基于注意力分配的高鐵操縱臺界面布局優化設計

許永生 ，李麗麗 ，吳尤荻 ，支錦亦 ，向澤銳 ，張潤芝

（1. 西南交通大學建筑與設計學院, 四川 成都611756；2. 西南交通大學人機環境系統設計研究所, 四川 成都611756）

高速列車駕駛室作為司機獲取信息、作出決策、對有關系統進行指令控制并駕駛列車完成各種任務的工作場所，同時也是保證列車安全最重要的作業場所[1]. 操縱臺界面布局設計情況將直接影響到列車行駛的安全、效率[2-3]. 因此對操縱臺界面進行合理的人機分析和研究，以達到較佳的人機匹配度，給司機提供一個方便舒適的操作空間，可以減少司機體力、心理疲勞，降低人為誤操作帶來的安全隱患，更好地保證列車行駛安全[4-5].

國內外學者對操縱臺界面布局設計一直存在著廣泛的關注和高度的重視. 早期的人機界面設計采用二維或三維的物理人體模型，如美國福特公司按照人在駕駛過程中的身體姿態制成關節可以活動的二維人體模板，分析產品尺寸特性與人體尺度的相合性[6]. 隨著計算機技術的迅速發展與普及，Bonney等[7]提出了根據設計標準的相對重要性進行布局設計 的CAPABLE (controls and panel arrangement by logical evaluation)模型；Pulat等[8]研究了一個采用人體工程學進行大型控制面板布局設計的計算機輔助設計程序LAYGEN （layout generator）模型；Jung等[9]提出了一種結合人體工程學原理和設計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）姿勢負荷評價方法將司機駕駛作業動作因素定量化，提出了一種基于人因素和幾何位置匹配因素的操縱臺布局優化設計模型；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，及其對用戶搜索策略、識別效率、注意力和認知負荷影響的研究現狀；詹自翔[12]引入高速列車司機信息處理模型，基于VACP理論提出了基于駕駛任務的高速列車駕駛界面布局與適配性評價方法.綜上，較多研究側重從理論的角度出發，結合人機工程學進行人機界面布局設計，以最大化地實現人體尺度相合性和操作便捷性. 本文從實驗的角度出發，采用模擬駕駛系統，通過分析駕駛員注意力分配情況進行高鐵操縱臺界面布局優化設計，為駕駛員提供更好的駕駛體驗，同時為今后的設計提供原則及參考.

1 研究思路

1.1 高鐵操縱臺界面的信息構成

高鐵操縱臺是駕駛員對列車進行整體控制、落實并完成各項任務的作業空間，具有空間狹小、操作顯示設備多的特點，是人機關系最復雜、最核心的區域之一[13]. 以CRH380D列車模擬駕駛臺為例，其操縱臺界面的信息主要分為3類，結構分析如圖1所示（“撒砂”按鈕只在模擬駕駛臺上有，實車上沒有）.

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

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

1.2 注意力分配研究路線

將駕駛員在駕駛過程中的注意力分配情況劃分為3個維度：視覺層、行為層、心理層，并通過模擬駕駛實驗進行測定，如圖2所示. 視覺層的注意力分配情況主要通過眼動追蹤實驗采集，行為層通過駕駛員的操作軌跡進行分析，心理層采用NASA-TLX量表[14]（美國航空航天局任務負荷指數量表）進行評估. 結合與駕駛員的訪談，總結出高鐵操縱臺界面布局優化設計的原則，并得出設計方案.

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

2 實 驗

2.1 實驗平臺與儀器

本實驗測試地點為成都鐵路局成都機務段的動車運用車間，實驗所采用的仿真平臺為成都機務段駕駛員平時用來練習和培訓的，與實車比例1∶1的CRH380D列車模擬駕駛臺，可以使駕駛員在虛擬環境實現真實的駕駛操作. 駕駛員在實驗過程中的駕駛行為特性通過眼動儀設備進行采集和分析，實驗所用的儀器為Tobii Pro Glasses 2可穿戴式眼動儀，其配備有Tobii Pro Lab數據分析軟件.

2.2 被 試

選取成都鐵路局成都機務段動車運用車間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. 正式實驗前，被試需要保證8 h的充分休息，配合完成眼動儀設備的調試，并接受實驗任務介紹.

2.3 實驗設計

本實驗基于眼動追蹤技術，對CRH380D列車模擬駕駛臺的人機界面布局進行分析，結合NASATLX量表評估駕駛員對操作任務的主觀工作負荷.模擬路段選取“成都東站—簡陽南站”，將駕駛過程分為發車準備、正線行駛、停車制動3個任務. 實驗分為3個環節：1） 實驗前：向被試介紹實驗任務，穿戴并調試眼動儀設備；2） 實驗中：被試先按照自己在真實駕駛環境下的操作習慣依次完成操作任務，隨后填寫NASA量表，此過程全程錄像；3） 實驗后：引導被試進入訪談室，對被試進行訪談，填寫從“成都東—簡陽南”整個駕駛過程的NASA量表，同時記錄整個實驗過程.

2.4 指標選擇

根據研究需要，擬選擇注視時間、注視點數量、熱點圖、眼動軌跡圖、NASA-TLX量表分數作為分析指標，各指標具體含義如[15]下：1） 注視時間表示落在AOI的所有注視點的時間總和；2） 注視點數量是指落在AOI的所有注視點數量；3） 熱點圖，用以反映注視點具體的空間分布情況，采用顏色深淺程度反映注視時間的長短；4） 眼動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；5） NASA-TLX量表是一種主觀的工作量評估工具，主要用途是對操作各種人機系統的操作人員進行主觀的工作量評估：由腦力需求、體力需求、時間需求、業績水平、努力程度、受挫程度6個維度組成，是迄今使用最為廣泛的主觀工作負荷評估工具之一，能有效評估主觀心理負荷，具有較高的信效度.

3 結果與討論

根據以上實驗設計，選取了14名被試進行眼動數據采集，實驗現場圖如圖3所示. 其中，有效數據12個，將有效數據導入到Tobii Pro Lab軟件中進行分析．

圖3 實驗現場Fig. 3 Experimental site

3.1 AOI數據分析

經軟件分析，駕駛員在執行發車準備、正線行駛、停車制動3個任務時，其在各AOI內的平均注視時間、注視時間占比、注視點數量如表1所示. 由表1可以看到：

表1 AOI數據Tab. 1 AOI data

1） 系統顯示屏方面，發車準備任務時的注視時間和注視點數量 AOI3 （ATP）>AOI4 （TCMS1）?AOI1 （CIR）>AOI2 （TCMS2）；正線行駛和停車制動任務時AOI3 （ATP）? AOI4 （TCMS1）> AOI2（TCMS2）> AOI1 （CIR），其中AOI5作為ATP備用屏,在實驗過程中未被使用，因此不計入分析. 由此可得：① 3個任務中，AOI3 （ATP）在注視時間和注視點數量方面都是以絕對的占比優勢占據第一位，可以理解為在整個駕駛過程中注意力分配最高；② AOI4 （TCMS1）的注視時間和注視點數量遠大于AOI2 （TCMS2），經與駕駛員訪談得知，TCMS2與TCMS1為同一系統，一個為主一個為輔，發車準備和停車制動時，駕駛員可以根據自己的使用習慣選擇使用其中一個或兩個，正線行駛過程中一般要求主屏幕顯示列車狀態、輔屏幕顯示激活界面.

2） 開關按鈕方面，發車準備任務中，注視時間和注視點數量占比最高的為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中的“制動試驗”和“升弓作業”相吻合；正線行駛任務中，駕駛員在AOI7～AOI15的平均注視時間皆小于1 s，注視時間占比皆小于1%，其在正線行駛任務時注意力絕大部分分配給了系統顯示屏；停車制動任務中，駕駛員平均注視時間、注視時間百分比、注視點數量最高的都為AOI8 （關閉左門、打開左門、釋放左門），實驗任務為簡陽南站左站臺停車，表明開關按鈕方面，“開左門”占用駕駛員注意力分配最高. 總體來說，數量眾多的開關按鈕相比系統顯示屏來說，注意力分配并不高，甚至有些開關按鈕如AOI7 （鳴笛按鈕）、AOI13 （聯掛/洗車旋鈕、操縱模式切換）、AOI15 （隧道模式按鈕）在實驗過程中未被使用.

3.2 熱點圖

經Tobii Pro Lab軟件分析，生成了發車準備、正線行駛、停車制動3個任務的熱點圖，為了更直觀地顯示結果，將模擬駕駛臺底圖進行了灰度處理，最終效果如圖4所示. 熱點圖展示出了駕駛員在操縱臺上的注意力分布情況：紅色區域代表駕駛員的注視最集中，黃色和綠色區域的注視相對較少. 從圖4（a）可以看出：駕駛員視覺注意力分配集中在ATP、TCMS1，開關按鈕方面，注視最集中的是AOI9的停放制動按鈕. 相比較圖4（a）、（c），圖4（b）中開關按鈕的注視更少，視覺注意力相比更集中于系統顯示屏，視覺集中點以ATP、前方視野、TCMS1上方的恒速顯示器這3點呈三角形. 由圖4（c）可知：駕駛員視覺注意力分配依舊集中在ATP，其他系統顯示屏的注視很少，開關按鈕方面，熱點圖多以點狀分布在打開左門、釋放左門、停放制動、鑰匙開關、降弓按鈕等開關按鈕上；相比前兩個任務，開關按鈕使用得更多. 3個任務中ATP都是駕駛員視覺關注重點區域，這也和AOI數據相吻合，因此在布局設計中應重點考慮.

圖4 熱點圖Fig. 4 Heat map

3.3 眼動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范，駕駛員需接受近乎嚴苛的“半軍事化”管理和紀律約束，每個作業環節都要達到“一次做對”. 另外，駕駛員值乘時有“手指” “眼觀” “口呼”的操作規范，不僅要看著信號或指令，還必須手指著信號或指令，大聲朗讀復誦出來，以此確保操作全部正確. 且駕駛員需要攜帶《動車組關鍵作業提示卡控表》進行值乘任務，并嚴格按照表中規定的標準作業流程執行，每執行完一項都需要在表上勾畫后再執行下一項. 所以駕駛員的操作流程是近乎一致的. 通過Tobii Pro Lab軟件分析，進一步得到眼動軌跡圖. 根據維度的不同，單一分析眼動軌跡圖具有局限性，因此將視覺層的眼動軌跡圖與行為層的操作軌跡圖結合分析.

3.3.1 發車準備

發車準備任務的操作流程一般包括激活作業（手柄歸位、插入主控鑰匙、登錄TCMS）—升弓作業—制動試驗—ATP設置—CIR設置—狀態確認6個步驟，其操作軌跡圖與眼動軌跡圖分別如圖5（a）、（b）所示. 由圖5可以看出：駕駛員的眼動軌跡與任務步驟的順序有關，且由于駕駛員需要用眼睛確認很多信息，例如插入主控鑰匙后需要確認系統顯示屏啟動正常，所以駕駛員視覺注意力比起行為更加復雜，集中在ATP與TCMS1. 大部分駕駛員由于右利手的關系，在發車準備任務中只使用右邊的TCMS1，避免了駕駛員的視線和操作在兩TCMS之間來回跳轉，使其注意力更集中.

圖5 發車準備Fig. 5 Preparation for departure

開關按鈕方面，占用駕駛員注意力的有插入主控鑰匙時使用的“鑰匙開關”、升弓作業中使用的“升弓按鈕”、制動試驗中使用的“停放制動”. 一般情況下“鑰匙開關”與“升弓按鈕”使用1次，“停放制動按鈕”需要使用2次. 從按鈕的注視點來看，以“停放制動”按鈕為例，其注視點沒有精確地聚集，反而覆蓋了從“關閉左門”到“撒砂”6個按鈕，在AOI8和AOI9兩個興趣區范圍內. 目前的按鈕布局，駕駛員的注意力并不能精準地分配給自己所需要的按鈕.

3.3.2 正線行駛

駕駛過程中，正線行駛的時長是遠超發車準備和停車制動的，駕駛員在漫長的正線行駛中，如果注意力太過分散，很容易產生疲勞，甚至錯過某些信息，影響行車安全. 正線行駛任務的眼動軌跡與操作軌跡如圖6所示（藍色為眼動軌跡、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回跳轉； 控制手柄、左右TCMS、手動過分相、DSD按鈕占用少部分注意力，但這是行車過程中所必須的；相較發車準備和停車制動任務，正線行駛任務的視覺注視點更為集中.

圖6 正線行駛Fig. 6 Main track driving

操作方面，以右手操作手柄為主，相對簡單. 但是單調的動作駕駛員也比較容易走神，因此，為保證駕駛過程中駕駛員注意力的高度集中，高鐵配備了“無人警惕裝置”. 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的高鐵，一些高鐵內并沒有按鈕這種方式，從而習慣了踩踏板.

3.3.3 停車制動

停車制動任務的操作步驟包括：減速到站—手柄歸位—開左門（本次實驗為左站臺停車）—施加停放制動—降弓作業—注銷CIR—拔取主控鑰匙7個步驟，其操作軌跡與眼動軌跡分別如圖7（a）、（b）所示. 此任務中需要使用的按鈕有：開左門時的“釋放左門” “打開左門”，施加停放制動時的“停放制動按鈕”，降弓作業中的“降弓按鈕”和拔取主控鑰匙時的“鑰匙開關”，在3個任務中按鈕的操作最多. 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，有兩個特別注意點：一是怕誤開，例如左站臺停車需要開左門，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；另一個是怕誤碰，為此在正式值乘任務前，鐵路部門會給駕駛員發放“防誤蓋”，用來蓋住“打開車門” “關閉車門” “停放制動”按鈕. 要想實現左門打開，必須先按“釋放左門”再按“打開左門”按鈕，已經考慮到了一定的防護，但駕駛員表示為了多重防護“防誤蓋”是必須的. 駕駛室操縱臺本來就空間小、設備多，這無疑耗費了駕駛員的注意力，加重了駕駛員的負荷.

圖7 停車制動Fig. 7 Parking brake

3.4 NASA量表

14名被試完成實驗任務后，立即填寫單個任務的NASA量表，其得分結果如表2所示（這里省略掉權重評估部分直接計算項目得分），將其繪制成雷達圖如圖8所示. 由表2及圖8可知：3個任務的共性是，駕駛員主觀認為，腦力需求遠大于體力需求，駕駛高鐵更多是個“腦力活”，需要高度的注意力集中；發車準備的時間需求、努力程度、受挫程度都比較高，表明這一任務相對復雜，可以通過設計為駕駛員適當減負；停車制動這一任務的腦力需求最高，這也和駕駛員開車門時需要再三考慮有關，正線行駛的腦力需求最低，這也和熱點圖和軌跡圖的分析相吻合.

表2 單個任務得分Tab. 2 Individual task score 分

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

駕駛任務完成后，引導被試進入訪談室，回憶從“成都東站—簡陽南站”整個駕駛過程，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荷相對較高，進而影響駕駛員注意力集中，需要對操縱臺人機界面進一步優化，以減輕駕駛員的工作負荷.

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

4 優化設計

4.1 高鐵操縱臺界面布局優化設計原則

1） 根據系統顯示屏、開關按鈕的注意力分配多少進行布局設計

根據駕駛員在3個任務中的AOI數據、熱點圖等可得到，高鐵駕駛室操縱臺上各系統顯示屏、開關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. 開關按鈕方面，駕駛員分配較多注意力的為開車門、停放制動、升降弓按鈕，應重點進行設計，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間和努力程度.

2） 簡化或縮短任務步驟的工作路徑，減少駕駛員的注意力消耗

在漫長的駕駛過程中，駕駛員需要時刻保持注意力集中，但人的注意力都是有限的，可從眼動軌跡圖與操作軌跡圖入手，簡化或縮短駕駛員的眼動軌跡與操作軌跡，減輕駕駛員的路徑，減少注意力消耗；例如，漫長的列車行駛過程中，駕駛員需不斷地確認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，可通過設計適當簡化駕駛員的動作.

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，也是操縱臺界面布局設計的重點. 為避免誤操作，駕駛員需時刻保持高度的注意力和警覺性. 駕駛員方面可能會造成的誤操作有誤碰按鈕、按錯按鈕等,解決誤操作問題可以從以下著手：一方面需要做好按鈕的防護，另一方面需要提高按鈕的可識別性，此外還可以設計一些輔助手段，例如開車門步驟中，如需開左門，“釋放左門”與“打開左門”按鈕以發光的形式輔助駕駛員確認，可以減少駕駛員的心理負荷. 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“無人警惕裝置”，無論踏板還是按鈕都是機械重復的動作，有一定的局限性，未來可以采用腦電波來監測駕駛員的注意力分散情況.

4） 人性關懷設計，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，還需要攜帶對講機、GSMR手持機、手賬、點牌、卡牌、卡控表等上車，然后按自己的習慣擺放在操縱臺空閑位置上，讓本來狹小的操縱臺面更加擁擠，設備、文件增多會增加操縱臺的凌亂感，從而分散駕駛員的注意力. 可以通過人性化的布局設計，幫助駕駛員更合理地規劃物品的擺放，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 優化設計方案

根據以上設計原則，對CRH380D駕駛室操縱臺界面進行優化設計，采用Rhino建模、Keyshot渲染，得到設計方案如圖9所示.

圖9 設計方案Fig. 9 Design scheme

4.2.1 系統顯示屏

1） 在ATP上面加一個恒速顯示，ATP、恒速、前方視野三點一線，可以極大簡化正線行駛中駕駛員的眼動軌跡，如圖9中綠色軌跡所示，相比原布局簡化了眼動軌跡，使得注意點更加集中.

2） 將原TCMS2與ATP備用屏調換，TCMS2與TCMS1本為同一系統，駕駛員根據自己的使用習慣選擇使用其中一個或兩個，大部分駕駛員由于右利手的關系在發車準備和停車制動時只使用TCMS1屏，實驗也證明駕駛員在TCMS1的注意力分配遠大于TCMS2. ATP作為整個駕駛過程中注意力分配最多的設備，一旦出現故障，原布局中ATP備用屏在最右方，駕駛員眼動軌跡便是鈍角三角形，不利于駕駛. 因此將原TCMS2與ATP備用屏調換.

4.2.2 開關按鈕

1） 將在駕駛過程中禁止使用，只在高鐵停車場偶爾使用的“汽笛”按鈕從水平操縱臺去掉，改到CIR系統旁，減少操縱臺上的按鈕數量；

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

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

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

5） 將“保持制動”與“停放制動”按鈕改到TCMS1的下方. “停放制動”按鈕與TCMS、升降弓按鈕、手柄操作比較密切. 以發車準備為例，“升弓作業”中TCMS顯示受電弓升起后，就需要在“制動試驗”中施加“停放制動”、TCMS顯示制動試驗完成后、手柄歸位后，便需要緩解“停放制動”，完整的發車準備操作軌跡如圖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） 將原操作臺最后邊的“隧道模式”按鈕，移到與聯掛/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“關閉右門”“打開右門”“釋放右門”組更加突出.

4.2.3 人性化設計

在操縱臺駕駛員正前方設計固定紙張的夾子，操縱臺下設計可以掛住對講機、GSMR手持機的小籃子，里面可以放一些紙巾等私人物品. 此設計可以實現物品更規律地擺放，還給駕駛員更大的操作空間，避免駕駛員因操縱臺上物品太多，從而分散注意力的情況.

5 結 論

本文以駕駛員的注意力分配為切入點，通過模擬駕駛實驗的形式，結合與駕駛員的訪談，從視覺層、行為層、心理層3個維度分析出駕駛員在CRH380D列車模擬駕駛臺界面的注意力分配情況.總結出高鐵操縱臺界面布局設計的原則，并以CRH380D列車為例，得到其布局優化設計方案. 本研究結果可為高鐵操縱臺界面布局設計提供原則及參考，有助于優化駕駛員的駕駛體驗、提升其工作效率、保障行車安全，具有非常重要的社會意義和應用價值.