Human Factors Engineering Analysis for Underwater Carriers
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摘要: 人因工程学是优化人机交互效能、提升系统作业安全性与效率的核心支撑, 将其融入水下运载器设计与操控对拓展装备应用场景、保障作业可靠性具有重要现实意义。文中基于人因工程学理论, 针对潜水员操控水下运载器时的重心分布、潜水装具类型以及疲劳度等3个人因工程因素, 以某水下运载器为试验载体, 开展理论研究与试验分析。研究结果表明, 合理的重心布局、适配的潜水装具及可控的作业疲劳度可显著提升水下运载器的航速稳定性与航向精准度。文中总结的水下运载器人因工程优化方向为未来水下运载器的人性化设计与操控规范制定提供新的研究思路。Abstract: Human factors engineering is a core support for optimizing human-machine interaction efficiency and improving system operational safety and efficiency. Integrating it into the design and operation of underwater carriers is of great practical significance for expanding equipment application scenarios and ensuring operational reliability. This paper, grounded in human factors engineering theory, examined three key human factors, namely center of gravity distribution, diving equipment type, and fatigue levels, when divers operate these vehicles. Using an underwater carrier as a test case, the study conducted theoretical research and experimental analysis. The research results show that reasonable center of gravity layout, suitable diving equipment, and controllable operational fatigue can significantly improve the speed stability and heading accuracy of underwater carries. The human factors engineering optimization directions summarized in the article provide new research ideas for the future design of underwater carriers and the formulation of operation specifications.
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图 1 潜水员重心相对二维坐标图
Figure 1. Diver’s center of gravity in the relative two-dimensional coordinates
图 2 潜水员不同重心水下运载器流体阻力仿真图
Figure 2. Simulated hydrodynamic resistance for underwater carriers with different diver’s center of gravity positions
图 3 潜水员不同重心水下运载器流体阻力仿真数据
Figure 3. Simulation data on hydrodynamic resistance for underwater carriers with different diver’s center of gravity positions
图 4 潜水员使用不同潜水装具水下运载器流体阻力仿真
Figure 4. Simulated hydrodynamic resistance of underwater carriers for different diving suits
图 5 潜水员使用不同潜水装具水下运载器流体阻力仿真数据
Figure 5. Simulation data on hydrodynamic resistance of different diving suits for underwater carriers
图 9 潜水员相对重心位置变化航速、航向试验数据对比
Figure 9. Speed and heading test data comparison with different diver’s relative center of gravity position
图 10 潜水装具航速、航向数据对比
Figure 10. Comparison of speed and heading data for diving equipment
图 11 潜水员操控水下运载器疲劳度航速、航向试验数据对比
Figure 11. Comparison of speed and heading test data for underwater carriers operated by divers under fatigue conditions
表 1 水下运载器、潜水员及整机重心浮心位置表
Table 1. Center of gravity and buoyancy position for underwater carrier, diver and overall unit
项目 运载器 潜水员 整机 重心 浮心 重心 浮心 重心 浮心 靠前 (0.42$ {L_X} $, 0.15$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.27$ {L_Y} $) (0.38$ {L_X} $, 0.6$ {L_Y} $) (0.38$ {L_X} $, 0.6$ {L_Y} $) (0.398$ {L_X} $, 0.395$ {L_Y} $) (0.398$ {L_X} $, 0.453$ {L_Y} $) 居中 (0.42$ {L_X} $, 0.15$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.27$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.6$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.6$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.395$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.453$ {L_Y} $) 靠后 (0.42$ {L_X} $, 0.15$ {L_Y} $) (0.42$ {L_X} $, 0.27$ {L_Y} $) (0.45$ {L_X} $, 0.6$ {L_Y} $) (0.45$ {L_X} $, 0.6$ {L_Y} $) (0.436$ {L_X} $, 0.395$ {L_Y} $) (0.436$ {L_X} $, 0.453$ {L_Y} $) 
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表 2 潜水员操控水下运载器疲劳度等级统计表
Table 2. Statistics of fatigue degree of divers operating underwater carriers
序号 疲劳度等级 T1 T2 T3 T4 潜水员1 2 4 6 10 潜水员2 1 2 6 9 潜水员3 1 2 5 9 潜水员4 1 3 5 8 潜水员5 2 2 5 8 潜水员6 2 3 5 9 潜水员7 2 2 6 9 潜水员8 1 4 5 10
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表 3 潜水员相对重心位置试验数据
Table 3. Test data of diver’s relative center of gravity position
重心位置 平均航速/(m/s) 平均航向/(°) 标准值航向偏差/(°) 靠前 2.09 118.24 +28.24 居中 2.14 89.90 −0.10 靠后 2.03 114.45 +24.45
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表 4 不同潜水装具操控水下运载器试验数据
Table 4. Test data of underwater carriers operated by different diving equipment
装具类型 平均航速/(m/s) 平均航向/(°) 标准值航向偏差/(°) 开式 1.81 88.29 −1.71 半闭式 2.00 90.03 +0.03
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表 5 潜水员操控水下运载器疲劳度试验数据均值
Table 5. Mean values of fatigue test data of divers operating underwater carriers
疲劳度测试 平均航速/(m/s) 平均航向/(°) 标准值航向偏差/(°) 第1组 1.99 89.13 −0.87 第2组 1.77 91.70 +1.70
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