高速列车应急作业工效学实验系统研究

郭北苑，巨建涛，王雅楠，方卫宁

（北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

我国铁路现代化建设使得高速动车组的运营规模逐年扩大，动车组运营速度已经达到300km／h，最小发车间隔缩短到了5min，高速度和高密度的运行使得动车组故障发生频繁而且种类繁多。为保证列车的安全正点运行，需要动车组司机能对所发生的故障具有及时反应和快速的处理能力，因此开展故障突发情况下司机应急作业特性的工效学研究以提高司机应急作业可靠性具有重要意义。

由于无法直接在列车实际运行中开展故障实验，无法直接在实际运行系统中对人的行为特性开展工效学研究，目前采取的主要解决方案是构建仿真工效学实验系统开展相关研究。比如：在航空航天领域，美国NASA实验室利用工作站虚拟系统对航天员太空行为特性展开工效学研究［1］；在军事领域，Lieberman H R等［2］人利用工效学实验系统对军事应激情况下的军事人员的行为进行研究，得出了能够应对军事应激的人员行为特性；北京航空航天大学也将这项技术应用航空航天领域，如张磊［3］就利用构建的飞机座舱人机功效评定实验台来展开飞行员的认知特性的相关研究；北京特种车辆所则设计了装甲车辆驾驶舱工效学实验系统用于装甲车辆座舱的工效学研究，如作业任务复杂性、驾驶员作业可靠性等［4］；在轨道交通领域，北京交通大学郭北苑等［5］研制了机车驾驶工效学实验系统来进行人的可靠性和人的控制与决策等工效学实验。因此本研究构建高速列车工效学实验系统，以实现在实验室环境下高速列车司机的应急作业特性的相关实验研究。

故障注入技术指的是用人工方法有意识地产生故障并施加于特定的被测系统中，同时将被试者的观测和处理信息等进行分析并提供反馈［6］，目前该技术主要用于系统安全可靠性的验证中，在工效学实验系统中应用较少。在本实验系统构建中引入故障注入技术，以便实现在实验过程中人工产生动车组的各种应急故障场景，由此展开针对司机应急作业特性的分析研究。

1 系统功能分析

高速列车应急作业流程指的是当高速列车在运行过程中发生应急故障后，司机进行应急故障处理作业的操作顺序［7］。以CRH2型高速动车组为例，其应急故障共79类，当应急故障发生时，车载信息系统显示终端会自动显示故障信息并报警，司机根据故障信息进行应急故障的处理。故障的处理分为司机单独处理和与随车机师配合处理2种方式。司机通过车载信息显示终端和驾驶台上的开关按钮进行应急作业，比如远程切除或复位设备、远程切除抱死等；或通过对讲机通知随车机师配合其进行相应的操作。司机最后根据故障的处理结果来判断是否继续运行或将情况通知调度、安排救援［8］。高速动车组应急作业流程可以归结为列车运行操作、故障触发、故障监控、故障处理和故障报告几个部分。

利用工效学实验系统对人的行为特性展开研究一般采用的方法有任务分析法和生理测量法［9］，让操作者执行一定的操作任务，同时获取操作者的行为数据和心电、眼动等生理数据，实验后分析获取的实验数据，得出在执行任务过程中操作者的时间资源占用情况和工作负荷，从而得出被试的作业特性。结合高速列车应急作业流程的特点，高速列车应急作业流程工效学实验系统的功能为：为被试司机提供完整的仿真驾驶环境；根据需要随时对系统进行故障注入，并做出故障提示；接受司机进行的正常驾驶以及故障处理操作，并与实际处理操作流程标准进行对照后输出处理结果；记录和保存司机的操作以及生理变化数据等。

2 系统设计

在对实验系统进行功能分析的基础上，遵循“高内聚，低耦合”的标准，按照模块化的思想对实验系统进行了设计，系统结构如图1所示。系统分为实验管理子系统、高速列车应急作业子系统和工效学数据采集子系统3个子系统。

图1 高速列车应急作业流程工效学实验系统构架

实验管理子系统包括故障注入数据库和辅助处理数据库，完成故障注入和机师辅助处理操作功能。高速列车应急作业子系统包括应急作业流程推理机和车辆状态仿真模块，其中应急作业流程推理机由车辆状态匹配器、应急作业流程数据库、车载信息系统显示终端组成；车辆状态仿真模块包括驾驶台、信息显示终端和视景模块等，该子系统提供实验的驾驶仿真环境，向实验管理子系统提供故障清除命令和进行故障处理操作记录。工效学数据采集子系统包括眼动仪、动态心电图仪、摄像机与行为分析软件，采集并提供被试者的眼动和生理等数据，以便实验后期进行工效学分析。

2.1 基于故障注入的实验管理子系统

故障注入分为基于模拟、硬件或软件实现的故障注入，课题采用基于软件的模拟仿真故障注入法，可以有效地仿真高速列车运行故障和方便地得到可靠的工效学实验数据［10］。

实验管理子系统的设计主要包括故障注入数据库和辅助处理数据库的开发，为此引入了实体关系模型（ER模型）来建立数据模型，然后根据建立的数据模型分析构建各自的逻辑结构并建立相应的访问结果的判断规则，最终按照人机界面构建的一致性、重要性、功能性等设计原则构建各自的访问界面［11］。这2个数据库与应急作业流程推理机之间采用UDP通信方式。故障注入数据库的工作流程和辅助处理数据库的工作流程分别如图2和图3所示。

图2 故障注入数据库工作流程图

故障注入数据库在接收到实验管理员的故障注入操作后，将搜索到的故障代码发送给车辆状态匹配器，同时不断检查接收管理员清除故障命令或车辆状态匹配器反馈的故障清除命令，来确定是否进行故障清除，完成本次故障注入操作；随车机师通过辅助处理数据库进行故障处理，数据库按照随车机师的操作搜索相应的处理代码，发送给应急作业流程推理机，并检查接收车辆状态匹配器传来的故障清除信息，完成辅助处理操作。

图3 辅助处理数据库工作流程图

2.2 高速列车应急作业子系统

高速列车应急作业子系统是整个实验系统的核心部分，该子系统性能取决于应急作业流程推理机的性能，其好坏直接影响实验数据的可靠性，而车辆状态仿真模块则为工效学实验提供仿真驾驶环境。

2.2.1 基于正向推理的应急作业流程推理机

推理方法一般有正向推理、反向推理和双向推理以及状态空间搜索法等［12］，在应急作业流程推理机的设计中，需要充分考虑被试者的故障处理操作流程能否清除故障，所以选择正向推理模式［13］。正向推理模式基本思想是：以已知的故障处理流程为基础，建立推理机的规则群；当被试者的操作动作及顺序符合推理机数据库中的已有事实，则完成推理，输出推理结果。将推理的项目归纳总结并建立推理规则群，在此基础上构建基于三层架构的应急作业流程推理机的任务构架，如图4所示。

图4 应急作业流程推理机的构架框图

其中故障代码的输入由实验管理子系统完成。车辆状态匹配器将接收到的速度、运行距离及档位等信息发给显示终端并进行显示，同时负责故障注入、清除命令的接收与发送、车辆状态的匹配与传送；应急作业流程数据库的构建和设计方法与故障注入数据库和辅助处理数据库相同，只是不需要人机界面的开发；车载信息显示终端完成页面请求代码发送，实现“故障信息”界面的跳转，显示匹配后的车辆信息，同时接收被试者进行的故障处理操作，并进行操作记录。开发的显示终端示意图如图5所示。

图5 显示终端界面

2.2.2 车辆状态仿真模块

车辆状态仿真模块主要功能是为实验人员提供驾驶仿真环境，采用半实物仿真方法实现，需要设计并生成包括驾驶台、视景、仪表和音箱等在内的仿真驾驶环境。

为使被试司机能够沉浸在构建的实验系统中，需要进行驾驶场景的构建，包括列车的速度和位置的计算，这由牵引计算模块完成；虚拟驾驶场景和声音的生成由声音和视景模块完成；最终通过线路数据管理模块来完成运行线路数据的维护和管理。

为得到正确的人－机－环境匹配关系，系统的主要人机界面：如操纵台控制器件等均采用实物；使用智能化的平面显示方案，采用虚拟仪表形式进行显示，使得DMI（人机交互界面）既能满足工效学测试的需求，又可以与操纵台圆满接口，同时由于采用了软件模拟方法，可以方便地对显示内容和形式进行调整，具有很好的扩展性。

2.3 工效学数据采集子系统

工效学数据采集子系统包括眼动仪、动态心电图仪、摄像机与行为分析系统。利用眼动仪进行注视分析和统计分析，来确定被试者注视情况和测试时间段内注视持续时间所占的百分比；心电仪可以输出实验者的心电数据；摄像机对被试动作进行录像，然后通过行为分析系统对录像进行动作分析，以得出被测试者的操作数据。以上设备的组合可以得到合理可靠的工效学实验分析数据。

3 系统的实验应用

高速列车应急作业流程工效学实验系统的可用性将直接影响工效学实验数据的可靠性，从而影响司机应急作业特性研究结果的真实性。本节以CRH2型动车组“牵引变流器传输不良”故障处理为例，通过对实验所采集的数据的工效学分析，验证工效学实验系统的可用性。

实验管理人员进行实验设备的安装和调试，在实验过程中进行故障注入和辅助处理操作。实验采用主任务测量法和生理测量法对实验者的心理负荷进行研究，利用摄像机和动作分析软件进行动作数据的采集和分析，通过眼动仪和动态心电图仪对被试者进行相关生理指标测量和数据的采集。实验现场如图6所示。

图6 实验现场

实验共进行15min，其中0～5min进行对照组实验，此时实验者只进行正常驾驶操作，用摄像机拍摄其操作动作，用眼动仪和心电仪进行生理指标测试；5～10min为被试者休息时间，无实验任务，此时只有心电仪对被试者进行生理指标测试；10～15min进行实验组实验，在正常行驶过程中加入故障处理任务，此时用摄像机拍摄操作动作，并用眼动仪和心电仪对被试者进行生理指标测试。为保证数据的准确性，对照组和实验组的基本驾驶任务的场景相同，驾驶时间相同。

实验后通过行为分析系统软件统计出的工效学分析数据如表1所示。实验系统可以正确记录与得到相关动作分析数据，通过表1中数据可以观察到在故障注入的情况下，被试者的动作时间、操作频率和动作时间均高于正常驾驶的情况，显示被试者在故障处理情况下的心理负荷要大于正常驾驶的心理负荷。

表1 动作分析统计数据

实验系统获取的心电实验数据如表2所示。可以观察到低频与高频之比fL∶fH有：（fL∶fH）19：20＞（fL∶fH）19：10＞（fL∶fH）19：15，提示被试者在故障处理时的心理负荷要大于正常驾驶的心理负荷；在无任务状态下，被试者的情绪平和，心理负荷最小。

表2 心电实验数据

通过获得的眼动数据的分析也可以得出与动作分析及心理负荷数据相同的分析结果，说明高速列车应急作业流程工效学实验系统能够为工效学实验的开展提供合理完善的实验环境，并能得到可靠有效的实验数据。

4 结论

本文中应用故障注入技术，研究并实现了模拟环境下的高速列车司机应急作业流程的工效学实验系统，主要包括：构建了故障注入数据库和辅助处理数据库，实现了实验管理子系统对相关信息的管理和信息交互；对应急作业流程推理机的推理方法、规则群建立、推理机的构架及推理流程进行了探讨，构建了应急作业流程推理机；设计并完善了车辆状态仿真模块，为工效学实验提供仿真环境；设计并构建了工效学数据采集系统。实验系统已被成功应用于相关工效学实验研究中。本文的研究成果为轨道交通以及其他相关行业的应急作业流程工效学实验系统的设计提供了很好的理论依据和实例参考。

（References）

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