狹小邊島型駕駛室集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

黃 燕 卞東石

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

艦船駕駛室是艦船航行指揮控制的核心部位，集指揮、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)。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(zhǎng)期處于顛簸、搖擺的環(huán)境中，且需要長(zhǎng)時(shí)間關(guān)注大量信息，注意海上危險(xiǎn)情況，工作壓力很大。有資料表明：絕大多數(shù)的水上事故都與人為因素有關(guān)，駕駛室合理的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)與航行安全密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代艦船人員編制越來越少，自動(dòng)化程度越來越高，近些年來在民船領(lǐng)域?qū)τ隈{駛室這種始終需要人員長(zhǎng)期值守的位置，為了減少人員操作壓力，提高航行操縱效率，開展了大量的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)研究，進(jìn)而形成了相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括國際海事組織制定的國際海上人命安全公約和相關(guān)船級(jí)社規(guī)范，均對(duì)船舶駕駛室的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。

1 駕駛室方案設(shè)計(jì)

1.1 站位設(shè)置及功能需求分析

某艇駕駛室為狹長(zhǎng)型（長(zhǎng)約4.8 m，寬約1.3 m），在此空間內(nèi)只能允許單駕駛員來完成航行操縱。根據(jù)人員編制表，駕駛室區(qū)域設(shè)有2個(gè)站位，分別為指揮員站位和信號(hào)站位。職責(zé)如下：

（1）處置突發(fā)的航行安全事件及相關(guān)船舶安全設(shè)備控制；

（2）監(jiān)督和指導(dǎo)任務(wù)作業(yè)；

（3）負(fù)責(zé)航行操縱及相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控；

（4）負(fù)責(zé)操縱導(dǎo)航雷達(dá)，對(duì)周圍海域目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視；

（5）掌管航行燈、信號(hào)燈、霧笛、電加熱玻璃、雨刮器等航行保障相關(guān)設(shè)備；

（6）內(nèi)外通信手段。

基于以上職責(zé)，分析駕駛室功能需求如下：

（1）發(fā)生航行安全事件時(shí)的總動(dòng)員報(bào)警功能；

（2）任務(wù)作業(yè)時(shí)，對(duì)任務(wù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控功能；

（3）對(duì)航向、航速的控制功能；

（4）通過矢量控制設(shè)施，對(duì)噴水推進(jìn)裝置的聯(lián)合操縱功能；

（5）對(duì)主推進(jìn)裝置的監(jiān)測(cè)與控制功能；

（6）對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，包括各柴油機(jī)組、發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，電站運(yùn)行等參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能；

（7）導(dǎo)航信息（包括：當(dāng)前航向、經(jīng)緯度、航速、航線等航行狀態(tài)信息）顯示功能；

（8）導(dǎo)航雷達(dá)批目標(biāo)信息顯示功能；

（9）對(duì)航行燈、信號(hào)燈、霧笛、電加熱玻璃、雨刮器等設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和控制功能；

（10）內(nèi)外通訊設(shè)備的控制功能。

1.2 駕駛室功能實(shí)現(xiàn)

通過前文分析初步確定了駕駛室的站位設(shè)置，按照駕駛室空間布置及站位人員功能需求，確定駕駛室功能需求和設(shè)備實(shí)現(xiàn)，見下頁表1。

1.3 設(shè)備集成優(yōu)化設(shè)計(jì)

駕駛室長(zhǎng)約4.8 m，寬約1.3 m，在此約束條件下，駕控臺(tái)尺寸受到嚴(yán)格限制，因此，需充分考慮“集成優(yōu)化”設(shè)計(jì)理念，對(duì)駕駛室設(shè)備進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升駕駛室的信息集成和信息融合水平。

本艇主要在以下幾個(gè)設(shè)備進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）主動(dòng)力監(jiān)控和電站監(jiān)控設(shè)備

常規(guī)軍和艦船主動(dòng)力監(jiān)控和電站監(jiān)控為兩套系統(tǒng)，分別設(shè)置集控臺(tái)和電站監(jiān)控臺(tái)對(duì)主動(dòng)力和電站相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控。

本艇設(shè)計(jì)方案為：在駕控臺(tái)設(shè)置動(dòng)力電力監(jiān)控臺(tái)一套，能夠?qū)χ鲃?dòng)力信息和電站監(jiān)控信息進(jìn)行綜合顯示。

（2）噴水推進(jìn)裝置

對(duì)噴水推進(jìn)裝置控制面板進(jìn)行高度集成化設(shè)計(jì)，減小嵌入式控制面板安裝尺寸；噴水推進(jìn)裝置相關(guān)監(jiān)視信息送至動(dòng)力電力監(jiān)控臺(tái)，能夠在該監(jiān)控臺(tái)上進(jìn)行查詢顯示及報(bào)警。

（3）航行信號(hào)燈、室外燈

設(shè)置燈光控制板一套，能同時(shí)對(duì)航行信號(hào)燈和室外燈進(jìn)行控制。

（4）導(dǎo)航雷達(dá)和AIS功能

對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其疊加顯示AIS目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)航雷達(dá)目標(biāo)融合功能。

表1 駕駛室功能實(shí)現(xiàn)分析

1.4 駕駛室初步方案分析

1.4.1 駕駛室控制臺(tái)布置的基本形式及特點(diǎn)

駕駛室控制臺(tái)的布置形式可歸納為“一”字型、“L”型和“U”型三大類。

控制臺(tái)“一”字型布置：以操舵控制臺(tái)為中心，其他控制臺(tái)分左右連續(xù)一字排開。該布置方式的特點(diǎn)是排列緊湊，所有顯示器和操縱器均位于前方，便于操控船只。

控制臺(tái)“L”型布置：主要顯示和操縱器位于前部，次要顯示與操縱器布置在右手側(cè)。與“一”字型布置方案相比，這種方式可以布置更多的顯示與操縱設(shè)備。

控制臺(tái)“U”型布置：控制臺(tái)采和U形布置，操舵人員位居U形布置的中央。該布置方式的顯示器位于前方，操縱器環(huán)繞駕駛員布置，適合需要布置較多操縱器的場(chǎng)合。

1.4.2 駕駛室“設(shè)備布置”人機(jī)工程要求

駕駛室控制臺(tái)及設(shè)備布置應(yīng)滿足人機(jī)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在作業(yè)空間方面，《BS ISO 8468-2007》[1]規(guī)定：人站姿在控制臺(tái)與座椅之間側(cè)向移動(dòng)，控制臺(tái)前邊緣與座椅椅面前邊緣的最小間距為300 mm；《GJB/Z 131-2002》[2]規(guī)定：一個(gè)人可以勉強(qiáng)正向通過的通道寬度為510 mm，一個(gè)人可以側(cè)身通過的走廊寬度為330 mm。

若駕控臺(tái)采和“L”型布置（參見圖1），駕駛員座椅的扶手到右側(cè)控制臺(tái)和左側(cè)艙壁的間距為199 mm，小于單人側(cè)身通過的最小值330 mm，不滿足人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求，需改進(jìn)。若駕控臺(tái)采和“U”型布置，則空間更小。因此，本駕控臺(tái)采和“一”字型布置。

圖1 駕控臺(tái)“L”型布置

1.4.3 駕駛室初步方案

將駕駛室規(guī)劃為通信保障區(qū)和駕控臺(tái)區(qū)共2個(gè)區(qū)域（如圖2所示）。

圖2 駕駛室區(qū)域劃分

設(shè)備布置原則：將與航行操作及航行安全相關(guān)的設(shè)備布置在駕控臺(tái)區(qū)，將通信導(dǎo)航設(shè)備、報(bào)警設(shè)備及其他與航行操作無關(guān)的設(shè)備布置在通信保障區(qū)。

通信保障區(qū)設(shè)備主要包括：損管控制箱、通信組合機(jī)柜、導(dǎo)航雷達(dá)及部分通信設(shè)備。

駕控臺(tái)區(qū)負(fù)責(zé)本艇航行操縱和保障控制，包括對(duì)噴水推進(jìn)裝置、截流板、燈光控制板、主動(dòng)力及電力監(jiān)控裝置、綜導(dǎo)顯控臺(tái)、雨刮器、電加熱玻璃、霧笛及總動(dòng)員裝置的控制。

2 駕駛室三維建模仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

駕駛室三維建模仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方案如圖3所示。

圖3 駕駛室三維建模仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

其主要步驟如下：

（1）根據(jù)駕駛室設(shè)計(jì)輸入和約束，對(duì)人機(jī)工程基本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，提出基于人機(jī)工程的駕駛室初步布置方案；

（2）建立駕駛室初步布置方案三維模型，利和創(chuàng)建的數(shù)字化船員人體模型，按照駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求的要求，對(duì)建立的駕駛室初步布置方案三維模型進(jìn)行幾何參數(shù)評(píng)估；

（3）根據(jù)評(píng)估結(jié)果，檢查駕駛室初步布置方案的合理性，直到獲得到滿足視域和空間布置等設(shè)計(jì)要求的駕駛室優(yōu)化布置方案。

2.1 駕駛室三維建模

駕駛室采和UG NX 6.0軟件建模，如圖4所示。

圖4 駕駛室三維建模

通過實(shí)體建模、特征建模和任意曲面建模相結(jié)合的方法完成船體模型各個(gè)甲板的三維建模，最后通過自底向上和自頂向下的裝配方式完成裝配。

采和UG建立的駕駛室模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）與駕駛室設(shè)計(jì)與評(píng)估軟件采和同一軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)建模、設(shè)計(jì)與評(píng)估工作的同步；

（2）模型具有準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)尺寸；

（3）模型具備良好可修改性，可方便地在UG環(huán)境中對(duì)模型結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行修改；

（4）UG模型可以通過中間格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到Dlemia、3D MAX和EON環(huán)境中，具有良好的可重和性。

2.2 駕駛室布置方案三維虛擬評(píng)估

駕駛室布置方案三維虛擬評(píng)估流程參見圖5。

選擇第50百分位數(shù)船員人體模型[3-5]。駕駛室布置方案三維虛擬評(píng)估包括視域與盲區(qū)、窗、空間布置和駕控臺(tái)布置范圍評(píng)估。其中視域和盲區(qū)視域評(píng)估選取站姿操舵情況：身體距離舵輪100 mm，著裝時(shí)的鞋高修正值設(shè)為30 mm。

2.2.1 視域與盲區(qū)

圖5 駕駛室布置方案三維虛擬評(píng)估流程

評(píng)價(jià)體系參照《GJB 4000-2000艦船通和規(guī)范》[6]《MSC Circ.982》[7]《BS ISO 8468-2007》和《Recommendation for the Application of SOLAS Regulation V/15》[8]。

站姿操舵視域和盲區(qū)匯總表參見下頁表2。

表2 操舵視域和盲區(qū)匯總表

由表2可知，按照國際標(biāo)準(zhǔn)，操舵視域和盲區(qū)共有20項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，其中12項(xiàng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，2項(xiàng)良好，6項(xiàng)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)分析，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的6項(xiàng)指標(biāo)均與窗和跳板的設(shè)置及設(shè)計(jì)有關(guān)。

修改建議：優(yōu)化窗戶結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化跳板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.2 窗評(píng)估

評(píng)價(jià)體系參照《MSC Circ.982》和《BS ISO 8468-2007》。

窗評(píng)估情況匯總見下頁表3。

表3 窗評(píng)估情況匯總表

由表3可見，窗結(jié)構(gòu)評(píng)估共有4項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，3項(xiàng)滿足駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求，1項(xiàng)不滿足人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求。

修改建議：邊窗上部向傾斜角度小于標(biāo)準(zhǔn)，建議加大外傾斜角。

2.2.3 空間布置評(píng)估

評(píng)價(jià)體系參照《MSC Circ.982》和《BS ISO 8468-2007》。

空間布置評(píng)估匯總表參見表4。

表4 空間布置評(píng)估匯總表

由表4可知，空間布置評(píng)估指標(biāo)共5項(xiàng)，均滿足駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 駕控臺(tái)評(píng)估

評(píng)價(jià)體系參照《MSC Circ.982》、《BS ISO 8468-2007》、《GJB5041-2001》[9]、《Recommendation for the Application of SOLAS Regulation V/15》、《GB/T 14776-1993》。

控制臺(tái)評(píng)估匯總表參見下頁表5。

由表5可知，控制臺(tái)評(píng)估指標(biāo)共有10項(xiàng)。其中滿足駕駛室人機(jī)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的10項(xiàng)。

2.3 駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)評(píng)估結(jié)果及改進(jìn)建議，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的7項(xiàng)指標(biāo)均與窗和跳板的設(shè)置及設(shè)計(jì)有關(guān)。由于船型限制，且考慮到在GJB4000-2000中僅要求水平了望視界應(yīng)不小于180°（向左、右舷各90°），艦首方向水平了望視界盲區(qū)一般應(yīng)不大于1倍艦長(zhǎng)。按GJB 4000-2000標(biāo)準(zhǔn)，本船的視域范圍滿足要求。因此對(duì)窗和跳板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，視為滿足視域與盲區(qū)要求。

表5 控制臺(tái)評(píng)估匯總表

窗戶優(yōu)化設(shè)計(jì)：如圖6所示，原前窗為兩扇窗，駕駛室上半部分為倒梯形設(shè)計(jì)，兩扇窗間的窗框會(huì)阻礙視線，倒梯形設(shè)計(jì)造成邊窗上部向外傾斜度小于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：前窗改為一扇窗，總體方面對(duì)駕駛室倒梯形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖6 窗戶優(yōu)化設(shè)計(jì)

跳板優(yōu)化設(shè)計(jì)：如圖7所示，原跳板為中間開格柵設(shè)計(jì)，格柵間距較密，影響視線通過。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：加大跳板上格柵的面積和間距，以此增加視野。

圖7 跳板優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化后，駕駛室布置及駕控臺(tái)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的采和駕駛室實(shí)尺模型進(jìn)行人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)與評(píng)估的方法相比，三維虛擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采和三維虛擬仿真進(jìn)行駕駛室視域、盲區(qū)和空間布置設(shè)計(jì)與評(píng)估的效率和精度高；

（2）可以為實(shí)尺模型的建造提供滿足人機(jī)環(huán)境要求的設(shè)計(jì)原型，減少或避免對(duì)實(shí)尺模型進(jìn)行較大修改。三維虛擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)縮短研發(fā)周期、節(jié)省研發(fā)費(fèi)和具有重要意義。

本文以駕駛室三維建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方案為基礎(chǔ)，進(jìn)行了基于數(shù)字化模型的邊島型駕駛室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)與評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛室人機(jī)環(huán)境的預(yù)評(píng)估，在駕駛室建造之前即可發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)問題，為實(shí)現(xiàn)一致、可靠及有效的艦船操作提供幫助；使駕駛室總體布置可行，站位和臺(tái)位設(shè)計(jì)合理，視域和燈光設(shè)計(jì)符合艦船操控要求。