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测量船驾驶室人机环境设计

2015-01-03王亚森方雄伟

船舶 2015年5期
关键词:盲区驾驶室坐姿

吴 宏 王亚森 方雄伟

(1.海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室 上海201913;2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011)

引 言

船舶驾驶室是船舶航行指挥控制的核心部位,集控制、导航、通讯和航行保障等功能于一体,是复杂的人机环境系统[1]。驾驶室中设备高度集中、信息量大,航行过程中航行指挥控制人员长期处于颠簸、摇摆的环境中,需要长时间关注大量信息,密切注意海上危险情况,其工作压力很大。现有资料表明,绝大多数的水上事故都与人为因素有关,而驾驶室合理的人机环境设计则与航行安全密切相关。在对驾驶室的人机环境设计方面,20世纪60年代末,英国某公司为提供船舶驾驶室良好的视野并减少作业人员完成工作时的奔波劳碌,对船舶驾驶室设备设计及设备布局进行改进。美国同样在船舶人机工程领域的投入力度较大,不但开展一系列船舶人机工程专项试验,而且颁布了多项船舶人机工程设计标准和文件,主要侧重于研究人机环境对船舶战斗力的影响。目前国内对于人机环境工程领域也开展了大量工作,特别是在汽车制造领域[2-3]和航天领域[4],都对视野与视线进行了深入研究。

本文以某测量船驾驶室设计过程为例,通过对驾驶室人机环境设计规范进行整理,探讨驾驶室人机环境设计流程和方法,并进行兼顾站姿和坐姿要求的驾驶室人机环境设计。

1 规范整理

驾驶室是一个高度人机交互的舱室,目前对于船舶驾驶室的人机环境设计,国际海上安全公约的第V章第15条(以下简称SOLAS V/15),规定船长不小于55 m,1998年7月1日后建造的船舶都需要满足驾驶室可视范围要求。国际标准化组织制定了ISO 8468:2007《Ships marine technology-Ship’s bridge layout and associated equipment-Requirements and guidelines》(以下简称ISO 8468),海事安全委员制定了MSC/Circ.982《Guidelines on ergonomic criteria for bridge equipment and layout》(以下简称 MSC.982)为SOLAS V/15提供规范支持,同时中国船级社《钢制海船入级规范》中的“一人驾驶船舶补充规定”也对驾驶室的视野视线提出规范要求。

通过对规范的整理,对于驾驶室的视野视线主要有以下设计规范:

(1)最小前向视野

从驾驶位置上所见的海面视域,在所有吃水、纵倾和甲板货状态下,自船首前方至任何一舷10°范围内均不应有超过2倍船长或500 m(取其小者)的遮挡。

(2)船周视野

应能从驾驶室内观察到任何方向上所有航行所必需的物体,包括其他交通和导航标志。从这一点考虑,当观察者在驾驶室一定范围内移动时应能得到船舶周围360°的视野。

(3)导航与操纵工作站位置水平视野

从导航与操纵工作站上所见的水平视域应延伸为一个不小于225°的扇面,即从正前方至船舶任一舷不小于22.5°的正横后方向。

(4)操舵位置水平视野

操舵位置水平视域范围应至少为从正前方向两舷各延展60°。

(5)桥楼翼台视野

桥楼翼台的视野应从船首另一边45°开始穿过正前方,再向后180°的范围内。

(6)盲区

由正横前方的货物、起货装置和其他障碍物带来操纵和导航控制工作站海面视野的每一个盲区均应不超过10°,盲区总和应不超过20°;而盲区之间的视野应至少为5°,但在(1)最小视野的范围内,每一单独的盲区应不超过5°。

驾驶室的视野视线是保障航行安全的核心要求,本文描述的驾驶室人机环境设计,主要按照以上规范展开实现。

2 设计步骤及流程

驾驶室人机环境设计是一个综合设计的过程,需要综合考虑驾驶室人员视野视线需求,对台位布置、台位高度、窗户设计、通道空间等设计要素进行综合设计,并确定驾控台尺寸和座椅等设备要求。

在实际设计过程中,通常存在诸多关联变量,这些变量之间存在此消彼长的关系,例如:前窗通道的加大往往会带来前向视野的下降;窗户结构强度的加强会带来视野盲区的增大。这时,就需要在满足视野视线需求的角度,对各设计要素进行平衡协调。

驾驶室的人机环境设计过程一般是从船舶总体参数和使命任务入手,确定驾驶室人员的视野视线需求,进行驾驶室外形的初步设计,包括驾驶室位置、桥楼翼台和窗户的初步设计。在完成驾驶室初步外形设计的基础上从前向视野开始,考虑前窗通道空间,在满足最小视野视线需求的基础上,完成前向视野和通道的设计平衡,然后对盲区和视野高度进行校核设计,如果视野视线不符合设计要求,就要对驾驶室外形设计进行修正,并对修正结果进行重新校核设计,确定驾驶室设备的布置方案。随后对驾驶室设备包括驾控台和座椅等设备进行设计,最终形成驾驶室设计方案。

具体流程如图1所示。

图1 驾驶室人机环境设计流程

3 驾驶室布置设计

本文以某测量船为例,对驾驶室视野视线设计进行探讨。该船驾驶室前部设置驾控台,装备ECDIS、CONNING、Auto pilot等综合船桥设备,驾驶室常备3名人员,分别是位于驾控台中线的操舵人员、位于驾控台左侧的导航与操纵人员和位于驾控台右侧的导航雷达操作人员。该船因其特殊的任务需求,要求驾驶室内所有人员均需进行航行瞭望,保障航行安全和使命任务的执行。因此要求驾驶室主要人员均满足最小前向视野要求。在考虑船周视野和桥楼翼台视野后设计驾驶室外形,得到形成驾驶室外形的初步几何参数如表1所示。

表1 某测量船驾驶室初步外形几何参数

本文讨论使用绘图法[5-6]进行驾驶室视野视线初步设计,绘图在AutoCAD上进行,视野视线采用近似绘图方法,驾驶室人员人体尺寸采用GB/T 10000-88《中国成年人人体尺寸》中尺寸,驾驶室布置设计满足90%的男性成年人使用,即尺寸设计参考第5到第95百分位数男性人体尺寸。成年男性人体主要尺寸如表2所示。

表2 成年人人体主要尺寸

在布置设计中需要着重解决前后向视野与前舱壁观察通道之间的矛盾,在MSC.982中对于通道尺寸规定如下:“从驾驶室前舱壁到任一控制台之间通道间距不能小于800 mm,较适宜的通道间距至少应1 000 mm。”

为减轻驾驶室人员工作强度,采取站姿坐姿相结合的操纵方式,从兼顾站姿和坐姿的角度出发,将坐姿视高与站姿视高设定基本一致。第5百分位站姿眼高为1 474 mm,站姿肘高为954 mm,控制台台面前缘高度低于站姿肘高,选定为950 mm,控制台台面厚度为100 mm,则通过坐姿计算座面高度hd为:

座面高度取整为700 mm,则通过计算求得第5百分位数坐姿距地视高为1 448 mm,第95百分位坐姿距地视高为1 546 mm,使用第5百分位坐姿距地视高进行计算,在前后向视野与驾控台和驾驶室前舱壁观察空间之间进行权衡,在满足视野要求的情况下,尽量留出宽裕的通道,便于人员靠近前窗观察,因此将前舱壁观察通道定为850 mm。

设计绘图与垂直视野如图2所示。

图2 驾驶室侧视设计绘图与垂直视野

驾控台高度不可影响前向视野,需小于1 300 mm,驾控台的面板高度为950 mm,座椅座面高度为700 mm。通过视野视线设计可获得符合人机工程的驾驶室设备尺寸要求。

本船主操舵位置位于船中线上,在主操舵位置的左侧设置导航与操纵工作站,在初步确定了驾控台的位置之后,使用绘图法计算该船操舵位置水平视野和视野盲区,如图3所示。

图3 驾驶室操舵位置水平视野绘图

计算导航与操纵工作站人员视野和盲区,如图4所示。

图4 导航与操纵工作站水平视野绘图

由于驾驶室甲板较高,甲板设备对于水平视野影响较小,主要存在的视野盲区是由窗户结构造成。水平和垂直方向的视野及盲区如下页表3所示。

从计算结果可见,驾驶室各位置视野满足设计要求,从而得到驾驶室初步布置方案。

表3 某测量船驾驶室视野计算结果

4 驾驶室工作环境要求

对驾驶室的工作环境要求,主要包括气候、噪声、振动、照明和处所安全,从规范中整理得到各项工作环境要素设计要求见表4所示。

表4 某测量船驾驶室工作环境要求

在完成驾驶室布置设计之后,参照工作环境要求,分项完成对驾驶室的整体人机环境设计,从而获得驾驶室设计方案。

5 结 论

由使用绘图法计算的结果可以发现,本船驾驶室充分考虑站姿和坐姿使用人机工程和视野视线需求,使用人机环境设计流程,设计驾驶室的布置符合视野视线要求。在设计过程中发现,对视野影响最大的是驾驶室前窗尺寸,在船舶设计中应该充分减小各窗户之间的支持结构,增大窗户面积,优化驾驶室的视野视线。但是,由于绘图法仅能在一维空间内进行视野视线测算,不能预测到立体空间内由于窗户玻璃厚度、舱壁厚度带来的视野变化,因此在今后的设计中,可以采用三维建模和实尺模型的方式对视野视线进一步设计加以完善。

[1] 林伟国,王立新 .综合舰桥系统综述[J].船舶,2007(4):1-5.

[2] 祁斌.海洋工业亟需引入人因工程学理念[J].中国船检,2011(3).

[3] 艳玲.人机丁程学在轿车驾驶室设计中的应用研究[D].长春:长春理工大学,2008.

[4] 吕昌平,韩菲菲.汽车驾驶员视野校核方法[J].天津汽车,2007(5):29-32.

[5] 陆超,金永明,陈锐.新型巡航救助船全景式驾驶室视野计算分析[J].中国舰船研究,2011(6):64-66,71.

[6] 丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,2005:90.

[7] 王大瑜.飞机座舱几何尺寸及视野要求中俄标准对比分析报告[C].中国航空学会飞机总体专业委员会第五次学术交流会,2002.

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