基于JACK系统的舰船驾控台人机工效设计及仿真评估研究

张凯 王秋阳

摘要：为了提高舰船人机工效设计的质量。基于人机工程学原理及人体测量学的相关参数，利用JACK系统中的数据库，在舰船驾控台的人机工效设计中开展视野和行为的可达性相关设计工作，并开展了视野仿真评估和可达性仿真评估。得到JACK系统对仿真结果。表明该驾控台的设计能够满足驾驶人员的使用要求设计方法合理、可行。

关键词：驾控台 人机工效 仿真 布局 JACK

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 04-0014-04

前言

随着现代舰船航行和作战的需要，舰船需要满足能在海上长时间逗留和具备极强的战斗力，操纵功能更加复杂，对驾驶员的要求不断提升，减少驾驶员的出错概率变得尤为重要。然而，海洋事故却不断发生。事实上，60%～80%的海上事故是由人为错误引起的，表明人为操作的失误对舰船航行安全影响巨大[1]。驾控台作为舰船航行操纵及指挥的重要平台，是一个人、机、环境三种因素互相关联的复杂系统。其设计不仅要求能为驾驶员提供清晰全面的信息，准确判断并快速执行决策的操纵方式，而且还必须考虑人自身的各项因素以及环境的影响[2]。因此，在项目前期就应该对驾控台控制面板布局、可达性、控制器件的操控性、视野范围、防误操作设计、人员工作负荷度等方面进行综合评估，及时发现驾控台人机工效设计中的问题，从而提高舰船的航行安全性和整体效能。

一、人机工效设计要求

舰船驾控台是驾驶员感受信息、操纵舰船的人机界面，是驾驶员作战航行的工作场所。因此，驾控台人機工效设计包含以下要求：

（1）视野要求：驾驶室的驾控台外形、设备布局必须给驾驶员以足够宽阔、清晰和不失真的视界，使其能在航行过程中安全地完成任何动作。对显示装置、控制面板进行合理布置，以确保任一驾驶员在其工作岗位内尽可能少偏移正常姿势和视线，即可看清供其使用显示装置。

（2）可达性要求：应根据驾驶员的分工和所处的位置来设置控制面板的方位，供驾驶员使用的所有操控器件，必须布置在可达的使用范围内，最重要和最频繁使用的控制器件，其安装位置应是最易于可达和抓握的地方，并且控制器件的选择上要考虑编码识别、形态尺度、控制阻力、相合性、布局需要等要求。

二、驾控台人机工效设计

驾控台是一个典型的复杂人一机一环境系统，“人”是指舰桥作业人员，进行设备操纵或决策，“机”指舰桥的操纵、导航、通讯及武器装备等，“环境”指人和机器共处的舱室条件，例如噪声、照明及温度等，能够影响人员的作业和生活[3]。基于人机工程学的驾控台结构设计，主要就是使驾控台的结构形式能够让操作员坐着舒服、看得清楚、操作方便，也就是为操作员提供舒适的操作空间，使操作员获得最佳的视觉效果，让操作员可以方便地操作显控台上安装的设备[4]。

（一）人体模型确定

以身高为取样参数，在这种情况下，小身材驾驶员（第5百分位）、大身材驾驶员（第95百分位）这两个子样便成为判定90%驾驶员群体使用需求满足度的合理边界。此次驾控台人机工效分析是在第95百分位中国海军男性舰（艇）员的人体模型基础上进行的[5]，驾控台应当能够容纳P95以下男性士兵的尺寸。以GJB/Z 131-2002《军事装备和设施的人机工程设计手册》中附录C-海军舰（艇）员人体测量数据为基础，在JACK数据库中建立了P95的CHINESE人体模型，如图1所示。

（二）人机关系模型设计

驾控台的人机关系模型包括航行驾驶员和驾控台、操控装置、显示装置等硬件实物装置。

驾控台上的人物模型从左至右分别是：驾驶员A、驾驶员B、驾驶员C、驾驶员D，如图2所示。站姿人物模型腹部距离操作台面边缘lOcm左右，坐姿人物模型位于座位中心。其中B、C两站位的驾驶员是主要的航行操纵人员，为此次人机工效评估的重点，A、D两站位的驾驶员为辅助操作人员，其可达性和视野受影响较小，不作为此次评估的对象。

操纵装置包括舵轮、主机推杆、按钮、旋钮、按键及把手等，显示装置包括仪表、数字显示装置、信号灯和指示灯等[6]。

驾驶员设计眼位处于垂直距离座椅中位点795mm-800mm范围内，保证在正中矢状面前方170-240mm、左右+35mm构成的空间分布范围内可正常观察。座椅的设计可以在垂直向上、向下调节幅度达到50mm，以满足驾驶员可将眼睛位置调整到设计眼位水平。

（三）显示器及控制面板设计

1.显示资源设计

主显示器的显示资源进行了应急备份设计，能够保证主航行显示和应急备份显示器之间从信号探测、传输到信息显示全系统间的完全独立。 显示信息的设计具有足够的视觉对比度方便驾驶人员观察和理解，保证驾驶人员在不出现眼部疲劳的情况下识别和辨认出信息。所有显示器的显示信息在字体、位置、大小、形状、标记、动态变化、告警等方面都采用一体化设计，提高了显示资源设计的规范性。闪烁作为一种重要的信息通知方式，但如果滥用就会减弱吸引注意的效力，因此，闪烁频率的设计选择为0.8Hz-4.OHz。

信息元素（文本、符号、等）在字号的选择上都较大，使驾驶人员能在所有条件下都能轻易观察和理解。原则上，信息显示采用汉字为主，在此前提下，使用少量非汉字字母、数字或图形符号。显示器上汉字采用宋体，以抗畸变形式呈现，汉字大小在设计眼位观察一般为不小于0.4°视角。汉字笔画宽度为字高的十六分之一至八分之一，航行数据中的数字和字母所占据的垂直视角应不小于0.35°。

显示器上标记可以是汉字或图标，其布置按照如下原则进行设计：标记和被标记对象之间空间关系明确;标记的朝向可促进可读性;标记用于指明正起作用的功能，且当该功能不再起作用时功能标记也随之去除。

显示资源中颜色的选用基本满足一致性和标准化，确保信息的正确传递，同时，每种编码色均有足够的色度分离，可以满足在所有照明和飞行状态下以及和其他颜色一起使用时，该颜色可以辨认、易于区分。每一种显示数据类别分别采用一种颜色，以避免颜色与颜色含义间的错误匹配。字符颜色与背景颜色之间的差别为lOODE的色度分离。同一系列内的两种颜色之间差别为20DE的色度分离。字符颜色与背景颜色之间的对比度为7：1。在黑色背景的显示画面中，同一幅画面中的颜色搭配方案如表1所示：

显示信息的分区设计时，针对一个物理显示器上有多个分区的情况，分区大小也会不相同，分区之内、之间信息元素的距离设置足以满足驾驶人员轻易区分独立的功能或功能组合，并避免分心或意外交联。

2.控制面板设计

控制面板组件是提供给驾驶人员直接操作的人机交互界面，实现驾驶人员对船上各相关系统的控制与操作。控制面板上的典型控制器件包括：旋转开关、按压开关、扳动开关、键盘、轨迹球和操纵手柄等。通过对操作任务流程进行分析，开展集成化设计，使控制器件的类型限制到最少，同时，在同类控制器件的选型上尽量做到动作感觉和阻尼感一致。同时，在控制面板的布局方面，由于燃气轮机控制面板和航行控制面板是驾驶员需要频繁操控的两块控制面板，所以优先将这两块控制面板优先放在B、C站位驾驶员的最舒适的可达区域里，即靠近中台前部的区域。

按键的设计在考虑人机功效的相关规定后，边长定为18mm，相邻按键顶部间距的距离为6mm，保证在操作一个按键时，不会引起其他按键的工作，按键的行程为4.8mm，操作按键用的压力为5N。按键的阻尼设计根据驾驶员的使用习惯，阻尼值偏大，按压的触感明显。在重要按键上采用指示灯作为反馈信息，使驾驶员能方便明确当前的功能状态。

（四）驾控台视野设计

驾控台视野设计主要是根据人体生理特点确定的最佳视区、最大视角区域，在上述区域内对驾控台设备进行合理的布局[7]。

根据GJB 2873-1997《军事装备和设施的人机工程设计准则》的要求，头部自然转动向上、向下、向左、向右15度范围为最佳视区，头部能转动的最大角度范围为最大视角区域。显示装置是人机系统中人机界面的主要组成部分之一，人依据显示装置所传递的机器运行状态、参数、要求，才能进行有效的操纵和使用[8]。为保证驾驶员能够在航行期间大部分时间处于最佳视区，降低疲劳感，主显示器应位于驾驶员眼球转动时的最佳视区，若因设备布局的限制，不得不超出最佳视区时，务必不应超出头部转动时的最大视角区域，如图3、4所示。

由于B、C站位的座椅正常高度和规格都一致，并且驾驶员的人体模型也是相同的，所以驾驶员B和C在垂直视野上范围一致，如图5所示。

从图中分析可以得知，在水平可达范围和垂直可达范围内，驾控台上的主显示器和大部分控制面板均在驾驶员的最大视野范围内，并且在稍微转动身体的情况下就能够覆盖到所有的设备。

（五）驾控台可达性设计

驾控台可达性设计主要是确定驾驶员的方便可及域，并将控制面板在方便可及域内进行合理布局。方便可及域是在标准立/坐姿下，以中指指尖为测量标准的上肢最大可及域。方便可及域由2个尺度决定：上肢最大长度和宽度。由GB/T14779-1993可以得知，人在坐姿的情况下，身体前倾的舒适角度为25°，将人体模型以髋关节为圆点前倾25°，以肩关节为圆心分别画出手腕的活动范围以及驾控台极限位置所需的臂长，如图6、7所示。

由于B、C站位的座椅正常高度和规格都一致，并且驾驶员的人体模型也是相同的，所以驾驶员B和C在垂直可达的范围一致，如图8所示。

从图中分析可以得知，在水平可达范围和垂直可达范围内，距离最远的需要可达设备为B站位驾驶员的对应的电话机，在前倾的舒适角度范围内也可以触及到，因此，驾控台上的绝大多数操控设备基本都能覆盖到。

三、驾控台人机工效仿真评估

（一）视野仿真评估

视野评价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显示屏等布置造成的观测视区大小范围、观测清晰度以及舒适性。由于B、C站位正前方的主显示器集中了大部分的航行管理功能，能够实现综合航行信息监视功能、航行目标管理功能、航线管理功能、锚位监视功能、全船各种报警管理功能，所以该主显示器将是视野仿真评估的重点。

通过仿真分析可得，B、C战位对应的主显示器均在驾驶员的最佳视区内，其他显示类设备也在驾驶员的最大视野范围内，显示器表面上所有区域都能够清晰可读，如图9、10所示。

（二）可达性仿真评估

可达性评价主要考察由人体臂长所决定的方便可及域范围内是否能触及所有需操控的器件。通过对航行任务操作流程分析可知，B站位的舵轮和中台上的左右两车钟作为航行操控中使用最频繁，对船航行最重要的两种装置，将是可达性仿真评估的重点。

驾驶员B在腰部向前弯曲30°，向右旋转30°的情況下，对其负责的控制面板均有良好的可达性，可单手操控屏幕周围的按键，并可在单手操控车钟的同时单手操控舵轮，能满足航行过程中各种复杂的任务需要，如图11所示。

驾驶员C在腰部向前弯曲30°，向左旋转30°的情况下，对其负责的控制面板均有良好的可达性，可单手操控屏幕周围的按键，并可在单手操控车钟的同时单手通过键盘输入简单字符，完成相关的指令下发工作，如图12所示。

结语

驾控台人机功效设计的工作目标是根据某船的顶层要求，将人机功效设计理念贯穿于某船的设计、研制、生产、装配等阶段，从而使该船驾控台在使用过程中更加安全、高效、舒适、充分发挥该船灵活机动的工作优势，大幅提升驾驶员的可持续工作能力。

本文以某型舰船驾控台的人机工效设计为例，应用人机工程学的原理对某船驾控台设计出合理的设备布局[9]，通过采用JACK仿真验证确认了现有驾控台设计能够满足视野范围和可达性两个关键需求，优化了驾驶员、驾控台、驾驶室三者间的协调统一，提高了驾驶员的操作舒适性和方便性，让驾驶员在执行任务时能够保持舒适的操作姿势，良好的视野和合理的控制面板布置，从而保证驾驶员更高效，安全地完成任务[10]。

参考文献

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