载人潜水器舱室空间布局设计方法与应用研究
李瀛
摘要：载人潜水器舱室空间布局设计是涉及到人机工程、工业设计、测量学、心理学、行为学、材料学和色彩学等多种学科的综合性的工作，在分析目前载人潜水器设计问题的基础上，引入工业设计方法和理论体系，建立了载人潜水器工业设计解决方法模型，研究了载人潜水器舱内布局设计对象，详细论述了从创意方案设计到效果表达输出的系统设计过程，并进行了人机功效等设计分析，最终获得了载人潜水器舱室布局设计方案。
关键词：载人潜水器 舱室布局 工业设计 人机设计
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）01-0014-02
引言
随着目前海洋资源开发竞争的愈发激烈，载人潜水器作为深海探测、科学考察和开发作业的必备工具，是目前装备制造业研究的难点和热点Ⅲ。载人潜水器为潜航员和乘客提供了深潜工作所需的各种设备和环境，保证了潜航员的水下作业的有序进行。
载人潜水器舱内布局设计的研究，将在现有的潜水器布局基础上，对潜水器舱内各个部分进行合理的优化设计，包括布局和色彩规划，使潜航员在未来载人潜水器的深潜工作当中更加高效，有效地提高了工作人员的工作效率，满足潜航员的心理需求。载人潜水器舱内布局优化设计对未来深海作业具有重大的意义。
一、载人潜水器舱室布局问题
载人潜水器舱内布局设计过程中所涉及到的“人”是指作为工作主体的人；“机”是指人所控制的设备和设施；“环境”是指人、机共处的外部条件和特定的工作条件。载人潜水器舱内布局设计，就是把人、机、环境三者视为相互关联的复杂系统，在深入分析和研究三者关系的基础上，运用现代设计的最新理论和方法，改变以往分散、孤立的设计和研究局面，使系统具有“安全、高效、舒适、易用”等综合效能。目前针对这类产品的开发设计，主要采用智能设计方法，如多学科优化设计、人机设计方法、计算机辅助设计技术、数字化设计技术也为潜水器设计带来了崭新的方向。
针对目前载人潜水器舱内布局设计特点的分析总结出以下几点：
（a）整体布局设计方面
控制台区域的控制区和显示区比較集中，其他操作区、显示区以及生命维持系统等大多都布置在内舱环形面。相关仪器、仪表集中布置于工作^员的前后，—方面大大缩小了，人的活动空间，使潜航员在舱内难以伸展，容易产生疲劳感；另—方面识别性不强，需要花费较长时间去进行分辨。除此之外，潜航员控制台与乘客控制区分布不明显，于紧密，易导致作业时的不便。
（b）人机设计方面
各种设备仪器摆放在支架上，基本满足了潜航员和乘客的生理尺寸，但并未做相应的重要性分区和“行为学”优化，对人的心理尺寸的重视程度也不够，长时间操作容易疲劳。人机安全性较差，存在一些“断面”、驾驶舱有尖锐的裸露表面，可能造成操作人员的意外伤害。设备分布合理，但识别性不高，不同类设备之间区分度不高，潜航员和乘客在作业时，需要仔细辨认才能保证操作的准确性，影响作业效率。
（c）色彩设计方面
载人潜水器的使用范围较窄，作业人员较为限定，在设计之初只是为了满足产品的功能需求，舱内环境基本都是设备的原始色彩，大部分采用冷灰色的主色调加上阴冷的深海环境，使人容易产生森冷之感，寒意由心而生，缺乏温馨感。随着目前载人潜水器发展的成熟，以及工作环境的需要，舱内色彩急需重新设计。
（d）形态设计方面
多数载人潜水器内部过多采用锐角和直线，使潜航员和乘客产生一种不安的心理感受，设备造型不符合人的视觉感受，显得过于笨重和落后，不能体现科技感和先进性。操作台控制区比较凌乱，各设备之间的搭配较差，没有很好的融合，未营造出温馨舒适的工作环境。二、潜水器工业设计研究方向
工业设计目前渗入到各行各业，尤其在我国航天航海领域，发挥了主要的作用。工业设计从人的角度出发，协调人与机器、环境的关系，在载人潜水器舱室设计方面，需要采用以下几种设计方向：
（一）以人为中心的优化设计
在舱内布局设计过程中，突出“人”的因素，即从事深潜活动的潜航员和乘客，以“人”的生理、心理需求，以及特定任务下的行为特点为设计的依据，对舱内空间进行优化，打造适合中国人特定生理尺度和心理需求的载人深潜舱内空间。
（二）人机化的设计
在舱内布局设计过程中，根据人机工程学、人类行为学、空间心理学的基本理论，进行空间布置和空间规划，并进行有针对性的、适当地空间拓展设计以达到合理利用有限空间的目的。然后，进一步对舱内人员的活动范围和活动路径进行合理规划，全方位多角度提升空间的利用效率，拓展舱内空间的心理尺度等。
（三）提高舱内环境的舒适性
通过全新的人机设计、工作区的色彩设计、形态设计和其他视觉元素设计，全面提升舱内空间的舒适性，使舱内系统在安全、高效、经济、舒适等诸方面获得最佳效果，为潜航员和乘客供舒适、宜人的工作和休息环境，进而提高工作效率，帮助潜航员和乘客有效释放压力，降低潜航员和乘客在复杂的海洋环境中的疲劳度等。
三、载人潜水器舱室设计案例
在分析现有资料的基础上，根据载人潜水器舱内布局设计的特点制订设计思路，利用先进的人机工程学设计理念和设计方法，对潜水器舱内空间进行布局设计和人机设计，并对潜水器的控制器与显示器、各类操作器、舱内标示系统、舱内整体环境色彩、形态等进行系统的工业设计。
图1是对潜水器舱内的设备分析，为后期的分区设计奠定基础。
（一）载人潜水器整体布局构思
考虑到潜航器内部空间有限的特点，采用简洁造型设计，给潜航员和乘客以更加宽敞的感觉，提升整体舱内环境。在舱内横线方向的布局上尽量采用统一的过渡变化或对称型。这样，一方面使人容易理解、结构严谨、显得庄重；另—方面，从心理学的角度来看，由于视觉多停留在对称线上，物体产生静止不动之感。在舱内的竖线方向的设计上，主要采用以体量对称达到的均衡，给人以庄重、整齐的感觉。这种以等量不等形，等形不等量、不等形又不等量达到的均衡，是一种变化的均衡，一种内在的、美的秩序的均衡。
（二）載人潜水器舱内布局设计与人机设计
人体尺寸数据是人机系统设计的基本资料。人体测量数据主要有两类，即人体静态尺寸和人体动态尺寸。静态尺寸是结构尺寸，动态尺寸是功能尺寸。后者包括操作者在工作姿势或某种操作活动状态下测量的尺寸。
人体静态尺寸是指被测者静止时得到的测量尺寸。静态尺寸可以作为潜水器工作空间的大小、设备、操控区和显示区以及一些工作设施等的设计依据。静态测量主要可分为立姿、坐姿、跪姿和卧姿4种基本形态。对于载人潜水器的舱内布局设计，主要用到的是潜航员和乘客的坐姿和站姿测量数据。
人体动态尺寸是以人的生活行动和作业空间为测量依据的，包括人的自我活动空间和人机系统的组合空间。动态人体尺寸分为四肢活动尺寸和身体移动尺寸两类。四肢活动尺寸是指人体在原姿势下，活动上肢或下肢，而身躯位置没有变化的相关角度尺寸。对于载人潜水器的布局设计，主要用到的人体动态尺寸是四肢活动尺寸。
在实际的应用过程中，考虑到不同环境及人的心理状态的影响，还需要对测量得到的数据进行修正，以最大限度满足舒适度的要求。
（三）载人潜水器舱内布局设计与色彩设计
对于潜水器舱内整体环境的色彩设计，主色选用孟塞尔色立体中央轴上高明度的一系列灰色，给人平和安稳的感觉，此外可以选择则其他中等纯度的有彩色，给人小部分视觉上的跳跃感。考虑潜水器的使用环境，能使整个空间环境营造出一种稳重的氛围，使潜航员和乘客感受到宜人的舒适感。
舱内各模块的色彩搭配，主要根据各模块的功能需求，在色彩设计的过程中，突出识别性和美观性；最终的色彩搭配方案应有利于提高各模块的操作效率，减少误操作的可能，有利于迅速反应、安全操作、不易疲劳等。
（四）创意草图构思
创意草图的绘制是在设计中快速表达产品功能和造型的重要途径，在载人潜水器舱内布局设计中，运用头脑风暴的方法，绘制了大量的方案草图，包括对舱内操作台、潜航员以及乘客座椅、储物柜、生保系统、伸缩梯等的细节的草图2展示。
（五）方案人机分析
在进行了方案的详细分析及研究后，对方案进行三维实体建模和仿真人机分析。Jack系统是由美国宾夕法尼亚大学Norman Balder教授主持，历经十多年研究开发的软件系统，是目前比较公认的人体仿真模型和功效评估软件系统。在进行系统的人机分析之后，最终获得了舱室布局设计最优方案，如图4所示。
结论
载人潜水器舱室布局设计涉及技术复杂、领域众多，论文在分析现有潜水器舱室设计问题的基础上，引入工业设计理论和方法体系，对载人潜水器舱室空间的布局设计进行研究，建立了载人潜水器舱室空间工业设计优化设计流程体系，最终获得了舱室布局方案。为载人潜水器舱室这类复杂产品提供了新的研究方向，对于其他复杂装备产品的研究具有借鉴意义。同时，在舱室布局设计中的协调优化设计方面，换需要进一步研究。
