列车驾驶员辅助数字技术及其工效学评估

近年来，随着铁路运营的逐步数字化，列车中数字控制元件的数量不断增加。数字技术的应用可以优化资源利用，并提高运输服务的质量和安全性。铁路运输公司希望通过使用移动终端设备，快速且经济有效地取代之前以纸质文件为基础的操作流程。当然，尽管目前铁路运营的数字化和自动化技术发展迅猛，但在未来几十年中，列车驾驶员仍是不可取代的。因此，有必要研究数字技术对列车驾驶员操控列车的支持潜力，并从工效学的角度对此类技术进行评估和优化设计。

1 列车驾驶室内的数字技术

在德国，现代列车驾驶室在出厂时就装配了许多数字控制元件，具体如下。

（1）传统数字技术。包括铁路专用全球数字移动通信系统（GSM-R）、传感器和诊断系统，以及电子行车时刻表和缓行区系统（EBuLa）。

（2）列车自动控制系统。包括德国用的列车自动控制系统（点式列车自动控制系统PZB或连续式列车自动控制系统LZB）以及欧洲通用的欧洲列车控制系统（ETCS）。

（3）欧洲驾驶员台（EUDD）。该驾驶员操纵台内置了标准化的控制元件和显示装置，总共有4个标准化的数字显示器，即人机界面（DMI），如图1所示。这一系统的研发是从20世纪90年代开始的。

（4）移动终端设备（如平板电脑、智能手机）。

（5）外置的驾驶员辅助系统（DAS）。

移动终端设备和外置DAS系统在近几年内才开始使用。下面将介绍这2种数字技术。

1.1 移动终端设备

为了确保铁路运营的安全、准时和经济，列车驾驶员必须遵守列车运行时间表、速度规定、缓行区实时清单，以及多项铁路运营法规。他们需要通过填写和确认表单（如指令表或行车时刻表通知单），以确保不出现常规操作偏差。目前，各种纸质文档已实现数字化，这使列车驾驶员使用平板电脑和智能手机开展工作成为可能。瑞士联邦铁路公司（SBB）在2012/13年度为列车驾驶员配发安装了“列车驾驶员电子助手（LEA）”应用程序的平板电脑，成为欧洲在这一领域的先驱。

从2015年开始，德国铁路股份公司下属长途客运子公司（DB Fernverkehr AG）在列车驾驶室内引入移动终端设备，为列车驾驶员提供缓行区实时清单及其他重要信息，如法规、指令和行车时刻表文件等。同时，德国铁路股份公司（DB）下属子公司Systel开发的软件Rail in Motion（RiM）促进了数字缓行区的推广（图2）。由于数字缓行区在DB内部的推行获得成功，DB下属线路网络子公司（DB Netz AG）在2017年12月更改行车时刻表后停止分发纸质缓行区清单。此后，非国有铁路运输公司也开始为列车驾驶员配备平板电脑。对缓行区实时清单进行数字化显示，成为平板电脑以及后台数据库系统（即后端系统）多样化更新和功能扩展的第1个里程碑。通过与DB各子公司的合作，Systel公司扩展了平板电脑应用程序RiM的功能。截至2017年底，RiM已拥有18 000个用户。通过该程序，列车驾驶员可以在平板电脑上调取与安全相关的文件和行程信息。RiM所支持的功能有：①调取法规、指令和行车时刻表文件;②显示有关班次、工单及短期变更的信息;③记录和计算工作时间;④报告列车故障。

第2种适用于驾驶室平板电脑的软件是德国CN-Consult公司开发的DiLoc|Sync。DiLoc|Sync软件模块可以通过文档服务器将文档同步分发到列车驾驶员所持有的移动终端设备上，并将其在本地存储。DiLoc|Sync所支持的功能有：①自动将文档分发给规定的人群，并支持阅读确认;②显示缓行区及实时清单;③提供服务和作业规划;④以多种文件格式显示和保存文件;⑤与合作企业协同工作。根据制造商提供的信息（参考年份为2019年），自2010年产品推出以来，欧洲范围内有超过130家铁路运输公司、至少30 000个用户在使用DiLoc|Sync。

第3种软件是德国柏林IVU Traffic Technologies AG公司开发的IVU.pad，其应用在最近几年渐趋成熟。自2016年9月以来，瑞士EVU Wynental-und Suhrentalbahn AG（SWB）公司一直在使用该平板电脑应用程序作为试点（图3）。IVU.pad专注于驾驶员和调度员之间的数字信息交换，其支持的功能如下：①根据列车位置，动态显示行车时刻表，包括列车到发时间、运行状态、制动条件以及基础设施信息;②获取关于列车损坏和维修的信息;③从调度员处获取关于短期变更和故障的信息;④分发工作指示，支持电子阅读确认;⑤向管理系统提交休假和出差申请;⑥记录工作时间，计算工资。

1.2 外置DAS系统

DAS系统在近几年得到了长足发展。DAS系统的作用是辅助列车驾驶员的加速和制动操作，以减少能源消耗和磨损。

随着21世纪初期EBuLa系统的推出，DB开发了第1个DAS系统——节能驾驶风格（ESF）模块，并将其作为EBuLa的标准配置。该模块集成在EBuLa中，可基于已存储的行车时刻表、列车实时位置以及运行动力学计算，给出列车制动能量回收的最佳时间点，以使列车能够滑行至要停靠的车站。列车驾驶员可自行决定是否遵循系统的建议。由于使用了ESF模块，德国城际高速列车（ICE）可以实现5%的节能潜力。

随后，有越来越多的私营铁路运输公司加入德国区域旅客运输以及货物运输领域。这些公司并非全部采用了EBuLa系统和ESF模块，而是同以前一样使用纸质行车时刻表。在这种背景下，各公司开发了至少13种独立于EBuLa系统之外的DAS系统，以求在列车控制中达到节能的目的，如由ETC公司和Inavet公司共同开发的smarttrains.das系统。该系统于2017年由cantus、nordbahn和agilis 3家私营铁路运输公司进行了原型测试，并随后正式投入使用（图4）。该系统适合在移动设备（平板电脑、智能手机）上使用，不需要任何車辆设备接口，可以访问计算机辅助操作控制系统（RBL）;可以综合考虑线路参数和车辆数据，以计算出最节能的行车流程。当到达列车牵引和滑行之间的最佳切换时间点时，移动终端设备的显示屏上会弹出“关闭电源！”的重要提示，向列车驾驶员发出切换信号。根据实际使用条件，采用smarttrains.das系统可以节省5%～15%的能源。

自2016年秋季以来，DB下属货运子公司（DB Cargo）为德国境内的机车装配了由克诺尔制动公司（Knorr-Bremse）开发的DAS系统“列车驾驶员辅助显示系统和事件记录仪（LEADER）”（图5）。该系统通过驾驶室中的附加显示屏为列车驾驶员提供信息，以达到在驾驶过程中节能和减少磨损的目的;还可以评估线路相关数据和车辆数据，为驾驶员提供建议。安装在LEADER车载设备中的GPS接收器用于机车定位。根据DB Cargo的声明，LEADER在测试运行中节省了多达12%的能源。

虽然DAS系统的种类较多，但其在德国轨道车辆中所占的市场份额仅为15%。迄今为止，还有各种障碍使DAS系统难以得到广泛应用，例如，铁路网络运营商难以免费调用当前基础设施数据，不同制造商的接口和数据格式不一致，以及现有机车对新技术普遍不兼容。

2 上述数字技术的工效学评估

通过对在驾驶室内使用平板电脑和智能手机进行工效学评估，可以了解引入上述数字技术可能给列车驾驶员带来的干扰和疲劳。列车驾驶员在受干扰和疲劳状态下可能会违规操作设备，从而导致设备失效。例如，2016年2月在Bad Aibling发生的列车相撞事故，就是因为列车驾驶员使用移动终端设备而出现分心。从移动终端设备的潜在干扰中可以推出对列车驾驶员的安全要求，例如合理使用平板电脑。本文建议对列车驾驶员进行培训，使其进一步了解不当使用平板电脑的危险性，并发布正确使用平板电脑的说明书。通过员工培训和技术支持来减少对平板电脑的错误操作，从而降低相关风险。

在列车行驶过程中，列车驾驶员的任务之一是读取驾驶室内各种显示屏上的信息，并通过硬键或软键按钮手动输入信息。符合EUDD标准的驾驶员操纵台上有4个固定显示器、诸多选装的附加设备和应用设备，以及强制配备的传统书面文件（图6）。这就给列车驾驶员带来了双重甚至是多重的视觉负荷。对此必须进行严格评估，因为人的认知范围有限，对平行视觉刺激的处理也只能局限在一定范围内（即视觉系统瓶颈效应）。汽车行业的模拟器研究已经证实，与驾驶活动相关的不同信息源组合会减少驾驶员的反应时间。这种效应也会出现在列车驾驶员的驾驶过程中。

因此，设计驾驶室时应考虑到并尽可能减少列车驾驶员的多重视觉负荷。在使用平板电脑辅助驾驶操作时，可以选择带有声学组件的多模式人机界面，这样列车驾驶员的注意力便不会始终集中在显示屏上。相关的1个示例是自动停车装置（Sifa）的声音警报。

由于数字化速度监测和控制技术（如LZB系统、自动驾驶和制动控制系统或ETCS系统的“完全监控”模式）以及复杂诊断工具的发展和广泛应用，列车技术已朝着自动化方向转变。列车驾驶员驾驶任务的自动化以及列车的无人驾驶正在逐步实现。然而，在高度自动化的情况下，列车驾驶员的任务是纯被动监控，如此会导致列车驾驶员的态势感知能力变差，疲劳感增加，从而使其对系统状态的感知受限。在这种情况下，如果发生故障或事故，列车驾驶员对事件的反应速度会慢于他主动操控机车时，这是一个严重的问题。只有减少列车驾驶员驾驶时的单调感和疲劳感，才能保证列车的安全运行。

3 列车驾驶室和显示屏的优化设计

列车驾驶室应符合欧洲标准《人机交互的人类工效学》（DIN EN ISO 9241-110）的规定，以及有关可控性、容错性和期望一致性的一般要求。这就需要在统一不同车辆操作系统设计的同时，考虑工效学（如人体测量学）设计原理，并将其反映在人性化的视觉空间和人体可达空间的设计中。优化列车驾驶室和显示屏设计，不仅可以满足工效学要求，还可以提高员工工作的安全性和效率，并使统一培训和继续教育成为可能。

在铁路领域，只有列车系统满足了安全要求后，才会在后续的硬件和软件调试中考虑工效学因素，例如给ETCS系统添加DMI。但对于选装的附加设备（如平板电脑、DAS系统），工效学方面的问题往往被忽略，并且缺少必要的人性化设计方法。对于DMI，应该针对其可视化属性（如字体大小、显色性和亮度）进行统一设计。对于标准的和选装的驾驶室显示器，应进一步优化，例如调整移动终端设备在驾驶室的安装位置等。移动终端设备的安装位置对其工效学作用会产生重大影响。若将它们直接安装在驾驶员操纵台上，会遮挡驾驶员的视野，并且导致驾驶员的肩部和颈部肌肉活动量增加，产生不适;而且在某些驾驶室中既没有固定移动终端设备以防滑落的装置，也没有足够的操纵台空间安放该设备。因此，驾驶员在输入信息时只能将移动终端设备拿在手中。为此，本文建议将移动终端设备安装在与头部平齐的位置。

在驾驶室中集成了基于平板电脑的系统以及其他附加系统之后，EUDD的功能已不能满足铁路运输公司的要求，因此建议进一步开发优化。对于驾驶台上安装的4个标准显示器，应针对铁路运输公司的特定需求进行定制，使之符合工效学要求。还应为各显示器配置标准化接口及与铁路运输公司后端系统的连接，以增加显示器的数据可用性;并采用尺寸更大的触摸屏和更灵敏、亮度更高的显示器，以替代驾驶室中原有的显示屏。此外，建议采用平视显示器，以及增加声音信号的使用。当然，应该指出的是，出于经济方面的原因，在短期内更新现有驾驶员操纵台配置不太实际，因此应该寻求短期和中期内优化使用移动终端设备的过渡解决方案（图7）。

4 结语

虽然数字技术简化了列车驾驶员的各种操作和铁路运营的一般流程，但从运输学和工效学的角度来看，人机界面的设计还有优化的潜力：①应提升驾驶室内固定显示器的功能和可用性;②应根据驾驶员的视野和肢体可达区，从工效学的角度优化移动显示和输入设备的安装位置。此外，从工效学角度还应考虑到，并行使用固定显示屏、移动显示屏和纸质文档等会给列车驾驶员带来多重视觉负荷，导致列车驾驶员注意力不集中和驾驶效率下降。因此，应该对驾驶室显示器进行持续优化，并开展进一步的相关研究。

参考文献

[1]Fabian Stoll， Nils Nie?en， Jochen Nells， et al. Digitale Technologien zur Unterstützung von Triebfahrzeugführern[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：25-30.

蘇靖棋 编译

收稿日期 2019-12-08