劉 峰，韓端鋒，韓海輝

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

載人潛器載人艙布局優(yōu)化

劉 峰，韓端鋒，韓海輝

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

針對(duì)載人潛器載人艙布局問(wèn)題，以模糊層次綜合評(píng)估方法為主要方法開(kāi)展了載人潛器載人艙布局方案綜合評(píng)估的研究工作。研究了評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建原則和分析標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)載人潛器載人艙布局進(jìn)行了人機(jī)工程要求分析，并在此基礎(chǔ)上建立了載人潛器載人艙布局方案的評(píng)估指標(biāo)體系及其遞階層次結(jié)構(gòu)；提出了載人艙布局評(píng)估流程，對(duì)于該流程的可行性進(jìn)行了有效驗(yàn)證；建立了布局優(yōu)化評(píng)估的數(shù)學(xué)模型，選擇并列選擇遺傳算法作為布局優(yōu)化的求解方法。最后，針對(duì)一型載人潛器載人艙布局進(jìn)行了研究，得到了優(yōu)化的布局，驗(yàn)證了指標(biāo)體系及算法的可行性，為載人潛器載人艙布局設(shè)計(jì)提供了參考。

載人潛器；載人艙；指標(biāo)體系；布局優(yōu)化；并列選擇遺傳算法

載人潛器的設(shè)計(jì)不僅要求布置的緊湊，還需要滿足盡量改善人員的工作和生活條件等系列要求［1］，特別是載人艙的設(shè)計(jì)，載人艙內(nèi)部空間狹小、設(shè)備眾多，勢(shì)必會(huì)對(duì)載人艙的適居性產(chǎn)生影響。因此，載人潛器設(shè)計(jì)要充分利用載人艙有效空間。為艇員營(yíng)造一個(gè)安全、實(shí)用、相對(duì)較好的艙內(nèi)環(huán)境，是載人潛器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高效水下作業(yè)的重要保證。目前更好載人艙內(nèi)人-機(jī)-環(huán)設(shè)計(jì)已成為衡量載人潛器設(shè)計(jì)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一［2］，“新阿爾文”的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人機(jī)工程思想，新方案較原方案在適居性方面有了很大的提高［3］；“蛟龍?zhí)枴痹谠O(shè)計(jì)中運(yùn)用了將人、機(jī)與整個(gè)客觀環(huán)境聯(lián)系進(jìn)行綜合考慮的新理念［2］，取得了很好的效果。

載人潛器載人艙所涉及的子系統(tǒng)、學(xué)科覆蓋面廣、設(shè)計(jì)目標(biāo)眾多、限制約束繁雜。設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)之間相對(duì)獨(dú)立性差，彼此間存在著相互矛盾和制約，這些必然會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)的反復(fù)，因此十分有必要針對(duì)載人艙布局進(jìn)行評(píng)估。模糊評(píng)估［4］、層次分析法［5］是常用的評(píng)估方法。層次分析法能較好地處理評(píng)估指標(biāo)權(quán)重向量的求解和定性指標(biāo)的對(duì)比量化，得到多個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和應(yīng)用，但該方法存在協(xié)調(diào)判斷矩陣的一致性不易實(shí)現(xiàn)、判斷矩陣的一致性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于人類判斷思維的一致性等諸多不足；模糊評(píng)估對(duì)于解決指標(biāo)間不可公度性的問(wèn)題十分有效，可以解決層次分析法的不足，因此可以將兩者結(jié)合起來(lái)（即模糊層次綜合評(píng)估）解決載人潛器載人艙布局綜合評(píng)估和優(yōu)選的問(wèn)題。

本文基于人機(jī)工程學(xué)理論，采用模糊層次綜合評(píng)估方法，選取觀察舒適性、坐姿舒適性、操作可及性、設(shè)備維修空間、艙內(nèi)活動(dòng)空間、重量重心平衡等指標(biāo)建立了載人潛器載人艙布局評(píng)估指標(biāo)體系和布局優(yōu)化模型，確定了求解策略，并在一型載人潛器的的載人艙布局優(yōu)化進(jìn)行了應(yīng)用。

1 載人艙布局評(píng)估指標(biāo)體系

人機(jī)工程學(xué)是研究人、設(shè)備和環(huán)境相互協(xié)調(diào)和作用的學(xué)科，國(guó)際人類工效學(xué)會(huì)（IEA）對(duì)人機(jī)工程學(xué)作了較為權(quán)威的定義［6］，載人潛器載人艙的人機(jī)工程分析主要參考人機(jī)工程領(lǐng)域的研究成果［7-10］，對(duì)于載人艙布局方案進(jìn)行綜合評(píng)估分析。評(píng)估的主要內(nèi)容是：方案中設(shè)備的空間位置布局、操控界面設(shè)計(jì)和艙內(nèi)環(huán)境控制等對(duì)于人機(jī)工程學(xué)方面設(shè)計(jì)要求的符合程度。

1.1 評(píng)估指標(biāo)體系的建立

綜合載人潛器載人艙內(nèi)實(shí)際情況和文獻(xiàn)［11-12］，構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 布局方案評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Layout scheme appraisal index system

1.2 載人艙布局方案評(píng)估流程

綜合評(píng)估通常要解決2個(gè)基本問(wèn)題：1）不同指標(biāo)間不可公度的問(wèn)題；2）需要建立一種衡量所有指標(biāo)綜合效用或水平的方法。

處理這2個(gè)基本問(wèn)題的思路是：對(duì)于問(wèn)題1），分別通過(guò)模糊層次分析法和隸屬函數(shù)法將定性指標(biāo)和定量指標(biāo)處理成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)量值，從而可以直接比較；對(duì)于問(wèn)題2），先通過(guò)模糊層次分析獲得各層指標(biāo)的權(quán)重向量，得到方案集（Fi）1×n在指標(biāo)Zj（j＝1，2，…，m）下的相對(duì)權(quán)重向量Wj＝[wj1…wji]，以及指標(biāo)集（Zj）1×m在總目標(biāo)M下的權(quán)重向量A＝[a1a2…am]后，（Fi）1×n在總目標(biāo)M下的權(quán)重向量為

加權(quán)求和模型采用M（·，+）模型［4］，求λi：

指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化方法為

將上述過(guò)程建立方案評(píng)估流程，如圖2所示。

圖2 布局方案評(píng)估流程Fig.2 Layout evaluation flow

1.3 指標(biāo)的獲取與標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)圖1所示的載人潛器載人艙布局方案評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)載人潛器載人艙布局待評(píng)方案進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)值的獲取和標(biāo)準(zhǔn)化。

1.3.1 人員作業(yè)舒適性

人員作業(yè)舒適性主要考核觀察舒適性、坐姿舒適性和操作可及性3方面內(nèi)容，其中觀察舒適性主要考慮駕駛員對(duì)觀察窗和綜合監(jiān)視器的視角，如圖3所示。分別記駕駛員視角為α1、α2和α3。隸屬度函數(shù)如圖4所示，將觀察舒適性的度量簡(jiǎn)單處理為3個(gè)觀察視角的舒適性隸屬度的平均值并相加，為

圖3 觀察視角Fig.3 Perspective

圖4 各觀察視角對(duì)舒適性的隸屬度函數(shù)Fig.4 The membership functions of comfort for every perspective

坐姿舒適性主要考慮駕駛員處于坐姿時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度是否符合人機(jī)要求?？赏ㄟ^(guò)如圖5（a）所示隸屬度函數(shù)讀取相應(yīng)的坐姿舒適度。其中，α4表示膝關(guān)節(jié)角，f2表示與該膝關(guān)節(jié)角對(duì)應(yīng)的坐姿舒適度。

圖5 坐姿、操作和維修性的隸屬度函數(shù)Fig.5 The membership functions of sitting position，operations，and maintainability

操作可及性的隸屬度函數(shù)見(jiàn)圖5（b）。dijian為設(shè)備i距離相應(yīng)肩關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離，f3i為設(shè)備i的操作可及性，求解方法見(jiàn)式（5），N3為設(shè)備的總數(shù)目。

1.3.2 人員活動(dòng)安全性

人員活動(dòng)安全性通過(guò)直接打分方式初步評(píng)定方案在應(yīng)對(duì)碰撞傷害、火災(zāi)、觸電和生命支持系統(tǒng)故障等方面的表現(xiàn)，通過(guò)建立關(guān)于人員活動(dòng)安全性指標(biāo)的兩兩比較一致判斷矩陣，計(jì)算得到人員活動(dòng)安全性指標(biāo)值向量。

1.3.3 設(shè)備維修空間

設(shè)備間距及維修性隸屬度的計(jì)算方法分別見(jiàn)式（6）和圖5（c），維修空間度量f4如式（7）：

式中：dij為兩設(shè)備形心之間的距離，dcij為兩設(shè)備相鄰面的距離，ri、rj為設(shè)備i和j的外包絡(luò)球半徑，Sij為設(shè)備i和j的間距，f4ij為設(shè)備i和j之間的維修空間度量值。N4為要考慮的設(shè)備對(duì)的數(shù)目，n為設(shè)備總數(shù)。

1.3.4 艙內(nèi)活動(dòng)空間

艙內(nèi)活動(dòng)空間用來(lái)衡量設(shè)備與球形艙壁的貼近程度，通過(guò)計(jì)算并累加各設(shè)備距離球心的距離，并無(wú)量綱化而得到

式中：dio表示設(shè)備距離球心的距離，R為球殼半徑，f5表示方案的活動(dòng)空間的度量值，n為設(shè)備總數(shù)。

1.3.5 重量重心平衡

重量重心平衡地計(jì)算采用式：

式中：mi為設(shè)備i的質(zhì)量，（xi，yi，zi）為設(shè)備坐標(biāo)，R為球殼半徑，n為設(shè)備總數(shù)。

1.3.6 作業(yè)安全可靠性

將載人潛器看成可靠性串聯(lián)系統(tǒng)，初步可靠性分配采用評(píng)分分配法［13］對(duì)于各分系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)分，再根據(jù)評(píng)分結(jié)果給每個(gè)分系統(tǒng)分配可靠性指標(biāo)，載人艙分系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)根據(jù)文獻(xiàn)［14］進(jìn)行估算：

建立方案可靠性指標(biāo)的隸屬度函數(shù)：

1.3.7 其他方面

綜控界面友好性主要考慮信息量、清晰度、刺激度和易讀性等方面。由于顯示內(nèi)容、設(shè)備和分類分項(xiàng)顯示形式相同，故不同方案取值基本相同。

設(shè)備色彩搭配與造型主要評(píng)估設(shè)備造型與色彩的宜人性及各類安全標(biāo)識(shí)、信號(hào)燈和艙內(nèi)區(qū)域劃分用色的規(guī)范性。采用直接打分的評(píng)估形式。由于不同方案的主要設(shè)備均為立方體，主體部分均為灰黑色。安全標(biāo)識(shí)、信號(hào)燈和艙內(nèi)區(qū)域用色均嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此認(rèn)為不同方案的得分相同。

環(huán)境因素主要考慮空氣質(zhì)量、溫濕度、震動(dòng)噪聲和照明色彩4個(gè)方面。

1.4 綜合評(píng)估結(jié)果的計(jì)算與分析

根據(jù)示遞階層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)德?tīng)柗品ǎ?5-17］和專家調(diào)查建立各層同類指標(biāo)關(guān)于其直屬上級(jí)指標(biāo)的兩兩比較一致判斷矩陣，得出各層同類指標(biāo)的權(quán)重向量，指標(biāo)取值見(jiàn)表1。

表1 各層指標(biāo)的權(quán)重取值Table1 Weight values of every level index

表2 評(píng)估指標(biāo)集中底層指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化取值情況Table2 The standardization of evaluation index focus on the underlying index values

將1型載人潛器的3個(gè)方案的載人艙布局的各底層指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化取值列于表2。

將各層指標(biāo)的權(quán)重取值和表2所示各底層指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化取值，依次計(jì)算3個(gè)方案的一級(jí)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化取值，匯總列于表3，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為方案在對(duì)應(yīng)指標(biāo)下的排序。以方案1人員指標(biāo)Z1做標(biāo)準(zhǔn)化取值

表3 各方案一級(jí)指標(biāo)取值匯總Table3 Primary index values summary of the program

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前文的結(jié)論，針對(duì)載人潛器載人艙布局優(yōu)化問(wèn)題建立式（11）的物理模型：

式中：i＝1，2，...，n；F為基于觀察舒適性等要素的布局優(yōu)化目標(biāo)；X為艙內(nèi)所有設(shè)備的空間幾何坐標(biāo)集；R為球艙半徑，n為設(shè)備數(shù)量；volij和volio分別為設(shè)備i、j之間干涉量的歸一化值和設(shè)備i與球殼干涉量的歸一化值，N1為發(fā)生干涉的設(shè)備對(duì)的數(shù)目；N2為與球殼干涉的設(shè)備數(shù)目。

3 優(yōu)化算法

遺傳算法對(duì)于處理目標(biāo)函數(shù)沒(méi)有確定解析式形式，或者目標(biāo)函數(shù)不光滑不可導(dǎo)等情況，其尋找最優(yōu)解的效果均能讓人滿意。另外，其編碼方式豐富，便于處理各類優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，本文采用遺傳算法結(jié)合并列選擇策略來(lái)求解該布局優(yōu)化問(wèn)題。

圖6 并列選擇遺傳算法流程Fig.6 Flow chart of PSGA

3.1 編碼方式

直接將問(wèn)題的求解變量作為染色體基因進(jìn)行編碼，艙內(nèi)設(shè)備的形心坐標(biāo)為（xic，yic，zic），可以確定布局方案采用實(shí)數(shù)編碼的方式如下：

坐標(biāo)原點(diǎn)取在載人艙中心（即球心），X軸正方向沿載人潛器的長(zhǎng)度方向（平行于平面艙底指向觀察窗），Y軸正方向指向潛器左舷，Z軸正方向垂直于平面艙底向上。

3.2 適應(yīng)度函數(shù)

采用Matlab遺傳算法工具箱中ranking函數(shù)計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值，ranking函數(shù)按照個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值對(duì)它們進(jìn)行排序，并返回對(duì)應(yīng)個(gè)體的適應(yīng)度值。函數(shù)調(diào)用的方式如式（14）所示，F(xiàn)itnV為返回的適應(yīng)度值，ObjV為個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值。

3.3 選擇、交叉和變異操作

采用隨機(jī)遍歷抽樣函數(shù)sus實(shí)現(xiàn)選擇操作，交叉運(yùn)算采用中間重組recint的方式，交叉概率設(shè)為0.7；由于染色體采用的是實(shí)數(shù)編碼，故變異操作采用實(shí)值種群的變異函數(shù)mutbga實(shí)現(xiàn)，變異概率設(shè)為0.1。

3.4 精英保留和終止條件

通過(guò)設(shè)置代溝GGap（generation gap）實(shí)現(xiàn)每一代種群中優(yōu)秀個(gè)體的保留，而終止條件通過(guò)設(shè)置迭代次數(shù)的方式來(lái)控制。

3.5 干涉處理

將干涉量加入到個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值的計(jì)算中，作為尋優(yōu)過(guò)程的懲罰項(xiàng)，即干涉量的作用是使個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值變小，相應(yīng)的個(gè)體適應(yīng)度也變小。

4 實(shí)例應(yīng)用

載人潛器載人艙物理模型如圖7所示，艙內(nèi)設(shè)備以較好的觀察舒適性、較好的坐姿舒適性、較好的操作可及性、盡量大的活動(dòng)空間、合適的維修距離和盡量小的重量不平衡量為目標(biāo)。干涉量以0作為約束目標(biāo)，采用式（9）的方式對(duì)設(shè)備的位置直接進(jìn)行編碼。種群規(guī)模取為100，編碼串形式如式（13）所示，n取18，交叉概率Pc＝0.7，變異概率Pm＝0.1，代溝GGap＝0.8，遺傳代數(shù)MAXGEN＝300。初始種群隨機(jī)產(chǎn)生，可能存在較大的干涉量，在算法運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)優(yōu)化；所有的目標(biāo)函數(shù)值均進(jìn)行了無(wú)量綱、歸一化處理。進(jìn)行了20次計(jì)算，每次計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了算法具有一定的穩(wěn)定性和可靠性。取前300迭代結(jié)果如圖8所示。

圖7 載人艙布局的物理模型Fig.7 The physical model of manned cabin layout

圖8（a）說(shuō)明觀察舒適性指標(biāo)值逐漸趨于穩(wěn)定，不能取到最大值1，原因是對(duì)于該指標(biāo)產(chǎn)生影響的3個(gè)視角之間存在制約關(guān)系；圖8（b）說(shuō)明坐姿舒適性指標(biāo)值的變化趨勢(shì)隨著優(yōu)化的進(jìn)行趨于穩(wěn)定，可達(dá)到最大值1；圖8（c）說(shuō)明操作可及性指標(biāo)呈增大趨勢(shì)并最終穩(wěn)定在最大值1處，說(shuō)明操作頻率高的設(shè)備在布局上可達(dá)到“伸手可及”的目標(biāo)；圖8（d）說(shuō)明設(shè)備維修空間子目標(biāo)隨著搜索過(guò)程逐漸增大并趨于穩(wěn)定，算法是朝著設(shè)備維修空間增加的方向進(jìn)化的；圖8（e）可看出由于初始布局是隨機(jī)產(chǎn)生的，存在較大的干涉量。隨著算法向減小干涉量的方向進(jìn)化，不可避免地使設(shè)備向球心靠攏并互相分散，造成活動(dòng)空間子目標(biāo)變小；圖8（f）反映了算法向著使艙內(nèi)重量分布均衡的方向進(jìn)行。

圖9顯示的是隨著優(yōu)化過(guò)程地進(jìn)行，布局方案的干涉量迅速減小，并最終穩(wěn)定在最小值0處，說(shuō)明算法保證了尋優(yōu)向著無(wú)干涉的方向進(jìn)化。

圖8 指標(biāo)在優(yōu)化過(guò)程中的變化情況Fig.8 Index change in the process of optimization

圖9 干涉量在優(yōu)化過(guò)程中的變化Fig.9 Interference changes in the process of optimization

如前文所述伴隨著各底層指標(biāo)結(jié)果的進(jìn)一步優(yōu)化，綜合評(píng)估最終結(jié)果也進(jìn)一步提高，根據(jù)各層同類指標(biāo)的權(quán)重取值情況對(duì)于各層指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算求和，得出綜合評(píng)估最終結(jié)果，綜合評(píng)估最終結(jié)果的優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)圖10。

通過(guò)圖10可以看出：隨著優(yōu)化過(guò)程的進(jìn)行綜合評(píng)估結(jié)果不斷提高，說(shuō)明載人艙的布局朝著不斷優(yōu)化的方向進(jìn)行，最終得到的優(yōu)化布局見(jiàn)圖11。

圖10 綜合評(píng)估結(jié)果在優(yōu)化過(guò)程中的變化Fig.10 Comprehensive evaluation result changes in the process of optimization

圖11 優(yōu)化算法生成的布局Fig.11 The layout generated by optimization algorithm

將圖11與圖7對(duì)比可以看出，圖11中的布局中設(shè)備在空間分布上呈更加均勻和合理的狀態(tài)，進(jìn)一步說(shuō)明了載人潛器載人艙的布局得到了優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用模糊層次評(píng)估方法進(jìn)行了載人潛器載人艙布局評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建原則和分析標(biāo)準(zhǔn)研究，采用基于人機(jī)環(huán)系統(tǒng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立了載人潛器載人艙布局方案的綜合評(píng)估指標(biāo)體系。應(yīng)用綜合評(píng)估指標(biāo)體系針對(duì)一型載人潛器載人艙的3個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)估，得出了能夠?qū)τ谳d人艙布局產(chǎn)生區(qū)別的指標(biāo)，降低了載人潛器載人艙布局評(píng)估的模型的復(fù)雜程度；以此為基礎(chǔ)建立了載人潛器載人艙布局優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，基于并列選擇遺傳算法對(duì)其進(jìn)行了有效求解和研究；進(jìn)行了體系與算法的應(yīng)用，算法能有效地生成滿足設(shè)計(jì)要求的布局方案，并得到了優(yōu)化的載人艙布局，為載人潛器載人艙布局設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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Layout optimization of a human occupied vehicle manned cabin

LIU Feng，HAN Duanfeng，HAN Haihui
（College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In consideration of the problems of the human occupied vehicle（HOV）manned cabin layout，the authors did research into the comprehensive evaluation ofthe HOV cabin layout，mainly through use of the fuzzy hierarchical evaluation method.The research included the construction principles and analysis criteria of the evaluation index system，analysis of the ergonomic requirements for the HOV manned cabin layout，and on this basis，the authors set up the evaluation index system and its hierarchical structure of the HOV manned cabin layout scheme.They also proposed the procedure to evaluate the HOV manned cabin layout and effectively validated the feasibility of this procedure，built the mathematical model for the layout optimization and evaluation，and chose the parallelism selection genetic algorithm（PSGA）as the solution method for the layout optimization.Finally，one particular HOV manned cabin layout was studied and the optimized layout scheme was obtained，which verified the feasibility of the index system and algorithm，offering a reference for the HOV manned cabin layout design.

human occupied vehicle（HOV）；manned cabin；index system；layout optimization；parallelism selection genetic algorithm

10.3969／j.issn.1006-7043.201305020

U662

A

1006-7043（2014）01-0030-08

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20131120.0957.004.html

2013-05-08.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013-11-20.

教育部科學(xué)研究重大項(xiàng)目基金資助（311034）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2011ZX05027-005）.

劉峰（1982-），男，講師，博士研究生；

韓端鋒（1966-），男，教授，博士生導(dǎo)師.

韓端鋒，E-mail：handuanfeng＠hrbeu.edu.cn.