舱内功能及人机工效导向的载人潜水器工作舱布局设计方法

陈登凯 ，范昱 ，张帅 ，曲俊霖

1西北工业大学机电学院，陕西西安710072

2陕西省工业设计工程实验室，陕西西安710072

0 引 言

大深度载人潜水器工作舱的布局设计是潜水器整体系统设计的重要组成部分之一，不仅需要为潜航员提供工作、生活所需的一切设备和设施，还需要在基本无舒适度可言的环境中营造一个低疲劳度、低拥挤度和低紧张感的工作环境。

随着对海下资源勘探的深入，我国载人潜水器不断突破更大的下潜深度，这就给潜水器工作舱的布局设计带来了新的问题，主要有：1）海底压力的增大导致舱室球壳直径减小，即工作舱体积减少，设备排布更加紧凑集中；2）大深度下壳体的变形量对设备布置产生影响；3）球壳直径减少的同时也减少了地板面积；4）随着下潜深度的增加，潜航员的工作强度增强，更容易疲劳；5）储物空间更加有限。

以往的舱室设计多根据人体肌肉疲劳度的要求来进行，但这很容易使设备排布过分集中或是超出有限的空间，从而引起设备安装、使用和维护上的问题，而注重舱内功能和人机工效这2种导向的设计方法则可避免这些问题［1］。

本文将以舱内功能和人机工效为目标导向，通过分析这2种导向下的具体约束，提出以满足舱内设备正常运行的功能系统约束和降低潜航员不健康隐患的人机工效约束为基础的载人潜水器工作舱布局设计方法，形成针对大深度潜水器的舱内布局设计流程。最后以“蛟龙”号潜水器为例进行工作舱的布局设计，并利用JACK仿真分析系统等工具对布局方案进行人机综合评价，以对该方法进行验证。

1 舱内功能及人机工效导向的设计流程与方法

大深度载人潜水器的下潜深度一般在6 000 m以上，甚至是全海深，因此为减少潜器重量，工作舱的体积需要变小，但这对于形态设计和设备排布影响很大。另外，大深度下壳体的变形量也会影响设备排布。壳体变形量的问题主要通过搭建机架、留出余量的方式来解决。而有关舱室尺寸狭小的问题，首要的任务是把设备合理排布在小空间内，故需先确定舱内功能约束；由于符合人机工程学的布局尺寸可以避免潜航员因过度疲劳而导致对设备的误操作，因此还需确定人机工效约束。另外，由于舱室体积变小，还会带来设备面板的排布紧凑混乱的问题，这也会导致误操作，因此需要对设备进行功能分区设计［2］。我国于2009年研发的“蛟龙”号的面板排布就过于集中，对人的行为和心理考虑不充分，长时间操作很容易使人疲劳。

根据以上分析，认为大深度载人潜水器工作舱的布局设计需求如下：

1）保证设备安装和维修的可行性；

2）保证人员能够准确操作设备；

3）设备的排布符合人机工效学要求，能改善潜航员的作业疲劳问题。

要满足以上设计需求，就需要保证能消除壳体变形量的影响，能依据舱内功能和人机工效的尺寸约束解决工作舱布局的尺寸问题，并能规划设备排布和工作区域，最终得到符合尺寸要求的布局。

基于具体约束的设计方法的精准度和实用性很高，可以应用到现有的新型布局理念或智能布局方法上。例如，可以将功能系统及人机工效约束作为布局的先决条件，然后再对舱室布局优化的适应度函数等进行研究，之后再根据条件基于遗传蚁群算法（Genetic Algorithm-Ant Colony Algorithm，GA-ACA）等建立布局设计模型，开发布局设计系统［3］。文献［4］中所提的通过制定玩家间单独进行的布局游戏来帮助布局设计的方法，其本质即是以舱内功能为导向，以约束为基础进行游戏过程。该游戏的高分数解决方案由相应位置所需的设备排布情况是否最均衡合理来确定，因此需要事先布置人机及舱室2种导向下的约束条件以作为评定标准。

1.1 舱内功能导向分析

舱内功能导向下的设计，是指以满足舱内设备功能实现为方向进行的设计，是以设备为主体。首先，需要保证舱内设备能够被安装和维修，即要求设备排布互相留有余量，安装位置便于装卸；其次，需要保证设备安全运行，即要求面板的朝向方便观察，并给潜航员留有足够的操作空间。最后，根据设备尺寸、舱室尺寸和所需容度确定舱内功能约束。

舱内功能约束包括舱内机架尺寸、环境约束及工作舱分区。其中，环境约束包括球体尺寸、开孔尺寸、搭乘人员及其工作内容，以及其他设施约束；工作舱分区包括整体分区及各区域主要设备。

1.1.1 舱内机架

大深度潜水器耐压壳体的选材多为高比强度、高比刚度、具有良好冲压成型能力的钛合金材料，工作深度一般在6 000 m以上的深海海域，其耐压壳体身处高压环境［5］，会产生微小的变形量。考虑到大深度下壳体变形量对设备布置会产生影响，可采用如下解决方法：由于舱体内部不适合硬连接，故可采用先搭建机架，然后再在机架上安装内饰板，采用在内饰板内进行设计的方法；在机架与壳体之间留有容量，用以避免壳体变形对内部设备造成影响，如图1所示，地板直接与壳体连接。此外，在进行分区设计时，还可对主控区、显示区及生命保障区（以下简称“生保区”）的规划增加5%～10%的体积余量，以保证设备的安全性。

1.1.2 环境约束

为了使布局设计合理有效，方案的制定需要严格遵循大深度载人潜水器工作舱技术要求中的环境约束尺寸，因为环境约束确定了设计方案的基本形态。环境约束尺寸包括：球体尺寸；人员可用地板直径、天花板高度；开孔尺寸，即舱口直径和舷窗直径；潜航员信息；已规定容积的其他设施的约束。

其中，潜航员及必备物资空间等约束为固定值，具体如下：载人潜水器的搭乘人员包括操控潜水器的潜航员和科学家，平均身高175 cm，体重80 kg。潜航员位于主观察窗后的中间位置，负责监测、通信、航行控制、设备启停操作、压载抛弃操作，以及作业机械手和工具的操作等控制潜水器航行与任务执行的工作［6］。科学家位于左、右舷观察窗后，负责配合水下作业任务、与水面进行协调、操作录像设备并向母船发送信息等工作，同时还要观察障碍物，以防止碰撞的发生。潜航员的正常工作时间为不超过12 h的下潜区域的白昼时段。

舱内其他设施的约束如表1所示。

表1 其他约束Table 1 Other constraints

1.1.3 工作舱分区

1）整体分区。

根据设备功能的不同，工作舱内可基本分为主控区、显示区、生保区、工作区及其他设备区，区域排布如图2所示，以主控区和显示区为主。各设备按功能排布，以使潜航员能清晰地辨识，便于操作。

不包括天花板上及地板下的空间，在潜航员可活动的中部空间中，考虑到设备体积及其与内饰板之间的余量，主控区与显示区的体积约占中部空间体积的10%～15%，在内径为1 800 mm的舱体中约为200～300 L，生保区约占总体积的12%～13%，约为240～260 L。

2）各分区设备。

各分区设备全部都需要规划排布，并符合潜航员的操作流程与习惯［7］。各分区中的具体设备内容如下：

（1）主控区，包括含有操作手柄的操作台、加电控制面板、移动摄像机控制面板等。

（2）显示区，包括航空信息显示屏、综合显示屏、报警指示灯等。

（3）生保区，包括生命保障用品、应急生活用品存储设备等。

（4）其他区域，包括立体音响、蓄电池、对讲机以及笔记本等。

1.2 人机工效导向分析

人机工效导向下的设计，是指以降低潜航员疲劳度为方向进行的设计，是以人为主体。首先，需要保证潜航员能够安全工作，即避免复杂设计和不清晰的设计，少棱角，确保生保系统空间充足。其次，需要保证减少使潜航员不健康的隐患，即要使设备的排布尽量满足人机工程的要求，并考虑环境带给人的生理和心理上的影响。

大深度载人潜水器工作区域布局的人机设计涉及各操作面板和显示面板的具体排布填装。其中，操作面板等装置的放置需要依据国家标准中规定的40项立姿和22项坐姿、人体静态数据（包括人体主要参数、立姿人体参数、坐姿人体参数、静坐时的人体尺寸与身高等）、人体动态数据（包括成年男子上肢的功能尺寸等）［8］，以及舱体各区域的约束尺寸来确定出最合理的设备安排和最佳的人员姿势。另外，舱内各显示装置位置的确定直接决定了其阅读和识别的精准性与时长，因此在进行显示装置的布局设计时，应重点考虑人的两只眼睛的视野，包括国家标准中规定的水平面各类物体的视野、垂直面各类物体的视野［9］，以及及视觉特性等数据。依据以上标准，得到了表2所示工作区域操作装置布局设计的部分数据范围及表3所示显示装置布局设计的部分数据范围。

表2 操作装置布局数据Table 2 The data of the operating device layout

表3 显示装置布局数据Table 3 The data of the display device layout

1.3 两种导向的关系

在确定技术要求的范围时，舱内功能系统约束要优先于人机工效约束。以显示区为例，功能系统约束确定了区域的整体容积以及需要排布设备的数量与尺寸，人机工效约束则确定了每个设备的最佳排布位置范围，设备的最终位置在此范围内或接近此范围即可。采用集合的形式来表示显示区布局设计时2种导向的内容及其关系，如式（1）所示。

式中：Fc为舱内功能系统约束尺寸；Ec为人机工效约束尺寸；Va，Wa，Qe，Ve，We分别为区域容积、区域宽度、设备数量、设备容积及设备宽度；分别为最佳视角和最佳视域；T1为根据功能系统约束确定的显示区布局设计的技术要求范围；T2为根据2种约束确定的最终技术要求范围。

1.4 设计流程

以舱内功能和人机工效为设计导向，以满足约束要求为实际办法，综合考虑了大深度、多约束、狭小空间、人机交互等特点和与求［10］，确定的设计流程如图3所示。可分为3个部分：

1）根据2种导向下的约束提取出技术要求范围［11］；

2）对舱内进行整体规划和分区域设计，并进行具体的尺寸设计；

3）进行人机综合分析，考察是否满足人机工效及其他要求。

人机仿真分析是将现实应用投影到虚拟人机交互中进行评价的最清晰的工具［12］，利用仿真软件可检查设备间是否干涉、人的操作是否满足舒适度要求，并进行修改，完善方案。

传统的工业设计流程如图4所示，其是以造型设计为主，讲究通过造型的概念设计来表达美观、舒适等特点，并通过造型的创新来解决人们使用产品的问题，而尺寸约束则需要根据造型的需求做出让步。由于大深度潜水器舱室的布局设计不具备传统工业设计空间自由的条件，因此必须严格满足约束，合理分配空间，以保障下潜工作安全、有效进行。

在后续的发展中，也可以综合运用相关的布局方法，囊括多方面的布局要求，对最终位置不断地进行优化，如具体约束下的舱室声学布局方法［13］、动态环境的布局方法［14］、基于可维护性的设施布局方法［15］、将专家经验用数值进行表示来建立问题描述模型的知识融合方法［16］等，创造在声学环境影响、设备最优维护等要求下的辅助约束，然后再进行设计。

2 舱内功能及人机工效导向设计案例

2.1 约束分析

1）功能系统约束。

以“蛟龙”号潜水器舱内布局设计为例来确定舱内功能系统约束，包括环境约束及工作舱分区。图5所示为将“蛟龙”号某型号潜水器同比例缩小后的大深度潜水器工作舱的模拟尺寸。

首先，确定其球体尺寸与开孔尺寸（图5），规定球体内直径为1 800 mm；依据人体舒适的坐高、蓄电池体积等尺寸，综合确定人员可用地板直径为1 245 mm，地板抬升为250 mm；天花板高度为1 100 mm，控制台高300 mm，前设备宽200 mm；舱口开孔直径460 mm；前观察窗透光直径180 mm，舷侧观察窗透光直径108 mm，舷侧贯穿件2个。

其次，规划分区，同时确定每个区域中的设备。有关工作舱的分区1.1.3节中已经展示。

2）人机工效约束。

人机工效约束依据表2所示的操作装置布局数据和表3所示的显示装置布局数据。人机工效导向下的空间排布要求设计较多的储物空间以避免杂乱无序。由于工作舱的整体空间有限，因此根据约束整合舱内空间后，凡可利用的区域均可设计为储物空间［17］。

将以上2种约束合并为技术要求范围，设计过程严格遵循技术要求范围。按照设计流程，先对舱内各分区的排布与内容进行总体设计，然后再对每个区域中的设备位置进行尺寸设计。最终得到的设计规划需分区明显，整体富有秩序感，空间使用率高，是一种能够有效降低人员疲劳程度的方案。

2.2 工作区域设计

工作区域包括主控区和显示区，包括含有各种设备的控制面板和显示面板，是工作舱布局设计的关键。面板根据操作习惯和使用频率进行排布［18］，各面板间需提高融合度［19］，以便于潜航员辨识并操作。区域色彩的使用要便于潜航员能清晰地辨认［20］，增强潜航员操作的平稳性。表4所示为根据技术要求范围确定的各面板具体尺寸。

2.3 三维模型建立

确定了设备的位置后，便可设计方案草图，同时审查并筛选方案。首先依据具体的尺寸进行尺寸设计，并运用计算机辅助工业设计建立三维模型，如图6所示。

2.4 人机综合分析

人机综合分析是检验设计方案是否满足人的操作需求最直接而有效的方法［21］。可利用仿真软件检查设备间是否干涉、人的操作是否满足舒适度要求，以验证此方法的可行性。

2.4.1 基于JACK的人机分析

JACK系统包含了基础的人体测量数据、关节柔韧度、健康状况、疲劳程度、视域、可及度等医学及生理参数，是目前公认的比较好的人体仿真模型和功效评估软件系统［22］。本次仿真实验设定的人体参数为中国男性身高及体重数据中第95位百分数的数据，符合我国潜航员的平均身形要求。

1）基于JACK的工作区人机分析。

工作区人机分析主要涉及可视域及可达域的分析。由图7（a）可以看出，潜航员的可视域包括操作台、航控信息显示屏面板及加电控制面板，潜航员工作时的最佳视域处于航空信息显示屏部位。由图7（b）可以看出，潜航员的左、右手可达域包含操作台及其操作装置、航控信息显示屏面板、加电控制面板以及部分综合显示屏面板。潜航员工作时的最佳可达域处于视窗及操作台操作手柄处。

2）基于JACK的舒适度分析。

本次对潜航员工作舒适度的分析选取Dreyfus s3D舒适度分析、OWAS分析及Lower Back Analysis分析［23］。

Dreyfus s3D舒适度分析属于关节舒适度分析，它可以确定某一活动区域是否使人感到舒适。图8所示为潜航员工作时，背部直立坐姿（主要针对潜航员观察屏幕或操作设备面板）和背部弯曲坐姿（主要针对潜航员观察舷窗进行作业任务）的关节舒适度数据。其中图右侧第1列和第3列的数据分别表示最低值和最高值，第2列为JACK仿真软件评价出的值，第4列为典型值，也即大多数人可以接受的值，横坐标表示与第4列典型值的差值。两侧数值越大，说明舒适度越低，其中绿色表示在舒适度范围内，黄色表示超出了舒适度范围。从中可以看出，上身部分是保持在舒适度范围内的，但受地板高度的限制，右脚踝、左脚踝、右小腿和左小腿均处于不舒适的状态［24］。

OWAS分析用于在动态仿真过程中评价基于背部、手臂和腿负载要求下的工作姿态的不适程度。分析结果可分为4个级别：级别1为良好姿态；级别2为姿态基本正常；级别3和级别4的姿态分别表示有不良影响和非常有害，需要立即调整以避免身体损伤。由图9（a）可以看出，潜航员的工作姿态属于级别2。Lower Back分析用于分析特定环境下人体脊椎受力对下背部的影响，分析结果表现为背部压力数值，判断数值是否符合美国国立职业安全与健康研究所（National Insti⁃tute for Occupational Safety and Health，NIOSH）的标准［25］。NIOSH标准给出的背部压力的推荐力为3 400 N［26］。由图 9（b）可以看出，潜航员的背部压力值约为1 200 N，在舒适值范围内。

3）4 500 m级“蛟龙”号工作舱对比。

与原4 500 m级“蛟龙”号工作舱相比，大深度潜水器工作舱的球壳直径由2 m减少到了1.8 m，3名潜航员的活动区域不可避免地变得更小，空间更加拥挤，但注重舱内功能系统及人机工效2种导向的布局设计保证了设备的安装使用，可减轻潜航员的疲劳度。而4 500 m级“蛟龙”号工作舱的布局设计则存在设备排布集中紧密、各区域分区不明显、直角过多的问题，导致潜航员较易疲劳。潜航员的Dreyfus s3D关节舒适度分析如图10所示，该舒适度数据由4 500 m级“蛟龙”号工作舱的设计模型分析得到，非实际舱体。从中可以看到，上肢多处关节超出了舒适度范围。本次设计通过整合区域、分离面板、添加曲面、按使用习惯排布设备等方法解决了以上问题。

2.4.2 座椅区域人机性能分析

根据约束要求，地板的抬升高度为250 mm，潜航员的座椅高度为358 mm，工作台高度为550 mm，潜航员在正常坐姿状态下手臂（以肩关节为中心）距工作台面的直线距离为650 mm，距正前方面板的距离为875 mm，距上前方面板的距离为840 mm，如图11所示［27］。根据以上模型尺寸及数值修正，要求计算出实际数据，与人机工程国家标准人体尺寸进行对比后得出结论。

数值修正：

1）坐垫高度为100 mm，潜航员坐上后的修正值在50～60 mm之间，因此坐垫与工作台面之间的距离为250 mm。根据人机工程理论相关数据，保证正常工作的舒适值为230 mm，数据基本符合要求。

2）在正常坐姿状态下，手臂最大测量范围（以肩关节为中心）距离工作台面650 mm、距离正前方操控面板875 mm、距离上前方操控面板840 mm，其范围值为650～840 mm，身体倾斜修正值为300～400 mm，最终的范围为950～1 240 mm。根据国家标准给出的作业空间坐姿人体尺寸表，正常坐姿下手臂最大可及度为816 mm，修正值为1 216 mm。本次设计数据中，手臂最大可及度除了距加电控制面板的距离外，其他尺寸均满足要求，超出的数值为24 mm，在可接受范围内［28］。

3）人机工程学建议舒适的蹲坐工作姿态最小高度为120 mm，衣物厚度修正值为3～10 mm，最终范围为123～130 mm。座椅距工作台的高度为130 mm，数据基本接近最小值。

3 结 语

以舱内功能和人机工效为导向的大深度潜水器工作舱布局设计方法，是以舱内布局技术要求和人机工程学为基础，通过提取约束要求和分区域设计等关键步骤来进行工作舱的布局设计，旨在使设计方案具备较强的实用性，从而有效避免安全隐患。对于此类容积小、安全性要求高、工作强度大、多组件集合的的工作空间布局，与传统工业设计方法相比，本文提出的布局方法和流程的针对性与系统性更强，并且有利于设备安装维护的实施。

以“蛟龙”号为例，按照所述布局设计方法进行设计的案例模型，能够做到遵守技术指标和尺寸约束，充分依据舱内功能系统约束与人机工效约束，合理利用有限空间，降低潜航员的疲劳度等要求。借助计算机辅助工业设计对其进行人机综合评估，得到了具备仿真数据评价且符合技术要求的舱内布局设计，验证了此方法的可行性。

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