基于JACK系統(tǒng)的艦船駕控臺(tái)人機(jī)工效設(shè)計(jì)及仿真評(píng)估研究

張凱 王秋陽(yáng)

摘要：為了提高艦船人機(jī)工效設(shè)計(jì)的質(zhì)量。基于人機(jī)工程學(xué)原理及人體測(cè)量學(xué)的相關(guān)參數(shù)，利用JACK系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)，在艦船駕控臺(tái)的人機(jī)工效設(shè)計(jì)中開展視野和行為的可達(dá)性相關(guān)設(shè)計(jì)工作，并開展了視野仿真評(píng)估和可達(dá)性仿真評(píng)估。得到JACK系統(tǒng)對(duì)仿真結(jié)果。表明該駕控臺(tái)的設(shè)計(jì)能夠滿足駕駛?cè)藛T的使用要求設(shè)計(jì)方法合理、可行。

關(guān)鍵詞：駕控臺(tái) 人機(jī)工效 仿真 布局 JACK

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 04-0014-04

前言

隨著現(xiàn)代艦船航行和作戰(zhàn)的需要，艦船需要滿足能在海上長(zhǎng)時(shí)間逗留和具備極強(qiáng)的戰(zhàn)斗力，操縱功能更加復(fù)雜，對(duì)駕駛員的要求不斷提升，減少駕駛員的出錯(cuò)概率變得尤為重要。然而，海洋事故卻不斷發(fā)生。事實(shí)上，60%～80%的海上事故是由人為錯(cuò)誤引起的，表明人為操作的失誤對(duì)艦船航行安全影響巨大[1]。駕控臺(tái)作為艦船航行操縱及指揮的重要平臺(tái)，是一個(gè)人、機(jī)、環(huán)境三種因素互相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)不僅要求能為駕駛員提供清晰全面的信息，準(zhǔn)確判斷并快速執(zhí)行決策的操縱方式，而且還必須考慮人自身的各項(xiàng)因素以及環(huán)境的影響[2]。因此，在項(xiàng)目前期就應(yīng)該對(duì)駕控臺(tái)控制面板布局、可達(dá)性、控制器件的操控性、視野范圍、防誤操作設(shè)計(jì)、人員工作負(fù)荷度等方面進(jìn)行綜合評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)駕控臺(tái)人機(jī)工效設(shè)計(jì)中的問題，從而提高艦船的航行安全性和整體效能。

一、人機(jī)工效設(shè)計(jì)要求

艦船駕控臺(tái)是駕駛員感受信息、操縱艦船的人機(jī)界面，是駕駛員作戰(zhàn)航行的工作場(chǎng)所。因此，駕控臺(tái)人機(jī)工效設(shè)計(jì)包含以下要求：

（1）視野要求：駕駛室的駕控臺(tái)外形、設(shè)備布局必須給駕駛員以足夠?qū)掗煛⑶逦筒皇д娴囊暯纾蛊淠茉诤叫羞^程中安全地完成任何動(dòng)作。對(duì)顯示裝置、控制面板進(jìn)行合理布置，以確保任一駕駛員在其工作崗位內(nèi)盡可能少偏移正常姿勢(shì)和視線，即可看清供其使用顯示裝置。

（2）可達(dá)性要求：應(yīng)根據(jù)駕駛員的分工和所處的位置來(lái)設(shè)置控制面板的方位，供駕駛員使用的所有操控器件，必須布置在可達(dá)的使用范圍內(nèi)，最重要和最頻繁使用的控制器件，其安裝位置應(yīng)是最易于可達(dá)和抓握的地方，并且控制器件的選擇上要考慮編碼識(shí)別、形態(tài)尺度、控制阻力、相合性、布局需要等要求。

二、駕控臺(tái)人機(jī)工效設(shè)計(jì)

駕控臺(tái)是一個(gè)典型的復(fù)雜人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)，“人”是指艦橋作業(yè)人員，進(jìn)行設(shè)備操縱或決策，“機(jī)”指艦橋的操縱、導(dǎo)航、通訊及武器裝備等，“環(huán)境”指人和機(jī)器共處的艙室條件，例如噪聲、照明及溫度等，能夠影響人員的作業(yè)和生活[3]。基于人機(jī)工程學(xué)的駕控臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要就是使駕控臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式能夠讓操作員坐著舒服、看得清楚、操作方便，也就是為操作員提供舒適的操作空間，使操作員獲得最佳的視覺效果，讓操作員可以方便地操作顯控臺(tái)上安裝的設(shè)備[4]。

（一）人體模型確定

以身高為取樣參數(shù)，在這種情況下，小身材駕駛員（第5百分位）、大身材駕駛員（第95百分位）這兩個(gè)子樣便成為判定90%駕駛員群體使用需求滿足度的合理邊界。此次駕控臺(tái)人機(jī)工效分析是在第95百分位中國(guó)海軍男性艦（艇）員的人體模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的[5]，駕控臺(tái)應(yīng)當(dāng)能夠容納P95以下男性士兵的尺寸。以GJB/Z 131-2002《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中附錄C-海軍艦（艇）員人體測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在JACK數(shù)據(jù)庫(kù)中建立了P95的CHINESE人體模型，如圖1所示。

（二）人機(jī)關(guān)系模型設(shè)計(jì)

駕控臺(tái)的人機(jī)關(guān)系模型包括航行駕駛員和駕控臺(tái)、操控裝置、顯示裝置等硬件實(shí)物裝置。

駕控臺(tái)上的人物模型從左至右分別是：駕駛員A、駕駛員B、駕駛員C、駕駛員D，如圖2所示。站姿人物模型腹部距離操作臺(tái)面邊緣lOcm左右，坐姿人物模型位于座位中心。其中B、C兩站位的駕駛員是主要的航行操縱人員，為此次人機(jī)工效評(píng)估的重點(diǎn)，A、D兩站位的駕駛員為輔助操作人員，其可達(dá)性和視野受影響較小，不作為此次評(píng)估的對(duì)象。

操縱裝置包括舵輪、主機(jī)推桿、按鈕、旋鈕、按鍵及把手等，顯示裝置包括儀表、數(shù)字顯示裝置、信號(hào)燈和指示燈等[6]。

駕駛員設(shè)計(jì)眼位處于垂直距離座椅中位點(diǎn)795mm-800mm范圍內(nèi)，保證在正中矢狀面前方170-240mm、左右+35mm構(gòu)成的空間分布范圍內(nèi)可正常觀察。座椅的設(shè)計(jì)可以在垂直向上、向下調(diào)節(jié)幅度達(dá)到50mm，以滿足駕駛員可將眼睛位置調(diào)整到設(shè)計(jì)眼位水平。

（三）顯示器及控制面板設(shè)計(jì)

1.顯示資源設(shè)計(jì)

主顯示器的顯示資源進(jìn)行了應(yīng)急備份設(shè)計(jì)，能夠保證主航行顯示和應(yīng)急備份顯示器之間從信號(hào)探測(cè)、傳輸?shù)叫畔@示全系統(tǒng)間的完全獨(dú)立。 顯示信息的設(shè)計(jì)具有足夠的視覺對(duì)比度方便駕駛?cè)藛T觀察和理解，保證駕駛?cè)藛T在不出現(xiàn)眼部疲勞的情況下識(shí)別和辨認(rèn)出信息。所有顯示器的顯示信息在字體、位置、大小、形狀、標(biāo)記、動(dòng)態(tài)變化、告警等方面都采用一體化設(shè)計(jì)，提高了顯示資源設(shè)計(jì)的規(guī)范性。閃爍作為一種重要的信息通知方式，但如果濫用就會(huì)減弱吸引注意的效力，因此，閃爍頻率的設(shè)計(jì)選擇為0.8Hz-4.OHz。

信息元素（文本、符號(hào)、等）在字號(hào)的選擇上都較大，使駕駛?cè)藛T能在所有條件下都能輕易觀察和理解。原則上，信息顯示采用漢字為主，在此前提下，使用少量非漢字字母、數(shù)字或圖形符號(hào)。顯示器上漢字采用宋體，以抗畸變形式呈現(xiàn)，漢字大小在設(shè)計(jì)眼位觀察一般為不小于0.4°視角。漢字筆畫寬度為字高的十六分之一至八分之一，航行數(shù)據(jù)中的數(shù)字和字母所占據(jù)的垂直視角應(yīng)不小于0.35°。

顯示器上標(biāo)記可以是漢字或圖標(biāo)，其布置按照如下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：標(biāo)記和被標(biāo)記對(duì)象之間空間關(guān)系明確;標(biāo)記的朝向可促進(jìn)可讀性;標(biāo)記用于指明正起作用的功能，且當(dāng)該功能不再起作用時(shí)功能標(biāo)記也隨之去除。

顯示資源中顏色的選用基本滿足一致性和標(biāo)準(zhǔn)化，確保信息的正確傳遞，同時(shí)，每種編碼色均有足夠的色度分離，可以滿足在所有照明和飛行狀態(tài)下以及和其他顏色一起使用時(shí)，該顏色可以辨認(rèn)、易于區(qū)分。每一種顯示數(shù)據(jù)類別分別采用一種顏色，以避免顏色與顏色含義間的錯(cuò)誤匹配。字符顏色與背景顏色之間的差別為lOODE的色度分離。同一系列內(nèi)的兩種顏色之間差別為20DE的色度分離。字符顏色與背景顏色之間的對(duì)比度為7：1。在黑色背景的顯示畫面中，同一幅畫面中的顏色搭配方案如表1所示：

顯示信息的分區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)一個(gè)物理顯示器上有多個(gè)分區(qū)的情況，分區(qū)大小也會(huì)不相同，分區(qū)之內(nèi)、之間信息元素的距離設(shè)置足以滿足駕駛?cè)藛T輕易區(qū)分獨(dú)立的功能或功能組合，并避免分心或意外交聯(lián)。

2.控制面板設(shè)計(jì)

控制面板組件是提供給駕駛?cè)藛T直接操作的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)藛T對(duì)船上各相關(guān)系統(tǒng)的控制與操作。控制面板上的典型控制器件包括：旋轉(zhuǎn)開關(guān)、按壓開關(guān)、扳動(dòng)開關(guān)、鍵盤、軌跡球和操縱手柄等。通過對(duì)操作任務(wù)流程進(jìn)行分析，開展集成化設(shè)計(jì)，使控制器件的類型限制到最少，同時(shí)，在同類控制器件的選型上盡量做到動(dòng)作感覺和阻尼感一致。同時(shí)，在控制面板的布局方面，由于燃?xì)廨啓C(jī)控制面板和航行控制面板是駕駛員需要頻繁操控的兩塊控制面板，所以優(yōu)先將這兩塊控制面板優(yōu)先放在B、C站位駕駛員的最舒適的可達(dá)區(qū)域里，即靠近中臺(tái)前部的區(qū)域。

按鍵的設(shè)計(jì)在考慮人機(jī)功效的相關(guān)規(guī)定后，邊長(zhǎng)定為18mm，相鄰按鍵頂部間距的距離為6mm，保證在操作一個(gè)按鍵時(shí)，不會(huì)引起其他按鍵的工作，按鍵的行程為4.8mm，操作按鍵用的壓力為5N。按鍵的阻尼設(shè)計(jì)根據(jù)駕駛員的使用習(xí)慣，阻尼值偏大，按壓的觸感明顯。在重要按鍵上采用指示燈作為反饋信息，使駕駛員能方便明確當(dāng)前的功能狀態(tài)。

（四）駕控臺(tái)視野設(shè)計(jì)

駕控臺(tái)視野設(shè)計(jì)主要是根據(jù)人體生理特點(diǎn)確定的最佳視區(qū)、最大視角區(qū)域，在上述區(qū)域內(nèi)對(duì)駕控臺(tái)設(shè)備進(jìn)行合理的布局[7]。

根據(jù)GJB 2873-1997《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》的要求，頭部自然轉(zhuǎn)動(dòng)向上、向下、向左、向右15度范圍為最佳視區(qū)，頭部能轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度范圍為最大視角區(qū)域。顯示裝置是人機(jī)系統(tǒng)中人機(jī)界面的主要組成部分之一，人依據(jù)顯示裝置所傳遞的機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、要求，才能進(jìn)行有效的操縱和使用[8]。為保證駕駛員能夠在航行期間大部分時(shí)間處于最佳視區(qū)，降低疲勞感，主顯示器應(yīng)位于駕駛員眼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最佳視區(qū)，若因設(shè)備布局的限制，不得不超出最佳視區(qū)時(shí)，務(wù)必不應(yīng)超出頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大視角區(qū)域，如圖3、4所示。

由于B、C站位的座椅正常高度和規(guī)格都一致，并且駕駛員的人體模型也是相同的，所以駕駛員B和C在垂直視野上范圍一致，如圖5所示。

從圖中分析可以得知，在水平可達(dá)范圍和垂直可達(dá)范圍內(nèi)，駕控臺(tái)上的主顯示器和大部分控制面板均在駕駛員的最大視野范圍內(nèi)，并且在稍微轉(zhuǎn)動(dòng)身體的情況下就能夠覆蓋到所有的設(shè)備。

（五）駕控臺(tái)可達(dá)性設(shè)計(jì)

駕控臺(tái)可達(dá)性設(shè)計(jì)主要是確定駕駛員的方便可及域，并將控制面板在方便可及域內(nèi)進(jìn)行合理布局。方便可及域是在標(biāo)準(zhǔn)立/坐姿下，以中指指尖為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的上肢最大可及域。方便可及域由2個(gè)尺度決定：上肢最大長(zhǎng)度和寬度。由GB/T14779-1993可以得知，人在坐姿的情況下，身體前傾的舒適角度為25°，將人體模型以髖關(guān)節(jié)為圓點(diǎn)前傾25°，以肩關(guān)節(jié)為圓心分別畫出手腕的活動(dòng)范圍以及駕控臺(tái)極限位置所需的臂長(zhǎng)，如圖6、7所示。

由于B、C站位的座椅正常高度和規(guī)格都一致，并且駕駛員的人體模型也是相同的，所以駕駛員B和C在垂直可達(dá)的范圍一致，如圖8所示。

從圖中分析可以得知，在水平可達(dá)范圍和垂直可達(dá)范圍內(nèi)，距離最遠(yuǎn)的需要可達(dá)設(shè)備為B站位駕駛員的對(duì)應(yīng)的電話機(jī)，在前傾的舒適角度范圍內(nèi)也可以觸及到，因此，駕控臺(tái)上的絕大多數(shù)操控設(shè)備基本都能覆蓋到。

三、駕控臺(tái)人機(jī)工效仿真評(píng)估

（一）視野仿真評(píng)估

視野評(píng)價(jià)主要考察由于人體生理特點(diǎn)、駕駛艙船體結(jié)構(gòu)遮擋或儀器儀表顯示屏等布置造成的觀測(cè)視區(qū)大小范圍、觀測(cè)清晰度以及舒適性。由于B、C站位正前方的主顯示器集中了大部分的航行管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合航行信息監(jiān)視功能、航行目標(biāo)管理功能、航線管理功能、錨位監(jiān)視功能、全船各種報(bào)警管理功能，所以該主顯示器將是視野仿真評(píng)估的重點(diǎn)。

通過仿真分析可得，B、C戰(zhàn)位對(duì)應(yīng)的主顯示器均在駕駛員的最佳視區(qū)內(nèi)，其他顯示類設(shè)備也在駕駛員的最大視野范圍內(nèi)，顯示器表面上所有區(qū)域都能夠清晰可讀，如圖9、10所示。

（二）可達(dá)性仿真評(píng)估

可達(dá)性評(píng)價(jià)主要考察由人體臂長(zhǎng)所決定的方便可及域范圍內(nèi)是否能觸及所有需操控的器件。通過對(duì)航行任務(wù)操作流程分析可知，B站位的舵輪和中臺(tái)上的左右兩車鐘作為航行操控中使用最頻繁，對(duì)船航行最重要的兩種裝置，將是可達(dá)性仿真評(píng)估的重點(diǎn)。

駕駛員B在腰部向前彎曲30°，向右旋轉(zhuǎn)30°的情況下，對(duì)其負(fù)責(zé)的控制面板均有良好的可達(dá)性，可單手操控屏幕周圍的按鍵，并可在單手操控車鐘的同時(shí)單手操控舵輪，能滿足航行過程中各種復(fù)雜的任務(wù)需要，如圖11所示。

駕駛員C在腰部向前彎曲30°，向左旋轉(zhuǎn)30°的情況下，對(duì)其負(fù)責(zé)的控制面板均有良好的可達(dá)性，可單手操控屏幕周圍的按鍵，并可在單手操控車鐘的同時(shí)單手通過鍵盤輸入簡(jiǎn)單字符，完成相關(guān)的指令下發(fā)工作，如圖12所示。

結(jié)語(yǔ)

駕控臺(tái)人機(jī)功效設(shè)計(jì)的工作目標(biāo)是根據(jù)某船的頂層要求，將人機(jī)功效設(shè)計(jì)理念貫穿于某船的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、裝配等階段，從而使該船駕控臺(tái)在使用過程中更加安全、高效、舒適、充分發(fā)揮該船靈活機(jī)動(dòng)的工作優(yōu)勢(shì)，大幅提升駕駛員的可持續(xù)工作能力。

本文以某型艦船駕控臺(tái)的人機(jī)工效設(shè)計(jì)為例，應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)的原理對(duì)某船駕控臺(tái)設(shè)計(jì)出合理的設(shè)備布局[9]，通過采用JACK仿真驗(yàn)證確認(rèn)了現(xiàn)有駕控臺(tái)設(shè)計(jì)能夠滿足視野范圍和可達(dá)性兩個(gè)關(guān)鍵需求，優(yōu)化了駕駛員、駕控臺(tái)、駕駛室三者間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高了駕駛員的操作舒適性和方便性，讓駕駛員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠保持舒適的操作姿勢(shì)，良好的視野和合理的控制面板布置，從而保證駕駛員更高效，安全地完成任務(wù)[10]。

參考文獻(xiàn)

[1]馬雨薇.基于人困工程學(xué)的訓(xùn)練艦艦橋布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[J].工業(yè)設(shè)計(jì)， 2018，（2）：118-121

[2]陳登凱，王雨倩，葉聰，等載人措器駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估方法研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38 （4）：105-109，135

[3]余昆.基于工效學(xué)的艦橋人機(jī)界面評(píng)價(jià)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010

[4]李文志，于揚(yáng)基于人機(jī)工程學(xué)的機(jī)載顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2010，26 （4）：28-30

[5]秦沛陽(yáng).基于CATIA的艦載顯控臺(tái)人機(jī)工程研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2017，34 （10）：105-109

[6]錢江，余昆，顏聲遠(yuǎn)，等大型船舶駕駛室數(shù)字化人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法[J].中國(guó)艦船研究，2014， 9 （4）：18-24

[7]何紅妮，王釗，孫海軍.電子操作員顯控臺(tái)人機(jī)工效設(shè)計(jì)方法[J].航空科學(xué)技術(shù)，2016，27 （1）：53-56

[8]宋小青，沈璽基于人機(jī)工程學(xué)的控制面板設(shè)計(jì)研究[J].裝備制造技術(shù)，2006，（4）：67-69

[9]賈凱翔，王崴，瞿玨，等基于TRIZ理論的某型裝備顯控臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制，2018，43 （2）：136-139

[10]張路陽(yáng)，朱繼進(jìn)，李夢(mèng)，等某型越野車車載武器站人機(jī)布置方法研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（Sl）：49-54