度中心通話時才使用無線話筒，其使用頻次較低。

經(jīng)過以上分析，將CIR及故障顯示器盤上設備的布置調(diào)整作為優(yōu)化的解決方案。將CIR及故障顯示器盤的設備左右對調(diào)，即將無線話筒和關門顯示燈布置在面板的右側，將無線顯示器和故障顯示器布置在面板的左側。

(3) 確定解決方案后，對解決方案的可行性進行了評估和幾何驗證。首先該方案中無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題；其次，由于解決方案中設備位置發(fā)生了變化，對與之相關的支架結構進行了校核，發(fā)現(xiàn)原方案中的關門燈的安裝座已不符合安裝要求，需要重新設計制作；再次與CIR及故障顯示器盤設備相關的線纜的走線路徑不需改動即可滿足要求；最后，對設備幾何空間進行校核，在CATIA環(huán)境下校核后，確定設備與設備之間的空間滿足要求。經(jīng)過評估，此解決方案可行。優(yōu)化方案的設備布置三維仿真圖見圖6。

圖6　優(yōu)化方案中牽引手柄和無線話筒三維圖

3　兩種布置方案的對比

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

(2) 兩種方案的不同點：從設備布置、操作空間、效率、安全性方面對兩個方案作了對比，見表1。

(3) 經(jīng)過以上的分析得出，優(yōu)化方案無論在設備布置的合理性，還是設備操作空間的充裕度，設備操作的安全性、設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現(xiàn)司控臺的功能，有利于人機效能的充分發(fā)揮。基于人機工程學的司控臺理論在某型動車組升級改造設計中得到了廣泛應用。圖7為根據(jù)該理論設計的某型動車組司控臺實物圖。

圖7　利用人機工程學理論設計的動車組司控臺

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

4　結束語

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，越來越多的電子設備安裝在高速動車組司控臺上，對司控臺的合理布局以及人性化設計提出了更高的要求。在司控臺的設計過程中，要充分利用人機工程學理論研究成果，對設備進行合理布置，得到有利于人機效能的充分發(fā)揮和保障列車行駛安全的司控臺設備布置方案。

[1]丁玉蘭.人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[2]國際鐵路聯(lián)盟標準 UIC651-2002 機車、動車、動車組和駕駛拖車的司機室設計[S].

[3]陶林.人機工程學在動車組操縱臺設計中的應用[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