人機工效在載人潛水器布局設計中的應用

葉聰, 徐偉哲, 劉帥

(1.中國船舶科學研究中心, 江蘇 無錫 214082; 2.深海載人裝備國家重點實驗室, 江蘇 無錫 214082)

載人潛水器是為了滿足我國及國際海底資源勘探和開發(fā)、開展深遠海科學考察、深海考古等迫切需求研制的水下裝備。載人潛水器能將人送達水下或者海底，充分發(fā)揮人在現(xiàn)場直接觀察、取樣和測繪的優(yōu)點，以便及時發(fā)現(xiàn)和決策，有效地執(zhí)行精細作業(yè)任務。自2002年以來，我國研制完成首臺大深度作業(yè)型載人潛水器蛟龍?zhí)枺瑒?chuàng)造了7 062 m的下潛記錄。在此基礎上，研制出的4 500 m級深海勇士號載人潛水器，實現(xiàn)了95%的國產(chǎn)化率，進一步提升了我國載人深潛核心技術及關鍵部件自主創(chuàng)新能力。2020年11月10日，我國最新研制全海深載人潛水器奮斗者號,在馬里亞納海溝成功下潛至10 909 m，創(chuàng)下了中國載人深潛的新記錄。載人潛水器是一個牽涉多學科的復雜人-機-環(huán)系統(tǒng)，其布局設計不僅決定了潛水器的主尺寸、重量、航速、功能等重要指標，還對潛水器維護性、作業(yè)效率、舒適性等有著直接影響。因此載人潛水器布局設計中的人機工效應用受到了越來越多的重視，人機工效設計的優(yōu)劣將影響到潛水器運維效率。

我國載人潛水器的人機工效學研究起步相對較晚，在蛟龍?zhí)栄兄浦爸饕菄@潛艇開展，包括狹小環(huán)境中潛艇人員生理和心理研究[1-2]、人機界面和人機交互研究[3-4]、艙室環(huán)境對人員作業(yè)的影響研究[5-7]等。近年來隨著我國載人潛水器的研制成功，國內(nèi)已有眾多高校、研究所參與載人潛水器人機工效研究。包括潛航員工作負荷研究[8]、空間舒適性復合評估方法研究[9]、作業(yè)績效和人因失效概率研究[10-11]、潛航員崗位要求研究[12]、載人潛水器座椅設計研究[13]，基于模糊層次綜合評估方法的布局優(yōu)化[14]，基于疲勞特性的布局優(yōu)化研究[15]等。由于實際工程問題通常情況復雜，以數(shù)學模型進行求解的過程較為困難且難以合理的簡化，因此現(xiàn)有研究存在最終計算結果與實際工程設計難以結合的問題。

載人潛水器從布局設計時就應考慮到后續(xù)制造、檢測、總裝、試驗、運營和維護等方面的人-機-環(huán)相互作用、相互影響，人機工效學的設計思想應貫穿載人潛水器的整個研制過程。本文從載人潛水器研制工作中的實際工程經(jīng)驗出發(fā)，從載人潛水器的設備布局設計和載人艙內(nèi)布局設計兩大方面闡述人機工效在載人潛水器布局設計中的應用。載人潛水器設備布局是在主尺度、起吊重量、布放回收、潛浮航行性能、作業(yè)能力等指標約束下，針對潛水器全艇進行布局。載人艙內(nèi)布局是兼顧觀察窗視野、艙內(nèi)設備功能、人員舒適性等因素對潛水器載人艙開孔及艙內(nèi)進行整體設計。

1 載人潛水器設備布局設計

1.1 設備布局原則

載人潛水器設備布局應滿足以下原則：

1) 布置緊湊，在兼顧設備可維性并避免相互干擾的前提下，最大限度降低潛水器包絡體積；

2) 將設備盡量都布置在有限的主體線形內(nèi)，減少附體阻力；

3) 確保設備功能和性能，預留升級和增改裝的接口與空間；

4) 為復雜操作提供輔助和便利，設備的日常操作維護便捷；

5) 為作業(yè)工況提供可量化的優(yōu)化設計。

1.2 設備布局分區(qū)

設備布局分區(qū)是在綜合考慮穩(wěn)性、維護性、作業(yè)需求、電磁兼容等因素的基礎上，對潛水器零部件和設備布置位置進行劃分，見圖1。

圖1 載人潛水器設備布局分區(qū)

潛水器首部為照明作業(yè)區(qū)，主要布置采樣籃、機械手、作業(yè)工具及照明燈。載人艙布置在照明作業(yè)區(qū)后方，綜合設計載人艙、觀察窗、采樣籃及機械手的相對位置，保證潛航員能正常完成潛水器操縱和作業(yè)。潛水器重心位置布置壓載水箱和可棄壓載，保證壓載水箱注排水以及可棄壓載拋棄時，潛水器姿態(tài)不變。潛水器上半部分布置浮力塊，提高潛水器浮心，增加潛水器穩(wěn)性。下半部分布置大部分設備，設備拆裝、檢修和維護時，只需要打開潛水器外部的輕外殼就能方便地進行。中間供配電區(qū)安裝潛水器蓄電池，在尾部去留段預留維護通道，可通過拆除維護通道內(nèi)的輕外殼方便地進行充電、檢修等維護操作。強電設備及弱電設備分別布置在兩舷側，比如配電罐、動力接線箱等均布置在潛水器左舷；水聲通信罐、計算機罐、聲學系統(tǒng)接線箱等均布置在潛水器右舷，盡量減少高電壓、大電流、低頻設備對聲學設備的電磁干擾。控制聲學設備的布置充分考慮其工作特性，確保其發(fā)射面不被遮擋。

1.3 可達性設計

可達性設計是指，設備在操作使用維護時容易接近。即設備能夠看得見——視域可達；摸得著——實體可達；用得好——方便使用。設計能為復雜操作提供輔助和便利，使設備的日常操作維護便捷。以下結合幾個載人潛水器設備設計實例進行闡述。

1.3.1 艙外扶手設計

我國已研制完成的大深度作業(yè)型載人潛水器布放回收指標均為：布放平均風速上限17 kn，最大風速上限21 kn；回收平均風速上限22 kn，最大風速上限27 kn。圖2為蛙人為載人潛水器掛上拖曳纜及起吊纜的海試照片。

圖2 載人潛水器掛纜照片

為保護蛙人靠近潛水器作業(yè)的安全，防止海浪拍擊時蛙人撞擊到潛水器或被海浪沖擊時無法較好的完成掛纜任務,設計時在潛水器頂部的首部位置及中部位置安裝扶手，幫助蛙人靠近潛水器并在海浪中固定好身體。同時，對起吊纜和拖曳纜的掛鉤安裝裝置進行力學和結構型式的優(yōu)化，讓蛙人即省力又高效地完成掛纜任務。

1.3.2 耐壓罐設計

由于潛水器在水下受到高壓海水作用，載人艙外的非耐壓設備、儀器均需放置在耐壓罐中。耐壓罐包括計算機罐、配電罐、聲學罐、光纖罐及驅動罐等。耐壓罐的設計除了應滿足儀器設備安裝的內(nèi)部尺寸要求，還要滿足電氣系統(tǒng)接插件的安裝要求以及設備的拆裝維護需求。

耐壓罐封頭的形式一般有半球封頭和平封頭，見圖3。在承受同等壓力情況下，平封頭的重量約為半球封頭的1.1～1.2倍。但是半球封頭的接插件呈放射狀，相對于平封頭其安裝空間和操作空間卻大大增加。因此在設計時，為了節(jié)省操作面空間，以及兼顧接插件拆裝操作便捷，潛水器耐壓罐的舷側封頭大多采用平封頭。

圖3 耐壓罐

1.4 艙外光環(huán)境設計

水下照明目前沒有對應的標準、規(guī)范供參考和執(zhí)行。規(guī)范CIE 8995:2002《室內(nèi)工作場所照明》[16]中要求夜間照明、指示照明的照度不低于5 lx。結合載人潛水器實際作業(yè)需求，制定照度目標值：

1) 距潛水器3 m遠、寬度7 m的垂直視域范圍內(nèi)照度最低值不小于5 lx；

2) 距潛水器7 m遠、寬度7 m的垂直核心視域范圍內(nèi)照度最低值不小于5 lx；

3) 距潛水器3 m遠、寬度7 m的水平視域范圍內(nèi)照度最低值不小于5 lx。

研究獲取的深海海水水樣，在實驗室中計算得到深海海水透過率。將艙外燈光布局方案及燈光參數(shù)導入照明設計軟件，計算燈具在空氣介質(zhì)中對應照明目標的照度。根據(jù)照度和光強的對應關系，燈具通過海水后的等效照度等于燈具初始照度和透過率的乘積。艙外照明燈光初始方案的等效照度結果見表1。

表1 艙外照明燈光初始方案等效照度

根據(jù)計算結果可知，7 m垂直目標工作面的最小照度為2 lx，小于目標要求的5 lx。因此考慮對當前照明方案進行優(yōu)化，通過調(diào)整燈陣的安裝角度來達到照明設計目標。優(yōu)化結果見表2，各目標工作面照度均滿足要求。

表2 優(yōu)化后等效照度

2 載人艙內(nèi)布局設計

載人艙是潛航員及乘客整個下潛作業(yè)過程中活動的空間，也是載人潛水器顯控設備的安裝區(qū)域。它是人機交互的重要平臺，因此基于人機工效的艙內(nèi)布局設計尤為重要。設計時應先確定觀察窗、穿艙件盤、出入艙口的開孔位置、大小，再圍繞著以上開孔進行艙內(nèi)設備的布置。

2.1 載人艙開孔參數(shù)設計

人機工效在載人艙開孔參數(shù)設計中的應用包括：觀察窗布局設計、穿艙件盤布局設計、出入艙口直徑設計。其設計原則為：

1) 開孔要兼顧結構安全、人員正常工作及加工建造能力；

2) 觀察窗角度設計應考慮視野重合度、采樣籃和作業(yè)目標視野覆蓋率及人體舒適性，達到綜合最優(yōu)；

3) 穿艙件盤位置應保證穿艙件盤內(nèi)外兩側的接插件操作空間，同時盡量少占用艙內(nèi)設備存放空間。

2.1.1 觀察窗布局設計

觀察窗的布局設計主要包括主觀察窗下傾角、側觀察窗下傾角和主側窗水平夾角。主觀察窗下傾角是指主觀察窗與水平面之間的夾角，主要影響潛航員艙外視野范圍，采樣籃視野覆蓋率等；側觀察窗下傾角是指側觀察窗與水平面之間的夾角，主要影響乘客艙外視野范圍；主側窗水平夾角是指主觀察窗和側觀察窗中軸線投影到水平面之間的夾角，主要影響觀察窗之間的視野重疊范圍。以上3個角度還影響到艙內(nèi)人員的觀察姿態(tài)。

觀察窗下傾角較小時，艙內(nèi)人員觀察舒適度較好，但是潛水器附近區(qū)域以及采樣籃的視野覆蓋相對較差；反之，下傾角較大時，潛水器附近區(qū)域以及采樣籃的視野覆蓋相對較好，但是艙內(nèi)人員觀察舒適度較差。主側窗水平夾角較小時，主側觀察窗視野重疊率高，有利于艙內(nèi)人員協(xié)同觀察和作業(yè)，但可能導致乘客離潛航員太近，影響其操作潛水器。

設計時，首先分析現(xiàn)有潛水器艙內(nèi)布局，通過JACK軟件的OWAS、RULA、CA、LBA等模塊分析人體舒適度及空間干涉情況，確定艙內(nèi)地板高度、人員觀察時觀察窗的最低高度[17]，見圖4。

圖4 JACK分析過程示意圖

根據(jù)結構系統(tǒng)設計輸入，以觀察窗窗座焊縫間距離作為限制條件，在兼顧采樣籃視野覆蓋、機械手作業(yè)范圍等情況下，盡可能增加觀察窗之間的視野重疊范圍，見圖5。

圖5 觀察窗視野分析圖

最后根據(jù)最終觀察窗角度及地板高度構建載人艙三維模型，設計潛航員及乘客的觀察姿態(tài)、休息姿態(tài)及姿態(tài)轉換，通過虛擬建模驗證設計合理性。

2.1.2 穿艙件盤布局設計

根據(jù)上一節(jié)確定的觀察窗角度及艙內(nèi)人員姿態(tài)，設計艙內(nèi)設備空間，見圖6。分析艙內(nèi)功能分區(qū)，艙內(nèi)正前方、左右舷及正后方空間為常用操縱面及設備存放空間，所以將穿艙件盤位置設計在載人艙左后方及右后方。同時，穿艙件盤在方便使用前提下，占用操作面空間及規(guī)整的設備存放空間應最少。所以穿艙件盤的上傾角應在焊縫距離允許的前提下取最大值。

2.1.3 出入艙口直徑設計

為了保證結構強度，減少結構補強導致的重量增加，載人艙開孔應越小越好，即出入艙口直徑應越小越好。經(jīng)虛擬建模及潛水器艙口實物驗證，人員出入艙口時，一只手在艙口上方，一只手蜷縮在胸前，肩膀盡量往前收縮，身體往蜷縮手一側稍稍傾斜，以此姿態(tài)出入艙口所需空間最小。

人體數(shù)據(jù)庫GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》及GJB 4856-2003《中國男性飛行員人體尺寸》中相關項目數(shù)據(jù)見表3。

表3 相關人體尺寸數(shù)據(jù) mm

根據(jù)人機工程學設計原則，艙口尺寸應保證99%人群能夠使用。對比上述2組數(shù)據(jù)，為保證人員能正常出入，以較大的數(shù)值進行計算。

艙口直徑≥0.5×(最大肩寬)+0.5×(胸寬)=423.5 mm。設計時還應考慮，艙口保護罩以及人員衣服厚度的補償量。

2.2 載人艙內(nèi)設備布局設計

艙內(nèi)設備布局設計原則：

1) 保證功能實現(xiàn)及人員安全；

2) 以人為中心，合理利用空間提高舒適性；

3) 設備協(xié)調(diào)統(tǒng)一，小型化、模塊化。

2.2.1 狹小空間作業(yè)人體尺寸測量

受下潛深度、材料、制造工藝等因素影響，大深度載人潛水器載人艙直徑一般不超過2.1 m。狹小空間內(nèi)人體無法舒展，部分人體數(shù)據(jù)無法直接從現(xiàn)有人體數(shù)據(jù)庫中獲得，因此項目組收集和分析國內(nèi)外載人潛水器艙內(nèi)人員作業(yè)姿態(tài)，設計并測量人員作業(yè)和休息時的人體數(shù)據(jù)，用于指導艙內(nèi)布局設計。

2.2.2 載人艙功能分區(qū)

艙內(nèi)功能分區(qū)是在綜合考慮作業(yè)要求、設備具體功能和人的生理、心理因素的基礎上，對艙內(nèi)設備和人員活動區(qū)域進行劃分。

載人艙內(nèi)分為主控區(qū)、低頻設備區(qū)、生命支持及電控區(qū)、人員活動區(qū)等幾個區(qū)域。主控區(qū)在載人艙內(nèi)正前方，為潛水器的主要顯控區(qū)域，綜合信息計算機、航行控制計算機、視頻監(jiān)視器、指示燈、控制開關、操縱桿、機械手主手等設備布置在此區(qū)域。低頻設備區(qū)在載人艙兩側乘客上方，為潛水器操作頻率較低的機柜或設備布置的區(qū)域。生命支持及電控區(qū)在載人艙正后方，布置生命支持裝置氣瓶、供氧面板、電控面板及配電箱等設備。載人艙功能分區(qū)示意圖見圖7。

在艙內(nèi)總布置設計過程中，參考GB/T 12985-1991《在產(chǎn)品設計中應用人體百分位的通則》，綜合考慮本研究收集的載人潛水器艙內(nèi)人員作業(yè)姿態(tài)人體數(shù)據(jù)，針對涉及潛水器功能和安全的尺寸采用上限值P99、下限值P1的雙限值設計，針對非關鍵部件布局采用平均尺寸設計。根據(jù)人體尺寸數(shù)據(jù)對艙內(nèi)設備布置進行對應設計，打造符合人體尺寸的艙內(nèi)空間。

圖7 艙內(nèi)分區(qū)示意圖

2.2.3 布局驗證

潛水器研制過程中通常使用以下2種方式進行布局驗證。一是使用人機工程學軟件Delmia和JACK，構建載人艙三維模型和虛擬人體模型，然后通過軟件的可達域、可視域、OWAS、RULA、CA、LBA等人機模塊完成人機分析。這種方法周期短、成本低，能在設計初期快速評價艙內(nèi)布局，提出修改優(yōu)化意見。另一種是在初步設計完成之后，搭建樣機，開展布局驗證試驗。這種方法能夠讓人員直觀地體驗到艙內(nèi)布局的優(yōu)劣，提出主觀的優(yōu)化意見，同時試驗采集的生理指標和評分結果能夠為方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。圖8為奮斗者號載人潛水器樣機驗證試驗，通過測定記錄實驗對象的坐位壓力分布、表面肌電(斜方肌、豎脊肌和股直肌)、靜息腦電、心電(心率及心率變異性)、血壓、大腿皮膚血流等生理指標，以及利用視覺模擬評分法(visual analogue scale，VAS)開展主觀評價和狀態(tài)焦慮評分，對乘客區(qū)域有支撐板和無支撐板2種艙內(nèi)布局方案進行評估。評估結果為：①有支撐板時乘客臀部與座椅接觸面積減小大腿血流量降低，下肢循環(huán)較差；②有支撐板時乘客股直肌、豎脊肌和斜方肌的平均頻率、中位頻率和功率峰值頻率均有不同程度降低，說明有支撐板情況下姿態(tài)相對固定，能減少非任務性的體力損耗，從而提高作業(yè)效率;③有支撐板觀察時，乘客更易焦慮，撤去支撐板后愉悅感、工作效率和總體舒適度均有提升。綜合以上試驗結果，設計可折疊支撐板(見圖9)，在乘客休息時收起支撐板增加活動空間提高舒適度，觀察時打開支撐板減少肢體活動度，減輕肌肉疲勞，提高工作效率。

2.3 艙口出入梯設計

艙口出入梯作為潛航員從艙外進入艙內(nèi)的承接部件，在布局設計時也需要統(tǒng)籌考慮。深海載人潛水器的載人艙一般被設計為球型，且出入艙口直徑較小(通常不大于500 mm)，同時出入艙口位置進行結構補強，其壁厚較大，可達到350 mm。根據(jù)實際現(xiàn)場試驗測量，在潛航員通過梯子進出艙時，臀部及膝蓋會受到艙口尺寸限制，每一踏步的高度約為150～230 mm，同時膝蓋超出足尖平面，如果采用傳統(tǒng)梯子，梯子踏板將與潛航員膝蓋干涉(見圖10)；另外，由于載人艙內(nèi)設備繁多、活動空間有限，載人潛水器進出艙梯子的支撐斜度通常無法低于70°，因此也無法通過降低梯子的傾斜角度來避開踏板與膝蓋的干涉問題；同時，傳統(tǒng)梯子的直線型踏板型式將占據(jù)一定出入艙口空間，影響人員進出。由于載人潛水器長期工作于風浪較大的海面，載人潛水器進出艙梯子還應滿足：①方便拆裝；②在顛簸的海樣環(huán)境中固定穩(wěn)固，以保證使用安全；③踏板的位置應在人的可視范圍內(nèi)，使用時不至于踏空。

因此，本研究設計專用梯子，來保證進出艙可達性(見圖11)。特殊角度的掛鉤固定在載人艙出入艙口圍壁上，固定牢固且方便拆裝；交錯的踏板設置能讓人在狹小空間內(nèi)方便上下，腿部彎曲不受限制；防滑耳板設置防止在顛簸環(huán)境中，足部滑出踏板；踏板位置在人的可視范圍內(nèi)，使用時不會踏空；踏板上均粘貼一塊防滑橡膠層，起到防滑效果。

圖10 踏步高度及膝蓋干涉示意圖圖11 進出艙梯子等軸測視圖及使用示意圖

2.4 艙內(nèi)光環(huán)境設計

中國船級社《潛水系統(tǒng)和潛水器入級規(guī)范》要求：潛水系統(tǒng)和潛水器應具有足夠的正常照明和應急照明，正常照明的照度在65～80 lx范圍內(nèi)，便于居住人員觀察儀表和進行必要操作。考慮到艙內(nèi)人員閱讀紙質(zhì)文件等其他需求，參考GB/T 13379-2008《視覺工效學原則——室內(nèi)工作場所照明》，規(guī)范中建議普通辦公室和閱覽室照度為300 lx；休息廳照度為150 lx。設計時艙內(nèi)照明通過多光源綜合布局方案，實現(xiàn)艙內(nèi)各個儀表面板照度滿足船級社要求65～80 lx，局部區(qū)域照度達到300 lx，滿足人員認讀紙質(zhì)文件需求。

3 結 論

實際的人機工效在載人潛水器布局設計中應用，目標往往并非達到最理想的“安全、高效、宜人”，而是在限定條件下，綜合多方面因素后，提高其“安全、高效、宜人”。載人潛水器的譜系化、智能化發(fā)展對其人機工效的應用也提出了更高的要求。希望人機工效的研究，為潛航員、乘客及潛水器運維團隊營造一個更好的工作環(huán)境，為深潛任務的圓滿完成提供保障。