錢江，余昆，顏聲遠(yuǎn)，熊巍，葉金亮，黃杰

1 海軍裝備部艦艇部，北京100841

2 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

3 哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

人機工程研究主要是應(yīng)用人體的特點、能力和限度知識設(shè)計機器、系統(tǒng)及作業(yè)環(huán)境，以保證人員能高效、安全地作業(yè)。大型船舶駕駛室是執(zhí)行航行指揮和監(jiān)控的中心區(qū)域，集中了操舵、操機、監(jiān)視、安全、燈光及警報等人機媒介，是易于發(fā)生人因問題的作業(yè)區(qū)域［1］。例如：在1992～2005年間，希臘客輪海上事故中的65%是直接由人因問題導(dǎo)致，而其中的76%則發(fā)生在船舶駕駛和指揮部分［2］；在2000～2006年間日本的船舶擱淺事故中，約73.8%是涉及船員操縱、瞭望和指揮等人因方面的問題［3］。因此，有必要研究大型船舶駕駛室的人機工程設(shè)計評價方法，以減少駕駛室的人因失誤，保障大型船舶航行安全和整體效能的發(fā)揮。

在船舶數(shù)字化人機工程設(shè)計評價方面，國外的研究較先進(jìn)，其成果主要為在數(shù)字化環(huán)境中結(jié)合人機設(shè)計要素及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計評價系統(tǒng)。其典型的研究包括：美國將數(shù)字化船員模型應(yīng)用于航母三維設(shè)計的作業(yè)空間校驗［4］，以及高速艇座椅的振動隔離系統(tǒng)設(shè)計［5］中；將數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于補給船人機工程評價［6］中；構(gòu)建了船舶作業(yè)人員工作負(fù)荷評價系統(tǒng)［7］等。目前，尚示見到國外針對大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計評價系統(tǒng)研究的相關(guān)報道。我國正在逐步開展船舶人機工程設(shè)計評價研究，典型的研究包括：在Catia 平臺進(jìn)行艙室可居住性評價［8］以及面板顯控布局仿真評價［9］；將視景仿真技術(shù)用于駕駛艙設(shè)備布置的人機關(guān)系評價［10］。其不足之處主要體現(xiàn)在：研究內(nèi)容僅涉及少數(shù)艙室設(shè)備及布置，評價指標(biāo)體系不全面；評價技術(shù)方法僅支持視景仿真主觀感受匹配性評價，無法完成精確的艙室客觀工效學(xué)參數(shù)評價。為此，本文將針對大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計評價方法進(jìn)行研究，以構(gòu)建和完善其評價指標(biāo)體系、評價理論及數(shù)字化設(shè)計評價技術(shù)方法。

1 駕駛室人機工程評價體系

針對大型船舶駕駛室，構(gòu)建具有邏輯層次結(jié)構(gòu)關(guān)系、多指標(biāo)關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)的人機工程評價指標(biāo)體系，準(zhǔn)確描述駕駛室人機關(guān)系的基本特征。根據(jù)駕駛室人機工程設(shè)計要素的組成，從駕駛室觀察視域、人機交互設(shè)備以及設(shè)施、人機關(guān)系布局3 個方面進(jìn)行評價指標(biāo)層次關(guān)系分析，具體的人機工程設(shè)計評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計評價體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated ergonomics design evaluation index system for large ship wheelhouse

其中，觀察視域設(shè)計評價需要保證駕駛室的指揮/操縱/監(jiān)視站位及駕駛室翼橋部位具有充足的海面觀察視域范圍，由窗立柱、上下沿及集控臺遮擋形成的觀察盲區(qū)不影響對重要信息的連續(xù)觀測。駕駛室的人機交互操縱裝置包括舵輪、主機推桿、按鈕、旋鈕、按鍵及把手等，需要考慮其形狀結(jié)構(gòu)、工效學(xué)尺度、布置位置可達(dá)性、操縱力、運動方式及范圍等因素；顯示裝置包括儀表、數(shù)字顯示裝置、信號燈和指示燈等，需要考慮其與任務(wù)的匹配性、布置位置的可見性，以及認(rèn)讀性、視覺觀察感受等。人機關(guān)系布局需要保證船員在正常、應(yīng)急狀態(tài)都能及時、順暢、準(zhǔn)確地完成操縱任務(wù)，保證駕駛室船員具有充足的作業(yè)空間、貫通通道，以及對重要部位的快速到達(dá)能力。

底層單項評價指標(biāo)用于刻畫大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計具體的底層評價要素，明確反映駕駛室人機工程某一具體要素的設(shè)計狀況及存在的具體問題與缺陷。依據(jù)船舶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從客觀工效學(xué)參數(shù)和主觀匹配性兩個方面進(jìn)行分析、提取?？陀^評價指標(biāo)根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定指標(biāo)值；主觀評價指標(biāo)因涉及主觀因素，與人員的舒適性、適宜性感性體驗以及主觀期望匹配性相對應(yīng)，因此需要依靠人員的主觀認(rèn)知評判來獲取評價數(shù)據(jù)。將以駕駛室的重要作業(yè)設(shè)施——船用座椅為例來予以說明（需要保證其對于觀測視域及艙室作業(yè)環(huán)境要求的適應(yīng)性），圖2 所示即為根據(jù)GB/T 14774-93 及SOLAS V/15 船舶標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的船用座椅人機工程主、客觀評價指標(biāo)實例。

圖2 駕駛室船用座椅（B6）人機工程評價指及權(quán)重Fig.2 Ergonomics evaluation indexes and weights for ship chairs（B6）in wheelhouse

對于主、客觀多指標(biāo)人機關(guān)系綜合評價，需要準(zhǔn)確集結(jié)多層次、多指標(biāo)及群組主觀評價意見，然后通過層次分析法［11］確定人機工程評價指標(biāo)權(quán)重的分配關(guān)系：

1）計算主觀權(quán)重分配成對判斷矩陣Cu中第u 行成對比較元素的乘積。

式中：λmax為Cu的最大本征值；R.I.為隨機一致性指標(biāo)。當(dāng)C.R.＜10% 時，評權(quán)矩陣本征值的攝動程度在可接受范圍內(nèi)，評權(quán)矩陣構(gòu)建具備思維一致性。圖2 中包含有船用座椅（B6）人機工程評價指權(quán)重計算結(jié)果實例。

2 人機關(guān)系價值聚類評價模型

大型船舶駕駛室人機關(guān)系評價信息在評價對象之間的分布方面存在差異性，存在主、客觀評價信息價值難以準(zhǔn)確集結(jié)、聚類以進(jìn)行綜合評價的問題。而灰色白化權(quán)函數(shù)理論在解決不確定性信息的價值聚類方面則具有優(yōu)勢［12］。研究表明，將高斯分布用于構(gòu)建信息認(rèn)知程度分布函數(shù)具有可行性，且在表達(dá)語言值系統(tǒng)不定性普遍分布規(guī)律時 具有普適性及有效性［13］。 令 X=[a，d]，a ≤b ≤c ≤d，構(gòu)建基于高斯分布型的人機關(guān)系評價不定性信息認(rèn)知程度白化權(quán)函數(shù)模型：

在實際應(yīng)用中，x 的取值范圍截斷為[a，b]才有意義。f(x)的取值范圍由[0，1]調(diào)整到[ε，1]，0 ＜ε ＜1。系數(shù)σ 決定線型的分布幅度：越小，線型的分布越集中陡峭；反之，則趨于分散。系數(shù)σ 的取值與分布區(qū)間的長度和相鄰白化類交叉點φ 有關(guān)，可通過分布區(qū)間的長度和ε 的取值確定：

式中，D 為分布區(qū)間長度，D=|b-a|或|d-c|?；谥行狞c高斯分布白化權(quán)的價值聚類綜合評價模型的構(gòu)建步驟如下：

1）人機關(guān)系評價價值灰類的劃分：依據(jù)對應(yīng)的評價準(zhǔn)則及要求劃分出s 個評價價值灰類區(qū)間，[a1，a2)，[a2，a3)，…，[ak，ak+1)，…，[as，as+1)，通常，2 ≤s ≤9，評價價值灰類通常不超過9 個。

2）人機關(guān)系評價價值灰類的延拓：將人機關(guān)系價值灰類向前、后兩個不同的方向進(jìn)行延拓，增加0 價值灰類和s+1 價值灰類。

3）確定人機關(guān)系評價價值灰類中心點λ1，λ2，…，λs，以作為價值灰類白化值；并確定延拓灰類區(qū)間中心點λ0，λs+1，得到s+2 個價值灰類區(qū)間中心點序列。

4）采用高斯分布白化權(quán)函數(shù)模型，分別連接第k 評價價值灰類中心點坐標(biāo)(λk，1)與第k-1，k+1 價值灰類中心點坐標(biāo)(λk-1，0)及(λk+1，0)，得到評價指標(biāo)j 關(guān)于k 評價價值灰類白化權(quán)函數(shù)（k=1，2，…，s），如圖3 所示。

圖3 人機關(guān)系高斯分布白化權(quán)函數(shù)灰色聚類評價模型Fig.3 Gray clustering evaluation model based on Gauss Whitening Function for man-machine relations

依據(jù)我國的評價習(xí)慣，將大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計評價結(jié)果劃分為5 個價值灰類：極差灰類（1）、差灰類（2）、一般灰類（3）、良灰類（4）和優(yōu)灰類（5）。對應(yīng)的價值灰類區(qū)間劃分分別為：和對人機關(guān)系5 個評價價值灰類取值區(qū)間進(jìn)行延拓處理，計算出各灰類的中心值向量為(0，25，40，60，85，100，105) 。根據(jù)式（6）計算分布系數(shù)σ1，σ2的取值，取限值ε=0.01，則φ=0.316 2 ＜0.5。分別計算劃定的5 個評價價值灰類的中心點高斯分布型白化權(quán)函數(shù)：

對于遞階層次結(jié)構(gòu)的多指標(biāo)駕駛室人機工程綜合評價，評價對象i（i=1，2，…，n）關(guān)于價值灰類k（k=1，2，…，s）的綜合評價合成聚類系數(shù)為

式中，ηj為人機工程評價指標(biāo)j 的綜合聚類權(quán)重。若則認(rèn)為人機關(guān)系對象i 屬于評價價值灰類k*。

3 人機工程評價系統(tǒng)構(gòu)造

構(gòu)造數(shù)字化的大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計評價系統(tǒng)，以高效、直觀地實施人機工程綜合評價、評價結(jié)果集成，以及量化與分析。

3.1 人機仿真客觀評價環(huán)境

人機仿真客觀評價環(huán)境用于實現(xiàn)與人體尺度相關(guān)的船舶駕駛室的布置、視域、可見性、可達(dá)性以及作業(yè)空間等操縱、使用規(guī)范性問題的評價?？陀^評價環(huán)境包括數(shù)字化船員人體模型、駕駛室三維模型庫及評價軟件的開發(fā)。采用UG/OPEN API 開發(fā)圖形化的船員人體模型，人體模型尺寸數(shù)據(jù)庫以國標(biāo)《中國成年人人體尺寸》為依據(jù)。船員人體模型劃分為頭部、軀干、上肢、下肢及功能域5 個部分：頭部包括頭、鼻橋點、頸；軀干包括胸、腰、臀3 個部分；上肢包括肩關(guān)節(jié)球、上臂、前臂和手4 個部分；下肢包括大腿、小腿和足3 個部分。評價功能域包括眼睛可視域、手部可達(dá)域及自然視線3 部分，具體如圖4（a）所示。圖形化的船員人體模型的肢體和功能域的特征被抽象成幾何實體，如頭部、胸部、臀部為方體，大腿、小腿為錐臺體，可達(dá)域為透明的錐體和半球形，具體如圖4（b）所示。圖形化的人體模型表現(xiàn)了船員人體的宏觀幾何特征，可以提供精確的人機工程評價所需的基準(zhǔn)測量點、線、面。

圖4 圖形化的評價船員三維人體模型Fig.4 The graphics of shipman's human body model

根據(jù)系統(tǒng)評價結(jié)構(gòu)和各評價模塊功能的要求，創(chuàng)建評價菜單和交互式評價用戶界面，實現(xiàn)評價數(shù)據(jù)輸入和評價操作命令。建立UG/OPEN API的Visual C++的MFC 開發(fā)工程，調(diào)用libufun.lib，libugopenint.lib 動態(tài)函數(shù)庫以開發(fā)評價程序。采用MenuScript 腳本語言編輯評價系統(tǒng)菜單，運用UIStyler 建立交互式船舶駕駛室人機工程評價用戶界面，用戶界面在MenuScript 評價菜單被調(diào)用，并將評價計算程序與UG NX 設(shè)計環(huán)境完全融合，以實現(xiàn)設(shè)計與評價的實時交互。同時，采用UG NX建立船舶駕駛室數(shù)字化三維模型標(biāo)準(zhǔn)件庫，使其具備準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)特征、精確的尺寸參數(shù)、良好的可修改性以及工程平臺間的轉(zhuǎn)換重用性?？陀^評價環(huán)境集成了船員人體模型、駕駛室模型庫、評價界面、評價菜單、評價指標(biāo)及權(quán)重等，如圖5 所示。實現(xiàn)了大型船舶駕駛室數(shù)字化三維快速設(shè)計和人機工程精確測量評價、實時評價改進(jìn)以及人機關(guān)系數(shù)據(jù)管理能力。

圖5 基于UG NX 的駕駛室集成人機仿真評價環(huán)境Fig.5 Objective integrated evaluation environment for wheelhouse based on UG NX

3.2 視景仿真主觀評價環(huán)境

主觀評價環(huán)境用于完成船舶駕駛室人機工程適宜性、審美等描述指標(biāo)的感性體驗、與人員主觀期望的匹配性評價。大型船舶駕駛室人機關(guān)系主觀評價環(huán)境基于EON 平臺構(gòu)建，在虛擬工具及數(shù)據(jù)庫的支持下產(chǎn)生與評價任務(wù)相適應(yīng)的、真實的、適人化的駕駛室視景仿真評價環(huán)境。船舶駕駛室人機關(guān)系主觀評價信息依賴視覺和聽覺獲取的信息，主觀評價環(huán)境需具備：逼真的駕駛室內(nèi)部環(huán)境視、聽覺效果；逼真的外部海洋、天空環(huán)境、自然照明效果；視景仿真環(huán)境漫游、觀測視角自然切換等交互行為。圖6 所示為開發(fā)的EON 駕駛室主觀評價環(huán)境。

圖6 駕駛室人機交互視景仿真主觀評價模型Fig.6 Interaction virtual simulation subjective evaluation model for wheelhouse

主觀評價模型的基本結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了駕駛室?guī)缀文Ｐ?、色彩、材質(zhì)、燈光照明、外部海洋、波浪、天空、島嶼及自然環(huán)境照明等的視景仿真，實現(xiàn)了設(shè)備報警、運轉(zhuǎn)噪聲和海浪聲效的模擬，以及駕駛室內(nèi)部操縱桿、舵輪、門等的運動模擬。評價人員可以根據(jù)視聽信息以及自身的判斷，來實現(xiàn)對船舶駕駛室環(huán)境視域、色彩、照明及整體環(huán)境等的主觀適宜性、期望匹配性及感性體驗等的評價。

3.3 駕駛室人機工程評價實例

以某型正常排水量為17 000 t 的多用途大型船舶駕駛室為例，對其駕駛室的人機工程設(shè)計進(jìn)行人機仿真及視景仿真評價。在UG NX 客觀評價環(huán)境中，調(diào)用駕駛室模型庫顯控裝置、集控臺、船用座椅、窗、立柱、甲板、墻壁、扶手及門等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行組合、裝配，以快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建出船舶駕駛室三維模型；調(diào)用評價船員人體模型，將坐、立姿船員人體模型準(zhǔn)確裝配至指揮、導(dǎo)航、操縱和監(jiān)視等作業(yè)位置，以構(gòu)建船員人體模型和駕駛室模型的客觀人機關(guān)系模型，具體如圖7 所示。

圖7 駕駛室客觀人機空間位置關(guān)系模型Fig.7 Man-machine space relation model of wheelhouse

結(jié)合UG NX 的角度分析功能模塊，選擇鼻橋點和2 個測量點進(jìn)行視域測量評價。操舵儀部位的視域評價項目：結(jié)合UG NX 角度分析功能模塊，選擇船員人體模型鼻橋點和水平基準(zhǔn)面與前窗立柱外延線相交的2 個測量點來實施3 點視域測量評價。圖8（a）所示為在船舶駕駛室前窗位置，船員向外觀察的視角測量評價示例；圖8（b）所示為駕駛室顯示儀表、船用座椅及旋鈕的虛擬測量評價示例。

圖8 駕駛室精確測量評價示例Fig.8 Measurement evaluation cases for wheelhouse

對于視景仿真主觀評價，可根據(jù)Turner 等［14］的可用性評價問題發(fā)現(xiàn)公式found=1-(1-p)n（p為發(fā)現(xiàn)問題可能性，通常取p=0.30～0.40；n 為評價人員數(shù)量），選取6 名評價人員基本上就可以發(fā)現(xiàn)并解決88.2%～95.3%以上的評價問題。船員以第一視角在船舶駕駛室內(nèi)漫游，并向外部觀測，以主觀體驗評價駕駛室的視域設(shè)計效果。圖9 所示為駕駛室操舵儀部位船員觀察視域主觀評價環(huán)境實例。

圖9 駕駛室操舵儀部位船員視域主觀評價示例Fig.9 Subjective evaluation cases for vision field in wheelhouse

為了提高人機關(guān)系價值聚類評價矩陣信息計算的效率和準(zhǔn)確性，運用matrixvb 混合編程技術(shù)開發(fā)可價值聚類綜合評價軟件界面，如圖10所示。

圖10 高斯白化權(quán)函數(shù)價值聚類評價軟件界面Fig.10 Evaluation interface for grey clustering evaluation model based on Gauss Whitening Function

同理，還需完成多用途大型船舶駕駛室人機工程其他設(shè)計要素的主、客觀評價。船舶駕駛室人機工程設(shè)計綜合評價結(jié)果如表1 所示。

表1 駕駛室人機工程綜合評價結(jié)果Tab.1 Ergonomics evaluation results for wheelhouse

由綜合評價結(jié)果可知，該多用途大型船舶駕駛室人機工程總體設(shè)計的主、客觀綜合評價聚類系數(shù)結(jié)果大部分處于一般灰類水平。其中，泊靠位置視域（A2）的客觀評價結(jié)果及船用座椅（B6）的主觀評價結(jié)果處于差灰類；操縱裝置（B1）的主、客觀評價結(jié)果、顯示裝置（B2）的主觀評價結(jié)果、警報（B3）的客觀評價結(jié)果，以及集控臺（B5）的主、客觀評價結(jié)果與作業(yè)空間布局（C4）的客觀評價結(jié)果處于良灰類；其余人機關(guān)系子因素的主、客觀評價結(jié)果均處于一般灰類，表明駕駛室作業(yè)域（指揮/操縱/監(jiān)視視域）、泊靠位置視域、駕駛室窗、顯示裝置以及船用座椅、軟件界面系統(tǒng)及人機關(guān)系布局均需要進(jìn)一步優(yōu)化。駕駛室人機關(guān)系子要素的具體評價指標(biāo)大部分處于一般灰類（限于篇幅，這里不給出具體的評價指標(biāo)結(jié)果），尤其是在觀察視域、船用座椅以及顯示裝置的主觀指標(biāo)中，有部分具體評價指標(biāo)結(jié)果還處于差與極差灰類，不符合標(biāo)準(zhǔn)的基本限值要求，必須對設(shè)計值予以改進(jìn)。例如，船長指揮部位視域：正橫向后兩側(cè)的觀察視域范圍分別為0.89°和0.53°，均小于標(biāo)準(zhǔn)最小極限值22.5°；指揮部位的全部視域范圍為181.4°，小于標(biāo)準(zhǔn)最小極限值225°，因此建議增加駕駛室兩側(cè)向后開窗的范圍，指揮部位前移。

4 結(jié) 語

本文研究了大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計評價理論及數(shù)字化評價技術(shù)方法，構(gòu)建了大型船舶駕駛室人機工程評價指標(biāo)系統(tǒng)，提取了具體的底層單項評價指標(biāo)，確定了評價指標(biāo)權(quán)重分配的關(guān)系；提出一種駕駛室人機關(guān)系評價信息綜合價值聚類評價方法，為大型船舶駕駛室人機關(guān)系綜合評價提供了理論方法與支持。

通過構(gòu)造大型船舶駕駛室人機工程設(shè)計數(shù)字化評價系統(tǒng)，集成評價船員人體模型、駕駛室模型庫、評價指標(biāo)體系、權(quán)重分配、綜合評價理論及主、客觀評價環(huán)境，實現(xiàn)了對于人機關(guān)系客觀參數(shù)規(guī)范性問題的準(zhǔn)確的人機仿真測量評價，以及對于人機關(guān)系適宜性、舒適性和審美等人員感性體驗、主觀期望匹配性的視景仿真評價。數(shù)字化的人機工程設(shè)計評價方法可以提高駕駛室人機關(guān)系評價效率，其評價結(jié)果可靠，評價過程直觀，在工程設(shè)計中具有實用價值。

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