艦船艦橋整體設計及驗證方法研究

王亞森 鄧勇智 方雄偉

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

在國際海事規范中定義，船橋為駕駛室、橋翼區域及其安裝設備的總稱，對于艦船而言即為艦橋。艦橋設備高度集中、信息量大，環境顛簸。有統計表明，1992～2005年間，希臘客輪海上事故中的65%是直接由人的問題導致，而其中的76%則發生在船舶駕駛和指揮的過程中［1］。美軍2017年發生的“菲茨杰拉德”號和“約翰·麥凱恩”號撞船事故的直接原因均是人員操作失誤。

對艦橋這樣高度人機交互的系統，目前國內艦船領域尚沒有具體的設計要求。在艦船艦橋（特別是駕駛室）設計中，主要考慮的還是功能是否完善、設備是否齊整，對人的因素一般通過設計人員的個人經驗來進行設計，缺少合理的設計體系。隨著艦橋內設備和信息不斷增加，對航行操縱人員的信息有效獲取和判斷造成了很大影響，如何有效地考慮使用者的使用效率，一直是設計者研究的重點，目前一般通過艦船建造和使用過程中使用人員的不斷反饋來進行修改，并未形成有效的設計體系。

在國外艦橋設計過程中，特別是最新艦船的設計過程中，特別注意裝備和人之間的協調，在結合規范設計的同時，會通過模型試驗的方式，對設計進行校驗，以驗證艦橋設計。

1 海事規范發展

第十五款（關于船橋設計、導航系統和設備的設計和布置及駕駛室準則的規范）對艦橋的設計進行了原則定義。

2007年，國際標準化組織根據國際海上人命安全公約第五款細化得到了ISO 8468《艦橋布置和設備的要求和指南》，進一步細化了艦橋的布置和設備要求。

各船級社根據國際海事標準，特別是MSC/Circ.982制定了自己相應的“一人橋樓”標準，如DNV-NAUT-OC、NAUT-AW，CCS-OMBO等。這些要求通過對視線、玻璃窗、駕駛室工作環境、通道、駕駛室高度、駕控臺及設備配備等做出要求，使船舶滿足在特定海域僅靠一名船員進行操縱的要求。

目前海事規范針對艦橋的設計和設備配置出臺了一系列規范，主要包括：

1996年，國際海事組織通過MSC.64（67）號決議《綜合船橋系統性能標準建議案》，給出了綜合船橋系統（IBS，integrated bridge system）的基本定義：綜合船橋系統是為在工作站上集中使用傳感器信息或指揮/控制而定義的一種互聯綜合系統，以便由適任的駕駛員提高船舶安全與有效的管理。綜合船橋系統的集成體現在具有完善的導航、駕控、避碰、信息集中顯示、報警監控、通信、航行管理和控制自動化等多種功能，便于駕駛員觀測和操縱，同時將各設備的信息進行優化處理，從而使綜合船橋系統比各設備單獨使用時在保障船舶安全航行方面發揮更大的作用。

1999年，國際電工學會頒布了IEC 61209《綜合船橋系統性能要求及測試標準》，對MSC.64（67）號決議的內容進行了細化，從功能集成、數據交換、故障診斷、人機工程、傳感器設置、報警管理等多方面定義了駕駛室的設備組成和設計原則。

2000年，國際海事組織通過MSC/Circ.982《船橋設備及設計的人體工程學標準》，為2002年頒布的國際海上人命安全公約（SOLAS）修正案第五章提供支撐，對船橋的視野、工作環境、駕控臺布置、報警、信息顯示、人機交互均進行了定義。

2002年后的國際海上人命安全公約（SOLAS）

2 艦橋整體設計

艦橋整體設計是對駕駛室、橋翼區域的設計及對安裝設備的要求設計，包括對駕駛室和橋翼區域的視野視線、窗戶、通道、照明、環境條件等設計，也包括對設備的功能要求、信息架構等設計。

圖1 艦橋整體設計流程

艦橋整體設計流程如圖1所示，其中包括功能區劃分和航行模式設計、人機環境設計、信息架構設計，在完成初步設計后還應通過虛擬仿真或半實物模式等方式對艦橋設計進行驗證，形成最終設計方案。

2.1 航行功能區和任務模式設計

在MSC/Circ.982中將船橋功能區設置為導航操縱工作臺、航行監視工作臺、手動操舵工作臺、靠泊工作臺、計劃和文檔工作臺、安全工作臺和通信工作臺，后來的各項規范中也多參考此規范進行工作區設置。其定義的各功能區功能要求如表1所示。

表1 船橋功能區功能要求

MSC/Circ.982中船橋功能區布置如圖2所示。

艦橋與民用船橋存在一些差異，如航行計劃一般在海圖室完成，在艦橋一般不設置計劃工作臺；安全工作主要在損管中心執行，艦橋對于安全的監控職責較低；為保證一定烈度航行和任務條件下的人員冗余配置，如會對雷達、操機等戰位進行必要的冗余配置。從MSC/Circ.982中的功能區定義，結合艦船使用要求，確定艦橋的功能區劃分，如表2所示。

圖2 船橋功能區布置

表2 艦橋功能區劃分

某測量船為執行輔助任務的艦船，航行和任務烈度較低，值更航行時間長，其功能區布置與船橋類似，如圖3所示。某艦為執行戰斗任務的艦船，需要應對高烈度情況下的人員移動、損毀備份等需求，其功能區布置相對獨立，便于補充人員和冗余備份，其布置如圖4所示。

圖3 某測量船艦橋功能區布置

圖4 某艦艦橋功能區布置

針對不同的航行條件，對航行人員進行動態配置。在開闊海域時航行條件較好，減少航行人員，減輕值更壓力；在海況和任務較為復雜的情況下，補充航行人員，應對特殊的航行和任務需求。

典型的航行模式包括值更模式、補充人員模式和滿員模式3種工作模式：

（1）值更模式對應海況較好的大洋航行下，艦橋配置值更官、操舵人員和雷達信號人員；

（2）滿員模式應對進出港等復雜的航行條件，艦橋配置滿員；

（3）補充人員模式是介于值更和滿員之間的航行模式，根據航行條件和任務需求，補充人員以滿足航行需求。

2.2 人機環境設計

對于人機環境設計，在船橋相關的規范中已經有部分要求。通過規范的整理，并結合艦船的實際條件，可以形成人機環境的設計要求，以此指導設計。

設計過程一般是先確定艦橋人員的視野視線需求，進行駕駛室外形的初步設計，包括駕駛室位置、橋樓翼臺和窗戶的初步設計。在完成駕駛室初步外形設計的基礎上從前向視野開始，考慮前窗通道空間，在滿足最小視野視線需求的基礎上，完成前向視野和通道的設計，然后對盲區和視野高度進行校核設計。如果視野視線不符合設計要求，就要對駕駛室外形設計進行修正，并對修正結果進行重新校核設計，確定駕駛室設備的布置方案。隨后對駕駛室設備包括駕控臺和座椅等設備進行設計，最終形成艦橋的人機設計方案［2-3］。

2.3 信息架構設計

艦橋的信息包括系統間信息交互、系統內信息交互及人-設備的信息交互。艦橋需要接收電子海圖、綜合導航、主機、電站、損管等信息，在接收信息后，對信息進行遴選、分類后顯示給航行指揮人員，供其進行航行指揮。

2.3.1 信息要求

艦橋所在艦船自身使命任務和工作環境的特點，一般要求其具備較強的健壯性，在系統發生一定損毀的情況下，仍然具備保留部分功能繼續工作的能力，在設計中需要滿足以下功能：

（1）相互切換、相互備份

任一設備故障時可將其軟件切換至其他設備中，切換完成后保證設備功能可用、完備且數據延續。

（2）權限管理

依據系統內不同站位以及站位職責劃分設備功能使用和切換角色，分層次設置權限，在提高系統靈活性的同時保證系統使用的安全性。

（3）信息冗余

對關乎艦船安全的信息提供額外的冗余備份。

2.3.2 系統構架

目前船上一般配置全船以太網連接各系統，實現系統間信息的交互，為艦橋從全艦導航、推進、損管等系統獲取信息提供來源。艦橋以全船以太網為基礎，將電子海圖、綜合導航、主機、電站、損管等平臺信息均接入艦橋虛擬子網，信息以組播形式在子網內發送，實現信息交互、數據共享和控制指令收發。

對于沒有配置全船以太網的艦船，構建艦橋以太網，并通過信號處理設備將全船主要的導航、推進、損管等信息轉換為以太網信號，在艦橋網內組播。

主要的顯控設備基于標準的硬件平臺，將各設備功能軟件化，并將各軟件共性的數據處理和權限管理功能抽離，形成統一、透明的標準化軟件層，軟件管理層負責權限管理和軟件部署，數據中間層負責配置文件交互，數據層負責數據存儲及全橋數據同步。數據中間層將硬件平臺和配置數據存儲與應用軟件層在接口層面徹底隔離，數據層實現全橋數據同步以達到數據層面的透明，這樣由各設備廠家提供的應用軟件層就只需要按照要求編制接口，由底層負責信息交互，軟件層實現相應功能，從而實現主要顯控設備的互備互切。

2.3.3 信息需求

按照國際海事規范的要求，梳理艦橋各功能區的信息需求。艦船中一般設有集控室對推進進行集中控制，因此駕駛室對于推進控制的顯示功能可以適當削弱。對于多個功能區均需要的信息，該類信息一般也是艦橋航行指揮的基本信息，駕駛室人員可能均對該類信息有使用需求，將該類信息設置在駕駛室頂部，便于所有人員的觀察。不同功能區信息需求如表3所示。

表3 艦橋功能區信息需求

3 艦橋設計驗證

完成艦橋初步設計后，需要進行設計驗證，在設計階段發現設計中存在的問題，從而實現設計、驗證、評價到反饋、優化的全過程設計，避免交船之后對艦船進行反復修改的工作。

在設計過程中，通過三維虛擬設計，對設計的模型進行虛擬評估，發現設計中的問題，及時進行滾動修改設計。進一步可以采用半實物模型結合人在回路試驗的方式，動態驗證艦橋設計，并在后續設計中進行修改。

3.1 三維虛擬評估

在初步設計的基礎上，可以利用三維建模技術，對艦橋進行三維模型建立，結合CAD/CAE/CAM等計算機輔助設計技術，對艦橋的布置、視野等進行校核，也可以對駕控臺觸及域、人員移動交互等進行動態仿真（參見圖5、圖6），對設計進行評價，對不合格的項目進行滾動設計和評估［4］。

圖5 駕駛室三維仿真模型

圖6 駕控臺DELMIA觸及域仿真

在三維虛擬評估中，需要篩選規范中對于單項尺寸和相關尺寸的定義，建立各分項評估表，依照評估表對艦橋中的各項人機交互參數進行計算評估。但評估表的項目均是靜態的、預設的，因此三維虛擬評估主要針對的是艦橋的靜態設計進行評估，如通道尺寸、視野盲區、窗框間距等，無法對使用者的動態使用過程進行驗證。

3.2 半實物模型驗證

對于艦橋這樣高度人機交互的系統，目前國際規范尚不全面，而且僅僅靜態評估，不考慮使用者的動態使用體驗，往往不能全面驗證設計。這也是實船建造中人機環境矛盾較為突出的原因［5］。因此本文還建立了具有視景系統的半實物模型的人在回路試驗驗證方法。

3.2.1 國外應用

國外很多艦船設計過程中采用半實物模型仿真來驗證系統設計的合理性，半實物模型驗證系統主要包括駕駛室主要設備、視景系統、艦船環境仿真系統、舵機和模擬器組成，可對駕駛室設備進行聯調和功能性能的測試驗證。

在美軍“獨立”號和“自由”號瀕海戰斗艦設計過程中，均建造了半實物模型（參見圖7），并邀請海軍艦員進行了長期的試驗，以驗證艦橋設計。

圖7 “獨立”號半實物模型

3.2.2 驗證方案

在艦橋完成初步方案后，根據初步方案建造由駕駛室實尺模型、航行模擬設備和航行視景仿真平臺組成的駕駛室半實物仿真系統。駕駛室實尺模型采用與實船相同或相似的設備搭建，并與航行模式設備信息交互，可以實時仿真操縱指令。

驗證試驗通過邀請使用方人員在半實物仿真系統中，在多種氣象、海域條件下進行仿真操作。在試驗過程中，通過模擬大霧、大雨、高海況等不同海域條件，在港內、暗礁區、漁業區等不同航行條件下，對不同航行模式下的使用人員操縱進行觀察記錄，并通過眼動儀記錄人員觀察數據。實操后通過訪談、問卷調查等方式，對艦橋設計進行評估，驗證艦橋設計。

通過半實物模型結合人在回路試驗，使用人員在動態環境中操縱，并在可控的環境下，模擬實際不容易出現的高海況、緊急避碰等情況，通過對使用人員的系統觀察，可以對日常使用中設備布置、人員空間進行驗證，也可以發現應急情況下人員設備操縱和信息獲取的有效性，對艦橋設計進行修正。

4 工程設計應用

在某艦建造過程中，作為國內該艦種首型艦，其航行要求較為復雜。在艦橋設計過程中進行了艦橋整體設計，通過對艦船任務的梳理，完成了航行模式和功能區劃分、人機環境設計和信息架構設計。在設計過程中通過三維虛擬評估，對艦橋設計進行仿真修改，后期結合半實物模型進行人在回路驗證（見圖8）；通過問卷調查、訪談、視頻記錄、眼動儀采集等對使用者體驗進行采集；通過使用者的實操，在操作過程中發現很多靜態設計中未曾發現的問題，如雷達位置的動態視野偏小、電話的位置靠前不易使用、側推控制器位置不合理等問題，在后續設計中進行改進，大幅提升了該艦的艦橋設計水平。

圖8 某艦半實物人在回路試驗

5 結 語

在艦橋設計過程中，綜合考慮艦船的任務特點和人-機交互的需求，通過對國內外規范的整理，對艦橋的任務模式、人-機-環境和信息體系構架進行設計，可以快速有效地完成整體設計初步方案。在初步方案基礎上，結合三維虛擬評估進行滾動迭代設計，優化設計中的問題，可以提升艦橋設計進度。進一步結合半實物仿真驗證，將使用者作為設計的一環，在動態使用中考慮人的因素，可以更有效地完成艦橋的設計。