基于人機工程學對動車組隨車機械師HMI屏的研究

田 叢

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132000）

人機工程學是研究“人-機-環境”系統中人、機、環境三大要素之間的關系，是解決系統中機器與人之間信息交互的科學方法[1]。人機工程學研究的主要對象是操作設備的用戶、機器產品及整個操作系統三者間的協調性。在對系統進行人體工程設計時，可能會用到心理學、生理醫學、人體測量美學等領域的知識[2]。人機工程設計科學、合理，能提高機器產品的性能，使系統在操作過程中具有操作簡單、效率高、安全、健康、舒適等優點。人機工程學與人的工作生活聯系密切。設計生產出既人性化又高效能的設備、工具和日常生活用品，是人體工程學相關從業人員努力的目標[3]。

1 人機工程學

1.1 人機工程學的發展現狀

亨利·德雷夫斯（Henry Dreyfuss）設計電話機，是人機工程學運用的典范。歐美國家對人機工程學的相關研究報道要早于其他國家。隨著世界各國陸續成立相關的研究機構，在減輕工作負荷程度、降低對人體健康的影響程度、完善操作方法、優化作業環境、方便有特殊障礙人群操作使用等方面的研究越來越多[4]。

我國在人機工程學方面的研究起步晚于其他發達國家，但近些年人機工程學在我國得到了迅速的發展與應用。在20世紀80年代中期，我國在軍用武器設備中率先應用人機工程技術[5]。隨后，在一些高校設立了人機環境等相關專業。在醫療方面，開展了包括坐姿不當導致的肌肉骨骼勞損等醫學人機工程的相關設計與研究[6]。

1.2 人機工程學的研究方法

人機工程學的研究方法主要包括：實測法、實驗法和分析法[7]。

（1）實測法。實測法是利用專門的儀器儀表測量數據或實地考察收集數據的一種方法。例如，為了提高用戶使用的舒適性，可運用人機工程學設計小型輸入鍵盤，主要過程如下：首先，采用實測法收集不同群體（如男生、女生、兒童等）的用戶在使用鍵盤的過程中手指的操作范圍等樣本尺寸數據；然后，對樣本尺寸數據進行分析；最后，根據數據分析結果，對小型輸入鍵盤的尺寸以及各按鍵的位置布局進行科學合理設計。

（2）實驗法。實驗法是在實測法不能夠直接進行測量的情況下所運用的獲取數據的一種方法。實驗法的實施方式靈活多樣，可根據實際的需求而定。例如，運用人機工程學設計小型輸入鍵盤時，需要利用不同的實驗人群，采用實驗法得到按鍵阻尼大小對手指的反饋、對舒適性的影響等數據。有時，采用實驗法獲取數據可能需要較長的時間，如：獲取噪聲對人心情的影響、顏色對工作效率的影響等相關數據。通過長時間實驗得到的數據結果更加真實有效。

（3）分析法。分析法是指以實測法和實驗法為基礎，對測量、收集或實驗得到的數據進行分析。如：分析椅子高度與乘坐舒適性時，首先利用尺子量取人體相關數據，然后利用高速攝像機捕捉身體腿部各個關節處的運動軌跡數據，最后通過數據分析確定乘坐最舒適的椅子高度。由于在數據的采集過程中不可避免的會出現一些無效或失真的數據，因此往往需要對測量、收集或實驗得到的數據進行分析，將這些無效或失真的數據剔除。

2 人機工程學在動車組隨車機械師HMI屏中的應用

隨著中國高鐵的發展，高鐵已經成為中國的“名片”。“交通強國，鐵路先行”。我國鐵路行業順應時代的潮流，從引進來消化吸收到自主創新，目前已經開始引領世界創新發展高鐵先進技術[8]。隨著我國高鐵運營里程越來越長，高鐵逐漸成為了我國百姓出行的首選交通方式，人們對高鐵運行的品質要求也越來越高。隨著動車組的運行速度不斷增加，對列車安全運行的要求也越來越高。雖然列車運行的智能化程度不斷提高，但列車要保障安全運行，不僅需要智能化監控設備，更需要司機、隨車機械師等人員不間斷地維護、監控[9]。為了保證行車安全，應盡量讓隨車機械師、司機等相關人員能夠舒適地監控車輛運行，降低工作強度、減輕疲勞程度。以動車組隨車機械師操作、監視HMI屏為例，對“人-機-環境”系統進行人機工程學分析。

2.1 機械師座椅尺寸分析

人體尺寸是人機工程學設計過程中最重要的參考數據。由于隨車機械師一般情況下是坐著進行HMI屏幕的監控操作，因此應當對相應人員進行人體靜止姿態尺寸數據測量，以坐姿尺寸數據為主要依據進行座椅的尺寸設計。給隨車機械師配置尺寸合適的座椅，能夠提高乘坐的舒適性，降低工作的疲勞強度，有利于隨車機械師保持高度的警覺性，確保行車安全。

根據國家標準“中國成年人人體尺寸”數據，確定我國成年人身體尺寸基本數據[10]。測量坐姿時，應要求被測量人員采用標準的姿勢端坐，挺直腰背，如圖1所示。設計時，應優先采用可調式結構。

圖1 標準坐姿尺寸測量

2.2 機械師的視角范圍分析

視角范圍與視野、視距、眼高、坐姿等參數都有關系。以隨車機械師監視HMI屏幕為例，應滿足以下要求：以機械師身體舒適為前提條件，在機械師監視屏幕信息的過程中，屏幕要始終保持在機械師的視線范圍內。

（1）機械師視野。機械師視野是指隨車機械師在頭部和眼球固定不動并正視顯示屏幕的情況下所能看得見的空間范圍。在設計HMI屏幕安裝結構的過程中，需要根據機械師視野確定HMI屏幕安裝的水平高度、與水平桌面的夾角等位置尺寸，以便減輕隨車機械師的視覺疲勞，能夠更輕松地監視屏幕。

（2）機械師視距。機械師視距是指隨車機械師在操作監控系統時正常的觀察距離范圍。根據我國人體數據，成年人正常視距范圍一般在38～76cm之間。HMI屏幕安裝得離座椅過近或者過遠，都會影響機械師在監控時快速讀取屏幕上的數據。在列車行駛過程中，有時屏幕會隨車體震動而發生隨機性抖動，有時屏幕中會出現動圖和數據實時變動等情況，均會影響機械師的監控工作。

（3）機械師眼高。機械師眼高是指隨車機械師在身體以標準的坐姿面對監控屏幕進行操作時，眼睛水平高度與腳踏面水平高度之間的差。若屏幕中心高度遠大于眼高或遠小于眼高，則會使得機械師仰頭或低頭工作。機械師長時間保持仰頭或低頭姿勢，會加大脊柱的疲勞程度。

2.3 機械師的手臂活動范圍分析

隨車機械師利用手臂運動完成在HMI屏幕上的各項操作。手臂的活動范圍以及手臂的運動軌跡都會影響機械師操作的準確性，這直接關系到列車行駛的效率和安全等[11]。機械師大臂操作區域、肘高、小臂操作區域等參數均會影響機械師操作時的舒適性、準確性。

（1）大臂操作區域。在機械師身體軀干保持穩定的情況下，大臂的外展內收角度范圍為180°～-30°，其中最舒適的角度為自然放松手臂下垂時的角度，即0°。手臂在身體前部擺動的范圍為180°～-45°，在機械師操作顯示屏界面時最舒適的角度為 15°～35°。

（2）肘高。肘部姿勢會影響機械師操作顯示屏的舒適性。顯示屏操作區域離桌面的距離過于大或過于小，都會影響操作的舒適性。

（3）小臂操作區域。當隨車機械師雙臂自然放在桌面上利用小臂運動操作HMI顯示屏時，顯示屏的安裝位置不同也會直接影響機械師操作的準確率、頻率和舒適性[12]。試驗表明，如果將HMI屏幕安裝在不同區域，那么機械師操作的速度會有很大的區別。如圖2所示，左右手分別在-30°～+30°區域內，操作速度一般；在±30°～±60°區域內，操作的速度最快；而在±60°～±90°區域內，操作的速度最慢。

圖2 手臂活動范圍圖

需要特別注意的是：應將重要參數的操作界面和使用頻率較高的屏幕操作界面安裝在最快反映區間內；應根據使用頻率，將其他的功能操作鍵按順序對稱排列，在靠中間位置安裝使用頻率較高的按鍵，在靠兩側位置安裝使用頻率較低的按鍵。這樣安裝的優點是在機械師操作過程中，可以按順序使用顯示器與控制器，方便高效地完成屏幕的監控或界面操作切換。

2.4 屏幕界面分析

HMI界面包括按鍵信息提示區、設備狀態顯示區、參數顯示區等監控信息顯示區[13]。HMI的顯示裝置分為視覺顯示裝置和語音提示裝置。視覺顯示裝置為液晶顯示屏，既能顯示文字，又能顯示圖形，可使隨車機械師更直觀地觀察列車的情況。需要注意的是：液晶屏顯示的目標雖然亮度越高越易被察覺，但是當亮度超過 34cd/㎡的時候，不僅不能使視覺敏感，還容易使隨車機械師產生視覺疲勞。語音提示裝置為內置或外置音箱。當列車運行、隨車機械師的操作出現異常或者危險時，語音提示極其重要。一般應將語音提示聲音的頻率和強度分別控制在300Hz、90d B左右，還應根據周圍環境的噪聲大小調整聲音的強弱。

3 展望與結語

21世紀，人類步入了信息科技時代，動車組的運行也在朝智能化不斷地發展，對動車組的操作舒適性和乘坐舒適性都提出了越來越高的要求。以動車組隨車機械師HMI屏為例，從座椅尺寸、視角范圍、手臂操作范圍、屏幕界面等方面進行了人機工程學分析，提出了在設計安裝HMI屏時需要考慮的問題，以提高隨車機械師的操作舒適性、減小隨車機械師的疲勞強度，對保證行車安全具有積極意義。

人機工程學作為應用型學科，與人的工作生活息息相關，必將向著綠色化、虛擬化、信息化、數字化以及智能化人機設計的趨勢發展。應用人機工程學，可為社會設計、生產出更加人性化、高效能的設備。