測(cè)量船駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)

吳 宏 王亞森 方雄偉

（1.海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室 上海201913；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

船舶駕駛室是船舶航行指揮控制的核心部位，集控制、導(dǎo)航、通訊和航行保障等功能于一體，是復(fù)雜的人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)［1］。駕駛室中設(shè)備高度集中、信息量大，航行過程中航行指揮控制人員長期處于顛簸、搖擺的環(huán)境中，需要長時(shí)間關(guān)注大量信息，密切注意海上危險(xiǎn)情況，其工作壓力很大?，F(xiàn)有資料表明，絕大多數(shù)的水上事故都與人為因素有關(guān)，而駕駛室合理的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)則與航行安全密切相關(guān)。在對(duì)駕駛室的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)方面，20世紀(jì)60年代末，英國某公司為提供船舶駕駛室良好的視野并減少作業(yè)人員完成工作時(shí)的奔波勞碌，對(duì)船舶駕駛室設(shè)備設(shè)計(jì)及設(shè)備布局進(jìn)行改進(jìn)。美國同樣在船舶人機(jī)工程領(lǐng)域的投入力度較大，不但開展一系列船舶人機(jī)工程專項(xiàng)試驗(yàn)，而且頒布了多項(xiàng)船舶人機(jī)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和文件，主要側(cè)重于研究人機(jī)環(huán)境對(duì)船舶戰(zhàn)斗力的影響。目前國內(nèi)對(duì)于人機(jī)環(huán)境工程領(lǐng)域也開展了大量工作，特別是在汽車制造領(lǐng)域［2-3］和航天領(lǐng)域［4］，都對(duì)視野與視線進(jìn)行了深入研究。

本文以某測(cè)量船駕駛室設(shè)計(jì)過程為例，通過對(duì)駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行整理，探討駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)流程和方法，并進(jìn)行兼顧站姿和坐姿要求的駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)。

1 規(guī)范整理

駕駛室是一個(gè)高度人機(jī)交互的艙室，目前對(duì)于船舶駕駛室的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)，國際海上安全公約的第V章第15條（以下簡稱SOLAS V/15），規(guī)定船長不小于55 m，1998年7月1日后建造的船舶都需要滿足駕駛室可視范圍要求。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了ISO 8468：2007《Ships marine technology-Ship’s bridge layout and associated equipment-Requirements and guidelines》（以下簡稱ISO 8468），海事安全委員制定了MSC/Circ.982《Guidelines on ergonomic criteria for bridge equipment and layout》（以下簡稱 MSC.982）為SOLAS V/15提供規(guī)范支持，同時(shí)中國船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》中的“一人駕駛船舶補(bǔ)充規(guī)定”也對(duì)駕駛室的視野視線提出規(guī)范要求。

通過對(duì)規(guī)范的整理，對(duì)于駕駛室的視野視線主要有以下設(shè)計(jì)規(guī)范：

（1）最小前向視野

從駕駛位置上所見的海面視域，在所有吃水、縱傾和甲板貨狀態(tài)下，自船首前方至任何一舷10°范圍內(nèi)均不應(yīng)有超過2倍船長或500 m（取其小者）的遮擋。

（2）船周視野

應(yīng)能從駕駛室內(nèi)觀察到任何方向上所有航行所必需的物體，包括其他交通和導(dǎo)航標(biāo)志。從這一點(diǎn)考慮，當(dāng)觀察者在駕駛室一定范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)應(yīng)能得到船舶周圍360°的視野。

（3）導(dǎo)航與操縱工作站位置水平視野

從導(dǎo)航與操縱工作站上所見的水平視域應(yīng)延伸為一個(gè)不小于225°的扇面，即從正前方至船舶任一舷不小于22.5°的正橫后方向。

（4）操舵位置水平視野

操舵位置水平視域范圍應(yīng)至少為從正前方向兩舷各延展60°。

（5）橋樓翼臺(tái)視野

橋樓翼臺(tái)的視野應(yīng)從船首另一邊45°開始穿過正前方，再向后180°的范圍內(nèi)。

（6）盲區(qū)

由正橫前方的貨物、起貨裝置和其他障礙物帶來操縱和導(dǎo)航控制工作站海面視野的每一個(gè)盲區(qū)均應(yīng)不超過10°，盲區(qū)總和應(yīng)不超過20°；而盲區(qū)之間的視野應(yīng)至少為5°，但在（1）最小視野的范圍內(nèi)，每一單獨(dú)的盲區(qū)應(yīng)不超過5°。

駕駛室的視野視線是保障航行安全的核心要求，本文描述的駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)，主要按照以上規(guī)范展開實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)步驟及流程

駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)的過程，需要綜合考慮駕駛室人員視野視線需求，對(duì)臺(tái)位布置、臺(tái)位高度、窗戶設(shè)計(jì)、通道空間等設(shè)計(jì)要素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，并確定駕控臺(tái)尺寸和座椅等設(shè)備要求。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通常存在諸多關(guān)聯(lián)變量，這些變量之間存在此消彼長的關(guān)系，例如：前窗通道的加大往往會(huì)帶來前向視野的下降；窗戶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的加強(qiáng)會(huì)帶來視野盲區(qū)的增大。這時(shí)，就需要在滿足視野視線需求的角度，對(duì)各設(shè)計(jì)要素進(jìn)行平衡協(xié)調(diào)。

駕駛室的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)過程一般是從船舶總體參數(shù)和使命任務(wù)入手，確定駕駛室人員的視野視線需求，進(jìn)行駕駛室外形的初步設(shè)計(jì)，包括駕駛室位置、橋樓翼臺(tái)和窗戶的初步設(shè)計(jì)。在完成駕駛室初步外形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上從前向視野開始，考慮前窗通道空間，在滿足最小視野視線需求的基礎(chǔ)上，完成前向視野和通道的設(shè)計(jì)平衡，然后對(duì)盲區(qū)和視野高度進(jìn)行校核設(shè)計(jì)，如果視野視線不符合設(shè)計(jì)要求，就要對(duì)駕駛室外形設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，并對(duì)修正結(jié)果進(jìn)行重新校核設(shè)計(jì)，確定駕駛室設(shè)備的布置方案。隨后對(duì)駕駛室設(shè)備包括駕控臺(tái)和座椅等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終形成駕駛室設(shè)計(jì)方案。

具體流程如圖1所示。

圖1 駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)流程

3 駕駛室布置設(shè)計(jì)

本文以某測(cè)量船為例，對(duì)駕駛室視野視線設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。該船駕駛室前部設(shè)置駕控臺(tái)，裝備ECDIS、CONNING、Auto pilot等綜合船橋設(shè)備，駕駛室常備3名人員，分別是位于駕控臺(tái)中線的操舵人員、位于駕控臺(tái)左側(cè)的導(dǎo)航與操縱人員和位于駕控臺(tái)右側(cè)的導(dǎo)航雷達(dá)操作人員。該船因其特殊的任務(wù)需求，要求駕駛室內(nèi)所有人員均需進(jìn)行航行瞭望，保障航行安全和使命任務(wù)的執(zhí)行。因此要求駕駛室主要人員均滿足最小前向視野要求。在考慮船周視野和橋樓翼臺(tái)視野后設(shè)計(jì)駕駛室外形，得到形成駕駛室外形的初步幾何參數(shù)如表1所示。

表1 某測(cè)量船駕駛室初步外形幾何參數(shù)

本文討論使用繪圖法［5-6］進(jìn)行駕駛室視野視線初步設(shè)計(jì)，繪圖在AutoCAD上進(jìn)行，視野視線采用近似繪圖方法，駕駛室人員人體尺寸采用GB/T 10000-88《中國成年人人體尺寸》中尺寸，駕駛室布置設(shè)計(jì)滿足90%的男性成年人使用，即尺寸設(shè)計(jì)參考第5到第95百分位數(shù)男性人體尺寸。成年男性人體主要尺寸如表2所示。

表2 成年人人體主要尺寸

在布置設(shè)計(jì)中需要著重解決前后向視野與前艙壁觀察通道之間的矛盾，在MSC.982中對(duì)于通道尺寸規(guī)定如下：“從駕駛室前艙壁到任一控制臺(tái)之間通道間距不能小于800 mm，較適宜的通道間距至少應(yīng)1 000 mm?！?/p>

為減輕駕駛室人員工作強(qiáng)度，采取站姿坐姿相結(jié)合的操縱方式，從兼顧站姿和坐姿的角度出發(fā)，將坐姿視高與站姿視高設(shè)定基本一致。第5百分位站姿眼高為1 474 mm，站姿肘高為954 mm，控制臺(tái)臺(tái)面前緣高度低于站姿肘高，選定為950 mm，控制臺(tái)臺(tái)面厚度為100 mm，則通過坐姿計(jì)算座面高度hd為：

座面高度取整為700 mm，則通過計(jì)算求得第5百分位數(shù)坐姿距地視高為1 448 mm，第95百分位坐姿距地視高為1 546 mm，使用第5百分位坐姿距地視高進(jìn)行計(jì)算，在前后向視野與駕控臺(tái)和駕駛室前艙壁觀察空間之間進(jìn)行權(quán)衡，在滿足視野要求的情況下，盡量留出寬裕的通道，便于人員靠近前窗觀察，因此將前艙壁觀察通道定為850 mm。

設(shè)計(jì)繪圖與垂直視野如圖2所示。

圖2 駕駛室側(cè)視設(shè)計(jì)繪圖與垂直視野

駕控臺(tái)高度不可影響前向視野，需小于1 300 mm，駕控臺(tái)的面板高度為950 mm，座椅座面高度為700 mm。通過視野視線設(shè)計(jì)可獲得符合人機(jī)工程的駕駛室設(shè)備尺寸要求。

本船主操舵位置位于船中線上，在主操舵位置的左側(cè)設(shè)置導(dǎo)航與操縱工作站，在初步確定了駕控臺(tái)的位置之后，使用繪圖法計(jì)算該船操舵位置水平視野和視野盲區(qū)，如圖3所示。

圖3 駕駛室操舵位置水平視野繪圖

計(jì)算導(dǎo)航與操縱工作站人員視野和盲區(qū)，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航與操縱工作站水平視野繪圖

由于駕駛室甲板較高，甲板設(shè)備對(duì)于水平視野影響較小，主要存在的視野盲區(qū)是由窗戶結(jié)構(gòu)造成。水平和垂直方向的視野及盲區(qū)如下頁表3所示。

從計(jì)算結(jié)果可見，駕駛室各位置視野滿足設(shè)計(jì)要求，從而得到駕駛室初步布置方案。

表3 某測(cè)量船駕駛室視野計(jì)算結(jié)果

4 駕駛室工作環(huán)境要求

對(duì)駕駛室的工作環(huán)境要求，主要包括氣候、噪聲、振動(dòng)、照明和處所安全，從規(guī)范中整理得到各項(xiàng)工作環(huán)境要素設(shè)計(jì)要求見表4所示。

表4 某測(cè)量船駕駛室工作環(huán)境要求

在完成駕駛室布置設(shè)計(jì)之后，參照工作環(huán)境要求，分項(xiàng)完成對(duì)駕駛室的整體人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)，從而獲得駕駛室設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié) 論

由使用繪圖法計(jì)算的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本船駕駛室充分考慮站姿和坐姿使用人機(jī)工程和視野視線需求，使用人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)駕駛室的布置符合視野視線要求。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)視野影響最大的是駕駛室前窗尺寸，在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分減小各窗戶之間的支持結(jié)構(gòu)，增大窗戶面積，優(yōu)化駕駛室的視野視線。但是，由于繪圖法僅能在一維空間內(nèi)進(jìn)行視野視線測(cè)算，不能預(yù)測(cè)到立體空間內(nèi)由于窗戶玻璃厚度、艙壁厚度帶來的視野變化，因此在今后的設(shè)計(jì)中，可以采用三維建模和實(shí)尺模型的方式對(duì)視野視線進(jìn)一步設(shè)計(jì)加以完善。

［1］ 林偉國，王立新 .綜合艦橋系統(tǒng)綜述［J］.船舶，2007（4）：1-5.

［2］ 祁斌.海洋工業(yè)亟需引入人因工程學(xué)理念［J］.中國船檢，2011（3）.

［3］ 艷玲.人機(jī)丁程學(xué)在轎車駕駛室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2008.

［4］ 呂昌平，韓菲菲．汽車駕駛員視野校核方法［J］.天津汽車，2007（5）：29-32.

［5］ 陸超，金永明，陳銳.新型巡航救助船全景式駕駛室視野計(jì)算分析［J］.中國艦船研究，2011（6）：64-66，71.

［6］ 丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：90.

［7］ 王大瑜.飛機(jī)座艙幾何尺寸及視野要求中俄標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析報(bào)告［C］.中國航空學(xué)會(huì)飛機(jī)總體專業(yè)委員會(huì)第五次學(xué)術(shù)交流會(huì)，2002.