船舶驾驶室控制台优化设计.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言近年来，随着智能船舶、绿色船舶等系统制造技术的发展和应用，我国船舶制造技术取得了突破性进展1-2。船舶驾驶室控制台是船舶航行安全保障、操纵控制的核心设备，该设备的优化与改进对于船舶向自动化、智能化的方向发展起着至关重要的作用。驾驶室控制台集操舵、操机、航海保障、航行管理和通讯指挥等功能于一体，控制台能够提供配套设备的安装空间，同时应用人机交互界面方便终端用户操作3，实现船舶系统的综合显示与控制功能。嵌入式安装设备主要由控制台提供的设备模块和其他系统提供的设备模块，这些模块能够保障船舶正常的航向、航速及指挥，完成船舶的航行操纵、指挥、配电等功能4-5。各装台件的接口尽量采用航插接入，提高电磁兼容性。显然，对于船舶驾驶室控制台的设计与探索研究是船舶装备研制的关键。综上，本文针对船舶驾驶室控制台进行优化设计，充分考虑人机工程学要求，设计外形为“M”字形，结构为分段琴键式台体设计。同时，安装有防风浪扶手，台体的高度以及遮光处理等也进行人机工程设计，使运行管理及操作简单方便，各种数据信息显示直观清晰。该项技术具有可行性、可靠性、可维护性，保证设备性船舶驾驶室控制台优化设计王 璐 1，吕 旭2，金 宏3，雷 娜3（1.海军装备部驻沈阳地区军事代表局 驻锦州地区军事代表室，辽宁 锦州 121000；2.清华大学 精密仪器系，北京 100084；3.锦州航星船舶科技有限公司，辽宁 锦州 121000）摘 要：随着船舶工程人员对船舶设计制造的理论研究不断完善和深入，面向用户需求，船舶驾驶室控制台的设计显得尤为重要。针对传统的驾驶室控制台操作维护复杂问题，对船舶驾驶室控制台进行优化设计。该设计通过模块化和区域功能化理念，结合人机工程学，设计了“M”字形琴键式结构驾驶室控制台。通过实际验证，该控制台结构安排合理，安全可靠，改善了人机交互平台的使用环境，为船舶的设计制造提供有益参考。关键词：船舶；驾驶室控制台；人机工程中图分类号：U662.2 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.015引用格式王璐,吕旭,金宏,等.船舶驾驶室控制台优化设计 J.船舶物资与市场,2023,31(6):46-48.能综合兼优，具有一定的社会价值。1 总体设计本文设计的船舶驾驶室控制台充分考虑了通用化、模块化、组合化等特点，由操舵、主机监控、航行保障、通信导航和配电等独立的功能模块拼装而成，能够保证整台设计的要求，满足操舵、操机、通信、配电等需求。外形设计为“M”字形，结构为分段琴键式，配备有防风浪扶手。驾驶室控制台内部配备遥控起停控制单元、遥切单元，以实现对相关泵组的远程起停控制和各舱室风机油泵的遥控切断。按钮设置在人手可触及部位，方便使用操作。按钮为不锈钢外壳，防水等级最高可达IP67，面板厚度最小可到 2 mm，轻薄美观。所有需要经常更换及维护的部件都留有足够的操作空间，进而保障船舶上操作人员的安全。船舶驾驶室控制台为落地式框架结构，自立式落地安装，防护等级为 IP22。材料采用冷轧钢板 Q235，2.5 mm的板厚及框架加固梁确保了台体的承重能力，利用铝合金板、实木材料、不锈钢方管以及碳纤维材料等进行装饰,铝合金安装面板选用2A12，板厚可达16 mm。控制台前、后设置稳定的绝缘扶手，材质为木制或绝缘树脂，有良好的把握手感及安全性能。控制台台体包括框架、安装板、分电箱、门、封板、面板等。控制台外部电缆通过台体收稿日期：2023-01-16基金项目：国家自然科学基金资助项目（61374206）作者简介：王璐(1980-)，男，本科，工程师，研究方向为航空装备及舰船配套设备。第 6 期 47 底部进入台体，进出电缆处配置电缆进线口。控制台提供 220 V 配电组件（输入电源：AC220V）、24 V 配电组件（输入电源：DC24V）,具有实现主备电源转换功能。220 V 配电组件、24 V 配电组件为驾驶室控制台内相关嵌台设备、台内照明和维修电源插座及台外其他设备提供稳定可靠的电源，为方便接线和调试，AC220V 和 DC24V 工作电源分开布线，实现内部强弱电分开，并有保护措施。驾驶室控制台内信号线采用屏蔽电缆或采用屏蔽措施，电源线和信号线明确区分电气接地和信号接地，外部接线统一接至台内接线端子，内部转接均有永久性编号和标志。各装台件的接口尽量采用航插接入，减少干扰，提高电磁兼容性。该设计理念全面考虑设备运行的通用化、模块化、组合化的要求。端子两侧安装走线槽，线缆接入接线排，排线工整，合理布设，相互间保持一定距离，台内连接导线两端都有字迹清晰的永久性套管标号。控制台由航保单元、推进单元、舵机单元、警铃单元和配电单元等独立的功能模块拼装而成，能够保证用户操舵、操机、通信、配电等需求，满足各系统设备用电正常及设备的正常工作。表 1 控制台基本组成名称多功能工作站主推进单元舵机控制单元航保单元警铃单元主机遥控指挥终端信号灯配电单元其他单元数量5111111112驾控台壳体与底座间通过 10 mm 橡胶减震垫连接减振降噪，落地安装。台面处理方面充分考虑舱内潮湿、高温、盐雾、霉菌等恶劣环境选用可靠的元器件。同时，该框架强度、漆膜、器件选型、底座强度、加工工艺等方面进行优化，做到美观实用、操作简单、接线方便、正面操作、前后维护，适合船上油雾、盐雾、霉菌以及舰船正常航行产生的冲击和振动的特殊环境。2 电气设计船舶驾驶室控制台配电组件主回路由断路器、熔断器、接触器、汇流排组成。配电组件接受供电系统电源的供电，向负载配电，在负载支路发生短路、过载时，断路器能够迅速切除故障线路，避免事故蔓延，为设备提供过载与短路保护。交流和直流分电箱断路器选用船用断路器，具有过载和短路保护功能，断路器的选型要从额定电流、分断能力、外形尺寸等方面综合考虑，满足保护负载电路的需要。该设计可扩展功能包括：报警、辅助、分励、过（欠）压脱扣等。同时，结构上满足船用抗冲击、抗振动、抗摇摆、耐湿热、耐霉菌、耐盐雾、耐油雾等性能要求。熔断器采用RL98系列适用于交直流额定电压690 V，分断能力 50 KA，额定电流至 100 A 的配电电控系统中，用于过载保护与断路保护。本熔断器采用高频磁做载熔件，熔断指示直观，尺码模数化，可装 TH35 型轨道，体积小，功耗低，分段能力高，且具有防松防震、防盐雾、防霉变等性能，符合船用标准。接触器选用舰船用产品，根据容量需要以及产品布置空间的限制，从额定电流、触头数量、外形尺寸综合考虑。交流分电箱接触器选用 SC1 型系列交流接触器、直流分电箱无接触器，可供远距离接通和分断电路的功能，满足保护负载电路的需要，并可扩展辅助触头，实现断电报警、主备电互锁的功能。配电组件对外供电断路器采用横装结构形式，横装时，接通位置为手柄朝箱体中间的方向。汇流排选用紫铜，表面镀锡，汇流排的允许载流量，取各分路元件整定电流值总和的 60%90%，各路的连接导体的允许载流量不小于各自分路的电器元件的整定电流值。优先选用经过考核、验证、技术成熟的方案和零部件，充分考虑产品的可继承性。在满足功能和使用条件的前提下，应尽量采用简化设计，做到元器件和原材料的种类和数量尽可能少，减少维修内容、降低维修技能要求。船舶驾驶室控制台内设置遥控起停控制单元和遥切单元。实现对相关泵组的远程起停控制和各舱室风机油泵的遥控切断。控制台还设有台内照明和维修插座，为驾控台设备的维修工作提供便利。驾控台内设置 220 V配电组件和 24 V 配电组件，用于为驾驶室控制台内相关设备用电设备提供可靠的用电保障，为台内照明和维修电源插座提供 AC220V 和 DC24V 工作电源，标明各电路的用途、过载保护装置的定额或其相应整定值的耐入标志，这些标志设在保护装置的所在位置。AC220V 配电组件原理和DC24V配电组件原理，如图1和图2所示。负载1负载2负载3负载8电源接口负载1负载2负载3负载6电源接口图 1 AC220V 配电组件原理 图 2 DC24V 配电组件原理王璐，等：船舶驾驶室控制台优化设计船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 48 3 结构设计本文船舶驾驶室控制台外形设计为“M”字形，中间突出，用于布置自动操舵仪。控制台为分段琴键式，台体的高度及显示器安装角度等充分考虑到人机工程的要求。驾控台前部台面高度 850 mm，舵轮中心高度 990 mm，显示单元与水平面120，七段组合后整体为“半环抱式”，两侧台与中心台呈 45。身高 170 mm 的人对台面显示器的观察视角可达 76，满足人机视角观察需求。结构设计采用模块化设计理念，台体由上、下两层结构组成。控制台体上部显示操作区与台体下部安装维修区做分层式设计结构，并作颜色区分，使显示操作区与维修区界限分明。台体上部为黑色，操作面板黑色嵌装，上部台体嵌装铝合金材质面板，周边加装装饰框。安装于驾控室控制台的所有设备与操作面板颜色保持一致，并且操作面板可拆解更换，控制台面布局充分考虑使用的舒适度与外型的美观程度。实现强度设计与视觉美学设计的最优匹配。台体下部中绿灰色，前、后分别设维修门。台体设置通风散热结构，满足驾控室控制台内部设备通风散热需求。“M”字形琴键式结构设计主要内容包括：1）控制台内采用安装板或者安装梁固定台内设备，必要时采用可抽出式设计。台面设备做嵌入式安装，兼具实用性与美观性，留出必要的维修空间。2）台内设接地铜排，安装在驾控室控制台的设备均按要求可靠接地，每根接地螺柱的接地线不得超过2根，并配有明显的接地标识牌，接地线不得小于 2.5 mm2。3）门板开启用绞链结构，依据台体长度可做对开设计，门上装有止门器，门的开启角度大于 90，台体后部由于空间局限性设计成可拆卸式门板，可在安装维修过程中直接摘下，节约维修空间，满足操作员检修的要求。4）控制台棱角部位设计为圆弧，保证船舶上操作人员在使用过程中不造成碰撞伤害。控制台侧面部位设有通风百叶窗，孔径小于 1.2 cm，也可根据设备机箱发热量做热设计，必要时可在台内增加多组排风散热装置。公共底座电缆进线孔处等部位设有防鼠装置，避免物体进入造成电气短路事故，符合人机工程安全性要求。5）门锁采用按压式，按压式设计使开关维修门变的方便快速。可使用钥匙锁住维修门钥匙，控制专人保管负责，避免无关人员随意开启。6）驾驶室控制台在材料选择、结构布置、台内布线、屏蔽接地等多方面，设计考虑到防止电磁干扰传导、辐射、感应和共地阻抗耦合。特别是台体散热部位和活动部位都做电磁屏蔽处理，使用导电胶条和屏蔽罩，设计上满足必需的电磁兼容性需求。通过实际验证，该船舶驾驶室控制台重量、尺寸及框架之间的安装固定符合结构精细化设计。结合人机工程学设计，“M”字形分段琴键式控制台的可行性和可靠性满足设计要求，为船舶发展提供技术支撑。4 结语船舶驾驶室控制台一直是船舶设计制造领域设计人员重点关注的内容，船舶驾驶室控制台的设计研究与船舶运行的稳定性、可靠性和安全性有着非常密切的联系。针对传统的控制台操作复杂问题，本文对船舶驾驶室控制台进行优化设计，提出模块化，功能区域化的“M”字形琴键式结构控制台，通过实际验证了该设计的可行性。在后续的研究中，还将对船舶驾驶室控制台优化问题进行更加深入的研究，从而满足终端用户需求，实现操作方便。参考文献：1 黄燕,卞东石.狭小边岛型驾驶室集成优化设计研究 J.船舶,2020,31(6):104-112.2 朱庆飞,胡小兵.舰船作战指挥室人机环境设计评估研究 J.船舶,2020,31(5):98-105.3 韦雪波.60 m 锚作供应船周期无人值班机舱的设计 J.船舶物资与市场,2020(10):30-32.4王帅旗.船舶驾驶室布置人机工程设计及其应用D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.5 刘橹.视景仿真技术的舰船驾驶室虚拟设计 J.舰船科学技术,2021,43(8):28-30.