城市軌道交通運營控制中心設計中的人因問題

方衛寧，王健新

（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）

1 引言

城市軌道交通運營控制中心是指調度人員通過使用通信、信號、綜合監控（電力監控、環境與設備監控、火災自動報警）、自動售檢票等中央級系統操作終端設備，對城市軌道交通全線（多線或全線網）列車、車站、區間、車輛基地及其他設備的運行情況進行集中監視、控制、協調、指揮、調度和管理的工作場所[1]。隨著城市軌道交通列車向全自動運行和智能化方向發展[2]，運營控制中心在運營指揮中的核心作用更為突出，原列車司機和車站乘務員的作業被移植到運營控制中心[3]，使其監控范圍更廣泛、監控功能更復雜，網絡集約化、數字綜合化的特點更為突出[4]。

城市軌道交通全自動化和智能化使運營控制中心的人機接口密集化，調度員需處理的信息量和工作負荷顯著增加[5]，作業任務更為復雜，給運營控制中心的設計帶來了新的挑戰。目前我國城市軌道交通運營控制中心設計缺乏相關的標準和規范，在不少城市的運營控制中心建設過程中，各個專業各自為政，導致設計與運營使用脫節的情況屢有發生[4]。如何為調度員提供一個高效的作業環境，使其獲得較高的操作舒適性和滿意度，降低人為失誤，改善作業效率和職業病傷害的發生，是目前運營控制中心設計中需要解決的問題。本文針對當前城市軌道交通運營控制中心存在的問題，從人因工程學的理論、方法、技術與相關規范出發，對運營控制中心設計中的人因問題進行研究。

2 運營控制中心發展特點

2.1 運營控制中心現狀

運營控制中心的基本功能是及時、準確、完整地向作業者提供包括事故和災害情況下的關于設備和系統功能狀態的信息，并盡可能地降低人員在監測和控制系統時的工作負荷，在合理分配各項功能的基礎上，使人和系統可以最大程度的發揮效能，同時還應保證其具有調試、修改、維護的條件[6]。

目前我國城市軌道交通運營控制中心根據其控制范圍的差異，大體上分為分散式、區域式與集中式3種類型。分散式（也叫單線式）是指線路獨立設置運營控制中心，各自獨立負責相關的行車、供電、消防、環控大系統、運營服務以及信息傳達等環節；區域式是指針對若干區域的線路及行車設備進行劃分，分別進行監控指揮的運營控制中心形式；集中式則是將整個城市的運營控制中心集中于一處，以滿足城市近期線網規劃要求的建設形式，是管理控制范圍最廣的形式[7,8]。3類設置方案綜合比較如表1所示。

表 1 運營控制中心設置方案綜合比較

運營控制中心的建設、功能定位將直接影響城市的后續交通路網規劃落地，將對后期的運營管理產生深遠影響，做好設計相關的前瞻性研究對于降低風險、避免不必要的資源浪費、弱化工程建設與改建的影響，以及保障長期的運營安全和調度效能具有十分重要的意義[7]。運營控制中心作為“城市軌道交通運營的大腦”是一個龐大的人-機-環綜合系統，其設計的合理性將直接影響到人員的作業效率，從而關乎到整個城市軌道交通運行系統的安全保障[9]。目前國外對城市軌道交通運營控制中心的設計十分重視，普遍認為：“將人為因素納入城市軌道交通運營控制中心的設計中是非常重要的，因為它可以顯著提高整個系統的控制效率和安全性”[10]。

2.2 運營控制中心發展趨勢

目前城市軌道交通全自動運行系統為有效解決多專業高效協同問題、提高車輛段運行效率和正線自動化程度等提供了一條有效的技術途徑[11]，因此在國內外得到了快速的推廣和應用。全自動運行系統設備可靠性的提高使得信號與車輛、綜合監控、通信等系統被深度集成，大大提升了城市軌道交通運行系統的效率和可靠性，而運營控制中心作為其運營指揮的神經中樞，在其系統發展過程中逐漸呈現出以下趨勢特點[4]。

（1）數字綜合化。設施設備的集中管理使系統對運營數據的后臺處理能力需求進一步提高。在前端，人機接口自動化程度的提升增加了單位時間內調度員接收的信息量，對信息呈現的內容、組織和交互提出了新的要求。

（2）網絡集約化。運營控制中心將各不同線路的運營指揮人員集中于統一的物理空間內，有助于實現各個線路系統間信息的快速交互，有利于調度人力資源的優化和運營維護成本的控制，可以更好地滿足對緊急事件處置的時效需求。

（3）專業協同化。與線路間的集成類似，線路內的不同調度專業在運營控制中心內協同工作，采用的多層級統一調度指揮模式在日常運營和異常事件處置的過程中，有效實現不同專業間的聯動和全局信息共享。

（4）崗位綜合化。在全自動運行條件下，列車監管、乘客監控、車站控制、設備管理等越來越多的功能集中到了運營控制中心，并由調度人員通過控制臺實現集中管理調度。控制臺調度的崗位設置、崗位職責劃分和崗位作業任務，相較于傳統駕駛模式發生了很大的變化，在全自動運行下調度人員職責呈現出綜合化的趨勢，承擔了更高的系統風險。

運營控制中心的集約化、智能化在提高效率、保障安全、控制成本的同時，也將調度員在其中的作用放大，原本并不明顯的人因問題也隨之暴露出來[9]。例如：數字綜合化的高集成度使調度員職能大幅整合，如何在有限的作業空間內合理布置顯控器件；專業協同化對信息共同獲取、團隊情景意識提出了更高要求，如何使共享視覺顯示器的效能充分發揮；線路集約化使不同專業、不同線路的人員位于同一建筑空間內，如何在物理約束、溝通效率及人員流動間尋找平衡；同時在高密度信息和高強度監控任務下，運營控制中心的聲、光、熱環境對調度員生理、心理的影響更為突出。這些問題都使得運營控制中心的設計面臨著新的挑戰。

3 人因問題

城市軌道交通運營控制中心應為調度員提供整套必要完善的人機接口，以及一個能保障人身安全、有助于職能發揮和職業健康保持的作業環境。在運營控制中心設計的各個階段，人因工程可以從人-機-環-管系統工程的角度出發為硬件設施建造、系統軟件編制、作業環境布置提供重要參考，以達到提高作業者績效，保障運營安全與提高運營效率的目的。

城市軌道交通運營控制中心目前涉及的主要人因問題如圖1所示，包括控制臺設計、共享視覺顯示器布局設計、空間布局設計及環境人因設計。其中，控制臺設計涉及調度員操作的便捷性，共享顯示器設置涉及團隊成員之間信息的共享和溝通，空間布局設計涉及不同崗位之間的協同作業效率和應急場景下的安全撤離，聲、光、熱環境設計涉及調度員的身心健康和作業效率。

圖1 城市軌道交通運營控制中心主要涉及的人因問題

3.1 控制臺設計

控制臺是調度員獲取、分析、處理、傳遞信息的主要平臺。調度員在控制臺上完成的主要任務有監視控制臺上的顯示器，操縱控制臺和顯示器上的控制器件，記錄控制臺和顯示器上顯示的數據。控制臺還需要保障相關人員的維修工作和其他為完成工作任務有關的輔助活動。控制臺設計需要考慮的人為因素如圖2所示。

圖2 控制臺設計中考慮的人為因素

作為調度員主要的作業空間，合理的控制臺設計需要遵循如下人因工程學原則。

（1）可容性原則。要求控制臺為調度員的活動提供足夠的容納空間，至少滿足第95百分位男性等大體型作業者的凈空要求。

（2）可達性原則。要求相應器件至少滿足第5百分位女性等小體型作業者所能觸及的范圍。

（3）可視性原則。要求控制臺確保調度員可以輕松看清顯示內容，保證對不同生產資料的準確認讀。

（4）可調性原則。要求控制臺能夠充分適應對尺寸、需求各異的調度員，同時也可為其活動保留一定裕量，最終使控制臺充分滿足調度員為完成調度作業任務所提出的生理與心理需求。

控制臺作業空間的設計應考慮調度作業特點，必須按人體尺寸進行設計，各個設計參數的大小必須在調度員群體中第5百分位至第95百分位可接受的范圍內，使之與調度作業的內容和工作性質相適應；人體尺寸的引入除上述可容性、可達性原則之外，還應對衣著的影響進行修正；坐姿是調度作業的主要工作姿勢，置腿空間設計對長時間坐姿作業來說十分重要；同時由于視覺是絕大多數信息的輸入通道，因此觀察對象的位置、眼點、視野范圍也是控制臺設計應當考慮的問題。

重要性、使用順序、使用頻率、功能分組等原則是控制臺上顯控器件布局設計的一般性原則，它們是從調度員作業角度出發，滿足其信息感知、空間活動以及生理心理特性的需要。其中，顯示器件布局應當考慮調度員眼點、視距、字高等因素，并著重保障重要顯示信息的辨認準確性；控制器件布局則應充分考慮既有控制器件的特性，根據使用特點將其布置在調度員手功能可及范圍內。

調度控制臺的結構尺寸一般以坐姿控制臺作為基礎，對于常見的固定臺面高度控制臺，應以第95百分位男性作為設計標準，針對小身材調度員可通過可調式座椅、腳墊滿足通用性設計要求，同時，控制臺結構設計還應考慮設備維護的工作空間，為維修活動留有足夠的裕量，具體設計過程中可著重參考標準ISO 11064-4 : 2013 Ergonomic design of control centres — Part 4 : Layout and dimensions of workstations[12]。

3.2 共享視覺顯示器布局設計

共享視覺顯示器（亦稱共享大屏、多屏拼接幕墻等）是城市軌道交通運營控制中心對路網狀態及系統監控的重要裝備之一，多屏拼接的大屏幕顯示技術由于具有信息共享、顯示豐富、便于協同的特點，在團隊合作任務中被廣泛應用，其設計中需考慮的顯示器型號與數量確定、視距視野布局框架等人為因素如圖 3所示。

圖3 共享視覺顯示器布局設計中考慮的人為因素

共享視覺顯示器的工程實現可采用多種不同的屏幕拼接技術，如數字光處理器（DLP）背投、液晶顯示（LCD）拼接、小間距發光二極管（LED）及投影融合等，其規格型號與數量的確定需通過對調度員的正常運營、應急指揮等監視控制任務及參觀展示等作業任務的顯示需求進行分析，依據最大可視距離的最小顯示單元計算其需要呈現的內容和面積之后，再根據實際工程環境中可布置面積區域約束確定最終共享顯示器的型號和數量。

共享顯示器的最佳顯示位置是在調度員的正前方，使其處于調度員的直接視野之內，或僅通過眼動掃視即可進行觀察。在運營控制中心布局設計中應能夠確保當第5百分位至第95百分位調度員在正常工作位置上時，能從水平和垂直2個方向上看到共享顯示器的全部信息。

共享視覺顯示器的水平與垂直布局除需要考慮調度員作業時的視覺范圍和可視性要求外，還應考慮不同崗位調度員對于顯示內容的共享需求、控制臺及器件對共享顯示器的遮擋，以及一些環境干擾因素如窗戶位置、人工照明眩光、表面光潔度要求、出入口設置等對認讀的影響。

3.3 空間布局設計

運營控制中心空間布局設計的主要目的在于優化崗位間協同效率，減少干擾，實現有效的信息共享，其主要是將功能群組轉換為恰當尺寸的控制臺，并運用功能聯系將它們布置于運營控制中心內，不斷調整以達到調度員與系統工作、流通、維修空間相互平衡的過程。其中主要的人為因素包括建筑室內空間約束、作業任務與作業流程分析、共享視覺顯示器與崗位控制臺設置、人員流動與維護通道設計等，整體框架如圖4所示。

圖4 空間布局設計中考慮的人為因素

建筑室內空間是運營控制中心布局的物理約束，其中需要特別注意的是主要出入口不宜設置在調度員的作業視野區域內或其位置背后。對于存在地板高度差的運營控制中心，為減少安全隱患應設置護欄、扶手、警惕告示等安全設施。運營控制中心的布局設計應為后續擴建保留一定裕度，一般需要為工位和設備預留25%的裕量。在有可能的前提下，運營控制中心的布局設計建議在建筑設計之前完成，這樣可以將運營控制中心的建筑空間合理控制在滿足運營作業需求的最小人因空間需求范圍內，以達到工程最佳性效比。

作業任務與作業流程分析是運營控制中心布局設計的重要依據，運營控制中心的布局宜采用來自調度員的操作反饋、任務分析以及調度員群體知識、經驗等作為基礎數據進行設計，布局方案應能反映調度員的職責分配、監督關系，并有利于團隊協作和作業者之間的溝通交流；布局設計除進行單人作業過程分析外，還應兼顧團隊內視線、語言近距離交流的作業間聯系便利性。

共享視覺顯示器的設置也是運營控制中心布局設計中的一項重要內容，合理布置調度員與共享顯示器的相對位置，才能使其有效發揮共享效能。

（1）在設計調度席位之間的控制臺布局時，應保持合理間距使調度員能夠輕松地進行直接語言交流，同時避免間距過小導致的干擾。

（2）若控制臺使用人數浮動，則應保證在不同作業人數下均可提供相應的作業環境。

（3）應考慮控制臺與調度任務之間的關聯性，保障異常狀況下的冗余，以及不同作業姿勢下調度員對各種生產資料的易獲取性。

（4）具備垂直落差的控制臺布置可增強共享顯示器的可視性，但需考慮人員間的溝通、流動，大型設備的移動，后期運營控制中心改擴建裕度和對環境的影響。

（5）在確定最終布局方案前，需要進行仔細的測試和評價檢查，同時還要兼顧到培訓的需求。

人員的走行流動路徑和設備的檢修是布局設計中不應忽視的內容，運營控制中心應為一般情況下的人員流動預留足夠的空間，避免調度員作業時的聽覺、視覺受到干擾，同時還應考慮交接班等特殊情況對作業的影響。為盡可能減少非運營控制中心人員、維護人員和來訪人員流動對調度員的影響，可以考慮在作業區域設置限行措施和合理的人員流線。另外，針對運營控制中心設備維護和保潔工作需要留置足夠的作業空間和安全空間，避免因非正常作業引發誤觸事件的發生。

3.4 環境人因設計

運營控制中心環境設計的目的是在優化環境條件的前提下，確保調度員的安全、舒適、健康和績效的改善提升。運營控制中心環境設計應遵循環境條件適度可調、兼顧地區氣候差異性、環境因素交互影響以及后期擴展性等原則，主要面向空氣及熱環境、聲學環境以及照明環境開展設計，如圖 5所示。

圖5 環境設計中考慮的人為因素

運營控制中心良好的通風系統設計有助于提高作業人員的工作效率和舒適性，并保障作業人員的健康。人員排出的二氧化碳與氣溶膠，由建筑材料、設施設備逸散的異常氣味、污染物，室外的粉塵、砂礫以及通風系統的固體微粒是導致運營控制中心空氣質量下降的主要因素，或將引起刺激、中毒、過敏和大樓綜合征等不良反應，可以通過良好的選材，科學高效的施工和空調系統對環境溫度、濕度、潔凈度、新鮮度、空氣交換率的調節改善空氣質量[13]。

熱環境直接影響調度人員的安全、健康、舒適和工作效率。影響熱環境的主要因素包括氣溫、濕度、氣流、熱輻射、衣著、作業類型等，在進行設計時應考慮作業范圍與姿勢、調度人員數量與班次、設備產熱、日光影響、外墻與門窗傳熱、地理位置等因素，至少應對夏季和冬季2種情況下的熱環境進行專門設計，使得溫度、垂直溫差、平均氣流、相對濕度等指標達到要求[14]。

聲學環境設計的目的在于提供舒適的聽覺環境，使之提高人員語言交流效率、改善設備通信環境以及有利于警報監聽。可通過降低運營控制中心環境噪聲，提高告警和語音信噪比，采取建筑結構隔聲、吸音或隔振消聲措施，控制混響時間等方式抑制噪聲影響。設計人員可通過混響時間、背景噪聲值、隔音量等指標評價噪聲控制效果。

良好的照明設計有助于提供優質的視覺工效環境、避免作業失誤、提高安全性及信息辨認度。運營控制中心照明設計通常包括一般照明情境和應急照明情境，其中一般照明需要考慮空間照度、照度均勻度、視野內亮度比、直接眩光、間接眩光、顯色指數、照明類型等因素，應急照明則是通過絕對最小照度、連續工作時長、光通量、地面水平照度、照度在特殊情境下與一般照明條件的比例、照明系統應急轉換時間等指標進行評價。

4 應用與展望

隨著城市軌道交通智能化監控系統呈現出綜合數字化的趨勢，監控信息呈現幾何級數的增長，運營控制中心中共享顯示屏拼接幕墻尺寸越來越大、數量越來越多，如圖6所示為目前國內典型的集中式運營控制中心和網絡指揮中心的情況[15]。但是，共享屏幕數量多和面積大并不意味著共享效率高，共享人數多，如某城市軌道交通130人規模的運營控制中心，其70寸顯示單元組成的3行×40列共享顯示屏拼接幕墻有效利用率僅為15%，同時對整個運營控制中心照明設計和聲學設計提出了更高的要求。

圖6 集中式運營控制中心和網絡指揮中心示例

目前，國外工業領域控制中心的設計呈現出分布式小型化的趨勢，如圖7所示。整個運營控制中心由模塊化的控制臺單元組成，這種設計模式在滿足監控功能的前提下，可以有效提高其空間利用率。例如，ABB公司推出的System 800xA系統，結合其EOW系列控制臺，如圖8所示，在化工、電力等多個行業得到了推廣和應用。

圖7 小型化運營控制中心示例

圖8 集成化控制臺示例（EOW系列）

這種控制臺采用了雙層顯示布局設計，共享顯示屏集成在控制臺附近，由于視距的縮短減少了共享顯示屏的尺寸和數量，調度員既可以從共享顯示屏看到整個系統的全局，也可以通過控制臺桌面屏對具體系統進行監控和操作，共享顯示屏尺寸和數量的減少能夠有效地降低鑰匙孔效應。當出現異常情況時，調度員可以更迅速地做出響應。

另外，這種模塊化組合布局，使調度員可以在桌面顯示器和共享顯示器之間進行多種信息的顯示組合，還可進行個性化聲光設置并進行存取，有利于在地鐵全自動運營中實現調度員一職多能，承擔更多更有效的工作，并從工作中獲得更大的滿意度。

目前控制臺設計還呈現出可調節和集成化的趨勢，城市軌道交通運營控制中心是24 h不間斷作業，調度員每班作業時間為12 h，這種久坐的工作模式會對身體產生一定的傷害，如果能夠將調度員坐著的時間減少1/3或者1/2，這將會對他們的健康帶來很大的益處。可升降式控制臺是一種很好的解決方案，能夠解決調度員長時間久坐導致的頸椎疾病、腰椎間盤突出，以及心血管疾病和下肢靜脈血栓等問題。

控制臺的集成化設計還體現在將照明和聲學設計集成在控制臺模塊中，將局部動態照明引入控制臺，利用動態光誘發的非生物效應改善調度員的疲勞狀態，采用局部環繞立體聲的指向聲學設計，在提高調度員警覺性的同時有效減少告警對其他人員的干擾。

隨著城市軌道交通系統整體朝著全自動化、智能化方向發展，其運營控制中心的功能與結構也將產生適應性變化，今后的控制臺系統將更加智能化，它可以根據不同作業者的身材尺寸自動進行空間位置記憶與調節，能夠對作業者的面部進行識別，實時監測其在崗情況和疲勞狀態，進一步改善調度員的績效，使其作業更安全、高效、可靠，其外觀結構如圖9所示。總之，人性化也必將成為未來城市軌道交通運營控制中心的一項重要特征。

圖9 支持站姿作業的智能升降控制臺