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载人潜水器舱室空间舒适性复合评估方法
资料介绍
基 金】 国家重点研发计划(2016YFC0300600)
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（完整内容请下载后查看）Vol. 51 No. 10
Oct． 2019
51
10
期
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
第
卷
第
2 0 1 9
10
月
年
JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
j． issn．
DOI: 10． 11918 /
0367-6234． 201810148
载人潜水器舱室空间舒适性复合评估方法
1
1
1
2
2
1
， ， ， ， ，
张 帅 何卫平 陈登凯 叶 聪 徐伟哲 樊 皓
( 1．
( ) ，
陕西省工业设计工程实验室 西北工业大学 西安
710072; 2．
，
中国船舶科学研究中心 江苏 无锡
214082)
: ， ，
要 为改善载人潜水器舱室空间舒适性 针对深海载人潜水器强约束条件下舱室空间舒适性特征 提出基于虚拟仿真技
摘
． ，
术的舱室可视化空间舒适性多源复合评估方法 该方法以虚拟仿真技术为基础 将载人潜水器舱室空间三维数字化数据与潜
， ; ， ，
航员人体数据相结合 构建数字化虚拟仿真模型 以快速相应与评估为标准 将人体舒适性进行分区 并对载人潜水器空间与
， ， 7 ; 6
功能特征进行系统的分析 依托人体生理学特征获取人体舒适性区域特征及空间约束映射 建立 项评估指标 结合 项人因
， ，
评估工具构建舒适性多源复合评估模型 采用虚拟仿真技术开发空间舒适性可视化评估系统 并通过某型载人潜水器舱室空
， ． ，
间优化设计 对舒适性多源复合评估方法和可视化评估原型系统进行可行性验证 研究表明 不同的任务作业姿态严重影响
， ．
人体舒适性评估的准确性 狭小的舱室空间及舱内设备的布局进一步增大了作业姿态评估的难度 采用空间舒适性复合评估
，
方法能够准确的描述多种姿态下空间舒适性程度 同时多源和可视化的技术特点在一定程度上提升了空间设计方案评估效
．
率以及评估结果的可读性
: ; ; ; ;
关键词 载人潜水器 舱室设计 空间舒适性 人机工效 虚拟仿真
: TB18 : A : 0367 － 6234( 2019) 10 － 0083 － 07
文献标志码 文章编号
中图分类号
Compound evaluation method for the space comfort of manned submersible
1
1
1
2
2
1
ZHANG Shuai ，HE Weiping ，CHEN Dengkai ，YE Cong ，XU Weizhe ，FAN Hao
( 1． Shaanxi Engineering Laboratory of Industrial Design ( Northwestern Polytechnical University) ，Xi'an 710072，China;
2． China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，Jiangsu，China)
Abstract: To improve the space comfort of manned submersible compartment，a multi-source composite evaluation
method based on virtual simulation technology was proposed to evaluate the space comfort of deep-sea manned
submersible compartment under strong constraints． Based on virtual simulation technology，the method combines
three-dimensional digital data of manned submersible compartment space with human data of submersible to
construct a digital virtual simulation model． By regarding rapid correspondence and evaluation as criterion，human
comfort was divided into zones， and the space and function characteristics of manned submersible were
systematically analyzed． Through acquiring human comfort zone characteristics and space constraint mapping based
on human physiological characteristics，seven evaluation indicators were established． Six human factors assessment
tools were combined to build a multi-source composite comfort evaluation model． The visual evaluation system of
space comfort was developed by virtual simulation technology，and the feasibility of the multi-source composite
evaluation method and the visual evaluation prototype system was validated by optimizing the space design of a
manned submersible cabin． The research shows that different task postures seriously affected the accuracy of human
comfort assessment． The narrow cabin space and the layout of equipment in cabin further increased the difficulty of
job posture assessment． The composite evaluation method of spatial comfort could accurately describe the degree of
spatial comfort under various postures． At the same time，the technical characteristics of multi-source and
visualization improved the efficiency of evaluation of spatial design schemes and the readability of evaluation results
to a certain extent．
Keywords: manned submersible; cabin design; space comfort; ergonomics; virtual simulation
［2］
．
， 、
目前 美
走向深海远洋是中国拓展国家资源储备和国家
科学研究和资源勘探的关键技术装备
［3］
， ，
战略空间的需求 是可持续发展的必然要求 也是实
、
日 法等国正加速相关装备技术的研究
，
近年来
［1］
［4］
．
，
现建设海洋强国的必经之路
载人潜水器是深海
中国在深海勘探装备与技术研究方面成果显著
“ ” “ ”
目前已经完成 蛟龙 号和 深海勇士 号两型载人
: 2018 － 10 － 25
收稿日期
［5］
，
潜水器的研发工作 并投入实际应用
．
:
基金项目 国家重点研发计划
( 2016YFC0300600)
，
由于受到深海压力的限制 潜水器载人舱一般
:
( 1987—) ， ， ;
男 博士研究生
作者简介
张
帅
( 1965—) ， ， ，
男 教授 博士生导师
何卫平
2 m
．
左右的球形舱室 根据深海任务要
设计为直径
:
通信作者 陈登凯
，chendengkai@ nwpu． edu． cn
·84·
51
卷
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
第
， 3 ，
求 除搭载 名潜航员外 载人舱还装备了大量的
;
直观展现人体舒适性分区评估结果 二级界面包含
， ，
实验设备 进一步限制了潜航员的活动空间 导致舱
，
舒适性数据的数据源 可根据具体评估优化指标查
［6］
．
．
询具体评估数据 根据舱室舒适度复合评估模型创
室空间环境复杂且舒适性差
潜航员在长时间的
，
， ，
建程序菜单 构建程序框架 并依据各项评估指标建
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
． 、
立交互式评估界面 该系统具有快速评估 结果追
．
作业的效率和安全 密闭狭小环境舒适性对人健康
、
、 ．
溯 交互式数据源的特点
工作效率的影响一直都是国内外学者研究和探讨的
［7］
．
热点话题
，
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
［8 － 9］
．
的是一个亟待解决的关键问题
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
［10 － 12］
， 、 、
但普遍存在操作复杂 判断指标单一 缺少
究
．
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
3 ， 1
案的可视化评估 个基本环节 如图 所示
．
1． 1
创建三维虚拟仿真模型
(
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
( Soldworks、Pro-E、CATIA
室工程数据通过工程软件
1
图
多源复合评估流程
)
等 或造型软件
( Rhino、3Dmax
)
等 创建等尺寸原始
JACK
人因工程仿真平台创建虚拟
Fig． 1 Multi-source compound evaluation process
，
三维模型 通过
．
环境 根据潜航员人体数据标准确定虚拟人体数
2
载人潜水器空间舒适性分析
［13］
． JACK
据
是西门子工业软件公司旗下的集三维
2． 1
载人潜水器舱室空间特征
、 、
仿真 数字人体建模 人因工效分析等功能于一体的
［14］
载人潜水器是指具有水下观察和作业能力的潜
．
JACK
创建虚拟人模
高级人机工程仿真软件
由
． 、 、
水装置 主要用来执行水下考察 海底勘探 海底开
，
型 一般选择中国人人体数据库第
5、50、95
百分位
［16］
［15］
、
发和打捞 救生等任务
．
当前大潜深载人潜水器
．
数据作为虚拟人
［17］
．
舱室载人球壳主要采用钛合金制成
由于受到深
2 m
1． 2
舒适性多源复合评估方法
，
海水压制约 载人潜水器舱室一般为直径
左右
JACK
舒适性多源复合评估方法是将
人因工程
， 、
的球型舱室 内部空间极其紧张 除搭载必要的显控
，
仿真平台多种工具人因仿真分析结果 通过建立评
、 、 ， 3
设备 生保设备 实验设备外 还需搭载 名成员
，
估指标映射和隶属度函数 对结果进行均一化处理
．
( 1
、2 ) ， 2 ．
名潜航员 名科学家 如图 所示
、 、
可针对虚拟人整体和局部舒适性 姿态舒适性 可达
，
根据水下任务要求 将直径内径
2 m
的载人舱
．
性及可视性进行仿真
． :
室划分为多个功能区域 主要功能立面分区包括 舱
1． 3
优化方案的可视化评估
、 、 、 、
口出入区 试验设备安放区 显控系统 显示器 操作
JACK
．
平台进行可视化二次开发 采用扁
依托
、 / 、 、 ;
台 主 侧舷窗 潜航员活动区 生命保护系统区 主
， ，
平化原则 构建二级界面 一级界面以雷达图的形式
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资料：血糖仪原理图
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