CN102295057B - 一种船舶驾驶室验证和评估方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶驾驶室验证和评估方法，包括如下步骤：1）总体初步设计；2）虚拟三维仿真；3）实尺模型的建造：在步骤1）和步骤2）基础上，选用木质材料，按照实船建造要求，采用1:1比例制作船体结构、主要设备和空调、电缆管路模型，对主要设备和管路模型进行定位和安装，并进行舾装和舱内装饰的施工，以全面展示整个驾驶室设计；4）人员模拟操控、验证与评估：人员在步骤3）建造的实尺模型中进行模拟操控，对驾驶室视野、驾驶室布局、驾驶室各控制台结构和使用、驾驶室工作环境进行人机工程学验证和评估。本发明的有益效果在于：1）能够最大程度的优化船舶驾驶室设计方案；2）降低了实船建造风险；3）加强了多方参与性；4）降低了成本。

Description

一种船舶驾驶室验证和评估方法

技术领域

本发明属于船舶工程技术领域，具体涉及一种船舶驾驶室验证和评估方法，用于船舶驾驶室的设计。

背景技术

船舶驾驶室是海上执行航行指挥和操纵控制任务的区域，更是保障船舶航行安全和航行机动的一个关键部位，其主要功能可概括为导航、机动、安全、通信、监视、管理十二个字。各国船舶均将设计完善、布局及战位合理、指挥流畅及美观、舒适的驾驶室视为船舶现代化水平的重要标志之一。此外，船舶驾驶室作为现代船舶的一个缩影，其“窗口”作用也不容忽视。因此，驾驶室设计在现代船舶总体设计中处于重要的地位。

随着使用需求和综合船桥系统技术的不断发展，船舶驾驶室已逐步发展为由船员、船桥设备和环境构成的一个复杂的人—机—环境动态系统。人是船舶上指挥航行和操作设备的所有使用人员。机是船舶上被操纵人员控制的一切仪器设备，是由一系列为了实现航行控制和操纵的设备组成的复杂系统。环境主要是周围事物可能提供的条件和限制。同时，由于信息技术的发展，航行指挥人员的任务更多地转向了航行管理和监控，从而对操纵人员的要求也越来越高。

目前，我国船舶驾驶室的设计主要是从功能上满足航行操纵的需求，在其人机工程学方面的因素考虑得较少；仅有的关于船舶驾驶室设计的人机工程学评价，也是设计人员依据常年积累的设计经验开展设计，这通常只能模糊地定性分析，尚无定量的设计要求。特别是在母型船舶驾驶室的施工建造过程中，只有在船体钢结构、通风管路及电缆通道基本施工完成的情况下，才可能暴露很多设计图纸难以发现的技术问题，如视野、层高、布局等，造成这些问题已无法在实船上得到调整和弥补的局面。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船舶产品设计过程中，实现了船舶产品定义信息的数字化和知识化，从而解决了船舶研制周期长、阶段多、涉及专业种类复杂等问题。但是即便采用计算机辅助船舶驾驶室的设计方法，在虚拟仿真环境中进行评价，其结果仍不太准确，尤其是对驾驶室设计中一些联系人机分析因素的问题，如可视性、可达性、可读性和操纵便利性等不能直观地在图纸上体现和验证、而实船建造中此类人—机—环境的矛盾又较为突出的问题，导致在服役过程中，使用方对船舶驾驶室的工作环境、设备配置和布置、船员操纵性及舒适性等人机工程设计不断提出改进需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种船舶驾驶室验证和评估方法，能够通过立体、形象、直观地反映未来船舶驾驶室设计全貌，达到验证设计和评估效能，以指导实船的船舶驾驶室施工设计。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种船舶驾驶室验证和评估方法，包括如下步骤：

1）总体初步设计：包括驾驶室总布置、船体结构、窗结构图设计；通风和空调、船舶电气、综合船桥系统的功能性和原理线路设计；舱内主要设备的布局方案、设备定位与安装设计；舱内舾装的设计；

2）虚拟三维仿真：在步骤1）基础上，虚拟三维建模对驾驶室主要设备布置和各操纵部位设置进行建模和实时仿真，对人机相互作用关系建立评价模型，开展空间干涉检查、人机系统交互协调性仿真、虚拟驾驶室可视化仿真及全视景漫游工作，以初步完善驾驶室设计方案；

3）实尺模型的建造：在步骤1）和步骤2）基础上，选用木质材料，按照实船建造要求，采用1:1比例制作船体结构、主要设备和空调、电缆管路模型，对主要设备和管路模型进行定位和安装，并进行舾装和舱内装饰的施工，以全面展示整个驾驶室设计；

4）人员模拟操控、验证与评估：人员在步骤3）建造的实尺模型中进行模拟操控，对驾驶室视野、驾驶室布局、驾驶室各控制台结构和使用、驾驶室工作环境进行人机工程学验证和评估。

上述技术方案的步骤2）中，可利用三维建模工具Multigen creator和3DMax进行虚拟三维建模。

上述技术方案的步骤3）中，还包括在建造过程中，对施工工艺的验证；所述施工工艺包括设备安装工艺、电气工艺、管道敷设工艺、舾装工艺以及上述施工工艺之间的协同。

上述技术方案的步骤4）中，驾驶室视野包括驾驶室的内部能见度和外部能见度。

上述技术方案的步骤4）中，驾驶室布局包括：主要设备布置方案是否满足功能分区要求；舱内总布局的可达性和活动。

上述技术方案的步骤4）中，驾驶室各控制台结构和使用包括：控制台结构；控制台上仪表的位置；控制台上控制装置的布置和分类；控制台上的通信设备。

上述技术方案的步骤4）中，驾驶室工作环境包括：通风和空调；照明；舾装；职业安全。

本发明体现了人机工程学这一新学科，将人机工程学的原理和方法全面地引入到船舶驾驶室的研究与设计之中，运用以使用人员为中心的设计理念和面对任务的设计思想，通过提高包含人在内的驾驶室综合效能，使船舶驾驶室的人—机—环境三者总体性能达到最优。具体来说，在目前不存在定量规范的情况下，基于人机工程学原理，提出了应用实尺模型验证和评估设计的技术手段，其一方面，能够在最接近真实的情况下验证和评估驾驶室初步设计方案的人机工程学要素，不仅设计方和建造方能够对设计情况进行全面验证，而且能够在设计阶段充分听取使用方的合理化建议，使得在驾驶室设计阶段就实现从设计、仿真、评价到反馈、优化的全过程，有效改善实船驾驶室的人—机—环境总体性能，从而最大限度地优化设计方案；另一方面，由于最大程度地省去了以往实船建造过程中，因设计方案存在人机工程的矛盾问题而不断调整和修改的船厂返工环节，使得应用本发明方法后，船舶驾驶室设计和建造的总效率显著提高，成本大大降低。

综上所述，本发明的有益效果在于：

1）能够最大程度的优化船舶驾驶室设计方案：本发明采用容易加工的材料制作实尺模型，便于快速做出调整和修改。因此，其应用过程中限制很少，便于在船舶驾驶室设计阶段尝试和验证新的设计方案的可行性，得到最优的船舶驾驶室设计方案；

2）降低了实船建造风险：由于设计中存在的各种协同问题（有时甚至是很严重的问题，在图纸上却不易暴露）很快就能够在实尺模型建造及验证和评估阶段浮现出来，避免了以往实船建造中突现的很多问题；

3）加强了多方参与性：在船舶驾驶室设计过程中，本发明能够增强设计方、建造方和使用方三方之间的互动和交流，便于更好的完善驾驶室设计方案；

4）降低成本：对于驾驶室人—机—环境设计的各种效能，本发明的方法使得设计决策过程更快，从而减少了实船建造过程中反复修改的次数，使总成本更低。

附图说明

图1为应用本发明进行船舶驾驶室设计的一个工程实例的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图、通过一个80m²船舶驾驶室设计的工程实例对本发明的验证和评估方法作进一步的详细描述。

如图1所示，应用本发明的驾驶室设计过程大致分为驾驶室总体初步设计，虚拟三维仿真，实尺模型的建造，人员模拟操控、验证与评估，修改与完善五个阶段，具体来说。

1．驾驶室总体初步设计：主要包括驾驶室总布置、船体结构、窗结构图设计；通风和空调、船舶电气，综合船桥系统的功能性和原理线路设计；舱内主要设备的布局方案、设备定位与安装设计；舱内舾装的设计，为制作实尺模型做好准备。

2．虚拟三维仿真：在总体初步设计的基础上，利用三维建模工具Multigen creator和3DMax虚拟三维建模对驾驶室设备布置和各操纵部位设置进行建模和实时仿真，对人机相互作用关系建立评价模型，开展空间干涉检查、人机系统交互协调性仿真、虚拟驾驶室可视化仿真及全视景漫游等工作，利用计算机手段初步完善驾驶室设计方案。

3．实尺模型的建造：为了突出模型效果的真实感，同时考虑制作成本和便于修改的问题，在模型制作中大量使用实物代替品来表现实船建造中涉及的材料。本方案选用容易加工的全木质材料，按照实船建造要求，采用1:1比例制作驾驶室船体结构、主要设备和空调、电缆管路模型，对主要设备和管路模型进行定位和安装。并进行舾装和舱内装饰的施工，以全面展示整个驾驶室设计，其步骤大致为：

（1）选择一块室内面积为驾驶室面积两倍以上（这里要求160m²以上）的空旷场地用于搭建实尺模型的基础平台，分阶段开展驾驶室实尺模型的初步制作；

（2）按施工图纸1:1放样，完成驾驶室船体结构的木模制作；

（3）驾驶室船体结构建造完毕后，进行门、窗开孔和部分舾装；

（4）按施工图纸完成舱内通风和空调管路的木模建造和安装；

（5）按施工图纸确定舱内电缆托架的走向并完成安装；

（6）完成驾驶室内主要设备的木模建造，包括综合船桥系统、船舶电力系统、船舶辅助系统等相关设备的实尺模型；

（7）完成舱内主要设备模型的定位和安装；

（8）完成舱内地板、围壁和天花板的绝缘及色彩等舾装；

（9）完成室内照明通电；

（10）完成部分设备的市购：包括驾驶高椅、工作座椅、灯具等；

（11）配置相应的消防安全设施。

上述步骤涉及的工艺主要有：

（1）基础平台搭建：采用40×60mm木方制作网架结构距地面300mm高度的基础，龙骨架上面铺设18mm厚的多层板，用40mm自攻螺钉固定，作为驾驶室实尺模型地面的基础平台。此基础平台要求表面平整，具有足够的强度、刚度和稳定性，能可靠地承受模型的重量和侧压力及施工中所产生的荷载；

（2）驾驶室船体结构的建造：在基础平台上对驾驶室中线面进行定位，以确定围壁纵桁和左右舷基线。按设计图纸中强横梁⊥5×200/8×80mm，普通横梁为6mm球扁钢型材，使用18mm多层板、12mm多层板和30×50mm木方材料施工。所有扶强材搭建完毕后，模拟驾驶室外壁进行铺板敷面，采用的胶合板厚度为9mm，此厚度可以保证驾驶室实尺模型的整体强度，并稳定各扶强材之间的连接，还可以保证后期在围壁上安装设备模型所需要承载的重量。扶强材等制作完毕后，严格按照设计图纸的排列布置进行拼接。当四周框架拼接合成、并按1:1尺寸开门、窗孔后，最终拆除前期使用的结构支撑。此时，驾驶室1:1模型的船体结构雏形基本制作完成；

（3）舱内主要设备模型的制作：采用9mm胶合板按照各设备外形结构图施工，保证与实际设备外形一致。小型壁挂设备采用9mm胶合板按照最大外形尺寸进行制作，并采用50mm长的木块作为基座安装在船体结构上；

（4）通风系统、电缆托架、传话筒及雨刮器管道的制作及安装：通风管道按照设计尺寸用铝塑板弯曲成椭圆形的风管，并用木支架固定；进出风口按照实际尺寸做成方形并安装固定；电缆托架按实船托架订制；传话筒及雨刮器喷水管路用直径相同的塑料管代替，并安装在设计位置；

（5）舾装设计：天花板和围壁上采用泡沫块作为绝缘材料的代替品，用白乳胶和塑料碰钉固定在船体结构上，外拉一层普通白布代替阻燃白布，表面先挂腻子粉再喷漆，以防止油腐蚀白布；按照设备漆膜要求对所有设备进行上色处理；设备安装定位后，台体粘贴设备典型显示1:1彩色界面；前窗工作台在模型中采用木板代替原设计中大理石台面。

该阶段中，设计人员可以根据人机工程学要求，进行现场协调，重新核算和调整设计方案；施工方也可以针对设备安装工艺、电气工艺、管道敷设工艺、舾装工艺以及上述施工工艺之间的协同进行验证。

4．人员模拟操控、验证与评估。由于船舶驾驶室设计涉及的专业学科多、设备布置复杂、人机工程学要求高，该步骤可以提前暴露设计图纸中不能发现的各专业间协同的设计问题，以实现不断发现问题、解决问题、修改模型、优化设计的过程，完善驾驶室总体设计。该阶段为：实尺模型建造后，使用方在船舶驾驶室实尺模型中进行模拟操控，通过测试使用人员的表现进行人机工程学验证和评估。验证和评估项目及其指标经调研和需求分析、人机工程相关资料收集以及驾驶室人—机—环境研究确定，其包括驾驶室视野、驾驶室布局、驾驶室各控制台结构和使用和驾驶室工作环境，具体如下。

驾驶室视野包括驾驶室的内部能见度和外部能见度。其中，内部能见度涉及驾驶室前窗低缘高度、前窗高缘高度、窗框、窗口倾斜度、清晰视界、窗口的能见度等；外部能见度涉及船舶周围的视域、操纵工作台的视域、桥翼视域、主要驾驶部位的视域、盲区、船舶两侧桥翼视域等。

驾驶室布局包括：主要设备的布置是否满足功能分区要求（考虑到驾驶室内设备繁多）；总布置的可达性和活动，涉及畅通的通往驾驶室的主通道宽度、相邻工作台和通道距离、门、驾驶室天花板的净空高度等空间参数。

驾驶室各控制台结构和使用包括：控制台结构；控制台上仪表的位置；控制台上控制装置的布置和分类；控制台上的通信设备。其中，控制台结构涉及工作站区域构造、坐式操作的单人控制台宽度、坐姿和站姿操作控制台设计、控制台高度、海图桌尺寸、座椅设计等；控制台上仪表的位置涉及仪表的逻辑布置合理、位置一致性、控制和显示位置、同时使用、控制装置/指示器的识别能力、显示器的优先顺序、仪表可读性等；控制台上控制装置的布置和分类涉及控制装置的布置、同时操作的控制装置的定位、主要和频繁使用的控制装置的位置、布置的一致性、控制装置之间的间距等；控制台上的通信设备涉及内部和外部通信配置和使用触手可及性。

驾驶室工作环境包括：通风和空调；照明；舾装；职业安全。其中，照明一般应包含正常照明、应急照明及局部照明；舾装从操作使用方便上考虑，装饰材料应尽量占用较小的空间，给船内操作人员留有足够的净空间，从美观上考虑，应尽量减少壁挂设备，各种显示设备、控制台外观上应保持一致，另外，天花板、地板及四壁色彩设计应有利于操作人员保持良好的心理状态；职业安全则包括驾驶室随手可得的安全设备，以及安全座椅、应急照明、防滑地板、安全设备标志、手扶栏杆和救生扶手等。

5．修改与完善：

经上述验证和评估后，对驾驶室设计方案进行符合人机工程学的修改和完善，形成优化的设计方案。本实施例针对如下设计参数进行了修改和完善。

（1）视域调整：为了进一步增大驾驶室视域，前壁的窗户方案经过多次船体结构强度核算，并重新调整船体结构及加强方案，使得驾驶室窗透光面积与舱壁总面积的比值由33.84%提高到37.88%。若不应用本发明手段使问题提前暴露，实船建造中将无法调整窗的开孔方案。

（2）控制台台体结构的调整：在本实施例的实尺模型制作过程中，明显发现操舵仪、航行保障台与其他采用标准显控台设备的截面角度和尺寸不一致。经与各设备单位在模型中开展技术协调后，驾驶操纵、指挥台台体从形式、角度、厚度等参数方面全部调整为一致。该问题若不能在前期及时发现，到实船交货时，各设备基本上没有调整余地，将极大影响驾驶室整体协调性。

（3）总布置的调整：使用方对本实施例的实尺模型进行体验后，建议扩大海图工作区，并提出在驾驶室舱内设置防护用品区的意见。通过调整总体布局和船体结构，将海图部位区域扩宽10%；对称的另外一舷增加了一块隔壁，其内便于布置设备和防护用品。若本条意见在实船建造中才提出，由于涉及船体结构及舾装专业的大量计算和修改方案工作，基本上无调整可能性。

（4）通风系统的调整：初步设计的通风系统管道和进出风全部在天花板上敷设管路，极大影响了驾驶室层高。修改后的设计方案为在驾驶室中部隔断区域的壁子上各从下面甲板垂直走管道，为侧出风方案。经过实尺模型反复推敲，设计人员在后期设计中从传统顶部通风的方案中走出来，大胆尝试壁式出风方案，保证了驾驶室的层高和布局美观。但是由于为驾驶室服务的风管、风机均经过下方舱室，所以此方案对驾驶室下方的舱室影响较大，因而在实船建造中修改和调整工作量较大。

（5）电缆托架调整：初步设计的电缆托架主要以顶部敷设为主，部分托架甚至在操纵部位正上方，既影响层高又让人觉得压抑，针对本实施例中的实尺平台与施工方交流后，设计方案已调整为除顶部照明电缆延续顶部敷设的方式外，其他设备电缆尽可能从底部进线和采用侧壁电缆束进线，从而减少了顶部敷设电缆数量。

（6）舾装优化设计：本船驾驶室工作环境从舱内装饰材料、地板、绝缘、色彩等方面开展优化设计，利用实尺模型进行多方案比较与验证，大胆尝试了驾驶室无封面板及采用黑色涂层，不仅增加了舱室净高、便于舱顶设备的维修、避免顶部的不利反光，而且加强了色彩的环境效应。经过多轮使用方在模型中的体验和评估，对上述新的设计方案表示认可，为后期应用于实船铺平了道路。

（7）工作保障设施的改善：通过模型制作，在设计中充分听取使用方的意见，使得在驾驶室人—机—环境设计中，进一步完善工作保障设施设计，包括座椅、增设防护用品柜、抄报板、刮雨器及电加热玻璃等人性化细节设计，提高了驾驶室的实用性。

与现有技术相比，本发明的实尺模型验证和评估方法将对驾驶室初步设计的效果起一个直观的反映作用，并能够起到深化设计构思、推敲设计方案、完善设计成果的作用。同时，设计人员还能尝试运用新的设计方案融入到模型制作当中，推敲和解决在二维平面图纸上无法分析和解决的问题。在船舶总体设计过程中，这种方法无疑对提高产品的设计质量、缩短设计周期、节约设计成本具有重要的意义。

Claims (7)

1.一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1）总体初步设计：包括驾驶室总布置、船体结构、窗结构图设计；通风和空调、船舶电气、综合船桥系统的功能性和原理线路设计；舱内主要设备的布局方案、设备定位与安装设计；舱内舾装的设计；

2）虚拟三维仿真：在步骤1）基础上，虚拟三维建模对驾驶室主要设备布置和各操纵部位设置进行建模和实时仿真，对人机相互作用关系建立评价模型，开展空间干涉检查、人机系统交互协调性仿真、虚拟驾驶室可视化仿真及全视景漫游工作，以初步完善驾驶室设计方案；

3）实尺模型的建造：在步骤1）和步骤2）基础上，选用木质材料，按照实船建造要求，采用1:1比例制作船体结构、主要设备和空调、电缆管路模型，对主要设备和管路模型进行定位和安装，并进行舾装和舱内装饰的施工，以全面展示整个驾驶室设计；

4）人员模拟操控、验证与评估：人员在步骤3）建造的实尺模型中进行模拟操控，对驾驶室视野、驾驶室布局、驾驶室各控制台结构和使用、驾驶室工作环境进行人机工程学验证和评估。

2.根据权利要求1所述的一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于：所述步骤2）中，利用三维建模工具Multigen creator和3DMax进行虚拟三维建模。

3.根据权利要求1所述的一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于：所述步骤3）中，还包括在建造过程中，对施工工艺的验证；所述施工工艺包括设备安装工艺、电气工艺、管道敷设工艺、舾装工艺以及上述施工工艺之间的协同。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于：所述步骤4）中，驾驶室视野包括驾驶室的内部能见度和外部能见度；内部能见度包括驾驶室前窗低缘高度、前窗高缘高度、窗框、窗口倾斜度、清晰视界、窗口的能见度；外部能见度包括船舶周围的视域、操纵工作台的视域、桥翼视域、主要驾驶部位的视域、盲区、船舶两侧桥翼视域。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于：所述步骤4）中，驾驶室布局包括：主要设备布置方案是否满足功能分区要求；舱内总布局的可达性。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于：所述步骤4）中，驾驶室各控制台结构包括：控制台；控制台上仪表的位置；控制台上控制装置的布置和分类；控制台上的通信设备。

7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种船舶驾驶室验证和评估方法，其特征在于：所述步骤4）中，驾驶室工作环境包括：通风和空调；照明；舾装；职业安全。

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