艦艇駕駛室設(shè)計(jì)驗(yàn)證及評(píng)價(jià)方法研究

孫建紅

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艦艇駕駛室設(shè)計(jì)驗(yàn)證及評(píng)價(jià)方法研究

孫建紅

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

針對(duì)設(shè)備布置復(fù)雜、操作性要求高的艦艇駕駛室，本文提出了運(yùn)用虛擬視景仿真和實(shí)尺模型技術(shù)來驗(yàn)證和評(píng)價(jià)其人機(jī)工程設(shè)計(jì)的方法。實(shí)踐證明，這是一種有效的輔助設(shè)計(jì)手段，加快了其設(shè)計(jì)方案的決策過程。同時(shí)增強(qiáng)了未來使用方和建造方參與設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，從而推進(jìn)和改善了實(shí)船駕駛室人-機(jī)-環(huán)境的設(shè)計(jì)能力。

駕駛室 視景仿真 實(shí)尺模型 驗(yàn)證和評(píng)價(jià)

0 引言

艦艇駕駛室是海上執(zhí)行航行指揮和操縱控制任務(wù)的區(qū)域，更是保障艦艇航行安全和作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵部位。各國海軍均將設(shè)計(jì)完善、布局及戰(zhàn)位合理、指揮流暢及美觀、舒適的駕駛室視為艦艇現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。隨著綜合艦橋裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，艦艇駕駛室已逐步發(fā)展為由艦員、艦橋設(shè)備和環(huán)境構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的人-機(jī)-環(huán)境動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，航行指揮人員的任務(wù)更多地轉(zhuǎn)向航行管理和監(jiān)控，從而對(duì)使用人員的要求也就越來越高。

然而，國內(nèi)艦艇駕駛室主要側(cè)重于功能設(shè)計(jì)，而在艦艇駕駛室設(shè)計(jì)的驗(yàn)證及評(píng)價(jià)技術(shù)方面，則主要依據(jù)設(shè)計(jì)人員常年積累的工程經(jīng)驗(yàn)，通常只能模糊地定性分析，尚不能做到定量評(píng)估。以至在實(shí)船建造過程中，使用方對(duì)駕駛室工作環(huán)境、設(shè)備布局、操縱舒適性等諸多方面，不斷提出改進(jìn)需求。在國外綜合艦橋技術(shù)的發(fā)展中，除功能外其人機(jī)工程技術(shù)同樣受到高度重視，很早采用計(jì)算仿真、模型等多種技術(shù)定量分析和評(píng)估，并形成了相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文則嘗試和探索運(yùn)用三維視景仿真技術(shù)和實(shí)尺模型法相結(jié)合，在設(shè)計(jì)階段能直觀地對(duì)未來駕駛室人-機(jī)-環(huán)境設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)到反饋、優(yōu)化的全過程。

1 艦艇駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)過程

本文將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及實(shí)尺模型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，基于艦艇總體研制進(jìn)度，對(duì)駕駛室人-機(jī)-環(huán)境設(shè)計(jì)分階段實(shí)施仿真技術(shù)和實(shí)尺模型手段進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)價(jià)及優(yōu)化工作。從而，在實(shí)船建造前，便可通過虛擬仿真設(shè)計(jì)及實(shí)尺模型直觀對(duì)艦艇駕駛室工作環(huán)境、設(shè)備布局及人機(jī)工程等設(shè)計(jì)進(jìn)行有效地驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

在評(píng)價(jià)過程中，未來的使用方根據(jù)固定的劇情在模型中執(zhí)行任務(wù)，然后由設(shè)計(jì)者和使用方進(jìn)行評(píng)價(jià)，將在很大程度上地指導(dǎo)后期實(shí)船的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1為駕駛室設(shè)計(jì)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)方法實(shí)施流程圖，主要分為總體初步設(shè)計(jì)、三維虛擬仿真、實(shí)尺模型驗(yàn)證、用戶體驗(yàn)和評(píng)價(jià)四個(gè)主要階段。

圖1 駕駛室設(shè)計(jì)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)方法實(shí)施流程圖

1.1 總體初步設(shè)計(jì)

駕駛室總體設(shè)計(jì)工作主要包括駕駛室船體結(jié)構(gòu)、窗、通風(fēng)和空調(diào)、舾裝、電氣、導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)功能及總體布局等圖紙初步設(shè)計(jì)。

1.2 三維虛擬仿真

在初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用三維虛擬仿真技術(shù)對(duì)駕駛室設(shè)備布置和各戰(zhàn)位設(shè)置進(jìn)行實(shí)時(shí)視景仿真，建立人-機(jī)相互作用關(guān)系評(píng)價(jià)模型[1]。開展空間干涉檢查、人機(jī)系統(tǒng)交互協(xié)調(diào)性仿真、虛擬駕駛室可視化及全視景漫游等工作，利用計(jì)算機(jī)手段初步提出的駕駛室人-機(jī)-環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方案。

1.3 實(shí)尺模型驗(yàn)證

駕駛室實(shí)尺模型選用容易加工的全木質(zhì)材料制作。由于艦艇駕駛室設(shè)計(jì)涉及專業(yè)學(xué)科較多，實(shí)尺模型則是提前暴露圖紙中不能發(fā)現(xiàn)的各專業(yè)間協(xié)同問題，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、修改模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)，逐步完善駕駛室設(shè)計(jì)的研制過程。同時(shí)，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)要求可對(duì)駕駛室總體設(shè)計(jì)的重要項(xiàng)目進(jìn)行量化分析、驗(yàn)證和優(yōu)化[2]。

2.4 用戶評(píng)價(jià)

借助實(shí)尺模型的實(shí)體平臺(tái)，可邀請(qǐng)未來使用方和船廠建造方對(duì)駕駛室設(shè)計(jì)進(jìn)行體驗(yàn)和評(píng)價(jià)，充分聽取使用方和建造方的意見。并結(jié)合使用方按照各種場(chǎng)景執(zhí)行典型任務(wù)，測(cè)試他們的表現(xiàn)，定量分析評(píng)價(jià)駕駛室人-機(jī)-環(huán)境的設(shè)計(jì)參數(shù)，以指導(dǎo)后期駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 主要設(shè)計(jì)方法

2.1 基于視景仿真的艦艇虛擬駕駛室構(gòu)建技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高速圖形終端和工作站的出現(xiàn)，使得CAD／CAE／CAM等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有效應(yīng)用于現(xiàn)代艦艇產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)艦艇產(chǎn)品定義信息的數(shù)字化、知識(shí)化，從而解決了艦艇研制周期長、階段多、涉及專業(yè)種類復(fù)雜等問題[3]。本研究運(yùn)用三維建模工具M(jìn)ultiGen Creator和3D Max、視景仿真開發(fā)環(huán)境Vega，在面向?qū)ο箝_發(fā)環(huán)境VC++6.0上，開發(fā)艦艇駕駛室實(shí)時(shí)視景人機(jī)交互式仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)開發(fā)流程及軟件間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系見圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)開發(fā)流程及軟件間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系

作為艦艇駕駛室設(shè)計(jì)驗(yàn)證及評(píng)價(jià)的關(guān)鍵步驟之一，本研究建立的艦艇駕駛室實(shí)時(shí)視景人機(jī)交互式仿真系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能[4]：

1）工作環(huán)境展示

通過三維建模及實(shí)時(shí)視景仿真技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，展示駕駛室外部自然環(huán)境、艙內(nèi)裝飾及色彩、空間尺寸、設(shè)備布局和操作戰(zhàn)位，使得設(shè)計(jì)人員對(duì)整體設(shè)計(jì)效果一目了然。

2）基于人機(jī)工程的仿真評(píng)價(jià)體系

從人機(jī)工程學(xué)要求出發(fā)，通過建立仿真評(píng)價(jià)體系虛擬操作者執(zhí)行任務(wù)來推理，評(píng)價(jià)駕駛室整體的設(shè)計(jì)效能。結(jié)合仿真評(píng)價(jià)體系對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行可視化、動(dòng)態(tài)及人機(jī)作用分析，對(duì)其關(guān)鍵項(xiàng)目評(píng)價(jià)。如評(píng)價(jià)駕駛室設(shè)計(jì)的主要項(xiàng)目為：視野、布局合理性、座椅設(shè)置、駕控臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作環(huán)境等[5-6]；并結(jié)合人機(jī)工程學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)重要程度對(duì)重要項(xiàng)目，如視野、布局合理性等項(xiàng)目進(jìn)行分值加權(quán)計(jì)算。如圖3報(bào)表為某設(shè)計(jì)方案的人機(jī)工程評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖3 駕控臺(tái)作業(yè)面高度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果報(bào)表

3）仿真設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)效能

借助駕駛室虛擬視景仿真系統(tǒng)的評(píng)價(jià)反饋信息，可對(duì)駕駛室視野、布局、人體舒適度等方面得到一定評(píng)價(jià)。即在初步設(shè)計(jì)階段，可快速提出駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的評(píng)價(jià)方案。然而，由于人機(jī)工程仿真技術(shù)剛處于起步階段，尚還存在如人體模型數(shù)據(jù)不夠全面、建立的人機(jī)工程評(píng)估數(shù)學(xué)模型還不夠完善等問題。另外，對(duì)于部分聯(lián)系人機(jī)分析因素的問題，如可視性、可達(dá)性、可讀性等不能直觀地在三維視景中體現(xiàn)，而實(shí)船建造中此類人-機(jī)-環(huán)境的綜合矛盾顯得較為突出。

2.2 實(shí)尺模型技術(shù)

針對(duì)艦艇駕駛室計(jì)算機(jī)仿真評(píng)估中存在的不足，對(duì)于設(shè)備布置復(fù)雜、操作性要求高的駕駛室，本文進(jìn)一步提出實(shí)尺模型驗(yàn)證和評(píng)價(jià)方法。在艦艇建造之前，采用1：1的比例實(shí)尺模型法，用模型代替實(shí)物，立體、形象、直觀地反映艙室內(nèi)設(shè)備的全貌，驗(yàn)證駕駛室人-機(jī)-環(huán)境設(shè)計(jì)的有效性；并由設(shè)計(jì)、建造和使用三方在模型上對(duì)駕駛室設(shè)計(jì)進(jìn)行體驗(yàn)與評(píng)價(jià)。

1）國外應(yīng)用

早在20世紀(jì)60年代，美國海軍就將該方法應(yīng)用到駕駛室、作戰(zhàn)指揮室等主要關(guān)鍵艙室設(shè)計(jì)中[7]。經(jīng)查閱有關(guān)情報(bào)文獻(xiàn)，日本16DDH型直升機(jī)母艦在船廠開工前，對(duì)艦上的主要操縱艙室建造了實(shí)尺模型，并開展了為期半年多的分析和評(píng)估[8]，如圖4所示。

圖4 日本16DDH型直升機(jī)母艦實(shí)尺模型實(shí)物

2）技術(shù)特點(diǎn)

實(shí)尺模型技術(shù)主要用于對(duì)原始方案討論、設(shè)計(jì)表現(xiàn)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和工藝驗(yàn)證、體驗(yàn)和評(píng)價(jià)。模型制作可提供一個(gè)立體的駕駛室形態(tài)，在此基礎(chǔ)上確定方案或進(jìn)一步推敲其設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。該方法比較直觀，可以在最接近真實(shí)的情況下評(píng)估駕駛室設(shè)計(jì)方案的人機(jī)工程要素，也可為船廠建造施工提供工藝分析的工具。

利用該平臺(tái)，同時(shí)可使設(shè)計(jì)人員和建造方對(duì)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行全面驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)階段充分聽取使用方的合理化建議，使得該實(shí)尺模型在設(shè)計(jì)階段最大限度地發(fā)揮作用，從而有效推進(jìn)實(shí)船駕駛室人-機(jī)-環(huán)境設(shè)計(jì)能力。因而，實(shí)尺模型制作與表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段發(fā)揮著重要作用，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)：本方法采用容易加工的材料制作，便于快速做出調(diào)整和修改方案。在設(shè)計(jì)過程的限制很少，為了達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)階段嘗試和驗(yàn)證新方案的可行性。

2）減少風(fēng)險(xiǎn)：多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同問題很快就可以浮現(xiàn)出來，然而從圖紙上卻不容易暴露。

3）參與性：在設(shè)計(jì)過程中，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)者、建造者和使用者三方之間的互動(dòng)和交流。

4）減少成本：對(duì)于駕駛室人-機(jī)-環(huán)境設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效能，該方法使得設(shè)計(jì)決策過程更快，減少了實(shí)船建造過程中反復(fù)修改次數(shù)，成本更低。

在艦艇總體設(shè)計(jì)過程中，實(shí)尺模型方法具有提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是，實(shí)尺模型制作是一個(gè)不斷修改、優(yōu)化、完善的過程，其制作周期長，需付出一定經(jīng)濟(jì)代價(jià)。因而，該方法在總體設(shè)計(jì)僅限于艦艇上局部的關(guān)鍵部位艙室，開展精細(xì)化設(shè)計(jì)使用。

3 工程應(yīng)用

某艦將首次應(yīng)用綜合艦橋技術(shù)。為使駕駛室設(shè)計(jì)更好地適應(yīng)新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員中對(duì)該艦駕駛室人-機(jī)-環(huán)境設(shè)計(jì)方法開展了重點(diǎn)研究，并探索應(yīng)用了虛擬視景仿真和實(shí)尺模型技術(shù)相結(jié)合的全新評(píng)價(jià)手段。

在設(shè)計(jì)初期，仿真系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，較為真實(shí)反映駕駛室“人-機(jī)-環(huán)境”的相互作用關(guān)系；在虛擬環(huán)境下艦艇駕駛室人機(jī)工程設(shè)計(jì)的推理與評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果為設(shè)計(jì)人員提供改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的輔助決策支持。此后，在實(shí)尺模型技術(shù)應(yīng)用過程中，結(jié)合使用方、船廠建造方等意見，駕駛室從船體結(jié)構(gòu)視野遮擋、駕控臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)、總體布局、通風(fēng)管路及舾裝效果等方面不同程度進(jìn)行改進(jìn)，很大程度推動(dòng)了人機(jī)工程設(shè)計(jì)水平。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用三維視景仿真和實(shí)尺模型相結(jié)合方法，充分表現(xiàn)和推敲設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過修改、完善，驗(yàn)證和評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)過程，最終獲得駕駛室人-機(jī)-環(huán)境最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐證明，該駕駛室設(shè)計(jì)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)方法加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，也直觀地獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，其結(jié)果與實(shí)踐也被證明是一致的。但是目前三維仿真和實(shí)尺模型法本身還存在一些缺陷，如在三維仿真中對(duì)分析與評(píng)價(jià)人機(jī)工程算法還不夠完善，實(shí)尺模型提供僅為靜態(tài)環(huán)境下的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，今后的研究工作中尚需進(jìn)一步改進(jìn)。因而，總體設(shè)計(jì)人員正在努力嘗試將虛擬環(huán)境模型和實(shí)尺模型相配套技術(shù)，即混合實(shí)體模型。即通過制作一個(gè)簡易的駕駛室木質(zhì)原型，將它與透過頭盔看到的艦艇虛擬原型相匹配，用戶可以站著真實(shí)的駕駛室模型來評(píng)價(jià)駕駛室人機(jī)工程和艦艇周圍的虛擬景觀。

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Research on the Verifying and Evaluating Method for Ship Pilothouse Design

Sun Jianhong

（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

U674

A

1003-4862（2014）02-0047-04

2013-07-23

孫建紅（1976-），女，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電氣。