朱慶飛 胡小兵

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 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)備類型多、數(shù)量多、人員集中和任務(wù)信息集中等特點，在作戰(zhàn)指揮室工作的人員需長時間保持注意力集中，對艙內(nèi)各設(shè)備進行監(jiān)視和操縱，加之海上作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，人員工作負荷極大。因此，在設(shè)計過程中需對作戰(zhàn)指揮艙室進行人機環(huán)境設(shè)計評估，提前暴露出設(shè)計中的人機環(huán)境不利因素，提高艙室人機環(huán)境設(shè)計水平。

在人機環(huán)境評估方面，國內(nèi)在汽車制造領(lǐng)域［1-2］和航空領(lǐng)域［3］應(yīng)用較多，目前在船舶領(lǐng)域也已開展大量工作，特別是在船舶駕駛室的設(shè)計應(yīng)用上已具有豐富經(jīng)驗，具體案例如駕駛室的視野與視線分析［4-5］以及駕駛室人機工程設(shè)計評價［6］等。中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)研究院在艦船人因工程、相關(guān)標準規(guī)范制定方面取得進展，針對艦船開展相關(guān)的人機環(huán)境設(shè)計要求和設(shè)計指南研究。

本文首先整理作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境設(shè)計標準作為評估依據(jù)，提出作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境設(shè)計評估工作流程，并以某船作戰(zhàn)指揮室為例開展人機環(huán)境設(shè)計評估。

1 規(guī)范標準整理

目前，國內(nèi)針對艦船作戰(zhàn)指揮室的人機環(huán)境設(shè)計標準規(guī)范還比較缺乏，僅原則性地提出“便于進行各項作業(yè)”的總布置要求，缺乏量化指標，導(dǎo)致艙室人機環(huán)境設(shè)計比較依賴設(shè)計者的主觀經(jīng)驗，也不利于人機環(huán)境評估工作的開展。本文以國標及軍標為基礎(chǔ)，結(jié)合船舶行業(yè)以及相關(guān)行業(yè)規(guī)范進行搜集整理，提出針對作戰(zhàn)指揮室人的通行空間、操縱空間、視域、照度等人機環(huán)境評估標準。通過這些行業(yè)標準和規(guī)范的整理，提出了本船作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境設(shè)計評估標準，為后續(xù)艙室進行量化仿真評估奠定了基礎(chǔ)。

1.1 通行空間和操縱空間

參考GJB/Z 131-2002軍事裝備設(shè)施人機工程設(shè)計手冊提出，通行和操縱空間尺寸見表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)施的人機工程準則提出水平和垂直視域范圍，參見圖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)動時不大于35°，僅頭部轉(zhuǎn)動時不大于60°。若頭部和眼球都轉(zhuǎn)動，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)動時向上不大于25°，向下不大于35°；僅頭部轉(zhuǎn)動時向上不大于50°，向下不大于50°；若眼球和頭部都轉(zhuǎn)動，則向上不大于75°，向下可達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)與遠處環(huán)境之間的亮度對比度應(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)域周圍之間在亮度上形成高對比度，即任務(wù)工作區(qū)的亮度應(yīng)不高于周圍區(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、計算機鍵盤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 人機環(huán)境設(shè)計評估工作流程

人是人機環(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的評估值。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、鼻橋點和肘高等評估分析所用的基準點和基準面。例如以鼻橋點為視錐頂，能夠可視化地顯示雙眼視域的范圍；以肩關(guān)節(jié)為球心，觸及域為半徑生成的球面，能夠可視化地顯示手的可觸及范圍。當(dāng)改變?nèi)梭w模型的百分位數(shù)、位置或姿態(tài)時，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圖2。

為使作戰(zhàn)指揮室的空間布置設(shè)計可滿足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以及數(shù)據(jù)機柜等設(shè)備，主要用于執(zhí)行作戰(zhàn)指揮任務(wù)及平時的訓(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

評估工作以船員人體模型和艙室三維模型為設(shè)計輸入，針對影響人機環(huán)境的艙室通達性、控制臺視域、控制臺觸及域和設(shè)備操縱性以及艙室照度等因素，通過UG三維設(shè)計軟件、Delmia人機工程仿真軟件、DIALux軟件，對該作戰(zhàn)指揮室進行空間、視域、控制臺及設(shè)備、照明等內(nèi)容的測量和仿真分析進行人機工作環(huán)境設(shè)計評估，最終通過評估結(jié)果優(yōu)化艙室設(shè)計，得到艙室人機環(huán)境友好的艙室設(shè)計方案。本文構(gòu)建的艙室人機環(huán)境設(shè)計驗證方法流程如圖4所示。

圖4 艙室人機環(huán)境設(shè)計評估工作流程

3 人機環(huán)境設(shè)計評估

3.1 通達性設(shè)計評估

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個控制臺、6個數(shù)據(jù)機柜以及空調(diào)等其他設(shè)備等，且活動工作人員較多。因此，本艙室對通達性的設(shè)計原則要求為主要通道應(yīng)滿足兩人正向進出無沖突，次要通行空間能滿足單人進出便利。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)計軟件UG中的測量工具，可以獲得人機環(huán)境中任意的空間尺寸和位置關(guān)系，如圖5所示。重點針對圖6所示的4位人員通過空間進行測量評估，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

在空間測量評估后的基礎(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)置來回走動路線，使之經(jīng)過圖6中要求的4處重點位置進行運動仿真分析，驗證指揮室作業(yè)空間的通達性設(shè)計。評估結(jié)果表明：在位置①，兩人并向進出較為擁擠，兩名人員相向進出擺臂會觸及相鄰設(shè)備；在位置④，單人僅能側(cè)向進出到達控制臺座椅上，空間較為狹窄，結(jié)果如圖7所示。建議通過調(diào)整艙室布置，擴大位置①的間距，控制臺可采取兩臺一組的布置方式，擴大控制臺之間的間距，方便人員進出。

3.2 視域設(shè)計評估

作戰(zhàn)指揮室內(nèi)控制臺是將全船的航行、情報、動力、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，利用三維設(shè)計軟件UG中的測量工具測量人體視向控制臺顯示器的角度范圍進行測量評估，如圖8所示。表4為測量后的評估結(jié)果，結(jié)果表明顯示器上邊緣的信息會超出人眼經(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，可減輕人員工作負荷。

圖7 指揮室通達性仿真

圖8 視向控制臺顯示器上下側(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)入人機工程仿真軟件Delmia進行仿真分析，設(shè)置人員站立、走動及坐姿等主要活動模式，可以更為直觀地表達視域范圍內(nèi)信息。仿真評估結(jié)果可以輔助設(shè)計者判斷作戰(zhàn)指揮艙室內(nèi)的視域是否滿足實際需求，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 控制臺觸及性和設(shè)備觸及性設(shè)計評估

作戰(zhàn)指揮室對控制臺的觸及性和設(shè)備觸及性的人機環(huán)境設(shè)計要求為人員可以便利地操縱控制臺、數(shù)據(jù)機柜以及壁掛設(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)，通過計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、數(shù)據(jù)機柜以及壁掛設(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、數(shù)據(jù)機柜以及壁掛設(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)機柜和壁掛設(shè)備的觸及性良好，坐姿狀態(tài)下，控制臺的鍵盤區(qū)域深處操縱器的觸及性較差，人員坐姿背靠椅背時無法觸及到全部操縱器。建議設(shè)計中考慮座椅和控制臺的匹配性，使座椅充分抵近控制臺布置，同時將不常用的操縱器布置在控制臺鍵盤區(qū)的遠端，可改善人員在控制臺位置的坐姿人機環(huán)境。

圖10 觸及域仿真評估結(jié)果

3.4 艙室照度設(shè)計評估

圖11 指揮室燈具布置圖

作戰(zhàn)指揮室照明設(shè)計的要求需符合前文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)標準控制臺的尺寸，確定控制臺工作面高度為760 mm。導(dǎo)入燈具類型、功率和光通量等參數(shù)，計算平均照度，計算結(jié)果見表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)計滿足人機環(huán)境設(shè)計要求。

圖12 照度偽色圖

表5 照度設(shè)計評估結(jié)果

4 結(jié) 語

作戰(zhàn)指揮艙室人機環(huán)境設(shè)計的優(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)指揮室人機環(huán)境設(shè)計評估工作至關(guān)重要。本文克服了艦船作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境設(shè)計標準規(guī)范缺乏、量化評估分析不足等傳統(tǒng)設(shè)計缺點，嘗試整理出艦船作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境評估依據(jù)，利用人機工程仿真軟件開展三維測量和仿真評估，重點針對艙室通達性、視域、控制臺和設(shè)備的觸及性、照度等人機環(huán)境進行設(shè)計評估。通過評估結(jié)果，可直觀地反映出作戰(zhàn)指揮室在設(shè)計中存在不利的人機環(huán)境因素，輔助設(shè)計者改進設(shè)計，提高艦船作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境設(shè)計水平。

但是，本文基于軟件工具的限制，只能做到作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境部分內(nèi)容的設(shè)計評估，具有一定局限性。在今后的設(shè)計中，可以嘗試綜合多種人機環(huán)境要素進行評估，探索作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境評估分析方法，進一步改善作戰(zhàn)指揮室人機環(huán)境設(shè)計。