人机工程学下船舶控制器的工业设计方法探究

摘要：科技日新月异，技术的进步使得船舶操纵更趋智能化。基于人机工程学的支持，船舶控制器系统技术需要满足用户的多元化需求，并确保操作安全、可靠与有效。新时期船用控制器设计要求概括为舒适性、安全性、宜人性以及标准化、系列化、模块化等特点。工业设计思想、人机工程学体系广泛应用于控制器设计旨在营造更加优良的人机环境操控系统。本文通过介绍某船用复合车钟的设计个案来引出特殊产品控制器设计方法的讨论，以期达到为相关产品提供设计借鉴的目的。

关键词：船舶 控制器 工业设计 人机工程学

1、引言

科技的进步与经济的飞速发展促使人类空前关注产品设计的人性化，如何使产品满足人们对“技术美”的直观追求并能够更好的为人所使用成为当今关注的热门议题。合乎美学质量的产品能够提升其附加值，增强市场竞争力已变的毋庸置疑。作为船用电子设备，其外观的设计要素与结构中的人机要素也越来越受到重视。船用控制器的发展历程从车钟的发展中可见一斑。船舶车钟是驾驶台与机舱联系用车的一种最重要手段。船舶车钟一般有前进一、前进二、前进三、前进四、前进五、停车、后退一、后退二、后退三等几种档位。如果驾驶台想用前进一，就把车钟推到前进一位置向机舱发出用车指令，机舱下面就会听到，轮机员把车钟推到同样的位置铃声才会停止，机舱立即执行用车指令，把主机开到前进一。每次变更用车指令，驾驶室和机舱控制室都需要做记录，专门有车钟记录本。随着时展，技术的变更，2000年以后造的船舶大多车钟的变换会被计算机直接记录了，样子也有了较大的变更。更多的科技融入设计当中，如何使机器更好的为人所用变的愈加重要，这就不得不提到人机工程学。所谓人机工程学，亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法。人机工程学的显著特点是，基于人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将所设计的物和使用物的人以及物所处的环境作为一个整体系统来研究。德国Sturlgart设计中心评选优良产品时在人机工程上设定标准为：

1、产品与人体的尺寸、形状及用力是否配合；

2、产品是否顺手和方便使用；

3、是否能防止使用者操作时意外的伤害和错用时产生的危险；

4、各操作单元是否实用；各元件在安置上能否使其意义毫无疑问的被辨认；

5、产品是否便于清洗、保养及维修。

站在使用者的角度，产品的视觉效果通常能够决定购买行为的成立与否。但作为一名设计师应该更加关注产品的长期使用效果及其舒适性，尤其是避免伤害与危险的防治更需重视。

2、船用控制器设计概述

控制器是按照预定顺序，通过改变控制电路来达到预定功能的主控装置。许多产品上镶嵌着各式各样的控制器，它们不仅代言了产品的不同功能，亦同时映射了人对产品的操作方式与使用程序。控制器是操作媒介，人机工程学广泛应用于控制器设计目的在于使操控更加符合人的使用习惯。控制器的分类方法繁多，常见小型手动控制器分类标准如表1所示。

随着世界经济的不断进步，航运业的发展也十分迅速，海上航行船舶的类型、数量都发生着巨大变化。同时对船舶运动控制的要求也在日益增高，针对船舶运动控制的各种算法也是层出不穷，随着船舶大型化和船员数量越来越少，船舶的操作控制比以往更加困难和复杂。

工业设计向船舶电子设备的逐渐渗透使得结构设计人员面临着新的挑战。他们不仅需要通晓结构、材料、工艺等方面的专业知识，同时也要具备基本的美学知识，掌握工业设计现代表现手法和设计思路。结构工程师一般不具备专门的设计教育背景，只靠“感觉创新”很难将工业设计付诸于产品。这种挑战随着工业设计专业人员向船舶企业的渗透而逐步得到改观。

随着设计人员工业设计水平的不断提高，船舶电子设备的面貌将迈上崭新的台阶。怎样站在更高的层面，在设计过程中结合产品自身结构、性能特点，运用工业设计的思想和人机工程学的理念，使设计不断趋于人机和谐与突破创新，这是非常值得深究的课题。船舶电子设备与其他工业产品相比有其自身特点，结构设计人员在造型方面有自身的局限性，单从功能出发很难设计出人性化的产品，这就需要工业设计师的创造性思维来支撑设计的环节，他们需要与结构设计师在每个设计环节缜密配合，进而寻求功能结构与外观设计的最优解。

船舶车钟是驾驶台与机舱联系用车的一种最重要手段，船用控制器独特的操纵环境、特殊的使用功能决定了其独特的外观性能。一般在封闭式驾驶室和集控式驾驶室使用手柄式车钟。机舱和开放式驾驶室两翼可以使用按键式车钟。一般复合车钟设计需满足前进、后退、空车、加速、减速、操舵转向等功能

船舱特殊的操纵环境会对控制器的可靠性不可避免地产生影响，船用控制器大部分时间都处在振动、冲击、颠震、倾斜和摇摆等机械环境当中，特殊的环境决定了控制器需要进行有效地抗震缓冲设计。潮湿、盐雾和霉菌是船舶电子设备最常遇到的破坏性环境条件，这三方面的防护设计称为三防设计，设计人员必须根据控制器所处的舱室确定其防护等级，选择三防性能优良的材料和表面处理方法，确定防潮防凝露的措施。夜间航行还需足够的光补给，通常在控制器上使用夜光材质按钮以及利用发光二极管提供照明。除此之外，还必须采取合理的热交换方式，进行相关的电磁兼容设计。综上所述，特殊的船舱环境要求控制器必须进行相关的环境适应性设计。

以上特殊因素是在一般工业设计过程中考虑不到的，所以通常的工业设计方法对于特殊产品设计只起一个“方法论”的指导作用，具体的深入设计还需结合专业背景进一步深入探索。

3、某船用复合车钟设计

3.1设计概述

该船用复合车钟可以为推进动力装置的自动控制、主机遥控操纵系统提供可靠的控制信号和开关量信号及传递车令应答联络的功能。兼具新颖脱俗造型，可靠稳定的定位结构和传动系统，符合人机工程学要求的操控手感等特点。

车钟横纵操纵角度均为120度；纵向有“前进、停、后退”范围内九个定位档；水平面同样有“左舵、直行、右舵”范围内九个定位档。透光刻度面板，指针指示，可满足夜航的操作要求。

考虑到船舶夜间行驶的特殊条件，每个按钮都包含自己的发光二极管。这就确保了操作人员在任何状态下都能够在视觉上确认按钮的位置，包括低光条件、夜间条件等特殊环境。

特殊的结构使模块化思路与标准化设计理念深入设计。能够应用在不同操作平台，根据实际需求增减如按钮、台面、屏幕等模块，如图1所示。

3.2智能操控面板设计

先进易使用的多功能控制器应该能处理系统中的所有功能，及时提供操作所必需的信息及易于理解的图形信息。优良的操作界面使得操作变的简便而有效率，操作员可以通过屏幕获取相关的帮助和建议。复合车钟搭载的智能操控面板引用了“信息图形”的理念，界面设计如图2所示。“信息图形”又称为信息图，是指数据、信息或知识的可视化表现形式。信息图形主要应用于具要有清楚准确的解释或表达甚为复杂且大量的信息源，例如在各式各样的文件档案上、各个地图及标志、新闻或教程文件，表现出的设计是化繁为简。这就使操作显示更为直观，凸显操作的人性化，提高操作的可识别性。界面图形通过几何形状穿插组合，风格简明又不失严谨。中规中矩的配色与图形可较好的搭配车钟的“气质”。智能面板边缘呼应车钟外轮廓形状，使设计浑然一体。

3.3“手型”操作手柄设计

机械制造背景下的产品设计通常将手与手柄接触的位置设计为圆柱形或其他规则几何形式，如图4所示，有些易引发操作疲劳感。

为增加操控舒适度，抓握手柄打破通常的规则几何形状，模仿手指的弧线蜿蜒而生，尽可能贴合手指与掌面，带来舒适的操控感，将人机关怀体现于此，如图5所示。设计造型亦轻盈流动，很容易产生亲切感，为海上枯燥的工作带来几分情趣。

3.4标准化设计思想的应用

标准模块化设计思想使用了分离式处理单元，单元被放置在方便、利于降低布线成本的地方，确保了可靠的操作与平稳的控制。

标准模块化设计使其易于满足客户的个性化需求。根据客户需要，增设调光旋钮，蜂鸣器以及开关量、数字量或其他元器件。

3.5开放式的系统构造

本设计使用开放式的系统构造，可与其他设备端口方便对接，车钟控制单元和操作面板可按需自由组合安装于不同操控台面；并可根据不同的材料、器件、实验测试等标准来划分不同的用户等级。

3.6模式功能的配置

智能操控面板可基于多种控制模式：自动模式，恶劣海况模式，恒定燃油模式，设定模式等。船舶性能监控系统的设计可以协助寻找船舶的最佳速度、吃水和纵横倾、航线和主辅机模式，利于天气的规划，避免不利的航行条件并最大程度地减少油耗。

4、船舶控制器设计规律总结与特殊产品设计研究方法探究

本文旨在通过某船舶复合车钟的设计提出一种特殊用途产品的设计思路，以期达到为相关产品提供设计借鉴的目的。笔者将“工业设计”作为造型设计的法则或纲领，但各行各业的产品千差万别，适用环境各异，操作方法不尽相同，如何使工业设计在应用于特殊产品造型设计时不过分依赖“感觉”而获得更有效的设计思路与途径，文章结尾结合这款设计作出如下探讨。

4.1传统制造企业需融入专门的“设计血液”

提高设计效率、避免盲目设计的最好方法就是从阅读任务书开始，根据任务书的要求，在满足舰载设备技术规范的前提下，利用人机工程学、工业设计、美学等手段创作出外型美观、经济、性能优良的设备结构。特别要说明的是在一般制造业为主的企业这项工作基本都主要取决于结构工程师的设计构思及创造性。但结构工程师多为机械设计出身，一般缺乏专门的设计教育背景，只靠“感觉创新”很难将工业设计付诸于产品。这种瓶颈随着工业设计专门人员向专业制造企业的渗透而逐步得到改观。

4.2具体设计方法探讨

首先要找出设计目标的关键词，如船用产品可想到简洁、挺拔、威严、庄重、朴素、淡雅等。脑海中对设计目标的“大方向”进行定位，这样就为设计赋予了“定义域”，才能确保之后的设计工作不会偏离主题。

然后依据美学法则做出设备形态的总体构思。适宜的比例与尺度是造型的基础框架，并要力求总体外形上的匀称与和谐。大小尺寸、各部分比例、结构模式、材质色彩、操作方法、操控体验感受应该同时考虑，多管齐下，而不应“分步进行”。这种整体设计法则有利于最终设计效果画面感的提前展现。画面感的展现对于设计的深入推敲起到事半功倍的效果。从方案设计阶段就对设备的外观模式进行通盘的规划，是塑造优良造型的前提，也是造型过程中从整体到细节，由外及里的开端。

接着应重点把握好操控部件及面板的布局性设计，包括元器件的排布要求，面板上的显示区和操作台面的整体规划。显示面板是舰员观察与操控最频繁的部位，也是人机界面的核心，其好坏直接影响到造型的整体效果。色彩是最能刺激人的心理情绪的直观因素之一，因此色彩与材质机理的合理选择可起到“画龙点睛”的效果。由于特殊产品的用色规则一般限制较为严格，应严格遵循于有关标准之规定，如船用产品通常以中绿灰色、海灰色、船绿色、黑色等为主选，但材质选用得当、机理处理创新也可创造出创意优良的设计。

很多设计都谈人机工程学，但将其真正付诸于设计却不易，笔者认为最直接的付诸方式就是利用“机”（设备）的独特因素围绕人性化设计理念来采取一系列技术措施，并始终将人的因素作为设计的落脚点与支撑。例如将操作最频繁的控制器设置在离手部最近处，以便长时间操作而不致产生手臂肌肉疲劳这种有层次感的布局可以减轻舰员产生生理疲劳，能提高人机工效。“逻辑性”在特殊产品设计中至关重要，能否把握好感性与理性之间的“度”是设计是否优良的关键。

最后就是评估与设计优化阶段，特殊产品的设计优化阶段尤为重要，通过进行专业实验获得的数据来检测产品性能指标，尺度要求与人机功效等，然后进行设计优化与改进。随着计算机技术的发展，还可利用各种设计软件进行真实状况的模拟与仿真，从而及早而方便地从人机要素方面对造型进行修改与优化，既节约成本，亦效果显著。

造型设计属于“工业设计”的范畴。特殊产品的造型设计并不是孤立单一的工业设计。以船舶设计为例，它是从满足环境要求的前提出发，在设计过程中必须将造型设计，热设计，抗振动冲击，电磁兼容性，三防设计等设计项目予以综合分析、决策并力求协同的设计。所以特殊产品的设计是个“杂家”，需在特殊环境中考虑特殊因素才能达到特殊的设计目的。

5、结语

工业设计为特殊产品的设计过程提供了感性的指导，人机工程学为设计的可行性提供了理性的依据。技术背景下的特殊产品设计，往往会缺乏感性认识使设计重心过于偏向理性。感性趋于形式，理性趋于功能，感性与理性之间度的把握才是设计取得突破的关键。这就使得人机工程学视野下的工业设计方法探究变的尤为重要。

探究之道在于构筑解读形式与功能的分析思路，形成感性与理性叠加的设计方法，如此方能探寻特殊产品设计发展的航向。另外，还需要一系列非设计因子的支持，如完善的制度与有效的管理等。同时，针对产品的特殊性，应以结构功能为基础，探索基于人机工程学的工业设计方向与途径，只有如此，人机工程学视野下的特殊产品设计才有可能真正与工业设计交融并取得创新与发展。