基于视景仿真的船舶驾驶舱人机工程设计评价研究＊

商 蕾

（武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063）

0 引 言

驾驶舱作为驾驶员的主要工作场所，其人－机－环境系统间的相互关系直接影响驾驶员的作业效率、操作舒适性及作业安全.目前，国内外已有针对工程车辆，航空工具，坦克等交通工具的评价体系，但是涉及船舶驾驶舱的人机工程评价系统还很少.本文基于人机工程学理论和相关国家标准，建立船舶驾驶舱人机工程设计评价指标，分析评价驾驶人员舒适性、视野性、操作性和安全性.依据评估结果，为设计人员提供设计优化的辅助决策支持.

为了使设计人员能够快速地比选、调整设计方案，并感受真实的设计效果，本文将视景仿真技术引入舱室人机工程设计评价中.实现了从设计、仿真、评价到反馈修改、优化的全过程，为设计人员节约时间成本和经济成本［1－2］.

1 船舶驾驶舱人机工程评价指标建立

依据人机工程学理论，结合船舶驾驶舱的实际设备布置及操作特性，在其人机工程学设计时，本文主要设置如图1所示的分级评价指标.

图1 船舶驾驶舱主要评价指标

1.1 人体模型尺寸的建立

为了建立船舶驾驶舱的人－机－环境的评价体系，确保人与环境之间的协调性，必须量化人体尺寸和体形.这种几何关系的确定基础是人体测量数据.人机工程学范围内的人体测量数据主要有两类：人体结构尺寸和功能尺寸.人体构造上的尺寸是静态尺寸；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，包括人在工作姿势下或在某种操作活动下测量的尺寸.

在本仿真研究项目中，为了简化模型，突出主要设计评价要素，在人体模型设计中，测量项目主要涵盖：（1）人体主要尺寸，含身高、上臂长、前臂长、腿长；（2）坐／立姿人体尺寸，含眼高、肩高、肘高、手功能高；（3）人体水平尺寸，含肩宽、最大肩宽等.

为了处理上述各种人体测量尺寸的差异性，模型人体用国标最通用的男子第五十百分位数据.

1.2 船员身体运动舒适性，可达性指标

1.2.1 舒适度指标 舒适度着重于船舶作业环境对人的影响，关注在坐势下人的关节角度和关节灵活度.舒适区域指人长时间在此姿势下能够接受，而且不会感到刺激和疲劳的区域.通过计算关节的角度是否在这个舒适的区域内，则可以判断该部位是否处于舒适状态（见表1）.

表1 人体主要关节舒适度表

1.2.2 可达性指标 研究船员在驾驶舱室的可达性，首先需要研究船员工作空间的方便可及域.方便可及区域是在标准立／坐姿下，以中指指尖为测量标准的上肢最大可及区域.方便可及域由2个尺度决定：上肢最大长度和肩宽.在船舶驾驶舱内主要考虑船员在盘台前的方便可及域是否合适，能否操作到主要仪器和设备.换而言之，驾驶舱内的重要设备及应急设备应布置于驾驶员的方便可及域之内.

1.2.3 船员视野和视线评价 根据人机工程学的相关原理，人眼在水平方向和垂直方向上存在不同的最佳视区、良好视区和最大视区分布.

以评价指标1视野评价为例，主要考察由于人体生理特点、驾驶舱船体结构遮挡或仪器仪表布置造成的观测视区大小范围、观测清晰度及舒适性.一般说来，水平方向10°以内为最佳视区，30°以内为良好视区；垂直方向视水平线以下10°以内为最佳视区，视水平线向上10°和向下30°的范围内为良好视区.在船舶舱室的设计上，应尽可能使操舵员和领航员获得尽可能大的观测视野.同时，要将重要操作仪器置于船员最佳视区内.

另外，由于前后盘台摆放位置的不同，可能会导致后排盘台对前方设备造成一定的视线干扰.在设计时，为了保证操作员方便地看到前方仪表，盘台上方干涉点与前方仪表的投影距离要满足一定要求.

1.2.4 驾驶舱最小安全距离评价 在驾驶舱内，为了杜绝安全隐患，便于人员移动和操作，人体与设备之间、以及设备与设备之间应保持一定的安全距离.按照人机工程学对夹缝（通道）最小间隙的控制要求，规定夹缝的安全距离见表2.

表2 夹缝的安全距离表 mm

在进行驾驶舱人机工程设计评价时，应该按照最小安全距离要求来进行评估.

2 船舶驾驶舱人机工程评价仿真系统设计

传统的人机工程学设计大多基于人机工程学理论和专业人员的经验知识，由于缺乏对设计方案的直观感受和分析，很难在设计阶段进行快速地反馈修改.即使设计中存在某些欠缺或缺陷，也只能等加工完成后、甚至使用时才能发现.对于小型系统或产品，修改设计并重新生产，也许不会耗费过多资源.但对于造船如此庞大的工程，设计上的失误将会造成巨大的成本代价.

驾驶舱作为船舶的指挥中枢，航行期间舱内工作人员较多，在设计时必须考虑船员工作状态、生理状态对航行安全的影响［3］.基于上述原因，在建立船舶驾驶舱人机工程学设计评价指标及模型基础上，本文将虚拟现实技术引入仿真系统，以获取更直观的设计效果展示和动态交互响应.

本文借助三维建模工具Creator和3D Max、视景仿真开发环境Vega、面向对象开发环境VC＋＋6.0，共同完成了基于视景仿真的船舶驾驶舱人机工程设计评价系统.仿真系统的总体框图见图2，其中系统的主体框架由面向对象开发环境VC＋＋6.0完成，并通过Vega API应用程序接口驱动实时视景仿真应用［4］.

通过图2所示的仿真系统总体框图，可以看出本文开发的基于视景仿真的船舶驾驶舱人机工程评价系统主要实现了如下功能.

图2 仿真系统总体框架

1）三维舱室环境展示 依据收集到的驾驶舱设备及布置图纸、图片资料或其他素材，利用三维建模工具Creator和3DMax，对驾驶舱船体结构、装修情况、盘台、仪器仪表、家电家具等舱内对象进行三维建模，并通过三维视景环境进行三维展示.

由于三维舱室模型比较复杂，纹理也较多，为了减小模型对计算机资源的占用，保证视景仿真的实时性，必须对所建模型进行优化.

2）虚拟场景漫游 利用三维视景仿真技术，实现对船舶驾驶舱的可控制漫游和自动漫游功能.

在自动漫游模式下，系统根据预设的路线自动漫游.通过该方式，用户可以直观了解舱室空间环境及布局，各种盘台、设备及设施的布置情况，为后续基于人机交互的舱室设计仿真评价做准备.

在可控制漫游模式下，结合交互操作，灵活改变观察者的视角和位置，实现自主的三维驾驶舱漫游.

3）人机工程学评价 基于本文建立的评价指标和评价模型，对船舶驾驶舱的主要人机工程学指标进行实时的人机工程学评价.随着用户对驾驶舱设计的动态调整和修改，仿真系统可以实时对新方案进行分析和评价.

4）与虚拟船舶驾驶舱的交互 三维视景仿真的最大优点，就是能够实现与虚拟场景间的实时交互，这也是本文的关键技术之一.

通过交互操作，系统能实现对虚拟设备的拾取和位置调整.比如，重新对盘台及领航椅进行摆放，使其更便于操作和观察海面状况.或者是对舱内的色彩进行调整，使船员获得更舒适的视觉感受.

5）设计方案动态加载 允许动态加载船舶驾驶舱设计方案，根据新方案，对现有驾驶舱布局进行调整.

本文设计的船舶驾驶舱人机工程设计评价仿真系统开发流程和数据交互流程如图3所示.该仿真系统不同于传统的面向对象软件系统，它需要搭建一个视景仿真环境，并与之进行实时数据交互.其仿真运行结果，即有三维可视化的驾驶舱环境，又有传统文本格式的设计评价报告.这样一来，用户可以获得较好地辅助决策支持.

图3 仿真系统开发流程及数据交互关系

3 关键技术

3.1 三维建模及优化

对于一个视景仿真系统而言，三维模型的视觉逼真度和仿真应用实时性是2个重要的衡量指标.三维模型构建得越精细，三维展示效果越好，模型文件也就会越庞大，这将导致仿真应用的实时性降低.为解决实时性与逼真度之间的矛盾，本文将3D Max与Creator结合运用，进行组合建模.

Cerator是著名的实时三维仿真仿真建模工具，着重于创建低多边形数的三维模型，简化和减少实时应用的程序要求，提高模型实时性.3D Max也是虚拟现实领域常用的三维建模工具，具有强大的点、线、面、几何体编辑功能，其细节描述及渲染能力非常强，生成的模型文件通常较大.

基于上述特点，本文利用Creator对船体结构、普通盘台、普通桌椅等对象进行三维建模，而3D Max则用于建立需要精细表达的三维模型，如：分罗经.电话、高档皮椅，舵轮等.这样的组合建模即能满足三维视景显示的需求，又能控制模型文件的大小（见图4）.

图4 三维驾驶舱模型

除了组合建模之外，为了保证仿真实时性，本文还采用了外部引用技术、实例化技术、层次细节技术来优化搭建的三维模型.

3.2 交互式船舶驾驶舱设计方案评价及优化

依据建立的人机工程学评价指标，本文建立的仿真系统可以对当前设计方案下的船舶驾驶舱空间布局、重要盘台与设备、以及人员操作舒适度与视野进行评价.同时，系统中引入的视景仿真技术，拥有“所见即所得”的优势，允许用户借助外部输入设备与视景仿真系统进行交互操作.这样一来，用户能实时对设计效果进行三维场景观测、人机工程学评价、方案修改及优化.

本文涉及的设计方案修改主要包括：舱室内设备布局调整、环境色彩调整、观察者视点和位置调整、虚拟操作者在场景中的运动控制、虚拟设备工作状态调整.见图5.

图5 “对象位置调整”及“颜色修改”工具

3.3 三维视景仿真驱动［5］

本文借助先进的视景仿真环境Vega来实现船舶驾驶舱视景仿真，通过Vega API函数实现用户、船舶驾驶舱人机工程学评价模型以及视景系统之间的交互.

其核心框架如下：

void zs Vega View：：r un Vega（void）

｛

continue Running＝TRUE；

vega Thread ＝ Af x Begin Thread（r un Vega App，this）；

......

｝

UINT r un Vega App（LPVOID p Param）

｛

zs Vega View＊ p Owner＝ （zs Vega View＊）p Param；

／／初始化系统并创建共享的内存区和信号区

vgInit WinSys（Af x GetInstance Handle（），p Owner－＞Get Safe Hwnd（））；

vgInit Audio（）；／／初始化声音

vgInit Marine（）；／／初始化海洋

／／调用应用定义文件

vg DefineSys（p Owner－＞get Adf Name（））；

vg ConfigSys（）；／／配置类的实例

／／视景仿真主循环

while（p Owner－＞get Continue Running（））

｛

vgSync Frame（）；／／帧同步

vg Frame（）；／／帧刷新

Interaction Model（）；／／交互操作响应模型

Evaluation Model（）；／／人机工程学评价模型

｝；

｝

可以发现，Vega仿真应用过程都是在Vega主循环中实现的，Vega主循环可以分为严格有序的2个步骤：（1）调用vgSync Frame（）函数进行当前帧的应用进程同步处理，即保证应用进程与给定的帧频率同步；（2）调用vg Frame（）函数完成当前帧的剔除和绘制进程及其相关处理.

4 结 论

随着社会经济地不断发展，人们越来越重视自身工作环境的安全性、高效性和舒适性.对于长期从事单调枯燥操作的海船驾驶部海员来说，驾驶舱的人机工程学设计是非常重要的.

本文基于人机工程学原理及船舶驾驶部工作特性，搭建了船舶驾驶舱人机工程设计评价仿真系统.为了获取更直观快速地设计反馈，笔者将视景仿真技术也引入仿真系统中.同时，允许用户与仿真系统间进行交互操作.从实际的应用效果来看，该仿真系统能较好地展示船舶驾驶舱真实的设计效果，实现人机工程设计关键指标的在线评估，为优化设计提供辅助决策支持.

［1］刘金林，曾凡明，吴家明.舰船动力装置虚拟设计与仿真系统的研究与开发［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009（1）：149－152.

［2］黄金锋，陶 伟，赵 罡，李 鹏.虚拟现实技术在人机工程中的应用要求标准研究［J］.中国舰船研究，2008（6）：49－53.

［3］刘金林，曾凡明，苏启军.基于CATIA的人体工程学在船舶动力装置虚拟设计中的应用研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2008（4）：657－660.

［4］孙 俊，陆 畅，逢守文.船舶机舱虚拟现实仿真系统的实现方法［J］.系统仿真学报，2007（1）：3 456－3 459.

［5］孙 俊，商 蕾.实时视景仿真技术在疏浚仿真训练器中的应用［J］.计算机仿真，2007（7）：136－138.