刁愛民

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采用人機(jī)工程學(xué)的船用電氣控制柜設(shè)計(jì)

刁愛民

(海軍工程大學(xué)科研部，武漢 430033)

本文通過對人機(jī)工程設(shè)計(jì)理論的研究，提出了人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于船用電氣控制柜的依據(jù)，對船用電氣控制柜進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，以期船用電氣控制柜有更好的突破。

船用電氣控制柜 人機(jī)工程 CAD

0 引言

現(xiàn)今，船用電氣控制柜的設(shè)計(jì)只是將各種斷路器、接觸器及繼電器等傳統(tǒng)低壓電氣器件與PLC（可編程邏輯控制器）、變頻器、觸摸屏等現(xiàn)代智能控制器件的組合安裝，很少會在設(shè)計(jì)船用電氣控制柜時采用人機(jī)工程學(xué)[1]。根據(jù)現(xiàn)有對船用電機(jī)控制柜的設(shè)計(jì)研究，采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)船用電氣控制柜領(lǐng)域還屬于空白。

1 設(shè)計(jì)原則

原則1：以人為中心，圖1是以人為中心的人機(jī)環(huán)境關(guān)系圖。船用電氣控制柜在設(shè)計(jì)的時候需要對與人相關(guān)的各種要素綜合考慮，然后統(tǒng)一協(xié)調(diào)各要素之間的關(guān)系。對機(jī)器與環(huán)境的設(shè)計(jì)需要以人為中心，最重要的是要考慮人的生理特性，使機(jī)器與環(huán)境讓人舒適，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要考慮到人體生理、心理等限制，在操作省力、方便與舒適的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化、細(xì)化和高效率。然后要考慮人的心理特點(diǎn)以及其心理需求，如感知、認(rèn)識能力和實(shí)現(xiàn)自我、相互尊重的需要等；最后要考慮到人的社會性，人生活在社會里，其工作效率不僅取決于其自身能力的高低，同時還受到集體的進(jìn)取精神、協(xié)作精神等社會因素的影響。

原則2：合理的人機(jī)功能分配的原則。人機(jī)功能合理分配的核心是根據(jù)人、機(jī)各自特點(diǎn)進(jìn)行分配，從表1可清晰看出，人、機(jī)在功能、特點(diǎn)等方面存在明顯差異，要按照易機(jī)則機(jī)、宜人則人的原則合理分配人、機(jī)任務(wù)，以達(dá)到最佳的人機(jī)配合。把那些工作過于復(fù)雜，且單調(diào)、持續(xù)又不間歇，又極不適合人去完成的如對速度、精確度監(jiān)視與操作的任務(wù)由機(jī)器來完成，而那些需要人判斷、預(yù)測，而要求精度不是很高，過于復(fù)雜機(jī)器難以勝任的工作交與人去做。

原則3：安全第一，效率其次的原則。在設(shè)計(jì)的論證階段要牢固樹立人是最寶貴的價值觀念，船用電氣控制柜的可靠性和安全性是必須達(dá)到的指標(biāo)。

2 設(shè)計(jì)流程

人機(jī)設(shè)計(jì)基本上不可能經(jīng)過一次設(shè)計(jì)就能達(dá)到最佳人機(jī)協(xié)調(diào)，所以檢驗(yàn)驗(yàn)證是其設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，船用電氣控制柜的人機(jī)工程設(shè)計(jì)的過程圖如圖2，其表明：在對船用電氣控制柜設(shè)計(jì)的每個階段都需要對其進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證，然后根據(jù)檢驗(yàn)驗(yàn)證反饋的結(jié)果再進(jìn)行計(jì)。

3 整體設(shè)計(jì)

采用人機(jī)工程學(xué)的船用電氣控制柜設(shè)計(jì)是按照人機(jī)工程學(xué)的要求把控制柜的顯示器以及控制器布置在人體舒適合理的作業(yè)范圍內(nèi)，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了使操作者能夠方便和舒適地進(jìn)行操作，從而降低操作者的工作強(qiáng)度以及減緩疲勞，減少誤操作，提高工作效率。柜式控制柜的操作臺面較大，視野效果也很好，適用于船上需立姿操作的要求，同時船上工作環(huán)境較小，需要經(jīng)常走動進(jìn)行觀察，所以船用電氣控制柜采用柜式控制柜。采用人機(jī)工程設(shè)計(jì)的船用電氣控制柜就是對控制柜的柜面高度、寬度和操作區(qū)域等基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保操作人員在長時間工作的情況下還能夠以良好的、舒適的姿勢下進(jìn)行觀察和操作，其設(shè)計(jì)的前提需要客觀地掌握操作人員以及控制柜的尺寸。

4 控制面板的設(shè)計(jì)

控制面板由液晶顯示器和控制器組合而成，其也可稱為人機(jī)界面，是操作者與機(jī)器溝通的媒介。

4.1操作區(qū)域的劃定

操作區(qū)域指的是操作者進(jìn)行作業(yè)時，手和腳在水平和垂直范圍內(nèi)能夠觸及的地方。對操作區(qū)域的研究離不開人肢體的運(yùn)動，其中手臂、腿、腳的運(yùn)動范圍直觀重要，其與人機(jī)界面中控制器與顯示器布局密切相關(guān)[2,3]。

當(dāng)人在某處不動時，為了維持身體的平衡，這個時候上身以及手臂的活動空間會受到限制。圖3中 A～D 分別代表站立不動、頭部不動自髖關(guān)節(jié)起前彎與側(cè)轉(zhuǎn)、上身不動時手臂動、上身和手臂一起運(yùn)動的四種情形的活動空間。

在考慮25 mm的鞋跟高度后，以第50百分位男性尺寸為基準(zhǔn)，參考控制中心人機(jī)工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則第3部分：手可及范圍與操作區(qū)劃分。將船用控制柜的操作區(qū)劃分為精確、舒適和有效操作區(qū)，如圖4，各個區(qū)域的范圍以及人體活動的特征可見表2。

4.2視覺區(qū)域劃定

視覺區(qū)域指的是人眼可以看見的區(qū)域，分為靜視野、注視野和動視野，早進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)的工程設(shè)計(jì)時常常以靜視野作為設(shè)計(jì)依據(jù)。若將船用電氣控制柜劃分為最佳視區(qū)、良好視區(qū)、有效視區(qū)和最大視區(qū)，各個視區(qū)的范圍、辨識效果以及顯示器布置相見表3。

4.3控制面板布局

對控制面板的設(shè)計(jì)要考慮操作者的人體功能特點(diǎn)，特別是要注意具有內(nèi)在聯(lián)系的顯示裝置和操作裝置的布置，使它們符合操作者的活動邏輯。首先是對水平方向進(jìn)行設(shè)計(jì)再兼顧垂直的設(shè)計(jì)，其次再按照左上限-右上限-左下限-右下限的次序布置顯示器。最后顯示器和控制器顏色的選擇要從中心向外按照綠、紅、藍(lán)、黃的次序布置。

5 顯示器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)顯示裝置要符合人機(jī)工程學(xué)的要求，需要在操作者能看顯示器時，滿足其對角度、字符的大小、眼睛輕松轉(zhuǎn)動范圍及眼睛最大轉(zhuǎn)動范圍等視覺特征的需求；信號和視覺器件的空間布置應(yīng)按所顯示的信息功能、重要性以及使用頻率進(jìn)行安排，保證其清晰易辨。在強(qiáng)度、形狀、大小、對比度、顯著性、信噪比等方面，考慮信號顯示的變化方向、速率需要和主信息源變化的方向和速率保持一致；顯示器和其顯示內(nèi)容以及方式的設(shè)計(jì)需要使顯示的信息清晰易懂。這樣可以減少交互的時間，提高人-機(jī)交互效率；數(shù)字顯示和文字顯示都應(yīng)簡單明了、一致和符合使用慣例，容易被操縱者察覺和理解。

6 控制器設(shè)計(jì)

按照操作力的來源分類，控制器可以分為手動控制器、腳動控制器，常用的控制器可以有按鈕、旋鈕、操縱桿和腳踏板等方式。對手動控制器的設(shè)計(jì)主要是對其形狀和位置的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，形狀的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，將會影響到操作者的記憶和操作的感受，對操作的正確性和準(zhǔn)確性以及工作的效率有著直接的聯(lián)系。對腳動控制器的設(shè)計(jì)需要以人體力學(xué)和人體解剖學(xué)為基礎(chǔ)，再結(jié)合人體舒適姿勢的研究成果而進(jìn)行的，從工效學(xué)和安全的角度對踏板的形狀、尺寸大小、行程和角度，以及腳動控制器所安裝的位置是否適于操作員腳的操作，要避免將控制器布置在不易于施力踩踏或操作不適的位置。

根據(jù)文獻(xiàn)[7, 9]設(shè)計(jì)出的船用電氣控制柜控制器基本尺寸如表4及各相鄰控制元件內(nèi)側(cè)間隔的操作方式和適用間隔如表5。

7 仿真與總結(jié)

通過對船用電氣控制柜各個部分的設(shè)計(jì)后使用三維CAD人體模型仿真軟件CATIA對采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的船用電氣控制柜進(jìn)行仿真，將不同性別和不同百分位的人體模型置于該仿真環(huán)境中后，得到了不同人體模型的各個動作姿態(tài)的舒適型仿真評分報(bào)告，其結(jié)果如表6。

仿真的最高分?jǐn)?shù)為 100 分，100～90分的范圍可以歸類到很舒適，90～80分的范圍屬于舒適，結(jié)合上表的分?jǐn)?shù)，可所設(shè)計(jì)船用電氣控制柜的設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)的要求。

[1] William H. Cushman. Ergonomic data for console design[M]. Ergonomic Data for equipment Design, 1984: 145-157.

[2] 孫守遷，唐明，潘云鶴. 面向人機(jī)工程的布局設(shè)計(jì)方法的研究[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 12(11): 870-872.

[3] H.P.Ruhman. Basic data for the design of consoles[M]. Ergonomic data for equipment design, 1984: 115-144.

[4] Willian F. H Purcell著，金健，周光璉編譯. 工農(nóng)業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)中的人體因素[J]. 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1987, 7(2) : 107-124.

[5] 朱祖祥. 工程心理學(xué)[M]. 華東師范大學(xué)出版社, 1990.

[6] 阮寶湘, 邵祥華編著. 工業(yè)設(shè)計(jì)人機(jī)工程[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[7] GB/T16251-1996工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人類工效學(xué)原則[S]. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版, 1996.

Design of Marine Electrical Control Cabinet With Ergonomic Data

Diao Aimin

(Office of Research & Development, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China)

By studying the ergonomical design theory, this paper proposes the theoretical foundation about ergonomical design for an electric control cabinet, and applies this theory to the electric control cabinet design and simulation, hopes to make a breakthrough of ergonomical research for the electric control cabinet.

marine electrical control cabinet; ergonomics; CAD

TM641

A

1003-4862（2015）03-0044-04

2015-01-02

刁愛民( 1966-)，男，高級工程師。研究方向：艦船裝備維修保障研究。