基于CAVE的客艙舷窗人因設計及舒適性驗證

羅 漫，張曉萍，吳程程，夏 明

(中國商飛北京民用飛機技術研究中心，北京 102200)

引言

在民用飛機的設計理念中，過去常關注飛機安全性、經濟性等因素，隨著時代和技術的發(fā)展，越來越多的旅客選擇航空出行，民用飛機要接受航空公司和乘客的最終檢驗，了解機組、乘客乘坐體驗感愈來愈受到關注?？团撌浅丝统藱C出行的主要活動空間，是飛機中乘客舒適性的重要關聯(lián)環(huán)境，改善飛機艙室的舒適性成為提升飛機競爭力的一項重要指標[1]。

客艙舒適性的影響因素眾多，客艙內一些總體參數如行李箱尺寸、座椅尺寸、客艙高度、舷窗尺寸等的相互連帶關系，除考慮適航和技術的約束外，更重要的是考慮人機功效原理，以設計出更符合人體工程學、更為舒適的客艙。當前國內外研究者針對客艙舒適性問題開展了大量測試調研工作[2-5]，包括空氣問題、相對濕度、座艙壓力以及二氧化碳濃度等，但較少有針對舷窗視野的舒適性評價研究。在民用飛機客艙中，舷窗位于飛機機身兩側，為客艙提供輔助采光。由于飛機是一個狹小封閉空間，飛機舷窗是乘客了解機外情況的唯一路徑，特別是在載客量大的遠程飛機中，舷窗是除了客艙座椅、客艙環(huán)境、娛樂系統(tǒng)之外的最重要的影響乘客舒適性的外部因素。合理的舷窗設計能給乘客一個舒適的視覺和視野效果，減少乘客的心理負擔，增加乘客的舒適性。

針對舒適性評價方法主要分為主觀評價與客觀評價兩種，其中主觀評價方法是指利用各種主觀量表、調查問卷或訪談等形式來獲取被試者的主觀舒適性評價[6]，舷窗舒適性驗證若利用純物理艙段進行評估，艙段價格昂貴且耗費時間和人力。本文利用半物理仿真的混合現實技術進行舷窗舒適性驗證，借助CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)沉浸式虛擬現實顯示系統(tǒng)，開發(fā)了一種舷窗人因因素分析評估方法，并開展舒適性驗證，以獲得最佳舒適度的客艙舷窗設計特征，對民機客艙舷窗設計具有較高的工程應用價值。

1 機型參數

針對某機型開展客艙舷窗設計及舒適性驗證工作，該常規(guī)布局客機翼展約30.0 m，主輪距約6.0 m，機身長度35.0 m。外形如圖1所示，采用超臨界后掠下單翼、流線形機頭、等值段機身及蜂腰式后機身，安裝正常式尾翼及雙發(fā)翼吊發(fā)動機，前三點式起落架。

圖1 某型客機外形示意圖Fig.1 A type of civil aviation configuration

2 客艙舷窗設計

2.1 主要設計原則

客艙舷窗包括透明材料、框架、遮陽板等，主要安裝在休息室、廚房、盥洗室、衣帽間等區(qū)域。客艙舷窗設計過程中的主要原則包括[7-9]：

1)客艙舷窗布置在飛機機身結構框和長桁交縱的隔斷之間，通常不打斷結構的連續(xù)性，舷窗間距由機身框距決定。綜合考慮舷窗的尺寸和位置與機身框、長桁的總體布置緊密相關；

2)舷窗的尺寸和位置應使盡可能多的乘客有較好的外部視角，在滿足舒適性的條件下，應與機身總體結構布置相協(xié)調，盡可能對機身結構的影響最小。

2.2 乘客視野人因設計

人的視覺特性在空間設計中尤其是作業(yè)空間的布局設計中是重要的因素之一，飛機舷窗的重要功能是滿足乘客觀看機外的視野要求，視野范圍是舷窗設計時需要考慮的主要因素[10]。在上述設計原則的基礎上，舷窗尺寸和位置最重要的需要考慮到基于乘客視野的人因設計，這主要與靠近客艙艙壁的乘客坐姿眼高、視野范圍和座椅尺寸有關[11-13]。

在乘客視野人因設計過程中，由于設計對象的使用群體是面向全球市場的機型，因此采用基于BS EN ISO 3411:2007《土方機械司機的身材尺寸與司機的最小活動空間》的國際標準人體尺寸，考慮到舷窗的人因設計主要考慮到乘客的舒適性，無特殊的作業(yè)要求，因此對該標準取5百分位至95百分位的人體數據，以滿足大部分人群的要求。

乘客視野的確定根據上下左右的視線偏移角度來確定，其中乘客垂直平面視野根據MIL-STD-1472F《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》在垂直面內正常視線是向下15°。人體眼球轉動的最優(yōu)視角是正常視線向上和向下各偏移15°，即0°和-30°之間。乘客在水平面內的視野根據NASA/SP-2010-3407/REV1《人整合設計手冊》確定，人體頭部旋轉的角度最大值為73°，眼球轉動的最優(yōu)視角是向左和向右各偏移15°。

2.3 舷窗設計結果

客艙舷窗在垂直平面的視野應可以滿足5百分位到95百分位的人在靠近窗戶的座位上以水平直視至向下30°觀察機身外部，根據機身剖面形狀及座椅布置，可確定靠側窗旅客的位置。當座椅高度選擇較高值，選擇95百分位人群的坐姿眼高時，人的眼高為h1，舷窗上沿高度取h2；當座椅高度選擇較低值，選擇5百分位人群的坐姿眼高時，人的眼高為h3，眼線向下30 °高度為h4，舷窗下沿高度取h5。垂直平面的尺寸定義如圖2所示。

圖2 舷窗垂直平面尺寸Fig.2 Vertical plane dimension of porthole

客艙舷窗在水平面的視野可以滿足靠近窗戶的乘客頭部旋轉73°的情況下，向左和向右各偏移15°，水平面的尺寸定義如圖3所示。

圖3 舷窗水平面尺寸Fig.3 Horizontal plane dimension of porthole

本研究中共設計了A、B、C三種不同的舷窗模型，主要參數如表1所示。

表1 舷窗模型尺寸Table 1 Dimensions of porthole models

3 舷窗舒適性驗證研究

3.1 基于CAVE系統(tǒng)的試驗環(huán)境

CAVE系統(tǒng)是通過多個屏幕搭建出一個洞穴式空間，在工業(yè)設計展示、以及數據可視化表現方面具有較大優(yōu)勢，具備較高的展示大規(guī)模畫面的能力[14，15]。本研究試驗環(huán)境采用中國商飛北研中心的CAVE沉浸式虛擬現實顯示系統(tǒng)(圖4)，主要由五面十三通道硬幕立體投影顯示系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、渲染集群、中控、應用軟件等組成，該系統(tǒng)是世界上第一個五面全玻璃的CAVE系統(tǒng)，利用虛擬現實技術幫助飛機設計開展工作，包括客艙選型、虛擬裝配、人機功效驗證等工作，該系統(tǒng)經過驗證能夠對需要顯示的數模進行1∶1的幾何還原。

圖4 商飛公司CAVE系統(tǒng)Fig.4 CAVE system of COMAC

舷窗舒適性驗證試驗將CATIA模型導入到CAVE系統(tǒng)中，經過模型處理，材質渲染、陰影處理、燈光模擬等達到展示的效果。三維全景模型包括飛機中部機身筒段、左側機翼及發(fā)動機、位于機翼上方的連續(xù)三個舷窗、舷窗附近的座椅、座椅上方行李箱及PSU、座椅盡頭的盥洗室模型，如圖5所示。

圖5 三維全景模型Fig.5 3D panoramic model

本文選用三種舷窗模型A、B和C進行對比試驗，三名觀察者就坐于擺放在CAVE里的實體椅子上并佩戴視覺追蹤眼鏡，用于模擬乘客就坐于靠近客艙艙壁的座椅，并通過程序依此切換三個舷窗模型，該眼鏡是光學攝像機對佩戴者的眼鏡位置進行實時追蹤，軟件計算后顯示相應位置的虛擬環(huán)境。由于飛機乘客的身高及坐高均不同，為保證試驗客觀性，通過視覺追蹤眼睛將三名觀察者的眼點高度調為一致，在試驗過程中保證客觀條件一致的情況下，比較了三名觀察者的主觀感受，觀察者的試驗狀態(tài)如圖6所示。

圖6 三名觀察者測試舷窗舒適性Fig.6 Three observers test porthole comfort

3.2 試驗數據

做試驗的眼點高度采用了模型A的設計眼高，共選取兩個眼點高度：眼點1是95百分位人群坐在較高座椅時的眼點高度為h6，重點看上眼位的空間；眼點2是5百分位人群坐在較低座椅時的眼點高度為h7，重點看下眼位的空間。三個舷窗模型如圖7所示，其中模型B比模型A外形更為短圓，模型C比模型A外形更為狹長，模型B的中心線高度介于模型A和C之間。

圖7 三個舷窗模型Fig.7 Three porthole models

三名觀察者在兩個眼點高度下對三個舷窗模型的舒適性感受如表2～表4所示。

表2 觀察者甲主觀舒適性評價Table 2 Subjective comfort evaluation of observer A

表3 觀察者乙主觀舒適性評價Table 3 Subjective comfort evaluation of observer B

表4 觀察者丙主觀舒適性評價Table 4 Subjective comfort evaluation of observer C

3.3 試驗分析

根據多個觀察者對視野的主觀舒適性評價，對各個舷窗模型的分析如下：

1)以眼點1觀察舷窗上沿時，模型A的上沿合適，模型B上沿較低視野略受限，模型C上沿過高比較浪費；由于試驗的眼點是模型A的設計眼點高度，且模型A的上沿高度介于模型B和C之間，因此觀察者的主觀評價結果符合客觀情況。

2)以眼點2觀察舷窗下沿時，模型C下沿受限最嚴重，盡管模型B的下沿高度同樣高于模型A，但視野下沿卻比模型A的視野更舒適。

3)以眼點1和眼點2觀察舷窗左右側時，模型C水平視野受限最嚴重，看遠處有聚攏感，模型A其次，模型B最優(yōu)，視野較為開闊；由于實際模型尺寸中B最寬，模型C最窄，因此試驗結果符合客觀情況。

根據觀察者反饋的上述測試結果，模型C狹長形的舷窗視野舒適性不如模型B短圓形的舷窗；模型B即使下沿高度稍高，但寬度可以彌補向下的視野受限的不足；模型A的各個參數介于模型B和C之間，總體來看模型A和B的視野舒適性較為接近，均比模型C的設計更為合理。

4 結論

通過研究民機客艙舷窗對乘客外部視野效果的影響，基于CAVE系統(tǒng)開展仿真模擬，進行了舷窗尺寸及位置的人因設計,并將多種舷窗模型進行舒適性驗證和對比分析。得到如下結論：

1)在同類機型的舷窗中，短圓形的舷窗比狹長形的舷窗帶來的主觀舒適性體驗感更好，在考慮到機身總體布置和結構強度的情況，加大舷窗寬度是增加乘客舒適性的一種的方法；

2)本文提出的基于CAVE系統(tǒng)的舷窗人因設計和舒適性驗證方法在設計的初步階段即考慮到了舒適性因素并做了初步的驗證，具有方案優(yōu)化和指導作用，虛擬現實技術的運用能夠節(jié)省時間和資金，對民機總體布置和客艙舒適性研究具有較高應用價值。