舰船舰桥整体设计及验证方法研究

王亚森 邓勇智 方雄伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

在国际海事规范中定义，船桥为驾驶室、桥翼区域及其安装设备的总称，对于舰船而言即为舰桥。舰桥设备高度集中、信息量大，环境颠簸。有统计表明，1992～2005年间，希腊客轮海上事故中的65%是直接由人的问题导致，而其中的76%则发生在船舶驾驶和指挥的过程中［1］。美军2017年发生的“菲茨杰拉德”号和“约翰·麦凯恩”号撞船事故的直接原因均是人员操作失误。

对舰桥这样高度人机交互的系统，目前国内舰船领域尚没有具体的设计要求。在舰船舰桥（特别是驾驶室）设计中，主要考虑的还是功能是否完善、设备是否齐整，对人的因素一般通过设计人员的个人经验来进行设计，缺少合理的设计体系。随着舰桥内设备和信息不断增加，对航行操纵人员的信息有效获取和判断造成了很大影响，如何有效地考虑使用者的使用效率，一直是设计者研究的重点，目前一般通过舰船建造和使用过程中使用人员的不断反馈来进行修改，并未形成有效的设计体系。

在国外舰桥设计过程中，特别是最新舰船的设计过程中，特别注意装备和人之间的协调，在结合规范设计的同时，会通过模型试验的方式，对设计进行校验，以验证舰桥设计。

1 海事规范发展

第十五款（关于船桥设计、导航系统和设备的设计和布置及驾驶室准则的规范）对舰桥的设计进行了原则定义。

2007年，国际标准化组织根据国际海上人命安全公约第五款细化得到了ISO 8468《舰桥布置和设备的要求和指南》，进一步细化了舰桥的布置和设备要求。

各船级社根据国际海事标准，特别是MSC/Circ.982制定了自己相应的“一人桥楼”标准，如DNV-NAUT-OC、NAUT-AW，CCS-OMBO等。这些要求通过对视线、玻璃窗、驾驶室工作环境、通道、驾驶室高度、驾控台及设备配备等做出要求，使船舶满足在特定海域仅靠一名船员进行操纵的要求。

目前海事规范针对舰桥的设计和设备配置出台了一系列规范，主要包括：

1996年，国际海事组织通过MSC.64（67）号决议《综合船桥系统性能标准建议案》，给出了综合船桥系统（IBS，integrated bridge system）的基本定义：综合船桥系统是为在工作站上集中使用传感器信息或指挥/控制而定义的一种互联综合系统，以便由适任的驾驶员提高船舶安全与有效的管理。综合船桥系统的集成体现在具有完善的导航、驾控、避碰、信息集中显示、报警监控、通信、航行管理和控制自动化等多种功能，便于驾驶员观测和操纵，同时将各设备的信息进行优化处理，从而使综合船桥系统比各设备单独使用时在保障船舶安全航行方面发挥更大的作用。

1999年，国际电工学会颁布了IEC 61209《综合船桥系统性能要求及测试标准》，对MSC.64（67）号决议的内容进行了细化，从功能集成、数据交换、故障诊断、人机工程、传感器设置、报警管理等多方面定义了驾驶室的设备组成和设计原则。

2000年，国际海事组织通过MSC/Circ.982《船桥设备及设计的人体工程学标准》，为2002年颁布的国际海上人命安全公约（SOLAS）修正案第五章提供支撑，对船桥的视野、工作环境、驾控台布置、报警、信息显示、人机交互均进行了定义。

2002年后的国际海上人命安全公约（SOLAS）

2 舰桥整体设计

舰桥整体设计是对驾驶室、桥翼区域的设计及对安装设备的要求设计，包括对驾驶室和桥翼区域的视野视线、窗户、通道、照明、环境条件等设计，也包括对设备的功能要求、信息架构等设计。

图1 舰桥整体设计流程

舰桥整体设计流程如图1所示，其中包括功能区划分和航行模式设计、人机环境设计、信息架构设计，在完成初步设计后还应通过虚拟仿真或半实物模式等方式对舰桥设计进行验证，形成最终设计方案。

2.1 航行功能区和任务模式设计

在MSC/Circ.982中将船桥功能区设置为导航操纵工作台、航行监视工作台、手动操舵工作台、靠泊工作台、计划和文档工作台、安全工作台和通信工作台，后来的各项规范中也多参考此规范进行工作区设置。其定义的各功能区功能要求如表1所示。

表1 船桥功能区功能要求

MSC/Circ.982中船桥功能区布置如图2所示。

舰桥与民用船桥存在一些差异，如航行计划一般在海图室完成，在舰桥一般不设置计划工作台；安全工作主要在损管中心执行，舰桥对于安全的监控职责较低；为保证一定烈度航行和任务条件下的人员冗余配置，如会对雷达、操机等战位进行必要的冗余配置。从MSC/Circ.982中的功能区定义，结合舰船使用要求，确定舰桥的功能区划分，如表2所示。

图2 船桥功能区布置

表2 舰桥功能区划分

某测量船为执行辅助任务的舰船，航行和任务烈度较低，值更航行时间长，其功能区布置与船桥类似，如图3所示。某舰为执行战斗任务的舰船，需要应对高烈度情况下的人员移动、损毁备份等需求，其功能区布置相对独立，便于补充人员和冗余备份，其布置如图4所示。

图3 某测量船舰桥功能区布置

图4 某舰舰桥功能区布置

针对不同的航行条件，对航行人员进行动态配置。在开阔海域时航行条件较好，减少航行人员，减轻值更压力；在海况和任务较为复杂的情况下，补充航行人员，应对特殊的航行和任务需求。

典型的航行模式包括值更模式、补充人员模式和满员模式3种工作模式：

（1）值更模式对应海况较好的大洋航行下，舰桥配置值更官、操舵人员和雷达信号人员；

（2）满员模式应对进出港等复杂的航行条件，舰桥配置满员；

（3）补充人员模式是介于值更和满员之间的航行模式，根据航行条件和任务需求，补充人员以满足航行需求。

2.2 人机环境设计

对于人机环境设计，在船桥相关的规范中已经有部分要求。通过规范的整理，并结合舰船的实际条件，可以形成人机环境的设计要求，以此指导设计。

设计过程一般是先确定舰桥人员的视野视线需求，进行驾驶室外形的初步设计，包括驾驶室位置、桥楼翼台和窗户的初步设计。在完成驾驶室初步外形设计的基础上从前向视野开始，考虑前窗通道空间，在满足最小视野视线需求的基础上，完成前向视野和通道的设计，然后对盲区和视野高度进行校核设计。如果视野视线不符合设计要求，就要对驾驶室外形设计进行修正，并对修正结果进行重新校核设计，确定驾驶室设备的布置方案。随后对驾驶室设备包括驾控台和座椅等设备进行设计，最终形成舰桥的人机设计方案［2-3］。

2.3 信息架构设计

舰桥的信息包括系统间信息交互、系统内信息交互及人-设备的信息交互。舰桥需要接收电子海图、综合导航、主机、电站、损管等信息，在接收信息后，对信息进行遴选、分类后显示给航行指挥人员，供其进行航行指挥。

2.3.1 信息要求

舰桥所在舰船自身使命任务和工作环境的特点，一般要求其具备较强的健壮性，在系统发生一定损毁的情况下，仍然具备保留部分功能继续工作的能力，在设计中需要满足以下功能：

（1）相互切换、相互备份

任一设备故障时可将其软件切换至其他设备中，切换完成后保证设备功能可用、完备且数据延续。

（2）权限管理

依据系统内不同站位以及站位职责划分设备功能使用和切换角色，分层次设置权限，在提高系统灵活性的同时保证系统使用的安全性。

（3）信息冗余

对关乎舰船安全的信息提供额外的冗余备份。

2.3.2 系统构架

目前船上一般配置全船以太网连接各系统，实现系统间信息的交互，为舰桥从全舰导航、推进、损管等系统获取信息提供来源。舰桥以全船以太网为基础，将电子海图、综合导航、主机、电站、损管等平台信息均接入舰桥虚拟子网，信息以组播形式在子网内发送，实现信息交互、数据共享和控制指令收发。

对于没有配置全船以太网的舰船，构建舰桥以太网，并通过信号处理设备将全船主要的导航、推进、损管等信息转换为以太网信号，在舰桥网内组播。

主要的显控设备基于标准的硬件平台，将各设备功能软件化，并将各软件共性的数据处理和权限管理功能抽离，形成统一、透明的标准化软件层，软件管理层负责权限管理和软件部署，数据中间层负责配置文件交互，数据层负责数据存储及全桥数据同步。数据中间层将硬件平台和配置数据存储与应用软件层在接口层面彻底隔离，数据层实现全桥数据同步以达到数据层面的透明，这样由各设备厂家提供的应用软件层就只需要按照要求编制接口，由底层负责信息交互，软件层实现相应功能，从而实现主要显控设备的互备互切。

2.3.3 信息需求

按照国际海事规范的要求，梳理舰桥各功能区的信息需求。舰船中一般设有集控室对推进进行集中控制，因此驾驶室对于推进控制的显示功能可以适当削弱。对于多个功能区均需要的信息，该类信息一般也是舰桥航行指挥的基本信息，驾驶室人员可能均对该类信息有使用需求，将该类信息设置在驾驶室顶部，便于所有人员的观察。不同功能区信息需求如表3所示。

表3 舰桥功能区信息需求

3 舰桥设计验证

完成舰桥初步设计后，需要进行设计验证，在设计阶段发现设计中存在的问题，从而实现设计、验证、评价到反馈、优化的全过程设计，避免交船之后对舰船进行反复修改的工作。

在设计过程中，通过三维虚拟设计，对设计的模型进行虚拟评估，发现设计中的问题，及时进行滚动修改设计。进一步可以采用半实物模型结合人在回路试验的方式，动态验证舰桥设计，并在后续设计中进行修改。

3.1 三维虚拟评估

在初步设计的基础上，可以利用三维建模技术，对舰桥进行三维模型建立，结合CAD/CAE/CAM等计算机辅助设计技术，对舰桥的布置、视野等进行校核，也可以对驾控台触及域、人员移动交互等进行动态仿真（参见图5、图6），对设计进行评价，对不合格的项目进行滚动设计和评估［4］。

图5 驾驶室三维仿真模型

图6 驾控台DELMIA触及域仿真

在三维虚拟评估中，需要筛选规范中对于单项尺寸和相关尺寸的定义，建立各分项评估表，依照评估表对舰桥中的各项人机交互参数进行计算评估。但评估表的项目均是静态的、预设的，因此三维虚拟评估主要针对的是舰桥的静态设计进行评估，如通道尺寸、视野盲区、窗框间距等，无法对使用者的动态使用过程进行验证。

3.2 半实物模型验证

对于舰桥这样高度人机交互的系统，目前国际规范尚不全面，而且仅仅静态评估，不考虑使用者的动态使用体验，往往不能全面验证设计。这也是实船建造中人机环境矛盾较为突出的原因［5］。因此本文还建立了具有视景系统的半实物模型的人在回路试验验证方法。

3.2.1 国外应用

国外很多舰船设计过程中采用半实物模型仿真来验证系统设计的合理性，半实物模型验证系统主要包括驾驶室主要设备、视景系统、舰船环境仿真系统、舵机和模拟器组成，可对驾驶室设备进行联调和功能性能的测试验证。

在美军“独立”号和“自由”号濒海战斗舰设计过程中，均建造了半实物模型（参见图7），并邀请海军舰员进行了长期的试验，以验证舰桥设计。

图7 “独立”号半实物模型

3.2.2 验证方案

在舰桥完成初步方案后，根据初步方案建造由驾驶室实尺模型、航行模拟设备和航行视景仿真平台组成的驾驶室半实物仿真系统。驾驶室实尺模型采用与实船相同或相似的设备搭建，并与航行模式设备信息交互，可以实时仿真操纵指令。

验证试验通过邀请使用方人员在半实物仿真系统中，在多种气象、海域条件下进行仿真操作。在试验过程中，通过模拟大雾、大雨、高海况等不同海域条件，在港内、暗礁区、渔业区等不同航行条件下，对不同航行模式下的使用人员操纵进行观察记录，并通过眼动仪记录人员观察数据。实操后通过访谈、问卷调查等方式，对舰桥设计进行评估，验证舰桥设计。

通过半实物模型结合人在回路试验，使用人员在动态环境中操纵，并在可控的环境下，模拟实际不容易出现的高海况、紧急避碰等情况，通过对使用人员的系统观察，可以对日常使用中设备布置、人员空间进行验证，也可以发现应急情况下人员设备操纵和信息获取的有效性，对舰桥设计进行修正。

4 工程设计应用

在某舰建造过程中，作为国内该舰种首型舰，其航行要求较为复杂。在舰桥设计过程中进行了舰桥整体设计，通过对舰船任务的梳理，完成了航行模式和功能区划分、人机环境设计和信息架构设计。在设计过程中通过三维虚拟评估，对舰桥设计进行仿真修改，后期结合半实物模型进行人在回路验证（见图8）；通过问卷调查、访谈、视频记录、眼动仪采集等对使用者体验进行采集；通过使用者的实操，在操作过程中发现很多静态设计中未曾发现的问题，如雷达位置的动态视野偏小、电话的位置靠前不易使用、侧推控制器位置不合理等问题，在后续设计中进行改进，大幅提升了该舰的舰桥设计水平。

图8 某舰半实物人在回路试验

5 结 语

在舰桥设计过程中，综合考虑舰船的任务特点和人-机交互的需求，通过对国内外规范的整理，对舰桥的任务模式、人-机-环境和信息体系构架进行设计，可以快速有效地完成整体设计初步方案。在初步方案基础上，结合三维虚拟评估进行滚动迭代设计，优化设计中的问题，可以提升舰桥设计进度。进一步结合半实物仿真验证，将使用者作为设计的一环，在动态使用中考虑人的因素，可以更有效地完成舰桥的设计。