基于驾驶模拟器实验的列车司机视觉反应特性研究及其对自动列车运行系统开发的启示

为优化自动列车运行(ATO)系统设计，德国柏林工业大学团队通过驾驶模拟器实验，研究不同列车防护系统(PZB/ETCS)和目视驾驶模式下司机对轨道障碍物的反应时间。研究发现物体尺寸、对比度和车速显著影响反应时间，其中小尺寸(3.78'视角)、低对比度物体在40 km/h时速下反应最慢(15.73秒)，该成果为ATO系统视觉感知标准制定提供了重要基准。

　　

在轨道交通自动化浪潮中，自动列车运行(ATO)系统正逐步取代人工驾驶。然而一个关键问题始终悬而未决：自动化系统需要达到怎样的性能标准才能匹配甚至超越人类司机的安全水平？特别是在轨道障碍物检测方面，人类司机凭借视觉感知建立的"安全防线"至今仍是行业黄金标准。这种以人类表现为参照(human-as-reference)的安全验证方法，亟需精确量化司机在各类工况下的视觉反应能力。

为破解这一难题，Technische Universitaet Berlin的Baris Cogan团队在《Applied Ergonomics》发表创新研究。通过精心设计的驾驶模拟器实验，研究人员系统分析了43名职业司机在PZB(德国点式列车防护系统)、ETCS L2(欧洲列车控制系统二级)和目视驾驶(OS)三种模式下，对不同尺寸(3.78'-13.43'视角)、对比度(ΔE=112/222)障碍物的反应时间特性。研究采用TUB和DLR两台高保真模拟器交叉验证，运用混合效应模型处理数据变异，首次建立了多因素影响的反应时间预测模型。

主要技术方法

研究采用双模拟器验证策略：TUB模拟器配备32英寸UHD显示器，DLR的RailSET?采用投影系统。43名司机(平均驾龄8.6年)在标准化场景中响应轨道上的立方体刺激物(尺寸90/180cm，色差对比50%)，记录从刺激出现到鸣笛的反应时间。通过线性混合模型(REML)分析log转换后的数据，控制模拟器间差异的随机效应(ICC=0.22)。

关键研究发现

1. 1.

   物理特性影响：最小尺寸刺激物(3.78')使反应时间延长145%(p<0.01)，低对比度导致25%延迟，验证了Piéron定律在铁路场景的适用性。

2. 2.

   速度悖论现象：160 km/h时的反应速度比100 km/h快29%，支持"速度提升-注视点前移"理论，但实际运营中需权衡与制动距离的关系。

3. 3.

   系统差异：目视驾驶模式反应时间比PZB快47%，但ETCS与PZB无显著差异，可能与线路设计等混杂因素有关。

4. 4.

   模拟器等效性：尽管存在设备差异(随机效应σ_u=0.38)，两套系统显示一致的效应方向，证实实验方案的鲁棒性。

研究启示

该研究为ATO系统开发提供了关键人因基准：在160 km/h运行时，系统需具备检测13.43'视角(约1.8m物体@800m)的能力，且对比度敏感度应超越人类ΔE=112的阈值。特别值得注意的是，研究揭示的"速度-反应"正相关关系挑战了传统安全评估假设，提示高速场景下自动化系统可适当放宽检测时限要求。

这些发现不仅填补了轨道视觉感知量化模型的空白，更开创性地建立了模拟器实验的标准化范式——通过视角(arcminute)标准化和混合模型，有效解决了跨平台数据可比性难题。正如作者强调的，未来研究需在真实场景中验证这些边界条件，特别是曲线路段和长时间驾驶等复杂工况下的人类表现极限。这项研究为实现"人类等效安全"的自动驾驶系统迈出了坚实一步。