基于乘务员特性的机车驾驶界面优化设计研究

摘要

机车司机室是乘务员获取列车运行信息并进行驾驶操作的特定场所，司机室驾驶界面的设计对列车的安全运行具有特别意义，是列车设计技术的重要组成部分。作为一个典型的人机系统，司机室的设计思想经历了一个从“以机器为本”到“以人为本”的转变，目前已出现基于乘务员本身的生理、心理需求的司机室设计实践和以提高驾驶舒适度为目的的研究，同时对乘务员的驾驶疲劳、认知负荷、情境意识等研究也开始引起人们的注意，因此本文尝试从乘务员特性出发进行司机室驾驶界面的优化设计。
　　乘务员特性由人体测量生理特性、驾驶作业中的认知特性与行为特性等内容组成，与此对应的驾驶界面优化设计问题包括人机匹配关系、人机信息关系及人机操作关系的设计等。
　　乘务员生理特性主要是人体立姿与坐姿时的静态尺寸、动态幅度、人体力量测试数据及人的视觉与听觉一般特性等。通过文献调研的方法对以上人体生理数据进行了汇总、归纳与整理，并以图表的形式呈现，为驾驶界面的人机匹配关系分析与设备尺度的优化设计打下了基础。
　　采用设计调查与实验研究相结合的方法对乘务员的认知与行为特性进行了研究。严格遵守设计调查的程序，在正式问卷调查前经过了多次访谈与两次试调查，并根据调查对象的特点设计了抽样方法，保证了调查效度。数据分析显示α信度系数为0.92，调查信度较高。结果说明，乘务员的年龄、驾龄、受教育程度与左右手习惯与司机室控制器的可操作性没有相关性，乘务员能熟练掌握控制器的操作，但对操作舒适性的评价不高；各种仪表的认读性无显著差异，但开窗式仪表的认读性与驾龄显著正相关，表明其认读需要学习与锻炼；在速度显示方式方面，速度表与运行监控显示屏上的速度曲线两者显著相关，但没有明显差异，表明两者都是乘务员获取速度信息的主要方式，需同时存在。
　　采用SMI HED头盔式眼动仪对乘务员的驾驶作业进行了视线追踪实验，对注视点的位置与跳跃顺序、注视时间等指标进行了记录，并总结了典型驾驶任务中乘务员的视觉策略。实验结果说明，驾驶作业中乘务员的主要视觉任务是对前方线路和信号灯的嘹望，对驾驶界面上仪表及显示屏的观察是快速和短暂的，操纵台的布局不应影响乘务员的正常嘹望。
　　在设计调查和实验的基础上，建立了基于驾驶任务的描述性乘务员模型，该模型由驾驶任务、行为模型、认知模型和设计指南四部分组成。建立了乘务员的综合认知模型和行为动态模型，分析发现乘务员驾驶作业的显著特点是信息前馈认知方式，基于直觉或规则，对系统下一步的状态有明确预测；其行为特点是基于规则的，按照业已存在的行为模板进行操作。视觉信息的设计应尽量简单明确，避免复杂的含义，作为信号或符号激发一套既定的规则行为。
　　在分析乘务员特性的基础上，提出了司机室驾驶界面优化设计在适度性、一致性、确定性、结构性和指导性上的要求，并在此要求下进行了驾驶界面优化设计的实践工作。在人机工程学分析软件Jack中建立了司机室人机关系分析仿真模型，分析了现有设计的不足之处，对驾驶界面视觉信息的重要度、观察频度和人机工学链值进行了调查与计算，并对目前显示屏的常用图标进行了认读性调查，提出了驾驶界面布局、司机室设备尺度及显示屏软件设计的优化建议，初步建立了司机室驾驶界面优化设计的综合评价体系。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本课题的研究意义

1.2 研究目标

1.3 研究内容

1.4 研究方法与技术路线

1.5 可能的创新点

第二章 研究现状与理论基础

2.1 国内外研究现状

2.1.1 机车司机室设计与研究现状

2.1.2 驾驶行为与认知的研究现状

2.1.3 人机界面设计的研究现状

2.1.4 实验方法现状

2.1.5 国内外研究现状的总结

2.2 本文对乘务员特性的界定

2.3 本文对机车驾驶界面设计问题的界定

2.3.1 机车司机室的人机系统关系模型

2.3.2 人机功能关系

2.3.3 人机匹配关系

2.3.4 人机信息关系与人机操作关系

2.4 本章小结

第三章 机车乘务员的生理特性

3.1 尺度与幅度测量数据

3.1.1 人体测量数据的应用原则

3.1.2 人体静态尺寸

3.1.3 人体动态幅度

3.2 人体力量测量数据

3.2.1 握力测量

3.2.2 手臂推拉力测量

3.3 乘务员视觉特性

3.3.1 视野范围

3.3.2 色彩易见度

3.3.3 视觉运动习惯

3.3.4 视觉适应

3.4 乘务员听觉特性

3.4.1 听觉范围

3.4.2 噪声

3.5 本章小结

第四章 机车乘务员认知特性的调查研究

4.1 乘务员认知特性设计调查的思路

4.2 访谈与调查因素框架

4.2.1 访谈

4.2.2 调查问卷因素框架

4.2.3 访谈效度分析

4.3 抽样调查设计

4.4 问卷调查数据分析

4.4.1 效度与信度分析

4.4.2 基本数据统计

4.4.3 问卷整体分析

4.4.4 相关分析

4.4.5 显著性分析

4.5 本章小结

第五章 机车乘务员的认知及行为建模

5.1 乘务员驾驶行为视线追踪实验

5.2 基于任务的乘务员模型与设计指南

5.3 乘务员的信息处理过程

5.4 乘务员认知与行为的共性特点

5.4.1 乘务员的综合认知模型

5.4.2 乘务员的行为动态模型

5.5 分析与讨论

5.5.1 乘务员的行为水平与认知层次

5.5.2 不同行为水平的信息感知方式

5.5.3 基于乘务员特性的驾驶界面优化设计要求

5.6 本章小结

第六章 基于乘务员特性的驾驶界面设计实践

6.1 基于乘务员特性的驾驶界面优化设计流程

6.2 驾驶界面布局优化设计

6.2.1 显示设备和控制器布局设计

6.2.2 控制器编码设计

6.3 驾驶界面主要设备尺度的优化设计

6.3.1 司机室人机关系仿真模型

6.3.2 乘坐空间主要设备的人机关系分析

6.3.3 控制器可及性分析

6.3.4 驾驶作业姿势分析

6.3.5 司机室视野分析

6.3.6 优化设计建议

6.4 显示屏视觉信息优化设计

6.4.1 显示屏界面软件结构优化设计

6.4.2 显示屏界面图标认读性分析

6.5 司机室驾驶界面优化设计的综合评价体系

6.5.1 模糊综合评价的过程

6.5.2 驾驶界面综合评价指标集

6.5.3 驾驶界面评价指标权重集

6.5.4 驾驶界面优化设计的计算机辅助评价系统示例

6.6 本章小结

第七章 研究总结

7.1 论文主要工作的总结

7.2 进一步研究的展望

致谢

参考文献

附录

附录一 专家访谈提纲

附录二 机车司机访谈提纲

附录三 机车司机室人机界面设计调查问卷

附录四 司机室视觉信息重要性及注意频度调查问卷

附录五 HMI图标认知情况调查问卷

攻读博士学位期间发表的论文及科研情况