艦船艦橋整體設(shè)計及驗(yàn)證方法研究

王亞森 鄧勇智 方雄偉

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

在國際海事規(guī)范中定義，船橋?yàn)轳{駛室、橋翼區(qū)域及其安裝設(shè)備的總稱，對于艦船而言即為艦橋。艦橋設(shè)備高度集中、信息量大，環(huán)境顛簸。有統(tǒng)計表明，1992～2005年間，希臘客輪海上事故中的65%是直接由人的問題導(dǎo)致，而其中的76%則發(fā)生在船舶駕駛和指揮的過程中［1］。美軍2017年發(fā)生的“菲茨杰拉德”號和“約翰·麥凱恩”號撞船事故的直接原因均是人員操作失誤。

對艦橋這樣高度人機(jī)交互的系統(tǒng)，目前國內(nèi)艦船領(lǐng)域尚沒有具體的設(shè)計要求。在艦船艦橋（特別是駕駛室）設(shè)計中，主要考慮的還是功能是否完善、設(shè)備是否齊整，對人的因素一般通過設(shè)計人員的個人經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計，缺少合理的設(shè)計體系。隨著艦橋內(nèi)設(shè)備和信息不斷增加，對航行操縱人員的信息有效獲取和判斷造成了很大影響，如何有效地考慮使用者的使用效率，一直是設(shè)計者研究的重點(diǎn)，目前一般通過艦船建造和使用過程中使用人員的不斷反饋來進(jìn)行修改，并未形成有效的設(shè)計體系。

在國外艦橋設(shè)計過程中，特別是最新艦船的設(shè)計過程中，特別注意裝備和人之間的協(xié)調(diào)，在結(jié)合規(guī)范設(shè)計的同時，會通過模型試驗(yàn)的方式，對設(shè)計進(jìn)行校驗(yàn)，以驗(yàn)證艦橋設(shè)計。

1 海事規(guī)范發(fā)展

第十五款（關(guān)于船橋設(shè)計、導(dǎo)航系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計和布置及駕駛室準(zhǔn)則的規(guī)范）對艦橋的設(shè)計進(jìn)行了原則定義。

2007年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)國際海上人命安全公約第五款細(xì)化得到了ISO 8468《艦橋布置和設(shè)備的要求和指南》，進(jìn)一步細(xì)化了艦橋的布置和設(shè)備要求。

各船級社根據(jù)國際海事標(biāo)準(zhǔn)，特別是MSC/Circ.982制定了自己相應(yīng)的“一人橋樓”標(biāo)準(zhǔn)，如DNV-NAUT-OC、NAUT-AW，CCS-OMBO等。這些要求通過對視線、玻璃窗、駕駛室工作環(huán)境、通道、駕駛室高度、駕控臺及設(shè)備配備等做出要求，使船舶滿足在特定海域僅靠一名船員進(jìn)行操縱的要求。

目前海事規(guī)范針對艦橋的設(shè)計和設(shè)備配置出臺了一系列規(guī)范，主要包括：

1996年，國際海事組織通過MSC.64（67）號決議《綜合船橋系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)建議案》，給出了綜合船橋系統(tǒng)（IBS，integrated bridge system）的基本定義：綜合船橋系統(tǒng)是為在工作站上集中使用傳感器信息或指揮/控制而定義的一種互聯(lián)綜合系統(tǒng)，以便由適任的駕駛員提高船舶安全與有效的管理。綜合船橋系統(tǒng)的集成體現(xiàn)在具有完善的導(dǎo)航、駕控、避碰、信息集中顯示、報警監(jiān)控、通信、航行管理和控制自動化等多種功能，便于駕駛員觀測和操縱，同時將各設(shè)備的信息進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使綜合船橋系統(tǒng)比各設(shè)備單獨(dú)使用時在保障船舶安全航行方面發(fā)揮更大的作用。

1999年，國際電工學(xué)會頒布了IEC 61209《綜合船橋系統(tǒng)性能要求及測試標(biāo)準(zhǔn)》，對MSC.64（67）號決議的內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)化，從功能集成、數(shù)據(jù)交換、故障診斷、人機(jī)工程、傳感器設(shè)置、報警管理等多方面定義了駕駛室的設(shè)備組成和設(shè)計原則。

2000年，國際海事組織通過MSC/Circ.982《船橋設(shè)備及設(shè)計的人體工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，為2002年頒布的國際海上人命安全公約（SOLAS）修正案第五章提供支撐，對船橋的視野、工作環(huán)境、駕控臺布置、報警、信息顯示、人機(jī)交互均進(jìn)行了定義。

2002年后的國際海上人命安全公約（SOLAS）

2 艦橋整體設(shè)計

艦橋整體設(shè)計是對駕駛室、橋翼區(qū)域的設(shè)計及對安裝設(shè)備的要求設(shè)計，包括對駕駛室和橋翼區(qū)域的視野視線、窗戶、通道、照明、環(huán)境條件等設(shè)計，也包括對設(shè)備的功能要求、信息架構(gòu)等設(shè)計。

圖1 艦橋整體設(shè)計流程

艦橋整體設(shè)計流程如圖1所示，其中包括功能區(qū)劃分和航行模式設(shè)計、人機(jī)環(huán)境設(shè)計、信息架構(gòu)設(shè)計，在完成初步設(shè)計后還應(yīng)通過虛擬仿真或半實(shí)物模式等方式對艦橋設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證，形成最終設(shè)計方案。

2.1 航行功能區(qū)和任務(wù)模式設(shè)計

在MSC/Circ.982中將船橋功能區(qū)設(shè)置為導(dǎo)航操縱工作臺、航行監(jiān)視工作臺、手動操舵工作臺、靠泊工作臺、計劃和文檔工作臺、安全工作臺和通信工作臺，后來的各項(xiàng)規(guī)范中也多參考此規(guī)范進(jìn)行工作區(qū)設(shè)置。其定義的各功能區(qū)功能要求如表1所示。

表1 船橋功能區(qū)功能要求

MSC/Circ.982中船橋功能區(qū)布置如圖2所示。

艦橋與民用船橋存在一些差異，如航行計劃一般在海圖室完成，在艦橋一般不設(shè)置計劃工作臺；安全工作主要在損管中心執(zhí)行，艦橋?qū)τ诎踩谋O(jiān)控職責(zé)較低；為保證一定烈度航行和任務(wù)條件下的人員冗余配置，如會對雷達(dá)、操機(jī)等戰(zhàn)位進(jìn)行必要的冗余配置。從MSC/Circ.982中的功能區(qū)定義，結(jié)合艦船使用要求，確定艦橋的功能區(qū)劃分，如表2所示。

圖2 船橋功能區(qū)布置

表2 艦橋功能區(qū)劃分

某測量船為執(zhí)行輔助任務(wù)的艦船，航行和任務(wù)烈度較低，值更航行時間長，其功能區(qū)布置與船橋類似，如圖3所示。某艦為執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的艦船，需要應(yīng)對高烈度情況下的人員移動、損毀備份等需求，其功能區(qū)布置相對獨(dú)立，便于補(bǔ)充人員和冗余備份，其布置如圖4所示。

圖3 某測量船艦橋功能區(qū)布置

圖4 某艦艦橋功能區(qū)布置

針對不同的航行條件，對航行人員進(jìn)行動態(tài)配置。在開闊海域時航行條件較好，減少航行人員，減輕值更壓力；在海況和任務(wù)較為復(fù)雜的情況下，補(bǔ)充航行人員，應(yīng)對特殊的航行和任務(wù)需求。

典型的航行模式包括值更模式、補(bǔ)充人員模式和滿員模式3種工作模式：

（1）值更模式對應(yīng)海況較好的大洋航行下，艦橋配置值更官、操舵人員和雷達(dá)信號人員；

（2）滿員模式應(yīng)對進(jìn)出港等復(fù)雜的航行條件，艦橋配置滿員；

（3）補(bǔ)充人員模式是介于值更和滿員之間的航行模式，根據(jù)航行條件和任務(wù)需求，補(bǔ)充人員以滿足航行需求。

2.2 人機(jī)環(huán)境設(shè)計

對于人機(jī)環(huán)境設(shè)計，在船橋相關(guān)的規(guī)范中已經(jīng)有部分要求。通過規(guī)范的整理，并結(jié)合艦船的實(shí)際條件，可以形成人機(jī)環(huán)境的設(shè)計要求，以此指導(dǎo)設(shè)計。

設(shè)計過程一般是先確定艦橋人員的視野視線需求，進(jìn)行駕駛室外形的初步設(shè)計，包括駕駛室位置、橋樓翼臺和窗戶的初步設(shè)計。在完成駕駛室初步外形設(shè)計的基礎(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，然后對盲區(qū)和視野高度進(jìn)行校核設(shè)計。如果視野視線不符合設(shè)計要求，就要對駕駛室外形設(shè)計進(jìn)行修正，并對修正結(jié)果進(jìn)行重新校核設(shè)計，確定駕駛室設(shè)備的布置方案。隨后對駕駛室設(shè)備包括駕控臺和座椅等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，最終形成艦橋的人機(jī)設(shè)計方案［2-3］。

2.3 信息架構(gòu)設(shè)計

艦橋的信息包括系統(tǒng)間信息交互、系統(tǒng)內(nèi)信息交互及人-設(shè)備的信息交互。艦橋需要接收電子海圖、綜合導(dǎo)航、主機(jī)、電站、損管等信息，在接收信息后，對信息進(jìn)行遴選、分類后顯示給航行指揮人員，供其進(jìn)行航行指揮。

2.3.1 信息要求

艦橋所在艦船自身使命任務(wù)和工作環(huán)境的特點(diǎn)，一般要求其具備較強(qiáng)的健壯性，在系統(tǒng)發(fā)生一定損毀的情況下，仍然具備保留部分功能繼續(xù)工作的能力，在設(shè)計中需要滿足以下功能：

（1）相互切換、相互備份

任一設(shè)備故障時可將其軟件切換至其他設(shè)備中，切換完成后保證設(shè)備功能可用、完備且數(shù)據(jù)延續(xù)。

（2）權(quán)限管理

依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)不同站位以及站位職責(zé)劃分設(shè)備功能使用和切換角色，分層次設(shè)置權(quán)限，在提高系統(tǒng)靈活性的同時保證系統(tǒng)使用的安全性。

（3）信息冗余

對關(guān)乎艦船安全的信息提供額外的冗余備份。

2.3.2 系統(tǒng)構(gòu)架

目前船上一般配置全船以太網(wǎng)連接各系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息的交互，為艦橋從全艦導(dǎo)航、推進(jìn)、損管等系統(tǒng)獲取信息提供來源。艦橋以全船以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，將電子海圖、綜合導(dǎo)航、主機(jī)、電站、損管等平臺信息均接入艦橋虛擬子網(wǎng)，信息以組播形式在子網(wǎng)內(nèi)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)信息交互、數(shù)據(jù)共享和控制指令收發(fā)。

對于沒有配置全船以太網(wǎng)的艦船，構(gòu)建艦橋以太網(wǎng)，并通過信號處理設(shè)備將全船主要的導(dǎo)航、推進(jìn)、損管等信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，在艦橋網(wǎng)內(nèi)組播。

主要的顯控設(shè)備基于標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺，將各設(shè)備功能軟件化，并將各軟件共性的數(shù)據(jù)處理和權(quán)限管理功能抽離，形成統(tǒng)一、透明的標(biāo)準(zhǔn)化軟件層，軟件管理層負(fù)責(zé)權(quán)限管理和軟件部署，數(shù)據(jù)中間層負(fù)責(zé)配置文件交互，數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲及全橋數(shù)據(jù)同步。數(shù)據(jù)中間層將硬件平臺和配置數(shù)據(jù)存儲與應(yīng)用軟件層在接口層面徹底隔離，數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)全橋數(shù)據(jù)同步以達(dá)到數(shù)據(jù)層面的透明，這樣由各設(shè)備廠家提供的應(yīng)用軟件層就只需要按照要求編制接口，由底層負(fù)責(zé)信息交互，軟件層實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，從而實(shí)現(xiàn)主要顯控設(shè)備的互備互切。

2.3.3 信息需求

按照國際海事規(guī)范的要求，梳理艦橋各功能區(qū)的信息需求。艦船中一般設(shè)有集控室對推進(jìn)進(jìn)行集中控制，因此駕駛室對于推進(jìn)控制的顯示功能可以適當(dāng)削弱。對于多個功能區(qū)均需要的信息，該類信息一般也是艦橋航行指揮的基本信息，駕駛室人員可能均對該類信息有使用需求，將該類信息設(shè)置在駕駛室頂部，便于所有人員的觀察。不同功能區(qū)信息需求如表3所示。

表3 艦橋功能區(qū)信息需求

3 艦橋設(shè)計驗(yàn)證

完成艦橋初步設(shè)計后，需要進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)證，在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計、驗(yàn)證、評價到反饋、優(yōu)化的全過程設(shè)計，避免交船之后對艦船進(jìn)行反復(fù)修改的工作。

在設(shè)計過程中，通過三維虛擬設(shè)計，對設(shè)計的模型進(jìn)行虛擬評估，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，及時進(jìn)行滾動修改設(shè)計。進(jìn)一步可以采用半實(shí)物模型結(jié)合人在回路試驗(yàn)的方式，動態(tài)驗(yàn)證艦橋設(shè)計，并在后續(xù)設(shè)計中進(jìn)行修改。

3.1 三維虛擬評估

在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，可以利用三維建模技術(shù)，對艦橋進(jìn)行三維模型建立，結(jié)合CAD/CAE/CAM等計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，對艦橋的布置、視野等進(jìn)行校核，也可以對駕控臺觸及域、人員移動交互等進(jìn)行動態(tài)仿真（參見圖5、圖6），對設(shè)計進(jìn)行評價，對不合格的項(xiàng)目進(jìn)行滾動設(shè)計和評估［4］。

圖5 駕駛室三維仿真模型

圖6 駕控臺DELMIA觸及域仿真

在三維虛擬評估中，需要篩選規(guī)范中對于單項(xiàng)尺寸和相關(guān)尺寸的定義，建立各分項(xiàng)評估表，依照評估表對艦橋中的各項(xiàng)人機(jī)交互參數(shù)進(jìn)行計算評估。但評估表的項(xiàng)目均是靜態(tài)的、預(yù)設(shè)的，因此三維虛擬評估主要針對的是艦橋的靜態(tài)設(shè)計進(jìn)行評估，如通道尺寸、視野盲區(qū)、窗框間距等，無法對使用者的動態(tài)使用過程進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 半實(shí)物模型驗(yàn)證

對于艦橋這樣高度人機(jī)交互的系統(tǒng)，目前國際規(guī)范尚不全面，而且僅僅靜態(tài)評估，不考慮使用者的動態(tài)使用體驗(yàn)，往往不能全面驗(yàn)證設(shè)計。這也是實(shí)船建造中人機(jī)環(huán)境矛盾較為突出的原因［5］。因此本文還建立了具有視景系統(tǒng)的半實(shí)物模型的人在回路試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

3.2.1 國外應(yīng)用

國外很多艦船設(shè)計過程中采用半實(shí)物模型仿真來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計的合理性，半實(shí)物模型驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括駕駛室主要設(shè)備、視景系統(tǒng)、艦船環(huán)境仿真系統(tǒng)、舵機(jī)和模擬器組成，可對駕駛室設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)和功能性能的測試驗(yàn)證。

在美軍“獨(dú)立”號和“自由”號瀕海戰(zhàn)斗艦設(shè)計過程中，均建造了半實(shí)物模型（參見圖7），并邀請海軍艦員進(jìn)行了長期的試驗(yàn)，以驗(yàn)證艦橋設(shè)計。

圖7 “獨(dú)立”號半實(shí)物模型

3.2.2 驗(yàn)證方案

在艦橋完成初步方案后，根據(jù)初步方案建造由駕駛室實(shí)尺模型、航行模擬設(shè)備和航行視景仿真平臺組成的駕駛室半實(shí)物仿真系統(tǒng)。駕駛室實(shí)尺模型采用與實(shí)船相同或相似的設(shè)備搭建，并與航行模式設(shè)備信息交互，可以實(shí)時仿真操縱指令。

驗(yàn)證試驗(yàn)通過邀請使用方人員在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，在多種氣象、海域條件下進(jìn)行仿真操作。在試驗(yàn)過程中，通過模擬大霧、大雨、高海況等不同海域條件，在港內(nèi)、暗礁區(qū)、漁業(yè)區(qū)等不同航行條件下，對不同航行模式下的使用人員操縱進(jìn)行觀察記錄，并通過眼動儀記錄人員觀察數(shù)據(jù)。實(shí)操后通過訪談、問卷調(diào)查等方式，對艦橋設(shè)計進(jìn)行評估，驗(yàn)證艦橋設(shè)計。

通過半實(shí)物模型結(jié)合人在回路試驗(yàn)，使用人員在動態(tài)環(huán)境中操縱，并在可控的環(huán)境下，模擬實(shí)際不容易出現(xiàn)的高海況、緊急避碰等情況，通過對使用人員的系統(tǒng)觀察，可以對日常使用中設(shè)備布置、人員空間進(jìn)行驗(yàn)證，也可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)急情況下人員設(shè)備操縱和信息獲取的有效性，對艦橋設(shè)計進(jìn)行修正。

4 工程設(shè)計應(yīng)用

在某艦建造過程中，作為國內(nèi)該艦種首型艦，其航行要求較為復(fù)雜。在艦橋設(shè)計過程中進(jìn)行了艦橋整體設(shè)計，通過對艦船任務(wù)的梳理，完成了航行模式和功能區(qū)劃分、人機(jī)環(huán)境設(shè)計和信息架構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計過程中通過三維虛擬評估，對艦橋設(shè)計進(jìn)行仿真修改，后期結(jié)合半實(shí)物模型進(jìn)行人在回路驗(yàn)證（見圖8）；通過問卷調(diào)查、訪談、視頻記錄、眼動儀采集等對使用者體驗(yàn)進(jìn)行采集；通過使用者的實(shí)操，在操作過程中發(fā)現(xiàn)很多靜態(tài)設(shè)計中未曾發(fā)現(xiàn)的問題，如雷達(dá)位置的動態(tài)視野偏小、電話的位置靠前不易使用、側(cè)推控制器位置不合理等問題，在后續(xù)設(shè)計中進(jìn)行改進(jìn)，大幅提升了該艦的艦橋設(shè)計水平。

圖8 某艦半實(shí)物人在回路試驗(yàn)

5 結(jié) 語

在艦橋設(shè)計過程中，綜合考慮艦船的任務(wù)特點(diǎn)和人-機(jī)交互的需求，通過對國內(nèi)外規(guī)范的整理，對艦橋的任務(wù)模式、人-機(jī)-環(huán)境和信息體系構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計，可以快速有效地完成整體設(shè)計初步方案。在初步方案基礎(chǔ)上，結(jié)合三維虛擬評估進(jìn)行滾動迭代設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計中的問題，可以提升艦橋設(shè)計進(jìn)度。進(jìn)一步結(jié)合半實(shí)物仿真驗(yàn)證，將使用者作為設(shè)計的一環(huán)，在動態(tài)使用中考慮人的因素，可以更有效地完成艦橋的設(shè)計。