測量船駕駛室人機環(huán)境設計

吳 宏 王亞森 方雄偉

（1.海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室 上海201913；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

船舶駕駛室是船舶航行指揮控制的核心部位，集控制、導航、通訊和航行保障等功能于一體，是復雜的人機環(huán)境系統(tǒng)［1］。駕駛室中設備高度集中、信息量大，航行過程中航行指揮控制人員長期處于顛簸、搖擺的環(huán)境中，需要長時間關注大量信息，密切注意海上危險情況，其工作壓力很大。現(xiàn)有資料表明，絕大多數(shù)的水上事故都與人為因素有關，而駕駛室合理的人機環(huán)境設計則與航行安全密切相關。在對駕駛室的人機環(huán)境設計方面，20世紀60年代末，英國某公司為提供船舶駕駛室良好的視野并減少作業(yè)人員完成工作時的奔波勞碌，對船舶駕駛室設備設計及設備布局進行改進。美國同樣在船舶人機工程領域的投入力度較大，不但開展一系列船舶人機工程專項試驗，而且頒布了多項船舶人機工程設計標準和文件，主要側重于研究人機環(huán)境對船舶戰(zhàn)斗力的影響。目前國內對于人機環(huán)境工程領域也開展了大量工作，特別是在汽車制造領域［2-3］和航天領域［4］，都對視野與視線進行了深入研究。

本文以某測量船駕駛室設計過程為例，通過對駕駛室人機環(huán)境設計規(guī)范進行整理，探討駕駛室人機環(huán)境設計流程和方法，并進行兼顧站姿和坐姿要求的駕駛室人機環(huán)境設計。

1 規(guī)范整理

駕駛室是一個高度人機交互的艙室，目前對于船舶駕駛室的人機環(huán)境設計，國際海上安全公約的第V章第15條（以下簡稱SOLAS V/15），規(guī)定船長不小于55 m，1998年7月1日后建造的船舶都需要滿足駕駛室可視范圍要求。國際標準化組織制定了ISO 8468：2007《Ships marine technology-Ship’s bridge layout and associated equipment-Requirements and guidelines》（以下簡稱ISO 8468），海事安全委員制定了MSC/Circ.982《Guidelines on ergonomic criteria for bridge equipment and layout》（以下簡稱 MSC.982）為SOLAS V/15提供規(guī)范支持，同時中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》中的“一人駕駛船舶補充規(guī)定”也對駕駛室的視野視線提出規(guī)范要求。

通過對規(guī)范的整理，對于駕駛室的視野視線主要有以下設計規(guī)范：

（1）最小前向視野

從駕駛位置上所見的海面視域，在所有吃水、縱傾和甲板貨狀態(tài)下，自船首前方至任何一舷10°范圍內均不應有超過2倍船長或500 m（取其小者）的遮擋。

（2）船周視野

應能從駕駛室內觀察到任何方向上所有航行所必需的物體，包括其他交通和導航標志。從這一點考慮，當觀察者在駕駛室一定范圍內移動時應能得到船舶周圍360°的視野。

（3）導航與操縱工作站位置水平視野

從導航與操縱工作站上所見的水平視域應延伸為一個不小于225°的扇面，即從正前方至船舶任一舷不小于22.5°的正橫后方向。

（4）操舵位置水平視野

操舵位置水平視域范圍應至少為從正前方向兩舷各延展60°。

（5）橋樓翼臺視野

橋樓翼臺的視野應從船首另一邊45°開始穿過正前方，再向后180°的范圍內。

（6）盲區(qū)

由正橫前方的貨物、起貨裝置和其他障礙物帶來操縱和導航控制工作站海面視野的每一個盲區(qū)均應不超過10°，盲區(qū)總和應不超過20°；而盲區(qū)之間的視野應至少為5°，但在（1）最小視野的范圍內，每一單獨的盲區(qū)應不超過5°。

駕駛室的視野視線是保障航行安全的核心要求，本文描述的駕駛室人機環(huán)境設計，主要按照以上規(guī)范展開實現(xiàn)。

2 設計步驟及流程

駕駛室人機環(huán)境設計是一個綜合設計的過程，需要綜合考慮駕駛室人員視野視線需求，對臺位布置、臺位高度、窗戶設計、通道空間等設計要素進行綜合設計，并確定駕控臺尺寸和座椅等設備要求。

在實際設計過程中，通常存在諸多關聯(lián)變量，這些變量之間存在此消彼長的關系，例如：前窗通道的加大往往會帶來前向視野的下降；窗戶結構強度的加強會帶來視野盲區(qū)的增大。這時，就需要在滿足視野視線需求的角度，對各設計要素進行平衡協(xié)調。

駕駛室的人機環(huán)境設計過程一般是從船舶總體參數(shù)和使命任務入手，確定駕駛室人員的視野視線需求，進行駕駛室外形的初步設計，包括駕駛室位置、橋樓翼臺和窗戶的初步設計。在完成駕駛室初步外形設計的基礎上從前向視野開始，考慮前窗通道空間，在滿足最小視野視線需求的基礎上，完成前向視野和通道的設計平衡，然后對盲區(qū)和視野高度進行校核設計，如果視野視線不符合設計要求，就要對駕駛室外形設計進行修正，并對修正結果進行重新校核設計，確定駕駛室設備的布置方案。隨后對駕駛室設備包括駕控臺和座椅等設備進行設計，最終形成駕駛室設計方案。

具體流程如圖1所示。

圖1 駕駛室人機環(huán)境設計流程

3 駕駛室布置設計

本文以某測量船為例，對駕駛室視野視線設計進行探討。該船駕駛室前部設置駕控臺，裝備ECDIS、CONNING、Auto pilot等綜合船橋設備，駕駛室常備3名人員，分別是位于駕控臺中線的操舵人員、位于駕控臺左側的導航與操縱人員和位于駕控臺右側的導航雷達操作人員。該船因其特殊的任務需求，要求駕駛室內所有人員均需進行航行瞭望，保障航行安全和使命任務的執(zhí)行。因此要求駕駛室主要人員均滿足最小前向視野要求。在考慮船周視野和橋樓翼臺視野后設計駕駛室外形，得到形成駕駛室外形的初步幾何參數(shù)如表1所示。

表1 某測量船駕駛室初步外形幾何參數(shù)

本文討論使用繪圖法［5-6］進行駕駛室視野視線初步設計，繪圖在AutoCAD上進行，視野視線采用近似繪圖方法，駕駛室人員人體尺寸采用GB/T 10000-88《中國成年人人體尺寸》中尺寸，駕駛室布置設計滿足90%的男性成年人使用，即尺寸設計參考第5到第95百分位數(shù)男性人體尺寸。成年男性人體主要尺寸如表2所示。

表2 成年人人體主要尺寸

在布置設計中需要著重解決前后向視野與前艙壁觀察通道之間的矛盾，在MSC.982中對于通道尺寸規(guī)定如下：“從駕駛室前艙壁到任一控制臺之間通道間距不能小于800 mm，較適宜的通道間距至少應1 000 mm。”

為減輕駕駛室人員工作強度，采取站姿坐姿相結合的操縱方式，從兼顧站姿和坐姿的角度出發(fā)，將坐姿視高與站姿視高設定基本一致。第5百分位站姿眼高為1 474 mm，站姿肘高為954 mm，控制臺臺面前緣高度低于站姿肘高，選定為950 mm，控制臺臺面厚度為100 mm，則通過坐姿計算座面高度hd為：

座面高度取整為700 mm，則通過計算求得第5百分位數(shù)坐姿距地視高為1 448 mm，第95百分位坐姿距地視高為1 546 mm，使用第5百分位坐姿距地視高進行計算，在前后向視野與駕控臺和駕駛室前艙壁觀察空間之間進行權衡，在滿足視野要求的情況下，盡量留出寬裕的通道，便于人員靠近前窗觀察，因此將前艙壁觀察通道定為850 mm。

設計繪圖與垂直視野如圖2所示。

圖2 駕駛室側視設計繪圖與垂直視野

駕控臺高度不可影響前向視野，需小于1 300 mm，駕控臺的面板高度為950 mm，座椅座面高度為700 mm。通過視野視線設計可獲得符合人機工程的駕駛室設備尺寸要求。

本船主操舵位置位于船中線上，在主操舵位置的左側設置導航與操縱工作站，在初步確定了駕控臺的位置之后，使用繪圖法計算該船操舵位置水平視野和視野盲區(qū)，如圖3所示。

圖3 駕駛室操舵位置水平視野繪圖

計算導航與操縱工作站人員視野和盲區(qū)，如圖4所示。

圖4 導航與操縱工作站水平視野繪圖

由于駕駛室甲板較高，甲板設備對于水平視野影響較小，主要存在的視野盲區(qū)是由窗戶結構造成。水平和垂直方向的視野及盲區(qū)如下頁表3所示。

從計算結果可見，駕駛室各位置視野滿足設計要求，從而得到駕駛室初步布置方案。

表3 某測量船駕駛室視野計算結果

4 駕駛室工作環(huán)境要求

對駕駛室的工作環(huán)境要求，主要包括氣候、噪聲、振動、照明和處所安全，從規(guī)范中整理得到各項工作環(huán)境要素設計要求見表4所示。

表4 某測量船駕駛室工作環(huán)境要求

在完成駕駛室布置設計之后，參照工作環(huán)境要求，分項完成對駕駛室的整體人機環(huán)境設計，從而獲得駕駛室設計方案。

5 結 論

由使用繪圖法計算的結果可以發(fā)現(xiàn)，本船駕駛室充分考慮站姿和坐姿使用人機工程和視野視線需求，使用人機環(huán)境設計流程，設計駕駛室的布置符合視野視線要求。在設計過程中發(fā)現(xiàn)，對視野影響最大的是駕駛室前窗尺寸，在船舶設計中應該充分減小各窗戶之間的支持結構，增大窗戶面積，優(yōu)化駕駛室的視野視線。但是，由于繪圖法僅能在一維空間內進行視野視線測算，不能預測到立體空間內由于窗戶玻璃厚度、艙壁厚度帶來的視野變化，因此在今后的設計中，可以采用三維建模和實尺模型的方式對視野視線進一步設計加以完善。

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