采用人機工程學的船用電氣控制柜設計

刁愛民

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采用人機工程學的船用電氣控制柜設計

刁愛民

(海軍工程大學科研部，武漢 430033)

本文通過對人機工程設計理論的研究，提出了人機工程學應用于船用電氣控制柜的依據(jù)，對船用電氣控制柜進行了人機工程學設計，以期船用電氣控制柜有更好的突破。

船用電氣控制柜 人機工程 CAD

0 引言

現(xiàn)今，船用電氣控制柜的設計只是將各種斷路器、接觸器及繼電器等傳統(tǒng)低壓電氣器件與PLC（可編程邏輯控制器）、變頻器、觸摸屏等現(xiàn)代智能控制器件的組合安裝，很少會在設計船用電氣控制柜時采用人機工程學[1]。根據(jù)現(xiàn)有對船用電機控制柜的設計研究，采用人機工程學設計船用電氣控制柜領域還屬于空白。

1 設計原則

原則1：以人為中心，圖1是以人為中心的人機環(huán)境關系圖。船用電氣控制柜在設計的時候需要對與人相關的各種要素綜合考慮，然后統(tǒng)一協(xié)調(diào)各要素之間的關系。對機器與環(huán)境的設計需要以人為中心，最重要的是要考慮人的生理特性，使機器與環(huán)境讓人舒適，設計的標準要考慮到人體生理、心理等限制，在操作省力、方便與舒適的前提下進行設計標準的優(yōu)化、細化和高效率。然后要考慮人的心理特點以及其心理需求，如感知、認識能力和實現(xiàn)自我、相互尊重的需要等；最后要考慮到人的社會性，人生活在社會里，其工作效率不僅取決于其自身能力的高低，同時還受到集體的進取精神、協(xié)作精神等社會因素的影響。

原則2：合理的人機功能分配的原則。人機功能合理分配的核心是根據(jù)人、機各自特點進行分配，從表1可清晰看出，人、機在功能、特點等方面存在明顯差異，要按照易機則機、宜人則人的原則合理分配人、機任務，以達到最佳的人機配合。把那些工作過于復雜，且單調(diào)、持續(xù)又不間歇，又極不適合人去完成的如對速度、精確度監(jiān)視與操作的任務由機器來完成，而那些需要人判斷、預測，而要求精度不是很高，過于復雜機器難以勝任的工作交與人去做。

原則3：安全第一，效率其次的原則。在設計的論證階段要牢固樹立人是最寶貴的價值觀念，船用電氣控制柜的可靠性和安全性是必須達到的指標。

2 設計流程

人機設計基本上不可能經(jīng)過一次設計就能達到最佳人機協(xié)調(diào)，所以檢驗驗證是其設計的重要環(huán)節(jié)，船用電氣控制柜的人機工程設計的過程圖如圖2，其表明：在對船用電氣控制柜設計的每個階段都需要對其進行檢驗驗證，然后根據(jù)檢驗驗證反饋的結(jié)果再進行計。

3 整體設計

采用人機工程學的船用電氣控制柜設計是按照人機工程學的要求把控制柜的顯示器以及控制器布置在人體舒適合理的作業(yè)范圍內(nèi)，這樣設計的目的是為了使操作者能夠方便和舒適地進行操作，從而降低操作者的工作強度以及減緩疲勞，減少誤操作，提高工作效率。柜式控制柜的操作臺面較大，視野效果也很好，適用于船上需立姿操作的要求，同時船上工作環(huán)境較小，需要經(jīng)常走動進行觀察，所以船用電氣控制柜采用柜式控制柜。采用人機工程設計的船用電氣控制柜就是對控制柜的柜面高度、寬度和操作區(qū)域等基本參數(shù)進行優(yōu)化設計。其設計的關鍵是確保操作人員在長時間工作的情況下還能夠以良好的、舒適的姿勢下進行觀察和操作，其設計的前提需要客觀地掌握操作人員以及控制柜的尺寸。

4 控制面板的設計

控制面板由液晶顯示器和控制器組合而成，其也可稱為人機界面，是操作者與機器溝通的媒介。

4.1操作區(qū)域的劃定

操作區(qū)域指的是操作者進行作業(yè)時，手和腳在水平和垂直范圍內(nèi)能夠觸及的地方。對操作區(qū)域的研究離不開人肢體的運動，其中手臂、腿、腳的運動范圍直觀重要，其與人機界面中控制器與顯示器布局密切相關[2,3]。

當人在某處不動時，為了維持身體的平衡，這個時候上身以及手臂的活動空間會受到限制。圖3中 A～D 分別代表站立不動、頭部不動自髖關節(jié)起前彎與側(cè)轉(zhuǎn)、上身不動時手臂動、上身和手臂一起運動的四種情形的活動空間。

在考慮25 mm的鞋跟高度后，以第50百分位男性尺寸為基準，參考控制中心人機工程設計導則第3部分：手可及范圍與操作區(qū)劃分。將船用控制柜的操作區(qū)劃分為精確、舒適和有效操作區(qū)，如圖4，各個區(qū)域的范圍以及人體活動的特征可見表2。

4.2視覺區(qū)域劃定

視覺區(qū)域指的是人眼可以看見的區(qū)域，分為靜視野、注視野和動視野，早進行人機工程學的工程設計時常常以靜視野作為設計依據(jù)。若將船用電氣控制柜劃分為最佳視區(qū)、良好視區(qū)、有效視區(qū)和最大視區(qū)，各個視區(qū)的范圍、辨識效果以及顯示器布置相見表3。

4.3控制面板布局

對控制面板的設計要考慮操作者的人體功能特點，特別是要注意具有內(nèi)在聯(lián)系的顯示裝置和操作裝置的布置，使它們符合操作者的活動邏輯。首先是對水平方向進行設計再兼顧垂直的設計，其次再按照左上限-右上限-左下限-右下限的次序布置顯示器。最后顯示器和控制器顏色的選擇要從中心向外按照綠、紅、藍、黃的次序布置。

5 顯示器設計

設計顯示裝置要符合人機工程學的要求，需要在操作者能看顯示器時，滿足其對角度、字符的大小、眼睛輕松轉(zhuǎn)動范圍及眼睛最大轉(zhuǎn)動范圍等視覺特征的需求；信號和視覺器件的空間布置應按所顯示的信息功能、重要性以及使用頻率進行安排，保證其清晰易辨。在強度、形狀、大小、對比度、顯著性、信噪比等方面，考慮信號顯示的變化方向、速率需要和主信息源變化的方向和速率保持一致；顯示器和其顯示內(nèi)容以及方式的設計需要使顯示的信息清晰易懂。這樣可以減少交互的時間，提高人-機交互效率；數(shù)字顯示和文字顯示都應簡單明了、一致和符合使用慣例，容易被操縱者察覺和理解。

6 控制器設計

按照操作力的來源分類，控制器可以分為手動控制器、腳動控制器，常用的控制器可以有按鈕、旋鈕、操縱桿和腳踏板等方式。對手動控制器的設計主要是對其形狀和位置的布局進行設計，形狀的設計是否科學合理，將會影響到操作者的記憶和操作的感受，對操作的正確性和準確性以及工作的效率有著直接的聯(lián)系。對腳動控制器的設計需要以人體力學和人體解剖學為基礎，再結(jié)合人體舒適姿勢的研究成果而進行的，從工效學和安全的角度對踏板的形狀、尺寸大小、行程和角度，以及腳動控制器所安裝的位置是否適于操作員腳的操作，要避免將控制器布置在不易于施力踩踏或操作不適的位置。

根據(jù)文獻[7, 9]設計出的船用電氣控制柜控制器基本尺寸如表4及各相鄰控制元件內(nèi)側(cè)間隔的操作方式和適用間隔如表5。

7 仿真與總結(jié)

通過對船用電氣控制柜各個部分的設計后使用三維CAD人體模型仿真軟件CATIA對采用人機工程學設計的船用電氣控制柜進行仿真，將不同性別和不同百分位的人體模型置于該仿真環(huán)境中后，得到了不同人體模型的各個動作姿態(tài)的舒適型仿真評分報告，其結(jié)果如表6。

仿真的最高分數(shù)為 100 分，100～90分的范圍可以歸類到很舒適，90～80分的范圍屬于舒適，結(jié)合上表的分數(shù)，可所設計船用電氣控制柜的設計符合人機工程學的要求。

[1] William H. Cushman. Ergonomic data for console design[M]. Ergonomic Data for equipment Design, 1984: 145-157.

[2] 孫守遷，唐明，潘云鶴. 面向人機工程的布局設計方法的研究[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2001, 12(11): 870-872.

[3] H.P.Ruhman. Basic data for the design of consoles[M]. Ergonomic data for equipment design, 1984: 115-144.

[4] Willian F. H Purcell著，金健，周光璉編譯. 工農(nóng)業(yè)機器設計中的人體因素[J]. 北京農(nóng)業(yè)工程大學學報，1987, 7(2) : 107-124.

[5] 朱祖祥. 工程心理學[M]. 華東師范大學出版社, 1990.

[6] 阮寶湘, 邵祥華編著. 工業(yè)設計人機工程[M]. 機械工業(yè)出版社, 2005.

[7] GB/T16251-1996工作系統(tǒng)設計的人類工效學原則[S]. 中國標準出版社出版, 1996.

Design of Marine Electrical Control Cabinet With Ergonomic Data

Diao Aimin

(Office of Research & Development, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China)

By studying the ergonomical design theory, this paper proposes the theoretical foundation about ergonomical design for an electric control cabinet, and applies this theory to the electric control cabinet design and simulation, hopes to make a breakthrough of ergonomical research for the electric control cabinet.

marine electrical control cabinet; ergonomics; CAD

TM641

A

1003-4862（2015）03-0044-04

2015-01-02

刁愛民( 1966-)，男，高級工程師。研究方向：艦船裝備維修保障研究。