地鐵調度員工作站人機交互界面設計研究

趙 嫚，方衛寧，穆建成

（北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

在城市軌道交通管理中，調度員工作站人機交互界面作為調度員處理地鐵運營突發事件的載體，在保障地鐵列車按運行圖正常運營中占據了重要的地位。工作站界面上的顯示和控制元素越來越多，在輔助調度員工作的同時，也增加了調度員處理信息的工作負荷。以北京地鐵1號線為例，站場圖中包括25個車站（其中兩個修建時是為國防服務，現已棄用，但仍可停放車輛），2個車輛段，多個列車（高峰運營時可達50多輛），信號機，站臺等，線路全長34. 82 km。調度員與工作站界面的交互信息量的增長，使得人的因素越來越成為限制突發事件高效處理的“瓶頸”。

盡管地鐵列車自動監控（ATS，Automatic Train Supervision）調度系統硬件系統已更新換代，但是交互界面的表現形式，功能圖標、站場圖等并沒有與顯示器的顯示水平同步發展。本文從人機界面交互設計的角度出發，針對目前調度員工作站系統的界面設計問題展開研究，以生態界面理論為基礎，用工業設計的界面設計原則及設計方法對工作站界面進行優化設計，從而使調度員與工作站的交互更為友好。

1 地鐵ATS調度工作站系統研究

界面設計以北京地鐵1號線ATS系統調度員工作站為研究對象，對操作界面進行分析。選擇該條線路有以下幾點考慮：

（1）客運量大。圖1為除了4號線和14號線（京港地鐵）以外的北京各個地鐵線路客運量數據統計。在北京地鐵各條線路中，1號線是北京地鐵運營線路中客運量最大的線路。

（2）對調度員要求高。北京市其他地鐵線路的調度員大部分是從1號線的調度員中分配的，只有經驗相對豐富的調度員才能勝任1號線的調

圖1 北京地鐵運營數據

圖2 調度員工作站系統提取圖

在調度員工作站系統的抽象提取圖中，可以看出整個系統宏觀上分成2個部分。第1部分是信息顯示和功能操作，主要位于工作站界面的上端和下端，調度員通過屏幕上方分布的各類按鈕、顯示圖片以及列表等整個系統狀態進行監視和對站場圖上的線路元素進行操作。第2部分是站場圖，是整個1號線線路的簡圖，可以客觀的展示整個線路的位置以及狀態，并且隨時監視和控制列車的運行。

圖2中的第1模塊包括菜單、設備狀態顯示、報警欄和時間顯示4個部分，如圖3所示。它們都是工作站界面的主要操作模塊，是調度員實現列車監視和監控的主要工具[1]。其中報警信息尤為重要，它可以實時顯示列車運行過程中的突發狀況，調度員可根據報警模塊提供的報警信息進行分析處理，并及時找到故障發生點，對突發事件進行處理。這一部分提供了各個級別的報警信息，可幫助調度員對信息進行分類處理。

圖3 功能操作模塊

圖2中的第2模塊相當于第1模塊的操作對象，所有的功能操作都在站場圖中體現，調度員大部分對于行車的組織操作都是在站場圖上進行的。如圖4所示，它包含豐富的線路信息，也是界面設計最重要的模塊。站場圖中的線路元素主要包括軌道、軌號、道岔、信號機、站臺、列車、車站名、接觸軌、車次號、車次窗、狀態顯示標志等。在站場圖上的操作包括移動站場圖、右鍵點擊操作等。

圖4 站場圖

2 ATS調度工作站的生態界面抽象層次分析

生態界面設計（EID, Ecological Interface Design）是一種在復雜的社會技術系統中用來設計人機界面的理論體系，它以抽象層級以及技術（skills）、規則（rules）和知識（knowledge）類為理論基礎。其主要作用是幫助知識型工作者適應度工作，因此1號線是對調度員經驗要求最高的線路。

（3）雖然各個地鐵線路的界面都不一樣，但是需要實現的基本功能是大致相同的。

（4）1號線采用的ATS系統是比較有代表性的典型ATS調度系統。

所以，本文選擇北京地鐵1號線作為分析對象，提取出調度員工作站雙屏顯示界面的展示內容，如圖2所示。變化的環境和新事物，并可提高問題解決的績效[2]。

抽象層級是用來描述某一工作領域的有用體系，它可被定義為一種分為多層級的組織[3]。層級的較低水平與較高水平間是一種具有指向性的手段-目的的關系。抽象層級的分析是對工作領域的分析，而非具體任務的分析，即它分析整個控制系統，這可以使人們不局限于某一具體情形或事件，因此具有更好的適應性[4]。抽象層級具有兩方面的優點：（1）為操作者提供處理不可預期的事件的信息；（2）為問題解決提供有效的心理地圖。

本文進行生態界面分析的工作域是地鐵調度工作站。對于交互界面信息的分類與組織，依據生態界面理論，采用抽象層次法進行分析，如圖5所示。各個層次的描述如下。

2.1 功能目的層

該層次主要描述工作域是因為什么目的而被設計出來的[5]。功能目的的描述應該包括一些能夠幫助用戶判斷工作域是否正常工作的評價標準。調度員工作站的整體設計需要保證列車在站場內安全運營。這個過程又可以表述成具體的功能目的，調度工作的主要內容是保證列車在正常運營時間內按照運行圖的計劃運行，因此功能目的的第1點是保證列車準點。另外維持站場的正常運營必須保證站場自身的可靠安全，所以功能目的的第2點是最小化施工對運營的干擾。

2.2 抽象功能層

該層次主要描述工作域包含的一些因果關系以及守恒定律，如能量守恒，質量守恒等。調度員工作站在這一層次的描述表述在系統的具體功能上為2個部分：（1）運營列車的出庫、按運行圖運行以及回庫；（2）施工人員的進線、施工檢修作業以及出線。抽象功能層是功能目的層的進一步細化和分析。

2.3 一般功能層

該層次用于解釋抽象功能層的相關法則是如何被獲得并遵守的。如何實現列車的運行和施工檢修作業的正常進行。這里包括列車正常運行的監視和控制、故障和突發事件處理、夜間施工維修。一般功能層是對抽象功能層的進一步解釋和具體化。

2.4 物理功能層

該層次描述工作域的具體物理功能，各自的功能模塊以及它們的實現能力。其中尤為關鍵的是描述了這些能力的限度。調度員工作站工作域的主要物理功能模塊包括2個部分：信息顯示功能操作模塊和站場圖。

2.5 物理形式層

該層次主要描述工作域的物理形式。包括尺寸、顏色、形狀、外觀、物理位置、環境等。映射到調度員工作站表現為實現各個功能的表現狀態以及顯示標識等，如圖5所示。

3 調度員工作站的生態界面設計方案

在界面設計過程中，抽象層級上面的每一層都要提供視覺結構和流，這主要包括2方面：構建邏輯路徑、對稱和平衡。界面布局必須采用正確而有效的邏輯路徑，用戶可以沿著該路徑與界面互動，現代人們眼睛閱讀的習慣是從上到下，從左到右；從視覺平衡的觀點來說，對稱是組織界面的一個有用工具，如果不對稱，界面會顯得失衡，界面中常用到的兩種對稱是垂直軸對稱和對角線對稱[6]。

根據信息模塊化及重要性等設計原則[7]，將整個工作站界面劃分為3個部分，分別是信息顯示、功能操作和站場圖。工作站操作界面采用雙屏顯示，按照人們的閱讀習慣，左屏為主要操作屏，右屏相對次要。如圖6所示，界面中灰色部分為標題欄；綠色部分為信息顯示部分，主要展示一些設備的狀態以及運營組織流程的顯示；藍色部分為功能操作模塊，主要包括報警信息、用戶管理、功能區、天氣時間顯示以及站場圖的縮略圖部分；黃色部分為站場圖。

圖6 站場圖模塊圖

根據生態界面的抽象層次分析對調度員工作站系統的分析，本文提出一種“旋渦式”設計方法。即由外及內，由大到小，由粗到細，由遠及近的設計方式，先整體后細節的層層展示界面的具體內容。先對整體系統進行抽象層次分析，再對各個模塊進行抽象層次分析。

圖5 調度員工作站抽象層次分析

整個界面的主體對應功能目的層，即通過界面上的內容展示和相關控制功能模塊，保證列車準點以及最小化夜間施工對運營的干擾。抽象功能層的具體映射到界面上表現在整個界面的左上角，即圖6中的信息顯示模塊，可切換夜間施工模式和正常運營模式。

3.1 界面模塊劃分設計

根據人眼閱讀習慣以及眼睛的視距區域劃分，將整個界面分為2大部分，站場圖與信息顯示功能操作。根據在地鐵調度員日常工作中的調研，他們最關注的是站場圖的變化，需要精確無誤的獲取站場圖的信息，在發生突發狀況之后通過一些功能操作對站場圖進行操作。站場圖占據的面積較大，根據王海燕在2011年《新一代戰斗機顯控界面布局設計研究》中所做的實驗得出的結果[10]，如圖7所示。根據人的視覺習慣和眼動實驗驗證，其中(a)是最優的界面。

圖7 界面布局方案

所以信息顯示和功能模塊置于上方小面積處，站場圖置于下方大面積處。

3.2 信息顯示和功能操作設計

根據在地鐵調度中心的實地調研以及在調度員日常工作中所做的調查，報警信息是功能操作模塊中最重要的一個部分，本節將詳述報警模塊的設計來展開界面的設計過程。并將基于理論設計的生態界面和傳統界面進行對比。

研究中在界面上展示的內容是固定的，即報警信息的內容、等級以及處理操作。

如圖8所示，在傳統界面中，報警內容包括類型、級別、狀態、時間、事件；報警等級按等級排列分別包括A、B、C、事件4個等級；報警處理包括確認、刪除、刪除全部。事件的等級區分采用顏色區分法，紅色為A級警告，藍色為B級警告。所有的報警信息以列表的形式進行展示，滾動條顯示多條信息。調度員需要時刻關注報警欄以發現最新的報警信息。

圖8 報警信息模塊的傳統界面

圖9為根據前文的抽象層次分析得出的生態界面設計方案，通過對報警模塊的再次抽象層次分析，對報警欄進行了生態界面設計。

圖9 報警信息模塊的生態界面

（1）報警欄的功能目的是將最新發生的警告信息傳達給調度員，因此在這一模塊的左上角，即人眼視覺最關注的位置，繪制一個報警圖標，當調度員必須關注的B級報警信息發生時，報警圖標會有閃爍表示。更高級別A級報警信息產生時還會伴隨聲音提示。如圖9（a）中紅框所示。

（2）報警欄的抽象目的是及時并詳細展示調度員最需要的報警信息以及對報警信息的處理。如圖9（a）中的第一個標簽頁所示，將較高級別的A級和B級報警信息內容在這一區域詳細展示出來，并在其右側以按鈕的形式提供處理操作的功能。顯示內容的顏色設置為A級紅色，B級藍色，C級黃色，事件黑色。

（3）報警欄的一般功能是實現報警信息的展示、分類、設置以及處理。因此，將報警信息的內容分為ID、時間、級別、類別、狀態、內容。報警信息的等級劃分為A、B、C、事件4個等級，以及提供所有警告和當前警告信息的查看。報警時間的處理分為確認、處理、回復和刪除。

（4）報警欄的物理功能是如何實現一般功能的具體物理操作。如圖9（b）中紅框所示，以標簽頁的形式將報警信息的各個等級區別劃分并實現切換查看的功能。以按鈕的形式實現報警信息的處理操作，報警設置會產生下一級窗口進行報警信息顯示的設置。

（5）報警欄的物理形式層的表現主要是顏色、圖標大小和樣式的變化。例如，報警圖標的閃爍顯示是可以緊抓視覺的重要元素，并且黃色是通用的警告色，在沒有報警信息的狀態下，圖標為灰色，是靜態圖片，不會產生強烈的視覺差；當有報警信息提供時，黃色和紅色的警告程度明顯加強，會立即增加人眼的關注度。

對于傳統界面和新設計的生態界面進行了主觀評價，采用了專家打分法，結果表明，圖9展示的生態界面要比圖8展示的傳統界面更加容易理解和掌握。

圖10 任務實驗設計

4 實驗驗證

實驗采用SMI的RED型桌面式眼動測試儀作為實驗工具，它包括iView PC測試計算機、Stimulus PC圖像顯示計算機和下方安裝的2組紅外光源及攝像頭。

4.1 實驗數據采集

本次實驗主要采集的是定量化的任務數據，即行為類型總數和行為時間。需要通過眼動儀記錄的數據有：注視點位置、注視時間、行為執行時間。

本實驗選取的案例任務是“完成對報警信息的確認”，這個任務是在對行車調度系統和調度任務進行調查分析后得出的結果。具體的實驗設計流程以及數據記錄如圖10所示。

被試選取的是北京交通大學的研究生共7名，全部為男生，參與者年齡介于21～26歲之間。所有被試沒有接觸過ATS系統，所以需要經過一段時間的熟悉操作培訓。

4.2 實驗結果分析

由眼動儀自帶的BeGaze數據分析軟件分析結果得出如表1所示的數值，表中數值為7名被試測試后的平均值（假設實驗開始時間為第0 s）。

由上述結果分析可知EID界面相對于傳統界面來說，用戶能夠更快速的獲取報警提示，及時得到報警信息的內容并進行處理。

表1 實驗結果分析

5 結束語

本文在ATS調度員工作站人機交互界面設計中，利用生態界面設計理論中的抽象層級分析法，對調度員工作站系統進行了系統的分析、總結和歸納，通過對各個功能層級的分析，對界面顯示內容進行了模塊化的分類和合并。在具體顯示設計時，提出了一種新的設計方法流程。結合調度員在實際過程中對當前工作界面的真實感受以及對界面顯示的一些功能需求，重新設計了界面的顯示構架。按照調度員處理突發事件的任務要求和人類的視覺規律，利用眼動實驗驗證生態界面和傳統界面的優劣。由結果可知對于復雜系統界面的布局，這一方法是可行的。

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