2019, Vol. 51
2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082
2. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China
走向深海远洋是中国拓展国家资源储备和国家战略空间的需求，是可持续发展的必然要求，也是实现建设海洋强国的必经之路[1].载人潜水器是深海科学研究和资源勘探的关键技术装备[2].目前，美、日、法等国正加速相关装备技术的研究[3]，近年来中国在深海勘探装备与技术研究方面成果显著[4]，目前已经完成“蛟龙”号和“深海勇士”号两型载人潜水器的研发工作，并投入实际应用[5].
由于受到深海压力的限制，潜水器载人舱一般设计为直径2 m左右的球形舱室.根据深海任务要求，除搭载3名潜航员外, 载人舱还装备了大量的实验设备，进一步限制了潜航员的活动空间，导致舱室空间环境复杂且舒适性差[6].潜航员在长时间的深海任务中必须承受空间狭小和密闭的双重压力，对潜航员生理和心理都是极大的挑战，影响潜航员作业的效率和安全.密闭狭小环境舒适性对人健康、工作效率的影响一直都是国内外学者研究和探讨的热点话题[7].
在载人潜水器舱室设计与应用过程中，如何通过改善舱室舒适性提升人因可靠性和提高作业效率的是一个亟待解决的关键问题[8-9].舒适性指标的量化是衡量舱室空间人机工效水平的重要指标，国内外学者对驾驶舱舒适性量化进行了大量的研究[10-12]，但普遍存在操作复杂、判断指标单一、缺少快速响应等缺点.
本文在多项载人潜水器舱室设计的基础上，通过研究舱室空间特征、潜航员作业特征、舱室空间约束条件以及舱室区域划分特征，构建舱室空间舒适性多源复合模型，开发可视化评估系统，为舱室人因优化设计提供理论支撑.
1 舱室空间舒适性复合评估流程载人潜水器舱室复合评估方法主要包括创建三维虚拟仿真模型、舒适性多元负荷评估以及优化方案的可视化评估3个基本环节, 如图 1所示.
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图 1 多源复合评估流程 Fig. 1 Multi-source compound evaluation process |
三维数字化仿真模型包括虚拟环境(及虚拟舱室)和虚拟人(及虚拟潜航员).依托载人潜水器舱室工程数据通过工程软件(Soldworks、Pro-E、CATIA等)或造型软件(Rhino、3Dmax等)创建等尺寸原始三维模型，通过JACK人因工程仿真平台创建虚拟环境.根据潜航员人体数据标准确定虚拟人体数据[13].JACK是西门子工业软件公司旗下的集三维仿真、数字人体建模、人因工效分析等功能于一体的高级人机工程仿真软件[14].由JACK创建虚拟人模型，一般选择中国人人体数据库第5、50、95百分位数据作为虚拟人[15].
1.2 舒适性多源复合评估方法舒适性多源复合评估方法是将JACK人因工程仿真平台多种工具人因仿真分析结果，通过建立评估指标映射和隶属度函数，对结果进行均一化处理.可针对虚拟人整体和局部舒适性、姿态舒适性、可达性及可视性进行仿真.
1.3 优化方案的可视化评估依托JACK平台进行可视化二次开发.采用扁平化原则，构建二级界面，一级界面以雷达图的形式直观展现人体舒适性分区评估结果；二级界面包含舒适性数据的数据源，可根据具体评估优化指标查询具体评估数据.根据舱室舒适度复合评估模型创建程序菜单，构建程序框架，并依据各项评估指标建立交互式评估界面.该系统具有快速评估、结果追溯、交互式数据源的特点.
2 载人潜水器空间舒适性分析 2.1 载人潜水器舱室空间特征载人潜水器是指具有水下观察和作业能力的潜水装置.主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务[16].当前大潜深载人潜水器舱室载人球壳主要采用钛合金制成[17].由于受到深海水压制约，载人潜水器舱室一般为直径2 m左右的球型舱室，内部空间极其紧张、除搭载必要的显控设备、生保设备、实验设备外，还需搭载3名成员(1名潜航员、2名科学家)，如图 2所示.
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图 2 载人潜水器舱室空间特征 Fig. 2 Space characteristics of cabin |
根据水下任务要求，将直径内径2 m的载人舱室划分为多个功能区域.主要功能立面分区包括：舱口出入区、试验设备安放区、显控系统、显示器、操作台、主/侧舷窗、潜航员活动区、生命保护系统区；主要功能平面分区包括：显示区、副显示区、观察区、潜航员活动区、观察员活动区、生命保护系统区，如图 3所示.
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图 3 空间功能分区 Fig. 3 Spatial function partition |
潜航员作业姿态舒适性受到狭小活动空间的影响.潜航员典型作业姿态主要包括坐姿状态下操作、跪姿观察等.根据解剖学人体分区原则以及典型姿态舒适性特征，将潜航员人体划分为肢体舒适性与活动区域舒适性两大部分，如图 4所示.
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图 4 人体舒适性分区 Fig. 4 Zoning of body comfort |
肢体舒适性(Z)主要为影响人体舒适性的肢体区域.肢体舒适性主要归纳为5个方面指标：Z1整体姿态、Z2头颈、Z3上肢、Z4后背、Z5下肢.根据解剖学人体分区以及人体舒适性特征，肢体舒适性分区各方面主要针对人体对应部位进行舒适性描述，如图 5所示.
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图 5 肢体舒适性指标 Fig. 5 Body comfort index |
活动区域舒适性(H)为潜航员执行任务操作时人体的主要活动区域，根据潜航员舱室操作行为与任务目标，将活动域舒适性分为H1视域和H2可达域，如图 3所示.
载人潜水器作业过程中，显示器、仪表、操作按钮等需要潜航员具有较好的可视性来保证操作的完成.潜航员可视域分析是舱室空间舒适性重点考虑的因素，如图 6所示，根据人机工程学原理，人眼与显示屏的视角关系，可知人眼到显示屏的最佳距离是710 mm，上视角＜10°，下视角＜45°，显示屏和垂直面角度应小于30°，人眼中心点与屏幕角度为90°±10°.JACK提供了可视化的视域分析，能够有效评估舱室设计的视域舒适性.
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图 6 人体视觉特征 Fig. 6 Visual feature index |
可达域是指潜航员在典型的工作姿态下的最大可触及范围，在分析过程中以潜航员典型工作姿态为基础，一般选择中指指尖作为最大可达域的分析基准，判断按键、仪表盘、设备面板等需要操作的仪器处于可达域范围内，表明了该工作姿势下工效学设计的合理性，如图 7所示.
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图 7 人体区域舒适性特征 Fig. 7 Comfort characteristics of body regions |
本文基于JACK人因工效仿真平台，构建潜航员舒适性虚拟仿真模型.
3.1 舒适性评估指标映射在虚拟的舱室环境下，对空间舒适性评估的主要原则包括以下4个方面：1)考虑任务过程中潜航员整体姿态的舒适性，包括任务过程中典型姿态的舒适性以及姿态之间转化的舒适性；2)坐姿操作状态下，身体姿态对颈椎、躯干、背部等舒适性影响；3)在舱室空间中对相关设备操作时的舒适性，包括操作时某关节的舒适性，操作对腰部产生的不适，手臂、腿部、躯干等操作行为引起的的工作姿态舒适性分析；4)任务过程中的典型操作行为是否在最佳操作范围之内，如显示器、仪表是否在最佳视域，按键、手柄、面板等是否在最佳可达域内.
载人潜水器舱室不同于一般设备舱室，其具备空间狭小、操作任务多样、人员活动区重叠、球形的视觉与行为空间等特点，基于上述原则对载人潜水器舱室空间环境中潜航员舒适性进行评估时，需要采用多种人因评估工具才能展开有效的舒适性评估，需要对JACK提供的人因分析工具进行分类与整合，构建复合评估模型.主要采用6项人因分析工具：OWPA(ovako working posture analysis)工作姿态分析(J1)、RULA(rapid upper limb assessment)快速上肢分析(J2)、LBA(lower back analysis)下背部分析(J3)、MJC(multi-joint comfort)多关节舒适度(J4)、VZ(vision zones)视域分析(J5)、RZ(reach zones)可达域(J6), 如图 8所示.
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图 8 人体舒适性分区 Fig. 8 Zoning of body comfort |
根据每种工具分析出数据的模糊分布不同，构造隶属度函数为(见表 1)
| $ F\left( {x, m} \right) = \left\{ \begin{array}{l} \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1, x \le a}\\ {\frac{{b - x}}{{b - a}}, a < x < b;m = 1(J1, J2, J3, J4)}\\ {0, b \le x} \end{array}} \right.\\ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0, \bar x \le 6}\\ {1 - \exp ( - {{(\frac{{\bar x - 6}}{{2\sigma }})}^2}), \bar x > 6.} \end{array}m = 2\left( {{\rm{H1, H2}}} \right)} \right. \end{array} \right. $ |
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表 1 舒适性范围 Tab. 1 Comfort range |
式中：m=1描述为舒适性分析结果包含最大值和最小值，分析结果越小舒适性越优，适用于J1, J2, J3, J4，其中a为最小值，b为最大值；m=2描述为专家评分获取指标，适用于J5, J6，其中总分值为10；σ为标准差，为n位专家打分的平均值.
3.2.1 OWAS工作姿态分析(J1)OWAS根据背部、手臂和腿部负载快速评估工作姿态舒适性.OWAS评分为4级指标：1)正常姿态，不需要矫正；2)姿势有一定不良影响，根据约束条件酌情调整；3)姿势有不良影响，应尽快纠正；4)姿势非常有害，必须尽快纠正.
根据评分构建OWAS隶属度函数为
| $ F\left( {{\rm{J1, 1}}} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1, x \le 1;}\\ {\frac{{4 - x}}{3}, 1 < x < 1;m = 1}\\ {0, 4 \le x} \end{array}} \right. $ |
RULA能够根据人体姿势、肌肉的使用、负荷的质量、任务的持续时间和频率来评价上肢动作的危险性.RULA最后评分(1~8分)划分4个等级：1)1~2分为该姿态可维持较长时间；2)3~4分为长时间需要改变姿态；3)5~6分为短时间内必须改变姿态；4)7分以上必须立刻调整姿态.
根据评分构建RULA隶属度函数为
| $ F\left( {{\rm{J2, 1}}} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1, x \le 2;}\\ {\frac{{7 - x}}{5}, 2 < x < 7;m = 1}\\ {0, 7 \le x.} \end{array}} \right. $ |
LBA利用生理学下背部模型，计算L4/L5脊椎处的压力值，并与NIOSH推荐的压力及极限压力进行比较.NIOSH标准中3 400 N是背部压力的推荐值，6 400 N为背部的极限压力，超出后面临受伤风险.根据NIOSH推荐压力范围构建LBA隶属度函数为
| $ F\left( {{\rm{J3, 1}}} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1, x \le 3400;}\\ {\frac{{6400 - x}}{{3000}}, 3400 < x < 6400;m = 1}\\ {0, 6400 \le x.} \end{array}} \right. $ |
MJC评估涉及颈部、减半、背部、臀部、左右臂、左右腿.身体的舒适度不仅与一、两个关节有关，而是和全身的关节都有关.MJC给出0~80的舒适度评分，分值越大舒适度越低.
| $ F\left( {{\rm{J4, 1}}} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {1, x \le 0;}\\ {\frac{{80 - x}}{{80}}, 0 < x < 80;m = 1}\\ {0, 80 \le x.} \end{array}} \right. $ |
JACK提供了动态可视化的虚拟仿真环境与评估，为VZ视域与RZ可达域专家打分评估提供参考依据.专家打分为10分制，分值越高越优，构建VZ和RZ隶属度函数为
| $ F({\rm{H1}}/{\rm{H2}}, 2) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0, \bar x \le 6}\\ {1 - \exp ( - {{(\frac{{\bar x - 6}}{{2\sigma }})}^2}), \bar x > 6} \end{array}} \right.m = 2 $ |
结合复合7项评估指标和隶属度函数对空间舒适性进行复合评估.根据绘制舒适性雷达评估图.
根据人因分析工具中分项指标的指向性，明确各项舒适性评估指标.人因分析工具中J1、J3、J5、J6提供一组数据，分别指向Z1、Z4、H1、H2. J2针对头颈、上肢分析提供a、b两组数据，即J2a、J2b分别指向Z2、Z3.J4选取提供8组数据，包括a(neck)、b(shoulder)、c(black)、d(right arm)、e(left arm)、f(right leg)、g(left leg)、h(comfort)见表 2.
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表 2 舒适性评估指标与数据 Tab. 2 Comfort evaluation index and data |
将不同来源数据根据其来源性质带入对应隶属度函数进行计算，结果取均值，获得对应舒适性评估指标计算公式如下：
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {R({\rm{Z}}1) = [F({\rm{J}}1, 1) + F({\rm{J4h}}, 1)]/2}\\ {R({\rm{Z}}2) = [F({\rm{J2a}}, 1) + F({\rm{J4a}}, 1) + F({\rm{J4b}}, 1)]/3}\\ {R({\rm{Z}}3) = [F({\rm{J2b, }}1) + F({\rm{J4d}}, 1) + F({\rm{J4e}}, 1)]/3}\\ {R({\rm{Z}}4) = [F({\rm{J3}}, 1) + F({\rm{J4c}}, 1)]/2}\\ {R({\rm{Z}}5) = [F({\rm{J4f}}, 1) + F({\rm{J4h}}, 1)]/2}\\ {R({\rm{H}}1) = F({\rm{J5}}, 2)}\\ {R({\rm{H}}2) = F({\rm{J}}6, 2)} \end{array} $ |
式中：Z为肢体舒适性评价指标，其中Z1为整体姿态、Z2为头颈、Z3为上肢、Z4为后背、Z5为下肢；H为区域舒适性评价指标，其中H1为视域、H2为可达域；J为人因分析工具，其中J1为工作姿态分析、J2为快速上肢分析(包括两组数据J2a、J2b)、J3为下背部分析、J4为多关节舒适度分析(包括8组数据J4a~J4h)、J5为可达域分析、J6为视域分析.
4 空间舒适性可视化评估系统开发与应用 4.1 基于JACK平台的二次开发工具本文拟在舒适性多源复合评估模型的基础上，依托JACK平台进行可视化二次开发，如图 9所示.舱室可视化舒适度复合评估系统是在JACK平台上，基于C语言的二次开发，采用Tcl/Tk脚本语言编写界面和操作平台，借助JACK提供JackScript脚本语言(在Python语言的基础上编写的)对模型的运动和运动分析进行控制.
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图 9 JACK二次开发过程 Fig. 9 Add-on functions development on JACK |
根据舱室舒适度复合评估模型创建程序菜单，构建程序框架，并依据各项评估指标建立交互式评估对话框.舱室舒适度复合评估系统包括两功能模块及总体舒适度分析，舒适度数据模块.舒适性指标得分为0~1.0，指标得分划分为4个等级：0.9~1.0分，为高水平舒适度，无需优化；0.7~0.9分，为中等水平舒适度，可根据要求适度优化；0.5~0.7分，为低等水平舒适度，需进行优化；低于0.5分，为极低等水平舒适度，需进行深度优化，如图 10所示.
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图 10 总体舒适度评估等级 Fig. 10 Overall comfort assessment grade |
功能界面采用交互式对话框设计，可根据虚拟人姿态调整更新显示数据，方便快速获取总体舒适度评估指标；界面提供数据接口，以子窗口显示数据来源以及各部位详细舒适度数据，方便虚拟人姿态调整以及方案优化，如图 11所示.
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图 11 可视化原型系统界面 Fig. 11 System interface of visualized prototype |
本文以某型载人潜水器舱室空间舒适性评估为例，对本文提出方法加以应用与验证.
改型载人潜水器舱室为内径1.8 m的球形舱室，根据工程约束及设备型号限制，舱室立面拟采用双层设计，一层为潜航员主要活动与操作区域层高约为1.4 m，二层为设备安放区，一层平面采用3段设计，前显控台、中活动区、后安保区设计，中部地板留出潜航员腿部空间.研究目标为分析和评估该型舱室空间布局舒适度、空间乘坐舒适度、操作舒适度状况，寻求舱室空间舒适度优化与改进措施如图 12所示.
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图 12 某型载人潜水器舱室与舒适性评估 Fig. 12 A certain type of submersible cabin can its comfort evaluation |
对潜航员坐姿操作状态下空间舒适性进行评估，依据初步方案模型以及环境、尺度、功能约束条件确定空间数字模型，虚拟人选取中国人人体数据库第50百分位人体数据，以坐姿操作为待评估姿态.根据典型坐姿操作特征将空间数字模型与3名虚拟人模型进行匹配.如图 13所示，根据可视化界面可直观获得当前潜航员坐姿状态下空间舒适性特征，当前状态整体舒适性尚可，腿部空间舒适性明显不足.评估结果见表 3.
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图 13 可视化系统评估结果 Fig. 13 Visualized system evaluation results |
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表 3 某型舱室空间舒适性评估结果 Tab. 3 Space comfort evaluation result of a certain type of cabin |
评估结果显示该方案下肢与上肢舒适性较差，需要进行重点优化.根据评估结果提出优化方案：
1) 地板提升40 mm以增加腿部空间，减少小腿疲劳与脚踝压力；
2) 增大操控台面积提升对上肢操作的支撑，缓解操作疲劳；
3) 通过调整操控台高度调整坐姿操作时头颈部姿态，改善颈部舒适性.
如图 14所示，优化后方案各项指标均衡，均达到舒适性允许范围内.
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图 14 优化前后评估结果 Fig. 14 Evaluation results before and after optimization |
1) 本文在系统分析载人潜水器舱室空间环境特征的基础上，对潜航员空间舒适性分析与分析方法进行了讨论，归纳整理了7项舒适性评估指标，增强评估结果的指向性，从整体的角度为方案优化提供参考.
2) 提出了基于JACK人因分析平台的复合评估方法，通过6项舒适性评估工具获得多舒适性源数据，多源复合评估采用多种评估工具数据源进行综合评估，提升评估结果的准确性；
3) 开发空间舒适性可视化评估系统.最终以某型载人潜水舱室为例，实例验证了舒适性可视化系统的可行性.优化设计过程中采用舒适性多源复合评估方法，能够快速直接获得评估结果，避免了冗长繁杂的评估报告带来的信息负担.
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