摘要：随着移动式指挥信息系统向智能化、集成化快速发展，作为系统的重要基础设施，显控台需在有限的方舱空间内安装更多的 显示设备，以满足快速数据处理和多人交互的功能需求。针对某车载指挥信息系统的要求，提出一种琴式结构的多屏一体化显控台 方案，整体尺寸为1690 mm(长)× 790 mm(深)× 1 370 mm(高)，可安装6 台19. 5 in 显示屏及附属设备。根据结构设计方案，建立力学模型，结合理论分析，运用有限元仿真软件对显控台进行模态分析，算出前6 阶固有频率和振型;并通过施加实际工作 环境下振动条件，进行随机振动分析，得到垂向、横向、纵向3 个方向的振动变形和应力，经计算，显控台的应力和变形小于 22. 1 MPa 和0. 15 mm 的概率为99. 73% 。最后结合人机工程设计准则，对其进行人机工效合理性分析。综合结构设计理论、仿真分析和人机工程分析，验证所设计的多屏显控台能够满足系统功能、结构强度及人机工程要求。

　　关键词：显控台;结构设计;仿真分析;人机工程

　　Structure Design and Ergonomic Design of a Vehicle Multi-scren Display ,Console

　　Wang xueyan Ou yangqian Wu lin

　　( Nanjing Daqiao Machine Co. ,Ltd. ,Nanjing 211101 ,China )

　　Abstract : With the rapid development of mobile command information system to intelligence and integration ,as an important infrastructure of the system ,display console needs to install more display devices in the limited shelter space to meet the functional requirements of rapid data processing and multi-person interaction. A multi-screen integrated display console with a piano structure is proposed for the requirements of a certain vehicle command information system ,with an overall size of 1 690 mm(L) × 790 mm(D ) × 1 370 mm (H),capable of installing six 19. 5 inch display screens and accessory equipment. According to the structual design scheme of the system ,the mechanical model is established , and the modal analysis of the display console is carried out by the finite element simulation software combined with the theoretical analysis to calculate the first six natural frequencies and vibration modes ,and by applying vibration conditions in the actual working environment ,random vibration analysis is conducted to obtain vibration deformation and stress in the vertical , horizontal , and longitudinal directions. After calculation , the probability of the stress and deformation of the display console being less than 22. 1 MPa and 0. 15 mm is 99. 73% . Finally ,ergonomic design of the console structure is evaluated based on the methods of human- machine engineering. By integrating structural design theory , simulation analysis and ergonomic analysis , it is verified that the designed multi - screen vehicle display console can meet the requirements of system functionality ,structural strength and ergonomic requirements .

　　Key words : display console ;structure design ;simulation analysis ;ergonomic

　　引言

　　指挥信息系统是综合运用以计算机技术为核心的信 息技术，以保障各级指挥机构对所属部队及武器平台实施科学、高效的指挥控制为目的，实现作战信息从获取、传输、处理至利用的自动化的军事信息系统[1]。显控台是指挥信息系统实现信息传输、数据处理、网络通信、人机交互功能的重要基础设施，被广泛部署应用于飞 机[2]、舰船[3]、轮式车[4]等各种移动指挥信息平台。在 指挥信息系统研制构建中，显控台的方案设计与系统效能的实现密切相关。随着军用装备车的功能集成度不断提高，对显控台的要求也不断增加，智能模块化、多屏一体化是车载显控台发展的方向[5]。车载显控台作为系统中重要的信息设备的载体，在设计中，显控台结构应 具有足够的强度，保证上装设备安全稳固，能够承受车 辆在复杂路况行使时产生的振动冲击，同时要考虑人机 工效设计，即以人为本，为操作人员提供良好的人机交互环境，达到满足生理和心理需求、缓解疲劳程度、增强操作人员的心理愉悦感、提高工作效率的目的[6]。

　    国内外现有的移动指挥系统显控台多为单屏或者双屏的结构形式[7-8 ] , 功能单一，难以高效完成系统任务。为满足多屏显示的功能需求，提出了多台拼装的结构方 案[9] , 这种组合式结构外观冗余，操作体验感不佳。而现有的多屏一体化显控台大多应用于地面固定基站[10],对空间尺寸和结构强度无严苛要求，结构形式较简单。

　　相比于移动平台的双屏或固定站的多屏显控台，车载多 屏显控台的设计是一项复杂的工程，所受的约束很多，既有功能、机械性能、使用环境条件的约束，也有空间尺寸、设备布局、外型美观，以及操作人员的操作习惯等方面的约束[11] 。

　　根据结构动力学理论，利用三维软件建模，结合有限元软件仿真分析是产品设计阶段的重要手段[12], 可有效验证产品设计的合理性，缩短开发周期，减少试验成 本，提升产品的性能。本文提出了一种车载多屏显控台 结构，在有限的车载方舱空间内安装6 台显示屏及附属 设备，建立显控台有限元模型，进行理论分析，模态和 随机振动仿真分析及人机工程评估分析。综合分析结果 验证了所设计的车载多屏显控台结构设计合理，可靠性 高，造型优美，人机交互友好，满足系统各项指标要求，能够提升系统的作战效能和用户体验，为车载指挥信息 系统提供一种新的布局方案。

　　1 显控台结构设计

　　本文研究对象为某军用指挥信息系统车载方舱内显控台，在车载环境下，设备舱的空间有限，按照系统要求，该显控台需安装6台19. 5 in ( 1 in = 2. 54 cm ) 的联想显示器及配套的键盘鼠标，空间限制在方舱内1700 mm(长)× 830 mm(深)× 1 650 mm(高)。为了满足多屏显示的要求，显控台整体结构为琴式结构，采用纵向双屏 加上横向并列3排的模块化结构形式，所设计的显控台 模型如图1所示。显控台可分成上下两部分，上半部分 是琴式柜，由骨架、木质操作台板和显示屏、下沉式键 盘盒、鼠标组成，背部用减振器固定在方舱壁。下半部 分是底柜，由骨架、柜门、上架设备及备件组成，底部 用减振器固定在方舱底面。上下两部分采用螺栓连接为一个整体。骨架均采用优质碳素钢型材和钣金结构件焊接而成，内部采用加强筋提高安装面的刚性，针对细长 的零件设计翻边增加强度。

      考虑到显控台减重和设备散热需求，骨架底部和背部均为开放式结构。操作台板采用25 mm 厚实木防火木板，表面贴面，前部圆角处理，整板嵌在骨架内，美观有质感。键盘盒可任意角度开启固定，运输时可将键盘和鼠标放置在盒内，避免受冲击滚落，还 可以起到防尘的作用。

　　显控台结构整体外形尺寸为1690 mm(长)× 790 mm(深)× 1 370 mm(高)，满足方舱空间要求;可安装6 台 指定显示屏及附属设备，满足系统功能要求;整体结构 紧凑，造型大方，轮廓流畅，满足外观要求。

　　2 显控台有限元分析

　　装备在运行使用时经历的振动大多是宽带运动。这 表明，振动在相对宽的频率范围内所有频率上都存在，而且强度是变化的。振动幅值变化可能是随机，周期的或者随机和周期的混合。一般地，随机振动最适合模拟 这些环境[13] 。

　　车载移动信息系统行使路况复杂，车辆在不同路况 行使时的振动载荷不同，车载显控台受到的振动谱包括 路况、行使速度、机动等变化引起的随机分量和因发动 机运转、油机运转及车体共振引起的周期分量。面对复 杂无规律的振动环境，本文基于有限元分析软件对多屏 显控台结构进行随机振动分析，以判断结构在振动过程 中可能出现破坏的薄弱点。

　　2. 1 有限元模型

　　显控台主体材料为厚度1. 5 mm 的优质碳素钢08F,其弹性模量E= 200 GPa, 密度ρ = 7 850 kg/m3 , 泊松比γ = 0. 3. 屈服极限σs = 206 MPa, 抗拉强度σb = 540 MPa。

　　为提高建模效率，保证模型的完整性与准确性，采 用三维建模软件对显控台进行建模，然后导入有限元分 析软件中进行仿真分析。为便于有限元顺利运行，在不影响仿真结果的基础上，根据实际情况对模型进行简化，例如删去不重要的圆角、倒角、孔等容易应力集中的模块。划分网格后的显控台骨架模型如图2 所示，在局部对网格进行细化以保证后续运算的准确性。

　　2. 2 模态分析

　　随机振动分析是一种频域分析，首先需要进行模 态分析，再利用模态叠加法进行随机振动分析。模态 分析可用于确定显控台的振动特性，即固有频率和模 态振型。机械结构在固有频率处，会产生剧烈振动，严重影响设备的正常工作和使用寿命。减小振动的有 效措施除了安装减震器外，还可以通过合理的设计，使系统工作频率避开共振区。机械结构的模态分析可 采用理论计算、试验激励和仿真分析得出，理论依据 如下。

　　多屏显控台采用底部和背部安装减振器的固定方式，根据实际约束条件，对显控台模型施加约束，进行模态 分析计算，显控台的前6阶固有频率如表1所示。

　　图3所示为各阶固有频率下的模态振型，从振型图 上可看出，显控台上半部分的琴式柜结构变形较大，具 体位置在安装操作台板边沿及安装显示屏设备的支撑架 上。其中第1 阶频率为上下方向的振动，第2 阶频率为 前后方向的振动，第5 阶频率为左右扭摆摇晃的振动，其他为显控台局部振动模态。

　　2. 3 随机振动响应分析

　　由于时间历程的不确定性，从概率统计学角度出发，将时间历程的统计样本转变为功率谱密度函数(PSD)—随机载荷时间历程的统计响应，在功率谱密度函数的基 础上进行随机振动分析，得到响应的概率统计值。根据《军事装备实验室环境试验方法第16 部分：振动试验》[15 ](GJB 150. 16A—2009)中表C. 7 获得本次随机振动中组合轮式车振动环境的加速度功率谱密度值，如表 2 所示。在模态分析基础上，在显控台底部和背部的减 震器安装位置处输入表2 的功率谱密度进行激励，分别 得到垂向(X 方向)，横向(Y 方向)，纵向(Z 方向)3个方向的随机振动位移云图，如图4 所示。由图可知，垂向(X 方向)激励可产生最大的变形，最大变形值为 0. 05 mm， 发生在安装操作台板边沿和安装显示屏设备支撑架处。显控台整体应力分布均匀，且处于较低水平，最大应力发生在背部减振器安装支架上，为7.38 MPa，如图5所示。

　　随机振动分析是用概率统计的方法研究非确定性载荷激励结构的振动情况，确定结构的稳定性和可靠性[16]。按照高斯分布的三区间法，[- 1 σ，1 σ]的概率为 68. 3%，[- 3 σ，3 σ]的概率为99. 73% 。本文随机振动分析采用的是1 σ ， 即对于实际的显控台模型，68. 3% 的 变形和应力值小于0. 05 mm 和7. 38 MPa， 经换算，所设计的显控台应力和变形小于22. 1 MPa 和0. 15 mm 的概率为99. 73%，其余0. 27% 可假定它们不造成任何损伤[17]。

　　结合材料的屈服极限，多屏显控台结构的安全系数可达 9. 3. 验证了此显控台结构具有足够的强度和刚度，满足车载振动环境的使用要求。

　　3 人机工程设计

　　人机工程学主要研究人、机械及其工作环境之间相 互作用关系。人机工程的核心是以人为本，着重于提高人的工作效率，防止误操作，在人员安全舒适的条件下，统一考虑“人-机-环境”系统总体性能的优化[18-19 ] 。

　　车载多屏显控台作为多任务处理平台，具有设备数量多、人机交互频繁等特点，尤其在有限的操作空间内长时间 工作，设计时应从保障操作人员坐着舒服、易于观察、便于操作等方面进行考虑。多屏显控柜的人机工效设计需要满足“人-机-环境”系统要求，提升操作人员的舒适度，发挥最大的工作效能。

　　操作人员在执行任务时主要的操作姿态为坐姿，因 此应根据坐姿时的人体相关尺寸进行设计。根据依据中 国人的人体特征，在《GJB 2873 —1997 军事装备和设施 的人机工程设计准则》[20 ] 文件中对显控台的设计标准提 出了相关参考标准，如“坐姿操作者的眼参照点至显示 器的视距范围330~700 mm”“垂直方向上，人眼正常视 线是指水平线下15°, 人眼最佳角度为正常视线上下15°, 最大角度为上65°, 下35°; 水平方向上最佳视线为左右15°, 最大角度为左右35°”等要求。按照上述人 机工程设计准则，分别在活动空间、视野视距，操作范 围等方面对显控台进行分析。

　　如图6所示，关于活动空间，显控台台面距离地面高度为750 mm, 腿部空间高度为670 mm, 深度为350 mm;多屏显控台总宽度为1690 mm, 平均每位操作人员横向活动空间约为560 mm, 符合GJB 2873 —1997 中对坐姿操 作人员活动空间的要求。对于视野视距，在垂直方向上，操作人员眼睛观察显控台屏幕最顶端视角为正常视线线 上25°, 最低端为线下30°; 在水平方向上视野范围为57°, 左右对称;最大视距在显示器上边沿位置，距离为635 mm, 均符合GJB 2873 —1997 中对操作人员视野视距 的要求。关于操作范围，分别以操作人员左右肩关节为 圆心、以半径为600 mm 的两个半圆区域内覆盖了操作台 面上使用频率最高的键盘和键鼠设备，符合GJB 2873 — 1997 中对常用设备的设计要求。

　　因此，本文设计的多屏显控台在活动空间、视野 视距、操作范围等方面均满足人机工程要求，验证人 机工效设计合理可行，能够为操作人员提供舒适的使 用环境。

　　4 结束语

　　本文根据某军用车载指挥信息系统需求，设计了多 屏一体化控制的显控台结构，提出设计方案，建立相关 力学模型，利用有限元仿真软件进行了模态分析和随机 振动仿真分析，并根据军用装备和设施的人机工程设计 准则分析多屏显控柜的人机工效合理性。综合以上分析 结果，验证所设计的多屏显控台上装设备布局合理，空 间利用率较高，满足系统功能要求;结构强度和刚度较 大，安全系数为9. 3. 能够满足军用车载环境要求;人机工程设计合理，具备较高的人机工效水平，能够为操 作人员提供良好的人机交互环境。本文提出的车载多屏显控台结构具有高智能集成化、高可靠性、造型优美、操作舒适等优点，可提升装备的 用户体验和作战效能，为车载指挥信息系统提供了一种新的布局方案，具备良好的工程应用价值。

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