艦船作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估研究

朱慶飛 胡小兵

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

艦船作戰(zhàn)指揮室是全船作戰(zhàn)指揮與控制中心，集成了航行、動(dòng)力、武備等全船信息，是艦船的核心與關(guān)鍵部位。作戰(zhàn)指揮艙室具有設(shè)備類(lèi)型多、數(shù)量多、人員集中和任務(wù)信息集中等特點(diǎn)，在作戰(zhàn)指揮室工作的人員需長(zhǎng)時(shí)間保持注意力集中，對(duì)艙內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和操縱，加之海上作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，人員工作負(fù)荷極大。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)作戰(zhàn)指揮艙室進(jìn)行人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估，提前暴露出設(shè)計(jì)中的人機(jī)環(huán)境不利因素，提高艙室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)水平。

在人機(jī)環(huán)境評(píng)估方面，國(guó)內(nèi)在汽車(chē)制造領(lǐng)域［1-2］和航空領(lǐng)域［3］應(yīng)用較多，目前在船舶領(lǐng)域也已開(kāi)展大量工作，特別是在船舶駕駛室的設(shè)計(jì)應(yīng)用上已具有豐富經(jīng)驗(yàn)，具體案例如駕駛室的視野與視線分析［4-5］以及駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)［6］等。中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)研究院在艦船人因工程、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定方面取得進(jìn)展，針對(duì)艦船開(kāi)展相關(guān)的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指南研究。

本文首先整理作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)估依據(jù)，提出作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估工作流程，并以某船作戰(zhàn)指揮室為例開(kāi)展人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估。

1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)整理

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)艦船作戰(zhàn)指揮室的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還比較缺乏，僅原則性地提出“便于進(jìn)行各項(xiàng)作業(yè)”的總布置要求，缺乏量化指標(biāo)，導(dǎo)致艙室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)比較依賴(lài)設(shè)計(jì)者的主觀經(jīng)驗(yàn)，也不利于人機(jī)環(huán)境評(píng)估工作的開(kāi)展。本文以國(guó)標(biāo)及軍標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合船舶行業(yè)以及相關(guān)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行搜集整理，提出針對(duì)作戰(zhàn)指揮室人的通行空間、操縱空間、視域、照度等人機(jī)環(huán)境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的整理，提出了本船作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)艙室進(jìn)行量化仿真評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

1.1 通行空間和操縱空間

參考GJB/Z 131-2002軍事裝備設(shè)施人機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)提出，通行和操縱空間尺寸見(jiàn)表1。

表1 通行和操縱空間尺寸要求 mm

1.2 視 域

參考GJB2873 軍事裝備設(shè)施的人機(jī)工程準(zhǔn)則提出水平和垂直視域范圍，參見(jiàn)圖1。

圖1 水平和垂直視域范圍

水平視域：眼睛看向屏幕一側(cè)邊緣的視野與人體正中面的夾角，在僅眼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不大于35°，僅頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不大于60°。若頭部和眼球都轉(zhuǎn)動(dòng)，則該角度不大于95°。

垂直視域：眼睛看向屏幕上方邊緣的垂直觀察視野與視平線的夾角，在僅眼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)向上不大于25°，向下不大于35°；僅頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)向上不大于50°，向下不大于50°；若眼球和頭部都轉(zhuǎn)動(dòng)，則向上不大于75°，向下可達(dá)90°。

1.3 照 度

參考GJB4000-2000艦船通用規(guī)范提出：

（1）在作業(yè)區(qū)與遠(yuǎn)處環(huán)境之間的亮度對(duì)比度應(yīng)不大于10 : 1；

（2）工作面內(nèi)最高照度與最低照度之比值應(yīng)不大于2 : 1；

（3）應(yīng)避免工作區(qū)域與區(qū)域周?chē)g在亮度上形成高對(duì)比度，即任務(wù)工作區(qū)的亮度應(yīng)不高于周?chē)鷧^(qū)域平均亮度的3倍；

（4）作戰(zhàn)指揮室初始平均照度150 lx。初始平均照度應(yīng)被視為最小的許用照度；

（5）電子設(shè)備操縱臺(tái)、計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)局部工作面初始平均照度300 lx，初始平均照度應(yīng)被視為最小的許用照度。

2 人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估工作流程

人是人機(jī)環(huán)境中不可缺少的組成要素，人體模型的尺度以及人體模型在艙室中的位置直接影響視域、盲區(qū)和觸及域范圍等指標(biāo)的評(píng)估值。數(shù)字化船員人體模型能夠提供人體結(jié)構(gòu)尺寸、站/坐姿、鼻橋點(diǎn)和肘高等評(píng)估分析所用的基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。例如以鼻橋點(diǎn)為視錐頂，能夠可視化地顯示雙眼視域的范圍；以肩關(guān)節(jié)為球心，觸及域?yàn)榘霃缴傻那蛎妫軌蚩梢暬仫@示手的可觸及范圍。當(dāng)改變?nèi)梭w模型的百分位數(shù)、位置或姿態(tài)時(shí)，視域和手的可觸及域范圍也隨之改變。創(chuàng)建的數(shù)字化船員人體模型參見(jiàn)圖2。

為使作戰(zhàn)指揮室的空間布置設(shè)計(jì)可滿足90%的男性成年使用，本文仿真采用的人員人體模型尺寸即參考GB10000-88《中國(guó)成年人人體尺寸》，選取第5百分位數(shù)到第95百分位數(shù)男性人體尺寸，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 數(shù)字化船員人體模型

表2 男性成年人體主要尺寸 mm

本船指揮室里主要布置各種信息顯控臺(tái)以及數(shù)據(jù)機(jī)柜等設(shè)備，主要用于執(zhí)行作戰(zhàn)指揮任務(wù)及平時(shí)的訓(xùn)練任務(wù)，作戰(zhàn)指揮室的三維模型如圖3所示。

圖3 作戰(zhàn)指揮室三維模型

評(píng)估工作以船員人體模型和艙室三維模型為設(shè)計(jì)輸入，針對(duì)影響人機(jī)環(huán)境的艙室通達(dá)性、控制臺(tái)視域、控制臺(tái)觸及域和設(shè)備操縱性以及艙室照度等因素，通過(guò)UG三維設(shè)計(jì)軟件、Delmia人機(jī)工程仿真軟件、DIALux軟件，對(duì)該作戰(zhàn)指揮室進(jìn)行空間、視域、控制臺(tái)及設(shè)備、照明等內(nèi)容的測(cè)量和仿真分析進(jìn)行人機(jī)工作環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估，最終通過(guò)評(píng)估結(jié)果優(yōu)化艙室設(shè)計(jì)，得到艙室人機(jī)環(huán)境友好的艙室設(shè)計(jì)方案。本文構(gòu)建的艙室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法流程如圖4所示。

圖4 艙室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估工作流程

3 人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估

3.1 通達(dá)性設(shè)計(jì)評(píng)估

本艦作戰(zhàn)指揮室僅37 m2，空間較為狹小，但布置比較緊湊，布置有7個(gè)控制臺(tái)、6個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)柜以及空調(diào)等其他設(shè)備等，且活動(dòng)工作人員較多。因此，本艙室對(duì)通達(dá)性的設(shè)計(jì)原則要求為主要通道應(yīng)滿足兩人正向進(jìn)出無(wú)沖突，次要通行空間能滿足單人進(jìn)出便利。在已構(gòu)建的艙室模型和數(shù)字化船員人體模型基礎(chǔ)上，利用三維設(shè)計(jì)軟件UG中的測(cè)量工具，可以獲得人機(jī)環(huán)境中任意的空間尺寸和位置關(guān)系，如圖5所示。重點(diǎn)針對(duì)圖6所示的4位人員通過(guò)空間進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，結(jié)果如表3所示。

圖5 作戰(zhàn)指揮室空間尺寸和位置關(guān)系

圖6 作戰(zhàn)指揮室重要通道

表3 作戰(zhàn)指揮室重要通道分析

在空間測(cè)量評(píng)估后的基礎(chǔ)上，將已建好的人體模型數(shù)據(jù)和艙室三維模型導(dǎo)入人機(jī)工程仿真軟件Delmia作仿真分析，選用P95大尺寸人體模型在作戰(zhàn)指揮室內(nèi)設(shè)置來(lái)回走動(dòng)路線，使之經(jīng)過(guò)圖6中要求的4處重點(diǎn)位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證指揮室作業(yè)空間的通達(dá)性設(shè)計(jì)。評(píng)估結(jié)果表明：在位置①，兩人并向進(jìn)出較為擁擠，兩名人員相向進(jìn)出擺臂會(huì)觸及相鄰設(shè)備；在位置④，單人僅能側(cè)向進(jìn)出到達(dá)控制臺(tái)座椅上，空間較為狹窄，結(jié)果如圖7所示。建議通過(guò)調(diào)整艙室布置，擴(kuò)大位置①的間距，控制臺(tái)可采取兩臺(tái)一組的布置方式，擴(kuò)大控制臺(tái)之間的間距，方便人員進(jìn)出。

3.2 視域設(shè)計(jì)評(píng)估

作戰(zhàn)指揮室內(nèi)控制臺(tái)是將全船的航行、情報(bào)、動(dòng)力、武備等外界信息傳遞給人的重要媒介，顯示器與人的視覺(jué)匹配特性極大地影響著人員執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的效率和能力。因此，作戰(zhàn)指揮艙室中的人員視域要求確定為人員坐在工作椅上可以充分獲取當(dāng)前控制臺(tái)的信息，并兼顧艙室其他設(shè)備良好的視域。為了充分考慮人身材大小對(duì)視域地影響，選取P5和P95人體模型位于座椅上，模擬人員看向控制臺(tái)，利用三維設(shè)計(jì)軟件UG中的測(cè)量工具測(cè)量人體視向控制臺(tái)顯示器的角度范圍進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，如圖8所示。表4為測(cè)量后的評(píng)估結(jié)果，結(jié)果表明顯示器上邊緣的信息會(huì)超出人眼經(jīng)常監(jiān)控的范圍，小身材人員需要仰頭才可較為便利的獲取該處的信息。建議在設(shè)計(jì)中，將不常監(jiān)控使用的信息布置在顯示器上邊緣區(qū)域，可減輕人員工作負(fù)荷。

圖7 指揮室通達(dá)性仿真

圖8 視向控制臺(tái)顯示器上下側(cè)的視線與人眼視平線夾角

表4 指揮室視域仿真評(píng)估結(jié)果

將已建好的人體模型數(shù)據(jù)和艙室三維模型導(dǎo)入人機(jī)工程仿真軟件Delmia進(jìn)行仿真分析，設(shè)置人員站立、走動(dòng)及坐姿等主要活動(dòng)模式，可以更為直觀地表達(dá)視域范圍內(nèi)信息。仿真評(píng)估結(jié)果可以輔助設(shè)計(jì)者判斷作戰(zhàn)指揮艙室內(nèi)的視域是否滿足實(shí)際需求，如圖9所示人員的仿真視域結(jié)果，仿真結(jié)果表明人員在作戰(zhàn)指揮室內(nèi)可以獲取良好的設(shè)備視域。

圖9 仿真視域結(jié)果

3.3 控制臺(tái)觸及性和設(shè)備觸及性設(shè)計(jì)評(píng)估

作戰(zhàn)指揮室對(duì)控制臺(tái)的觸及性和設(shè)備觸及性的人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求為人員可以便利地操縱控制臺(tái)、數(shù)據(jù)機(jī)柜以及壁掛設(shè)備的操縱器等。將已建好的人體模型數(shù)據(jù)和艙室三維模型導(dǎo)入人機(jī)工程仿真軟件Delmia，利用表1中的數(shù)據(jù)和所建立人體模型數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算手觸及邊界面范圍，生成手觸及邊界面的封閉幾何體。分別采用P5和P95人體模型位于各操縱部位生成觸及域，如果控制臺(tái)、數(shù)據(jù)機(jī)柜以及壁掛設(shè)備的操縱器在生成的觸及域內(nèi)，即代表當(dāng)前設(shè)備具有良好的觸及性。

如圖10所示，人員在控制臺(tái)、數(shù)據(jù)機(jī)柜以及壁掛設(shè)備的觸及域展示，陰影球體即為可觸及域范圍。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)機(jī)柜和壁掛設(shè)備的觸及性良好，坐姿狀態(tài)下，控制臺(tái)的鍵盤(pán)區(qū)域深處操縱器的觸及性較差，人員坐姿背靠椅背時(shí)無(wú)法觸及到全部操縱器。建議設(shè)計(jì)中考慮座椅和控制臺(tái)的匹配性，使座椅充分抵近控制臺(tái)布置，同時(shí)將不常用的操縱器布置在控制臺(tái)鍵盤(pán)區(qū)的遠(yuǎn)端，可改善人員在控制臺(tái)位置的坐姿人機(jī)環(huán)境。

圖10 觸及域仿真評(píng)估結(jié)果

3.4 艙室照度設(shè)計(jì)評(píng)估

圖11 指揮室燈具布置圖

作戰(zhàn)指揮室照明設(shè)計(jì)的要求需符合前文1.2節(jié)中的規(guī)范要求，本艙室中布置有21盞燈，每盞燈由2根燈管組成，每根燈管功率為20 W，布置如下頁(yè)圖11所示。將所建立的艙室模型導(dǎo)入DIALux軟件中，設(shè)定的天棚反射系數(shù)為80%、艙壁反射系數(shù)為60%、地面反射系數(shù)為20%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)控制臺(tái)的尺寸，確定控制臺(tái)工作面高度為760 mm。導(dǎo)入燈具類(lèi)型、功率和光通量等參數(shù)，計(jì)算平均照度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，生成偽色圖如圖12所示。結(jié)果表明：作戰(zhàn)指揮室的照度設(shè)計(jì)滿足人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)要求。

圖12 照度偽色圖

表5 照度設(shè)計(jì)評(píng)估結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

作戰(zhàn)指揮艙室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是直接影響艦船人員執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)備訓(xùn)練的重要因素，因此作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評(píng)估工作至關(guān)重要。本文克服了艦船作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏、量化評(píng)估分析不足等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)，嘗試整理出艦船作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境評(píng)估依據(jù)，利用人機(jī)工程仿真軟件開(kāi)展三維測(cè)量和仿真評(píng)估，重點(diǎn)針對(duì)艙室通達(dá)性、視域、控制臺(tái)和設(shè)備的觸及性、照度等人機(jī)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。通過(guò)評(píng)估結(jié)果，可直觀地反映出作戰(zhàn)指揮室在設(shè)計(jì)中存在不利的人機(jī)環(huán)境因素，輔助設(shè)計(jì)者改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高艦船作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)水平。

但是，本文基于軟件工具的限制，只能做到作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)評(píng)估，具有一定局限性。在今后的設(shè)計(jì)中，可以嘗試綜合多種人機(jī)環(huán)境要素進(jìn)行評(píng)估，探索作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境評(píng)估分析方法，進(jìn)一步改善作戰(zhàn)指揮室人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)。