舰艇驾驶室设计验证及评价方法研究

孙建红



舰艇驾驶室设计验证及评价方法研究

孙建红

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

针对设备布置复杂、操作性要求高的舰艇驾驶室，本文提出了运用虚拟视景仿真和实尺模型技术来验证和评价其人机工程设计的方法。实践证明，这是一种有效的辅助设计手段，加快了其设计方案的决策过程。同时增强了未来使用方和建造方参与设计的机会，从而推进和改善了实船驾驶室人-机-环境的设计能力。

驾驶室 视景仿真 实尺模型 验证和评价

0 引言

舰艇驾驶室是海上执行航行指挥和操纵控制任务的区域，更是保障舰艇航行安全和作战机动的一个关键部位。各国海军均将设计完善、布局及战位合理、指挥流畅及美观、舒适的驾驶室视为舰艇现代化水平的重要标志之一。随着综合舰桥装备技术的不断发展，舰艇驾驶室已逐步发展为由舰员、舰桥设备和环境构成的一个复杂的人-机-环境动态系统，航行指挥人员的任务更多地转向航行管理和监控，从而对使用人员的要求也就越来越高。

然而，国内舰艇驾驶室主要侧重于功能设计，而在舰艇驾驶室设计的验证及评价技术方面，则主要依据设计人员常年积累的工程经验，通常只能模糊地定性分析，尚不能做到定量评估。以至在实船建造过程中，使用方对驾驶室工作环境、设备布局、操纵舒适性等诸多方面，不断提出改进需求。在国外综合舰桥技术的发展中，除功能外其人机工程技术同样受到高度重视，很早采用计算仿真、模型等多种技术定量分析和评估，并形成了相对严谨的标准规范。本文则尝试和探索运用三维视景仿真技术和实尺模型法相结合，在设计阶段能直观地对未来驾驶室人-机-环境设计进行验证和评价，从而实现从设计、验证、评价到反馈、优化的全过程。

1 舰艇驾驶室人机工程学设计及评价过程

本文将计算机仿真技术及实尺模型技术的优势相结合，基于舰艇总体研制进度，对驾驶室人-机-环境设计分阶段实施仿真技术和实尺模型手段进行验证、评价及优化工作。从而，在实船建造前，便可通过虚拟仿真设计及实尺模型直观对舰艇驾驶室工作环境、设备布局及人机工程等设计进行有效地验证和评价。

在评价过程中，未来的使用方根据固定的剧情在模型中执行任务，然后由设计者和使用方进行评价，将在很大程度上地指导后期实船的优化设计。图1为驾驶室设计验证和评价方法实施流程图，主要分为总体初步设计、三维虚拟仿真、实尺模型验证、用户体验和评价四个主要阶段。

图1 驾驶室设计验证和评价方法实施流程图

1.1 总体初步设计

驾驶室总体设计工作主要包括驾驶室船体结构、窗、通风和空调、舾装、电气、导航、通信等系统功能及总体布局等图纸初步设计。

1.2 三维虚拟仿真

在初步设计基础上，利用三维虚拟仿真技术对驾驶室设备布置和各战位设置进行实时视景仿真，建立人-机相互作用关系评价模型[1]。开展空间干涉检查、人机系统交互协调性仿真、虚拟驾驶室可视化及全视景漫游等工作，利用计算机手段初步提出的驾驶室人-机-环境优化设计的评价方案。

1.3 实尺模型验证

驾驶室实尺模型选用容易加工的全木质材料制作。由于舰艇驾驶室设计涉及专业学科较多，实尺模型则是提前暴露图纸中不能发现的各专业间协同问题，不断发现问题、解决问题、修改模型、优化设计，逐步完善驾驶室设计的研制过程。同时，运用人机工程学要求可对驾驶室总体设计的重要项目进行量化分析、验证和优化[2]。

2.4 用户评价

借助实尺模型的实体平台，可邀请未来使用方和船厂建造方对驾驶室设计进行体验和评价，充分听取使用方和建造方的意见。并结合使用方按照各种场景执行典型任务，测试他们的表现，定量分析评价驾驶室人-机-环境的设计参数，以指导后期驾驶室优化设计。

2 主要设计方法

2.1 基于视景仿真的舰艇虚拟驾驶室构建技术

随着计算机技术的发展，高速图形终端和工作站的出现，使得CAD／CAE／CAM等计算机辅助设计技术有效应用于现代舰艇产品设计过程中，实现舰艇产品定义信息的数字化、知识化，从而解决了舰艇研制周期长、阶段多、涉及专业种类复杂等问题[3]。本研究运用三维建模工具MultiGen Creator和3D Max、视景仿真开发环境Vega，在面向对象开发环境VC++6.0上，开发舰艇驾驶室实时视景人机交互式仿真系统。该仿真系统开发流程及软件间的数据交互关系见图2所示。

图2 仿真系统开发流程及软件间的数据交互关系

作为舰艇驾驶室设计验证及评价的关键步骤之一，本研究建立的舰艇驾驶室实时视景人机交互式仿真系统主要实现如下功能[4]：

1）工作环境展示

通过三维建模及实时视景仿真技术的应用开发，展示驾驶室外部自然环境、舱内装饰及色彩、空间尺寸、设备布局和操作战位，使得设计人员对整体设计效果一目了然。

2）基于人机工程的仿真评价体系

从人机工程学要求出发，通过建立仿真评价体系虚拟操作者执行任务来推理，评价驾驶室整体的设计效能。结合仿真评价体系对实时任务进行可视化、动态及人机作用分析，对其关键项目评价。如评价驾驶室设计的主要项目为：视野、布局合理性、座椅设置、驾控台结构设计、工作环境等[5-6]；并结合人机工程学相关标准，根据重要程度对重要项目，如视野、布局合理性等项目进行分值加权计算。如图3报表为某设计方案的人机工程评价结果。

图3 驾控台作业面高度设计评价结果报表

3）仿真设计的评价效能

借助驾驶室虚拟视景仿真系统的评价反馈信息，可对驾驶室视野、布局、人体舒适度等方面得到一定评价。即在初步设计阶段，可快速提出驾驶室人机工程设计优化的评价方案。然而，由于人机工程仿真技术刚处于起步阶段，尚还存在如人体模型数据不够全面、建立的人机工程评估数学模型还不够完善等问题。另外，对于部分联系人机分析因素的问题，如可视性、可达性、可读性等不能直观地在三维视景中体现，而实船建造中此类人-机-环境的综合矛盾显得较为突出。

2.2 实尺模型技术

针对舰艇驾驶室计算机仿真评估中存在的不足，对于设备布置复杂、操作性要求高的驾驶室，本文进一步提出实尺模型验证和评价方法。在舰艇建造之前，采用1：1的比例实尺模型法，用模型代替实物，立体、形象、直观地反映舱室内设备的全貌，验证驾驶室人-机-环境设计的有效性；并由设计、建造和使用三方在模型上对驾驶室设计进行体验与评价。

1）国外应用

早在20世纪60年代，美国海军就将该方法应用到驾驶室、作战指挥室等主要关键舱室设计中[7]。经查阅有关情报文献，日本16DDH型直升机母舰在船厂开工前，对舰上的主要操纵舱室建造了实尺模型，并开展了为期半年多的分析和评估[8]，如图4所示。

图4 日本16DDH型直升机母舰实尺模型实物

2）技术特点

实尺模型技术主要用于对原始方案讨论、设计表现、设计验证和工艺验证、体验和评价。模型制作可提供一个立体的驾驶室形态，在此基础上确定方案或进一步推敲其设计的优缺点。该方法比较直观，可以在最接近真实的情况下评估驾驶室设计方案的人机工程要素，也可为船厂建造施工提供工艺分析的工具。

利用该平台，同时可使设计人员和建造方对设计情况进行全面验证，在设计阶段充分听取使用方的合理化建议，使得该实尺模型在设计阶段最大限度地发挥作用，从而有效推进实船驾驶室人-机-环境设计能力。因而，实尺模型制作与表现，在设计阶段发挥着重要作用，其主要优势如下：

1）优化设计：本方法采用容易加工的材料制作，便于快速做出调整和修改方案。在设计过程的限制很少，为了达到最优设计，可以在设计阶段尝试和验证新方案的可行性。

2）减少风险：多专业设计协同问题很快就可以浮现出来，然而从图纸上却不容易暴露。

3）参与性：在设计过程中，增强了设计者、建造者和使用者三方之间的互动和交流。

4）减少成本：对于驾驶室人-机-环境设计的设计效能，该方法使得设计决策过程更快，减少了实船建造过程中反复修改次数，成本更低。

在舰艇总体设计过程中，实尺模型方法具有提高产品的设计质量、减少设计风险等优点。但是，实尺模型制作是一个不断修改、优化、完善的过程，其制作周期长，需付出一定经济代价。因而，该方法在总体设计仅限于舰艇上局部的关键部位舱室，开展精细化设计使用。

3 工程应用

某舰将首次应用综合舰桥技术。为使驾驶室设计更好地适应新技术、新装备的应用，设计人员中对该舰驾驶室人-机-环境设计方法开展了重点研究，并探索应用了虚拟视景仿真和实尺模型技术相结合的全新评价手段。

在设计初期，仿真系统技术的应用，较为真实反映驾驶室“人-机-环境”的相互作用关系；在虚拟环境下舰艇驾驶室人机工程设计的推理与评价，其评价结果为设计人员提供改进和优化设计的辅助决策支持。此后，在实尺模型技术应用过程中，结合使用方、船厂建造方等意见，驾驶室从船体结构视野遮挡、驾控台台体结构、总体布局、通风管路及舾装效果等方面不同程度进行改进，很大程度推动了人机工程设计水平。

4 结论

通过应用三维视景仿真和实尺模型相结合方法，充分表现和推敲设计方案，经过修改、完善，验证和评价的设计过程，最终获得驾驶室人-机-环境最优设计方案。实践证明，该驾驶室设计验证和评价方法加快了设计进程，也直观地获得最优设计，其结果与实践也被证明是一致的。但是目前三维仿真和实尺模型法本身还存在一些缺陷，如在三维仿真中对分析与评价人机工程算法还不够完善，实尺模型提供仅为静态环境下的设计验证，今后的研究工作中尚需进一步改进。因而，总体设计人员正在努力尝试将虚拟环境模型和实尺模型相配套技术，即混合实体模型。即通过制作一个简易的驾驶室木质原型，将它与透过头盔看到的舰艇虚拟原型相匹配，用户可以站着真实的驾驶室模型来评价驾驶室人机工程和舰艇周围的虚拟景观。

[1] 梁永恩, 邹勇, 丁方颐. Creator／Vega及其在船舶航行视景仿真系统中的应用[J]. 应用科技，2005，32(4)：37~39.

[2] 刘昭昆. 采用虚拟环境技术评价船桥设计[J]. 舰艇导航, 2005, (1): 40~44.

[3] 邵开文, 马运义. 舰船技术与设计概论[M]．北京：国防工业出版社, 2005. 8.

[4] 孙建红, 陈森利. 基于视景仿真的舰艇驾驶室虚拟设计方法研究[J]. 船海工程, 2011, (3):77~79.

[5] 龚九功. 舰艇桥楼设计的人机工程要求[J]. 国外舰艇工程, 2005, (1): 9~11, 25.

[6] 茅云生, 黄金锋, 陈丹东, 周永清, 卢笑庆. 人机工程理论在潜艇设计中的应用研究[J]. 造船技术, 2004, 2(258)：26~29.

[7] 朱英富. 水面舰船设计新技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2004. 9.

[8] 俞东海, 田小川. 世界现役航空母舰[J]. 舰艇知识, 2007年增刊.

Research on the Verifying and Evaluating Method for Ship Pilothouse Design

Sun Jianhong

（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

U674

A

1003-4862（2014）02-0047-04

2013-07-23

孙建红（1976-），女，高级工程师。研究方向：船舶电气。