采用人机工程学的船用电气控制柜设计

刁爱民



采用人机工程学的船用电气控制柜设计

刁爱民

(海军工程大学科研部，武汉 430033)

本文通过对人机工程设计理论的研究，提出了人机工程学应用于船用电气控制柜的依据，对船用电气控制柜进行了人机工程学设计，以期船用电气控制柜有更好的突破。

船用电气控制柜 人机工程 CAD

0 引言

现今，船用电气控制柜的设计只是将各种断路器、接触器及继电器等传统低压电气器件与PLC（可编程逻辑控制器）、变频器、触摸屏等现代智能控制器件的组合安装，很少会在设计船用电气控制柜时采用人机工程学[1]。根据现有对船用电机控制柜的设计研究，采用人机工程学设计船用电气控制柜领域还属于空白。

1 设计原则

原则1：以人为中心，图1是以人为中心的人机环境关系图。船用电气控制柜在设计的时候需要对与人相关的各种要素综合考虑，然后统一协调各要素之间的关系。对机器与环境的设计需要以人为中心，最重要的是要考虑人的生理特性，使机器与环境让人舒适，设计的标准要考虑到人体生理、心理等限制，在操作省力、方便与舒适的前提下进行设计标准的优化、细化和高效率。然后要考虑人的心理特点以及其心理需求，如感知、认识能力和实现自我、相互尊重的需要等；最后要考虑到人的社会性，人生活在社会里，其工作效率不仅取决于其自身能力的高低，同时还受到集体的进取精神、协作精神等社会因素的影响。

原则2：合理的人机功能分配的原则。人机功能合理分配的核心是根据人、机各自特点进行分配，从表1可清晰看出，人、机在功能、特点等方面存在明显差异，要按照易机则机、宜人则人的原则合理分配人、机任务，以达到最佳的人机配合。把那些工作过于复杂，且单调、持续又不间歇，又极不适合人去完成的如对速度、精确度监视与操作的任务由机器来完成，而那些需要人判断、预测，而要求精度不是很高，过于复杂机器难以胜任的工作交与人去做。

原则3：安全第一，效率其次的原则。在设计的论证阶段要牢固树立人是最宝贵的价值观念，船用电气控制柜的可靠性和安全性是必须达到的指标。

2 设计流程

人机设计基本上不可能经过一次设计就能达到最佳人机协调，所以检验验证是其设计的重要环节，船用电气控制柜的人机工程设计的过程图如图2，其表明：在对船用电气控制柜设计的每个阶段都需要对其进行检验验证，然后根据检验验证反馈的结果再进行计。

3 整体设计

采用人机工程学的船用电气控制柜设计是按照人机工程学的要求把控制柜的显示器以及控制器布置在人体舒适合理的作业范围内，这样设计的目的是为了使操作者能够方便和舒适地进行操作，从而降低操作者的工作强度以及减缓疲劳，减少误操作，提高工作效率。柜式控制柜的操作台面较大，视野效果也很好，适用于船上需立姿操作的要求，同时船上工作环境较小，需要经常走动进行观察，所以船用电气控制柜采用柜式控制柜。采用人机工程设计的船用电气控制柜就是对控制柜的柜面高度、宽度和操作区域等基本参数进行优化设计。其设计的关键是确保操作人员在长时间工作的情况下还能够以良好的、舒适的姿势下进行观察和操作，其设计的前提需要客观地掌握操作人员以及控制柜的尺寸。

4 控制面板的设计

控制面板由液晶显示器和控制器组合而成，其也可称为人机界面，是操作者与机器沟通的媒介。

4.1操作区域的划定

操作区域指的是操作者进行作业时，手和脚在水平和垂直范围内能够触及的地方。对操作区域的研究离不开人肢体的运动，其中手臂、腿、脚的运动范围直观重要，其与人机界面中控制器与显示器布局密切相关[2,3]。

当人在某处不动时，为了维持身体的平衡，这个时候上身以及手臂的活动空间会受到限制。图3中 A～D 分别代表站立不动、头部不动自髋关节起前弯与侧转、上身不动时手臂动、上身和手臂一起运动的四种情形的活动空间。

在考虑25 mm的鞋跟高度后，以第50百分位男性尺寸为基准，参考控制中心人机工程设计导则第3部分：手可及范围与操作区划分。将船用控制柜的操作区划分为精确、舒适和有效操作区，如图4，各个区域的范围以及人体活动的特征可见表2。

4.2视觉区域划定

视觉区域指的是人眼可以看见的区域，分为静视野、注视野和动视野，早进行人机工程学的工程设计时常常以静视野作为设计依据。若将船用电气控制柜划分为最佳视区、良好视区、有效视区和最大视区，各个视区的范围、辨识效果以及显示器布置相见表3。

4.3控制面板布局

对控制面板的设计要考虑操作者的人体功能特点，特别是要注意具有内在联系的显示装置和操作装置的布置，使它们符合操作者的活动逻辑。首先是对水平方向进行设计再兼顾垂直的设计，其次再按照左上限-右上限-左下限-右下限的次序布置显示器。最后显示器和控制器颜色的选择要从中心向外按照绿、红、蓝、黄的次序布置。

5 显示器设计

设计显示装置要符合人机工程学的要求，需要在操作者能看显示器时，满足其对角度、字符的大小、眼睛轻松转动范围及眼睛最大转动范围等视觉特征的需求；信号和视觉器件的空间布置应按所显示的信息功能、重要性以及使用频率进行安排，保证其清晰易辨。在强度、形状、大小、对比度、显著性、信噪比等方面，考虑信号显示的变化方向、速率需要和主信息源变化的方向和速率保持一致；显示器和其显示内容以及方式的设计需要使显示的信息清晰易懂。这样可以减少交互的时间，提高人-机交互效率；数字显示和文字显示都应简单明了、一致和符合使用惯例，容易被操纵者察觉和理解。

6 控制器设计

按照操作力的来源分类，控制器可以分为手动控制器、脚动控制器，常用的控制器可以有按钮、旋钮、操纵杆和脚踏板等方式。对手动控制器的设计主要是对其形状和位置的布局进行设计，形状的设计是否科学合理，将会影响到操作者的记忆和操作的感受，对操作的正确性和准确性以及工作的效率有着直接的联系。对脚动控制器的设计需要以人体力学和人体解剖学为基础，再结合人体舒适姿势的研究成果而进行的，从工效学和安全的角度对踏板的形状、尺寸大小、行程和角度，以及脚动控制器所安装的位置是否适于操作员脚的操作，要避免将控制器布置在不易于施力踩踏或操作不适的位置。

根据文献[7, 9]设计出的船用电气控制柜控制器基本尺寸如表4及各相邻控制元件内侧间隔的操作方式和适用间隔如表5。

7 仿真与总结

通过对船用电气控制柜各个部分的设计后使用三维CAD人体模型仿真软件CATIA对采用人机工程学设计的船用电气控制柜进行仿真，将不同性别和不同百分位的人体模型置于该仿真环境中后，得到了不同人体模型的各个动作姿态的舒适型仿真评分报告，其结果如表6。

仿真的最高分数为 100 分，100～90分的范围可以归类到很舒适，90～80分的范围属于舒适，结合上表的分数，可所设计船用电气控制柜的设计符合人机工程学的要求。

[1] William H. Cushman. Ergonomic data for console design[M]. Ergonomic Data for equipment Design, 1984: 145-157.

[2] 孙守迁，唐明，潘云鹤. 面向人机工程的布局设计方法的研究[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2001, 12(11): 870-872.

[3] H.P.Ruhman. Basic data for the design of consoles[M]. Ergonomic data for equipment design, 1984: 115-144.

[4] Willian F. H Purcell著，金健，周光琏编译. 工农业机器设计中的人体因素[J]. 北京农业工程大学学报，1987, 7(2) : 107-124.

[5] 朱祖祥. 工程心理学[M]. 华东师范大学出版社, 1990.

[6] 阮宝湘, 邵祥华编著. 工业设计人机工程[M]. 机械工业出版社, 2005.

[7] GB/T16251-1996工作系统设计的人类工效学原则[S]. 中国标准出版社出版, 1996.

Design of Marine Electrical Control Cabinet With Ergonomic Data

Diao Aimin

(Office of Research & Development, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China)

By studying the ergonomical design theory, this paper proposes the theoretical foundation about ergonomical design for an electric control cabinet, and applies this theory to the electric control cabinet design and simulation, hopes to make a breakthrough of ergonomical research for the electric control cabinet.

marine electrical control cabinet; ergonomics; CAD

TM641

A

1003-4862（2015）03-0044-04

2015-01-02

刁爱民( 1966-)，男，高级工程师。研究方向：舰船装备维修保障研究。