基于視景仿真的船舶駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)研究＊

商 蕾

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

駕駛艙作為駕駛員的主要工作場(chǎng)所，其人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)間的相互關(guān)系直接影響駕駛員的作業(yè)效率、操作舒適性及作業(yè)安全.目前，國(guó)內(nèi)外已有針對(duì)工程車輛，航空工具，坦克等交通工具的評(píng)價(jià)體系，但是涉及船舶駕駛艙的人機(jī)工程評(píng)價(jià)系統(tǒng)還很少.本文基于人機(jī)工程學(xué)理論和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立船舶駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)駕駛?cè)藛T舒適性、視野性、操作性和安全性.依據(jù)評(píng)估結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)優(yōu)化的輔助決策支持.

為了使設(shè)計(jì)人員能夠快速地比選、調(diào)整設(shè)計(jì)方案，并感受真實(shí)的設(shè)計(jì)效果，本文將視景仿真技術(shù)引入艙室人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中.實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)、仿真、評(píng)價(jià)到反饋修改、優(yōu)化的全過(guò)程，為設(shè)計(jì)人員節(jié)約時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本［1－2］.

1 船舶駕駛艙人機(jī)工程評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，結(jié)合船舶駕駛艙的實(shí)際設(shè)備布置及操作特性，在其人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，本文主要設(shè)置如圖1所示的分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖1 船舶駕駛艙主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 人體模型尺寸的建立

為了建立船舶駕駛艙的人－機(jī)－環(huán)境的評(píng)價(jià)體系，確保人與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性，必須量化人體尺寸和體形.這種幾何關(guān)系的確定基礎(chǔ)是人體測(cè)量數(shù)據(jù).人機(jī)工程學(xué)范圍內(nèi)的人體測(cè)量數(shù)據(jù)主要有兩類：人體結(jié)構(gòu)尺寸和功能尺寸.人體構(gòu)造上的尺寸是靜態(tài)尺寸；人體功能上的尺寸是指動(dòng)態(tài)尺寸，包括人在工作姿勢(shì)下或在某種操作活動(dòng)下測(cè)量的尺寸.

在本仿真研究項(xiàng)目中，為了簡(jiǎn)化模型，突出主要設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)要素，在人體模型設(shè)計(jì)中，測(cè)量項(xiàng)目主要涵蓋：（1）人體主要尺寸，含身高、上臂長(zhǎng)、前臂長(zhǎng)、腿長(zhǎng)；（2）坐／立姿人體尺寸，含眼高、肩高、肘高、手功能高；（3）人體水平尺寸，含肩寬、最大肩寬等.

為了處理上述各種人體測(cè)量尺寸的差異性，模型人體用國(guó)標(biāo)最通用的男子第五十百分位數(shù)據(jù).

1.2 船員身體運(yùn)動(dòng)舒適性，可達(dá)性指標(biāo)

1.2.1 舒適度指標(biāo) 舒適度著重于船舶作業(yè)環(huán)境對(duì)人的影響，關(guān)注在坐勢(shì)下人的關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)靈活度.舒適區(qū)域指人長(zhǎng)時(shí)間在此姿勢(shì)下能夠接受，而且不會(huì)感到刺激和疲勞的區(qū)域.通過(guò)計(jì)算關(guān)節(jié)的角度是否在這個(gè)舒適的區(qū)域內(nèi)，則可以判斷該部位是否處于舒適狀態(tài)（見(jiàn)表1）.

表1 人體主要關(guān)節(jié)舒適度表

1.2.2 可達(dá)性指標(biāo) 研究船員在駕駛艙室的可達(dá)性，首先需要研究船員工作空間的方便可及域.方便可及區(qū)域是在標(biāo)準(zhǔn)立／坐姿下，以中指指尖為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的上肢最大可及區(qū)域.方便可及域由2個(gè)尺度決定：上肢最大長(zhǎng)度和肩寬.在船舶駕駛艙內(nèi)主要考慮船員在盤臺(tái)前的方便可及域是否合適，能否操作到主要儀器和設(shè)備.換而言之，駕駛艙內(nèi)的重要設(shè)備及應(yīng)急設(shè)備應(yīng)布置于駕駛員的方便可及域之內(nèi).

1.2.3 船員視野和視線評(píng)價(jià) 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)原理，人眼在水平方向和垂直方向上存在不同的最佳視區(qū)、良好視區(qū)和最大視區(qū)分布.

以評(píng)價(jià)指標(biāo)1視野評(píng)價(jià)為例，主要考察由于人體生理特點(diǎn)、駕駛艙船體結(jié)構(gòu)遮擋或儀器儀表布置造成的觀測(cè)視區(qū)大小范圍、觀測(cè)清晰度及舒適性.一般說(shuō)來(lái)，水平方向10°以內(nèi)為最佳視區(qū)，30°以內(nèi)為良好視區(qū)；垂直方向視水平線以下10°以內(nèi)為最佳視區(qū)，視水平線向上10°和向下30°的范圍內(nèi)為良好視區(qū).在船舶艙室的設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能使操舵員和領(lǐng)航員獲得盡可能大的觀測(cè)視野.同時(shí)，要將重要操作儀器置于船員最佳視區(qū)內(nèi).

另外，由于前后盤臺(tái)擺放位置的不同，可能會(huì)導(dǎo)致后排盤臺(tái)對(duì)前方設(shè)備造成一定的視線干擾.在設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證操作員方便地看到前方儀表，盤臺(tái)上方干涉點(diǎn)與前方儀表的投影距離要滿足一定要求.

1.2.4 駕駛艙最小安全距離評(píng)價(jià) 在駕駛艙內(nèi)，為了杜絕安全隱患，便于人員移動(dòng)和操作，人體與設(shè)備之間、以及設(shè)備與設(shè)備之間應(yīng)保持一定的安全距離.按照人機(jī)工程學(xué)對(duì)夾縫（通道）最小間隙的控制要求，規(guī)定夾縫的安全距離見(jiàn)表2.

表2 夾縫的安全距離表 mm

在進(jìn)行駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)該按照最小安全距離要求來(lái)進(jìn)行評(píng)估.

2 船舶駕駛艙人機(jī)工程評(píng)價(jià)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)大多基于人機(jī)工程學(xué)理論和專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，由于缺乏對(duì)設(shè)計(jì)方案的直觀感受和分析，很難在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行快速地反饋修改.即使設(shè)計(jì)中存在某些欠缺或缺陷，也只能等加工完成后、甚至使用時(shí)才能發(fā)現(xiàn).對(duì)于小型系統(tǒng)或產(chǎn)品，修改設(shè)計(jì)并重新生產(chǎn)，也許不會(huì)耗費(fèi)過(guò)多資源.但對(duì)于造船如此龐大的工程，設(shè)計(jì)上的失誤將會(huì)造成巨大的成本代價(jià).

駕駛艙作為船舶的指揮中樞，航行期間艙內(nèi)工作人員較多，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮船員工作狀態(tài)、生理狀態(tài)對(duì)航行安全的影響［3］.基于上述原因，在建立船舶駕駛艙人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及模型基礎(chǔ)上，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入仿真系統(tǒng)，以獲取更直觀的設(shè)計(jì)效果展示和動(dòng)態(tài)交互響應(yīng).

本文借助三維建模工具Creator和3D Max、視景仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境Vega、面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)環(huán)境VC＋＋6.0，共同完成了基于視景仿真的船舶駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng).仿真系統(tǒng)的總體框圖見(jiàn)圖2，其中系統(tǒng)的主體框架由面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)環(huán)境VC＋＋6.0完成，并通過(guò)Vega API應(yīng)用程序接口驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)視景仿真應(yīng)用［4］.

通過(guò)圖2所示的仿真系統(tǒng)總體框圖，可以看出本文開(kāi)發(fā)的基于視景仿真的船舶駕駛艙人機(jī)工程評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了如下功能.

圖2 仿真系統(tǒng)總體框架

1）三維艙室環(huán)境展示 依據(jù)收集到的駕駛艙設(shè)備及布置圖紙、圖片資料或其他素材，利用三維建模工具Creator和3DMax，對(duì)駕駛艙船體結(jié)構(gòu)、裝修情況、盤臺(tái)、儀器儀表、家電家具等艙內(nèi)對(duì)象進(jìn)行三維建模，并通過(guò)三維視景環(huán)境進(jìn)行三維展示.

由于三維艙室模型比較復(fù)雜，紋理也較多，為了減小模型對(duì)計(jì)算機(jī)資源的占用，保證視景仿真的實(shí)時(shí)性，必須對(duì)所建模型進(jìn)行優(yōu)化.

2）虛擬場(chǎng)景漫游 利用三維視景仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶駕駛艙的可控制漫游和自動(dòng)漫游功能.

在自動(dòng)漫游模式下，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的路線自動(dòng)漫游.通過(guò)該方式，用戶可以直觀了解艙室空間環(huán)境及布局，各種盤臺(tái)、設(shè)備及設(shè)施的布置情況，為后續(xù)基于人機(jī)交互的艙室設(shè)計(jì)仿真評(píng)價(jià)做準(zhǔn)備.

在可控制漫游模式下，結(jié)合交互操作，靈活改變觀察者的視角和位置，實(shí)現(xiàn)自主的三維駕駛艙漫游.

3）人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià) 基于本文建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型，對(duì)船舶駕駛艙的主要人機(jī)工程學(xué)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià).隨著用戶對(duì)駕駛艙設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和修改，仿真系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)新方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià).

4）與虛擬船舶駕駛艙的交互 三維視景仿真的最大優(yōu)點(diǎn)，就是能夠?qū)崿F(xiàn)與虛擬場(chǎng)景間的實(shí)時(shí)交互，這也是本文的關(guān)鍵技術(shù)之一.

通過(guò)交互操作，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備的拾取和位置調(diào)整.比如，重新對(duì)盤臺(tái)及領(lǐng)航椅進(jìn)行擺放，使其更便于操作和觀察海面狀況.或者是對(duì)艙內(nèi)的色彩進(jìn)行調(diào)整，使船員獲得更舒適的視覺(jué)感受.

5）設(shè)計(jì)方案動(dòng)態(tài)加載 允許動(dòng)態(tài)加載船舶駕駛艙設(shè)計(jì)方案，根據(jù)新方案，對(duì)現(xiàn)有駕駛艙布局進(jìn)行調(diào)整.

本文設(shè)計(jì)的船舶駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程和數(shù)據(jù)交互流程如圖3所示.該仿真系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)，它需要搭建一個(gè)視景仿真環(huán)境，并與之進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互.其仿真運(yùn)行結(jié)果，即有三維可視化的駕駛艙環(huán)境，又有傳統(tǒng)文本格式的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)報(bào)告.這樣一來(lái)，用戶可以獲得較好地輔助決策支持.

圖3 仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程及數(shù)據(jù)交互關(guān)系

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維建模及優(yōu)化

對(duì)于一個(gè)視景仿真系統(tǒng)而言，三維模型的視覺(jué)逼真度和仿真應(yīng)用實(shí)時(shí)性是2個(gè)重要的衡量指標(biāo).三維模型構(gòu)建得越精細(xì)，三維展示效果越好，模型文件也就會(huì)越龐大，這將導(dǎo)致仿真應(yīng)用的實(shí)時(shí)性降低.為解決實(shí)時(shí)性與逼真度之間的矛盾，本文將3D Max與Creator結(jié)合運(yùn)用，進(jìn)行組合建模.

Cerator是著名的實(shí)時(shí)三維仿真仿真建模工具，著重于創(chuàng)建低多邊形數(shù)的三維模型，簡(jiǎn)化和減少實(shí)時(shí)應(yīng)用的程序要求，提高模型實(shí)時(shí)性.3D Max也是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域常用的三維建模工具，具有強(qiáng)大的點(diǎn)、線、面、幾何體編輯功能，其細(xì)節(jié)描述及渲染能力非常強(qiáng)，生成的模型文件通常較大.

基于上述特點(diǎn)，本文利用Creator對(duì)船體結(jié)構(gòu)、普通盤臺(tái)、普通桌椅等對(duì)象進(jìn)行三維建模，而3D Max則用于建立需要精細(xì)表達(dá)的三維模型，如：分羅經(jīng).電話、高檔皮椅，舵輪等.這樣的組合建模即能滿足三維視景顯示的需求，又能控制模型文件的大?。ㄒ?jiàn)圖4）.

圖4 三維駕駛艙模型

除了組合建模之外，為了保證仿真實(shí)時(shí)性，本文還采用了外部引用技術(shù)、實(shí)例化技術(shù)、層次細(xì)節(jié)技術(shù)來(lái)優(yōu)化搭建的三維模型.

3.2 交互式船舶駕駛艙設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)及優(yōu)化

依據(jù)建立的人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文建立的仿真系統(tǒng)可以對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案下的船舶駕駛艙空間布局、重要盤臺(tái)與設(shè)備、以及人員操作舒適度與視野進(jìn)行評(píng)價(jià).同時(shí)，系統(tǒng)中引入的視景仿真技術(shù)，擁有“所見(jiàn)即所得”的優(yōu)勢(shì)，允許用戶借助外部輸入設(shè)備與視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互操作.這樣一來(lái)，用戶能實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行三維場(chǎng)景觀測(cè)、人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)、方案修改及優(yōu)化.

本文涉及的設(shè)計(jì)方案修改主要包括：艙室內(nèi)設(shè)備布局調(diào)整、環(huán)境色彩調(diào)整、觀察者視點(diǎn)和位置調(diào)整、虛擬操作者在場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)控制、虛擬設(shè)備工作狀態(tài)調(diào)整.見(jiàn)圖5.

圖5 “對(duì)象位置調(diào)整”及“顏色修改”工具

3.3 三維視景仿真驅(qū)動(dòng)［5］

本文借助先進(jìn)的視景仿真環(huán)境Vega來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶駕駛艙視景仿真，通過(guò)Vega API函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶、船舶駕駛艙人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)模型以及視景系統(tǒng)之間的交互.

其核心框架如下：

void zs Vega View：：r un Vega（void）

｛

continue Running＝TRUE；

vega Thread ＝ Af x Begin Thread（r un Vega App，this）；

......

｝

UINT r un Vega App（LPVOID p Param）

｛

zs Vega View＊ p Owner＝ （zs Vega View＊）p Param；

／／初始化系統(tǒng)并創(chuàng)建共享的內(nèi)存區(qū)和信號(hào)區(qū)

vgInit WinSys（Af x GetInstance Handle（），p Owner－＞Get Safe Hwnd（））；

vgInit Audio（）；／／初始化聲音

vgInit Marine（）；／／初始化海洋

／／調(diào)用應(yīng)用定義文件

vg DefineSys（p Owner－＞get Adf Name（））；

vg ConfigSys（）；／／配置類的實(shí)例

／／視景仿真主循環(huán)

while（p Owner－＞get Continue Running（））

｛

vgSync Frame（）；／／幀同步

vg Frame（）；／／幀刷新

Interaction Model（）；／／交互操作響應(yīng)模型

Evaluation Model（）；／／人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)模型

｝；

｝

可以發(fā)現(xiàn)，Vega仿真應(yīng)用過(guò)程都是在Vega主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)的，Vega主循環(huán)可以分為嚴(yán)格有序的2個(gè)步驟：（1）調(diào)用vgSync Frame（）函數(shù)進(jìn)行當(dāng)前幀的應(yīng)用進(jìn)程同步處理，即保證應(yīng)用進(jìn)程與給定的幀頻率同步；（2）調(diào)用vg Frame（）函數(shù)完成當(dāng)前幀的剔除和繪制進(jìn)程及其相關(guān)處理.

4 結(jié) 論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)地不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視自身工作環(huán)境的安全性、高效性和舒適性.對(duì)于長(zhǎng)期從事單調(diào)枯燥操作的海船駕駛部海員來(lái)說(shuō)，駕駛艙的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)是非常重要的.

本文基于人機(jī)工程學(xué)原理及船舶駕駛部工作特性，搭建了船舶駕駛艙人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)仿真系統(tǒng).為了獲取更直觀快速地設(shè)計(jì)反饋，筆者將視景仿真技術(shù)也引入仿真系統(tǒng)中.同時(shí)，允許用戶與仿真系統(tǒng)間進(jìn)行交互操作.從實(shí)際的應(yīng)用效果來(lái)看，該仿真系統(tǒng)能較好地展示船舶駕駛艙真實(shí)的設(shè)計(jì)效果，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)的在線評(píng)估，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供輔助決策支持.

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