基于DELMIA的虛擬人潛艇艙室空間分析

彭 飛， 陳 武， 牟金磊

(海軍工程大學 艦船工程系， 湖北 武漢 430033)

基于DELMIA的虛擬人潛艇艙室空間分析

彭 飛， 陳 武， 牟金磊

(海軍工程大學 艦船工程系， 湖北 武漢 430033)

在潛艇的前期設計中，研究如何評估艙室空間設計的優劣，進而對艙室空間進行改善具有十分重要的意義。國內對潛艇艙室空間的研究較少，該文通過借鑒類似室內空間設計準則和人因工程理論的分析研究提出潛艇艙室空間的評價標準，利用虛擬人技術完成潛艇艙室空間設計的量化評估，使存在的問題能在投入制造前得到解決，從而節約了研發的時間和成本，提高了潛艇作戰效能。

DELMIA 虛擬人 潛艇艙室 空間分析

1 引言

現代潛艇作為一個龐大復雜的綜合作戰系統，其綜合作戰效能的發揮，直接受制于艇員。而狹小復雜、不合理的艙室空間設計往往對艇員的身心狀態造成消極影響，對艇員的操作、維修、使用行為造成困難[1],因此,提高潛艇狹窄艙室空間的可維修性和居住性,將有利于增強潛艇戰斗力。

2 潛艇艙室空間設計的一般要求

空間環境是居住性中非常重要的要素，既可以屬于環境要素，也可以劃分到生活設施中的居住艙室要素，主要通過結合人因因素來判斷空間環境的優劣。從人機工程學的觀點出發，其設計基準值包括最佳值，即最適合人的各種特性的推薦值。而最小值和最大值分別指人能正常進行活動或判斷所需的最小值和最大值[2]。對于船舶而言這些數值有其特殊性，以下是艙室的一般設計準則。

2.1 空間環境的一般設計基準

(1) 高度設計基準。據統計，居住艙室最佳凈高東方人為2 065 mm；西方人為2 170 mm。考慮裕度，東方人最佳尺寸為2 100 mm，一般 90 mm可為心理裕量來考慮。

(2) 通道寬度基準。居住區通道寬度以著衣者肩寬為單位，身體厚度為半個單位，據此考慮通道寬度一般為1～2.5單位。

(3) 住艙面積設計基準。居住艙室面積與諸多影響因素有關，我國《沿海客貨船船員和乘客主要艙室面積及家具配置》中給出了相應的規定。

(4) 床鋪尺寸基準。當前，各國都是以人體尺寸及標準偏差為基準確定床的形狀和尺寸。實驗表明，最佳床寬為900 mm。床的必要最小寬為700 mm，加上裕度取800 mm。

3 基于虛擬人的艙室空間評價方法

空間環境的評價方法一般有兩種：一是規范法，根據規范確定為兩級評價，滿足規范為合格，不滿足規范為不合格；二是三維評價法，利用軟件建立三維模型，結合人因工程理論對人的舒適性進行評價。這兩種方法可以視情況而定，前者簡單易用、操作方便；后者是未來的發展方向。因此本文選擇利用虛擬人仿真方法對空間環境進行評價。利用虛擬人進行空間評價的一般流程為：虛擬人建模、虛擬人工作姿勢分析、利用典型空間環境下的姿勢分析評價空間的優劣[3]。

3.1 基于DELMIA的虛擬人建模

人體模型是虛擬環境中最重要的一個部分，所有人機工效分析研究都需要通過人體模型來完成[4]。由于現在已經存在了一系列人體模型的規范，本文主要針對人體外在表征和動作控制進行研究和簡單闡述,同時利用DELMIA作為建模和控制的軟件基礎。

(1) 工作環境對建模人體參數要求。首先，虛擬工作環境對人體外在表征的最低要求是在艇內特殊的環境下，只有符合一定身高體重的虛擬人才能在保障基本生理條件的情況下在里面進行活動。其次，在特殊環境和特殊任務的要求下，需要對外在表征有更加苛刻的限制，以使虛擬人在該虛擬環境下工作時除了保證基本的生理條件外還可以具有一定的生理和心理上的舒適感。然后進行人體建模，并最終達到反映實際人機工效的效果。

(2) 實際構建模型具體參數。虛擬人人體尺寸設計是以《中國成年人人體尺寸》為數據基礎[5]。采用DELMIA對創建的人體模型進行尺寸的定義，以符合中國成年人的人體尺寸標準。

(3) 虛擬人的控制。在研究人體的運動時，從運動機構的角度把人體看成是一個標準的鉸接機構[6]，而人體的運動可以看作由關節和節段組成的連桿運動體系。

DELMIA能夠自動提供各個關節最大范圍的活動限制，能進行自由的控制，同時可設置手臂活動舒適位置和極限位置等[7]。

3.2 空間環境的評價體系

對幾種典型的人體姿勢活動空間設計進行評估。人在艙室生活工作時的活動姿勢主要包括坐姿、立姿兩大類。其中立姿空間可分為高度空間，前后空間、寬度空間三個指標；坐姿空間主要包括水平面空間，垂直面空間。空間環境的評價，結合三維模型和虛擬人不同姿勢下的仿真做出初步評價，評價標準參考GJB 4000-2000以及《人因工程學》中的規范，建立評估核對表，最后進行評分，將空間環境這一指標定性評價。

3.2.1 立姿空間評價

(1) 高度空間評價。人體立姿的活動空間均以身高175 cm成年男性為型，以肩關節為圓心的直臂抓握空間半徑為65 cm。根據上述分析建立高度空間評級分類如表1所示。

表1 頂部空間舒適性評級分類表

(2) 前后空間評價。根據規范要求，以正常男性為基準，當物體處于地面以上110～165 cm高度，并且在身體中心左右46 cm范圍內時，人可以在直立狀態下達到前側46 cm的舒適范圍(手臂處于身體中心線處操作)，最大可及區弧半徑為54 cm。對于雙手操作的情形，由于身體各部相互約束，其舒適作業空間范圍有所減小。這時伸展空間為：在距身中線左右各15 cm的區域內，最大操作弧半徑為58 cm。根據上述分析，以物體距身中線左右各15 cm為基準，建立的活動空間評級分類如表2所示。

表2 前后空間評級分類表

(3) 寬度空間評價。艙室內由于擁有眾多設備，留給人行走的空間寬窄不一，整體行走的空間也并不是如走廊般直來直去，因此在評價艙室寬度空間時，利用虛擬人模型(身高175 cm，肩寬48 cm,胸厚16 cm)，從單人行走，雙人行走兩個方面進行評價，建立評級分類，如表3所示。

表3 寬度空間評級分類表

3.2.2 坐姿空間評價

根據《人因工程學》中所述，人體最合理的作業姿勢就是坐姿作業。因此艙室空間評價需要考慮坐姿時的舒適程度，更為細致地可以將其分為水平面空間和垂直面空間分別進行評價。

(1) 水平面空間評價。水平面空間設在人體上肢的操作范圍內，分為作業的最大區域和正常區域[8](如圖1所示)，分別表示在作業時上肢在工作臺范圍內水平面上移動形成的最大范圍和最舒適范圍。其中1區：虛線表示水平工作面的最大區域；2區：細實線表示水平工作面理論上的正常區域；3區：粗實線表示水平工作面的實際正常區域。

圖1 水平工作面最大區域、正常區域和工作區域

評價工作區域的好壞主要是依據控制臺是否布置在人體上肢的操作范圍內，是否布置在人體的舒適區內，如左右有共同工作的作業者，兩人之間是否會產生干擾，干擾程度如何。根據上述分析及參考圖示建立水平面工作區評級分類，如表4所示。

表4 水平面空間評級分類表

(2) 垂直面空間評價。坐姿作業空間范圍由上肢活動范圍所決定。圖2表示了垂直面和水平面上肢所能達到的運動區域尺寸。其中1區：人體上肢操作范圍的最佳區域(一般用于配置重要的控制按鈕或者顯示設備)；2區：人體上肢操作范圍中容易達到的區域；3區：人體上肢能夠達到的最大區域。根據上述分析及參考圖建立垂直面空間評級分類，如表5所示。

圖2 坐姿抓握尺度范圍和坐姿上肢工作區域

項目評價分級評價準則垂直面空間非常好作業對象位于工作邊界線內,且位于1區內。好作業對象位于工作邊界線內,且位于2區和1區間。一般作業對象位于工作邊界線和不常抓握區之間,且位于2區內。差作業對象位于不常抓握區,且位于2區以內或作業對象位于工作邊界線內,且位于3區。非常差作業對象位于不常抓握區,且位于3區。

4 實例分析

以某潛艇艙室為例，運用CATIA軟件對艙室進行空間測量，測得指揮艙室高在170 cm～276 cm，此為不計算頂部設備的凈高度。在此與二維布置圖進行對應，確定其最大高度為200 cm，因此該艙的指揮室高度在180 cm～200 cm之間，具體測量如圖3所示。

圖3 指揮艙室測量示意圖

4.1 立姿空間分析

(1) 高度空間分析。以艇員站姿作為研究對象，做一個虛擬人的仿真，進行高度空間的評價。虛擬人可勉強滿足自由揮臂的需求，如圖4所示。由上述的評價規范，在頂部空間項目上指揮艙室可勉強滿足自由揮直臂，因此頂部空間項目評價為好。

圖4 虛擬人空間評價

(2) 前后空間分析。定義虛擬人為身高175 cm，臂寬48 cm，以此標準建立虛擬人模型。模擬在指揮艙室實際立姿作業場景，人體的活動空間邊界距身體中線大于臂長，即大于58 cm，如圖5所示。根據虛擬人仿真結果，該艙室立姿前后空間可評價為非常好。

圖5 立姿作業

(3) 寬度空間分析。由于艙室空間的分布不均，在具體做評價時設定一條線路，例如由衛生間→指揮臺→會議室→生活艙入口。對這一路上四個特殊地方進行三段評價，最后根據歸一法確定行走空間的評級。第一階段：從衛生間到指揮臺階段。

如圖6所示，這段空間完全足夠兩人并排自由通行，行走空間大于100 cm，因此這段評價為非常好。

圖6 雙人并排行走

第二階段：指揮臺到會議室。

指揮臺距離會議室較近，只能由單人通過，而且指揮室與會議室之間的門也只能單人通過，如圖7所示，因此這段的寬度空間評價為一般。

第三階段：由會議室到生活艙門。

圖7 單人先后行走

這一段由于經過會議室桌子，桌前的椅子屬于可調節的物品，因此在這段行走當中可以勉強達到兩人并排前行，如圖8所示，因此此段評價為好。根據此三段的評價，其分別為非常好、一般和好，整體考慮整個指揮艙室的行走空間較為良好，因此行走空間的評價為好。

圖8 雙人并排行走(會議室)

(4) 立姿空間評價。綜合上述分析，對立姿空間的評價結果如表6所示。

表6 立姿空間評價

4.2 坐姿空間分析

(1) 水平面空間分析。在指揮臺前加載虛擬人，模擬其在指揮艙室指揮臺上的作業過程。以作業過程中需求的最大空間為例，如圖9所示，兩位作業者可以滿足正常水平面工作的要求，并且兩人之間作業時無干擾，空間舒適性較高，因此水平面作業評價為非常好。

圖9 水平面兩人工作范圍

(2) 垂直面空間分析。在這里以控制臺為例，虛擬人模擬操縱上方按鈕的動作，如圖10(a～d)所示。對照上文標準圖例，作業的對象大多落在1區和2區之間，并且控制臺顯示屏幕較多，因此作業時還會用到3區的一些顯示數據，根據模型中兩虛擬人的作業情況，測量得到顯控臺到人體的距離為44 cm，下方屏幕至人的視距為52 cm，上方屏幕至人的視距為59 cm，在虛擬人仿真過程中還發現了垂向空間的一個重要問題(見圖10(d))虛擬人膝部空間不足，因此垂直面空間的綜合評價結論為好。

(3) 坐姿空間評價。

綜合上述分析，對坐姿空間的評價結果如表7所示。

表7 坐姿空間評價表

圖10 垂直面工作時作業對象

4.3 綜合分析

經過上述分析，該艇艙室空間指標中垂直面空間判定最差，影響人員坐姿工作效率，改善空間可以以優化垂直面空間為主。

5 結論

本文研究了潛艇艙室空間的設計要求，結合人因工程理論提出對艙室空間的評價標準， 并利用虛擬人技術對某型艙室進行了分析評估，得到了艙室立姿和坐姿空間及相關指標的優劣，對后期的研制有一定的參考價值。

另在本文的基礎上可進一步細化評價體系，建立完善的評估模型，加深對虛擬人技術的利用，是科學有效地評價決策工具。

[1] 王曉紅. 潛艇居住艙室的布置及裝飾[J]. 武漢造船, 2000, 2，4-7.

[2] 張宏林. 人因工程學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[3] 宋福宏. 基于汽車人機工程的虛擬人體模型研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2007.

[4] 楊宇航, 李志忠, 鄭力. 虛擬維修研究綜述[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(9): 2191-2196.

[5] 黃璐. 鐵道車輛人椅界面數字化設計及其乘坐舒適性仿真[D]. 長沙：中南大學, 2011.

[6] 楊明, 尹明德. 基于DELMIA的虛擬裝配中人機工程仿真與應用[J]. 農業開發與裝備, 2009, 7: 12-15.

[7] 王占海. DELMIA人機工程在飛機虛擬維修中的應用[J]. 長沙航空職業技術學院學報, 2009, 9(4): 36-41.

[8] 徐孟, 孫守遷, 潘云鶴. 面向工作空間設計的虛擬人體模型[J]. 中國機械工程, 2006, 17(8): 836-840.

Spatial Analysis in Submarine Based on Virtual Human in Delmia Environment

PENG Fei, CHEN Wu, MOU Jin-lei

(Naval University of Engineering, Department of Ship Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

At the early stages of the submarine design, study how to evaluate the merits of the cabin space design, thus to improve the accommodation space is of great significance. Domestic study on submarine is less. In this article, through reference to similar interior space design criteria and human factors engineering theory，and put forward the evaluation standard of submarine cabin space. Using the virtual human technology to evaluate quantitative for the submarine cabin space design, the problem and defects can get completion before put into manufacture and use, save development time and cost, increase the efficiency of the submarine warfare.

DELMIA Virtual human Submarine cabin Spatial analysis

彭 飛(1975-)，男，副教授，博士。

U662

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