轨道交通控制中心人因工程设计

蔡佳妮，方卫宁



轨道交通控制中心人因工程设计

蔡佳妮1，方卫宁2

（1. 上海申通地铁集团有限公司技术中心，上海 201103； 2. 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

从运营需求出发，以人因工程学原则和ISO 11064等系列相关标准为基础，对轨道交通控制中心人因工程设计的内容和评估方法进行研究。将以人为中心的理念整合到控制中心的设计中，提出我国轨道交通控制中心人因工程设计框架和评估方法，对控制中心布局设计以及各个环节的人因工程设计流程进行探讨，并对控制中心声光热环境设计的影响因素进行分析，为我国轨道交通控制中心的人性化设计提供科学依据。

轨道交通；控制中心；人因工程

1 研究背景

轨道交通控制中心设计是一项复杂的系统工程，它涉及规划、建筑、通信、信号、综合监控、消防等多个专业。目前在我国，轨道交通控制中心设计缺乏相关的标准和规范，在不少城市的控制中心建设过程中，各个专业各自为政，缺乏从最终运营使用角度进行的系统性规范，导致不少控制中心建成以后出现诸多问题：如空调系统未考虑设备发热和人员需求；控制中心设置在建筑顶层，对建筑防水缺乏针对性的严格措施；照明设计忽略了眩光影响；中心显示屏幕及控制台设计没有考虑作业者的人体尺寸和所需的作业空间等。此类问题在我国轨道交通控制中心设计中还有很多，不仅造成了使用的困难，也增加了人误风险和二次改造资金成本。因此，为了确保各系统安全可靠地运行，方便调度员对运营过程实施全面的集中监控和管理，有必要从使用者的角度出发，探讨如何用人机环系统工程的方法来设计控制中心。

Takashi Naito[1]认为控制中心设计不同于一般的办公室设计，它是通过应用以人为中心的设计方法来达到平衡系统舒适性和功能性的目的，设计需求通常包括：正常和紧急情况下控制中心的运行任务和运行组织、相关行业控制中心设计标准以及人因工程学相关要求3个方面。E. Johan Hendrikse 等[2]指出，在控制中心的设计过程中，需要应用人为因素以期消除或最大限度地减少人为失误的发生，提高作业者的工作效率。目前国外已有相关的规范被用于指导控制中心的人因工程学设计，其中最具代表性的是ISO 11064控制中心的人类工效学设计系列标准。2008—2011年，我国将ISO 11064[3-9]进行了部分引入，中国标准化研究院将ISO 11064-1—ISO 11064-3等效采用，形成了国标GB/T 22188.1—GB/T 22188.3[10-12]。

随着地铁对运营安全和管理水平的要求不断提高，在轨道交通运营过程中被监控对象之间的关系越来越复杂，监视、控制、操作和管理渐趋集中，安全性、可靠性越来越受到重视[13]。在这种更安全、更可靠和更高效要求的驱动下，信息技术创新已经使得自动化和集中监控技术越来越多地应用于轨道交通控制中心的人机交互中。这种技术的进步使控制中心人机接口更加集中，信息量和工作负荷更大，任务更复杂，随之带来的是人为失误发生概率的增加，因此对控制中心的安全性和可靠性提出更高的要求。

笔者根据人因工程学原理，依据ISO 11064系列相关标准对轨道交通控制中心的人因工程设计进行探讨。将以人为中心的设计方法整合到轨道交通控制中心的设计中去，为使用者提供一个高效的作业环境，使作业者获得较高的操作舒适性和满意度，降低作业带来的职业病伤害和人误风险。

2 轨道交通控制中心的特征

轨道交通控制中心是轨道交通线路最高控制、管理指令发出的所在地，其主要功能是对地铁全线所有运行车辆、区间和车站及乘客进行全面监视、控制、协调、指挥、调度和管理，保障列车有效运行和乘客安全。控制中心系统包括信号、通信、电力监控系统（SCADA）等人机接口工作站，控制中心工作人员，操作与应急规程以及相关设施或设备的总体，它们共同维持控制中心功能的正确执行。

近年来，随着技术设备的现代化和复杂化，对控制中心作业者的任务要求也越来越高。随着效率提高与系统复杂性的增加，作业者进行决策时需要面临更大的压力。控制中心作业者需要面临如目标冲突、应急处置、管理和社会压力等问题。控制中心的组织结构也会对控制中心的工作产生影响，作业者之间、作业者与管理者之间的沟通对构建一个舒适的工作环境十分关键。目前我国轨道交通控制中心呈现以下4方面特点。

2.1 网络集约化

我国不少城市轨道交通网络已经逐步形成，轨道交通控制中心运营管理开始由单/多线路管理向网络化管理转变，需要在基于现有各个单/多线路控制中心之上，从整个线网层面管理城市轨道交通。针对轨道交通线路OCC、换乘车站、大型车站和相关场所等重要对象，进行网络级监控、协调、指挥管理和信息共享[14]；实现各条线路之间的协调和运营管理。在紧急事件发生时，通过采集各线路行车运营数据和视频等信息，利用有/无线等通信手段进行应急指挥；同时，通过线网控制中心与城市其他交通系统保持联系，实现城市各种交通的协调指挥。

上海作为国内较早进入城市轨道交通网络化建设与运营阶段的城市，在轨道交通网络初具规模时，面对当时对线网层面的整体监控与协调的迫切需求，于2007年5月建成了网络运营协调与应急指挥中心（COCC，含ETC功能）。随后2008年北京地铁建立了覆盖全市交通统一管理与协调的指挥中心，整合了10条轨道交通线路运行控制中心（OCC）及联网收费系统线路控制中心（LC），有效实现了各个线路系统信息的共享，优化了调度人力资源，减少了运营维护成本，满足了及时、高效处理紧急事件的需求。这种集中式的轨道交通控制中心的设置能大大提升线网控制中心综合协调指挥和应急处置能力，已经成为未来我国城市轨道交通控制中心的发展趋势。

2.2 数字综合化

随着计算机、信息技术的快速发展，通信网络的带宽增强，高速交换以太网技术的成熟，特别是实时分布式数据库的广泛应用，使得轨道交通综合自动化监控成为可能。轨道交通控制中心信息综合数字化的发展，有效提高了各系统之间的信息关联程度，具有较高的处理突发事件的综合应变能力。

信息的综合化、数字化显示大大提高了人机接口的自动化程度，增强了数据处理能力，提高了信息显示的集成度，也带来了信息量的海量剧增，特别是在异常状况下信息量过大，调度员不能直接搜索或直观地获取相关信息，无法及时了解正在变化的信息，这无疑会增加调度员的工作负荷，可能造成重要信息的延误接收或遗漏。

2.3 专业协同化

随着城市轨道交通网络化运营组织格局的逐渐形成，在运营策划、运营安全保障、运营监管指挥、运营异常事件处置、运营信息发布等方面都对控制中心提出了专业协同化的网络化运营管理需求。以目前正在建设的上海市轨道交通网络运营指挥中心为例，其采用了多层级的统一调度指挥模式，其中COCC通过C3平台实现网络级的运营状态监控、协调与应急处置。电调中心利用电网调度平台负责电网和能源监测，通过制定线网电力支援预案，实现轨道交通线网电力调度及主变电所资源共享。通过COCC级、OCC级、车站级三级终端/移动终端，将各级的指令汇报数字化上传下达，实现各岗位操作执行流程与结果在系统内数字化、结构化交互与存储，从而在日常运营和异常事件处置的过程中实现更有效的多级联动和全局信息共享。

2.4 驾驶自动化

轨道交通智能化已经成为未来的发展趋势，根据公共交通国际联会（UITP）2016年的统计结果，全世界已有四大洲37个城市开通了全自动运行的地铁，共计55条线路。北京市计划除延伸线外的新建线路都采用全自动驾驶技术（FAO），到2020年北京市全自动运行的地铁里程将升至200 km以上，超过运行线路的1/5。

采用全自动驾驶技术不仅提高了轨道交通运行的安全性和效率，更多带来的是人—机关系的改变。FAO技术在降低人力成本、提高系统效率的同时也带来了两方面的问题：一方面是列控系统控制出现集中化趋势[15]，仅由少数人就能实现对系统的监控，这使得大量的潜在危险集中在少数人员身上；另一方面为了防止设备失效和人为错误对列车运行安全的影响，采用了多重、多样的检测装置和安全措施以提高行车系统的安全性，但这也增强了人员对系统的依赖性，降低了其对系统安全风险的警觉性。

轨道交通控制中心与工业过程控制中心相比，不仅存在数字海量信息和有限显示的矛盾，而且由于涉及乘客安全，其组织管理结构更为复杂，专业协同更加突出。未来FAO控制中心在人机功能分配、人力资源配置、应急规划决策、运营安全管理、综合信息监控等方面也将面临一系列新的挑战。实现城市轨道交通控制中心的安全运行，仅依靠提高系统设备的可靠性远远不够，人作为人—机—环交互系统中一个重要的环节，在安全可靠的运营中担负着重要的角色。因此，在控制中心的设计过程中，除了考虑其自身的运营需求外，还需要考虑控制中心人的作业需求。

3 人因工程设计

轨道交通控制中心人因工程设计主要目标是实现行车、环境、乘客、供电及车站主要设备在其所有正常和异常工况下，安全有效地运行。控制中心需要为实现系统运行目标提供所必需的信息输入、人机接口和相关设备，为调度员提供一个利于任务执行且无不适感和人身危险的工作环境。在控制中心设计过程的各个阶段，人员、软硬件、工作环境、操作和管理都应进行协调整合，必须将特定人的特征纳入设计要求中。轨道交通控制中心的设计以提高调度员工作绩效为目的，控制中心人因工程的设计要素如图1所示。

图1 轨道交通控制中心人因工程设计要素

轨道交通控制中心人因工程设计主要包括控制中心优化布局、控制台及声、光、热环境的设计。控制中心的布局设计主要是为了优化各岗位之间的协同作业、减少相互间的干扰以及有效地实现信息共享；控制台的设计是为了提高易操作性，减少职业健康伤害；照明优化设计是为了减少长时间监视作业导致的视觉疲劳，提高视觉作业绩效；空调布局优化设计是为了提高环境的舒适性；声学设计是为了减少噪声干扰，改善语音通信环境，有利于人员之间的语言交流和对报警信息的监听。

3.1 布局设计

控制中心的布局设计是运用功能联系将多个调度台布置在控制中心的有效空间内，将功能群组转换为适当尺寸大小的工作站控制台，并通过调整布局来保证所有人员和设备的工作、流通和维修空间。控制中心在布局时需要考虑运行任务的需求、群体间的协同作业、各岗位的职责分工和监督要求、各岗位之间的操作联系、信息共享、环境限制（如窗户与显示屏的相对位置）以及人员通道和设备安装维修空间等因素，控制中心的布局设计必须满足轨道交通运行规范的要求，其具体的设计流程如图2所示。

图2 轨道交通控制中心布局设计流程

控制中心布局设计的主要内容包括：作业岗位人员及设备的确定；共享显示幕墙可视性设计；各功能区及各岗位关联作业需求分析与布局；人员通道及维修空间的设计。

3.2 控制台设计

控制中心控制台是调度员获取、传递、处理信息的一个重要平台，调度员作业活动空间设计的合理性主要体现在控制台尺寸设计的合理性。控制台设计应考虑人的能力、生理限度和心理需要，控制台的结构设计数据应符合使用者的群体特征。

控制台设计以作业分析为基础，其设计的起始点是确定工作任务内容和相应的作业区域。另外，控制台的形状还受输入设备的特征、通信设备和显示装置的使用方法、频次以及与其他岗位相互联系的影响。控制台的人因设计流程如图3所示。

控制台设计主要内容包括：岗位工作任务与设备需求分析；控制台显控器件布局设计；控制台结构尺寸及维护空间设计。

图3 控制台人因工程设计流程

3.3 热环境设计

控制中心的热环境直接影响人员的安全、健康、舒适和工作效率。室内气候条件必须予以适当控制，以免由于热辐射或热空气引起局部温度升高。控制中心的热环境应适应人体要求和设备的需要，以防对人的心理和生理健康产生不良影响。

为确保调度人员的舒适，控制中心热环境的各个参数应控制在适宜的范围内，新鲜空气的交换率应可以调节，以保持良好的空气质量。暖通空调系统的设备性能和布局位置与人员的活动、穿着的服装、人数变化、建筑物所处地理位置、设备/照明产生的散热量、门窗的数量等因素密切相关。控制中心热环境设计应考虑的因素如图4所示。

图4 控制中心热环境设计应考虑的因素

控制中心热环境设计内容主要参照GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[16]中的相关规定。热环境设计包括对控制大厅的空气温度、相对湿度及空气流速3个方面内容的综合设计与评估，通过室内热舒适性预测平均评价（PMV）与热舒适性预测不满意百分比（PPD）两个指标来校核控制大厅热环境是否满足室内舒适环境的要求。根据季节不同，应分为冬季和夏季两种情况分别设计，设计分析的内容包括：温度场分布、气流速度场分布、相对湿度场分布、PMV和PPD分布。热环境的人因设计流程如图5所示。

3.4 照明环境设计

在设计照明系统时，应考虑视觉作业的照明与视觉工效、舒适之间的关系。照明设计应满足正常和紧急情况下作业的视觉需要。判断视觉舒适性标准的主要因素有：照度值、视野内亮度分布、眩光控制、照明类型的选择和光源配置。

控制中心照明工效学设计的目的是为作业者在作业点提供最佳的视觉环境，减少视觉疲劳，以达到最佳工效，避免工作失误和信息误读。照明设计需要考虑的因素是人员作业及活动的视觉需求、控制中心布局、作业场所设备、照明类型、作业流程及团队协作，应考虑的因素如图6所示。

图5 控制中心热环境人因工程设计流程

图6 控制中心照明设计应考虑的因素

控制中心照明设计主要依据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[17]，其设计内容主要包括：正常状态和紧急情况下照明方式和种类的确定、照明光源及灯具的选择、照度及眩光控制设计等，其中眩光控制设计采用视觉仿真的方法分析作业者视野范围内是否有眩光点的存在；若存在眩光，则评估该处的眩光指数是否低于最大眩光指数要求。照明环境的人因设计流程如图7所示。

3.5 声学环境设计

控制中心的噪声作为一种刺激因素，会对作业人员产生干扰。轨道交通控制中心监控作业是一种复杂脑力劳动，需要注意力高度集中，噪声环境会引起分心、注意力下降、甚至导致作业疲劳。特别是在紧急情况下，可能会影响重要的语音信息传递。因此在控制中心设计时应对控制中心音质、建筑围护结构的隔声以及相关设备的噪声与振动进行控制。

图7 控制中心照明环境人因工程设计流程

控制中心声环境的人因工程设计目的是提供舒适的听觉环境，方便人员之间的语言交流，改善语音通信环境以及有利于告警的监听。降低控制中心噪声的主要措施有：进行建筑结构的隔声与吸音设计、采取隔振和消声措施降低设备产生的噪声、优化信噪比以及减少声音混响时间。与声环境设计有关的各因素之间的关系如图8所示。

控制中心声学设计主要依据GB 50118《民用建筑隔声设计规范》[18]、GB 50371《厅堂扩声系统设计规范》[19]和GB 3096—2008《声环境质量标准》[20]进行设计，其主要设计内容包括：控制中心音质设计、空调等设备降噪设计、建筑隔声设计等，需要对吸声材料对调度大厅内工作区混响时间影响、语音清晰度以及设备噪声对大厅工作区的声学影响进行分析。控制中心声学人因设计流程如图9所示。

图8 控制中心声学设计应考虑的因素

图9 控制中心声学环境人因工程设计流程

4 人因工程评估

人因工程评估是验证控制中心施工设计方案是否满足人因工程学相关规范的一个重要环节，控制中心人因工程评估的主要依据是ISO11064控制中心的人类工效学设计标准1—7。评估一般由除设计方和业主之外的第三方组织协调完成，第三方应具备相应的人因工程学的评估资质，控制中心人因评估项目组织及实施流程如图10所示。

在整个评估过程中，评估的参与方是以第三方人因评估方为主导的业主、设计方和施工方的多方组成，其目的是要将人因工程的规范和业主的需求落实到施工设计乃至整个工程的实施中，确保以人为中心的理念能得以贯彻和执行。在评估过程中，依据科学的理论、技术和方法，用先进的人因工程工具和手段对设计中的偏差进行准确量化的分析和评估，以保证其准确性。控制中心人因工程学各部分的评估内容、依据及方法如表1所示。

图10 控制中心人因工程学评估流程

表1 控制中心人因工程学各部分的评估内容、依据及方法

5 结论

以ISO11064系列标准为基础，提出了一种适用于轨道交通控制中心人因工程设计的框架结构和评估方法，能较好地将以人为中心的理念整合到控制中心的设计中，全面满足现有控制中心人因工程相关标准，有效避免我国轨道交通控制中心建设中不良的人机界面和作业环境对行车运营安全造成的影响，降低人误风险，提高运营使用方的满意度。

随着我国轨道交通产业的快速发展，先进的控制中心始终是提高轨道交通系统安全性和可靠性最有效的一种途径，将人因工程的理念和方法应用于控制中心设计必将对提升控制中心设计质量、改善作业绩效、保障运营安全发挥出积极的作用。

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[19] 厅堂扩声系统设计规范: GB 50371—2006[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.Code for sound reinforcement system design of auditorium: GB 50371—2006[S]. Beijing: Standards Press of China, 2006.

[20] 声环境质量标准: GB 3096—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.Environmental quality standard for noise: GB 3096—2008[S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

（编辑：王艳菊）

Human Compatibility Design for Rail Transit Control Center

CAI Jiani1, FANG Weining2

(1. Technology Center, Shanghai Shentong Metro Co., Ltd., Shanghai 201103; 2. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

From the point of view of operational needs and on the basis of ergonomic principles and standards such as ISO 11064, this study investigated the contents and evaluation methods of ergonomic design in rail transit control centers. The concept of “human-centered” is integrated into control center design. This paper proposes a human factor-based design framework and evaluation methods for rail transit control centers in China, discusses the layout design of the control center and the human factor design process in all links, and analyzes the influence factors of the environment design for sound, illumination, and temperature in the control center. This paper provides scientific guidance for user-friendly design of rail transit control centers in China.

rail transit; control center; ergonomics

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.014

U231

A

1672-6073(2018)04-0069-08

2017-08-31

2017-12-20

蔡佳妮，女，硕士，高级工程师，从事轨道交通运营控制中心及自动控制系统工作，gernee@163.com

方卫宁，男，教授，从事轨道交通人因与工效学研究工作，wnfang@bjtu.edu.cn

重大工程: 上海市发展和改革委员会批复函（31010463175586 420151A2101001）