船舶航行中的人機(jī)界面研究

李成海，胡甚平，辛小辰，曹興飛

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊261206；2.上海海事大學(xué)，上海200135）

長期以來中、外和軍、地諸多科技人員都在進(jìn)行人-機(jī)界面研究，使操作更安全和高效；例如郭丹洋[1]、景國勛[2]、李德鵬[3]和美國海軍作戰(zhàn)部.人機(jī)界面就是船舶操縱人員與船舶相關(guān)組件之間進(jìn)行通信和實(shí)物相互作用的領(lǐng)域.人機(jī)界面設(shè)計(jì)完善措施得當(dāng)，既可以使各項(xiàng)功能簡潔化又能操縱人員在人機(jī)界面快速高效完成操作，完善船舶航行安全綜合體系.人機(jī)界面組成如圖1 所示.

圖1 人機(jī)界面組成Fig.1 Composition of man-machine interface

1 控制裝置

控制裝置通過各種電子、電氣和機(jī)械單元平臺直接與設(shè)備連接或關(guān)聯(lián).例如，電腦通過鼠標(biāo)操控.

1.1 控制裝置設(shè)計(jì)中的因素

應(yīng)考慮的因素包括，但并不限于：

1）人員選定樣本群體能夠方便地到達(dá)和方便的控制以手腳操控的裝置，尤其是最頻繁的控制意外事故所需的控制裝置.

2）差錯(cuò)的結(jié)果從小事件到大事故，例如，螺旋槳設(shè)計(jì)在船首的船舶在交通密度大的水域，可能發(fā)生碰撞事故[4].

3）直接連接的機(jī)械控制裝置需要考慮強(qiáng)度問題，雖然大多數(shù)控制裝置于強(qiáng)度無關(guān).

4）復(fù)雜的設(shè)備采用顯示器和自動化，以方便操縱者控制，所以復(fù)雜的設(shè)備應(yīng)增加人因的考慮.

5）無論氣動，電動或者液壓動力供應(yīng)都會發(fā)生意外，關(guān)鍵控制裝置應(yīng)采用備用電源或手動控制備份.

6）減少人員配置可以減少人員成本，但增加了設(shè)備和自動化的復(fù)雜程度和成本，人員的減少，溝通與協(xié)調(diào)更顯重要.

1.2 控制裝置改善措施

1）為增加船舶操縱人員的工作效率和減少人員疲勞，優(yōu)先考慮控制裝置和監(jiān)控器.位于操縱人員朝前或向后的方向，船舶搖擺時(shí)，操縱人員面向船首或船尾，人員的身體和頭部更趨向平穩(wěn)，觀察操控裝置和監(jiān)控器的視距更加穩(wěn)定.

2）考慮到大風(fēng)浪天氣船舶的搖動，提供操縱桿是帶扶手的裝置，減少操縱人員疲勞.

3）手動操作控制裝置于操縱人員肘部和肩膀之間的高度并容易到達(dá)的位置.

4）對于需要較大操作力量采用利用人體腿部力量較大特點(diǎn)的腳控操作控制裝置.

5）需要小幅調(diào)節(jié)的控制裝置，考慮提供前臂支撐可減輕操縱人員的疲勞.

6）滿足操縱人員的習(xí)慣作法，例如從左到右的閱讀，順時(shí)針的方向關(guān)閉閥門.

7）為減少船舶搖擺導(dǎo)致的失誤操作，在控制開關(guān)附近提供手柄和支撐把手.

8）為方便團(tuán)隊(duì)工作人員以無聲的方式高效進(jìn)行一部分交流、溝通，工作站應(yīng)設(shè)置為毗鄰位置.

9）控制裝置要適應(yīng)一套流程的步驟，利用功能分組使控制裝置布局符合邏輯.

10）當(dāng)工作環(huán)境處于嘈雜環(huán)境，影響了操縱人員的相互交流，應(yīng)設(shè)置內(nèi)部通話系統(tǒng).

11）當(dāng)操縱人員發(fā)出一項(xiàng)動作指令時(shí)，應(yīng)該以發(fā)光、發(fā)聲或其他指示提供反饋來驗(yàn)證控制功能并確認(rèn)信息.

12）考慮操縱人員教育、培訓(xùn)、操作、疲勞等方面的限度，對操縱人員最低預(yù)期技能水平進(jìn)行設(shè)計(jì).

13）通過下拉菜單、列表或邏輯樹，減少操縱人員輸入數(shù)據(jù)的要求.

14）減少通信量，確保操縱人員沒有疲勞通信.

15）方便操縱人員按照各自需要切換功能，提供監(jiān)視器作為公共交互界面.

16）控制裝置應(yīng)該具有恰當(dāng)?shù)男螤詈筒季?，以便于穿著特殊衣服的操縱人員工作.

17）考慮操縱人員疲勞造成安全事故，減少操縱人員眼睛疲勞和造成操縱人員疲勞的其他因素.

2 自動化和合理布局

大型船舶對于進(jìn)行手工操縱非常困難，有時(shí)甚至不能手動操作模式.自動化減少了船員的數(shù)量和勞動強(qiáng)度，但操縱值班人員過度依賴自動化，同樣造成風(fēng)險(xiǎn)或事故的發(fā)生.

2.1 船舶自動化設(shè)計(jì)中的因素

應(yīng)考慮的因素包括，但并不限于：

1）自動化可以減少船員的數(shù)量、提高效益，從而節(jié)約成本.

2）采用自動化可以概括顯示信息，實(shí)現(xiàn)控制裝置的組合或減少控制裝置的數(shù)量，從而減少認(rèn)知負(fù)荷[5].

3）自動化可以綜合評估復(fù)雜的情境，而人工對這種情境可能無法及時(shí)或反復(fù)解釋.

4）自動化可以增加整體安全性.

2.2 船舶自動化改善措施

1）確保自動化中人員為中心，將操縱人員置于心中.

2）考慮增加自動化能否增加操縱人員的心理負(fù)擔(dān).

3）自動化系統(tǒng)能提供清晰、明了、易于理解、協(xié)調(diào)一致的信息，特別是緊急情況下更需如此.

4）考慮常規(guī)和緊急操作模式（例如，常規(guī)操作需要2 個(gè)人，但緊急情況下，系統(tǒng)只需要1 個(gè)人進(jìn)行操縱）.

5）保持操縱者處于信息循環(huán)回路之中（例如，駕駛室兩翼操縱人員獲知自動化的指令，并且得到實(shí)際的舵位指示）.

6）考慮操縱人員的局限性（例如，使疲勞的個(gè)體能有效地操作系統(tǒng)）.

7）考慮自動化的局限性（例如，在復(fù)雜的海況下，自動化可能提供的信息不安全，在這種情況下應(yīng)該采用手動備用或其他替代系統(tǒng)）[6].

8）確保操縱人員能最終控制（例如，有足夠能力超越自動控制而直接對舵手動控制）.

2.3 船舶布局的影響

船舶布局是人因工程的核心，關(guān)注點(diǎn)是人員通常出現(xiàn)的場所，如駕駛臺、機(jī)艙、餐廳等，而諸如油艙和錨鏈艙這類區(qū)域人員關(guān)注度低；不良的布局產(chǎn)生諸多不便.

布局設(shè)計(jì)中的因素：

1）單體船上層建筑比雙體船的上層建筑在體積和面積方面受到更大的限制，應(yīng)考慮船舶的類型.

2）大型船舶在布局上有更多的選擇余地，應(yīng)考慮船舶的載重噸和尺度.

3）運(yùn)行海區(qū)海況、溫度、濕度、風(fēng)浪和載重決定了艙壁強(qiáng)度，附加隔熱和觀光區(qū)域的需要，應(yīng)考慮船舶航經(jīng)海域.

4）遠(yuǎn)洋貨輪采用安全措施使海盜登船困難，輪渡對進(jìn)出口加以限制，以便對乘客進(jìn)出進(jìn)行管控，應(yīng)考慮船員人身安全和管控.

5）船舶在沿岸或遠(yuǎn)海航行速度、預(yù)期交通量、預(yù)期能否在大風(fēng)浪中航行，應(yīng)考慮操作要求.

6）汽車輪渡要求有平緩的坡度以便汽車上下船，油船要求有雙層船體，考慮貨物的類型.

7）游輪上人員數(shù)量大且人員復(fù)雜，人員既有婦女、兒童，又有老弱病殘，應(yīng)考慮人員的類型和數(shù)量.

8）生活區(qū)和工作操縱臺應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪音和振動源區(qū)域，以改善人員舒適度和提高操縱者效率，考慮噪聲和振動的來源.

9）推進(jìn)器和貨物操作設(shè)備決定了布局的重點(diǎn)部分，如排氣裝置和結(jié)構(gòu)基底，考慮設(shè)備的類型和尺度以及海上維護(hù)和可達(dá)拆卸的要求.

2.4 船舶布局優(yōu)化措施

1）生活區(qū)和工作控制臺區(qū)域，應(yīng)遠(yuǎn)離高溫、寒冷、噪音、振動區(qū)域.

2）操縱人員和人員遠(yuǎn)離船首和船尾，避免站在過高的地方，使人員置于靠近船舶重心的位置.

3）船員床位和工作站點(diǎn)位于面向船舶首尾方向的位置，避免面向兩船舷.

4）留有足夠的空間使設(shè)備維護(hù)人員可操作，設(shè)備可到達(dá)并且能夠拆卸.

5）為操縱人員和人員提供水平行走和站立的甲板.

6）盡量減少突出物，提供盡量多的空間使船上人員活動減少限制.

7）樓梯要有扶手，滿足預(yù)期使用樓梯人員的類型和數(shù)量要求.

8）梯子在空間受限制的區(qū)域使用，例如機(jī)艙或貨艙.

9）階梯比樓梯要陡峭，僅有較小的前傾斜度，僅供身體健康狀況好的人員使用.

3 船員資質(zhì)和大風(fēng)浪

船員的數(shù)量影響船舶安全、人員睡眠問題和疲勞，近年來隨著自動化措施，船員數(shù)量減少也增加了選擇高資質(zhì)船員和交叉訓(xùn)練的要求，而且船員人數(shù)減少，即使在有一名船員喪失或部分喪失工作能力的情況下，也會降低整體應(yīng)對緊急情況的能力.

3.1 船員數(shù)量因素

應(yīng)考慮的因素包括，但并不限于：

1）應(yīng)對可預(yù)見的碰撞、擱淺等危險(xiǎn).

2）船舶結(jié)構(gòu)的檢查.

3）船舶導(dǎo)航、通信和工程操作等船舶操作.

4）船舶的監(jiān)控和系泊.

5）航行中貨物安全的監(jiān)控和檢查.

3.2 強(qiáng)化船員的措施

1）雷達(dá)等顯示器的自動化，符合邏輯的人—機(jī)界面.

2）保證每一位操縱人員可作為預(yù)備人員使用，在船員之間進(jìn)行交叉培訓(xùn).

3）在船上利用適當(dāng)?shù)淖詣踊M(jìn)行監(jiān)測和控制.采用具有創(chuàng)新的新材料，減少對海上維護(hù)的要求[7].

4）加強(qiáng)船員的職業(yè)培訓(xùn)，提供充分的工作效率和安全.

3.3 合適座位的因素

1）高海況下沖擊載荷表明必須對有關(guān)因素高度關(guān)注，如采取減少沖擊對操縱人員頭部和手臂提供輔助支持.

2）高海況下值班時(shí)間較長表明必須對操縱者腰椎支持等功能給予更多的關(guān)注.

3.4 改善座位的措施

1）設(shè)定特性的彈簧或阻尼機(jī)械來實(shí)現(xiàn)被動緩沖系統(tǒng)，包括基本的固定系統(tǒng)直到具有多調(diào)節(jié)裝置系統(tǒng)可根據(jù)不同人員的身體尺度和重量進(jìn)行調(diào)整，且滿足不同的沖擊條件.

2）通過電源來感應(yīng)加速度并調(diào)整彈簧張力和阻尼運(yùn)動速度和距離，實(shí)現(xiàn)減小座位上操縱人員承受壓力的主動緩沖系統(tǒng)，一個(gè)有效和實(shí)用的主動緩沖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在于能夠及時(shí)預(yù)測應(yīng)力來調(diào)節(jié)吸收沖擊載荷.

4 照明和儀表

合適的照明可以提高船員的舒適度和提高操縱人員的工作效率，操縱人員正確識讀控制器、儀表，安全走動都需要適當(dāng)?shù)恼彰?在一艘船舶上特定區(qū)域適合用不同強(qiáng)度和類型的照明，如駕駛室需要柔和的照明，客艙適用漫射光等.在緊急情況下，船員應(yīng)擁有足夠的照明給自己定位并找到救生艇，緊急救援人員應(yīng)該擁有足夠的照明靠近和處理緊急情況；若正常電源中斷，備用系統(tǒng)應(yīng)提供適當(dāng)?shù)恼彰?

4.1 適當(dāng)和充分照明的因素

應(yīng)考慮的因素包括，但并不限于：

1）船舶能完成航行運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)商業(yè)目的的需求.

2）船舶上人員舒適、效率提高和安全的需要.

3）白天有自然光照或生理節(jié)律照明系統(tǒng).

4）電力線路、動力和照明燈具的可用預(yù)算.

5）安裝照明燈具的可用空間.

4.2 改善船舶照明的措施

1）保持光源在視線之外.

2）盡量實(shí)現(xiàn)同一艙室空間照明均勻.

3）操縱人員周邊視覺與儀器應(yīng)等于或小于10 ∶1.

4）儀器的照明與其周圍環(huán)境之間的對比應(yīng)該等于或小于3 ∶1.

5）低光燈符采用粗體字符，并漆成黑底白字.

6）避免發(fā)生反光表面眩光、太陽眩光.

7）安裝與視線成90°的熒光燈管[8].

8）避免熒光燈燈光閃爍.

9）通過舷窗和天窗使太陽光照入.

10）為具有更好的可見性，將控制把手和按鍵漆成白色.

4.3 儀表應(yīng)用的因素

儀表使用提高感知能力，船舶操縱人員應(yīng)用儀表更好地了解船舶各組成部分的狀況和他們所處的環(huán)境，現(xiàn)代化船舶船員數(shù)量減少而相應(yīng)增加了更多的傳感器.

1）對同一區(qū)域，聲音報(bào)警可以更好地指示需共同關(guān)注的整體問題，如航行中形成了緊迫危險(xiǎn)局面，在有多人的區(qū)域內(nèi)，僅有一人須關(guān)注特定的指示（如溫度），此時(shí)視覺通信可能效果最好；從而考慮人員的數(shù)量和責(zé)任.

2）對于數(shù)量有限的信息，幾個(gè)指示器足夠了；但緊急情況下隨著信息量增加，監(jiān)視器和面板不能滿足要求，限制了給定時(shí)間內(nèi)信息顯示數(shù)量，從而考慮監(jiān)控的信息數(shù)量和類型.

3）在高海況下聲音報(bào)警可能比識讀儀表刻度盤更好，在嘈雜的環(huán)境中閃光報(bào)警可能比聲音報(bào)警效果更好；從而考慮噪聲、光和航行等環(huán)境條件.

4）有些船舶空間擁擠，提供給儀表安裝的空間極其有限，需考慮提供儀表安裝的空間.

4.4 提供儀表應(yīng)用的措施

1）最重要的信息和常用信息要素組合起來，置于最佳的視覺區(qū)域，同時(shí)突出顯示最重要的信息.

2）采取簡單的標(biāo)簽和語言，明確指示關(guān)系，實(shí)現(xiàn)簡捷而有序的布置.

3）完成任務(wù)過程中所提供的信息和顯示信息的顏色和形狀，滿足操縱人員預(yù)期的方式進(jìn)行設(shè)計(jì).

4）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)顯示器明確、一致和標(biāo)準(zhǔn)化.

5）妥善布置顯示器使同一系統(tǒng)過程信息顯示器組合與該過程的流程對應(yīng).

6）以代表性的用戶和條件進(jìn)行測試.

7）對關(guān)鍵系統(tǒng)考慮設(shè)置聽覺或語言報(bào)警.

8）考慮多傳感器的數(shù)據(jù)融合.

9）儀表安裝應(yīng)能減少眼睛緊張和其他導(dǎo)致疲勞的條件.

10）最好以垂直于操縱人員視線的方向放置儀表，操縱者的正常視線以及任何情況下視線與儀表顯示面的夾角不小于45°.

11）顯示的信息具有最大的使用價(jià)值，只提供給操縱者履行職責(zé)所需的信息數(shù)量和類型.

12）增加顯示器的尺度、分辨率、垂直間距和對比度.

13）允許操縱人員詢問通常不會顯示的（次要的）信息，以應(yīng)對非常規(guī)情況.

14）謹(jǐn)慎使用對稱，對稱會導(dǎo)致設(shè)計(jì)有錯(cuò).

15）對多個(gè)具有獨(dú)立光亮的顯示器，確保兩個(gè)顯示器之間的亮度變化不會超過33%[9].

16）只提供操縱人員決策和控制所需的準(zhǔn)確度水平.

5 人體測量學(xué)和供暖通風(fēng)

人體測量學(xué)的實(shí)用知識，對于儀表和控制設(shè)備的安置、維護(hù)保養(yǎng)的可到達(dá)性、舷窗的可視性，以及船舶安全和有效活動空間等方面非常重要，不良的人體測量學(xué)設(shè)計(jì)使人員無法輕易達(dá)到控制設(shè)備和不能實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵儀表的視覺接觸.

5.1 人體測量學(xué)的因素

應(yīng)考慮的因素包括，但并不限于：

1）身體尺度（身體伸展距離、身高和體重），一個(gè)座位尺度的設(shè)計(jì)可能與設(shè)計(jì)一個(gè)梯子無關(guān).

2）船舶操縱人員比其他登船人員具有更好的適應(yīng)性，應(yīng)考慮船舶操縱人員、登船人員和維護(hù)人員的群體特點(diǎn).

3）如果已經(jīng)預(yù)測到所有預(yù)計(jì)人員或者認(rèn)可超出上限和下限的某些人員將不會完全適用，應(yīng)考慮適用人員的比例.

5.2 人體測量學(xué)的優(yōu)化措施

1）人體測量學(xué)發(fā)表的數(shù)據(jù)多年沒有更新，應(yīng)用人體測量學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn).

2）人體身高和體重?cái)?shù)據(jù)不一定能夠足以準(zhǔn)確預(yù)測肩膀?qū)挾?，?yīng)考慮操縱人員身體比例的變化.

3）設(shè)計(jì)中結(jié)合使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的尺度和重量，一個(gè)人有一種95%分布百分比的尺度，如身高；但卻具有不同分布百分之百的其他尺度，如重量.

4）應(yīng)用人體模型作為測量對象，可有效地驗(yàn)證人體測量學(xué)假設(shè).

5）人體屈式姿勢和直立姿勢不同，導(dǎo)致眼高、體高、肩高測量結(jié)果出現(xiàn)差異.

6）大多海船設(shè)計(jì)考慮適用于所有給定人員，但特殊船舶（軍艦）可以只適用篩選人員[10].

5.3 供暖和通風(fēng)的因素

船舶供暖和通風(fēng)的研究，通風(fēng)可以是自然方式、強(qiáng)制措施或采用全自動化的、強(qiáng)制流動措施，即供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）.HVAC 系統(tǒng)提供操縱人員舒適而適宜于操縱人員高效工作的環(huán)境.

1）操作人員的舒適和效率.

2）船舶的使命和商業(yè)目的.

3）自然通風(fēng)的可能性.

4）設(shè)備對環(huán)境溫度、濕度、空氣質(zhì)量的要求，尤其是電子設(shè)備.

5）設(shè)備和管道的可用空間.

6）針對設(shè)備和管道、動力的可用預(yù)算.

7）減小吃水的需要.

8）減小噪音的要求.

5.4 強(qiáng)化供暖和通風(fēng)的措施

1）美國船級社要求氣流速度不超過0.5 m/s，相對濕度維持在30%～70%范圍內(nèi)，且預(yù)置回風(fēng)溫度為22 攝氏度以上或零下1 攝氏度，這是對于船員生活區(qū)、居室的要求.

2）對于封閉區(qū)域，室內(nèi)干球溫度為10 ～29.5 攝氏度，且經(jīng)過人員的通風(fēng)氣流速度不超過1.0 m/s.

6 結(jié) 論

隨著人機(jī)界面研究逐漸被各國政府并船東所接受，政府和船東對人機(jī)界面研究資金的投入，提升了船舶人員的工作效率.實(shí)踐證明人機(jī)界面研究的深入，最大限度地實(shí)現(xiàn)船舶安全管理全過程的最佳結(jié)合和協(xié)調(diào)，為船舶操縱人員提供一個(gè)安全、舒適的海上工作環(huán)境，減少船舶操縱人員疲勞和人為失誤，為船舶安全航行提供保障.