基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置方法

摘要

本发明公开了一种基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置方法，基于人因工程设计原理对舰舶指挥舱室主要设备和空间进行分类建模封装后，载入设计参数和选择相应型号便可自动配置相应的布局结构，并进行迭代优化设计和计算，使得指挥层级和指挥关系的人因考虑和设备考虑同等关联到优化迭代过程，从而实现基于人因工程实现舰舶指挥舱室主要设备的快速布置，提高舱室内人员的作业能力与作业效率，并减少未来使用阶段的改装成本，突破了传统绘制软件绘图设计工作中的局限性，提高了设计的效率和自动化程度，为舰舶指挥舱室主要设备和空间的设计提供了一套标准化的设计方法。

说明书

技术领域

本发明涉及本发明属于船舶总体设计领域，特别涉及基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置和设计方法。

背景技术

船舶指挥舱室是船舶实施指挥相关作业区域的总称。船舶指挥舱室内的设备主要包括显控台、大屏显示设备、机柜设备、指挥桌/会商桌、舱室附属设备(如空调等)。在以往的船舶舱室布置设计中,设计人员通常根据一定的设计准则和设计经验，将各种设备合理地布置在一定的位置上，以满足其功能要求。

同时，在传统设计方式上，仅仅从空间布局本身考虑容纳性需求，而没有较好的考虑人的因素和需求效能的优先级。而基于指挥舱室的特殊作用，对人指令和动作及周边配合的优先级以及协调配合是非常重要的因素，现有设计方法没有把人的因素和装备放在同等重要的地位从人机系统整体效能最佳的角度来优化装备设计，无法适应紧急情况如战时需求。

在具体的船舶指挥舱室设计方案生成方式上，目前在进行指挥舱室设计时仍然选择的是用绘图软件直接根据数据一点点绘制。在每一个区域均需要根据舱室所在甲板外边框确定其边界，并根据船舶舱室所具备的功能在不同的位置划分不同功能的区域，然后在所设定的功能区域划分合适的空间和设备。最后当性能计算完毕，再根据布置图进行绘制。这种传统方案设计过程中，一旦发现舱室的划分不合理、设备布置有问题等等便需要布置图的重新绘制，缺少一种标准化的设计方法。这种方法会让设计人员造成大量的工作浪费，降低了舱室设计人员的积极性，浪费了大量验证和比较时间。

发明内容

本发明根据上述提出的技术问题，而提供一种基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置方法。实现指挥舱室布置方案的快速迭代优化设计，提高舱室内人员的作业能力与作业效率，并减少未来使用阶段的改装成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、在绘图软件上根据指挥关系与指挥层级、舱室的基本功能、舱室内典型台位职责、舱室形状尺寸、舱室硬件设备清单五个门类，分别对各门类的组成构件进行建模形成基于布局结构或设备的样本模块；

S2、将各样本模块封装为程序集；

S3、基于人因工程对全部样本模块的规格和位置进行搭配组合，生成多组合理的舰舶指挥舱室布置结构作为预设布置方案；

S4、定义并预设不同预设布置方案的人因工程效用值范围；

S5、按照台位关系设计、舱室功能区设计、设备布局样式设计、舱室功能空间设计的顺序依次进行迭代优化设计；

S6、通过迭代优化设计，将符合预设人因工程效用值范围的预设布置方案选定为目标舰舶指挥舱室布置方案。

进一步地，所述步骤S3中，所述预设布置方案至少包括：

指挥决策区/一级指挥区，用于进行中央核心决策与指挥活动的区域；

二级指挥区，用于辅助指挥决策区/一级指挥区，并进行次要决策和指挥的活动区域；

辅助指挥区，包括航海、气象水文、通信指挥管理、后勤综合保障功能区域；辅助设备区，设置机柜、储物空间。

进一步地，所述步骤S5中，台位关系设计包括：

确定舱室内布置设备清单，包括数量完备性参数与种类完备性参数；

确定基于指挥流程的台位关系设计参数，按照关系紧密的多级指挥员和多台位之间的集中或者靠近布置划分不同层级；

确定设备型号；基于各台位职责和功能选择何种型谱的显控台及设备。

进一步地，所述步骤S5中，舱室功能区设计包括如下步骤：

S511、划分指挥舱室的各指挥区：指挥舱室中心属于台位较为集中的舱室，其中的设备按功能分区布置；

S512、按照分区的重要性对各个分区进行编号并排序；

S513、将舱室功能区按优先顺序进行初步布置；其中优先顺序如下：中型舱室长型＞大型舱室无大屏＞中型舱室宽型＞大型舱室有大屏；或者优先顺序如下：指挥决策区/一级指挥区＞二级指挥区＞辅助指挥区＞辅助设备区。

S514、从舱室出入口位置、业务流程、功能区之间协同交互、共用设备的操作使用等角度对功能区规划进行核查，优化调整各功能分区尺寸与位置。

进一步地，所述步骤S5中设备布局样式设计环节包括显控台布局结构步骤：

按照布置显示大屏、操作共用设备、沟通交流、空间利用率、避免噪声干扰、未来加装设备的优先等级，从直线布局、平行布局、分散布局、集中布局、折线布局方式中确定显控台布局结构；各优先等级分别包括：优、良、中。

进一步地，所述步骤S5中设备布局样式设计环节包括基于人因工程可视性，从人员视域、屏幕观察角、屏幕观察距离确定指挥决策区/一级指挥区布局结构；

S521、将大屏区域与指挥员的最大眼动视域重合得到最大眼动视域重合距离L1，会商桌或显控台相对大屏的距离不应小于L1；

S522、调整会商桌或指挥控制台相对大屏的距离，使指挥员刚好处于大屏幕观察角合适范围内可得到观察角合适距离L2会商桌或指挥控制台相对大屏的距离不应小于L2；

S523、依据显示大屏主要信息的字符高度，计算适合指挥人员判读信息的视距L，其中，

S524、兼顾L1、L2、L三项尺寸要求，确定大屏幕与指挥员相对距离；当舱室内大屏数量较多时，减少L2距离采用环形布置屏幕方式。

进一步地，所述步骤S5中舱室功能空间设计包括通行空间设计步骤：

S531、分析舱室形状、尺寸、出入口特点，选连通舱室外部主通道的出入口作为主要出入口，连接相邻舱室的出入口作为次要出入口；

S532、若舱室内存在多个主要出入口，则选择连接两主要出入口的较短路线作为舱室主通道流线；若存在一个主要出入口和若干次要出入口，从主要出入口向次要出入口连线，作为主通道流线；在绘制完舱室内主通道流线后对舱室进行核查，确保舱室是否至少各有1条横向主通道与纵向主通道；

S533、在S532步骤基础上补充次要通道及功能区内部通道，使通行空间贯穿所有台位；

S534、对舱室内各处通道尺寸进行核查，主通道应满足双人通行，次要通道和功能区内部通道需满足单人通行；

S535、设计舱室在应急情况下的舱室通道。

进一步地，所述步骤S5中舱室功能空间设计包括结合人因工程方法进行的维修空间设计、预留空间设计、特殊设备的可达性设计、指挥舱室座椅高度设计。

进一步地，所述步骤S5在进行座椅高度设计时，按照以下步骤进行：

S541、根据是否需要查看共用显示设备，考虑显控台显示器上缘高度；

S542、当存在视野遮挡且难以优化显控台/显示器尺寸时，根据显控台显示设备布局与尺寸确定适宜的设计眼位，参考最新人体尺寸数据中的坐姿眼高计算座椅面距地面高度；若座椅面距地面的高度高于建议值则考虑配置脚踏，座椅面距脚踏高度根据腘高+设计修正量计算；当存在视野遮挡时，根据最新人体尺寸数据中的腘高+设计修正量计算座椅面距地面高度；

S543、考虑最新人体尺寸数据或参考标准，设计座椅扶手高度和工作面距地面/脚踏高度；

S544、确认工作面上布置的控制设备与人员的距离在400～700mm范围内，便于人员的操作使用；

S545、核查当前控制台容膝高度是否满足，若不满足优化控制台下方空间，若因此调整了工作面距地面高度，则应从S542步开始进行循环迭代，直至各尺寸均满足要求。

进一步地，所述步骤S6中，根据预设的人因工程效用值范围将计算获得的布局结构评判为布置合理或布置不合理，从其中至少一副评判为布置合理的设计方案作为后续处理的设计图。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明基于人因工程设计原理对舰舶指挥舱室主要设备和空间进行分类建模封装后，载入设计参数和选择相应型号便可自动配置相应的布局结构，并进行迭代优化设计和计算，使得指挥层级和指挥关系的人因考虑和设备考虑同等关联到优化迭代过程，从而实现基于人因工程实现舰舶指挥舱室主要设备的快速布置，提高舱室内人员的作业能力与作业效率，并减少未来使用阶段的改装成本。

同时突破了传统绘制软件绘图设计工作中的局限性，提高了设计的效率和自动化程度，为舰舶指挥舱室主要设备和空间的设计提供了一套标准化的设计方法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置方法中不同类型舱室功能区布置优先顺序示意图。

图2为本发明几种指挥舱室显控台结构图，其中(1)～(5)依次为直线布局、平行布局、分散布局、集中布局、折线布局。

图3本发明从视域考虑大屏布局结构示意图。

图4本发明从屏幕观察角考虑大屏布局结构图。

图5本发明从视距角度考虑大屏布局结构图。

图6本发明一种减少L2尺寸需求的布局方法。

图7本发明舱室通道流线规划示意图。

图8本发明舱室通道尺寸要求示意图。

图9本发明的舱室维修空间定义结构示意图。

图10本发明具体实施方式中某指挥舱室布局(方案一)优化建议示意图。

图11本发明具体实施方式中某指挥舱室布局(方案二)优化建议示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，根据本发明实施的基于人因工程的舰舶指挥舱室主要设备快速布置方法共包括6个阶段，分别为：任务需求整理、台位关系设计、舱室功能区设计、设备布局样式设计、舱室功能空间设计、设计迭代优化。

1.1任务需求整理

基于模块封装选取，本阶段需要整理的资料包括：系统指挥关系与指挥层级、舱室的基本功能、舱室内典型台位的基本职责、舱室形状尺寸、舱室硬件设备清单等。指挥关系与台位职责相关资料是开展舱室功能区设计与台位关系设计的基础。舱室形状尺寸与舱室硬件设备清单是开展设备布局样式设计与舱室功能空间设计工作的依据。

1.2台位关系设计

本阶段根据设计的指挥功能和流程，分析明确舱室内布置的设备是否完备，哪些台位需要相邻布局在一起，各台位选用哪种型号的设备。

1)舱室设备功能完备性核查

舱室设备功能完备性核查包括数量完备性与种类完备性两个方面。数量完备性主要是要分析舱室内布置的设备数量是否可以支撑各系统实现相关功能和作业任务。种类完备性则需要考虑舱室内的设备类型有哪些。

2)基于指挥流程的台位关系设计

指挥舱室内的主要设备是船舶各指挥系统设备，指挥系统是支持多人协同作业的复杂电子信息系统，在指挥过程中，需要多级指挥员和多台位之间进行频繁的信息交互，良好的设备布局方式可以提升船员的信息交流质量，避免不必要的干扰，最终提升指挥/控制系统的多人协同效率。因此需要将关系紧密的台位设备集中或者靠近布置，有利于相互关联台位人员的便捷沟通。

3)设备选型，基于台位职责和相应的台位功能，确定选择何种型谱的显控台及设备。

1.3舱室功能区设计

本阶段对指挥舱室功能区的设计可依据下列步骤进行：

1)根据上一阶段的资料开展分析；

2)划分指挥舱室的各指挥区：指挥舱室中心属于台位较为集中的舱室，其设备一般按功能分区布置；

3)按照分区的重要性对各个分区进行排序；

4)参考图1中的序号，将舱室功能区按优先顺序进行初步布置；

5)优化调整功能分区尺寸与位置。

有台位需观察操作且与船舶航向、舷位有关的设备尽可能布置在舱室前壁，使台位人员面向船艏，便于使用。其余有台位操作的设备，宜布置在舱室前壁，必要时也可以布置于后壁。

以某指挥室为例，区域可划分及布局优先级顺序为：1、指挥决策区/一级指挥区、2、二级指挥区、3、辅助指挥区(航海、气象水文、通信指挥管理、后勤等综合保障)、4、辅助设备区(机柜、储物)等。

在完成舱室功能分区初步布置后，从舱室出入口位置、业务流程、功能区之间协同交互、共用设备的操作使用等角度对功能区规划进行核查，分析舱室功能分区的合理性，并初步规划各分区的尺寸与位置。

1.4设备布局样式设计

在规划完成指挥舱室的功能分区后，按优先级顺序依次对各个分区的设备布局样式开展设备样式设计。指挥舱室的主要设备包括显控台、指挥桌/会商桌和显示大屏。

针对不同区域的特点需要采用不同的设计方法。对于一般功能区，主要由各型显控台组成且各台位之间存在协同交互需求，布局样式需要从舱室空间与人员交互的角度开展工作。此外，影响指挥决策区/一级指挥区的布局因素关键是大屏的可视性，需要通过人因工程分析方法设计区域的布局样式。

1)显控台布局方法

显控台的布局工作旨在通过设计台位之间的相对位置关系，使舱室可用空间、人员间沟通交互、舱室设备使用等需求实现优化配置。

对于指挥舱室的显控台布局可依据下列步骤进行：

a)基于相关任务需求资料开展分析；

b)对需要布局的功能区从布置显示大屏、操作共用设备、沟通交流、空间利用率、避免噪声干扰、未来加装设备等维度开展评估；

c)参照表1的选择标准和图2的对应布局样式结构图初步选取适用的布局样式；

d)具体功能区的尺寸特点对具体布局方案进行调整；

表1指挥舱室显控台选取标准

2)指挥决策区/一级指挥区布局方法

对于指挥室的指挥决策区/一级指挥区通常由会商桌、显控台和显示大屏组成，指挥人员使用显示大屏的需求是影响指挥决策区/一级指挥区布局的关键。可采用基于人因工程可视性评估方法，从人员视域、屏幕观察角、屏幕观察距离等方面开展优化设计，确定相关设备的布局方案。

显示大屏设备一般应居中正对指挥人员布置，设计工作的关键是依据人眼观察信息的特性，确定大屏幕与指挥员的相对距离。可依据下列步骤进行：

a)根据图3所示的方法作图，将大屏区域与指挥员的最大眼动视域重合可得到L1，会商桌或显控台相对大屏的距离不应小于L1。

b)根据图4所示方法作图，调整会商桌或指挥控制台相对大屏的距离，使指挥人员刚好处于大屏幕观察角合适范围内可得到L2会商桌或指挥控制台相对大屏的距离不应小于L2。

c)从方便人员判读信息的角度开展分析，依据显示大屏主要信息的字符高度，计算适合指挥人员判读信息的视距L。相关尺寸示意图及视距L的计算公式如图5。其中a角度最小取16'，最优取21'，最大取24'；h为屏幕信息的字符高度，L为人员可以判读信息的视距。

d)最后，通过优化相关设备的布局，兼顾L1、L2、L三项尺寸要求，分析大屏幕与指挥员相对距离的建议值，进而得出可得到首长指挥区的初步布局方案。

当舱室内大屏数量较多时，可采取图6所示方式布置大屏，以减少L2尺寸要求。

e)在完成初步的布局方案后，还需要综合考虑舱室可用空间的特点、相邻功能区观察大屏的需求、大屏的安装方式与安装要求等因素，对布局方案进行调整。

当大屏的安装高度可调时，应使大屏的安装高度与人员坐姿眼高重合。若可能存在视野遮挡，则应尽可能调整大屏的安装高度，消除视野遮挡。

1.5舱室功能空间设计

在完成前序工作后可以得到满足作业任务特点的指挥舱室的布局方案。在此基础上结合人因工程方法，从舱室的通行需求、设备的维护与维修需求、未来舱室加改装需求、特定设备的可达性需求等角度，对舱室内的功能空间进行优化设计。

1)通行空间

舱室内通行空间的规划可依据下列步骤进行：

a)分析舱室形状、尺寸、出入口特点，选连通舱室外部主通道的出入口作为主要出入口(图7中深色出入口)，连接相邻舱室的出入口作为次要出入口(图7中浅色出入口)。

b)若舱室内存在多个主要深色箭头)；若存在一个主要出入口和若干次要出入口，从主要出入口向次要出入口连线，作为主通道流线；在绘制完舱室内主通道流线后对舱室进行核查，确保舱室是否至少各有1条横向主通道与纵向主通道。在规划主通道流线时应避免从功能区中间穿过，例如应避免在指挥员与大屏之间规划主通道；

c)在上一步骤基础上补充次要通道(图7中浅色箭头)及功能区内部通道，使通行空间贯穿所有台位。

d)参照图8尺寸，对舱室内各处通道尺寸进行核查，其中主通道应满足双人通行(1220mm)，次要通道和功能区内部通道需满足单人通行(760mm)。

e)对于舱室在应急情况下，需要视情对舱室通道进行冗余设计。满足安全要求。

2)维修空间

从设备维修空间的角度对舱室空间进行核查，分析每种设备的维修部位与维修姿势，对于显控台类设备以正面维修为主。对于维修空间的规定如图8所示。当需要蹲姿维修设备时R建议取760mm，当仅需要站姿维修时R建议取700mm。

在完成维修空间的核查后，需要考虑人员前往维修空间所需的维修通道尺寸，维修通道应至少满足人员侧身通过，即不小于350mm。

3)预留空间

对于设计阶段的指挥舱室应预留一定的舱室空间，以满足部署储物设施、损管设施、空调、加改装显控台等方面的需求。

应优先考虑加改装显控台的预留舱室空间，并考虑通行、维修、沟通交互等需求。对于其余辅助设备均匀的部署在舱室的剩余空间中，同时避免影响现有的通道与维修空间。对于空调的布局还应考虑利于舱室散热，空调的朝向应避免直吹人体。

4)特殊设备的可达性设计

对于部分舱室特殊设备的布局还应考虑人员的可达性，如触控屏、配电箱、开关等设备设施的安装高度，不应超过人员的操作域。相关尺寸应满足“GJB/Z131-2002军事装备和设施的人机工程手册”中5.7.2.5条目中的站姿工作空间推荐尺寸要求。

5)指挥舱室座椅高度设计方法

指挥舱室座椅设计原则一般为：

a)座椅的设计必须符合人体尺寸测量数据，军用舰艇可参考最新的中国成年男性人体尺寸作为设计参考依据。

b)座椅应与船舶指挥舱室控制台形成紧密的系统。座椅的设计应与控制器和显示器相匹配，确保人员能够安全高效的完成所在位置的各种作业。

c)座椅的设计应可以为用户提供舒适的支撑，帮助用户保持自然的姿态，优化坐垫的重力分布，减轻脊柱、腰部和背部的疲劳。

d)若人员需要在高于460mm的座位上或在工作面高于760mm的情况下长时间工作，则应设置脚踏板。使用脚踏时应核查控制台下方的容膝空间是否满足要求。

表2座椅主要尺寸高度参考值

在进行指挥舱室显控台及座椅设计优化时，可以按照以下流程开展。

a)根据是否需要查看共用显示设备，考虑显控台显示器上缘高度。

b)当存在视野遮挡且难以优化显控台/显示器尺寸时，根据显控台显示设备布局与尺寸确定适宜的设计眼位，参考最新人体尺寸数据中的坐姿眼高计算座椅面距地面高度。若座椅面距地面的高度高于建议值则考虑配置脚踏，座椅面距脚踏高度根据腘高+设计修正量计算。当存在视野遮挡时，可根据最新人体尺寸数据中的腘高+设计修正量计算座椅面距地面高度。

c)考虑最新人体尺寸数据或参考标准，设计座椅扶手高度和工作面距地面/脚踏高度。

d)确认工作面上布置的控制设备与人员的距离在400～700mm范围内，便于人员的操作使用。

e)核查当前控制台容膝高度是否满足，若不满足应优化控制台下方空间，若因此调整了工作面距地面高度，则应从b)步开始进行循环迭代，指导各尺寸均满足要求。

1.6迭代优化设计

通过上述流程的设计工作可得到一套指挥舱室的可行布置方案。当存在多种可行方案时，应结合调研、专家评审、仿真分析、搭建模拟舱并开展人因工程测试等方法，进行对比分析和迭代优化。得出最优的指挥舱室设备布局方案。

根据预设的人因工程效用值范围将计算获得的布局结构评判为布置合理或布置不合理，从其中至少一副评判为布置合理的设计方案作为后续处理的设计图。

以某指挥模型舱室布置优化为例，经过通道通行性分析，开展指挥舱室通行性仿真分析与比较评估：通过选取第95百分位船员人体尺寸数据，基于指挥舱室三维仿真模型，面向台位活动空间、通道通行空间等因素开展人因仿真分析，评估舱室通道通行能力，并提出优化改进建议。

对某指挥舱室布置(方案一)进行通道的划分如图10，经过以下表3优化建议后如图11所示。

表3某指挥舱室布局(方案一)优化建议

由于图10的显控台倾斜布置，小于40度的转角布局会占用更多的通道空间，因此建议尽量避免采用倾斜布置的方案，可采用垂直布置的方式进行优化。优化后的布局如图11所示方案二。

2.本发明相对于现有技术的有益效果

1)提供了一套标准化和模块化的舱室设备布局优化设计方法；

2)在设计阶段实现了指挥舱室设备布局的精细化设计；

3)可以快速完成舱室布局设计，减少了迭代次数，提高了总体设计人员的工作效率；

4)生成的舱室布局方案具备较高的适人性；

5)降低了后续加装改装的成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。