艙內功能及人機工效導向的載人潛水器工作艙布局設計方法

陳登凱 ，范昱 ，張帥 ，曲俊霖

1西北工業大學機電學院，陜西西安710072

2陜西省工業設計工程實驗室，陜西西安710072

0 引 言

大深度載人潛水器工作艙的布局設計是潛水器整體系統設計的重要組成部分之一，不僅需要為潛航員提供工作、生活所需的一切設備和設施，還需要在基本無舒適度可言的環境中營造一個低疲勞度、低擁擠度和低緊張感的工作環境。

隨著對海下資源勘探的深入，我國載人潛水器不斷突破更大的下潛深度，這就給潛水器工作艙的布局設計帶來了新的問題，主要有：1）海底壓力的增大導致艙室球殼直徑減小，即工作艙體積減少，設備排布更加緊湊集中；2）大深度下殼體的變形量對設備布置產生影響；3）球殼直徑減少的同時也減少了地板面積；4）隨著下潛深度的增加，潛航員的工作強度增強，更容易疲勞；5）儲物空間更加有限。

以往的艙室設計多根據人體肌肉疲勞度的要求來進行，但這很容易使設備排布過分集中或是超出有限的空間，從而引起設備安裝、使用和維護上的問題，而注重艙內功能和人機工效這2種導向的設計方法則可避免這些問題［1］。

本文將以艙內功能和人機工效為目標導向，通過分析這2種導向下的具體約束，提出以滿足艙內設備正常運行的功能系統約束和降低潛航員不健康隱患的人機工效約束為基礎的載人潛水器工作艙布局設計方法，形成針對大深度潛水器的艙內布局設計流程。最后以“蛟龍”號潛水器為例進行工作艙的布局設計，并利用JACK仿真分析系統等工具對布局方案進行人機綜合評價，以對該方法進行驗證。

1 艙內功能及人機工效導向的設計流程與方法

大深度載人潛水器的下潛深度一般在6 000 m以上，甚至是全海深，因此為減少潛器重量，工作艙的體積需要變小，但這對于形態設計和設備排布影響很大。另外，大深度下殼體的變形量也會影響設備排布。殼體變形量的問題主要通過搭建機架、留出余量的方式來解決。而有關艙室尺寸狹小的問題，首要的任務是把設備合理排布在小空間內，故需先確定艙內功能約束；由于符合人機工程學的布局尺寸可以避免潛航員因過度疲勞而導致對設備的誤操作，因此還需確定人機工效約束。另外，由于艙室體積變小，還會帶來設備面板的排布緊湊混亂的問題，這也會導致誤操作，因此需要對設備進行功能分區設計［2］。我國于2009年研發的“蛟龍”號的面板排布就過于集中，對人的行為和心理考慮不充分，長時間操作很容易使人疲勞。

根據以上分析，認為大深度載人潛水器工作艙的布局設計需求如下：

1）保證設備安裝和維修的可行性；

2）保證人員能夠準確操作設備；

3）設備的排布符合人機工效學要求，能改善潛航員的作業疲勞問題。

要滿足以上設計需求，就需要保證能消除殼體變形量的影響，能依據艙內功能和人機工效的尺寸約束解決工作艙布局的尺寸問題，并能規劃設備排布和工作區域，最終得到符合尺寸要求的布局。

基于具體約束的設計方法的精準度和實用性很高，可以應用到現有的新型布局理念或智能布局方法上。例如，可以將功能系統及人機工效約束作為布局的先決條件，然后再對艙室布局優化的適應度函數等進行研究，之后再根據條件基于遺傳蟻群算法（Genetic Algorithm-Ant Colony Algorithm，GA-ACA）等建立布局設計模型，開發布局設計系統［3］。文獻［4］中所提的通過制定玩家間單獨進行的布局游戲來幫助布局設計的方法，其本質即是以艙內功能為導向，以約束為基礎進行游戲過程。該游戲的高分數解決方案由相應位置所需的設備排布情況是否最均衡合理來確定，因此需要事先布置人機及艙室2種導向下的約束條件以作為評定標準。

1.1 艙內功能導向分析

艙內功能導向下的設計，是指以滿足艙內設備功能實現為方向進行的設計，是以設備為主體。首先，需要保證艙內設備能夠被安裝和維修，即要求設備排布互相留有余量，安裝位置便于裝卸；其次，需要保證設備安全運行，即要求面板的朝向方便觀察，并給潛航員留有足夠的操作空間。最后，根據設備尺寸、艙室尺寸和所需容度確定艙內功能約束。

艙內功能約束包括艙內機架尺寸、環境約束及工作艙分區。其中，環境約束包括球體尺寸、開孔尺寸、搭乘人員及其工作內容，以及其他設施約束；工作艙分區包括整體分區及各區域主要設備。

1.1.1 艙內機架

大深度潛水器耐壓殼體的選材多為高比強度、高比剛度、具有良好沖壓成型能力的鈦合金材料，工作深度一般在6 000 m以上的深海海域，其耐壓殼體身處高壓環境［5］，會產生微小的變形量。考慮到大深度下殼體變形量對設備布置會產生影響，可采用如下解決方法：由于艙體內部不適合硬連接，故可采用先搭建機架，然后再在機架上安裝內飾板，采用在內飾板內進行設計的方法；在機架與殼體之間留有容量，用以避免殼體變形對內部設備造成影響，如圖1所示，地板直接與殼體連接。此外，在進行分區設計時，還可對主控區、顯示區及生命保障區（以下簡稱“生保區”）的規劃增加5%～10%的體積余量，以保證設備的安全性。

1.1.2 環境約束

為了使布局設計合理有效，方案的制定需要嚴格遵循大深度載人潛水器工作艙技術要求中的環境約束尺寸，因為環境約束確定了設計方案的基本形態。環境約束尺寸包括：球體尺寸；人員可用地板直徑、天花板高度；開孔尺寸，即艙口直徑和舷窗直徑；潛航員信息；已規定容積的其他設施的約束。

其中，潛航員及必備物資空間等約束為固定值，具體如下：載人潛水器的搭乘人員包括操控潛水器的潛航員和科學家，平均身高175 cm，體重80 kg。潛航員位于主觀察窗后的中間位置，負責監測、通信、航行控制、設備啟停操作、壓載拋棄操作，以及作業機械手和工具的操作等控制潛水器航行與任務執行的工作［6］。科學家位于左、右舷觀察窗后，負責配合水下作業任務、與水面進行協調、操作錄像設備并向母船發送信息等工作，同時還要觀察障礙物，以防止碰撞的發生。潛航員的正常工作時間為不超過12 h的下潛區域的白晝時段。

艙內其他設施的約束如表1所示。

表1 其他約束Table 1 Other constraints

1.1.3 工作艙分區

1）整體分區。

根據設備功能的不同，工作艙內可基本分為主控區、顯示區、生保區、工作區及其他設備區，區域排布如圖2所示，以主控區和顯示區為主。各設備按功能排布，以使潛航員能清晰地辨識，便于操作。

不包括天花板上及地板下的空間，在潛航員可活動的中部空間中，考慮到設備體積及其與內飾板之間的余量，主控區與顯示區的體積約占中部空間體積的10%～15%，在內徑為1 800 mm的艙體中約為200～300 L，生保區約占總體積的12%～13%，約為240～260 L。

2）各分區設備。

各分區設備全部都需要規劃排布，并符合潛航員的操作流程與習慣［7］。各分區中的具體設備內容如下：

（1）主控區，包括含有操作手柄的操作臺、加電控制面板、移動攝像機控制面板等。

（2）顯示區，包括航空信息顯示屏、綜合顯示屏、報警指示燈等。

（3）生保區，包括生命保障用品、應急生活用品存儲設備等。

（4）其他區域，包括立體音響、蓄電池、對講機以及筆記本等。

1.2 人機工效導向分析

人機工效導向下的設計，是指以降低潛航員疲勞度為方向進行的設計，是以人為主體。首先，需要保證潛航員能夠安全工作，即避免復雜設計和不清晰的設計，少棱角，確保生保系統空間充足。其次，需要保證減少使潛航員不健康的隱患，即要使設備的排布盡量滿足人機工程的要求，并考慮環境帶給人的生理和心理上的影響。

大深度載人潛水器工作區域布局的人機設計涉及各操作面板和顯示面板的具體排布填裝。其中，操作面板等裝置的放置需要依據國家標準中規定的40項立姿和22項坐姿、人體靜態數據（包括人體主要參數、立姿人體參數、坐姿人體參數、靜坐時的人體尺寸與身高等）、人體動態數據（包括成年男子上肢的功能尺寸等）［8］，以及艙體各區域的約束尺寸來確定出最合理的設備安排和最佳的人員姿勢。另外，艙內各顯示裝置位置的確定直接決定了其閱讀和識別的精準性與時長，因此在進行顯示裝置的布局設計時，應重點考慮人的兩只眼睛的視野，包括國家標準中規定的水平面各類物體的視野、垂直面各類物體的視野［9］，以及及視覺特性等數據。依據以上標準，得到了表2所示工作區域操作裝置布局設計的部分數據范圍及表3所示顯示裝置布局設計的部分數據范圍。

表2 操作裝置布局數據Table 2 The data of the operating device layout

表3 顯示裝置布局數據Table 3 The data of the display device layout

1.3 兩種導向的關系

在確定技術要求的范圍時，艙內功能系統約束要優先于人機工效約束。以顯示區為例，功能系統約束確定了區域的整體容積以及需要排布設備的數量與尺寸，人機工效約束則確定了每個設備的最佳排布位置范圍，設備的最終位置在此范圍內或接近此范圍即可。采用集合的形式來表示顯示區布局設計時2種導向的內容及其關系，如式（1）所示。

式中：Fc為艙內功能系統約束尺寸；Ec為人機工效約束尺寸；Va，Wa，Qe，Ve，We分別為區域容積、區域寬度、設備數量、設備容積及設備寬度；分別為最佳視角和最佳視域；T1為根據功能系統約束確定的顯示區布局設計的技術要求范圍；T2為根據2種約束確定的最終技術要求范圍。

1.4 設計流程

以艙內功能和人機工效為設計導向，以滿足約束要求為實際辦法，綜合考慮了大深度、多約束、狹小空間、人機交互等特點和與求［10］，確定的設計流程如圖3所示。可分為3個部分：

1）根據2種導向下的約束提取出技術要求范圍［11］；

2）對艙內進行整體規劃和分區域設計，并進行具體的尺寸設計；

3）進行人機綜合分析，考察是否滿足人機工效及其他要求。

人機仿真分析是將現實應用投影到虛擬人機交互中進行評價的最清晰的工具［12］，利用仿真軟件可檢查設備間是否干涉、人的操作是否滿足舒適度要求，并進行修改，完善方案。

傳統的工業設計流程如圖4所示，其是以造型設計為主，講究通過造型的概念設計來表達美觀、舒適等特點，并通過造型的創新來解決人們使用產品的問題，而尺寸約束則需要根據造型的需求做出讓步。由于大深度潛水器艙室的布局設計不具備傳統工業設計空間自由的條件，因此必須嚴格滿足約束，合理分配空間，以保障下潛工作安全、有效進行。

在后續的發展中，也可以綜合運用相關的布局方法，囊括多方面的布局要求，對最終位置不斷地進行優化，如具體約束下的艙室聲學布局方法［13］、動態環境的布局方法［14］、基于可維護性的設施布局方法［15］、將專家經驗用數值進行表示來建立問題描述模型的知識融合方法［16］等，創造在聲學環境影響、設備最優維護等要求下的輔助約束，然后再進行設計。

2 艙內功能及人機工效導向設計案例

2.1 約束分析

1）功能系統約束。

以“蛟龍”號潛水器艙內布局設計為例來確定艙內功能系統約束，包括環境約束及工作艙分區。圖5所示為將“蛟龍”號某型號潛水器同比例縮小后的大深度潛水器工作艙的模擬尺寸。

首先，確定其球體尺寸與開孔尺寸（圖5），規定球體內直徑為1 800 mm；依據人體舒適的坐高、蓄電池體積等尺寸，綜合確定人員可用地板直徑為1 245 mm，地板抬升為250 mm；天花板高度為1 100 mm，控制臺高300 mm，前設備寬200 mm；艙口開孔直徑460 mm；前觀察窗透光直徑180 mm，舷側觀察窗透光直徑108 mm，舷側貫穿件2個。

其次，規劃分區，同時確定每個區域中的設備。有關工作艙的分區1.1.3節中已經展示。

2）人機工效約束。

人機工效約束依據表2所示的操作裝置布局數據和表3所示的顯示裝置布局數據。人機工效導向下的空間排布要求設計較多的儲物空間以避免雜亂無序。由于工作艙的整體空間有限，因此根據約束整合艙內空間后，凡可利用的區域均可設計為儲物空間［17］。

將以上2種約束合并為技術要求范圍，設計過程嚴格遵循技術要求范圍。按照設計流程，先對艙內各分區的排布與內容進行總體設計，然后再對每個區域中的設備位置進行尺寸設計。最終得到的設計規劃需分區明顯，整體富有秩序感，空間使用率高，是一種能夠有效降低人員疲勞程度的方案。

2.2 工作區域設計

工作區域包括主控區和顯示區，包括含有各種設備的控制面板和顯示面板，是工作艙布局設計的關鍵。面板根據操作習慣和使用頻率進行排布［18］，各面板間需提高融合度［19］，以便于潛航員辨識并操作。區域色彩的使用要便于潛航員能清晰地辨認［20］，增強潛航員操作的平穩性。表4所示為根據技術要求范圍確定的各面板具體尺寸。

2.3 三維模型建立

確定了設備的位置后，便可設計方案草圖，同時審查并篩選方案。首先依據具體的尺寸進行尺寸設計，并運用計算機輔助工業設計建立三維模型，如圖6所示。

2.4 人機綜合分析

人機綜合分析是檢驗設計方案是否滿足人的操作需求最直接而有效的方法［21］。可利用仿真軟件檢查設備間是否干涉、人的操作是否滿足舒適度要求，以驗證此方法的可行性。

2.4.1 基于JACK的人機分析

JACK系統包含了基礎的人體測量數據、關節柔韌度、健康狀況、疲勞程度、視域、可及度等醫學及生理參數，是目前公認的比較好的人體仿真模型和功效評估軟件系統［22］。本次仿真實驗設定的人體參數為中國男性身高及體重數據中第95位百分數的數據，符合我國潛航員的平均身形要求。

1）基于JACK的工作區人機分析。

工作區人機分析主要涉及可視域及可達域的分析。由圖7（a）可以看出，潛航員的可視域包括操作臺、航控信息顯示屏面板及加電控制面板，潛航員工作時的最佳視域處于航空信息顯示屏部位。由圖7（b）可以看出，潛航員的左、右手可達域包含操作臺及其操作裝置、航控信息顯示屏面板、加電控制面板以及部分綜合顯示屏面板。潛航員工作時的最佳可達域處于視窗及操作臺操作手柄處。

2）基于JACK的舒適度分析。

本次對潛航員工作舒適度的分析選取Dreyfus s3D舒適度分析、OWAS分析及Lower Back Analysis分析［23］。

Dreyfus s3D舒適度分析屬于關節舒適度分析，它可以確定某一活動區域是否使人感到舒適。圖8所示為潛航員工作時，背部直立坐姿（主要針對潛航員觀察屏幕或操作設備面板）和背部彎曲坐姿（主要針對潛航員觀察舷窗進行作業任務）的關節舒適度數據。其中圖右側第1列和第3列的數據分別表示最低值和最高值，第2列為JACK仿真軟件評價出的值，第4列為典型值，也即大多數人可以接受的值，橫坐標表示與第4列典型值的差值。兩側數值越大，說明舒適度越低，其中綠色表示在舒適度范圍內，黃色表示超出了舒適度范圍。從中可以看出，上身部分是保持在舒適度范圍內的，但受地板高度的限制，右腳踝、左腳踝、右小腿和左小腿均處于不舒適的狀態［24］。

OWAS分析用于在動態仿真過程中評價基于背部、手臂和腿負載要求下的工作姿態的不適程度。分析結果可分為4個級別：級別1為良好姿態；級別2為姿態基本正常；級別3和級別4的姿態分別表示有不良影響和非常有害，需要立即調整以避免身體損傷。由圖9（a）可以看出，潛航員的工作姿態屬于級別2。Lower Back分析用于分析特定環境下人體脊椎受力對下背部的影響，分析結果表現為背部壓力數值，判斷數值是否符合美國國立職業安全與健康研究所（National Insti?tute for Occupational Safety and Health，NIOSH）的標準［25］。NIOSH標準給出的背部壓力的推薦力為3 400 N［26］。由圖 9（b）可以看出，潛航員的背部壓力值約為1 200 N，在舒適值范圍內。

3）4 500 m級“蛟龍”號工作艙對比。

與原4 500 m級“蛟龍”號工作艙相比，大深度潛水器工作艙的球殼直徑由2 m減少到了1.8 m，3名潛航員的活動區域不可避免地變得更小，空間更加擁擠，但注重艙內功能系統及人機工效2種導向的布局設計保證了設備的安裝使用，可減輕潛航員的疲勞度。而4 500 m級“蛟龍”號工作艙的布局設計則存在設備排布集中緊密、各區域分區不明顯、直角過多的問題，導致潛航員較易疲勞。潛航員的Dreyfus s3D關節舒適度分析如圖10所示，該舒適度數據由4 500 m級“蛟龍”號工作艙的設計模型分析得到，非實際艙體。從中可以看到，上肢多處關節超出了舒適度范圍。本次設計通過整合區域、分離面板、添加曲面、按使用習慣排布設備等方法解決了以上問題。

2.4.2 座椅區域人機性能分析

根據約束要求，地板的抬升高度為250 mm，潛航員的座椅高度為358 mm，工作臺高度為550 mm，潛航員在正常坐姿狀態下手臂（以肩關節為中心）距工作臺面的直線距離為650 mm，距正前方面板的距離為875 mm，距上前方面板的距離為840 mm，如圖11所示［27］。根據以上模型尺寸及數值修正，要求計算出實際數據，與人機工程國家標準人體尺寸進行對比后得出結論。

數值修正：

1）坐墊高度為100 mm，潛航員坐上后的修正值在50～60 mm之間，因此坐墊與工作臺面之間的距離為250 mm。根據人機工程理論相關數據，保證正常工作的舒適值為230 mm，數據基本符合要求。

2）在正常坐姿狀態下，手臂最大測量范圍（以肩關節為中心）距離工作臺面650 mm、距離正前方操控面板875 mm、距離上前方操控面板840 mm，其范圍值為650～840 mm，身體傾斜修正值為300～400 mm，最終的范圍為950～1 240 mm。根據國家標準給出的作業空間坐姿人體尺寸表，正常坐姿下手臂最大可及度為816 mm，修正值為1 216 mm。本次設計數據中，手臂最大可及度除了距加電控制面板的距離外，其他尺寸均滿足要求，超出的數值為24 mm，在可接受范圍內［28］。

3）人機工程學建議舒適的蹲坐工作姿態最小高度為120 mm，衣物厚度修正值為3～10 mm，最終范圍為123～130 mm。座椅距工作臺的高度為130 mm，數據基本接近最小值。

3 結 語

以艙內功能和人機工效為導向的大深度潛水器工作艙布局設計方法，是以艙內布局技術要求和人機工程學為基礎，通過提取約束要求和分區域設計等關鍵步驟來進行工作艙的布局設計，旨在使設計方案具備較強的實用性，從而有效避免安全隱患。對于此類容積小、安全性要求高、工作強度大、多組件集合的的工作空間布局，與傳統工業設計方法相比，本文提出的布局方法和流程的針對性與系統性更強，并且有利于設備安裝維護的實施。

以“蛟龍”號為例，按照所述布局設計方法進行設計的案例模型，能夠做到遵守技術指標和尺寸約束，充分依據艙內功能系統約束與人機工效約束，合理利用有限空間，降低潛航員的疲勞度等要求。借助計算機輔助工業設計對其進行人機綜合評估，得到了具備仿真數據評價且符合技術要求的艙內布局設計，驗證了此方法的可行性。

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