人机工程学在动车组操纵台设计中的应用

[摘 要] 随着国内经济和教育的快速发展，人机工程学在工业工程领域起着越来越重要的作用。操作台是动车组重要的人机操作界面之一，文章主要探讨如何将人机工程学的研究方法和成果应用在操纵台设计中，提高司机的操作便利性和工作舒适度。

[关键词] 人机工程学；动车组；操纵台

[作者简介] 陶林，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，山东 青岛，266611

[中图分类号] U264.91 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）01-0034-0004

人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合进行人机结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。用以设计使操作者能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的最适位置。操纵台是司机室内司机控制动车组，行使驾驶职能的装置。在动车组操纵台设计中， 研究各仪表、开关的最佳布局，使司机在驾驶过程中能够发挥最大效能，最大限度提高操纵台的人机操作合理性。

一、人机工程学的主要研究内容和方法

人机工程学的主要研究内容包括：

（一）人体特性的研究

主要研究在工业设计中与人体有关的问题。例如，人的感知特性、人的反应特性以及人在劳动中的心理特征等。

（二）人机系统的总体设计

人机系统设计的基本问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地交流信息等问题。充分考虑人与机器的各自特点，合理分工，提高人机系统总体设计的人机合理性。

（三）工作场所和信息传递装置的设计

工作场所设计的合理与否，对人的工作效率产生直接的影响。此项设计需要应用人体测量学和生物力学等知识和数据，目的是保证物质环境适合于人体的特点，使人以无害于健康的姿势从事劳动，既能高效地完成工作，又感到舒适和不至过早产生疲劳。对于操纵台设计，主要研究仪表的布置和组合问题，控制器各种操纵装置的形状、大小位置以及作用力，考虑人的定向动作和习惯动作等问题。

（四）环境控制与安全保护设计

研究如何从环境控制方面保证照明、微小气候、噪音和振动等环境条件适合操作人员的要求。研究防护装置设置、紧急逃生等安全设施设计。

人机工程学广泛采用了人体科学和生物科学等相关学科的研究方法及手段，也采用了系统工程、控制理论、统计学的其他学科的一些研究方法。此外，该学科的研究也建立了一些独特的新方法，如调查、询问或直接观察人在作业时的行为和反省特征等。目前常用的研究方法主要包括：

1. 观察法：直接观察的方法。

2. 实测法：一种借助于仪器设备进行实际测量的方法。

3. 实验法：当实测法受到限制时采用的一种研究方法，一般在实验室进行，也可以在作业现场进行。

4. 模拟和模型实验法：通过制作模拟器或模型实物，进行人机系统研究。

5. 计算机数值仿真法：在计算机上利用系统的数学模型进行仿真性实验研究，从而预知所设计产品的人机性能，进行设计改进。

6. 分析法：通过上述各种方法取得的资料和数据，采用分析的方法，对动作符合、操作频率、直觉与运动信息等进行分析，得出人机系统的相关规律。

7. 调查研究法：通过访问、调查等方法，得到操作者或使用者对所设计产品的意见和建议。

动车组操纵台设计过程中，通常综合运用上述研究方法，结合动车组的特有特点，确保操纵台的人机工程学特性。

二、操纵台设计

（一）操纵台基本功能与结构

1. 向列车发出牵引、制动指令的功能；

2. 列车安全防护系统显示及状态设置功能；

3. 列车无线系统显示及联络功能；

4. 列车网络系统信息显示及故障处理功能；

5. 全列车车门开关控制功能；

6. 对列车高压受流的操作和控制功能；

7. 司机警惕装置操作；

8. 其他在列车运行过程中需司机参与的操作，如刮雨器、遮阳帘、复位等；

在操纵台方案设计初期，需要分析操纵台要实现的上述功能，根据动车组运营规则要求，合理分配人与设备之间的工作分配。主要包括设备实现功能的形式和组合、设备的布置位置等。

操纵台一般由仪表盘、台面、台体及搁脚台组成，仪表盘主要布置显示器、仪表等设备；台面一般布置制动、牵引手柄、方向手柄以及各种操作开关等设备；台体主要起支撑台面、仪表盘的作用，在设备数量多的情况下，也可以放置部分设备；搁脚台是司机驾驶时搁脚用，一般布置司机警惕装置的脚踏开关和汽笛脚踏等设备。

（二）操纵台设计的人机工程学原则

从人机工程学方面考虑，操纵台设计过程中应该主要考虑以下原则：

1. 设备布置应该充分考虑使用人群的人体数及据机体动作的配合

操纵台的设计应首先确保司机安全驾驶，如不能出现尖角等结构，以避免出现尖角扎伤工作人员的事故。此外，操纵台的设备布局应充分考虑人体动作配合，如司机在驾驶过程中，一只手需要常操纵制动手柄，因此在运行过程中需要操作的其他开关、设备等则应布置在另一只手或脚部的操作范围内。

2. 根据各设备操作频度、功能、紧急程度等因素进行排布

经常操作和观察的设备应该置于司机理想的操作和观察范围内。操作频率较低的设备则应置于离司机较远的位置。此外，根据人机工程学的统计，习惯的规律是由左至右，由上至下。 相同系统的开关按钮应组合排布，不能距离太远，以方便操作。

3. 操纵台上各显示仪表自带照明功能

为了保证司机在黑暗中或司机室照明异常条件下，仍能准确观察和操作设备，操纵台上各显示仪表均自带照明功能，确保司机观察仪表不受司机室照明及环境条件的影响。

4. 设备安装及结构设计方便检修维护

操纵台结构设计时，除了考虑司机操作的方便合理性，还应考虑设备安装和检修的方便合理性。设备检修维护时，应尽量减少拆除部件数量和难度。

（三）一种动车组操纵台模型

操纵台的设备布置与动车组的系统平台直接相关，笔者以国内某动车组的系统平台为基础，展开操纵台设计的探讨。操纵台配置如下：

司机控制器：制动控制器、牵引控制器。

列车安全防护系统显示器2块：ATP显示器1、 ATP显示器2。

列车网络系统显示器2块：TCMS显示器1、TCMS显示器2。

列车无线系统显示器及话筒：CIR显示器、CIR话筒。

操作控制开关：司机警惕装置开关、VCB断/合、降弓、复位、刮雨器、遮阳帘、门控制开关等。

根据本文提到的人机工程学原则，提出如图1所示的动车组操作台模型。

如图1所示：操纵台仪表盘共划分为6块区域，左右对称设计。台面共划分为5个区域。

仪表盘设备布置如下：司机正前方布置ATP显示器1（左侧）和TCMS显示器1（右侧）。ATP显示器1向仪表盘左侧方向依次布置ATP显示器2、仪表区；TCMS显示器1向仪表盘右侧依次布置CIR显示器及话筒、TCMS显示器2。台面设备布置如下：司机左手侧布置制动手柄及主控钥匙（集成在制动控制器上），右手侧布置牵引、方向手柄（集成在牵引控制器上）及DSD手动开关；台面上所有操作开关划分为3个区域：主操作区、左操作区及右操作区。

所有设备主要根据操作频度的高低从中央向两侧布置，同时兼顾本文提到的其他人机工程学原则。

1. ATP显示器1是列车安全防护系统的主显示器，是司机行车过程中重点关注的设备，是观察最为频繁的显示器，布置在司机正前方左侧位。

2. TCMS显示器1是列车网络系统的主显示器，司机行车过程中通过此设备随时观察列车各主要系统的状态信息，观察也较为频繁，布置在司机正前方右侧位。

3. 制动手柄布置在司机左手侧，左手常放置在此手柄上，以防止紧急情况下及时实施列车制动。

4. 在行车过程中需要操作的其他手操作区的设备应尽可能地布置在右手操作区，如CIR显示器及话筒（无线系统显示及联络）、刮雨器、遮阳帘、恒速等功能。

5. 功能按左右分开的开关设备应分别布置在左右两侧，由左、右手分开操作，避免误操作，如开关左门布置在台面左操作区，开关右门布置在右手操作区。

6. 通过设置保护罩等措施，防止误操作。

三、人机合理性分析

图2是本文提出的操作台模型的台面布置图，图3是《UIC651-2002机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》中推荐的最佳手操作半径示意图。通过对比，可以看出，牵引制动手柄位置在最佳手操作半径区域内，台面开关操作区尽管不全部在最佳手操作区域内，但均有部分区域与最佳手操作区重叠，因此，可以将开关区中操作频度较高的开关等布置在此重叠区内。可以认为，图1所示的动车组操纵台设备布置与人体数据符合性较高，人机合理性较好。

四、结 论

结合人机工程学的研究内容和方法，设计一种更合理的动车组操纵台的布置模型，后续动车组操作台设计，应以此为基础，通过不断完善人机工程学的研究方法和内容，逐步提高动车组操作台设计的人机工程学特性。

[参考文献]

[1]丁玉兰.人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[2]UIC 651-2002 机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计[S].