彭 飛， 陳 武， 牟金磊

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 湖北 武漢 430033)

基于DELMIA的虛擬人潛艇艙室空間分析

彭 飛， 陳 武， 牟金磊

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 湖北 武漢 430033)

在潛艇的前期設(shè)計(jì)中，研究如何評(píng)估艙室空間設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，進(jìn)而對(duì)艙室空間進(jìn)行改善具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)對(duì)潛艇艙室空間的研究較少，該文通過借鑒類似室內(nèi)空間設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和人因工程理論的分析研究提出潛艇艙室空間的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用虛擬人技術(shù)完成潛艇艙室空間設(shè)計(jì)的量化評(píng)估，使存在的問題能在投入制造前得到解決，從而節(jié)約了研發(fā)的時(shí)間和成本，提高了潛艇作戰(zhàn)效能。

DELMIA 虛擬人 潛艇艙室 空間分析

1 引言

現(xiàn)代潛艇作為一個(gè)龐大復(fù)雜的綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，其綜合作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，直接受制于艇員。而狹小復(fù)雜、不合理的艙室空間設(shè)計(jì)往往對(duì)艇員的身心狀態(tài)造成消極影響，對(duì)艇員的操作、維修、使用行為造成困難[1],因此,提高潛艇狹窄艙室空間的可維修性和居住性,將有利于增強(qiáng)潛艇戰(zhàn)斗力。

2 潛艇艙室空間設(shè)計(jì)的一般要求

空間環(huán)境是居住性中非常重要的要素，既可以屬于環(huán)境要素，也可以劃分到生活設(shè)施中的居住艙室要素，主要通過結(jié)合人因因素來判斷空間環(huán)境的優(yōu)劣。從人機(jī)工程學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值包括最佳值，即最適合人的各種特性的推薦值。而最小值和最大值分別指人能正常進(jìn)行活動(dòng)或判斷所需的最小值和最大值[2]。對(duì)于船舶而言這些數(shù)值有其特殊性，以下是艙室的一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2.1 空間環(huán)境的一般設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

(1) 高度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，居住艙室最佳凈高東方人為2 065 mm；西方人為2 170 mm?？紤]裕度，東方人最佳尺寸為2 100 mm，一般 90 mm可為心理裕量來考慮。

(2) 通道寬度基準(zhǔn)。居住區(qū)通道寬度以著衣者肩寬為單位，身體厚度為半個(gè)單位，據(jù)此考慮通道寬度一般為1～2.5單位。

(3) 住艙面積設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。居住艙室面積與諸多影響因素有關(guān)，我國(guó)《沿?？拓洿瑔T和乘客主要艙室面積及家具配置》中給出了相應(yīng)的規(guī)定。

(4) 床鋪尺寸基準(zhǔn)。當(dāng)前，各國(guó)都是以人體尺寸及標(biāo)準(zhǔn)偏差為基準(zhǔn)確定床的形狀和尺寸。實(shí)驗(yàn)表明，最佳床寬為900 mm。床的必要最小寬為700 mm，加上裕度取800 mm。

3 基于虛擬人的艙室空間評(píng)價(jià)方法

空間環(huán)境的評(píng)價(jià)方法一般有兩種：一是規(guī)范法，根據(jù)規(guī)范確定為兩級(jí)評(píng)價(jià)，滿足規(guī)范為合格，不滿足規(guī)范為不合格；二是三維評(píng)價(jià)法，利用軟件建立三維模型，結(jié)合人因工程理論對(duì)人的舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。這兩種方法可以視情況而定，前者簡(jiǎn)單易用、操作方便；后者是未來的發(fā)展方向。因此本文選擇利用虛擬人仿真方法對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用虛擬人進(jìn)行空間評(píng)價(jià)的一般流程為：虛擬人建模、虛擬人工作姿勢(shì)分析、利用典型空間環(huán)境下的姿勢(shì)分析評(píng)價(jià)空間的優(yōu)劣[3]。

3.1 基于DELMIA的虛擬人建模

人體模型是虛擬環(huán)境中最重要的一個(gè)部分，所有人機(jī)工效分析研究都需要通過人體模型來完成[4]。由于現(xiàn)在已經(jīng)存在了一系列人體模型的規(guī)范，本文主要針對(duì)人體外在表征和動(dòng)作控制進(jìn)行研究和簡(jiǎn)單闡述,同時(shí)利用DELMIA作為建模和控制的軟件基礎(chǔ)。

(1) 工作環(huán)境對(duì)建模人體參數(shù)要求。首先，虛擬工作環(huán)境對(duì)人體外在表征的最低要求是在艇內(nèi)特殊的環(huán)境下，只有符合一定身高體重的虛擬人才能在保障基本生理?xiàng)l件的情況下在里面進(jìn)行活動(dòng)。其次，在特殊環(huán)境和特殊任務(wù)的要求下，需要對(duì)外在表征有更加苛刻的限制，以使虛擬人在該虛擬環(huán)境下工作時(shí)除了保證基本的生理?xiàng)l件外還可以具有一定的生理和心理上的舒適感。然后進(jìn)行人體建模，并最終達(dá)到反映實(shí)際人機(jī)工效的效果。

(2) 實(shí)際構(gòu)建模型具體參數(shù)。虛擬人人體尺寸設(shè)計(jì)是以《中國(guó)成年人人體尺寸》為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[5]。采用DELMIA對(duì)創(chuàng)建的人體模型進(jìn)行尺寸的定義，以符合中國(guó)成年人的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 虛擬人的控制。在研究人體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，從運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的角度把人體看成是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鉸接機(jī)構(gòu)[6]，而人體的運(yùn)動(dòng)可以看作由關(guān)節(jié)和節(jié)段組成的連桿運(yùn)動(dòng)體系。

DELMIA能夠自動(dòng)提供各個(gè)關(guān)節(jié)最大范圍的活動(dòng)限制，能進(jìn)行自由的控制，同時(shí)可設(shè)置手臂活動(dòng)舒適位置和極限位置等[7]。

3.2 空間環(huán)境的評(píng)價(jià)體系

對(duì)幾種典型的人體姿勢(shì)活動(dòng)空間設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。人在艙室生活工作時(shí)的活動(dòng)姿勢(shì)主要包括坐姿、立姿兩大類。其中立姿空間可分為高度空間，前后空間、寬度空間三個(gè)指標(biāo)；坐姿空間主要包括水平面空間，垂直面空間?？臻g環(huán)境的評(píng)價(jià)，結(jié)合三維模型和虛擬人不同姿勢(shì)下的仿真做出初步評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考GJB 4000-2000以及《人因工程學(xué)》中的規(guī)范，建立評(píng)估核對(duì)表，最后進(jìn)行評(píng)分，將空間環(huán)境這一指標(biāo)定性評(píng)價(jià)。

3.2.1 立姿空間評(píng)價(jià)

(1) 高度空間評(píng)價(jià)。人體立姿的活動(dòng)空間均以身高175 cm成年男性為型，以肩關(guān)節(jié)為圓心的直臂抓握空間半徑為65 cm。根據(jù)上述分析建立高度空間評(píng)級(jí)分類如表1所示。

表1 頂部空間舒適性評(píng)級(jí)分類表

(2) 前后空間評(píng)價(jià)。根據(jù)規(guī)范要求，以正常男性為基準(zhǔn)，當(dāng)物體處于地面以上110～165 cm高度，并且在身體中心左右46 cm范圍內(nèi)時(shí)，人可以在直立狀態(tài)下達(dá)到前側(cè)46 cm的舒適范圍(手臂處于身體中心線處操作)，最大可及區(qū)弧半徑為54 cm。對(duì)于雙手操作的情形，由于身體各部相互約束，其舒適作業(yè)空間范圍有所減小。這時(shí)伸展空間為：在距身中線左右各15 cm的區(qū)域內(nèi)，最大操作弧半徑為58 cm。根據(jù)上述分析，以物體距身中線左右各15 cm為基準(zhǔn)，建立的活動(dòng)空間評(píng)級(jí)分類如表2所示。

表2 前后空間評(píng)級(jí)分類表

(3) 寬度空間評(píng)價(jià)。艙室內(nèi)由于擁有眾多設(shè)備，留給人行走的空間寬窄不一，整體行走的空間也并不是如走廊般直來直去，因此在評(píng)價(jià)艙室寬度空間時(shí)，利用虛擬人模型(身高175 cm，肩寬48 cm,胸厚16 cm)，從單人行走，雙人行走兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立評(píng)級(jí)分類，如表3所示。

表3 寬度空間評(píng)級(jí)分類表

3.2.2 坐姿空間評(píng)價(jià)

根據(jù)《人因工程學(xué)》中所述，人體最合理的作業(yè)姿勢(shì)就是坐姿作業(yè)。因此艙室空間評(píng)價(jià)需要考慮坐姿時(shí)的舒適程度，更為細(xì)致地可以將其分為水平面空間和垂直面空間分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1) 水平面空間評(píng)價(jià)。水平面空間設(shè)在人體上肢的操作范圍內(nèi)，分為作業(yè)的最大區(qū)域和正常區(qū)域[8](如圖1所示)，分別表示在作業(yè)時(shí)上肢在工作臺(tái)范圍內(nèi)水平面上移動(dòng)形成的最大范圍和最舒適范圍。其中1區(qū)：虛線表示水平工作面的最大區(qū)域；2區(qū)：細(xì)實(shí)線表示水平工作面理論上的正常區(qū)域；3區(qū)：粗實(shí)線表示水平工作面的實(shí)際正常區(qū)域。

圖1 水平工作面最大區(qū)域、正常區(qū)域和工作區(qū)域

評(píng)價(jià)工作區(qū)域的好壞主要是依據(jù)控制臺(tái)是否布置在人體上肢的操作范圍內(nèi)，是否布置在人體的舒適區(qū)內(nèi)，如左右有共同工作的作業(yè)者，兩人之間是否會(huì)產(chǎn)生干擾，干擾程度如何。根據(jù)上述分析及參考圖示建立水平面工作區(qū)評(píng)級(jí)分類，如表4所示。

表4 水平面空間評(píng)級(jí)分類表

(2) 垂直面空間評(píng)價(jià)。坐姿作業(yè)空間范圍由上肢活動(dòng)范圍所決定。圖2表示了垂直面和水平面上肢所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)區(qū)域尺寸。其中1區(qū)：人體上肢操作范圍的最佳區(qū)域(一般用于配置重要的控制按鈕或者顯示設(shè)備)；2區(qū)：人體上肢操作范圍中容易達(dá)到的區(qū)域；3區(qū)：人體上肢能夠達(dá)到的最大區(qū)域。根據(jù)上述分析及參考圖建立垂直面空間評(píng)級(jí)分類，如表5所示。

圖2 坐姿抓握尺度范圍和坐姿上肢工作區(qū)域

項(xiàng)目評(píng)價(jià)分級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則垂直面空間非常好作業(yè)對(duì)象位于工作邊界線內(nèi),且位于1區(qū)內(nèi)。好作業(yè)對(duì)象位于工作邊界線內(nèi),且位于2區(qū)和1區(qū)間。一般作業(yè)對(duì)象位于工作邊界線和不常抓握區(qū)之間,且位于2區(qū)內(nèi)。差作業(yè)對(duì)象位于不常抓握區(qū),且位于2區(qū)以內(nèi)或作業(yè)對(duì)象位于工作邊界線內(nèi),且位于3區(qū)。非常差作業(yè)對(duì)象位于不常抓握區(qū),且位于3區(qū)。

4 實(shí)例分析

以某潛艇艙室為例，運(yùn)用CATIA軟件對(duì)艙室進(jìn)行空間測(cè)量，測(cè)得指揮艙室高在170 cm～276 cm，此為不計(jì)算頂部設(shè)備的凈高度。在此與二維布置圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)，確定其最大高度為200 cm，因此該艙的指揮室高度在180 cm～200 cm之間，具體測(cè)量如圖3所示。

圖3 指揮艙室測(cè)量示意圖

4.1 立姿空間分析

(1) 高度空間分析。以艇員站姿作為研究對(duì)象，做一個(gè)虛擬人的仿真，進(jìn)行高度空間的評(píng)價(jià)。虛擬人可勉強(qiáng)滿足自由揮臂的需求，如圖4所示。由上述的評(píng)價(jià)規(guī)范，在頂部空間項(xiàng)目上指揮艙室可勉強(qiáng)滿足自由揮直臂，因此頂部空間項(xiàng)目評(píng)價(jià)為好。

圖4 虛擬人空間評(píng)價(jià)

(2) 前后空間分析。定義虛擬人為身高175 cm，臂寬48 cm，以此標(biāo)準(zhǔn)建立虛擬人模型。模擬在指揮艙室實(shí)際立姿作業(yè)場(chǎng)景，人體的活動(dòng)空間邊界距身體中線大于臂長(zhǎng)，即大于58 cm，如圖5所示。根據(jù)虛擬人仿真結(jié)果，該艙室立姿前后空間可評(píng)價(jià)為非常好。

圖5 立姿作業(yè)

(3) 寬度空間分析。由于艙室空間的分布不均，在具體做評(píng)價(jià)時(shí)設(shè)定一條線路，例如由衛(wèi)生間→指揮臺(tái)→會(huì)議室→生活艙入口。對(duì)這一路上四個(gè)特殊地方進(jìn)行三段評(píng)價(jià)，最后根據(jù)歸一法確定行走空間的評(píng)級(jí)。第一階段：從衛(wèi)生間到指揮臺(tái)階段。

如圖6所示，這段空間完全足夠兩人并排自由通行，行走空間大于100 cm，因此這段評(píng)價(jià)為非常好。

圖6 雙人并排行走

第二階段：指揮臺(tái)到會(huì)議室。

指揮臺(tái)距離會(huì)議室較近，只能由單人通過，而且指揮室與會(huì)議室之間的門也只能單人通過，如圖7所示，因此這段的寬度空間評(píng)價(jià)為一般。

第三階段：由會(huì)議室到生活艙門。

圖7 單人先后行走

這一段由于經(jīng)過會(huì)議室桌子，桌前的椅子屬于可調(diào)節(jié)的物品，因此在這段行走當(dāng)中可以勉強(qiáng)達(dá)到兩人并排前行，如圖8所示，因此此段評(píng)價(jià)為好。根據(jù)此三段的評(píng)價(jià)，其分別為非常好、一般和好，整體考慮整個(gè)指揮艙室的行走空間較為良好，因此行走空間的評(píng)價(jià)為好。

圖8 雙人并排行走(會(huì)議室)

(4) 立姿空間評(píng)價(jià)。綜合上述分析，對(duì)立姿空間的評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。

表6 立姿空間評(píng)價(jià)

4.2 坐姿空間分析

(1) 水平面空間分析。在指揮臺(tái)前加載虛擬人，模擬其在指揮艙室指揮臺(tái)上的作業(yè)過程。以作業(yè)過程中需求的最大空間為例，如圖9所示，兩位作業(yè)者可以滿足正常水平面工作的要求，并且兩人之間作業(yè)時(shí)無干擾，空間舒適性較高，因此水平面作業(yè)評(píng)價(jià)為非常好。

圖9 水平面兩人工作范圍

(2) 垂直面空間分析。在這里以控制臺(tái)為例，虛擬人模擬操縱上方按鈕的動(dòng)作，如圖10(a～d)所示。對(duì)照上文標(biāo)準(zhǔn)圖例，作業(yè)的對(duì)象大多落在1區(qū)和2區(qū)之間，并且控制臺(tái)顯示屏幕較多，因此作業(yè)時(shí)還會(huì)用到3區(qū)的一些顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)模型中兩虛擬人的作業(yè)情況，測(cè)量得到顯控臺(tái)到人體的距離為44 cm，下方屏幕至人的視距為52 cm，上方屏幕至人的視距為59 cm，在虛擬人仿真過程中還發(fā)現(xiàn)了垂向空間的一個(gè)重要問題(見圖10(d))虛擬人膝部空間不足，因此垂直面空間的綜合評(píng)價(jià)結(jié)論為好。

(3) 坐姿空間評(píng)價(jià)。

綜合上述分析，對(duì)坐姿空間的評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示。

表7 坐姿空間評(píng)價(jià)表

圖10 垂直面工作時(shí)作業(yè)對(duì)象

4.3 綜合分析

經(jīng)過上述分析，該艇艙室空間指標(biāo)中垂直面空間判定最差，影響人員坐姿工作效率，改善空間可以以優(yōu)化垂直面空間為主。

5 結(jié)論

本文研究了潛艇艙室空間的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合人因工程理論提出對(duì)艙室空間的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 并利用虛擬人技術(shù)對(duì)某型艙室進(jìn)行了分析評(píng)估，得到了艙室立姿和坐姿空間及相關(guān)指標(biāo)的優(yōu)劣，對(duì)后期的研制有一定的參考價(jià)值。

另在本文的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步細(xì)化評(píng)價(jià)體系，建立完善的評(píng)估模型，加深對(duì)虛擬人技術(shù)的利用，是科學(xué)有效地評(píng)價(jià)決策工具。

[1] 王曉紅. 潛艇居住艙室的布置及裝飾[J]. 武漢造船, 2000, 2，4-7.

[2] 張宏林. 人因工程學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[3] 宋福宏. 基于汽車人機(jī)工程的虛擬人體模型研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2007.

[4] 楊宇航, 李志忠, 鄭力. 虛擬維修研究綜述[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, 17(9): 2191-2196.

[5] 黃璐. 鐵道車輛人椅界面數(shù)字化設(shè)計(jì)及其乘坐舒適性仿真[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2011.

[6] 楊明, 尹明德. 基于DELMIA的虛擬裝配中人機(jī)工程仿真與應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備, 2009, 7: 12-15.

[7] 王占海. DELMIA人機(jī)工程在飛機(jī)虛擬維修中的應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 9(4): 36-41.

[8] 徐孟, 孫守遷, 潘云鶴. 面向工作空間設(shè)計(jì)的虛擬人體模型[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006, 17(8): 836-840.

Spatial Analysis in Submarine Based on Virtual Human in Delmia Environment

PENG Fei, CHEN Wu, MOU Jin-lei

(Naval University of Engineering, Department of Ship Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

At the early stages of the submarine design, study how to evaluate the merits of the cabin space design, thus to improve the accommodation space is of great significance. Domestic study on submarine is less. In this article, through reference to similar interior space design criteria and human factors engineering theory，and put forward the evaluation standard of submarine cabin space. Using the virtual human technology to evaluate quantitative for the submarine cabin space design, the problem and defects can get completion before put into manufacture and use, save development time and cost, increase the efficiency of the submarine warfare.

DELMIA Virtual human Submarine cabin Spatial analysis

彭 飛(1975-)，男，副教授，博士。

U662

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