基于能量分析的裝配作業(yè)疲勞改善研究

摘要:圍繞降低裝配作業(yè)人員疲勞的人因改善問(wèn)題，研究了人體疲勞分析改善方法。該方法以仿真技術(shù)為支撐，通過(guò)人體新陳代謝能量消耗值來(lái)量化評(píng)估裝配作業(yè)中人體的疲勞程度。通過(guò)作業(yè)動(dòng)作的分解及動(dòng)作參數(shù)的獲取、基于新陳代謝能量消耗的人體疲勞評(píng)估計(jì)算、人體疲勞改善、改善方案的仿真驗(yàn)證與實(shí)施四個(gè)步驟可有效的完成作業(yè)的人體疲勞分析與改善。該方法在某汽車制造企業(yè)車輪分裝工序裝配作業(yè)的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性和有效性。

關(guān)鍵詞:能量分析;人體疲勞改善;人因工程;仿真

中圖分類號(hào):TB18，TH188 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Research on Operator Fatigue Improvement in Assembly Line base on Metabolic Energy Expenditure

WANG Xiangyin，LIU Jian， PU Hairong， YU Dejie

(The State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract: Aiming at the ergonomic problem of operator fatigue in assembly line， a method of Human fatigue analysis and improvement based on Metabolic Energy Expenditure (MEE) is investigated in this paper. On the basis of Ergonomic simulation technology， the method introduces MEE to quantitatively evaluate operator fatigue in assembly work. Human fatigue analysis and improvement in assembly work can be accomplished through the decomposition and the parameter acquisition of operator’s motion， the evaluation and calculation of Human Fatigue based on MEE， the propose of Human fatigue improvement scheme， and its simulation verification and implementation. The method’s validity and feasibility are verified by its successful application in the tire assembling process of an automotive general assembly plant.

Key words: Metabolic Energy Expenditure;Human Fatigue Improvement;Ergonomics;Simulation

盡管近年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用日益普及，但許多生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)中仍存在大量的人工作業(yè)。為降低作業(yè)人員在工作過(guò)程中因疲勞引發(fā)的工傷危險(xiǎn)以及提高作業(yè)效率，有必要構(gòu)建一種人體疲勞分析評(píng)估方法以指導(dǎo)作業(yè)及作業(yè)環(huán)境的改善和再設(shè)計(jì)。在該領(lǐng)域的研究中，Heleen H [1]選取了22個(gè)工人進(jìn)行模擬裝配試驗(yàn)并通過(guò)肌電圖測(cè)量肌肉疲勞，發(fā)現(xiàn)耐力培訓(xùn)可以改善長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的人體疲勞度;Jap[2]則嘗試?yán)媚X電圖描述儀來(lái)檢測(cè)駕駛員的疲勞;Li[3]將新陳代謝能量消耗評(píng)估方法用于評(píng)估建筑工人進(jìn)行手工物料搬舉作業(yè)時(shí)的生理和知覺(jué)反映;王維等[4]提出了一種基于維修仿真的人體疲勞分析方法以評(píng)判操作人員在維修過(guò)程中的疲勞程度;Du[5]利用計(jì)算機(jī)輔助人因工程及數(shù)字化人體模型建立了人因工程評(píng)價(jià)方法，該方法可用于評(píng)估現(xiàn)有工作環(huán)境中存在的人因設(shè)計(jì)問(wèn)題。Lamkull[6]將數(shù)字化人體模型用于汽車裝配作業(yè)來(lái)預(yù)測(cè)任務(wù)的輸出結(jié)果，并指出其將會(huì)是汽車行業(yè)中人因工程分析的主要手段。

上述研究指出數(shù)字化人體模型以及仿真技術(shù)在人因改善領(lǐng)域的重要性，為人體疲勞分析方法的建立提供了有益的指導(dǎo)。但其研究工作主要通過(guò)肌電圖儀對(duì)作業(yè)人員的疲勞度進(jìn)行實(shí)測(cè)，會(huì)影響員工的正常作業(yè)，同時(shí)研究對(duì)象較少針對(duì)制造作業(yè)，不利于研究成果在制造領(lǐng)域的推廣。鑒于此本文以計(jì)算機(jī)輔助人因工程仿真軟件JACK為支撐工具，研究了基于作業(yè)仿真的人體疲勞分析改善方法，方法的企業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證了其有效性。

1 基于仿真的人體疲勞分析改善方法

基于仿真的人體疲勞分析改善方法主要包括四個(gè)步驟，即人體動(dòng)作及動(dòng)作參數(shù)的獲取、基于新陳代謝能量消耗的人體疲勞評(píng)估計(jì)算、疲勞評(píng)估改善和改善方案的驗(yàn)證。

1.1 人體動(dòng)作及動(dòng)作參數(shù)的獲取

制造業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)十分復(fù)雜，為了有效的分析改善裝配作業(yè)中人體的疲勞度，需要針對(duì)關(guān)鍵工序或工位進(jìn)行重點(diǎn)分析改善。所以首先應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研明確人體疲勞感較強(qiáng)的工序(關(guān)鍵工序)作為研究對(duì)象，而后按照動(dòng)作分解和流程分析的原則將該工序作業(yè)任務(wù)分解成若干人在單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)能夠執(zhí)行的動(dòng)作單元，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的流程化和圖表化;最后在動(dòng)作單元化后通過(guò)測(cè)量獲取各動(dòng)作單元的參數(shù)以便于后續(xù)的分析計(jì)算和仿真驗(yàn)證。不同的任務(wù)類型需要獲取的參數(shù)類別如表1所示，動(dòng)作分析過(guò)程中可忽略對(duì)能量消耗影響較小的因素，如訓(xùn)練程度、載荷尺寸、完成任務(wù)速度、手柄的設(shè)計(jì)、溫度和濕度等。

1.2 基于新陳代謝能量消耗的人體疲勞評(píng)估計(jì)算

新陳代謝能量消耗是標(biāo)示作業(yè)人員疲勞程度的重要指標(biāo)，Garg博士[7]建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型用以預(yù)測(cè)人員作業(yè)的能量消耗，該模型假設(shè)一個(gè)工作能夠分解成任務(wù)和活動(dòng)元素。任務(wù)的能量消耗可以根據(jù)下式計(jì)算得到:

(1)

其中， 指一個(gè)工作的平均能量消耗， 指維持基礎(chǔ)能量代謝和基本姿勢(shì)(包括站姿、立姿和彎腰姿勢(shì))的能量消耗， 指在穩(wěn)態(tài)條件下完成第j項(xiàng)任務(wù)凈新陳代謝能量消耗， 指完成第j項(xiàng)任務(wù)所持續(xù)的時(shí)間。

單位時(shí)間人體能量消耗必須處在一定的范圍之內(nèi)，若超出了人體允許的能量消耗限度，將會(huì)損害作業(yè)人員的健康，導(dǎo)致職業(yè)病或者不安全事故的發(fā)生。所以(1)式的計(jì)算結(jié)果需要與人體能量消耗上限值比較，若超出就需要采取措施改善。

人體允許的能量消耗值可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出[7]。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到不同工作時(shí)長(zhǎng)所允許的能量消耗上限值如圖1所示。

圖1 允許的新陳代謝能量消耗

Fig.1 Allowable Metabolic Energy Expenditure

1.3 人體疲勞改善

將所獲作業(yè)新陳代謝能量消耗與允許的新陳代謝能量消耗量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，若超出標(biāo)準(zhǔn)的上限值就說(shuō)明該工人很可能在規(guī)定時(shí)長(zhǎng)的工作時(shí)間結(jié)束時(shí)有全身疲勞的感覺(jué)。而長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài)的工人易引起疾病或健康不良，所以對(duì)于該項(xiàng)作業(yè)應(yīng)用人因工程的改善原則進(jìn)行改善或再設(shè)計(jì)，以消除其對(duì)作業(yè)員工可能造成的不利影響。

人體疲勞的改善原則有很多，主要包括動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則、流程經(jīng)濟(jì)原則和方法時(shí)間衡量，綜合運(yùn)用上述原則可以從兩個(gè)方面進(jìn)行作業(yè)的人因改善。一是從工程學(xué)的角度重新設(shè)計(jì)作業(yè)并提供更好的作業(yè)工具和環(huán)境支持，如運(yùn)輸帶和自動(dòng)送貨器可以減少人體載荷，改善工作場(chǎng)所的布局可以減少人體的動(dòng)作頻率和優(yōu)化工作流程，減少抬舉、推動(dòng)、放下載荷的距離可以減少作業(yè)的能量消耗需求;二是從管理學(xué)的角度優(yōu)化人員組織安排、工作輪班制度、作業(yè)休息方式等來(lái)降低作業(yè)人員疲勞。

1.4 改善方案的仿真驗(yàn)證與實(shí)施

依據(jù)前面的改善分析研究，改善方案中通常包括輔助工具的設(shè)計(jì)制作、工作環(huán)境與布局的調(diào)整、改進(jìn)的作業(yè)人員組織甚至是業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化，上述改進(jìn)的實(shí)施都需要資源的投入，所以有必要充分驗(yàn)證改善方案的有效性從而降低其實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。并且上述人體疲勞評(píng)估計(jì)算只考慮了時(shí)間和動(dòng)作的影響，尚不太精確可能影響方案的有效性。為了驗(yàn)證上述改善方案的可行性和有效性，需要將改善方案的動(dòng)作及動(dòng)作參數(shù)在JACK軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該軟件還考慮了載荷等影響因素，以便判斷相應(yīng)的能量消耗指標(biāo)是否低于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，若低于允許的能量消耗上限值便可以確定該方案為最終改進(jìn)方案，否則需要進(jìn)一步改善直至得到滿足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的方案。改善方案的最終有效性仍需要通過(guò)企業(yè)的應(yīng)用實(shí)施加以驗(yàn)證，方案實(shí)施后作業(yè)員工的切身感受是評(píng)估改善方案的直觀依據(jù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 車輪分裝作業(yè)任務(wù)分析

分裝車輪總成工序是某汽車公司總裝車間底盤(pán)裝配工段的關(guān)鍵工序，該工序操作的基本要素包括取料、搬料、在拆裝機(jī)上分裝車輪、充氣和車輪總成動(dòng)平衡測(cè)試等環(huán)節(jié)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)訪談了解到該工序長(zhǎng)期作業(yè)易疲勞且效率低，急需采取相應(yīng)措施加以改進(jìn)。基于動(dòng)作分解和流程分析的原則對(duì)該工序進(jìn)行分析，得到表2所示的動(dòng)作及對(duì)應(yīng)參數(shù)。

其中根據(jù)實(shí)際情況可知作業(yè)人員為重60kg的90百分位的男性，并設(shè)定身體和手臂作業(yè)各占50%，站立彎腰作業(yè)姿勢(shì)各占80%和20%，坐姿作業(yè)為0，連續(xù)工作時(shí)間小于2小時(shí)。

2.2 車輪分裝作業(yè)人體疲勞分析計(jì)算

基于前述的人體疲勞量化計(jì)算方法，建立該工序虛擬工作環(huán)境和虛擬人體模型，根據(jù)實(shí)際情況確定了該工序操作工人的主要人體尺寸。然后在仿真平臺(tái)JACK的MEE(Metabolic Energy Expenditure)分析界面輸入任務(wù)時(shí)間，立姿、坐姿、彎腰姿勢(shì)所占比例，距離和質(zhì)量的單位等表2所示的相應(yīng)參數(shù)。計(jì)算得到完成該作業(yè)所需的能量，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，完成該作業(yè)所需的能量為18.431kcal，立姿所需能量為3.605 kcal，彎曲姿勢(shì)所需能量為1.067 kcal，故總能量為23.102 kcal，又根據(jù)時(shí)間測(cè)量可知完成該工作所需時(shí)間為6.890 min，由計(jì)算可知能量消耗比例為3.353 kcal/min。與連續(xù)工作2小時(shí)所允許的能量消耗上限為3.298 kcal/min(如圖1所示)比較可知完成該工作所消耗的能量超過(guò)了允許的能量消耗，亟待采取相應(yīng)的措施加以改善。

2.3 車輪分裝作業(yè)人體疲勞評(píng)估改善

為降低車輪分裝作業(yè)的作業(yè)疲勞以防止員工人身傷害，需要應(yīng)用人因工程的改善原則對(duì)該作業(yè)進(jìn)行改善。本文從兩個(gè)方面采用四種方式來(lái)改善車輪分裝作業(yè)中的人體疲勞:從工程學(xué)的角度出發(fā)，一是增加一個(gè)輪槽提供作業(yè)支持以代替手工搬運(yùn)過(guò)重的輪胎，二是調(diào)整工作場(chǎng)所的布局以減少人體的動(dòng)作頻率和優(yōu)化工作流程;從管理學(xué)的角度出發(fā)，一是增加一名作業(yè)人員分擔(dān)50%的分裝任務(wù)，二是制定合理的輪班制度和作業(yè)期間休息制度，從而優(yōu)化人員組織管理，最終降低人體疲勞度。改善后的布局如圖3所示。

2.4 工序改善方案的仿真驗(yàn)證

綜合上述四種改善措施，在選定的工具軟件JACK上仿真驗(yàn)證改善方案的有效性，首先建立新方案的虛擬工作環(huán)境以及人體模型，如圖3所示，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)量了解企業(yè)分裝車輪工序?qū)嶋H操作工人的身高為165cm，體重為60kg。然后將改善方案的作業(yè)及其參數(shù)輸入JACK的MEE分析工具包進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過(guò)仿真驗(yàn)證可知增加一名操作人員后第一位工人完成任務(wù)的能量消耗明顯降低至2.582 kcal/min，第二位工人完成任務(wù)的能量消耗為2.705 kcal/min，詳細(xì)結(jié)果如表3所示。

由圖1可知滿足連續(xù)工作2h所允許消耗的能量消耗上限為3.298 kcal/min，改善方案的員工能量消耗明顯低于上限，既能保證作業(yè)的安全性，還能提高生產(chǎn)效率，符合“綠色安全生產(chǎn)”的理念現(xiàn)代生產(chǎn)理念。

圖3 改善后的虛擬工作場(chǎng)景模型

Fig.3 Virtual Layout model after Optimization

3 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞制造業(yè)裝配作業(yè)過(guò)程中的人因優(yōu)化改善展開(kāi)研究，旨在降低人體疲勞度以保證安全生產(chǎn)和提升作業(yè)效率。本文將仿真技術(shù)引入人因改善研究中，以選定的仿真軟件JACK為研究平臺(tái)，以新陳代謝能量消耗值為人體疲勞的量化評(píng)估指標(biāo)，針對(duì)制造業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)構(gòu)建了人體疲勞改善方法。該方法在人體動(dòng)作及動(dòng)作參數(shù)的獲取、人體疲勞評(píng)估計(jì)算的基礎(chǔ)上，運(yùn)用工程學(xué)與管理學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)人因改善原則建立改善方案，并通過(guò)改善方案的仿真與實(shí)施驗(yàn)證其有效性。該方法在合作汽車公司工人反映疲勞度較高的車輪分裝工序的作業(yè)改善中得到了成功應(yīng)用，改善方案實(shí)施后不僅降低了作業(yè)人員的疲勞程度而且提高了工作效率。本文的研究為制造企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的人因改進(jìn)提供了方法論支持。

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