基于JACK系統(tǒng)的艦船駕控臺人機工效設計及仿真評估研究

張凱 王秋陽

摘要：為了提高艦船人機工效設計的質(zhì)量。基于人機工程學原理及人體測量學的相關(guān)參數(shù)，利用JACK系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫，在艦船駕控臺的人機工效設計中開展視野和行為的可達性相關(guān)設計工作，并開展了視野仿真評估和可達性仿真評估。得到JACK系統(tǒng)對仿真結(jié)果。表明該駕控臺的設計能夠滿足駕駛?cè)藛T的使用要求設計方法合理、可行。

關(guān)鍵詞：駕控臺 人機工效 仿真 布局 JACK

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 04-0014-04

前言

隨著現(xiàn)代艦船航行和作戰(zhàn)的需要，艦船需要滿足能在海上長時間逗留和具備極強的戰(zhàn)斗力，操縱功能更加復雜，對駕駛員的要求不斷提升，減少駕駛員的出錯概率變得尤為重要。然而，海洋事故卻不斷發(fā)生。事實上，60%～80%的海上事故是由人為錯誤引起的，表明人為操作的失誤對艦船航行安全影響巨大[1]。駕控臺作為艦船航行操縱及指揮的重要平臺，是一個人、機、環(huán)境三種因素互相關(guān)聯(lián)的復雜系統(tǒng)。其設計不僅要求能為駕駛員提供清晰全面的信息，準確判斷并快速執(zhí)行決策的操縱方式，而且還必須考慮人自身的各項因素以及環(huán)境的影響[2]。因此，在項目前期就應該對駕控臺控制面板布局、可達性、控制器件的操控性、視野范圍、防誤操作設計、人員工作負荷度等方面進行綜合評估，及時發(fā)現(xiàn)駕控臺人機工效設計中的問題，從而提高艦船的航行安全性和整體效能。

一、人機工效設計要求

艦船駕控臺是駕駛員感受信息、操縱艦船的人機界面，是駕駛員作戰(zhàn)航行的工作場所。因此，駕控臺人機工效設計包含以下要求：

（1）視野要求：駕駛室的駕控臺外形、設備布局必須給駕駛員以足夠?qū)掗?、清晰和不失真的視界，使其能在航行過程中安全地完成任何動作。對顯示裝置、控制面板進行合理布置，以確保任一駕駛員在其工作崗位內(nèi)盡可能少偏移正常姿勢和視線，即可看清供其使用顯示裝置。

（2）可達性要求：應根據(jù)駕駛員的分工和所處的位置來設置控制面板的方位，供駕駛員使用的所有操控器件，必須布置在可達的使用范圍內(nèi)，最重要和最頻繁使用的控制器件，其安裝位置應是最易于可達和抓握的地方，并且控制器件的選擇上要考慮編碼識別、形態(tài)尺度、控制阻力、相合性、布局需要等要求。

二、駕控臺人機工效設計

駕控臺是一個典型的復雜人一機一環(huán)境系統(tǒng)，“人”是指艦橋作業(yè)人員，進行設備操縱或決策，“機”指艦橋的操縱、導航、通訊及武器裝備等，“環(huán)境”指人和機器共處的艙室條件，例如噪聲、照明及溫度等，能夠影響人員的作業(yè)和生活[3]?；谌藱C工程學的駕控臺結(jié)構(gòu)設計，主要就是使駕控臺的結(jié)構(gòu)形式能夠讓操作員坐著舒服、看得清楚、操作方便，也就是為操作員提供舒適的操作空間，使操作員獲得最佳的視覺效果，讓操作員可以方便地操作顯控臺上安裝的設備[4]。

（一）人體模型確定

以身高為取樣參數(shù)，在這種情況下，小身材駕駛員（第5百分位）、大身材駕駛員（第95百分位）這兩個子樣便成為判定90%駕駛員群體使用需求滿足度的合理邊界。此次駕控臺人機工效分析是在第95百分位中國海軍男性艦（艇）員的人體模型基礎(chǔ)上進行的[5]，駕控臺應當能夠容納P95以下男性士兵的尺寸。以GJB/Z 131-2002《軍事裝備和設施的人機工程設計手冊》中附錄C-海軍艦（艇）員人體測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在JACK數(shù)據(jù)庫中建立了P95的CHINESE人體模型，如圖1所示。

（二）人機關(guān)系模型設計

駕控臺的人機關(guān)系模型包括航行駕駛員和駕控臺、操控裝置、顯示裝置等硬件實物裝置。

駕控臺上的人物模型從左至右分別是：駕駛員A、駕駛員B、駕駛員C、駕駛員D，如圖2所示。站姿人物模型腹部距離操作臺面邊緣lOcm左右，坐姿人物模型位于座位中心。其中B、C兩站位的駕駛員是主要的航行操縱人員，為此次人機工效評估的重點，A、D兩站位的駕駛員為輔助操作人員，其可達性和視野受影響較小，不作為此次評估的對象。

操縱裝置包括舵輪、主機推桿、按鈕、旋鈕、按鍵及把手等，顯示裝置包括儀表、數(shù)字顯示裝置、信號燈和指示燈等[6]。

駕駛員設計眼位處于垂直距離座椅中位點795mm-800mm范圍內(nèi)，保證在正中矢狀面前方170-240mm、左右+35mm構(gòu)成的空間分布范圍內(nèi)可正常觀察。座椅的設計可以在垂直向上、向下調(diào)節(jié)幅度達到50mm，以滿足駕駛員可將眼睛位置調(diào)整到設計眼位水平。

（三）顯示器及控制面板設計

1.顯示資源設計

主顯示器的顯示資源進行了應急備份設計，能夠保證主航行顯示和應急備份顯示器之間從信號探測、傳輸?shù)叫畔@示全系統(tǒng)間的完全獨立。 顯示信息的設計具有足夠的視覺對比度方便駕駛?cè)藛T觀察和理解，保證駕駛?cè)藛T在不出現(xiàn)眼部疲勞的情況下識別和辨認出信息。所有顯示器的顯示信息在字體、位置、大小、形狀、標記、動態(tài)變化、告警等方面都采用一體化設計，提高了顯示資源設計的規(guī)范性。閃爍作為一種重要的信息通知方式，但如果濫用就會減弱吸引注意的效力，因此，閃爍頻率的設計選擇為0.8Hz-4.OHz。

信息元素（文本、符號、等）在字號的選擇上都較大，使駕駛?cè)藛T能在所有條件下都能輕易觀察和理解。原則上，信息顯示采用漢字為主，在此前提下，使用少量非漢字字母、數(shù)字或圖形符號。顯示器上漢字采用宋體，以抗畸變形式呈現(xiàn)，漢字大小在設計眼位觀察一般為不小于0.4°視角。漢字筆畫寬度為字高的十六分之一至八分之一，航行數(shù)據(jù)中的數(shù)字和字母所占據(jù)的垂直視角應不小于0.35°。

顯示器上標記可以是漢字或圖標，其布置按照如下原則進行設計：標記和被標記對象之間空間關(guān)系明確;標記的朝向可促進可讀性;標記用于指明正起作用的功能，且當該功能不再起作用時功能標記也隨之去除。

顯示資源中顏色的選用基本滿足一致性和標準化，確保信息的正確傳遞，同時，每種編碼色均有足夠的色度分離，可以滿足在所有照明和飛行狀態(tài)下以及和其他顏色一起使用時，該顏色可以辨認、易于區(qū)分。每一種顯示數(shù)據(jù)類別分別采用一種顏色，以避免顏色與顏色含義間的錯誤匹配。字符顏色與背景顏色之間的差別為lOODE的色度分離。同一系列內(nèi)的兩種顏色之間差別為20DE的色度分離。字符顏色與背景顏色之間的對比度為7：1。在黑色背景的顯示畫面中，同一幅畫面中的顏色搭配方案如表1所示：

顯示信息的分區(qū)設計時，針對一個物理顯示器上有多個分區(qū)的情況，分區(qū)大小也會不相同，分區(qū)之內(nèi)、之間信息元素的距離設置足以滿足駕駛?cè)藛T輕易區(qū)分獨立的功能或功能組合，并避免分心或意外交聯(lián)。

2.控制面板設計

控制面板組件是提供給駕駛?cè)藛T直接操作的人機交互界面，實現(xiàn)駕駛?cè)藛T對船上各相關(guān)系統(tǒng)的控制與操作。控制面板上的典型控制器件包括：旋轉(zhuǎn)開關(guān)、按壓開關(guān)、扳動開關(guān)、鍵盤、軌跡球和操縱手柄等。通過對操作任務流程進行分析，開展集成化設計，使控制器件的類型限制到最少，同時，在同類控制器件的選型上盡量做到動作感覺和阻尼感一致。同時，在控制面板的布局方面，由于燃氣輪機控制面板和航行控制面板是駕駛員需要頻繁操控的兩塊控制面板，所以優(yōu)先將這兩塊控制面板優(yōu)先放在B、C站位駕駛員的最舒適的可達區(qū)域里，即靠近中臺前部的區(qū)域。

按鍵的設計在考慮人機功效的相關(guān)規(guī)定后，邊長定為18mm，相鄰按鍵頂部間距的距離為6mm，保證在操作一個按鍵時，不會引起其他按鍵的工作，按鍵的行程為4.8mm，操作按鍵用的壓力為5N。按鍵的阻尼設計根據(jù)駕駛員的使用習慣，阻尼值偏大，按壓的觸感明顯。在重要按鍵上采用指示燈作為反饋信息，使駕駛員能方便明確當前的功能狀態(tài)。

（四）駕控臺視野設計

駕控臺視野設計主要是根據(jù)人體生理特點確定的最佳視區(qū)、最大視角區(qū)域，在上述區(qū)域內(nèi)對駕控臺設備進行合理的布局[7]。

根據(jù)GJB 2873-1997《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》的要求，頭部自然轉(zhuǎn)動向上、向下、向左、向右15度范圍為最佳視區(qū)，頭部能轉(zhuǎn)動的最大角度范圍為最大視角區(qū)域。顯示裝置是人機系統(tǒng)中人機界面的主要組成部分之一，人依據(jù)顯示裝置所傳遞的機器運行狀態(tài)、參數(shù)、要求，才能進行有效的操縱和使用[8]。為保證駕駛員能夠在航行期間大部分時間處于最佳視區(qū)，降低疲勞感，主顯示器應位于駕駛員眼球轉(zhuǎn)動時的最佳視區(qū)，若因設備布局的限制，不得不超出最佳視區(qū)時，務必不應超出頭部轉(zhuǎn)動時的最大視角區(qū)域，如圖3、4所示。

由于B、C站位的座椅正常高度和規(guī)格都一致，并且駕駛員的人體模型也是相同的，所以駕駛員B和C在垂直視野上范圍一致，如圖5所示。

從圖中分析可以得知，在水平可達范圍和垂直可達范圍內(nèi)，駕控臺上的主顯示器和大部分控制面板均在駕駛員的最大視野范圍內(nèi)，并且在稍微轉(zhuǎn)動身體的情況下就能夠覆蓋到所有的設備。

（五）駕控臺可達性設計

駕控臺可達性設計主要是確定駕駛員的方便可及域，并將控制面板在方便可及域內(nèi)進行合理布局。方便可及域是在標準立/坐姿下，以中指指尖為測量標準的上肢最大可及域。方便可及域由2個尺度決定：上肢最大長度和寬度。由GB/T14779-1993可以得知，人在坐姿的情況下，身體前傾的舒適角度為25°，將人體模型以髖關(guān)節(jié)為圓點前傾25°，以肩關(guān)節(jié)為圓心分別畫出手腕的活動范圍以及駕控臺極限位置所需的臂長，如圖6、7所示。

由于B、C站位的座椅正常高度和規(guī)格都一致，并且駕駛員的人體模型也是相同的，所以駕駛員B和C在垂直可達的范圍一致，如圖8所示。

從圖中分析可以得知，在水平可達范圍和垂直可達范圍內(nèi)，距離最遠的需要可達設備為B站位駕駛員的對應的電話機，在前傾的舒適角度范圍內(nèi)也可以觸及到，因此，駕控臺上的絕大多數(shù)操控設備基本都能覆蓋到。

三、駕控臺人機工效仿真評估

（一）視野仿真評估

視野評價主要考察由于人體生理特點、駕駛艙船體結(jié)構(gòu)遮擋或儀器儀表顯示屏等布置造成的觀測視區(qū)大小范圍、觀測清晰度以及舒適性。由于B、C站位正前方的主顯示器集中了大部分的航行管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合航行信息監(jiān)視功能、航行目標管理功能、航線管理功能、錨位監(jiān)視功能、全船各種報警管理功能，所以該主顯示器將是視野仿真評估的重點。

通過仿真分析可得，B、C戰(zhàn)位對應的主顯示器均在駕駛員的最佳視區(qū)內(nèi)，其他顯示類設備也在駕駛員的最大視野范圍內(nèi)，顯示器表面上所有區(qū)域都能夠清晰可讀，如圖9、10所示。

（二）可達性仿真評估

可達性評價主要考察由人體臂長所決定的方便可及域范圍內(nèi)是否能觸及所有需操控的器件。通過對航行任務操作流程分析可知，B站位的舵輪和中臺上的左右兩車鐘作為航行操控中使用最頻繁，對船航行最重要的兩種裝置，將是可達性仿真評估的重點。

駕駛員B在腰部向前彎曲30°，向右旋轉(zhuǎn)30°的情況下，對其負責的控制面板均有良好的可達性，可單手操控屏幕周圍的按鍵，并可在單手操控車鐘的同時單手操控舵輪，能滿足航行過程中各種復雜的任務需要，如圖11所示。

駕駛員C在腰部向前彎曲30°，向左旋轉(zhuǎn)30°的情況下，對其負責的控制面板均有良好的可達性，可單手操控屏幕周圍的按鍵，并可在單手操控車鐘的同時單手通過鍵盤輸入簡單字符，完成相關(guān)的指令下發(fā)工作，如圖12所示。

結(jié)語

駕控臺人機功效設計的工作目標是根據(jù)某船的頂層要求，將人機功效設計理念貫穿于某船的設計、研制、生產(chǎn)、裝配等階段，從而使該船駕控臺在使用過程中更加安全、高效、舒適、充分發(fā)揮該船靈活機動的工作優(yōu)勢，大幅提升駕駛員的可持續(xù)工作能力。

本文以某型艦船駕控臺的人機工效設計為例，應用人機工程學的原理對某船駕控臺設計出合理的設備布局[9]，通過采用JACK仿真驗證確認了現(xiàn)有駕控臺設計能夠滿足視野范圍和可達性兩個關(guān)鍵需求，優(yōu)化了駕駛員、駕控臺、駕駛室三者間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高了駕駛員的操作舒適性和方便性，讓駕駛員在執(zhí)行任務時能夠保持舒適的操作姿勢，良好的視野和合理的控制面板布置，從而保證駕駛員更高效，安全地完成任務[10]。

參考文獻

[1]馬雨薇.基于人困工程學的訓練艦艦橋布局優(yōu)化設計與分析[J].工業(yè)設計， 2018，（2）：118-121

[2]陳登凱，王雨倩，葉聰，等載人措器駕駛艙人機工效評估方法研究[J].艦船科學技術(shù)，2016，38 （4）：105-109，135

[3]余昆.基于工效學的艦橋人機界面評價研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010

[4]李文志，于揚基于人機工程學的機載顯控臺結(jié)構(gòu)設計[J].電子機械工程，2010，26 （4）：28-30

[5]秦沛陽.基于CATIA的艦載顯控臺人機工程研究[J].機械設計，2017，34 （10）：105-109

[6]錢江，余昆，顏聲遠，等大型船舶駕駛室數(shù)字化人機工程設計評價方法[J].中國艦船研究，2014， 9 （4）：18-24

[7]何紅妮，王釗，孫海軍.電子操作員顯控臺人機工效設計方法[J].航空科學技術(shù)，2016，27 （1）：53-56

[8]宋小青，沈璽基于人機工程學的控制面板設計研究[J].裝備制造技術(shù)，2006，（4）：67-69

[9]賈凱翔，王崴，瞿玨，等基于TRIZ理論的某型裝備顯控臺優(yōu)化設計[J].火力與指揮控制，2018，43 （2）：136-139

[10]張路陽，朱繼進，李夢，等某型越野車車載武器站人機布置方法研究[J].北京理工大學學報，2018，38（Sl）：49-54