地鐵調(diào)度員工作站人機交互界面設(shè)計研究

趙 嫚，方衛(wèi)寧，穆建成

（北京交通大學(xué) 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(diào)度員工作站人機交互界面作為調(diào)度員處理地鐵運營突發(fā)事件的載體，在保障地鐵列車按運行圖正常運營中占據(jù)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(diào)度員工作的同時，也增加了調(diào)度員處理信息的工作負(fù)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(wù)，現(xiàn)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(dá)50多輛），信號機，站臺等，線路全長34. 82 km。調(diào)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(fā)事件高效處理的“瓶頸”。

盡管地鐵列車自動監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）調(diào)度系統(tǒng)硬件系統(tǒng)已更新?lián)Q代，但是交互界面的表現(xiàn)形式，功能圖標(biāo)、站場圖等并沒有與顯示器的顯示水平同步發(fā)展。本文從人機界面交互設(shè)計的角度出發(fā)，針對目前調(diào)度員工作站系統(tǒng)的界面設(shè)計問題展開研究，以生態(tài)界面理論為基礎(chǔ)，用工業(yè)設(shè)計的界面設(shè)計原則及設(shè)計方法對工作站界面進行優(yōu)化設(shè)計，從而使調(diào)度員與工作站的交互更為友好。

1 地鐵ATS調(diào)度工作站系統(tǒng)研究

界面設(shè)計以北京地鐵1號線ATS系統(tǒng)調(diào)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(diào)度員要求高。北京市其他地鐵線路的調(diào)度員大部分是從1號線的調(diào)度員中分配的，只有經(jīng)驗相對豐富的調(diào)度員才能勝任1號線的調(diào)

圖1 北京地鐵運營數(shù)據(jù)

圖2 調(diào)度員工作站系統(tǒng)提取圖

在調(diào)度員工作站系統(tǒng)的抽象提取圖中，可以看出整個系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)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(tài)，并且隨時監(jiān)視和控制列車的運行。

圖2中的第1模塊包括菜單、設(shè)備狀態(tài)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(diào)度員實現(xiàn)列車監(jiān)視和監(jiān)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(fā)狀況，調(diào)度員可根據(jù)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(fā)生點，對突發(fā)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(diào)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(dāng)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(xiàn)，調(diào)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(shè)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(tài)顯示標(biāo)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(diào)度工作站的生態(tài)界面抽象層次分析

生態(tài)界面設(shè)計（EID, Ecological Interface Design）是一種在復(fù)雜的社會技術(shù)系統(tǒng)中用來設(shè)計人機界面的理論體系，它以抽象層級以及技術(shù)（skills）、規(guī)則（rules）和知識（knowledge）類為理論基礎(chǔ)。其主要作用是幫助知識型工作者適應(yīng)度工作，因此1號線是對調(diào)度員經(jīng)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(xiàn)的基本功能是大致相同的。

（4）1號線采用的ATS系統(tǒng)是比較有代表性的典型ATS調(diào)度系統(tǒng)。

所以，本文選擇北京地鐵1號線作為分析對象，提取出調(diào)度員工作站雙屏顯示界面的展示內(nèi)容，如圖2所示。變化的環(huán)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(lǐng)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(guān)系。抽象層級的分析是對工作領(lǐng)域的分析，而非具體任務(wù)的分析，即它分析整個控制系統(tǒng)，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(yīng)性[4]。抽象層級具有兩方面的優(yōu)點：（1）為操作者提供處理不可預(yù)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(tài)界面分析的工作域是地鐵調(diào)度工作站。對于交互界面信息的分類與組織，依據(jù)生態(tài)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(shè)計出來的[5]。功能目的的描述應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。調(diào)度員工作站的整體設(shè)計需要保證列車在站場內(nèi)安全運營。這個過程又可以表述成具體的功能目的，調(diào)度工作的主要內(nèi)容是保證列車在正常運營時間內(nèi)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(zhǔn)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(guān)系以及守恒定律，如能量守恒，質(zhì)量守恒等。調(diào)度員工作站在這一層次的描述表述在系統(tǒng)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(yè)以及出線。抽象功能層是功能目的層的進一步細(xì)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(guān)法則是如何被獲得并遵守的。如何實現(xiàn)列車的運行和施工檢修作業(yè)的正常進行。這里包括列車正常運行的監(jiān)視和控制、故障和突發(fā)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(xiàn)能力。其中尤為關(guān)鍵的是描述了這些能力的限度。調(diào)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(huán)境等。映射到調(diào)度員工作站表現(xiàn)為實現(xiàn)各個功能的表現(xiàn)狀態(tài)以及顯示標(biāo)識等，如圖5所示。

3 調(diào)度員工作站的生態(tài)界面設(shè)計方案

在界面設(shè)計過程中，抽象層級上面的每一層都要提供視覺結(jié)構(gòu)和流，這主要包括2方面：構(gòu)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(xiàn)代人們眼睛閱讀的習(xí)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(jù)信息模塊化及重要性等設(shè)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(xí)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(biāo)題欄；綠色部分為信息顯示部分，主要展示一些設(shè)備的狀態(tài)以及運營組織流程的顯示；藍(lán)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(qū)、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(jù)生態(tài)界面的抽象層次分析對調(diào)度員工作站系統(tǒng)的分析，本文提出一種“旋渦式”設(shè)計方法。即由外及內(nèi)，由大到小，由粗到細(xì)，由遠(yuǎn)及近的設(shè)計方式，先整體后細(xì)節(jié)的層層展示界面的具體內(nèi)容。先對整體系統(tǒng)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(diào)度員工作站抽象層次分析

整個界面的主體對應(yīng)功能目的層，即通過界面上的內(nèi)容展示和相關(guān)控制功能模塊，保證列車準(zhǔn)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(xiàn)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(shè)計

根據(jù)人眼閱讀習(xí)慣以及眼睛的視距區(qū)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(jù)在地鐵調(diào)度員日常工作中的調(diào)研，他們最關(guān)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(fā)生突發(fā)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(jù)的面積較大，根據(jù)王海燕在2011年《新一代戰(zhàn)斗機顯控界面布局設(shè)計研究》中所做的實驗得出的結(jié)果[10]，如圖7所示。根據(jù)人的視覺習(xí)慣和眼動實驗驗證，其中(a)是最優(yōu)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(shè)計

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

研究中在界面上展示的內(nèi)容是固定的，即報警信息的內(nèi)容、等級以及處理操作。

如圖8所示，在傳統(tǒng)界面中，報警內(nèi)容包括類型、級別、狀態(tài)、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(rèn)、刪除、刪除全部。事件的等級區(qū)分采用顏色區(qū)分法，紅色為A級警告，藍(lán)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(diào)度員需要時刻關(guān)注報警欄以發(fā)現(xiàn)最新的報警信息。

圖8 報警信息模塊的傳統(tǒng)界面

圖9為根據(jù)前文的抽象層次分析得出的生態(tài)界面設(shè)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(tài)界面設(shè)計。

圖9 報警信息模塊的生態(tài)界面

（1）報警欄的功能目的是將最新發(fā)生的警告信息傳達(dá)給調(diào)度員，因此在這一模塊的左上角，即人眼視覺最關(guān)注的位置，繪制一個報警圖標(biāo)，當(dāng)調(diào)度員必須關(guān)注的B級報警信息發(fā)生時，報警圖標(biāo)會有閃爍表示。更高級別A級報警信息產(chǎn)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(xì)展示調(diào)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(biāo)簽頁所示，將較高級別的A級和B級報警信息內(nèi)容在這一區(qū)域詳細(xì)展示出來，并在其右側(cè)以按鈕的形式提供處理操作的功能。顯示內(nèi)容的顏色設(shè)置為A級紅色，B級藍(lán)色，C級黃色，事件黑色。

（3）報警欄的一般功能是實現(xiàn)報警信息的展示、分類、設(shè)置以及處理。因此，將報警信息的內(nèi)容分為ID、時間、級別、類別、狀態(tài)、內(nèi)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(dāng)前警告信息的查看。報警時間的處理分為確認(rèn)、處理、回復(fù)和刪除。

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

（5）報警欄的物理形式層的表現(xiàn)主要是顏色、圖標(biāo)大小和樣式的變化。例如，報警圖標(biāo)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(tài)下，圖標(biāo)為灰色，是靜態(tài)圖片，不會產(chǎn)生強烈的視覺差；當(dāng)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(guān)注度。

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

圖10 任務(wù)實驗設(shè)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(shù)據(jù)采集

本次實驗主要采集的是定量化的任務(wù)數(shù)據(jù)，即行為類型總數(shù)和行為時間。需要通過眼動儀記錄的數(shù)據(jù)有：注視點位置、注視時間、行為執(zhí)行時間。

本實驗選取的案例任務(wù)是“完成對報警信息的確認(rèn)”，這個任務(wù)是在對行車調(diào)度系統(tǒng)和調(diào)度任務(wù)進行調(diào)查分析后得出的結(jié)果。具體的實驗設(shè)計流程以及數(shù)據(jù)記錄如圖10所示。

被試選取的是北京交通大學(xué)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(tǒng)，所以需要經(jīng)過一段時間的熟悉操作培訓(xùn)。

4.2 實驗結(jié)果分析

由眼動儀自帶的BeGaze數(shù)據(jù)分析軟件分析結(jié)果得出如表1所示的數(shù)值，表中數(shù)值為7名被試測試后的平均值（假設(shè)實驗開始時間為第0 s）。

由上述結(jié)果分析可知EID界面相對于傳統(tǒng)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(nèi)容并進行處理。

表1 實驗結(jié)果分析

5 結(jié)束語

本文在ATS調(diào)度員工作站人機交互界面設(shè)計中，利用生態(tài)界面設(shè)計理論中的抽象層級分析法，對調(diào)度員工作站系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的分析、總結(jié)和歸納，通過對各個功能層級的分析，對界面顯示內(nèi)容進行了模塊化的分類和合并。在具體顯示設(shè)計時，提出了一種新的設(shè)計方法流程。結(jié)合調(diào)度員在實際過程中對當(dāng)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(shè)計了界面的顯示構(gòu)架。按照調(diào)度員處理突發(fā)事件的任務(wù)要求和人類的視覺規(guī)律，利用眼動實驗驗證生態(tài)界面和傳統(tǒng)界面的優(yōu)劣。由結(jié)果可知對于復(fù)雜系統(tǒng)界面的布局，這一方法是可行的。

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