舰船作战指挥室人机环境设计评估研究

朱庆飞 胡小兵

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

舰船作战指挥室是全船作战指挥与控制中心，集成了航行、动力、武备等全船信息，是舰船的核心与关键部位。作战指挥舱室具有设备类型多、数量多、人员集中和任务信息集中等特点，在作战指挥室工作的人员需长时间保持注意力集中，对舱内各设备进行监视和操纵，加之海上作战环境恶劣，人员工作负荷极大。因此，在设计过程中需对作战指挥舱室进行人机环境设计评估，提前暴露出设计中的人机环境不利因素，提高舱室人机环境设计水平。

在人机环境评估方面，国内在汽车制造领域［1-2］和航空领域［3］应用较多，目前在船舶领域也已开展大量工作，特别是在船舶驾驶室的设计应用上已具有丰富经验，具体案例如驾驶室的视野与视线分析［4-5］以及驾驶室人机工程设计评价［6］等。中国船舶工业综合技术研究院在舰船人因工程、相关标准规范制定方面取得进展，针对舰船开展相关的人机环境设计要求和设计指南研究。

本文首先整理作战指挥室人机环境设计标准作为评估依据，提出作战指挥室人机环境设计评估工作流程，并以某船作战指挥室为例开展人机环境设计评估。

1 规范标准整理

目前，国内针对舰船作战指挥室的人机环境设计标准规范还比较缺乏，仅原则性地提出“便于进行各项作业”的总布置要求，缺乏量化指标，导致舱室人机环境设计比较依赖设计者的主观经验，也不利于人机环境评估工作的开展。本文以国标及军标为基础，结合船舶行业以及相关行业规范进行搜集整理，提出针对作战指挥室人的通行空间、操纵空间、视域、照度等人机环境评估标准。通过这些行业标准和规范的整理，提出了本船作战指挥室人机环境设计评估标准，为后续舱室进行量化仿真评估奠定了基础。

1.1 通行空间和操纵空间

参考GJB/Z 131-2002军事装备设施人机工程设计手册提出，通行和操纵空间尺寸见表1。

表1 通行和操纵空间尺寸要求 mm

1.2 视 域

参考GJB2873 军事装备设施的人机工程准则提出水平和垂直视域范围，参见图1。

图1 水平和垂直视域范围

水平视域：眼睛看向屏幕一侧边缘的视野与人体正中面的夹角，在仅眼球转动时不大于35°，仅头部转动时不大于60°。若头部和眼球都转动，则该角度不大于95°。

垂直视域：眼睛看向屏幕上方边缘的垂直观察视野与视平线的夹角，在仅眼球转动时向上不大于25°，向下不大于35°；仅头部转动时向上不大于50°，向下不大于50°；若眼球和头部都转动，则向上不大于75°，向下可达90°。

1.3 照 度

参考GJB4000-2000舰船通用规范提出：

（1）在作业区与远处环境之间的亮度对比度应不大于10 : 1；

（2）工作面内最高照度与最低照度之比值应不大于2 : 1；

（3）应避免工作区域与区域周围之间在亮度上形成高对比度，即任务工作区的亮度应不高于周围区域平均亮度的3倍；

（4）作战指挥室初始平均照度150 lx。初始平均照度应被视为最小的许用照度；

（5）电子设备操纵台、计算机键盘局部工作面初始平均照度300 lx，初始平均照度应被视为最小的许用照度。

2 人机环境设计评估工作流程

人是人机环境中不可缺少的组成要素，人体模型的尺度以及人体模型在舱室中的位置直接影响视域、盲区和触及域范围等指标的评估值。数字化船员人体模型能够提供人体结构尺寸、站/坐姿、鼻桥点和肘高等评估分析所用的基准点和基准面。例如以鼻桥点为视锥顶，能够可视化地显示双眼视域的范围；以肩关节为球心，触及域为半径生成的球面，能够可视化地显示手的可触及范围。当改变人体模型的百分位数、位置或姿态时，视域和手的可触及域范围也随之改变。创建的数字化船员人体模型参见图2。

为使作战指挥室的空间布置设计可满足90%的男性成年使用，本文仿真采用的人员人体模型尺寸即参考GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，选取第5百分位数到第95百分位数男性人体尺寸，结果见表2。

图2 数字化船员人体模型

表2 男性成年人体主要尺寸 mm

本船指挥室里主要布置各种信息显控台以及数据机柜等设备，主要用于执行作战指挥任务及平时的训练任务，作战指挥室的三维模型如图3所示。

图3 作战指挥室三维模型

评估工作以船员人体模型和舱室三维模型为设计输入，针对影响人机环境的舱室通达性、控制台视域、控制台触及域和设备操纵性以及舱室照度等因素，通过UG三维设计软件、Delmia人机工程仿真软件、DIALux软件，对该作战指挥室进行空间、视域、控制台及设备、照明等内容的测量和仿真分析进行人机工作环境设计评估，最终通过评估结果优化舱室设计，得到舱室人机环境友好的舱室设计方案。本文构建的舱室人机环境设计验证方法流程如图4所示。

图4 舱室人机环境设计评估工作流程

3 人机环境设计评估

3.1 通达性设计评估

本舰作战指挥室仅37 m2，空间较为狭小，但布置比较紧凑，布置有7个控制台、6个数据机柜以及空调等其他设备等，且活动工作人员较多。因此，本舱室对通达性的设计原则要求为主要通道应满足两人正向进出无冲突，次要通行空间能满足单人进出便利。在已构建的舱室模型和数字化船员人体模型基础上，利用三维设计软件UG中的测量工具，可以获得人机环境中任意的空间尺寸和位置关系，如图5所示。重点针对图6所示的4位人员通过空间进行测量评估，结果如表3所示。

图5 作战指挥室空间尺寸和位置关系

图6 作战指挥室重要通道

表3 作战指挥室重要通道分析

在空间测量评估后的基础上，将已建好的人体模型数据和舱室三维模型导入人机工程仿真软件Delmia作仿真分析，选用P95大尺寸人体模型在作战指挥室内设置来回走动路线，使之经过图6中要求的4处重点位置进行运动仿真分析，验证指挥室作业空间的通达性设计。评估结果表明：在位置①，两人并向进出较为拥挤，两名人员相向进出摆臂会触及相邻设备；在位置④，单人仅能侧向进出到达控制台座椅上，空间较为狭窄，结果如图7所示。建议通过调整舱室布置，扩大位置①的间距，控制台可采取两台一组的布置方式，扩大控制台之间的间距，方便人员进出。

3.2 视域设计评估

作战指挥室内控制台是将全船的航行、情报、动力、武备等外界信息传递给人的重要媒介，显示器与人的视觉匹配特性极大地影响着人员执行作战任务的效率和能力。因此，作战指挥舱室中的人员视域要求确定为人员坐在工作椅上可以充分获取当前控制台的信息，并兼顾舱室其他设备良好的视域。为了充分考虑人身材大小对视域地影响，选取P5和P95人体模型位于座椅上，模拟人员看向控制台，利用三维设计软件UG中的测量工具测量人体视向控制台显示器的角度范围进行测量评估，如图8所示。表4为测量后的评估结果，结果表明显示器上边缘的信息会超出人眼经常监控的范围，小身材人员需要仰头才可较为便利的获取该处的信息。建议在设计中，将不常监控使用的信息布置在显示器上边缘区域，可减轻人员工作负荷。

图7 指挥室通达性仿真

图8 视向控制台显示器上下侧的视线与人眼视平线夹角

表4 指挥室视域仿真评估结果

将已建好的人体模型数据和舱室三维模型导入人机工程仿真软件Delmia进行仿真分析，设置人员站立、走动及坐姿等主要活动模式，可以更为直观地表达视域范围内信息。仿真评估结果可以辅助设计者判断作战指挥舱室内的视域是否满足实际需求，如图9所示人员的仿真视域结果，仿真结果表明人员在作战指挥室内可以获取良好的设备视域。

图9 仿真视域结果

3.3 控制台触及性和设备触及性设计评估

作战指挥室对控制台的触及性和设备触及性的人机环境设计要求为人员可以便利地操纵控制台、数据机柜以及壁挂设备的操纵器等。将已建好的人体模型数据和舱室三维模型导入人机工程仿真软件Delmia，利用表1中的数据和所建立人体模型数据，通过计算手触及边界面范围，生成手触及边界面的封闭几何体。分别采用P5和P95人体模型位于各操纵部位生成触及域，如果控制台、数据机柜以及壁挂设备的操纵器在生成的触及域内，即代表当前设备具有良好的触及性。

如图10所示，人员在控制台、数据机柜以及壁挂设备的触及域展示，阴影球体即为可触及域范围。结果表明，数据机柜和壁挂设备的触及性良好，坐姿状态下，控制台的键盘区域深处操纵器的触及性较差，人员坐姿背靠椅背时无法触及到全部操纵器。建议设计中考虑座椅和控制台的匹配性，使座椅充分抵近控制台布置，同时将不常用的操纵器布置在控制台键盘区的远端，可改善人员在控制台位置的坐姿人机环境。

图10 触及域仿真评估结果

3.4 舱室照度设计评估

图11 指挥室灯具布置图

作战指挥室照明设计的要求需符合前文1.2节中的规范要求，本舱室中布置有21盏灯，每盏灯由2根灯管组成，每根灯管功率为20 W，布置如下页图11所示。将所建立的舱室模型导入DIALux软件中，设定的天棚反射系数为80%、舱壁反射系数为60%、地面反射系数为20%。根据标准控制台的尺寸，确定控制台工作面高度为760 mm。导入灯具类型、功率和光通量等参数，计算平均照度，计算结果见表5，生成伪色图如图12所示。结果表明：作战指挥室的照度设计满足人机环境设计要求。

图12 照度伪色图

表5 照度设计评估结果

4 结 语

作战指挥舱室人机环境设计的优劣是直接影响舰船人员执行作战任务和战备训练的重要因素，因此作战指挥室人机环境设计评估工作至关重要。本文克服了舰船作战指挥室人机环境设计标准规范缺乏、量化评估分析不足等传统设计缺点，尝试整理出舰船作战指挥室人机环境评估依据，利用人机工程仿真软件开展三维测量和仿真评估，重点针对舱室通达性、视域、控制台和设备的触及性、照度等人机环境进行设计评估。通过评估结果，可直观地反映出作战指挥室在设计中存在不利的人机环境因素，辅助设计者改进设计，提高舰船作战指挥室人机环境设计水平。

但是，本文基于软件工具的限制，只能做到作战指挥室人机环境部分内容的设计评估，具有一定局限性。在今后的设计中，可以尝试综合多种人机环境要素进行评估，探索作战指挥室人机环境评估分析方法，进一步改善作战指挥室人机环境设计。