基于人機(jī)工程學(xué)的消防車器材布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉小霞， 王小平， 楊延璞， 王淑俠

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系，陜西 西安 710072）

在滅火、搶險(xiǎn)救援和社會(huì)救助的戰(zhàn)斗中，消防車器材布局既影響到了消防員的操作效率，又影響到消防員的安全、健康，所以改進(jìn)消防車器材布局一直是消防企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。據(jù)美國消防協(xié)會(huì)(NFPA)按慣例發(fā)布的《2008年美國消防隊(duì)員殉職情況報(bào)告》顯示，有40%的消防員因壓力和疲勞過度死亡，幾乎成為消防員每年死亡的直接原因[1]。因此，將“人”的因素提升到消防車的布局設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)中是提高消防作戰(zhàn)的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外采用人體模型進(jìn)行的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)及其評(píng)價(jià)主要集中于飛機(jī)、坦克和汽車，尤其是采用 Jack軟件對(duì)其中的布局裝置進(jìn)行相關(guān)性的配置及其功效分析驗(yàn)證已經(jīng)有了深入的研究[2-6]。但是，對(duì)于一些器材車輛中涉及的布局問題卻研究得很少。隨著消防車在消防事業(yè)中舉足輕重的作用，進(jìn)行消防車輛布局設(shè)計(jì)的深入研究是十分必要的。

本文通過某企業(yè)現(xiàn)有消防車的調(diào)研和分析，得出了箱體布局和器材放置中的缺陷和不足，從而以器材布置原則和人體尺度原則對(duì)消防車的布局進(jìn)行改進(jìn)，最后以消防車箱體第4空間的布局為例進(jìn)行Jack軟件進(jìn)行視域、可達(dá)域評(píng)價(jià)，確定了消防車箱體布局的合理性和器材取用的方便性。

1 基于人機(jī)工程學(xué)的消防車分析

1.1 改進(jìn)前消防車作業(yè)空間不足分析

通過對(duì)常見的消防車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，消防車的器材空間布局可以簡化為如圖1所示。其箱體的外觀尺寸長×寬×高為4285×2000×2184mm，考慮到卷簾門結(jié)構(gòu)和箱體上側(cè)裝飾占用的空間，實(shí)際消防車的作業(yè)空間長×寬×高為 4285×2000×1834mm左右。

圖1 改進(jìn)前消防車的布局

經(jīng)分析，當(dāng)前消防車器材布局方面存在的缺陷主要有以下幾個(gè)方面：

1）第2、3、4區(qū)間的長、寬、高尺寸相同，導(dǎo)致空間嚴(yán)重浪費(fèi)；

2）較少考慮器材的布置原則。如消防水帶質(zhì)量較輕且體積小，將其放置在第二區(qū)間，造成了布局空間的浪費(fèi)，并影響整車重心的布置；

3）區(qū)間的劃分很少考慮“人”的因素，不易于消防員舒適、便利的操作。

1.2 消防車作業(yè)空間的設(shè)計(jì)

消防車的作業(yè)空間設(shè)計(jì)，主要應(yīng)考慮作業(yè)者的身體尺寸、操作的舒適性和安全性等因素，根據(jù)器材的布置原則和人體尺度原則進(jìn)行消防車箱體布局分析。

1.2.1 消防器材布置原則

任何器材都有最佳的布置位置，這取決于消防器材的布置原則和“人”的因素。器材的布置原則指重要性原則、使用頻率原則、功能原則和使用順序原則等4個(gè)原則[7]。

1）重要性原則：首先考慮操作上的重要性，如移動(dòng)式發(fā)電機(jī)對(duì)整個(gè)滅火戰(zhàn)斗的作用不言而喻，一旦使用，就必須迅速使其處于工作狀態(tài)。

2）使用頻率原則：指將經(jīng)常使用的器材放置在人最舒適、最容易夠得著的部位，如消防水槍、滅火器等器材要放置在消防員容易操作的區(qū)間。

3）功能原則：即指將具有相似功能的器材放置在統(tǒng)一的區(qū)域，如鐵鍬、消防斧、丁字鎬等消防器材功能相類似的，要布置在同一個(gè)區(qū)間內(nèi)。

4）使用順序原則：在救援戰(zhàn)斗中，一些器材之間存在關(guān)聯(lián)性，有先后順序的使用，因此這些器材布置應(yīng)該按照使用順序的原則布置。

“人”的因素是指根據(jù)人的生理、心理等因素，分別將器材布置在人使用舒適、合理的范圍內(nèi)。操作者作業(yè)時(shí)肢體運(yùn)動(dòng)線路最短、最舒適、效率和準(zhǔn)確性最高的作業(yè)范圍稱為最佳作業(yè)空間范圍[8]。按照應(yīng)該使95%的人滿意的原則，將使用頻率最高的工具設(shè)置在正常范圍內(nèi)；將不常使用的工具放置在最大工作范圍和正常工作范圍之間；將一些特殊用途的工具布置在最大工作范圍邊緣。表1為消防器材的布置建議。

表1 消防器材的布置建議

1.2.2 消防車作業(yè)空間設(shè)計(jì)原則

舒適、人機(jī)的操作環(huán)境是充分考慮 “人”、機(jī)、環(huán)境之間的相互關(guān)系，并將“人”的因素充分應(yīng)用到消防車箱體內(nèi)部區(qū)間分布中，使得“機(jī)”、環(huán)境能夠更好的服務(wù)于人，減少或者避免不方便、不舒適的人體模型操作方式。消防車的作業(yè)基本都是在立姿下完成的，而根據(jù)人的活動(dòng)空間范圍，可以將與人體有關(guān)的空間分為手操作的最大范圍、最佳作業(yè)空間、手操作的適宜范圍和前屈或者下蹲的空間范圍。

根據(jù)一般人的使用原則，選擇人體百分位數(shù)為10、5兩種，分別滿足使用人群的90%、95%。圖2為參考GB/T10000—98的P5人體模型的立姿活動(dòng)空間的分布。

圖2 P5人體模型的立姿活動(dòng)空間分布

另外，考慮到消防器材的顏色和使用規(guī)則、器材標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)和位置、人體的操作習(xí)慣等因素對(duì)消防員安全、方便的操作都有一定的影響，因此，操作布局應(yīng)該有一定的修正量。

1.2.3 改進(jìn)后消防車的布局

消防器材的作業(yè)主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：一種是站地面直接操作；另一種是站在消防車踏板上操作；消防車踏板一般距消防車箱體下邊緣為120mm，距地面為 205mm，表 2為消防車作業(yè)空間的劃分說明表；圖3為改進(jìn)后的消防車布局尺寸圖。

2 消防車的評(píng)價(jià)分析

2.1 評(píng)價(jià)分析結(jié)構(gòu)

首先，在Pro/e中構(gòu)建消防車的骨架、部件模型，并分別將模型導(dǎo)入到Jack軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)整和裝配；第二，在 Jack軟件中構(gòu)建P5、P95人體模型，實(shí)現(xiàn)消防車骨架模型和人體模型的“裝配”；第三，依據(jù)人體模型舒適、最佳、極限的視線（手臂活動(dòng)），分別調(diào)整人體模型的相應(yīng)位置；第四，運(yùn)用Jack軟件視域（可達(dá)域）相應(yīng)的分析檢測(cè)工具分析人體模型與消防車的沖突干涉性，對(duì)于不符合要求的“裝配”，調(diào)整消防車骨架布局以致符合要求；最后，記錄視野（手臂操作域）與消防車箱體的相對(duì)位置，整個(gè)過程的流程圖如圖4所示。

表2 消防車作業(yè)空間的劃分說明

圖3 改進(jìn)后消防車的作業(yè)空間布局

圖4 Jack軟件評(píng)價(jià)流程圖

2.2 消防車的評(píng)價(jià)分析

在人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，常用的人機(jī)評(píng)價(jià)類型有視域、力和扭矩分析、舒適度分析、姿勢(shì)預(yù)測(cè)、可及范圍、疲勞和恢復(fù)、手動(dòng)操作局限分析等[9]。本文針對(duì)消防車箱體的特點(diǎn)，考慮到操作方便、舒適等設(shè)計(jì)要素，主要實(shí)現(xiàn)了視域和可達(dá)域的評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了搶險(xiǎn)救援消防車布局的合理性以及器材取用的方便性。

1）視域分析

視域的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以合格與不合格兩者衡量，其中視域的合格性是指按照人的雙眼與產(chǎn)品上特定對(duì)象的位置關(guān)系，視域的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：識(shí)別或觀察對(duì)象位于視野角度內(nèi)。在視域的分析中，一般選擇5、95兩種人體百分位，使得90%的人群滿足要求[10]。另外，考慮到仰視、俯視都會(huì)相應(yīng)的改變?nèi)梭w模型的視野位置和方向，查表知頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的最大角度為仰視40°，俯視30°，最舒適的仰視角度為12 ～25°之間[11]。

Jack軟件中的視野是通過以視野角度和視距確定的視錐體來分析的。視錐體包絡(luò)的范圍表示器材的可見范圍。通過建立字母辨別范圍、顏色辨別范圍、最佳視野范圍、極限范圍的視錐體，映射視錐體在第4區(qū)間的相對(duì)位置，則可以確定第4區(qū)間的字母辨別、顏色辨別、最佳視野、極限視野范圍。依據(jù)確定的位置范圍不但可以評(píng)價(jià)消防車箱體的布局，還對(duì)器材的布置有借鑒作用。如在字母、顏色辨別范圍布置消防器材的標(biāo)識(shí)。

2）可達(dá)域分析

同理，可達(dá)域的衡量標(biāo)準(zhǔn)也是以合格與不合格體現(xiàn)，可達(dá)域的合格性指人體與產(chǎn)品“裝配”定位后，手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定操縱[10]，一般選擇 5%的人體模型，使得95%的人群滿足要求。

Jack軟件中的可達(dá)域是通過以肩關(guān)節(jié)和手臂長確定的球體來分析的。球體包絡(luò)的范圍表示器材的可達(dá)范圍，通過建立手臂側(cè)伸、平伸、上舉的可達(dá)域球體。映射可達(dá)域球體在第4區(qū)間的相對(duì)位置，則可以確定第4區(qū)間的最佳操作范圍、手臂操作可達(dá)范圍等。依據(jù)確定的相應(yīng)范圍不但可以評(píng)價(jià)消防車箱體布局的合理性，還對(duì)消防器材的布置有借鑒作用。如將消防水帶的固定連接裝置布置在手操作的最佳操作范圍內(nèi)，消防水帶放置在人體模型的可達(dá)域內(nèi)。

3 評(píng)價(jià)實(shí)例

3.1 視域

為了直觀顯示第4區(qū)間與視錐體之間的相對(duì)位置，圖5為 Jack中人體模型的視野圖，將在Jack軟件中頭部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)向上的極限角度40°和舒適角度 25°，以及平視的相應(yīng)視錐體記錄的各個(gè)視錐體以圖標(biāo)形式顯示，如圖6所示。其中，灰色部分表示第4區(qū)間的區(qū)間范圍，以5%人體模型的眼高1281為零點(diǎn)，視距為500mm。

圖5 Jack中人體模型的視野圖

由圖6可知，第4區(qū)間的范圍都在在5%人體模型的極限視野內(nèi)；其中頭轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 40度的最佳視野在1531 ～1681mm范圍內(nèi)；頭轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的舒適角度內(nèi)，最佳視野的范圍在1451 ～1601mm范圍內(nèi)；平視時(shí)的最佳視野范圍為1331 ～1481mm范圍內(nèi)，而且第4區(qū)間的大部分都在平視的極限角度范圍內(nèi)。字母、顏色的最佳辨別范圍為字母辨別、顏色辨別和最佳視野的相交區(qū)域，即在1381 ～1481mm范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)可以布置對(duì)消防器材的標(biāo)識(shí)。

圖6 視域分析顯示圖

3.2 可達(dá)域

同理，為了直觀顯示第4區(qū)間與可達(dá)域球體之間的相對(duì)位置，將在Jack軟件中人體模型剛好未觸及第四區(qū)間下限的手臂角度、人體模型剛好觸及第4區(qū)間的上限的手臂角度的可達(dá)域球體以圖標(biāo)形式顯示，圖7為Jack軟件中可達(dá)域與器材干涉圖，圖8為人體模型可達(dá)域與第4區(qū)間相對(duì)位置的側(cè)視圖。其中，灰色部分表示第4區(qū)間的區(qū)間范圍，以5%人體模型的肩高1281為零點(diǎn)。

圖7 Jack軟件中可達(dá)域與器材干涉圖

圖8 可達(dá)域分析顯示圖

由圖8分析可知，第4空間的空間范圍都在手臂的可達(dá)域內(nèi)，但是 5%人體模型的最佳操作范圍在第4空間沒有映射，符合器材的布置原則，將質(zhì)量輕、使用頻率低的消防器材布置在人體模型的最大操作域內(nèi)。

4 結(jié) 論

為提高消防員的作戰(zhàn)效率，減少對(duì)消防員造成的健康、安全隱患，將人機(jī)工程學(xué)運(yùn)用到消防車器材布局設(shè)計(jì)中，從器材布置、人體尺度分析和器材箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分等方面進(jìn)行了討論和優(yōu)化，并應(yīng)用Jack軟件結(jié)合某型消防車器材箱體布局實(shí)例進(jìn)行了視域和可達(dá)域分析，給出了消防車器材布局的改進(jìn)建議。將此方法理論化、實(shí)踐化，不但可以分析其他消防車布局的設(shè)計(jì)，還對(duì)消防器材的布局、標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)、固定連接的位置等都有借鑒和參考價(jià)值。

[1] 馮艷萍. 2008年美國消防員殉職情況分析[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2009,(10): 75-79.

[2] 白 穆,莊達(dá)民,張 磊,等. 飛機(jī)操縱裝置優(yōu)化布局[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2010,21(1): 28-31.

[3] 劉曉靜,吳江浩,張曙光. 250座級(jí)翼身融合布局客機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2011,29(1):78-83.

[4] 沈 艷,鄭永前. JACK虛擬技術(shù)在車間作業(yè)設(shè)備優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)工程與管理,2009,14(5):54-58.

[5] Edward M S. Reusable,lifelike virtual humans for mentoring--and--role-playing [J]. Computers—and Education (S0360-1315),2007,49(1): 75-92.

[6] Godwin A,Eger T,Salmons A,et al. Postural implications of obtaining line-of-sight for seated operators of underground mining--load-haul-dump vehicles [J]. Ergonomics,2007,50(2): 192-207.

[7] 高 靜,錢省三,王殊軼,等. 港機(jī)駕駛室聯(lián)動(dòng)臺(tái)空間布局的人因優(yōu)化[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械,2010,(12):49-52.

[8] 項(xiàng)英華編著. 人類功效學(xué)[M] . 北京: 北京理工大學(xué)出版社,2008: 232.

[9] 李 昶,王小平,余隋懷. 面向家電產(chǎn)品的人機(jī)工程設(shè)計(jì)與檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2011,(1):97-101.

[10] 劉紅杰. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)尺度關(guān)系量化評(píng)價(jià)的研究[J]. 包裝工程,2006,27(2): 192.

[11] 丁玉蘭編著. 人因工程[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社,2004: 184.