基于DELMIA的虚拟人潜艇舱室空间分析

彭 飞， 陈 武， 牟金磊

(海军工程大学 舰船工程系， 湖北 武汉 430033)

基于DELMIA的虚拟人潜艇舱室空间分析

彭 飞， 陈 武， 牟金磊

(海军工程大学 舰船工程系， 湖北 武汉 430033)

在潜艇的前期设计中，研究如何评估舱室空间设计的优劣，进而对舱室空间进行改善具有十分重要的意义。国内对潜艇舱室空间的研究较少，该文通过借鉴类似室内空间设计准则和人因工程理论的分析研究提出潜艇舱室空间的评价标准，利用虚拟人技术完成潜艇舱室空间设计的量化评估，使存在的问题能在投入制造前得到解决，从而节约了研发的时间和成本，提高了潜艇作战效能。

DELMIA 虚拟人 潜艇舱室 空间分析

1 引言

现代潜艇作为一个庞大复杂的综合作战系统，其综合作战效能的发挥，直接受制于艇员。而狭小复杂、不合理的舱室空间设计往往对艇员的身心状态造成消极影响，对艇员的操作、维修、使用行为造成困难[1],因此,提高潜艇狭窄舱室空间的可维修性和居住性,将有利于增强潜艇战斗力。

2 潜艇舱室空间设计的一般要求

空间环境是居住性中非常重要的要素，既可以属于环境要素，也可以划分到生活设施中的居住舱室要素，主要通过结合人因因素来判断空间环境的优劣。从人机工程学的观点出发，其设计基准值包括最佳值，即最适合人的各种特性的推荐值。而最小值和最大值分别指人能正常进行活动或判断所需的最小值和最大值[2]。对于船舶而言这些数值有其特殊性，以下是舱室的一般设计准则。

2.1 空间环境的一般设计基准

(1) 高度设计基准。据统计，居住舱室最佳净高东方人为2 065 mm；西方人为2 170 mm。考虑裕度，东方人最佳尺寸为2 100 mm，一般 90 mm可为心理裕量来考虑。

(2) 通道宽度基准。居住区通道宽度以着衣者肩宽为单位，身体厚度为半个单位，据此考虑通道宽度一般为1～2.5单位。

(3) 住舱面积设计基准。居住舱室面积与诸多影响因素有关，我国《沿海客货船船员和乘客主要舱室面积及家具配置》中给出了相应的规定。

(4) 床铺尺寸基准。当前，各国都是以人体尺寸及标准偏差为基准确定床的形状和尺寸。实验表明，最佳床宽为900 mm。床的必要最小宽为700 mm，加上裕度取800 mm。

3 基于虚拟人的舱室空间评价方法

空间环境的评价方法一般有两种：一是规范法，根据规范确定为两级评价，满足规范为合格，不满足规范为不合格；二是三维评价法，利用软件建立三维模型，结合人因工程理论对人的舒适性进行评价。这两种方法可以视情况而定，前者简单易用、操作方便；后者是未来的发展方向。因此本文选择利用虚拟人仿真方法对空间环境进行评价。利用虚拟人进行空间评价的一般流程为：虚拟人建模、虚拟人工作姿势分析、利用典型空间环境下的姿势分析评价空间的优劣[3]。

3.1 基于DELMIA的虚拟人建模

人体模型是虚拟环境中最重要的一个部分，所有人机工效分析研究都需要通过人体模型来完成[4]。由于现在已经存在了一系列人体模型的规范，本文主要针对人体外在表征和动作控制进行研究和简单阐述,同时利用DELMIA作为建模和控制的软件基础。

(1) 工作环境对建模人体参数要求。首先，虚拟工作环境对人体外在表征的最低要求是在艇内特殊的环境下，只有符合一定身高体重的虚拟人才能在保障基本生理条件的情况下在里面进行活动。其次，在特殊环境和特殊任务的要求下，需要对外在表征有更加苛刻的限制，以使虚拟人在该虚拟环境下工作时除了保证基本的生理条件外还可以具有一定的生理和心理上的舒适感。然后进行人体建模，并最终达到反映实际人机工效的效果。

(2) 实际构建模型具体参数。虚拟人人体尺寸设计是以《中国成年人人体尺寸》为数据基础[5]。采用DELMIA对创建的人体模型进行尺寸的定义，以符合中国成年人的人体尺寸标准。

(3) 虚拟人的控制。在研究人体的运动时，从运动机构的角度把人体看成是一个标准的铰接机构[6]，而人体的运动可以看作由关节和节段组成的连杆运动体系。

DELMIA能够自动提供各个关节最大范围的活动限制，能进行自由的控制，同时可设置手臂活动舒适位置和极限位置等[7]。

3.2 空间环境的评价体系

对几种典型的人体姿势活动空间设计进行评估。人在舱室生活工作时的活动姿势主要包括坐姿、立姿两大类。其中立姿空间可分为高度空间，前后空间、宽度空间三个指标；坐姿空间主要包括水平面空间，垂直面空间。空间环境的评价，结合三维模型和虚拟人不同姿势下的仿真做出初步评价，评价标准参考GJB 4000-2000以及《人因工程学》中的规范，建立评估核对表，最后进行评分，将空间环境这一指标定性评价。

3.2.1 立姿空间评价

(1) 高度空间评价。人体立姿的活动空间均以身高175 cm成年男性为型，以肩关节为圆心的直臂抓握空间半径为65 cm。根据上述分析建立高度空间评级分类如表1所示。

表1 顶部空间舒适性评级分类表

(2) 前后空间评价。根据规范要求，以正常男性为基准，当物体处于地面以上110～165 cm高度，并且在身体中心左右46 cm范围内时，人可以在直立状态下达到前侧46 cm的舒适范围(手臂处于身体中心线处操作)，最大可及区弧半径为54 cm。对于双手操作的情形，由于身体各部相互约束，其舒适作业空间范围有所减小。这时伸展空间为：在距身中线左右各15 cm的区域内，最大操作弧半径为58 cm。根据上述分析，以物体距身中线左右各15 cm为基准，建立的活动空间评级分类如表2所示。

表2 前后空间评级分类表

(3) 宽度空间评价。舱室内由于拥有众多设备，留给人行走的空间宽窄不一，整体行走的空间也并不是如走廊般直来直去，因此在评价舱室宽度空间时，利用虚拟人模型(身高175 cm，肩宽48 cm,胸厚16 cm)，从单人行走，双人行走两个方面进行评价，建立评级分类，如表3所示。

表3 宽度空间评级分类表

3.2.2 坐姿空间评价

根据《人因工程学》中所述，人体最合理的作业姿势就是坐姿作业。因此舱室空间评价需要考虑坐姿时的舒适程度，更为细致地可以将其分为水平面空间和垂直面空间分别进行评价。

(1) 水平面空间评价。水平面空间设在人体上肢的操作范围内，分为作业的最大区域和正常区域[8](如图1所示)，分别表示在作业时上肢在工作台范围内水平面上移动形成的最大范围和最舒适范围。其中1区：虚线表示水平工作面的最大区域；2区：细实线表示水平工作面理论上的正常区域；3区：粗实线表示水平工作面的实际正常区域。

图1 水平工作面最大区域、正常区域和工作区域

评价工作区域的好坏主要是依据控制台是否布置在人体上肢的操作范围内，是否布置在人体的舒适区内，如左右有共同工作的作业者，两人之间是否会产生干扰，干扰程度如何。根据上述分析及参考图示建立水平面工作区评级分类，如表4所示。

表4 水平面空间评级分类表

(2) 垂直面空间评价。坐姿作业空间范围由上肢活动范围所决定。图2表示了垂直面和水平面上肢所能达到的运动区域尺寸。其中1区：人体上肢操作范围的最佳区域(一般用于配置重要的控制按钮或者显示设备)；2区：人体上肢操作范围中容易达到的区域；3区：人体上肢能够达到的最大区域。根据上述分析及参考图建立垂直面空间评级分类，如表5所示。

图2 坐姿抓握尺度范围和坐姿上肢工作区域

项目评价分级评价准则垂直面空间非常好作业对象位于工作边界线内,且位于1区内。好作业对象位于工作边界线内,且位于2区和1区间。一般作业对象位于工作边界线和不常抓握区之间,且位于2区内。差作业对象位于不常抓握区,且位于2区以内或作业对象位于工作边界线内,且位于3区。非常差作业对象位于不常抓握区,且位于3区。

4 实例分析

以某潜艇舱室为例，运用CATIA软件对舱室进行空间测量，测得指挥舱室高在170 cm～276 cm，此为不计算顶部设备的净高度。在此与二维布置图进行对应，确定其最大高度为200 cm，因此该舱的指挥室高度在180 cm～200 cm之间，具体测量如图3所示。

图3 指挥舱室测量示意图

4.1 立姿空间分析

(1) 高度空间分析。以艇员站姿作为研究对象，做一个虚拟人的仿真，进行高度空间的评价。虚拟人可勉强满足自由挥臂的需求，如图4所示。由上述的评价规范，在顶部空间项目上指挥舱室可勉强满足自由挥直臂，因此顶部空间项目评价为好。

图4 虚拟人空间评价

(2) 前后空间分析。定义虚拟人为身高175 cm，臂宽48 cm，以此标准建立虚拟人模型。模拟在指挥舱室实际立姿作业场景，人体的活动空间边界距身体中线大于臂长，即大于58 cm，如图5所示。根据虚拟人仿真结果，该舱室立姿前后空间可评价为非常好。

图5 立姿作业

(3) 宽度空间分析。由于舱室空间的分布不均，在具体做评价时设定一条线路，例如由卫生间→指挥台→会议室→生活舱入口。对这一路上四个特殊地方进行三段评价，最后根据归一法确定行走空间的评级。第一阶段：从卫生间到指挥台阶段。

如图6所示，这段空间完全足够两人并排自由通行，行走空间大于100 cm，因此这段评价为非常好。

图6 双人并排行走

第二阶段：指挥台到会议室。

指挥台距离会议室较近，只能由单人通过，而且指挥室与会议室之间的门也只能单人通过，如图7所示，因此这段的宽度空间评价为一般。

第三阶段：由会议室到生活舱门。

图7 单人先后行走

这一段由于经过会议室桌子，桌前的椅子属于可调节的物品，因此在这段行走当中可以勉强达到两人并排前行，如图8所示，因此此段评价为好。根据此三段的评价，其分别为非常好、一般和好，整体考虑整个指挥舱室的行走空间较为良好，因此行走空间的评价为好。

图8 双人并排行走(会议室)

(4) 立姿空间评价。综合上述分析，对立姿空间的评价结果如表6所示。

表6 立姿空间评价

4.2 坐姿空间分析

(1) 水平面空间分析。在指挥台前加载虚拟人，模拟其在指挥舱室指挥台上的作业过程。以作业过程中需求的最大空间为例，如图9所示，两位作业者可以满足正常水平面工作的要求，并且两人之间作业时无干扰，空间舒适性较高，因此水平面作业评价为非常好。

图9 水平面两人工作范围

(2) 垂直面空间分析。在这里以控制台为例，虚拟人模拟操纵上方按钮的动作，如图10(a～d)所示。对照上文标准图例，作业的对象大多落在1区和2区之间，并且控制台显示屏幕较多，因此作业时还会用到3区的一些显示数据，根据模型中两虚拟人的作业情况，测量得到显控台到人体的距离为44 cm，下方屏幕至人的视距为52 cm，上方屏幕至人的视距为59 cm，在虚拟人仿真过程中还发现了垂向空间的一个重要问题(见图10(d))虚拟人膝部空间不足，因此垂直面空间的综合评价结论为好。

(3) 坐姿空间评价。

综合上述分析，对坐姿空间的评价结果如表7所示。

表7 坐姿空间评价表

图10 垂直面工作时作业对象

4.3 综合分析

经过上述分析，该艇舱室空间指标中垂直面空间判定最差，影响人员坐姿工作效率，改善空间可以以优化垂直面空间为主。

5 结论

本文研究了潜艇舱室空间的设计要求，结合人因工程理论提出对舱室空间的评价标准， 并利用虚拟人技术对某型舱室进行了分析评估，得到了舱室立姿和坐姿空间及相关指标的优劣，对后期的研制有一定的参考价值。

另在本文的基础上可进一步细化评价体系，建立完善的评估模型，加深对虚拟人技术的利用，是科学有效地评价决策工具。

[1] 王晓红. 潜艇居住舱室的布置及装饰[J]. 武汉造船, 2000, 2，4-7.

[2] 张宏林. 人因工程学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[3] 宋福宏. 基于汽车人机工程的虚拟人体模型研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2007.

[4] 杨宇航, 李志忠, 郑力. 虚拟维修研究综述[J]. 系统仿真学报, 2005, 17(9): 2191-2196.

[5] 黄璐. 铁道车辆人椅界面数字化设计及其乘坐舒适性仿真[D]. 长沙：中南大学, 2011.

[6] 杨明, 尹明德. 基于DELMIA的虚拟装配中人机工程仿真与应用[J]. 农业开发与装备, 2009, 7: 12-15.

[7] 王占海. DELMIA人机工程在飞机虚拟维修中的应用[J]. 长沙航空职业技术学院学报, 2009, 9(4): 36-41.

[8] 徐孟, 孙守迁, 潘云鹤. 面向工作空间设计的虚拟人体模型[J]. 中国机械工程, 2006, 17(8): 836-840.

Spatial Analysis in Submarine Based on Virtual Human in Delmia Environment

PENG Fei, CHEN Wu, MOU Jin-lei

(Naval University of Engineering, Department of Ship Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

At the early stages of the submarine design, study how to evaluate the merits of the cabin space design, thus to improve the accommodation space is of great significance. Domestic study on submarine is less. In this article, through reference to similar interior space design criteria and human factors engineering theory，and put forward the evaluation standard of submarine cabin space. Using the virtual human technology to evaluate quantitative for the submarine cabin space design, the problem and defects can get completion before put into manufacture and use, save development time and cost, increase the efficiency of the submarine warfare.

DELMIA Virtual human Submarine cabin Spatial analysis

彭 飞(1975-)，男，副教授，博士。

U662

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