孫建紅

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艦艇駕駛室設(shè)計驗證及評價方法研究

孫建紅

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

針對設(shè)備布置復(fù)雜、操作性要求高的艦艇駕駛室，本文提出了運用虛擬視景仿真和實尺模型技術(shù)來驗證和評價其人機工程設(shè)計的方法。實踐證明，這是一種有效的輔助設(shè)計手段，加快了其設(shè)計方案的決策過程。同時增強了未來使用方和建造方參與設(shè)計的機會，從而推進和改善了實船駕駛室人-機-環(huán)境的設(shè)計能力。

駕駛室 視景仿真 實尺模型 驗證和評價

0 引言

艦艇駕駛室是海上執(zhí)行航行指揮和操縱控制任務(wù)的區(qū)域，更是保障艦艇航行安全和作戰(zhàn)機動的一個關(guān)鍵部位。各國海軍均將設(shè)計完善、布局及戰(zhàn)位合理、指揮流暢及美觀、舒適的駕駛室視為艦艇現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。隨著綜合艦橋裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，艦艇駕駛室已逐步發(fā)展為由艦員、艦橋設(shè)備和環(huán)境構(gòu)成的一個復(fù)雜的人-機-環(huán)境動態(tài)系統(tǒng)，航行指揮人員的任務(wù)更多地轉(zhuǎn)向航行管理和監(jiān)控，從而對使用人員的要求也就越來越高。

然而，國內(nèi)艦艇駕駛室主要側(cè)重于功能設(shè)計，而在艦艇駕駛室設(shè)計的驗證及評價技術(shù)方面，則主要依據(jù)設(shè)計人員常年積累的工程經(jīng)驗，通常只能模糊地定性分析，尚不能做到定量評估。以至在實船建造過程中，使用方對駕駛室工作環(huán)境、設(shè)備布局、操縱舒適性等諸多方面，不斷提出改進需求。在國外綜合艦橋技術(shù)的發(fā)展中，除功能外其人機工程技術(shù)同樣受到高度重視，很早采用計算仿真、模型等多種技術(shù)定量分析和評估，并形成了相對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文則嘗試和探索運用三維視景仿真技術(shù)和實尺模型法相結(jié)合，在設(shè)計階段能直觀地對未來駕駛室人-機-環(huán)境設(shè)計進行驗證和評價，從而實現(xiàn)從設(shè)計、驗證、評價到反饋、優(yōu)化的全過程。

1 艦艇駕駛室人機工程學(xué)設(shè)計及評價過程

本文將計算機仿真技術(shù)及實尺模型技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，基于艦艇總體研制進度，對駕駛室人-機-環(huán)境設(shè)計分階段實施仿真技術(shù)和實尺模型手段進行驗證、評價及優(yōu)化工作。從而，在實船建造前，便可通過虛擬仿真設(shè)計及實尺模型直觀對艦艇駕駛室工作環(huán)境、設(shè)備布局及人機工程等設(shè)計進行有效地驗證和評價。

在評價過程中，未來的使用方根據(jù)固定的劇情在模型中執(zhí)行任務(wù)，然后由設(shè)計者和使用方進行評價，將在很大程度上地指導(dǎo)后期實船的優(yōu)化設(shè)計。圖1為駕駛室設(shè)計驗證和評價方法實施流程圖，主要分為總體初步設(shè)計、三維虛擬仿真、實尺模型驗證、用戶體驗和評價四個主要階段。

圖1 駕駛室設(shè)計驗證和評價方法實施流程圖

1.1 總體初步設(shè)計

駕駛室總體設(shè)計工作主要包括駕駛室船體結(jié)構(gòu)、窗、通風(fēng)和空調(diào)、舾裝、電氣、導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)功能及總體布局等圖紙初步設(shè)計。

1.2 三維虛擬仿真

在初步設(shè)計基礎(chǔ)上，利用三維虛擬仿真技術(shù)對駕駛室設(shè)備布置和各戰(zhàn)位設(shè)置進行實時視景仿真，建立人-機相互作用關(guān)系評價模型[1]。開展空間干涉檢查、人機系統(tǒng)交互協(xié)調(diào)性仿真、虛擬駕駛室可視化及全視景漫游等工作，利用計算機手段初步提出的駕駛室人-機-環(huán)境優(yōu)化設(shè)計的評價方案。

1.3 實尺模型驗證

駕駛室實尺模型選用容易加工的全木質(zhì)材料制作。由于艦艇駕駛室設(shè)計涉及專業(yè)學(xué)科較多，實尺模型則是提前暴露圖紙中不能發(fā)現(xiàn)的各專業(yè)間協(xié)同問題，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、修改模型、優(yōu)化設(shè)計，逐步完善駕駛室設(shè)計的研制過程。同時，運用人機工程學(xué)要求可對駕駛室總體設(shè)計的重要項目進行量化分析、驗證和優(yōu)化[2]。

2.4 用戶評價

借助實尺模型的實體平臺，可邀請未來使用方和船廠建造方對駕駛室設(shè)計進行體驗和評價，充分聽取使用方和建造方的意見。并結(jié)合使用方按照各種場景執(zhí)行典型任務(wù)，測試他們的表現(xiàn)，定量分析評價駕駛室人-機-環(huán)境的設(shè)計參數(shù)，以指導(dǎo)后期駕駛室優(yōu)化設(shè)計。

2 主要設(shè)計方法

2.1 基于視景仿真的艦艇虛擬駕駛室構(gòu)建技術(shù)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，高速圖形終端和工作站的出現(xiàn)，使得CAD／CAE／CAM等計算機輔助設(shè)計技術(shù)有效應(yīng)用于現(xiàn)代艦艇產(chǎn)品設(shè)計過程中，實現(xiàn)艦艇產(chǎn)品定義信息的數(shù)字化、知識化，從而解決了艦艇研制周期長、階段多、涉及專業(yè)種類復(fù)雜等問題[3]。本研究運用三維建模工具MultiGen Creator和3D Max、視景仿真開發(fā)環(huán)境Vega，在面向?qū)ο箝_發(fā)環(huán)境VC++6.0上，開發(fā)艦艇駕駛室實時視景人機交互式仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)開發(fā)流程及軟件間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系見圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)開發(fā)流程及軟件間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系

作為艦艇駕駛室設(shè)計驗證及評價的關(guān)鍵步驟之一，本研究建立的艦艇駕駛室實時視景人機交互式仿真系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能[4]：

1）工作環(huán)境展示

通過三維建模及實時視景仿真技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，展示駕駛室外部自然環(huán)境、艙內(nèi)裝飾及色彩、空間尺寸、設(shè)備布局和操作戰(zhàn)位，使得設(shè)計人員對整體設(shè)計效果一目了然。

2）基于人機工程的仿真評價體系

從人機工程學(xué)要求出發(fā)，通過建立仿真評價體系虛擬操作者執(zhí)行任務(wù)來推理，評價駕駛室整體的設(shè)計效能。結(jié)合仿真評價體系對實時任務(wù)進行可視化、動態(tài)及人機作用分析，對其關(guān)鍵項目評價。如評價駕駛室設(shè)計的主要項目為：視野、布局合理性、座椅設(shè)置、駕控臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作環(huán)境等[5-6]；并結(jié)合人機工程學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)重要程度對重要項目，如視野、布局合理性等項目進行分值加權(quán)計算。如圖3報表為某設(shè)計方案的人機工程評價結(jié)果。

圖3 駕控臺作業(yè)面高度設(shè)計評價結(jié)果報表

3）仿真設(shè)計的評價效能

借助駕駛室虛擬視景仿真系統(tǒng)的評價反饋信息，可對駕駛室視野、布局、人體舒適度等方面得到一定評價。即在初步設(shè)計階段，可快速提出駕駛室人機工程設(shè)計優(yōu)化的評價方案。然而，由于人機工程仿真技術(shù)剛處于起步階段，尚還存在如人體模型數(shù)據(jù)不夠全面、建立的人機工程評估數(shù)學(xué)模型還不夠完善等問題。另外，對于部分聯(lián)系人機分析因素的問題，如可視性、可達性、可讀性等不能直觀地在三維視景中體現(xiàn)，而實船建造中此類人-機-環(huán)境的綜合矛盾顯得較為突出。

2.2 實尺模型技術(shù)

針對艦艇駕駛室計算機仿真評估中存在的不足，對于設(shè)備布置復(fù)雜、操作性要求高的駕駛室，本文進一步提出實尺模型驗證和評價方法。在艦艇建造之前，采用1：1的比例實尺模型法，用模型代替實物，立體、形象、直觀地反映艙室內(nèi)設(shè)備的全貌，驗證駕駛室人-機-環(huán)境設(shè)計的有效性；并由設(shè)計、建造和使用三方在模型上對駕駛室設(shè)計進行體驗與評價。

1）國外應(yīng)用

早在20世紀(jì)60年代，美國海軍就將該方法應(yīng)用到駕駛室、作戰(zhàn)指揮室等主要關(guān)鍵艙室設(shè)計中[7]。經(jīng)查閱有關(guān)情報文獻，日本16DDH型直升機母艦在船廠開工前，對艦上的主要操縱艙室建造了實尺模型，并開展了為期半年多的分析和評估[8]，如圖4所示。

圖4 日本16DDH型直升機母艦實尺模型實物

2）技術(shù)特點

實尺模型技術(shù)主要用于對原始方案討論、設(shè)計表現(xiàn)、設(shè)計驗證和工藝驗證、體驗和評價。模型制作可提供一個立體的駕駛室形態(tài)，在此基礎(chǔ)上確定方案或進一步推敲其設(shè)計的優(yōu)缺點。該方法比較直觀，可以在最接近真實的情況下評估駕駛室設(shè)計方案的人機工程要素，也可為船廠建造施工提供工藝分析的工具。

利用該平臺，同時可使設(shè)計人員和建造方對設(shè)計情況進行全面驗證，在設(shè)計階段充分聽取使用方的合理化建議，使得該實尺模型在設(shè)計階段最大限度地發(fā)揮作用，從而有效推進實船駕駛室人-機-環(huán)境設(shè)計能力。因而，實尺模型制作與表現(xiàn)，在設(shè)計階段發(fā)揮著重要作用，其主要優(yōu)勢如下：

1）優(yōu)化設(shè)計：本方法采用容易加工的材料制作，便于快速做出調(diào)整和修改方案。在設(shè)計過程的限制很少，為了達到最優(yōu)設(shè)計，可以在設(shè)計階段嘗試和驗證新方案的可行性。

2）減少風(fēng)險：多專業(yè)設(shè)計協(xié)同問題很快就可以浮現(xiàn)出來，然而從圖紙上卻不容易暴露。

3）參與性：在設(shè)計過程中，增強了設(shè)計者、建造者和使用者三方之間的互動和交流。

4）減少成本：對于駕駛室人-機-環(huán)境設(shè)計的設(shè)計效能，該方法使得設(shè)計決策過程更快，減少了實船建造過程中反復(fù)修改次數(shù)，成本更低。

在艦艇總體設(shè)計過程中，實尺模型方法具有提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、減少設(shè)計風(fēng)險等優(yōu)點。但是，實尺模型制作是一個不斷修改、優(yōu)化、完善的過程，其制作周期長，需付出一定經(jīng)濟代價。因而，該方法在總體設(shè)計僅限于艦艇上局部的關(guān)鍵部位艙室，開展精細(xì)化設(shè)計使用。

3 工程應(yīng)用

某艦將首次應(yīng)用綜合艦橋技術(shù)。為使駕駛室設(shè)計更好地適應(yīng)新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用，設(shè)計人員中對該艦駕駛室人-機-環(huán)境設(shè)計方法開展了重點研究，并探索應(yīng)用了虛擬視景仿真和實尺模型技術(shù)相結(jié)合的全新評價手段。

在設(shè)計初期，仿真系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，較為真實反映駕駛室“人-機-環(huán)境”的相互作用關(guān)系；在虛擬環(huán)境下艦艇駕駛室人機工程設(shè)計的推理與評價，其評價結(jié)果為設(shè)計人員提供改進和優(yōu)化設(shè)計的輔助決策支持。此后，在實尺模型技術(shù)應(yīng)用過程中，結(jié)合使用方、船廠建造方等意見，駕駛室從船體結(jié)構(gòu)視野遮擋、駕控臺臺體結(jié)構(gòu)、總體布局、通風(fēng)管路及舾裝效果等方面不同程度進行改進，很大程度推動了人機工程設(shè)計水平。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用三維視景仿真和實尺模型相結(jié)合方法，充分表現(xiàn)和推敲設(shè)計方案，經(jīng)過修改、完善，驗證和評價的設(shè)計過程，最終獲得駕駛室人-機-環(huán)境最優(yōu)設(shè)計方案。實踐證明，該駕駛室設(shè)計驗證和評價方法加快了設(shè)計進程，也直觀地獲得最優(yōu)設(shè)計，其結(jié)果與實踐也被證明是一致的。但是目前三維仿真和實尺模型法本身還存在一些缺陷，如在三維仿真中對分析與評價人機工程算法還不夠完善，實尺模型提供僅為靜態(tài)環(huán)境下的設(shè)計驗證，今后的研究工作中尚需進一步改進。因而，總體設(shè)計人員正在努力嘗試將虛擬環(huán)境模型和實尺模型相配套技術(shù)，即混合實體模型。即通過制作一個簡易的駕駛室木質(zhì)原型，將它與透過頭盔看到的艦艇虛擬原型相匹配，用戶可以站著真實的駕駛室模型來評價駕駛室人機工程和艦艇周圍的虛擬景觀。

[1] 梁永恩, 鄒勇, 丁方頤. Creator／Vega及其在船舶航行視景仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用科技，2005，32(4)：37~39.

[2] 劉昭昆. 采用虛擬環(huán)境技術(shù)評價船橋設(shè)計[J]. 艦艇導(dǎo)航, 2005, (1): 40~44.

[3] 邵開文, 馬運義. 艦船技術(shù)與設(shè)計概論[M]．北京：國防工業(yè)出版社, 2005. 8.

[4] 孫建紅, 陳森利. 基于視景仿真的艦艇駕駛室虛擬設(shè)計方法研究[J]. 船海工程, 2011, (3):77~79.

[5] 龔九功. 艦艇橋樓設(shè)計的人機工程要求[J]. 國外艦艇工程, 2005, (1): 9~11, 25.

[6] 茅云生, 黃金鋒, 陳丹東, 周永清, 盧笑慶. 人機工程理論在潛艇設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]. 造船技術(shù), 2004, 2(258)：26~29.

[7] 朱英富. 水面艦船設(shè)計新技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2004. 9.

[8] 俞東海, 田小川. 世界現(xiàn)役航空母艦[J]. 艦艇知識, 2007年增刊.

Research on the Verifying and Evaluating Method for Ship Pilothouse Design

Sun Jianhong

（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

U674

A

1003-4862（2014）02-0047-04

2013-07-23

孫建紅（1976-），女，高級工程師。研究方向：船舶電氣。