陳少杰　陳凈蓮

摘要：分析了人因工效學(xué)認(rèn)知負(fù)荷理論，歸納了ATS系統(tǒng)界面的人因工效學(xué)特點(diǎn)。從認(rèn)知負(fù)荷的三個(gè)來(lái)源的角度提出ATS界面改進(jìn)方法，并對(duì)ATS系統(tǒng)界面的布局、背景、色彩進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，以幫助提高調(diào)度員操作ATS系統(tǒng)時(shí)的工效。

關(guān)鍵詞：ATS系統(tǒng)界面 人因工效學(xué) 認(rèn)知負(fù)荷

中圖分類(lèi)號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2018）03-0152-02

引言

ATS系統(tǒng)是列車(chē)調(diào)度員實(shí)施在線列車(chē)運(yùn)行狀況監(jiān)控和實(shí)施調(diào)度作業(yè)的載體，對(duì)于保障全線列車(chē)安全按照運(yùn)行計(jì)劃圖運(yùn)行具有重要的意義。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能為：自動(dòng)記錄列車(chē)運(yùn)行實(shí)跡，自動(dòng)生成列車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表，自動(dòng)排列進(jìn)路，列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整，列車(chē)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)視等主要功能。隨著列車(chē)控制技術(shù)不斷發(fā)展和調(diào)度系統(tǒng)的更新，ATS系統(tǒng)界面的顯示元素和控制內(nèi)容越來(lái)越多，雖然優(yōu)化了調(diào)度工作，卻也增加了調(diào)度人員的工作強(qiáng)度。系統(tǒng)界面的人因工效學(xué)特性對(duì)于調(diào)度員進(jìn)行調(diào)度作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用，因此如何有效優(yōu)化系統(tǒng)界面的人因工效學(xué)特性成為了亟待解決的問(wèn)題。本文以ATS系統(tǒng)界面為基礎(chǔ)，從人因工效學(xué)認(rèn)知負(fù)荷理論的角度，探究改進(jìn)ATS界面的設(shè)計(jì)方法，以改進(jìn)ATS系統(tǒng)界面的人因工效特征。

一、人因工效學(xué)理論

（一）人因工效學(xué)理論

人因工效學(xué)又稱(chēng)人類(lèi)工效學(xué)，是一門(mén)人體科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，其基本理論是將人、機(jī)器和環(huán)境視為一個(gè)整體，并且以人為中心，充分考慮人的生理和心理特征，希望達(dá)到安全、舒適、健康和高效的目的，以幫助設(shè)計(jì)者在研制新產(chǎn)品時(shí)更加符合人的心理、生理特點(diǎn)等要求，以取得最佳的工作效率。因此，人因工效學(xué)的理論分支也是多種多樣的。其中，認(rèn)知負(fù)荷理論就是其中的一個(gè)重要分支。

（二）認(rèn)知負(fù)荷理論

認(rèn)知負(fù)荷是人在實(shí)施某項(xiàng)任務(wù)時(shí)進(jìn)行信息處理所需要的認(rèn)知資源的總量，該理論最早由心理學(xué)家John Sweller、Fred G.W.C.Paas等在20世紀(jì)80年代提出，是研究人類(lèi)的認(rèn)知特點(diǎn)與信息來(lái)源本身之間的相互作用。該理論認(rèn)為，工作記憶是大腦進(jìn)行信息處理的主要方面。馬克斯、庫(kù)珀和斯威勒指出，面對(duì)既定的認(rèn)知任務(wù)，個(gè)體產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷主要來(lái)自三個(gè)方面：一是學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)，二是學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式，三是學(xué)習(xí)者的已有經(jīng)驗(yàn)。ATS系統(tǒng)的界面呈現(xiàn)的認(rèn)知任務(wù)較為復(fù)雜，用戶(hù)從事復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，由于需要在工作記憶中同時(shí)處理多個(gè)信息元素，這可能使得容量有限的工作記憶出現(xiàn)超負(fù)荷，無(wú)法進(jìn)行有效的信息處理。降低外在認(rèn)知負(fù)荷的最主要方法是最大限度地呈現(xiàn)直接信息，減少冗余信息和無(wú)用功能，得工作記憶釋放出足夠的容量來(lái)完成認(rèn)知處理。

（三）ATS系統(tǒng)界面的認(rèn)知負(fù)荷分析

以北京地鐵一號(hào)線ATS系統(tǒng)界面為例，界面分為標(biāo)題欄、菜單欄、設(shè)備狀態(tài)區(qū)域、站場(chǎng)圖區(qū)域和告警欄區(qū)域五個(gè)部分。其中，標(biāo)題欄的功能目的是概述顯示界面內(nèi)容的標(biāo)題和系統(tǒng)模式，菜單欄的功能目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作，設(shè)備狀態(tài)區(qū)域的功能目的為實(shí)時(shí)顯示服務(wù)器設(shè)備的狀態(tài)，站場(chǎng)圖區(qū)域的功能目的為顯示與運(yùn)行相關(guān)包括站臺(tái)、車(chē)次窗等設(shè)備的狀態(tài)，告警欄的功能目的為以文字的形式顯示運(yùn)行事件和告警信息。（如圖1）為北京地鐵一號(hào)線ATS系統(tǒng)界面。

其中，告警欄對(duì)于調(diào)度員觀察和處理異常狀況起著核心作用，北京地鐵一號(hào)線站場(chǎng)圖中告警欄處于整個(gè)界面底部，并非處于最佳視區(qū)。同時(shí)，告警欄顯示的文字行距較小，增加了觀察告警信息時(shí)的錯(cuò)行幾率。而處于最佳視區(qū)的狀態(tài)欄，卻極少使用到。布局的不合理分配，影響了調(diào)度員操作界面時(shí)的工效。

對(duì)于界面元素色彩，人類(lèi)的一般辨識(shí)特點(diǎn)為能夠較為快速地從三到四種色彩中去辨識(shí)其中一種色彩代表的狀態(tài)，即使對(duì)于培訓(xùn)熟練的調(diào)度員，也難以做到快速?gòu)牧N以上的色彩中快速分辨出每種色彩所代表的含義。ATS界面站場(chǎng)圖部分的計(jì)軸區(qū)段、信號(hào)機(jī)燈和站臺(tái)均由六種以上狀態(tài)，每種狀態(tài)分別用一種色相來(lái)表示。當(dāng)各種狀態(tài)交織在一起時(shí)，大大增加了調(diào)度員快速讀取狀態(tài)信息的難度。同時(shí)，對(duì)于各種不同的狀態(tài)，同樣存在著重要性輕重的關(guān)系。一般而言，調(diào)度員應(yīng)優(yōu)先觀察和處理較為重要的狀態(tài)，如果各種狀態(tài)都具有同等的視覺(jué)沖擊力，則會(huì)增加調(diào)度員篩選更為重要信息的時(shí)間，從而增加了調(diào)度員觀察重要信息時(shí)的疲勞度。因此，降低界面的布局、背景和色彩中的認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源，是提升界面人因工效學(xué)水平的核心。

二、基于人因功效學(xué)的ATS系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)方案

（一）界面的布局設(shè)計(jì)

布局的工效學(xué)特征界面的工效學(xué)特征的重要組成部分，界面的布局也只有迎合用戶(hù)的特征和習(xí)慣才會(huì)取得最佳的效果。界面設(shè)計(jì)中，良好的規(guī)則運(yùn)用可以引導(dǎo)用戶(hù)建立正確的概念模型，讓設(shè)計(jì)模型與用戶(hù)模型自然匹配，引導(dǎo)用戶(hù)接收和理解信息，幫助用戶(hù)自然、舒適地完成交互，減輕認(rèn)知負(fù)荷，因此，布局的設(shè)計(jì)應(yīng)注重協(xié)調(diào)性和最佳視覺(jué)區(qū)的規(guī)則。人們對(duì)于平面空間的視覺(jué)感知是有規(guī)律可循的，在垂直方向上，人們習(xí)慣于由上至下觀看，在水平方向上，人們習(xí)慣于從左至右觀看。因此，在一個(gè)有限的平面內(nèi)，人們的視覺(jué)重點(diǎn)有了先左后右，先上后下的規(guī)律，所以，平面左上部和上中部可以稱(chēng)為“最佳視閾”，重要的信息應(yīng)盡量落在最佳視區(qū)內(nèi)。同時(shí)，同類(lèi)的內(nèi)容應(yīng)該整合在一個(gè)區(qū)域，如果這些內(nèi)容散落在不同的區(qū)域，用戶(hù)為了找尋這些信息，就需要耗費(fèi)精力去觀察，因而產(chǎn)生多余的認(rèn)知符合。調(diào)度員使用ATS系統(tǒng)時(shí)，主要觀察和操作的區(qū)域是站場(chǎng)圖區(qū)域，但是如果告警欄區(qū)域如果出現(xiàn)未確認(rèn)的告警信息，則需優(yōu)先處理。同時(shí)，標(biāo)題欄、設(shè)備狀態(tài)區(qū)域?qū)τ谡{(diào)度工作的作用較小。綜上所述，界面各區(qū)域的重要性應(yīng)依次為：告警欄、站場(chǎng)圖區(qū)域和標(biāo)題欄。

根據(jù)人們的閱讀習(xí)慣，標(biāo)題欄應(yīng)置于整個(gè)界面的最上端，以方便用戶(hù)最先對(duì)界面的顯示內(nèi)容進(jìn)行宏觀的認(rèn)識(shí)。由于設(shè)備狀態(tài)區(qū)域較少使用，卻占用了界面的最佳視區(qū)，因此該區(qū)域應(yīng)當(dāng)設(shè)為常規(guī)狀態(tài)下的缺省模式，取而代之的是綜合顯示欄。綜合顯示欄集成了界面中對(duì)于調(diào)度最為重要的三個(gè)因素，即告警信息、運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)時(shí)間，處于最佳視區(qū)便于調(diào)度員以最舒適的視角看到，從而保障調(diào)度員以最舒適的視角觀察到，以降低材料的性質(zhì)給用戶(hù)帶來(lái)的工作負(fù)荷。站場(chǎng)界面區(qū)域的抽象目的是實(shí)時(shí)將在線列車(chē)、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸區(qū)段等設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)傳達(dá)給調(diào)度工作人員，此區(qū)域是執(zhí)行調(diào)度作業(yè)的核心，應(yīng)以較大面積顯示于另一最佳視區(qū)。由于站場(chǎng)圖區(qū)域只能顯示一條線路運(yùn)行狀況的局部信息，調(diào)度員無(wú)法通過(guò)界面進(jìn)行全線運(yùn)行狀況的宏觀認(rèn)識(shí)以及實(shí)現(xiàn)顯示區(qū)域的快速切換，因此，在界面底部加入導(dǎo)航欄，以減少調(diào)度員進(jìn)行區(qū)域切換的難度，同時(shí)也增加了全局信息的可視化，從而從材料呈現(xiàn)方式的角度減少了認(rèn)知負(fù)荷的來(lái)源。界面的布局劃分設(shè)計(jì)（如圖2）所示。

（二）界面的背景設(shè)計(jì)

ATS界面的背景和主色調(diào)為輔助元素，對(duì)于調(diào)度工作并不起直接的作用。ATS系統(tǒng)界面是調(diào)度員需要長(zhǎng)時(shí)間保持較高的注意力觀察的界面。長(zhǎng)時(shí)間保持較高的關(guān)注度，會(huì)大大增加調(diào)度員操作界面時(shí)的工作負(fù)荷。因此，界面應(yīng)選用合理的模塊區(qū)分和合理的色彩選用。對(duì)于圖形和色彩這兩種區(qū)分模式，色彩能夠更快地引起人們的關(guān)注，因此，采用不同的色彩區(qū)分不同的模塊。朱祖祥、曹立人等發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)與背景色彩的恰當(dāng)匹配能顯著提高信息的傳遞績(jī)效，彩色CRT顯示屏的背景色有以深色為好的趨勢(shì)，目標(biāo)色有以淺色為好的趨勢(shì)，白色的背景具有較高的亮度，能夠更快地引起視覺(jué)疲勞，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間觀察的區(qū)域，深色帶來(lái)的視力疲勞度要低于淺色，因此采用深灰作為站場(chǎng)圖區(qū)域和導(dǎo)航欄。藍(lán)色熒光粉具有低亮度輸出，藍(lán)色位于視網(wǎng)膜的前端，人眼的藍(lán)色感光細(xì)胞相對(duì)于紅、綠色的貧乏，有效降低界面主色調(diào)的視覺(jué)沖擊力，可以減少來(lái)自界面輔助元素對(duì)于關(guān)鍵信息篩選的干擾，因此可選用藍(lán)色作為界面的主色調(diào)（如圖3）所示。

三、界面的元素色彩設(shè)計(jì)

ATS系統(tǒng)的復(fù)雜度較高，其界面的元素和狀態(tài)均以不同的顏色來(lái)區(qū)分，龐大的色彩信息量大大增加了調(diào)度員的操作負(fù)荷，同時(shí)也降低了調(diào)度員操作界面時(shí)篩選重要信息的速度。因此，合理根據(jù)色彩的視覺(jué)沖擊力進(jìn)行元素重要性區(qū)分有利于降低來(lái)自界面元素本身帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷。系統(tǒng)界面的色彩層次是指采用圖解手段，使得界面各元素分別處于不同的感知水平上，某些元素凸顯于上層，某些則隱退于下層，從而便于觀察較為重要的內(nèi)容。通過(guò)分析北京地鐵調(diào)度員所提出的界面設(shè)計(jì)需求，調(diào)度員所關(guān)注的界面元素的優(yōu)先級(jí)為：異常優(yōu)于正常，狀態(tài)優(yōu)于元素，元素優(yōu)于標(biāo)注。在ATS界面設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用具有較高亮度和較高飽和度的色彩表達(dá)重要信息。例如，故障狀態(tài)是ATS系統(tǒng)中的重要信息，應(yīng)被調(diào)度員及早發(fā)現(xiàn)和處理，因此，可應(yīng)用具有較高亮度、較高飽和度和具有警示作用的紫色、橙色來(lái)表達(dá)；而操作按鍵和主色調(diào)一般不需快速觀察到，因此可采用人眼敏感度相對(duì)較低的綠色和藍(lán)色，同時(shí)降低這兩種色相的明度和飽和度；界面的常規(guī)設(shè)備狀態(tài)和標(biāo)示注解為界面重要性最低的元素，一般而言，調(diào)度員只在需要看到的時(shí)候能夠發(fā)現(xiàn)即可，因此選用飽和度和亮度更低的色彩，甚至選用灰色，并降低色彩的飽和度。根據(jù)各元素狀態(tài)的重要性進(jìn)行視覺(jué)等級(jí)劃分，能夠減少使用者操作界面時(shí)篩選重要信息的時(shí)間，從而提高降低調(diào)度員篩選重要信息的認(rèn)知符合。

另一方面，ATS界面站場(chǎng)圖部分的計(jì)軸區(qū)段、信號(hào)燈、和站臺(tái)均由6種以上狀態(tài)。種種色彩交織在一起，大大增加了調(diào)度員操作界面時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷。人類(lèi)的一般辨識(shí)特點(diǎn)為能夠較為快速地從三到四種色彩中去辨識(shí)其中一種色彩代表的狀態(tài)，即使對(duì)于培訓(xùn)熟練的調(diào)度員，也難以做到快速?gòu)牧N以上的色彩中快速分析出每種色彩代表的含義。圖形比起色彩，雖然視覺(jué)沖擊力較低，但直觀性更強(qiáng)。因此，對(duì)于狀態(tài)多于六種的元素，采用色彩和圖形和結(jié)合的原則，從而降低界面元素本身的特性帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷（如圖4）所示。

結(jié)語(yǔ)

界面是人完成某項(xiàng)任務(wù)的工具，界面的設(shè)計(jì)也只有符合人的生理、心理特征時(shí)，才能有效降低人們觀察和操作界面的疲勞，從而提高操作工效和降低操作錯(cuò)誤率。分析界面認(rèn)知負(fù)荷的來(lái)源和界面的特征，從界面的布局、色彩和元素的表達(dá)形式方面對(duì)ATS系統(tǒng)界面進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)，是有效提升操作ATS系統(tǒng)工效的有力方法，在未來(lái)的調(diào)度系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中必將有著光明的前景。