地铁调度员工作站人机交互界面设计研究

赵 嫚，方卫宁，穆建成

（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）

在城市轨道交通管理中，调度员工作站人机交互界面作为调度员处理地铁运营突发事件的载体，在保障地铁列车按运行图正常运营中占据了重要的地位。工作站界面上的显示和控制元素越来越多，在辅助调度员工作的同时，也增加了调度员处理信息的工作负荷。以北京地铁1号线为例，站场图中包括25个车站（其中两个修建时是为国防服务，现已弃用，但仍可停放车辆），2个车辆段，多个列车（高峰运营时可达50多辆），信号机，站台等，线路全长34. 82 km。调度员与工作站界面的交互信息量的增长，使得人的因素越来越成为限制突发事件高效处理的“瓶颈”。

尽管地铁列车自动监控（ATS，Automatic Train Supervision）调度系统硬件系统已更新换代，但是交互界面的表现形式，功能图标、站场图等并没有与显示器的显示水平同步发展。本文从人机界面交互设计的角度出发，针对目前调度员工作站系统的界面设计问题展开研究，以生态界面理论为基础，用工业设计的界面设计原则及设计方法对工作站界面进行优化设计，从而使调度员与工作站的交互更为友好。

1 地铁ATS调度工作站系统研究

界面设计以北京地铁1号线ATS系统调度员工作站为研究对象，对操作界面进行分析。选择该条线路有以下几点考虑：

（1）客运量大。图1为除了4号线和14号线（京港地铁）以外的北京各个地铁线路客运量数据统计。在北京地铁各条线路中，1号线是北京地铁运营线路中客运量最大的线路。

（2）对调度员要求高。北京市其他地铁线路的调度员大部分是从1号线的调度员中分配的，只有经验相对丰富的调度员才能胜任1号线的调

图1 北京地铁运营数据

图2 调度员工作站系统提取图

在调度员工作站系统的抽象提取图中，可以看出整个系统宏观上分成2个部分。第1部分是信息显示和功能操作，主要位于工作站界面的上端和下端，调度员通过屏幕上方分布的各类按钮、显示图片以及列表等整个系统状态进行监视和对站场图上的线路元素进行操作。第2部分是站场图，是整个1号线线路的简图，可以客观的展示整个线路的位置以及状态，并且随时监视和控制列车的运行。

图2中的第1模块包括菜单、设备状态显示、报警栏和时间显示4个部分，如图3所示。它们都是工作站界面的主要操作模块，是调度员实现列车监视和监控的主要工具[1]。其中报警信息尤为重要，它可以实时显示列车运行过程中的突发状况，调度员可根据报警模块提供的报警信息进行分析处理，并及时找到故障发生点，对突发事件进行处理。这一部分提供了各个级别的报警信息，可帮助调度员对信息进行分类处理。

图3 功能操作模块

图2中的第2模块相当于第1模块的操作对象，所有的功能操作都在站场图中体现，调度员大部分对于行车的组织操作都是在站场图上进行的。如图4所示，它包含丰富的线路信息，也是界面设计最重要的模块。站场图中的线路元素主要包括轨道、轨号、道岔、信号机、站台、列车、车站名、接触轨、车次号、车次窗、状态显示标志等。在站场图上的操作包括移动站场图、右键点击操作等。

图4 站场图

2 ATS调度工作站的生态界面抽象层次分析

生态界面设计（EID, Ecological Interface Design）是一种在复杂的社会技术系统中用来设计人机界面的理论体系，它以抽象层级以及技术（skills）、规则（rules）和知识（knowledge）类为理论基础。其主要作用是帮助知识型工作者适应度工作，因此1号线是对调度员经验要求最高的线路。

（3）虽然各个地铁线路的界面都不一样，但是需要实现的基本功能是大致相同的。

（4）1号线采用的ATS系统是比较有代表性的典型ATS调度系统。

所以，本文选择北京地铁1号线作为分析对象，提取出调度员工作站双屏显示界面的展示内容，如图2所示。变化的环境和新事物，并可提高问题解决的绩效[2]。

抽象层级是用来描述某一工作领域的有用体系，它可被定义为一种分为多层级的组织[3]。层级的较低水平与较高水平间是一种具有指向性的手段-目的的关系。抽象层级的分析是对工作领域的分析，而非具体任务的分析，即它分析整个控制系统，这可以使人们不局限于某一具体情形或事件，因此具有更好的适应性[4]。抽象层级具有两方面的优点：（1）为操作者提供处理不可预期的事件的信息；（2）为问题解决提供有效的心理地图。

本文进行生态界面分析的工作域是地铁调度工作站。对于交互界面信息的分类与组织，依据生态界面理论，采用抽象层次法进行分析，如图5所示。各个层次的描述如下。

2.1 功能目的层

该层次主要描述工作域是因为什么目的而被设计出来的[5]。功能目的的描述应该包括一些能够帮助用户判断工作域是否正常工作的评价标准。调度员工作站的整体设计需要保证列车在站场内安全运营。这个过程又可以表述成具体的功能目的，调度工作的主要内容是保证列车在正常运营时间内按照运行图的计划运行，因此功能目的的第1点是保证列车准点。另外维持站场的正常运营必须保证站场自身的可靠安全，所以功能目的的第2点是最小化施工对运营的干扰。

2.2 抽象功能层

该层次主要描述工作域包含的一些因果关系以及守恒定律，如能量守恒，质量守恒等。调度员工作站在这一层次的描述表述在系统的具体功能上为2个部分：（1）运营列车的出库、按运行图运行以及回库；（2）施工人员的进线、施工检修作业以及出线。抽象功能层是功能目的层的进一步细化和分析。

2.3 一般功能层

该层次用于解释抽象功能层的相关法则是如何被获得并遵守的。如何实现列车的运行和施工检修作业的正常进行。这里包括列车正常运行的监视和控制、故障和突发事件处理、夜间施工维修。一般功能层是对抽象功能层的进一步解释和具体化。

2.4 物理功能层

该层次描述工作域的具体物理功能，各自的功能模块以及它们的实现能力。其中尤为关键的是描述了这些能力的限度。调度员工作站工作域的主要物理功能模块包括2个部分：信息显示功能操作模块和站场图。

2.5 物理形式层

该层次主要描述工作域的物理形式。包括尺寸、颜色、形状、外观、物理位置、环境等。映射到调度员工作站表现为实现各个功能的表现状态以及显示标识等，如图5所示。

3 调度员工作站的生态界面设计方案

在界面设计过程中，抽象层级上面的每一层都要提供视觉结构和流，这主要包括2方面：构建逻辑路径、对称和平衡。界面布局必须采用正确而有效的逻辑路径，用户可以沿着该路径与界面互动，现代人们眼睛阅读的习惯是从上到下，从左到右；从视觉平衡的观点来说，对称是组织界面的一个有用工具，如果不对称，界面会显得失衡，界面中常用到的两种对称是垂直轴对称和对角线对称[6]。

根据信息模块化及重要性等设计原则[7]，将整个工作站界面划分为3个部分，分别是信息显示、功能操作和站场图。工作站操作界面采用双屏显示，按照人们的阅读习惯，左屏为主要操作屏，右屏相对次要。如图6所示，界面中灰色部分为标题栏；绿色部分为信息显示部分，主要展示一些设备的状态以及运营组织流程的显示；蓝色部分为功能操作模块，主要包括报警信息、用户管理、功能区、天气时间显示以及站场图的缩略图部分；黄色部分为站场图。

图6 站场图模块图

根据生态界面的抽象层次分析对调度员工作站系统的分析，本文提出一种“旋涡式”设计方法。即由外及内，由大到小，由粗到细，由远及近的设计方式，先整体后细节的层层展示界面的具体内容。先对整体系统进行抽象层次分析，再对各个模块进行抽象层次分析。

图5 调度员工作站抽象层次分析

整个界面的主体对应功能目的层，即通过界面上的内容展示和相关控制功能模块，保证列车准点以及最小化夜间施工对运营的干扰。抽象功能层的具体映射到界面上表现在整个界面的左上角，即图6中的信息显示模块，可切换夜间施工模式和正常运营模式。

3.1 界面模块划分设计

根据人眼阅读习惯以及眼睛的视距区域划分，将整个界面分为2大部分，站场图与信息显示功能操作。根据在地铁调度员日常工作中的调研，他们最关注的是站场图的变化，需要精确无误的获取站场图的信息，在发生突发状况之后通过一些功能操作对站场图进行操作。站场图占据的面积较大，根据王海燕在2011年《新一代战斗机显控界面布局设计研究》中所做的实验得出的结果[10]，如图7所示。根据人的视觉习惯和眼动实验验证，其中(a)是最优的界面。

图7 界面布局方案

所以信息显示和功能模块置于上方小面积处，站场图置于下方大面积处。

3.2 信息显示和功能操作设计

根据在地铁调度中心的实地调研以及在调度员日常工作中所做的调查，报警信息是功能操作模块中最重要的一个部分，本节将详述报警模块的设计来展开界面的设计过程。并将基于理论设计的生态界面和传统界面进行对比。

研究中在界面上展示的内容是固定的，即报警信息的内容、等级以及处理操作。

如图8所示，在传统界面中，报警内容包括类型、级别、状态、时间、事件；报警等级按等级排列分别包括A、B、C、事件4个等级；报警处理包括确认、删除、删除全部。事件的等级区分采用颜色区分法，红色为A级警告，蓝色为B级警告。所有的报警信息以列表的形式进行展示，滚动条显示多条信息。调度员需要时刻关注报警栏以发现最新的报警信息。

图8 报警信息模块的传统界面

图9为根据前文的抽象层次分析得出的生态界面设计方案，通过对报警模块的再次抽象层次分析，对报警栏进行了生态界面设计。

图9 报警信息模块的生态界面

（1）报警栏的功能目的是将最新发生的警告信息传达给调度员，因此在这一模块的左上角，即人眼视觉最关注的位置，绘制一个报警图标，当调度员必须关注的B级报警信息发生时，报警图标会有闪烁表示。更高级别A级报警信息产生时还会伴随声音提示。如图9（a）中红框所示。

（2）报警栏的抽象目的是及时并详细展示调度员最需要的报警信息以及对报警信息的处理。如图9（a）中的第一个标签页所示，将较高级别的A级和B级报警信息内容在这一区域详细展示出来，并在其右侧以按钮的形式提供处理操作的功能。显示内容的颜色设置为A级红色，B级蓝色，C级黄色，事件黑色。

（3）报警栏的一般功能是实现报警信息的展示、分类、设置以及处理。因此，将报警信息的内容分为ID、时间、级别、类别、状态、内容。报警信息的等级划分为A、B、C、事件4个等级，以及提供所有警告和当前警告信息的查看。报警时间的处理分为确认、处理、回复和删除。

（4）报警栏的物理功能是如何实现一般功能的具体物理操作。如图9（b）中红框所示，以标签页的形式将报警信息的各个等级区别划分并实现切换查看的功能。以按钮的形式实现报警信息的处理操作，报警设置会产生下一级窗口进行报警信息显示的设置。

（5）报警栏的物理形式层的表现主要是颜色、图标大小和样式的变化。例如，报警图标的闪烁显示是可以紧抓视觉的重要元素，并且黄色是通用的警告色，在没有报警信息的状态下，图标为灰色，是静态图片，不会产生强烈的视觉差；当有报警信息提供时，黄色和红色的警告程度明显加强，会立即增加人眼的关注度。

对于传统界面和新设计的生态界面进行了主观评价，采用了专家打分法，结果表明，图9展示的生态界面要比图8展示的传统界面更加容易理解和掌握。

图10 任务实验设计

4 实验验证

实验采用SMI的RED型桌面式眼动测试仪作为实验工具，它包括iView PC测试计算机、Stimulus PC图像显示计算机和下方安装的2组红外光源及摄像头。

4.1 实验数据采集

本次实验主要采集的是定量化的任务数据，即行为类型总数和行为时间。需要通过眼动仪记录的数据有：注视点位置、注视时间、行为执行时间。

本实验选取的案例任务是“完成对报警信息的确认”，这个任务是在对行车调度系统和调度任务进行调查分析后得出的结果。具体的实验设计流程以及数据记录如图10所示。

被试选取的是北京交通大学的研究生共7名，全部为男生，参与者年龄介于21～26岁之间。所有被试没有接触过ATS系统，所以需要经过一段时间的熟悉操作培训。

4.2 实验结果分析

由眼动仪自带的BeGaze数据分析软件分析结果得出如表1所示的数值，表中数值为7名被试测试后的平均值（假设实验开始时间为第0 s）。

由上述结果分析可知EID界面相对于传统界面来说，用户能够更快速的获取报警提示，及时得到报警信息的内容并进行处理。

表1 实验结果分析

5 结束语

本文在ATS调度员工作站人机交互界面设计中，利用生态界面设计理论中的抽象层级分析法，对调度员工作站系统进行了系统的分析、总结和归纳，通过对各个功能层级的分析，对界面显示内容进行了模块化的分类和合并。在具体显示设计时，提出了一种新的设计方法流程。结合调度员在实际过程中对当前工作界面的真实感受以及对界面显示的一些功能需求，重新设计了界面的显示构架。按照调度员处理突发事件的任务要求和人类的视觉规律，利用眼动实验验证生态界面和传统界面的优劣。由结果可知对于复杂系统界面的布局，这一方法是可行的。

[1]卡斯柯信号有限公司.北京地铁1号线自动列车监控系统工作站操作手册[Z]. 2008.

[2]石庆馨，张 侃. 生态学界面设计研究综述[J]. 人类工效学，2004，10（3）：65.

[3]K. J. Vicente, & J. Rasmussen, Ecological interface design:Theoretical Foundations[J]. IEEE Transactions on Systems,Man, and Cybernetics, 1992，22（4）：589-606.

[4]K. J. Vicente. A few implications of an ecological approach to human factors[R]. In J. Flach，P. Hanock，J. Caird & K.J. Vicente (Eds)，Global perspectives on the ecology of human-machine systems(pp. 54-67). Hillsdale，NJ: Erlbaum,1995.

[5]Burns, Catherine M, Hajdukiewicz, John R. Ecological Interface Design[M]. Boca Raton: CRC Press，2004.

[6]Dowsland K A, Dowsland W B．Packing problems[J]．European Journal of Operational Research，1992，56（1）：2-14．

[7]Kim W C, Foley J D. Providing high-level control and expert assistance in the user interface presentation design [C].Conference on Human Factors in Computing Systems, 1993:430-436．

[8]王海燕，卞 婷，薛澄岐. 新一代战斗机显控界面布局设计研究[J]. 电子机械工程，2011，27（4）：57-61.