基于人機(jī)工程學(xué)對動車組隨車機(jī)械師HMI屏的研究

田 叢

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

人機(jī)工程學(xué)是研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系，是解決系統(tǒng)中機(jī)器與人之間信息交互的科學(xué)方法[1]。人機(jī)工程學(xué)研究的主要對象是操作設(shè)備的用戶、機(jī)器產(chǎn)品及整個操作系統(tǒng)三者間的協(xié)調(diào)性。在對系統(tǒng)進(jìn)行人體工程設(shè)計時，可能會用到心理學(xué)、生理醫(yī)學(xué)、人體測量美學(xué)等領(lǐng)域的知識[2]。人機(jī)工程設(shè)計科學(xué)、合理，能提高機(jī)器產(chǎn)品的性能，使系統(tǒng)在操作過程中具有操作簡單、效率高、安全、健康、舒適等優(yōu)點。人機(jī)工程學(xué)與人的工作生活聯(lián)系密切。設(shè)計生產(chǎn)出既人性化又高效能的設(shè)備、工具和日常生活用品，是人體工程學(xué)相關(guān)從業(yè)人員努力的目標(biāo)[3]。

1 人機(jī)工程學(xué)

1.1 人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

亨利·德雷夫斯（Henry Dreyfuss）設(shè)計電話機(jī)，是人機(jī)工程學(xué)運用的典范。歐美國家對人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)研究報道要早于其他國家。隨著世界各國陸續(xù)成立相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，在減輕工作負(fù)荷程度、降低對人體健康的影響程度、完善操作方法、優(yōu)化作業(yè)環(huán)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(jī)工程學(xué)方面的研究起步晚于其他發(fā)達(dá)國家，但近些年人機(jī)工程學(xué)在我國得到了迅速的發(fā)展與應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代中期，我國在軍用武器設(shè)備中率先應(yīng)用人機(jī)工程技術(shù)[5]。隨后，在一些高校設(shè)立了人機(jī)環(huán)境等相關(guān)專業(yè)。在醫(yī)療方面，開展了包括坐姿不當(dāng)導(dǎo)致的肌肉骨骼勞損等醫(yī)學(xué)人機(jī)工程的相關(guān)設(shè)計與研究[6]。

1.2 人機(jī)工程學(xué)的研究方法

人機(jī)工程學(xué)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(shù)據(jù)或?qū)嵉乜疾焓占瘮?shù)據(jù)的一種方法。例如，為了提高用戶使用的舒適性，可運用人機(jī)工程學(xué)設(shè)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(shù)據(jù)；然后，對樣本尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；最后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對小型輸入鍵盤的尺寸以及各按鍵的位置布局進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計。

（2）實驗法。實驗法是在實測法不能夠直接進(jìn)行測量的情況下所運用的獲取數(shù)據(jù)的一種方法。實驗法的實施方式靈活多樣，可根據(jù)實際的需求而定。例如，運用人機(jī)工程學(xué)設(shè)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(shù)據(jù)。有時，采用實驗法獲取數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù)。通過長時間實驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)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(chǔ)，對測量、收集或?qū)嶒灥玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)，然后利用高速攝像機(jī)捕捉身體腿部各個關(guān)節(jié)處的運動軌跡數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)分析確定乘坐最舒適的椅子高度。由于在數(shù)據(jù)的采集過程中不可避免的會出現(xiàn)一些無效或失真的數(shù)據(jù)，因此往往需要對測量、收集或?qū)嶒灥玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，將這些無效或失真的數(shù)據(jù)剔除。

2 人機(jī)工程學(xué)在動車組隨車機(jī)械師HMI屏中的應(yīng)用

隨著中國高鐵的發(fā)展，高鐵已經(jīng)成為中國的“名片”。“交通強(qiáng)國，鐵路先行”。我國鐵路行業(yè)順應(yīng)時代的潮流，從引進(jìn)來消化吸收到自主創(chuàng)新，目前已經(jīng)開始引領(lǐng)世界創(chuàng)新發(fā)展高鐵先進(jìn)技術(shù)[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(zhì)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(jiān)控設(shè)備，更需要司機(jī)、隨車機(jī)械師等人員不間斷地維護(hù)、監(jiān)控[9]。為了保證行車安全，應(yīng)盡量讓隨車機(jī)械師、司機(jī)等相關(guān)人員能夠舒適地監(jiān)控車輛運行，降低工作強(qiáng)度、減輕疲勞程度。以動車組隨車機(jī)械師操作、監(jiān)視HMI屏為例，對“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析。

2.1 機(jī)械師座椅尺寸分析

人體尺寸是人機(jī)工程學(xué)設(shè)計過程中最重要的參考數(shù)據(jù)。由于隨車機(jī)械師一般情況下是坐著進(jìn)行HMI屏幕的監(jiān)控操作，因此應(yīng)當(dāng)對相應(yīng)人員進(jìn)行人體靜止姿態(tài)尺寸數(shù)據(jù)測量，以坐姿尺寸數(shù)據(jù)為主要依據(jù)進(jìn)行座椅的尺寸設(shè)計。給隨車機(jī)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(qiáng)度，有利于隨車機(jī)械師保持高度的警覺性，確保行車安全。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“中國成年人人體尺寸”數(shù)據(jù)，確定我國成年人身體尺寸基本數(shù)據(jù)[10]。測量坐姿時，應(yīng)要求被測量人員采用標(biāo)準(zhǔn)的姿勢端坐，挺直腰背，如圖1所示。設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)坐姿尺寸測量

2.2 機(jī)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(shù)都有關(guān)系。以隨車機(jī)械師監(jiān)視HMI屏幕為例，應(yīng)滿足以下要求：以機(jī)械師身體舒適為前提條件，在機(jī)械師監(jiān)視屏幕信息的過程中，屏幕要始終保持在機(jī)械師的視線范圍內(nèi)。

（1）機(jī)械師視野。機(jī)械師視野是指隨車機(jī)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(shè)計HMI屏幕安裝結(jié)構(gòu)的過程中，需要根據(jù)機(jī)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(jī)械師的視覺疲勞，能夠更輕松地監(jiān)視屏幕。

（2）機(jī)械師視距。機(jī)械師視距是指隨車機(jī)械師在操作監(jiān)控系統(tǒng)時正常的觀察距離范圍。根據(jù)我國人體數(shù)據(jù)，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(yuǎn)，都會影響機(jī)械師在監(jiān)控時快速讀取屏幕上的數(shù)據(jù)。在列車行駛過程中，有時屏幕會隨車體震動而發(fā)生隨機(jī)性抖動，有時屏幕中會出現(xiàn)動圖和數(shù)據(jù)實時變動等情況，均會影響機(jī)械師的監(jiān)控工作。

（3）機(jī)械師眼高。機(jī)械師眼高是指隨車機(jī)械師在身體以標(biāo)準(zhǔn)的坐姿面對監(jiān)控屏幕進(jìn)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(yuǎn)大于眼高或遠(yuǎn)小于眼高，則會使得機(jī)械師仰頭或低頭工作。機(jī)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(jī)械師的手臂活動范圍分析

隨車機(jī)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(jī)械師操作的準(zhǔn)確性，這直接關(guān)系到列車行駛的效率和安全等[11]。機(jī)械師大臂操作區(qū)域、肘高、小臂操作區(qū)域等參數(shù)均會影響機(jī)械師操作時的舒適性、準(zhǔn)確性。

（1）大臂操作區(qū)域。在機(jī)械師身體軀干保持穩(wěn)定的情況下，大臂的外展內(nèi)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(jī)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(jī)械師操作顯示屏的舒適性。顯示屏操作區(qū)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(qū)域。當(dāng)隨車機(jī)械師雙臂自然放在桌面上利用小臂運動操作HMI顯示屏?xí)r，顯示屏的安裝位置不同也會直接影響機(jī)械師操作的準(zhǔn)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(qū)域，那么機(jī)械師操作的速度會有很大的區(qū)別。如圖2所示，左右手分別在-30°～+30°區(qū)域內(nèi)，操作速度一般；在±30°～±60°區(qū)域內(nèi)，操作的速度最快；而在±60°～±90°區(qū)域內(nèi)，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(yīng)將重要參數(shù)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(qū)間內(nèi)；應(yīng)根據(jù)使用頻率，將其他的功能操作鍵按順序?qū)ΨQ排列，在靠中間位置安裝使用頻率較高的按鍵，在靠兩側(cè)位置安裝使用頻率較低的按鍵。這樣安裝的優(yōu)點是在機(jī)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(jiān)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(qū)、設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)等監(jiān)控信息顯示區(qū)[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(jī)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(biāo)雖然亮度越高越易被察覺，但是當(dāng)亮度超過 34cd/㎡的時候，不僅不能使視覺敏感，還容易使隨車機(jī)械師產(chǎn)生視覺疲勞。語音提示裝置為內(nèi)置或外置音箱。當(dāng)列車運行、隨車機(jī)械師的操作出現(xiàn)異?；蛘呶ｋU時，語音提示極其重要。一般應(yīng)將語音提示聲音的頻率和強(qiáng)度分別控制在300Hz、90d B左右，還應(yīng)根據(jù)周圍環(huán)境的噪聲大小調(diào)整聲音的強(qiáng)弱。

3 展望與結(jié)語

21世紀(jì)，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(fā)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(jī)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(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)分析，提出了在設(shè)計安裝HMI屏?xí)r需要考慮的問題，以提高隨車機(jī)械師的操作舒適性、減小隨車機(jī)械師的疲勞強(qiáng)度，對保證行車安全具有積極意義。

人機(jī)工程學(xué)作為應(yīng)用型學(xué)科，與人的工作生活息息相關(guān)，必將向著綠色化、虛擬化、信息化、數(shù)字化以及智能化人機(jī)設(shè)計的趨勢發(fā)展。應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)，可為社會設(shè)計、生產(chǎn)出更加人性化、高效能的設(shè)備。