船舶航行中的人机界面研究

李成海，胡甚平，辛小辰，曹兴飞

（1.山东交通职业学院，山东 潍坊261206；2.上海海事大学，上海200135）

长期以来中、外和军、地诸多科技人员都在进行人-机界面研究，使操作更安全和高效；例如郭丹洋[1]、景国勋[2]、李德鹏[3]和美国海军作战部.人机界面就是船舶操纵人员与船舶相关组件之间进行通信和实物相互作用的领域.人机界面设计完善措施得当，既可以使各项功能简洁化又能操纵人员在人机界面快速高效完成操作，完善船舶航行安全综合体系.人机界面组成如图1 所示.

图1 人机界面组成Fig.1 Composition of man-machine interface

1 控制装置

控制装置通过各种电子、电气和机械单元平台直接与设备连接或关联.例如，电脑通过鼠标操控.

1.1 控制装置设计中的因素

应考虑的因素包括，但并不限于：

1）人员选定样本群体能够方便地到达和方便的控制以手脚操控的装置，尤其是最频繁的控制意外事故所需的控制装置.

2）差错的结果从小事件到大事故，例如，螺旋桨设计在船首的船舶在交通密度大的水域，可能发生碰撞事故[4].

3）直接连接的机械控制装置需要考虑强度问题，虽然大多数控制装置于强度无关.

4）复杂的设备采用显示器和自动化，以方便操纵者控制，所以复杂的设备应增加人因的考虑.

5）无论气动，电动或者液压动力供应都会发生意外，关键控制装置应采用备用电源或手动控制备份.

6）减少人员配置可以减少人员成本，但增加了设备和自动化的复杂程度和成本，人员的减少，沟通与协调更显重要.

1.2 控制装置改善措施

1）为增加船舶操纵人员的工作效率和减少人员疲劳，优先考虑控制装置和监控器.位于操纵人员朝前或向后的方向，船舶摇摆时，操纵人员面向船首或船尾，人员的身体和头部更趋向平稳，观察操控装置和监控器的视距更加稳定.

2）考虑到大风浪天气船舶的摇动，提供操纵杆是带扶手的装置，减少操纵人员疲劳.

3）手动操作控制装置于操纵人员肘部和肩膀之间的高度并容易到达的位置.

4）对于需要较大操作力量采用利用人体腿部力量较大特点的脚控操作控制装置.

5）需要小幅调节的控制装置，考虑提供前臂支撑可减轻操纵人员的疲劳.

6）满足操纵人员的习惯作法，例如从左到右的阅读，顺时针的方向关闭阀门.

7）为减少船舶摇摆导致的失误操作，在控制开关附近提供手柄和支撑把手.

8）为方便团队工作人员以无声的方式高效进行一部分交流、沟通，工作站应设置为毗邻位置.

9）控制装置要适应一套流程的步骤，利用功能分组使控制装置布局符合逻辑.

10）当工作环境处于嘈杂环境，影响了操纵人员的相互交流，应设置内部通话系统.

11）当操纵人员发出一项动作指令时，应该以发光、发声或其他指示提供反馈来验证控制功能并确认信息.

12）考虑操纵人员教育、培训、操作、疲劳等方面的限度，对操纵人员最低预期技能水平进行设计.

13）通过下拉菜单、列表或逻辑树，减少操纵人员输入数据的要求.

14）减少通信量，确保操纵人员没有疲劳通信.

15）方便操纵人员按照各自需要切换功能，提供监视器作为公共交互界面.

16）控制装置应该具有恰当的形状和布局，以便于穿着特殊衣服的操纵人员工作.

17）考虑操纵人员疲劳造成安全事故，减少操纵人员眼睛疲劳和造成操纵人员疲劳的其他因素.

2 自动化和合理布局

大型船舶对于进行手工操纵非常困难，有时甚至不能手动操作模式.自动化减少了船员的数量和劳动强度，但操纵值班人员过度依赖自动化，同样造成风险或事故的发生.

2.1 船舶自动化设计中的因素

应考虑的因素包括，但并不限于：

1）自动化可以减少船员的数量、提高效益，从而节约成本.

2）采用自动化可以概括显示信息，实现控制装置的组合或减少控制装置的数量，从而减少认知负荷[5].

3）自动化可以综合评估复杂的情境，而人工对这种情境可能无法及时或反复解释.

4）自动化可以增加整体安全性.

2.2 船舶自动化改善措施

1）确保自动化中人员为中心，将操纵人员置于心中.

2）考虑增加自动化能否增加操纵人员的心理负担.

3）自动化系统能提供清晰、明了、易于理解、协调一致的信息，特别是紧急情况下更需如此.

4）考虑常规和紧急操作模式（例如，常规操作需要2 个人，但紧急情况下，系统只需要1 个人进行操纵）.

5）保持操纵者处于信息循环回路之中（例如，驾驶室两翼操纵人员获知自动化的指令，并且得到实际的舵位指示）.

6）考虑操纵人员的局限性（例如，使疲劳的个体能有效地操作系统）.

7）考虑自动化的局限性（例如，在复杂的海况下，自动化可能提供的信息不安全，在这种情况下应该采用手动备用或其他替代系统）[6].

8）确保操纵人员能最终控制（例如，有足够能力超越自动控制而直接对舵手动控制）.

2.3 船舶布局的影响

船舶布局是人因工程的核心，关注点是人员通常出现的场所，如驾驶台、机舱、餐厅等，而诸如油舱和锚链舱这类区域人员关注度低；不良的布局产生诸多不便.

布局设计中的因素：

1）单体船上层建筑比双体船的上层建筑在体积和面积方面受到更大的限制，应考虑船舶的类型.

2）大型船舶在布局上有更多的选择余地，应考虑船舶的载重吨和尺度.

3）运行海区海况、温度、湿度、风浪和载重决定了舱壁强度，附加隔热和观光区域的需要，应考虑船舶航经海域.

4）远洋货轮采用安全措施使海盗登船困难，轮渡对进出口加以限制，以便对乘客进出进行管控，应考虑船员人身安全和管控.

5）船舶在沿岸或远海航行速度、预期交通量、预期能否在大风浪中航行，应考虑操作要求.

6）汽车轮渡要求有平缓的坡度以便汽车上下船，油船要求有双层船体，考虑货物的类型.

7）游轮上人员数量大且人员复杂，人员既有妇女、儿童，又有老弱病残，应考虑人员的类型和数量.

8）生活区和工作操纵台应尽可能远离噪音和振动源区域，以改善人员舒适度和提高操纵者效率，考虑噪声和振动的来源.

9）推进器和货物操作设备决定了布局的重点部分，如排气装置和结构基底，考虑设备的类型和尺度以及海上维护和可达拆卸的要求.

2.4 船舶布局优化措施

1）生活区和工作控制台区域，应远离高温、寒冷、噪音、振动区域.

2）操纵人员和人员远离船首和船尾，避免站在过高的地方，使人员置于靠近船舶重心的位置.

3）船员床位和工作站点位于面向船舶首尾方向的位置，避免面向两船舷.

4）留有足够的空间使设备维护人员可操作，设备可到达并且能够拆卸.

5）为操纵人员和人员提供水平行走和站立的甲板.

6）尽量减少突出物，提供尽量多的空间使船上人员活动减少限制.

7）楼梯要有扶手，满足预期使用楼梯人员的类型和数量要求.

8）梯子在空间受限制的区域使用，例如机舱或货舱.

9）阶梯比楼梯要陡峭，仅有较小的前倾斜度，仅供身体健康状况好的人员使用.

3 船员资质和大风浪

船员的数量影响船舶安全、人员睡眠问题和疲劳，近年来随着自动化措施，船员数量减少也增加了选择高资质船员和交叉训练的要求，而且船员人数减少，即使在有一名船员丧失或部分丧失工作能力的情况下，也会降低整体应对紧急情况的能力.

3.1 船员数量因素

应考虑的因素包括，但并不限于：

1）应对可预见的碰撞、搁浅等危险.

2）船舶结构的检查.

3）船舶导航、通信和工程操作等船舶操作.

4）船舶的监控和系泊.

5）航行中货物安全的监控和检查.

3.2 强化船员的措施

1）雷达等显示器的自动化，符合逻辑的人—机界面.

2）保证每一位操纵人员可作为预备人员使用，在船员之间进行交叉培训.

3）在船上利用适当的自动化进行监测和控制.采用具有创新的新材料，减少对海上维护的要求[7].

4）加强船员的职业培训，提供充分的工作效率和安全.

3.3 合适座位的因素

1）高海况下冲击载荷表明必须对有关因素高度关注，如采取减少冲击对操纵人员头部和手臂提供辅助支持.

2）高海况下值班时间较长表明必须对操纵者腰椎支持等功能给予更多的关注.

3.4 改善座位的措施

1）设定特性的弹簧或阻尼机械来实现被动缓冲系统，包括基本的固定系统直到具有多调节装置系统可根据不同人员的身体尺度和重量进行调整，且满足不同的冲击条件.

2）通过电源来感应加速度并调整弹簧张力和阻尼运动速度和距离，实现减小座位上操纵人员承受压力的主动缓冲系统，一个有效和实用的主动缓冲系统的设计难点，在于能够及时预测应力来调节吸收冲击载荷.

4 照明和仪表

合适的照明可以提高船员的舒适度和提高操纵人员的工作效率，操纵人员正确识读控制器、仪表，安全走动都需要适当的照明.在一艘船舶上特定区域适合用不同强度和类型的照明，如驾驶室需要柔和的照明，客舱适用漫射光等.在紧急情况下，船员应拥有足够的照明给自己定位并找到救生艇，紧急救援人员应该拥有足够的照明靠近和处理紧急情况；若正常电源中断，备用系统应提供适当的照明.

4.1 适当和充分照明的因素

应考虑的因素包括，但并不限于：

1）船舶能完成航行运输实现商业目的的需求.

2）船舶上人员舒适、效率提高和安全的需要.

3）白天有自然光照或生理节律照明系统.

4）电力线路、动力和照明灯具的可用预算.

5）安装照明灯具的可用空间.

4.2 改善船舶照明的措施

1）保持光源在视线之外.

2）尽量实现同一舱室空间照明均匀.

3）操纵人员周边视觉与仪器应等于或小于10 ∶1.

4）仪器的照明与其周围环境之间的对比应该等于或小于3 ∶1.

5）低光灯符采用粗体字符，并漆成黑底白字.

6）避免发生反光表面眩光、太阳眩光.

7）安装与视线成90°的荧光灯管[8].

8）避免荧光灯灯光闪烁.

9）通过舷窗和天窗使太阳光照入.

10）为具有更好的可见性，将控制把手和按键漆成白色.

4.3 仪表应用的因素

仪表使用提高感知能力，船舶操纵人员应用仪表更好地了解船舶各组成部分的状况和他们所处的环境，现代化船舶船员数量减少而相应增加了更多的传感器.

1）对同一区域，声音报警可以更好地指示需共同关注的整体问题，如航行中形成了紧迫危险局面，在有多人的区域内，仅有一人须关注特定的指示（如温度），此时视觉通信可能效果最好；从而考虑人员的数量和责任.

2）对于数量有限的信息，几个指示器足够了；但紧急情况下随着信息量增加，监视器和面板不能满足要求，限制了给定时间内信息显示数量，从而考虑监控的信息数量和类型.

3）在高海况下声音报警可能比识读仪表刻度盘更好，在嘈杂的环境中闪光报警可能比声音报警效果更好；从而考虑噪声、光和航行等环境条件.

4）有些船舶空间拥挤，提供给仪表安装的空间极其有限，需考虑提供仪表安装的空间.

4.4 提供仪表应用的措施

1）最重要的信息和常用信息要素组合起来，置于最佳的视觉区域，同时突出显示最重要的信息.

2）采取简单的标签和语言，明确指示关系，实现简捷而有序的布置.

3）完成任务过程中所提供的信息和显示信息的颜色和形状，满足操纵人员预期的方式进行设计.

4）实现系统内显示器明确、一致和标准化.

5）妥善布置显示器使同一系统过程信息显示器组合与该过程的流程对应.

6）以代表性的用户和条件进行测试.

7）对关键系统考虑设置听觉或语言报警.

8）考虑多传感器的数据融合.

9）仪表安装应能减少眼睛紧张和其他导致疲劳的条件.

10）最好以垂直于操纵人员视线的方向放置仪表，操纵者的正常视线以及任何情况下视线与仪表显示面的夹角不小于45°.

11）显示的信息具有最大的使用价值，只提供给操纵者履行职责所需的信息数量和类型.

12）增加显示器的尺度、分辨率、垂直间距和对比度.

13）允许操纵人员询问通常不会显示的（次要的）信息，以应对非常规情况.

14）谨慎使用对称，对称会导致设计有错.

15）对多个具有独立光亮的显示器，确保两个显示器之间的亮度变化不会超过33%[9].

16）只提供操纵人员决策和控制所需的准确度水平.

5 人体测量学和供暖通风

人体测量学的实用知识，对于仪表和控制设备的安置、维护保养的可到达性、舷窗的可视性，以及船舶安全和有效活动空间等方面非常重要，不良的人体测量学设计使人员无法轻易达到控制设备和不能实现与关键仪表的视觉接触.

5.1 人体测量学的因素

应考虑的因素包括，但并不限于：

1）身体尺度（身体伸展距离、身高和体重），一个座位尺度的设计可能与设计一个梯子无关.

2）船舶操纵人员比其他登船人员具有更好的适应性，应考虑船舶操纵人员、登船人员和维护人员的群体特点.

3）如果已经预测到所有预计人员或者认可超出上限和下限的某些人员将不会完全适用，应考虑适用人员的比例.

5.2 人体测量学的优化措施

1）人体测量学发表的数据多年没有更新，应用人体测量学数据应充分考虑到这一点.

2）人体身高和体重数据不一定能够足以准确预测肩膀宽度，应考虑操纵人员身体比例的变化.

3）设计中结合使用两个或两个以上的尺度和重量，一个人有一种95%分布百分比的尺度，如身高；但却具有不同分布百分之百的其他尺度，如重量.

4）应用人体模型作为测量对象，可有效地验证人体测量学假设.

5）人体屈式姿势和直立姿势不同，导致眼高、体高、肩高测量结果出现差异.

6）大多海船设计考虑适用于所有给定人员，但特殊船舶（军舰）可以只适用筛选人员[10].

5.3 供暖和通风的因素

船舶供暖和通风的研究，通风可以是自然方式、强制措施或采用全自动化的、强制流动措施，即供暖、通风和空调系统（HVAC）.HVAC 系统提供操纵人员舒适而适宜于操纵人员高效工作的环境.

1）操作人员的舒适和效率.

2）船舶的使命和商业目的.

3）自然通风的可能性.

4）设备对环境温度、湿度、空气质量的要求，尤其是电子设备.

5）设备和管道的可用空间.

6）针对设备和管道、动力的可用预算.

7）减小吃水的需要.

8）减小噪音的要求.

5.4 强化供暖和通风的措施

1）美国船级社要求气流速度不超过0.5 m/s，相对湿度维持在30%～70%范围内，且预置回风温度为22 摄氏度以上或零下1 摄氏度，这是对于船员生活区、居室的要求.

2）对于封闭区域，室内干球温度为10 ～29.5 摄氏度，且经过人员的通风气流速度不超过1.0 m/s.

6 结 论

随着人机界面研究逐渐被各国政府并船东所接受，政府和船东对人机界面研究资金的投入，提升了船舶人员的工作效率.实践证明人机界面研究的深入，最大限度地实现船舶安全管理全过程的最佳结合和协调，为船舶操纵人员提供一个安全、舒适的海上工作环境，减少船舶操纵人员疲劳和人为失误，为船舶安全航行提供保障.