基于人机工程学对动车组随车机械师HMI屏的研究

田 丛

（吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132000）

人机工程学是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，是解决系统中机器与人之间信息交互的科学方法[1]。人机工程学研究的主要对象是操作设备的用户、机器产品及整个操作系统三者间的协调性。在对系统进行人体工程设计时，可能会用到心理学、生理医学、人体测量美学等领域的知识[2]。人机工程设计科学、合理，能提高机器产品的性能，使系统在操作过程中具有操作简单、效率高、安全、健康、舒适等优点。人机工程学与人的工作生活联系密切。设计生产出既人性化又高效能的设备、工具和日常生活用品，是人体工程学相关从业人员努力的目标[3]。

1 人机工程学

1.1 人机工程学的发展现状

亨利·德雷夫斯（Henry Dreyfuss）设计电话机，是人机工程学运用的典范。欧美国家对人机工程学的相关研究报道要早于其他国家。随着世界各国陆续成立相关的研究机构，在减轻工作负荷程度、降低对人体健康的影响程度、完善操作方法、优化作业环境、方便有特殊障碍人群操作使用等方面的研究越来越多[4]。

我国在人机工程学方面的研究起步晚于其他发达国家，但近些年人机工程学在我国得到了迅速的发展与应用。在20世纪80年代中期，我国在军用武器设备中率先应用人机工程技术[5]。随后，在一些高校设立了人机环境等相关专业。在医疗方面，开展了包括坐姿不当导致的肌肉骨骼劳损等医学人机工程的相关设计与研究[6]。

1.2 人机工程学的研究方法

人机工程学的研究方法主要包括：实测法、实验法和分析法[7]。

（1）实测法。实测法是利用专门的仪器仪表测量数据或实地考察收集数据的一种方法。例如，为了提高用户使用的舒适性，可运用人机工程学设计小型输入键盘，主要过程如下：首先，采用实测法收集不同群体（如男生、女生、儿童等）的用户在使用键盘的过程中手指的操作范围等样本尺寸数据；然后，对样本尺寸数据进行分析；最后，根据数据分析结果，对小型输入键盘的尺寸以及各按键的位置布局进行科学合理设计。

（2）实验法。实验法是在实测法不能够直接进行测量的情况下所运用的获取数据的一种方法。实验法的实施方式灵活多样，可根据实际的需求而定。例如，运用人机工程学设计小型输入键盘时，需要利用不同的实验人群，采用实验法得到按键阻尼大小对手指的反馈、对舒适性的影响等数据。有时，采用实验法获取数据可能需要较长的时间，如：获取噪声对人心情的影响、颜色对工作效率的影响等相关数据。通过长时间实验得到的数据结果更加真实有效。

（3）分析法。分析法是指以实测法和实验法为基础，对测量、收集或实验得到的数据进行分析。如：分析椅子高度与乘坐舒适性时，首先利用尺子量取人体相关数据，然后利用高速摄像机捕捉身体腿部各个关节处的运动轨迹数据，最后通过数据分析确定乘坐最舒适的椅子高度。由于在数据的采集过程中不可避免的会出现一些无效或失真的数据，因此往往需要对测量、收集或实验得到的数据进行分析，将这些无效或失真的数据剔除。

2 人机工程学在动车组随车机械师HMI屏中的应用

随着中国高铁的发展，高铁已经成为中国的“名片”。“交通强国，铁路先行”。我国铁路行业顺应时代的潮流，从引进来消化吸收到自主创新，目前已经开始引领世界创新发展高铁先进技术[8]。随着我国高铁运营里程越来越长，高铁逐渐成为了我国百姓出行的首选交通方式，人们对高铁运行的品质要求也越来越高。随着动车组的运行速度不断增加，对列车安全运行的要求也越来越高。虽然列车运行的智能化程度不断提高，但列车要保障安全运行，不仅需要智能化监控设备，更需要司机、随车机械师等人员不间断地维护、监控[9]。为了保证行车安全，应尽量让随车机械师、司机等相关人员能够舒适地监控车辆运行，降低工作强度、减轻疲劳程度。以动车组随车机械师操作、监视HMI屏为例，对“人-机-环境”系统进行人机工程学分析。

2.1 机械师座椅尺寸分析

人体尺寸是人机工程学设计过程中最重要的参考数据。由于随车机械师一般情况下是坐着进行HMI屏幕的监控操作，因此应当对相应人员进行人体静止姿态尺寸数据测量，以坐姿尺寸数据为主要依据进行座椅的尺寸设计。给随车机械师配置尺寸合适的座椅，能够提高乘坐的舒适性，降低工作的疲劳强度，有利于随车机械师保持高度的警觉性，确保行车安全。

根据国家标准“中国成年人人体尺寸”数据，确定我国成年人身体尺寸基本数据[10]。测量坐姿时，应要求被测量人员采用标准的姿势端坐，挺直腰背，如图1所示。设计时，应优先采用可调式结构。

图1 标准坐姿尺寸测量

2.2 机械师的视角范围分析

视角范围与视野、视距、眼高、坐姿等参数都有关系。以随车机械师监视HMI屏幕为例，应满足以下要求：以机械师身体舒适为前提条件，在机械师监视屏幕信息的过程中，屏幕要始终保持在机械师的视线范围内。

（1）机械师视野。机械师视野是指随车机械师在头部和眼球固定不动并正视显示屏幕的情况下所能看得见的空间范围。在设计HMI屏幕安装结构的过程中，需要根据机械师视野确定HMI屏幕安装的水平高度、与水平桌面的夹角等位置尺寸，以便减轻随车机械师的视觉疲劳，能够更轻松地监视屏幕。

（2）机械师视距。机械师视距是指随车机械师在操作监控系统时正常的观察距离范围。根据我国人体数据，成年人正常视距范围一般在38～76cm之间。HMI屏幕安装得离座椅过近或者过远，都会影响机械师在监控时快速读取屏幕上的数据。在列车行驶过程中，有时屏幕会随车体震动而发生随机性抖动，有时屏幕中会出现动图和数据实时变动等情况，均会影响机械师的监控工作。

（3）机械师眼高。机械师眼高是指随车机械师在身体以标准的坐姿面对监控屏幕进行操作时，眼睛水平高度与脚踏面水平高度之间的差。若屏幕中心高度远大于眼高或远小于眼高，则会使得机械师仰头或低头工作。机械师长时间保持仰头或低头姿势，会加大脊柱的疲劳程度。

2.3 机械师的手臂活动范围分析

随车机械师利用手臂运动完成在HMI屏幕上的各项操作。手臂的活动范围以及手臂的运动轨迹都会影响机械师操作的准确性，这直接关系到列车行驶的效率和安全等[11]。机械师大臂操作区域、肘高、小臂操作区域等参数均会影响机械师操作时的舒适性、准确性。

（1）大臂操作区域。在机械师身体躯干保持稳定的情况下，大臂的外展内收角度范围为180°～-30°，其中最舒适的角度为自然放松手臂下垂时的角度，即0°。手臂在身体前部摆动的范围为180°～-45°，在机械师操作显示屏界面时最舒适的角度为 15°～35°。

（2）肘高。肘部姿势会影响机械师操作显示屏的舒适性。显示屏操作区域离桌面的距离过于大或过于小，都会影响操作的舒适性。

（3）小臂操作区域。当随车机械师双臂自然放在桌面上利用小臂运动操作HMI显示屏时，显示屏的安装位置不同也会直接影响机械师操作的准确率、频率和舒适性[12]。试验表明，如果将HMI屏幕安装在不同区域，那么机械师操作的速度会有很大的区别。如图2所示，左右手分别在-30°～+30°区域内，操作速度一般；在±30°～±60°区域内，操作的速度最快；而在±60°～±90°区域内，操作的速度最慢。

图2 手臂活动范围图

需要特别注意的是：应将重要参数的操作界面和使用频率较高的屏幕操作界面安装在最快反映区间内；应根据使用频率，将其他的功能操作键按顺序对称排列，在靠中间位置安装使用频率较高的按键，在靠两侧位置安装使用频率较低的按键。这样安装的优点是在机械师操作过程中，可以按顺序使用显示器与控制器，方便高效地完成屏幕的监控或界面操作切换。

2.4 屏幕界面分析

HMI界面包括按键信息提示区、设备状态显示区、参数显示区等监控信息显示区[13]。HMI的显示装置分为视觉显示装置和语音提示装置。视觉显示装置为液晶显示屏，既能显示文字，又能显示图形，可使随车机械师更直观地观察列车的情况。需要注意的是：液晶屏显示的目标虽然亮度越高越易被察觉，但是当亮度超过 34cd/㎡的时候，不仅不能使视觉敏感，还容易使随车机械师产生视觉疲劳。语音提示装置为内置或外置音箱。当列车运行、随车机械师的操作出现异常或者危险时，语音提示极其重要。一般应将语音提示声音的频率和强度分别控制在300Hz、90d B左右，还应根据周围环境的噪声大小调整声音的强弱。

3 展望与结语

21世纪，人类步入了信息科技时代，动车组的运行也在朝智能化不断地发展，对动车组的操作舒适性和乘坐舒适性都提出了越来越高的要求。以动车组随车机械师HMI屏为例，从座椅尺寸、视角范围、手臂操作范围、屏幕界面等方面进行了人机工程学分析，提出了在设计安装HMI屏时需要考虑的问题，以提高随车机械师的操作舒适性、减小随车机械师的疲劳强度，对保证行车安全具有积极意义。

人机工程学作为应用型学科，与人的工作生活息息相关，必将向着绿色化、虚拟化、信息化、数字化以及智能化人机设计的趋势发展。应用人机工程学，可为社会设计、生产出更加人性化、高效能的设备。