狭小边岛型驾驶室集成优化设计研究

黄 燕 卞东石

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

舰船驾驶室是舰船航行指挥控制的核心部位，集指挥、控制、导航、通讯和航行保障等功能于一体，是复杂的人机环境系统。驾驶室中设备高度集中、信息量大，航行过程中，航行指挥控制人员长期处于颠簸、摇摆的环境中，且需要长时间关注大量信息，注意海上危险情况，工作压力很大。有资料表明：绝大多数的水上事故都与人为因素有关，驾驶室合理的人机环境设计与航行安全密切相关。随着现代舰船人员编制越来越少，自动化程度越来越高，近些年来在民船领域对于驾驶室这种始终需要人员长期值守的位置，为了减少人员操作压力，提高航行操纵效率，开展了大量的人机环境设计研究，进而形成了相关设计标准，包括国际海事组织制定的国际海上人命安全公约和相关船级社规范，均对船舶驾驶室的人机环境设计提出了相应的设计要求。

1 驾驶室方案设计

1.1 站位设置及功能需求分析

某艇驾驶室为狭长型（长约4.8 m，宽约1.3 m），在此空间内只能允许单驾驶员来完成航行操纵。根据人员编制表，驾驶室区域设有2个站位，分别为指挥员站位和信号站位。职责如下：

（1）处置突发的航行安全事件及相关船舶安全设备控制；

（2）监督和指导任务作业；

（3）负责航行操纵及相关设备的监控；

（4）负责操纵导航雷达，对周围海域目标进行监视；

（5）掌管航行灯、信号灯、雾笛、电加热玻璃、雨刮器等航行保障相关设备；

（6）内外通信手段。

基于以上职责，分析驾驶室功能需求如下：

（1）发生航行安全事件时的总动员报警功能；

（2）任务作业时，对任务设备的状态监控功能；

（3）对航向、航速的控制功能；

（4）通过矢量控制设施，对喷水推进装置的联合操纵功能；

（5）对主推进装置的监测与控制功能；

（6）对电力系统运行状态信息，包括各柴油机组、发电机组的运行状态，电站运行等参数的监测功能；

（7）导航信息（包括：当前航向、经纬度、航速、航线等航行状态信息）显示功能；

（8）导航雷达批目标信息显示功能；

（9）对航行灯、信号灯、雾笛、电加热玻璃、雨刮器等设备的状态监视和控制功能；

（10）内外通讯设备的控制功能。

1.2 驾驶室功能实现

通过前文分析初步确定了驾驶室的站位设置，按照驾驶室空间布置及站位人员功能需求，确定驾驶室功能需求和设备实现，见下页表1。

1.3 设备集成优化设计

驾驶室长约4.8 m，宽约1.3 m，在此约束条件下，驾控台尺寸受到严格限制，因此，需充分考虑“集成优化”设计理念，对驾驶室设备进行集成优化设计，进一步提升驾驶室的信息集成和信息融合水平。

本艇主要在以下几个设备进行集成优化设计：

（1）主动力监控和电站监控设备

常规军和舰船主动力监控和电站监控为两套系统，分别设置集控台和电站监控台对主动力和电站相关信息进行监控。

本艇设计方案为：在驾控台设置动力电力监控台一套，能够对主动力信息和电站监控信息进行综合显示。

（2）喷水推进装置

对喷水推进装置控制面板进行高度集成化设计，减小嵌入式控制面板安装尺寸；喷水推进装置相关监视信息送至动力电力监控台，能够在该监控台上进行查询显示及报警。

（3）航行信号灯、室外灯

设置灯光控制板一套，能同时对航行信号灯和室外灯进行控制。

（4）导航雷达和AIS功能

对导航雷达进行集成优化设计，使其叠加显示AIS目标信息，实现与导航雷达目标融合功能。

表1 驾驶室功能实现分析

1.4 驾驶室初步方案分析

1.4.1 驾驶室控制台布置的基本形式及特点

驾驶室控制台的布置形式可归纳为“一”字型、“L”型和“U”型三大类。

控制台“一”字型布置：以操舵控制台为中心，其他控制台分左右连续一字排开。该布置方式的特点是排列紧凑，所有显示器和操纵器均位于前方，便于操控船只。

控制台“L”型布置：主要显示和操纵器位于前部，次要显示与操纵器布置在右手侧。与“一”字型布置方案相比，这种方式可以布置更多的显示与操纵设备。

控制台“U”型布置：控制台采和U形布置，操舵人员位居U形布置的中央。该布置方式的显示器位于前方，操纵器环绕驾驶员布置，适合需要布置较多操纵器的场合。

1.4.2 驾驶室“设备布置”人机工程要求

驾驶室控制台及设备布置应满足人机工程设计标准。在作业空间方面，《BS ISO 8468-2007》[1]规定：人站姿在控制台与座椅之间侧向移动，控制台前边缘与座椅椅面前边缘的最小间距为300 mm；《GJB/Z 131-2002》[2]规定：一个人可以勉强正向通过的通道宽度为510 mm，一个人可以侧身通过的走廊宽度为330 mm。

若驾控台采和“L”型布置（参见图1），驾驶员座椅的扶手到右侧控制台和左侧舱壁的间距为199 mm，小于单人侧身通过的最小值330 mm，不满足人机环境设计要求，需改进。若驾控台采和“U”型布置，则空间更小。因此，本驾控台采和“一”字型布置。

图1 驾控台“L”型布置

1.4.3 驾驶室初步方案

将驾驶室规划为通信保障区和驾控台区共2个区域（如图2所示）。

图2 驾驶室区域划分

设备布置原则：将与航行操作及航行安全相关的设备布置在驾控台区，将通信导航设备、报警设备及其他与航行操作无关的设备布置在通信保障区。

通信保障区设备主要包括：损管控制箱、通信组合机柜、导航雷达及部分通信设备。

驾控台区负责本艇航行操纵和保障控制，包括对喷水推进装置、截流板、灯光控制板、主动力及电力监控装置、综导显控台、雨刮器、电加热玻璃、雾笛及总动员装置的控制。

2 驾驶室三维建模仿真及优化设计

驾驶室三维建模仿真及优化设计技术方案如图3所示。

图3 驾驶室三维建模仿真及优化设计

其主要步骤如下：

（1）根据驾驶室设计输入和约束，对人机工程基本设计参数进行评估，提出基于人机工程的驾驶室初步布置方案；

（2）建立驾驶室初步布置方案三维模型，利和创建的数字化船员人体模型，按照驾驶室人机环境设计要求的要求，对建立的驾驶室初步布置方案三维模型进行几何参数评估；

（3）根据评估结果，检查驾驶室初步布置方案的合理性，直到获得到满足视域和空间布置等设计要求的驾驶室优化布置方案。

2.1 驾驶室三维建模

驾驶室采和UG NX 6.0软件建模，如图4所示。

图4 驾驶室三维建模

通过实体建模、特征建模和任意曲面建模相结合的方法完成船体模型各个甲板的三维建模，最后通过自底向上和自顶向下的装配方式完成装配。

采和UG建立的驾驶室模型具有以下优点：

（1）与驾驶室设计与评估软件采和同一软件平台，可实现建模、设计与评估工作的同步；

（2）模型具有准确的结构尺寸；

（3）模型具备良好可修改性，可方便地在UG环境中对模型结构尺寸进行修改；

（4）UG模型可以通过中间格式转换导入到Dlemia、3D MAX和EON环境中，具有良好的可重和性。

2.2 驾驶室布置方案三维虚拟评估

驾驶室布置方案三维虚拟评估流程参见图5。

选择第50百分位数船员人体模型[3-5]。驾驶室布置方案三维虚拟评估包括视域与盲区、窗、空间布置和驾控台布置范围评估。其中视域和盲区视域评估选取站姿操舵情况：身体距离舵轮100 mm，着装时的鞋高修正值设为30 mm。

2.2.1 视域与盲区

图5 驾驶室布置方案三维虚拟评估流程

评价体系参照《GJB 4000-2000舰船通和规范》[6]《MSC Circ.982》[7]《BS ISO 8468-2007》和《Recommendation for the Application of SOLAS Regulation V/15》[8]。

站姿操舵视域和盲区汇总表参见下页表2。

表2 操舵视域和盲区汇总表

由表2可知，按照国际标准，操舵视域和盲区共有20项评估指标，其中12项满足标准要求，2项良好，6项不满足标准要求。经分析，不满足标准要求的6项指标均与窗和跳板的设置及设计有关。

修改建议：优化窗户结构尺寸，优化跳板结构设计。

2.2.2 窗评估

评价体系参照《MSC Circ.982》和《BS ISO 8468-2007》。

窗评估情况汇总见下页表3。

表3 窗评估情况汇总表

由表3可见，窗结构评估共有4项评估指标，3项满足驾驶室人机环境设计要求，1项不满足人机环境设计要求。

修改建议：边窗上部向倾斜角度小于标准，建议加大外倾斜角。

2.2.3 空间布置评估

评价体系参照《MSC Circ.982》和《BS ISO 8468-2007》。

空间布置评估汇总表参见表4。

表4 空间布置评估汇总表

由表4可知，空间布置评估指标共5项，均满足驾驶室人机环境设计要求。

2.2.4 驾控台评估

评价体系参照《MSC Circ.982》、《BS ISO 8468-2007》、《GJB5041-2001》[9]、《Recommendation for the Application of SOLAS Regulation V/15》、《GB/T 14776-1993》。

控制台评估汇总表参见下页表5。

由表5可知，控制台评估指标共有10项。其中满足驾驶室人机环境标准的10项。

2.3 驾驶室优化设计

根据评估结果及改进建议，不满足标准要求的7项指标均与窗和跳板的设置及设计有关。由于船型限制，且考虑到在GJB4000-2000中仅要求水平了望视界应不小于180°（向左、右舷各90°），舰首方向水平了望视界盲区一般应不大于1倍舰长。按GJB 4000-2000标准，本船的视域范围满足要求。因此对窗和跳板进行优化设计后，视为满足视域与盲区要求。

表5 控制台评估汇总表

窗户优化设计：如图6所示，原前窗为两扇窗，驾驶室上半部分为倒梯形设计，两扇窗间的窗框会阻碍视线，倒梯形设计造成边窗上部向外倾斜度小于标准设计要求。优化设计方案为：前窗改为一扇窗，总体方面对驾驶室倒梯形结构进行优化调整。

图6 窗户优化设计

跳板优化设计：如图7所示，原跳板为中间开格栅设计，格栅间距较密，影响视线通过。优化设计方案为：加大跳板上格栅的面积和间距，以此增加视野。

图7 跳板优化设计

优化后，驾驶室布置及驾控台设计满足设计要求。

3 结 语

与传统的采和驾驶室实尺模型进行人机环境设计与评估的方法相比，三维虚拟仿真优化设计具有以下优点：

（1）采和三维虚拟仿真进行驾驶室视域、盲区和空间布置设计与评估的效率和精度高；

（2）可以为实尺模型的建造提供满足人机环境要求的设计原型，减少或避免对实尺模型进行较大修改。三维虚拟仿真优化设计对缩短研发周期、节省研发费和具有重要意义。

本文以驾驶室三维建模及优化设计技术方案为基础，进行了基于数字化模型的边岛型驾驶室人机环境设计与评估，实现了对驾驶室人机环境的预评估，在驾驶室建造之前即可发现绝大多数人机环境设计问题，为实现一致、可靠及有效的舰船操作提供帮助；使驾驶室总体布置可行，站位和台位设计合理，视域和灯光设计符合舰船操控要求。