基于人机工程学的高速动车组司控台设备布置优化设计

张永明， 田　鹏， 刘斌普

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266000)



基于人机工程学的高速动车组司控台设备布置优化设计

张永明， 田鹏， 刘斌普

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266000)

高速动车组司控台作为司机室内主要的人机交互设备，是司机获取信息，作出决策并对有关系统进行指令控制、驾驶列车完成各种任务的主要设备。因此司控台的合理布局以及人性化设计，对于保障人机效能的充分发挥和列车行驶安全至关重要。本文主要介绍了司控台的人机工程学设备布置方案以及对其进行局部优化，最终得出有利于人机效能的充分发挥的设备布置方案。

高速动车组； 司控台； 设备布置； 人机工程学； 优化设计

高速动车组司机室是司机获取信息，作出决策并对有关系统进行指令控制、驾驶列车完成各种任务的工作场所，司控台作为司机室内主要的人机界面设备，司机通过它实现了对列车的操控。随着现代科技的飞速发展，越来越多的电气设备应用于高速动车组司机室内，给司控台的设备布局带来很多困难；人机之间信息交互量急剧增加，使司机的工作负荷越来越大。人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学、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[1]。利用人机工程学的理论对高速动车组司控台进行合理布局，使司机能够发挥最大效能的机械、仪器和控制装置，对于保障人机效能的充分发挥和列车行驶安全至关重要。

1　司控台设备的初步布置

(1) 在进行司控台设计前，依据高速动车组控制和通信原理，确定了安装在司控台上的设备，并对这些设备按照其主要功能特点进行了分类：

① 显示控制类：ATP显示屏(2个)、MON显示屏(2个)、CIR显示器；

② 仪表指示类：故障显示器、关门灯、电压表、双针压力表、空调运行状态指示灯；

③ 主控操作类：牵引控制器、制动控制器(含主控钥匙)、紧急制动开关、VCB合按钮、VCB断按钮、降弓按钮、复位按钮、紧急复位按钮、恒速按钮、恒速切按钮；

④ 联络类：无线打印机、无线话筒、广播话筒；

⑤ 辅助类：刮雨器开关、开关左右门类按钮、司机室灯开关、头灯减光开关；

⑥ 其他：监视器扬声器开关、司机室空调控制类开关、暖风机开关。

为了保证列车安全可靠运行，需要对关键的显示控制设备(ATP显示屏和MON显示屏)进行了冗余设计。在列车正常运行时，一个显示器正常显示，另一个热备;当正常显示的显示屏出现问题时，可以迅速切换至另一个热备的显示屏，保证列车的可靠运行。

(2) 根据司控台设备分类及其使用情况，将开关按钮和仪表进行整理并集中布置，形成了3个集中开关盘和2个集中显示盘。

① 开关盘1布置了与列车运行紧密相关的主控制类按钮，包括VCB合按钮、VCB断按钮、降弓按钮、复位按钮、紧急复位按钮、恒速按钮、恒速切按钮；

② 开关盘2布置了与司机室空气环境有关的开关按钮及列车左门的控制按钮，包括2个司机室电暖气开关、开左门按钮、关左门按钮、空调控制类开关及其指示灯；

③ 开关盘3布置了司机室灯和列车灯的控制开关、列车右门的控制按钮和监控器扬声器开关；

④仪表显示盘布置了广播话筒、无线打印机、电压表、风压表、刮雨器开关；⑤CIR及故障显示器盘布置了CIR显示器、故障显示器、无线话筒、关门灯。

(3) 确定了司控台上需要安装的设备后，开始对司控台进行设计。司控台的设计及操作设备和控制系统的布置、型式和动作方向首先是以人体测量学为基础的。人在各种工作时都需要有足够的活动空间，工作位置处的活动空间设计与人体的功能尺寸密切相关。图1为适用于我国绝大多数成年人坐姿的活动空间人体尺度，图1(a)为正视图，零点在正中矢状面上，图1(b)为侧视图，零点在经过臀点的垂直线上，并以该垂线与脚底平面的交点为零点。

图1　坐姿的活动空间[1]

图1中粗实线代表上身挺直及头向前倾的身体轮廓，为保持身体姿势而必须的平衡活动已考虑在内；虚线代表从髋关节起上身向前、向侧弯曲的活动空间；

点划线代表上身不动，自肩关节起手臂向上和向两侧的活动空间；细实线代表上身从髋关节起向前、向两侧活动时手臂自肩关节起向前和两侧的活动空间；圆点线代表自髋关节、膝关节起腿的伸、曲活动空间。

本司控台适用于单司机操作模式，司机坐在司控台中央偏后位置操作各种设备。UIC651-2002标准对司控台的尺寸(见图2)和理想的司机操作和视觉范围(见图3)进行了推荐[2]。根据人体坐姿活动空间图和UIC651标准的推荐确定了司控台骨架的基本轮廓。

(4) 接下来依据人机工程学理论对司控台的设备进行了布置[3]。

① 重要性原则：将最重要的器件布置在最佳位置上。如把影响列车安全可靠运营的ATP显示屏和MON显示屏放在司控台前部中央位置，把主控操作类按钮布置在司控台的中央前侧；

口 推荐尺寸 )-(最小尺寸 (-)最大尺寸

图3　手的理想推荐触及半径

② 频次性原则：将使用频率最高的器件布置在最佳位置上。如制动控制器和牵引控制器的布置；③ 重要度X频度=链值，将链值最高的器件布置在最佳位置上；如把制动控制器和牵引控制器放置在司机很容易够着的司控台台面上；

④ 功能性原则：将功能上相关的控制器或显示器布置在邻近位置上。如将与列车运行紧密相关的主控制类按钮安装在开关盘1上，将跟调度有关的CIR显示器和无线话筒放在同一块面板上；

⑤ 顺序性原则：器件的布置应与操作的逻辑保持一致。如将开关左门的按钮布置司控台左面的开关盘2上，将开关右门的按钮布置在司控台右面的开关盘3上；

⑥ 可达性原则：对于不能按功能和使用顺序来组合，而又经常使用或最重要的器件，应布置在最容易接近的位置上。如对制动控制器和牵引控制器的布置。

(5) 最后在CATIA软件环境下对司控台进行了人机工程学三维仿真设计，见图4。

图4　司控台三维仿真设计方案

最终，形成司控台设备布置初步方案如下：

司控台立面主要布置显示类设备，从左往右圆弧状依次布置仪表显示盘、ATP显示屏2、ATP显示屏1、MON显示屏1、CIR及故障显示器盘、MON显示屏2；

司控台台面主要布置手动控制类和按钮开关类设备，从左往右呈圆弧状布置开关盘2、制动控制器、开关盘1、牵引控制器、开关盘3，另外将紧急制动开关放置在台面底部。

2　司控台设备布置的局部优化

(1) 对司控台设备布置初步方案的立面设备与台面设备操作空间分析后发现，CIR及故障显示器盘上的无线话筒与牵引控制器上的牵引手柄存在操作空间重叠现象，如图5所示，牵引控制器布置在司控台台面上司机容易操作的地方，无线话筒布置在司控台立面CIR及故障显示器盘的左侧，话筒附带螺旋引出线(图中未示)。

图5　初步方案中牵引手柄和无线话筒三维图

① 当无线话筒固定，操作时，经测量，两者的最小设计间距为4.5 mm，最小实物测量间距为6 mm； 操作牵引手柄过程中，在最小间隙处司机的手与无线话筒存在轻微摩擦。

② 当牵引手柄在中低档位，拿起或者挂起无线话筒时，由于牵引手柄在前，无线话筒在后，司机都要越过牵引手柄去操作，而且话筒引出线可能缠绕在牵引手柄上，会引起牵引手柄换挡误操作。

(2) 为了解决无线话筒与牵引手柄之间的操作空间重叠问题，首先对相关设备进行了深入的分析。

作为重要的且使用比较频繁的控制装置，牵引控制器布置在司机反应最灵敏、操作最方便、肢体容易达到的空间范围内，初步方案就是在充分考虑了以上要求的基础上，同时考虑到牵引控制器的外观尺寸及安装检修空间，得出的最佳安装位置。

CIR及故障显示器盘的左侧布置无限话筒和关门灯，其右侧布置CIR显示器和故障显示器。这些设备均在司机肢体能够达到的空间范围内且位置可调。其中，当司机需要与调度中心通话时才使用无线话筒，其使用频次较低。

经过以上分析，将CIR及故障显示器盘上设备的布置调整作为优化的解决方案。将CIR及故障显示器盘的设备左右对调，即将无线话筒和关门显示灯布置在面板的右侧，将无线显示器和故障显示器布置在面板的左侧。

(3) 确定解决方案后，对解决方案的可行性进行了评估和几何验证。首先该方案中无线话筒与牵引手柄距离大于100 mm，可以很好的解决初步方案中手柄操作空间重叠问题；其次，由于解决方案中设备位置发生了变化，对与之相关的支架结构进行了校核，发现原方案中的关门灯的安装座已不符合安装要求，需要重新设计制作；再次与CIR及故障显示器盘设备相关的线缆的走线路径不需改动即可满足要求；最后，对设备几何空间进行校核，在CATIA环境下校核后，确定设备与设备之间的空间满足要求。经过评估，此解决方案可行。优化方案的设备布置三维仿真图见图6。

图6　优化方案中牵引手柄和无线话筒三维图

3　两种布置方案的对比

(1) 两种方案的共同点：两种方案所布置的设备相同，设备布置在司机肢体可达范围内且都能够实现设定的功能。

(2) 两种方案的不同点：从设备布置、操作空间、效率、安全性方面对两个方案作了对比，见表1。

(3) 经过以上的分析得出，优化方案无论在设备布置的合理性，还是设备操作空间的充裕度，设备操作的安全性、设备操作效率等方面都优于初步方案。故优化的方案可以更好的实现司控台的功能，有利于人机效能的充分发挥。基于人机工程学的司控台理论在某型动车组升级改造设计中得到了广泛应用。图7为根据该理论设计的某型动车组司控台实物图。

图7　利用人机工程学理论设计的动车组司控台

初步方案优化方案1设备布置(1)牵引控制器位置不变;(2)无线话筒和关门显示灯布置在面板的左侧,无线显示器和故障显示器在面板的右侧;(1)牵引控制器位置不变;(2)无线话筒和关门显示灯布置在面板的右侧,无线显示器和故障显示器在面板的左侧;2设备操作空间牵引手柄与无线话筒操作空间部分重叠:(1)无线话筒固定,操作牵引手柄时,经测量,两者的最小设计间距为4.5mm,最小实物测量间距为6mm;操作中,在最小间隙处司机的手与无线话筒存在轻微摩擦。(2)牵引手柄在中低档位,拿起或挂起无线话筒时,话筒引出线可能缠绕在牵引手柄上,影响牵引控制器的正常使用。牵引手柄与无线话筒手柄操作空间不冲突,在操作时,可以很好的解决初步方案中出现的问题,设备操作方便、舒适。3操作效率当牵引手柄在中低档位时,由于牵引手柄在前,无线话筒在后,司机的手臂需要越过牵引手柄去操作操作无线话筒,影响了操作的直达性和效率。牵引手柄和无线话筒操作空间不重叠,设备操作快速、便捷、高效。4操作安全性牵引手柄和无线话筒操作空间重叠,操作过程中可能出现误操作:操作牵引手柄时可能把无线手柄碰掉;操作无线话筒时话筒引出线可能牵引手柄换挡牵引手柄和无线话筒操作空间不重叠,设备操作安全可靠。

4　结束语

随着现代科学技术的飞速发展，越来越多的电子设备安装在高速动车组司控台上，对司控台的合理布局以及人性化设计提出了更高的要求。在司控台的设计过程中，要充分利用人机工程学理论研究成果，对设备进行合理布置，得到有利于人机效能的充分发挥和保障列车行驶安全的司控台设备布置方案。

[1]丁玉兰.人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[2]国际铁路联盟标准 UIC651-2002 机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计[S].

[3]陶林.人机工程学在动车组操纵台设计中的应用[J].沿海企业与科技，2013，152(1)：34-37.

Design Optimization of Console Device Layout in the High-speed EMU Cab Based on the Ergonomics

ZHANG Yongming, TIAN Peng, LIU Binpu

(CRRC QingDao SiFang Co.,Ltd., Qingdao 266111 Shandong, China)

As an equipment reflecting man-machine interaction in cab of high-speed EMU, the cab console serves the driver in obtaining information, making decision, controlling train systems and fulfilling driving tasks. Therefore, the reasonable layout and ergonomic design of cab console are of vital importance to ensure the adequate man-machine efficiency and train running safety. This essay introduces the ergonomic arrangement proposals for cab console and relevant regional improvements, so as to work out an equipment arrangement proposal with the best ergonomic performance.

High-speed EMU; cab console; equipment arrangement; ergonomics; design optimization

1008-7842 (2016) 01-0030-04

��)男，工程师(

2015-08-31)

U266

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.07