测量船驾驶室人机环境设计
船舶电气与通信
第5期总第156期
测量船驾驶室人机环境设计
吴宏1王亚森2方雄伟2
(1.海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室上海201913 ;
2.中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011 )
[摘要]船舶驾驶室是船舶航行指挥控制的核心部位，是一个高度人机交互的位置，对驾驶室进行人机环境设计是减轻驾 驶室人员压力、保障航行安全的重要手段。在驾驶室人机环境设计中，涉及视野视线、窗户、通道、设备外形等多种设计 变量，变量之间又存在相关联系。目前在国内尚缺乏对驾驶室人机环境设计流程的专门研究，文章在对国内外规范整理后, 归纳出一种驾驶室人机环境设计流程。并以测量船为例，使用GB/T 10000-88的中国成年人人体尺寸，进行了符合站姿和 坐姿使用条件的驾驶室布置设计、设备尺寸要求及工作环境设计。[关键词]驾驶室；人机环境；布置
[中图分类号]U 665.2 [文献标志码]A [文章编号]1001-9855 (2〇15) 05-0105-05
Man-machine-environment design of wheel-house for survey ship
WU hong 1 WANG Ya -sen 2 FANG Xiong -wei 2
(1. Naval M ilitary Representative Office in JiangNan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China;
2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract: The wheel-house is critic a l fo r operation , command and control o f a ship , w hich is a man-machine highly interactive department . It is im portant fo r the man -machine-environment design o f the wheel-house to reduce stress o f drivers and ensure sailing safety . The design process o f the man -machine-environment o f the wheel-house involves various design parameters , such as vision fie ld , window dimension , passage , equipment dim ension , etc . These parameters are related to each other . The specialized research o f the design procedure is currently lacking at home . This paper proposes a design w orkflow fo r the man -machine-environment o f the wheel-house after the summarization o f the corresponding regulations from home and abroad . The arrangement o f the wheel -house , equipm ent dim ension and w orking environm ent fo r a survey ship are designed to meet the requirem ents o f the sittin g and standing posture according to the human dimensions o f Chinese adults (G B 10000-88).
Keywords: wheel -house ; man -machine -environment ; arrangement
引言
船舶驾驶室是船舶航行指挥控制的核心部位， 集控制、导航、通讯和航行保障等功能于一体，是
复杂的人机环境系统[1]。驾驶室中设备髙度集中、 信息量大，航行过程中航行指挥控制人员长期处于 颠簸、摇摆的环境中，需要长时间关注大量信息, 密切注意海上危险情况，其工作压力很大。现有资
[收稿日期]2015-04-01 ;[修回日期]2015-04-27[作者简介]吴宏（1975-),男，工程师，研究方向：舰船电气设计。
王亚森（1986-),男，硕士，工程师，研究方向：船舶电气设计。 方雄伟（1977-),男，硕士，髙级工程师，研究方向：
舰船电气设计。
料表明，绝大多数的水上事故都与人为因素有关,而驾驶室合理的人机环境设计则与航行安全密切 相关。在对驾驶室的人机环境设计方面，20世纪 60年代末，英国某公司为提供船舶驾驶室良好的 视野并减少作业人员完成工作时的奔波劳碌，对 船舶驾驶室设备设计及设备布局进行改进。美国 同样在船舶人机工程领域的投入力度较大，不但 开展一系列船舶人机工程专项试验，而且颁布了 多项船舶人机工程设计标准和文件，主要侧重于 研究人机环境对船舶战斗力的影响。目前国内对 于人机环境工程领域也开展了大量工作，特别是 在汽车制造领域[24]和航天领域[4]，都对视野与 视线进行了深入研究。
本文以某测量船驾驶室设计过程为例，通过对 驾驶室人机环境设计规范进行整理，探讨驾驶室人 机环境设计流程和方法，并进行兼顾站姿和坐姿要 求的驾驶室人机环境设计。
1规范整理
驾驶室是一个高度人机交互的舱室，目前对于 船舶驾驶室的人机环境设计，国际海上安全公约的 第V章第15条（以下简称SOLAS V/15 )，规定船长 不小于55m，1998年7月1日后建造的船舶都需 要满足驾驶室可视范围要求。国际标准化组织制定 了ISO8468 : 2007《Ships marine technology-Ship’s bridge layout and associated equipment-Requirements and guidelines》（以下简称ISO8468 )，海事安全委员 制定了 MSC/Circ_982《Guidelines on ei^onomic criteria for bridge equipment and layout》（以下简称 MSC.982 )为SOLAS V/15提供规范支持，同时中国船级社《钢 制海船入级规范》中的“一人驾驶船舶补充规定”也对驾驶室的视野機提出规范要求。
通过对规范的整理，对于驾驶室的视野视线主 要有以下设计规范：
(1)最小前向视野
从驾驶位置上所见的海面视域，在所有吃水、纵倾和甲板货状态下，自船首前方至任何一舷1〇〇 范围内均不应有超过2倍船长或500 m(取其小者) 的遮挡。
(2)船周视野
应能从驾驶室内观察到任何方向上所有航行 所必需的物体，包括其他交通和导航标志。从这一 点考虑，当观察者在驾驶室一定范围内移动时应能 得到船舶周围360°的视野。
(3 )导航与操纵工作站位置水平视野
从导航与操纵工作站上所见的水平视域应延 伸为一个不小于225。的扇面，即从正前方至船舶 任一舷不小于22.5°的正横后方向。
(4)操舵位置水平视野
操舵位置水平视域范围应至少为从正前方向 两舷各延展60。。
(5)桥楼翼台视野
桥楼翼台的视野应从船首另一边45。开始穿过 正前方，再向后180°的范围内。
(6)盲区
由正横前方的货物、起货装置和其他障碍物带 来操纵和导航控制工作站海面视野的每一个盲区均 应不超过10°，盲区总和应不超过20°;而盲区之 间的视野应至少为5°，但在（1)最小视野的范围 内，每一单独的盲区应不超过5°〇
驾驶室的视野视线是保障航行安全的核心要 求，本文描述的驾驶室人机环境设计，主要按照以 上规范展开实现。
2设计步骤及流程
驾驶室人机环境设计是一个综合设计的过程，需要综合考虑驾驶室人员视野视线需求，对台位 布置、台位高度、窗户设计、通道空间等设计要 素进行综合设计，并确定驾控台尺寸和座椅等设 备要求。
在实际设计过程中，通常存在诸多关联变量，这些变量之间存在此消彼长的关系，例如：前窗通
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3驾驶室布置设计
道的加大往往会带来前向视野的下降；窗户结构强
度的加强会带来视野盲区的增大。这时，就需要在
满足视野视线需求的角度，对各设计要素进行平衡 协调。
驾驶室的人机环境设计过程一般是从船舶总 体参数和使命任务入手，确定驾驶室人员的视野视 线需求，进行驾驶室外形的初步设计，包括驾驶室 位置、桥楼翼台和窗户的初步设计。在完成驾驶室 初步外形设计的基础上从前向视野开始，考虑前窗 通道空间，在满足最小视野视线需求的基础上，完 成前向视野和通道的设计平衡，然后对盲区和视野 高度进行校核设计，如果视野视线不符合设计要求，就要对驾驶室外形设计进行修正，并对修正结果进 行重新校核设计，确定驾驶室设备的布置方案。随 后对驾驶室设备包括驾控台和座椅等设备进行设 计，最终形成驾驶室设计方案。
具体流程如图1所示。
图1驾驶室人机环境设计流程
本文以某测量船为例，对驾驶室视野视线设 计进行探讨。该船驾驶室前部设置驾控台，装备 ECDIS、CONNING、Auto pilot等综合船桥设备，驾驶室常备3名人员，分别是位于驾控台中线的操 舵人员、位于驾控台左侧的导航与操纵人员和位于 驾控台右侧的导航雷达操作人员。该船因其特殊的 任务需求，要求驾驶室内所有人员均需进行航行瞭 望，保障航行安全和使命任务的执行。因此要求驾 驶室主要人员均满足最小前向视野要求。在考虑船 周视野和桥楼翼台视野后设计驾驶室外形，得到形 成驾驶室外形的初步几何参数如表1所示。
表1某测量船驾驶室初步外形几何参数
几何参数数值
全长/m 6.0
总宽/m20.4
每?桥翼外伸/m 2.5
前窗下缘距地/m 1.2
本文讨论使用绘图法[5_6]进行驾驶室视野视线 初步设计，绘图在AutoCAD上进行，视野视线采 用近似绘图方法，驾驶室人员人体尺寸采用GB/T 10000-88《中国成年人人体尺寸》中尺寸，驾驶室 布置设计满足90%的男性成年人使用，即尺寸设 计参考第5到第95百分位数男性人体尺寸。成年 男性人体主要尺寸如表2所示。
表2成年人人体主要尺寸
人体尺寸项目
数值
第5百分位数第95百分位数身高/mm15831775立姿眼高/mm14741664坐姿距座面眼高/mm749847
坐姿小腿加足长/mm383448坐姿大腿厚/mm112
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在布置设计中需要着重解决前后向视野与前 舱壁观察通道之间的矛盾，在MSC.982中对于通 道尺寸规定如下：“从驾驶室前舱壁到任一控制台 之间通道间距不能小于800 mm，较适宜的通道间 距至少应1000 mm〇”
为减轻驾驶室人员工作强度，采取站姿坐姿相 结合的操纵方式，从兼顾站姿和坐姿的角度出发, 将坐姿视高与站姿视高设定基本一致。第5百分 位站姿眼高为1474 mm,站姿肘高为954 mm,控 制台台面前缘高度低于站姿肘高，选定为950 mm，控制台台面厚度为100mm，则通过坐姿计算座面 高度沁为：
^=950-151-100=699 (m m)
座面高度取整为700 mm，则通过计算求得第 5百分位数坐姿距地视高为1448 mm，第95百分 位坐姿距地视高为1546 mm，使用第5百分位坐 姿距地视高进行计算，在前后向视野与驾控台和驾 驶室前舱壁观察空间之间进行权衡，在满足视野要 求的情况下，尽量留出宽裕的通道，便于人员靠近 前窗观察，因此将前舱壁观察通道定为850 mm〇设i f绘图与垂直视野如图2所示。
图2驾驶室侧视设计绘图与垂直视野
驾控台高度不可影响前向视野，需小于1 300 mm，驾控台的面板高度为950 mm，座椅座 面高度为700 mm。通过视野视线设计可获得符合 人机工程的驾驶室设备尺寸要求。
本船主操舵位置位于船中线上，在主操舵位置的左侧设置导航与操纵工作站，在初步确定了驾控 台的位置之后，使用绘图法计算该船操舵位置水平 视野和视野盲区，如图3所示。
计算导航与操纵工作站人员视野和盲区，如图 4所示0
由于驾驶室甲板较高，甲板设备对于水平视野 影响较小，主要存在的视野盲区是由窗户结构造成。7JC平和垂直方向的视野及盲区如下页表3所示。
从计算结果可见，驾驶室各位置视野满足设计 要求，从而得到驾驶室初步布置方案。
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表3某测量船驾驶室视野计算结果
项目绘图计算值规范值
前向视野遮挡/m90矣180
操舵位置水平视野/(。）200彡120
导航和操纵工作站左舷
止荡后视野/(。）
23.0^22.5
正横方向最大盲区/( ° ) 4.1^5.0
正横方向盲区总和/( ° )18.6^20.0
站姿最小仰视角/(°)11.7—
坐姿最大俯视角/ (。） 6.1—
4驾驶室工作环境要求
对驾驶室的工作环境要求，主要包括气候、噪
声、振动、照明和处所安全，从规范中整理得到各
项工作环境要素设计要求见表4所示。
表4某测量船驾驶室工作环境要求
项目规范值来源
有效温度/尤14-30钢制海船 人级规范
温差/t矣5MSC.982湿度/(%)20 ?60MSG.982
噪声/dB彡65钢制海船 人级规范
振动不使驾驶室人员感到不舒服钢制海船 人级规范
照明应设有足够的照明，方便
人员完成桥楼任务
钢制海船
人级规范
处所安全不存在会给人员身体带来
伤害的危险
钢制海船
人级规范
在完成驾驶室布置设计之后，参照工作环境要
求，分项完成对驾驶室的整体人机环境设计，从而
获得驾驶室设计方案。
5结论
由使用绘图法计算的结果可以发现，本船驾驶
室充分考虑站姿和坐姿使用人机工程和视野视线需
求，使用人机环境设计流程，设计驾驶室的布置符
合视野视线要求。在设计过程中发现，对视野影响
最大的是驾驶室前窗尺寸，在船舶设计中应该充分
减小各窗户之间的支持结构，增大窗户面积，优化
驾驶室的视野视线。但是，由于绘图法仅能在一维
空间内进行视野视线测算，不能预测到立体空间内
由于窗户玻璃厚度、舱壁厚度带来的视野变化，因
此在今后的设计中，可以采用三维建模和实尺模型
的方式对视野视线进一步设计加以完善。
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