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人因工效学在ATS系统界面中的应用

范文

陈少杰　陈净莲

摘要：分析了人因工效学认知负荷理论，归纳了ATS系统界面的人因工效学特点。从认知负荷的三个来源的角度提出ATS界面改进方法，并对ATS系统界面的布局、背景、色彩进行了分析和设计，以帮助提高调度员操作ATS系统时的工效。

关键词：ATS系统界面人因工效学认知负荷

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）03-0152-02

引言

ATS系统是列车调度员实施在线列车运行状况监控和实施调度作业的载体，对于保障全线列车安全按照运行计划图运行具有重要的意义。系统可以实现的功能为：自动记录列车运行实迹，自动生成列车运行时刻表，自动排列进路，列车运行自动调整，列车运行和设备状态自动监视等主要功能。随着列车控制技术不断发展和调度系统的更新，ATS系统界面的显示元素和控制内容越来越多，虽然优化了调度工作，却也增加了调度人员的工作强度。系统界面的人因工效学特性对于调度员进行调度作业的效率和准确性起着关键作用，因此如何有效优化系统界面的人因工效学特性成为了亟待解决的问题。本文以ATS系统界面为基础，从人因工效学认知负荷理论的角度，探究改进ATS界面的设计方法，以改进ATS系统界面的人因工效特征。

一、人因工效学理论

（一）人因工效学理论

人因工效学又称人类工效学，是一门人体科学、工程技术、环境科学以及社会科学等学科的交叉学科，其基本理论是将人、机器和环境视为一个整体，并且以人为中心，充分考虑人的生理和心理特征，希望达到安全、舒适、健康和高效的目的，以帮助设计者在研制新产品时更加符合人的心理、生理特点等要求，以取得最佳的工作效率。因此，人因工效学的理论分支也是多种多样的。其中，认知负荷理论就是其中的一个重要分支。

（二）认知负荷理论

认知负荷是人在实施某项任务时进行信息处理所需要的认知资源的总量，该理论最早由心理学家John Sweller、Fred G.W.C.Paas等在20世纪80年代提出，是研究人类的认知特点与信息来源本身之间的相互作用。该理论认为，工作记忆是大脑进行信息处理的主要方面。马克斯、库珀和斯威勒指出，面对既定的认知任务，个体产生的认知负荷主要来自三个方面：一是学习材料的性质，二是学习材料的呈现方式，三是学习者的已有经验。ATS系统的界面呈现的认知任务较为复杂，用户从事复杂的认知任务时，由于需要在工作记忆中同时处理多个信息元素，这可能使得容量有限的工作记忆出现超负荷，无法进行有效的信息处理。降低外在认知负荷的最主要方法是最大限度地呈现直接信息，减少冗余信息和无用功能，得工作记忆释放出足够的容量来完成认知处理。

（三）ATS系统界面的认知负荷分析

以北京地铁一号线ATS系统界面为例，界面分为标题栏、菜单栏、设备状态区域、站场图区域和告警栏区域五个部分。其中，标题栏的功能目的是概述显示界面内容的标题和系统模式，菜单栏的功能目的是实现对系统的操作，设备状态区域的功能目的为实时显示服务器设备的状态，站场图区域的功能目的为显示与运行相关包括站台、车次窗等设备的状态，告警栏的功能目的为以文字的形式显示运行事件和告警信息。（如图1）为北京地铁一号线ATS系统界面。

其中，告警栏对于调度员观察和处理异常状况起着核心作用，北京地铁一号线站场图中告警栏处于整个界面底部，并非处于最佳视区。同时，告警栏显示的文字行距较小，增加了观察告警信息时的错行几率。而处于最佳视区的状态栏，却极少使用到。布局的不合理分配，影响了调度员操作界面时的工效。

对于界面元素色彩，人类的一般辨识特点为能够较为快速地从三到四种色彩中去辨识其中一种色彩代表的状态，即使对于培训熟练的调度员，也难以做到快速从六种以上的色彩中快速分辨出每种色彩所代表的含义。ATS界面站场图部分的计轴区段、信号机灯和站台均由六种以上状态，每种状态分别用一种色相来表示。当各种状态交织在一起时，大大增加了调度员快速读取状态信息的难度。同时，对于各种不同的状态，同样存在着重要性轻重的关系。一般而言，调度员应优先观察和处理较为重要的状态，如果各种状态都具有同等的视觉冲击力，则会增加调度员筛选更为重要信息的时间，从而增加了调度员观察重要信息时的疲劳度。因此，降低界面的布局、背景和色彩中的认知负荷来源，是提升界面人因工效学水平的核心。

二、基于人因功效学的ATS系统界面设计方案

（一）界面的布局设计

布局的工效学特征界面的工效学特征的重要组成部分，界面的布局也只有迎合用户的特征和习惯才会取得最佳的效果。界面设计中，良好的规则运用可以引导用户建立正确的概念模型，让设计模型与用户模型自然匹配，引导用户接收和理解信息，帮助用户自然、舒适地完成交互，减轻认知负荷，因此，布局的设计应注重协调性和最佳视觉区的规则。人们对于平面空间的视觉感知是有规律可循的，在垂直方向上，人们习惯于由上至下观看，在水平方向上，人们习惯于从左至右观看。因此，在一个有限的平面内，人们的视觉重点有了先左后右，先上后下的规律，所以，平面左上部和上中部可以称为“最佳视阈”，重要的信息应尽量落在最佳视区内。同时，同類的内容应该整合在一个区域，如果这些内容散落在不同的区域，用户为了找寻这些信息，就需要耗费精力去观察，因而产生多余的认知符合。调度员使用ATS系统时，主要观察和操作的区域是站场图区域，但是如果告警栏区域如果出现未确认的告警信息，则需优先处理。同时，标题栏、设备状态区域对于调度工作的作用较小。综上所述，界面各区域的重要性应依次为：告警栏、站场图区域和标题栏。

根据人们的阅读习惯，标题栏应置于整个界面的最上端，以方便用户最先对界面的显示内容进行宏观的认识。由于设备状态区域较少使用，却占用了界面的最佳视区，因此该区域应当设为常规状态下的缺省模式，取而代之的是综合显示栏。综合显示栏集成了界面中对于调度最为重要的三个因素，即告警信息、运行状态统计和实时时间，处于最佳视区便于调度员以最舒适的视角看到，从而保障调度员以最舒适的视角观察到，以降低材料的性质给用户带来的工作负荷。站场界面区域的抽象目的是实时将在线列车、信号机、计轴区段等设备设施的状态传达给调度工作人员，此区域是执行调度作业的核心，应以较大面积显示于另一最佳视区。由于站场图区域只能显示一条线路运行状况的局部信息，调度员无法通过界面进行全线运行状况的宏观认识以及实现显示区域的快速切换，因此，在界面底部加入导航栏，以减少调度员进行区域切换的难度，同时也增加了全局信息的可视化，从而从材料呈现方式的角度减少了认知负荷的来源。界面的布局划分设计（如图2）所示。

（二）界面的背景设计

ATS界面的背景和主色调为辅助元素，对于调度工作并不起直接的作用。ATS系统界面是调度员需要长时间保持较高的注意力观察的界面。长时间保持较高的关注度，会大大增加调度员操作界面时的工作负荷。因此，界面应选用合理的模块区分和合理的色彩选用。对于图形和色彩这两种区分模式，色彩能够更快地引起人们的关注，因此，采用不同的色彩区分不同的模块。朱祖祥、曹立人等发现，目标与背景色彩的恰当匹配能显著提高信息的传递绩效，彩色CRT显示屏的背景色有以深色为好的趋势，目标色有以浅色为好的趋势，白色的背景具有较高的亮度，能够更快地引起视觉疲劳，对于需要长时间观察的区域，深色带来的视力疲劳度要低于浅色，因此采用深灰作为站场图区域和导航栏。蓝色荧光粉具有低亮度输出，蓝色位于视网膜的前端，人眼的蓝色感光细胞相对于红、绿色的贫乏，有效降低界面主色调的视觉冲击力，可以减少来自界面辅助元素对于关键信息筛选的干扰，因此可选用蓝色作为界面的主色调（如图3）所示。

三、界面的元素色彩设计

ATS系统的复杂度较高，其界面的元素和状态均以不同的颜色来区分，庞大的色彩信息量大大增加了调度员的操作负荷，同时也降低了调度员操作界面时筛选重要信息的速度。因此，合理根据色彩的视觉冲击力进行元素重要性区分有利于降低来自界面元素本身带来的认知负荷。系统界面的色彩层次是指采用图解手段，使得界面各元素分别处于不同的感知水平上，某些元素凸显于上层，某些则隐退于下层，从而便于观察较为重要的内容。通过分析北京地铁调度员所提出的界面设计需求，调度员所关注的界面元素的优先级为：异常优于正常，状态优于元素，元素优于标注。在ATS界面设计中，应选用具有较高亮度和较高饱和度的色彩表达重要信息。例如，故障状态是ATS系统中的重要信息，应被调度员及早发现和处理，因此，可应用具有较高亮度、较高饱和度和具有警示作用的紫色、橙色来表达；而操作按键和主色调一般不需快速观察到，因此可采用人眼敏感度相对较低的绿色和蓝色，同时降低这两种色相的明度和饱和度；界面的常规设备状态和标示注解为界面重要性最低的元素，一般而言，调度员只在需要看到的时候能够发现即可，因此选用饱和度和亮度更低的色彩，甚至选用灰色，并降低色彩的饱和度。根据各元素状态的重要性进行视觉等级划分，能够减少使用者操作界面时筛选重要信息的时间，从而提高降低调度员筛选重要信息的认知符合。

另一方面，ATS界面站场图部分的计轴区段、信号灯、和站台均由6种以上状态。种种色彩交织在一起，大大增加了调度员操作界面时的认知负荷。人类的一般辨识特点为能够较为快速地从三到四种色彩中去辨识其中一种色彩代表的状态，即使對于培训熟练的调度员，也难以做到快速从六种以上的色彩中快速分析出每种色彩代表的含义。图形比起色彩，虽然视觉冲击力较低，但直观性更强。因此，对于状态多于六种的元素，采用色彩和图形和结合的原则，从而降低界面元素本身的特性带来的认知负荷（如图4）所示。

结语

界面是人完成某项任务的工具，界面的设计也只有符合人的生理、心理特征时，才能有效降低人们观察和操作界面的疲劳，从而提高操作工效和降低操作错误率。分析界面认知负荷的来源和界面的特征，从界面的布局、色彩和元素的表达形式方面对ATS系统界面进行全新的设计，是有效提升操作ATS系统工效的有力方法，在未来的调度系统界面设计中必将有着光明的前景。

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