載人潛水器艙室空間布局設(shè)計方法與應用研究

李瀛

摘要：載人潛水器艙室空間布局設(shè)計是涉及到人機工程、工業(yè)設(shè)計、測量學、心理學、行為學、材料學和色彩學等多種學科的綜合性的工作，在分析目前載人潛水器設(shè)計問題的基礎(chǔ)上，引入工業(yè)設(shè)計方法和理論體系，建立了載人潛水器工業(yè)設(shè)計解決方法模型，研究了載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計對象，詳細論述了從創(chuàng)意方案設(shè)計到效果表達輸出的系統(tǒng)設(shè)計過程，并進行了人機功效等設(shè)計分析，最終獲得了載人潛水器艙室布局設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：載人潛水器 艙室布局 工業(yè)設(shè)計 人機設(shè)計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）01-0014-02

引言

隨著目前海洋資源開發(fā)競爭的愈發(fā)激烈，載人潛水器作為深海探測、科學考察和開發(fā)作業(yè)的必備工具，是目前裝備制造業(yè)研究的難點和熱點Ⅲ。載人潛水器為潛航員和乘客提供了深潛工作所需的各種設(shè)備和環(huán)境，保證了潛航員的水下作業(yè)的有序進行。

載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計的研究，將在現(xiàn)有的潛水器布局基礎(chǔ)上，對潛水器艙內(nèi)各個部分進行合理的優(yōu)化設(shè)計，包括布局和色彩規(guī)劃，使?jié)摵絾T在未來載人潛水器的深潛工作當中更加高效，有效地提高了工作人員的工作效率，滿足潛航員的心理需求。載人潛水器艙內(nèi)布局優(yōu)化設(shè)計對未來深海作業(yè)具有重大的意義。

一、載人潛水器艙室布局問題

載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計過程中所涉及到的“人”是指作為工作主體的人；“機”是指人所控制的設(shè)備和設(shè)施；“環(huán)境”是指人、機共處的外部條件和特定的工作條件。載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計，就是把人、機、環(huán)境三者視為相互關(guān)聯(lián)的復雜系統(tǒng)，在深入分析和研究三者關(guān)系的基礎(chǔ)上，運用現(xiàn)代設(shè)計的最新理論和方法，改變以往分散、孤立的設(shè)計和研究局面，使系統(tǒng)具有“安全、高效、舒適、易用”等綜合效能。目前針對這類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，主要采用智能設(shè)計方法，如多學科優(yōu)化設(shè)計、人機設(shè)計方法、計算機輔助設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)也為潛水器設(shè)計帶來了嶄新的方向。

針對目前載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計特點的分析總結(jié)出以下幾點：

（a）整體布局設(shè)計方面

控制臺區(qū)域的控制區(qū)和顯示區(qū)比較集中，其他操作區(qū)、顯示區(qū)以及生命維持系統(tǒng)等大多都布置在內(nèi)艙環(huán)形面。相關(guān)儀器、儀表集中布置于工作^員的前后，—方面大大縮小了，人的活動空間，使?jié)摵絾T在艙內(nèi)難以伸展，容易產(chǎn)生疲勞感；另—方面識別性不強，需要花費較長時間去進行分辨。除此之外，潛航員控制臺與乘客控制區(qū)分布不明顯，于緊密，易導致作業(yè)時的不便。

（b）人機設(shè)計方面

各種設(shè)備儀器擺放在支架上，基本滿足了潛航員和乘客的生理尺寸，但并未做相應的重要性分區(qū)和“行為學”優(yōu)化，對人的心理尺寸的重視程度也不夠，長時間操作容易疲勞。人機安全性較差，存在一些“斷面”、駕駛艙有尖銳的裸露表面，可能造成操作人員的意外傷害。設(shè)備分布合理，但識別性不高，不同類設(shè)備之間區(qū)分度不高，潛航員和乘客在作業(yè)時，需要仔細辨認才能保證操作的準確性，影響作業(yè)效率。

（c）色彩設(shè)計方面

載人潛水器的使用范圍較窄，作業(yè)人員較為限定，在設(shè)計之初只是為了滿足產(chǎn)品的功能需求，艙內(nèi)環(huán)境基本都是設(shè)備的原始色彩，大部分采用冷灰色的主色調(diào)加上陰冷的深海環(huán)境，使人容易產(chǎn)生森冷之感，寒意由心而生，缺乏溫馨感。隨著目前載人潛水器發(fā)展的成熟，以及工作環(huán)境的需要，艙內(nèi)色彩急需重新設(shè)計。

（d）形態(tài)設(shè)計方面

多數(shù)載人潛水器內(nèi)部過多采用銳角和直線，使?jié)摵絾T和乘客產(chǎn)生一種不安的心理感受，設(shè)備造型不符合人的視覺感受，顯得過于笨重和落后，不能體現(xiàn)科技感和先進性。操作臺控制區(qū)比較凌亂，各設(shè)備之間的搭配較差，沒有很好的融合，未營造出溫馨舒適的工作環(huán)境。二、潛水器工業(yè)設(shè)計研究方向

工業(yè)設(shè)計目前滲入到各行各業(yè)，尤其在我國航天航海領(lǐng)域，發(fā)揮了主要的作用。工業(yè)設(shè)計從人的角度出發(fā)，協(xié)調(diào)人與機器、環(huán)境的關(guān)系，在載人潛水器艙室設(shè)計方面，需要采用以下幾種設(shè)計方向：

（一）以人為中心的優(yōu)化設(shè)計

在艙內(nèi)布局設(shè)計過程中，突出“人”的因素，即從事深潛活動的潛航員和乘客，以“人”的生理、心理需求，以及特定任務下的行為特點為設(shè)計的依據(jù)，對艙內(nèi)空間進行優(yōu)化，打造適合中國人特定生理尺度和心理需求的載人深潛艙內(nèi)空間。

（二）人機化的設(shè)計

在艙內(nèi)布局設(shè)計過程中，根據(jù)人機工程學、人類行為學、空間心理學的基本理論，進行空間布置和空間規(guī)劃，并進行有針對性的、適當?shù)乜臻g拓展設(shè)計以達到合理利用有限空間的目的。然后，進一步對艙內(nèi)人員的活動范圍和活動路徑進行合理規(guī)劃，全方位多角度提升空間的利用效率，拓展艙內(nèi)空間的心理尺度等。

（三）提高艙內(nèi)環(huán)境的舒適性

通過全新的人機設(shè)計、工作區(qū)的色彩設(shè)計、形態(tài)設(shè)計和其他視覺元素設(shè)計，全面提升艙內(nèi)空間的舒適性，使艙內(nèi)系統(tǒng)在安全、高效、經(jīng)濟、舒適等諸方面獲得最佳效果，為潛航員和乘客供舒適、宜人的工作和休息環(huán)境，進而提高工作效率，幫助潛航員和乘客有效釋放壓力，降低潛航員和乘客在復雜的海洋環(huán)境中的疲勞度等。

三、載人潛水器艙室設(shè)計案例

在分析現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計的特點制訂設(shè)計思路，利用先進的人機工程學設(shè)計理念和設(shè)計方法，對潛水器艙內(nèi)空間進行布局設(shè)計和人機設(shè)計，并對潛水器的控制器與顯示器、各類操作器、艙內(nèi)標示系統(tǒng)、艙內(nèi)整體環(huán)境色彩、形態(tài)等進行系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計。

圖1是對潛水器艙內(nèi)的設(shè)備分析，為后期的分區(qū)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

（一）載人潛水器整體布局構(gòu)思

考慮到潛航器內(nèi)部空間有限的特點，采用簡潔造型設(shè)計，給潛航員和乘客以更加寬敞的感覺，提升整體艙內(nèi)環(huán)境。在艙內(nèi)橫線方向的布局上盡量采用統(tǒng)一的過渡變化或?qū)ΨQ型。這樣，一方面使人容易理解、結(jié)構(gòu)嚴謹、顯得莊重；另—方面，從心理學的角度來看，由于視覺多停留在對稱線上，物體產(chǎn)生靜止不動之感。在艙內(nèi)的豎線方向的設(shè)計上，主要采用以體量對稱達到的均衡，給人以莊重、整齊的感覺。這種以等量不等形，等形不等量、不等形又不等量達到的均衡，是一種變化的均衡，一種內(nèi)在的、美的秩序的均衡。endprint

（二）載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計與人機設(shè)計

人體尺寸數(shù)據(jù)是人機系統(tǒng)設(shè)計的基本資料。人體測量數(shù)據(jù)主要有兩類，即人體靜態(tài)尺寸和人體動態(tài)尺寸。靜態(tài)尺寸是結(jié)構(gòu)尺寸，動態(tài)尺寸是功能尺寸。后者包括操作者在工作姿勢或某種操作活動狀態(tài)下測量的尺寸。

人體靜態(tài)尺寸是指被測者靜止時得到的測量尺寸。靜態(tài)尺寸可以作為潛水器工作空間的大小、設(shè)備、操控區(qū)和顯示區(qū)以及一些工作設(shè)施等的設(shè)計依據(jù)。靜態(tài)測量主要可分為立姿、坐姿、跪姿和臥姿4種基本形態(tài)。對于載人潛水器的艙內(nèi)布局設(shè)計，主要用到的是潛航員和乘客的坐姿和站姿測量數(shù)據(jù)。

人體動態(tài)尺寸是以人的生活行動和作業(yè)空間為測量依據(jù)的，包括人的自我活動空間和人機系統(tǒng)的組合空間。動態(tài)人體尺寸分為四肢活動尺寸和身體移動尺寸兩類。四肢活動尺寸是指人體在原姿勢下，活動上肢或下肢，而身軀位置沒有變化的相關(guān)角度尺寸。對于載人潛水器的布局設(shè)計，主要用到的人體動態(tài)尺寸是四肢活動尺寸。

在實際的應用過程中，考慮到不同環(huán)境及人的心理狀態(tài)的影響，還需要對測量得到的數(shù)據(jù)進行修正，以最大限度滿足舒適度的要求。

（三）載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計與色彩設(shè)計

對于潛水器艙內(nèi)整體環(huán)境的色彩設(shè)計，主色選用孟塞爾色立體中央軸上高明度的一系列灰色，給人平和安穩(wěn)的感覺，此外可以選擇則其他中等純度的有彩色，給人小部分視覺上的跳躍感。考慮潛水器的使用環(huán)境，能使整個空間環(huán)境營造出一種穩(wěn)重的氛圍，使?jié)摵絾T和乘客感受到宜人的舒適感。

艙內(nèi)各模塊的色彩搭配，主要根據(jù)各模塊的功能需求，在色彩設(shè)計的過程中，突出識別性和美觀性；最終的色彩搭配方案應有利于提高各模塊的操作效率，減少誤操作的可能，有利于迅速反應、安全操作、不易疲勞等。

（四）創(chuàng)意草圖構(gòu)思

創(chuàng)意草圖的繪制是在設(shè)計中快速表達產(chǎn)品功能和造型的重要途徑，在載人潛水器艙內(nèi)布局設(shè)計中，運用頭腦風暴的方法，繪制了大量的方案草圖，包括對艙內(nèi)操作臺、潛航員以及乘客座椅、儲物柜、生保系統(tǒng)、伸縮梯等的細節(jié)的草圖2展示。

（五）方案人機分析

在進行了方案的詳細分析及研究后，對方案進行三維實體建模和仿真人機分析。Jack系統(tǒng)是由美國賓夕法尼亞大學Norman Balder教授主持，歷經(jīng)十多年研究開發(fā)的軟件系統(tǒng)，是目前比較公認的人體仿真模型和功效評估軟件系統(tǒng)。在進行系統(tǒng)的人機分析之后，最終獲得了艙室布局設(shè)計最優(yōu)方案，如圖4所示。

結(jié)論

載人潛水器艙室布局設(shè)計涉及技術(shù)復雜、領(lǐng)域眾多，論文在分析現(xiàn)有潛水器艙室設(shè)計問題的基礎(chǔ)上，引入工業(yè)設(shè)計理論和方法體系，對載人潛水器艙室空間的布局設(shè)計進行研究，建立了載人潛水器艙室空間工業(yè)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計流程體系，最終獲得了艙室布局方案。為載人潛水器艙室這類復雜產(chǎn)品提供了新的研究方向，對于其他復雜裝備產(chǎn)品的研究具有借鑒意義。同時，在艙室布局設(shè)計中的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計方面，換需要進一步研究。endprint