基于人機工程學的安檢閱圖工作站結構設計

劉 斌

（公安部第一研究所，北京 100044）

0 引言

隨著以X 射線檢查為代表的安檢設備應用范圍的不斷擴大，安檢市場競爭也愈發激烈。眾多的供貨商，不僅在圖像顯示分辨力、線分辨力、穿透力、工作溫限、工作噪聲等行業指標上競相爭奪制高點，而且在對以閱圖工作站為代表的結構硬件和售后培訓、維修等服務方面也越發重視和完善，后者對于產品的市場占有率和顧客滿意度的提升有著越來越大的影響。相較于非透射圖像而言，安檢行包圖像特點是對比度較小、邊緣不夠清晰、背景噪聲較大，加之一般安檢點都設置在客流貨物多的地方，因此安檢閱圖人員極容易疲勞，肌體疲勞對圖像判讀的準確率影響很大，如果對違禁品、爆炸物等誤判或漏檢，將對公共安全帶來嚴重威脅。因此，閱圖工作站的結構設計是否合理，操作是否便捷，能否為安檢員提供較高的舒適度，對于產品的好譽度有著直接的影響，對公共安全檢查的效果也起著重要的作用。

人機工程學是一門運用生理學、心理學和其他學科的有關知識，使機器與人相適應，創造舒適而安全的工作條件，從而提高工效的一門科學[1]。其研究的內容主要包括：人體特性的研究；人機系統的總體設計；工作場所和信息傳遞裝置的設計；環境控制和安全保護設計等。它將人-機-環境系統作為一個統一的整體來研究，以創造最適合于人操作的機械設備和作業環境，使人-機-環境相協調，從而獲得系統的最高綜合效能[2]。

如何將人機工程學的基本原理與方法，貫穿到安檢設備閱圖工作站的結構設計中，設計出更優的產品，使操作員的工作更加舒適和便捷，安全檢查的效率更高，是本文要解決的問題。

1 閱圖工作站的組成與基本要求

閱圖工作站由顯示終端、操作臺等部件組成。顯示終端可以顯示被檢物品的X 射線材質圖像和X 射線透視圖像，便于安檢人員對危險物品進行有效的判讀。操作臺結構要求[3]如下：

（1）操作臺應符合人機工程學的相關要求，符合正常人群的生理特性和心理要求。

（2）操作臺上設置一體化鍵盤，鍵盤上的按鈕開關與主要的系統功能相對應，可實現滾筒電機的運轉和停止，以及圖像的各種處理功能。

（3）操作臺的設計需充分考慮臺面布置設備的電源及通訊接口的布置，電源無外露點，線路無短接頭。

（4）操作臺表面滿足防腐、防銹要求，能適應具體的使用環境條件。

2 閱圖工作站結構設計

控制臺依據操作姿勢一般分五類：①坐姿低臺式；②坐姿高臺式；③坐立姿兩用；④立姿；⑤標準式。

對于安檢設備的操作者而言，除室內大型會議、室外運動賽事和博覽會等場合會用到坐立姿兩用、立姿的操作臺之外，多數都會低坐姿工作，因此這里以坐姿低臺式工況來進行設計。相較于其它姿勢的作業而言，坐姿作業的好處還在于，可以使心臟負擔的靜壓力有所降低，而且坐姿時肌肉可承受部分體重負擔[4]，連續工作時機體的疲勞感較低。

2.1 操作臺基本尺寸確定

從人機工程學的角度，首先控制臺的高度應降到坐姿人體視水平線以下，以保證操作者的視線能夠達到控制臺前方，且盡可能采用向下的觀視角；其次應把所需的顯示器、控制器設置在有一定斜度角的面板上；進而根據這兩個要點確定其他尺寸[4]，如圖1所示。

圖1 坐姿控制臺Fig.1 Seating posture console

為確定合適的尺寸來進行設計，我們對機場、長途汽車站、地鐵、會議中心的100位安檢閱圖員進行了采樣，經過統計得到部分數據如表1所示。

表1 安檢員數據匯總表Tab.1 Screeners' data summary

根據我國成人人體尺寸國家標準（GB10000-88）提供的人機工程學測量項目，列出的部分人體數據，見表2。

通過對比發現，采樣數據均落在了18～25歲年齡段統計數據的第50 百分位數和第90 百分位數之間。（百分位[6]表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統計對象人數的百分比。設計中通常采用人體百分位數來表示人體尺寸一定的適應域，以身高為例，第95 百分位的尺寸表示有95%的人身高等于或者小于該尺寸）。實際參加采樣的安檢員中，年齡在此區間段的占比為78%，二者基本相符。

表2 成年人人體尺寸數據[5]Tab.2 Ａdult body size data

樣本總體的視線高平均值為1187.7mm，鑒于男性操作員的比例較高，取1200mm 來進行設計。因此，a=1200mm。

成年男子坐姿前臂手功能前伸長的第50 百分位數為343mm，第95 百分位數為376mm，據此，選擇b=375mm。

安檢設備顯示終端的顯示器，可視角要求一般不小于160°，為保證向下的觀視角最大，取β=20°。

樣本總體的坐姿肘關節高度值為675.3mm，在人機工程中，坐姿書寫表面高度一般在650～910mm 之間，考慮到移動用腳輪的直徑等因素，我們選擇c=750mm，即控制臺臺面距離地面高度為0.75m。

對于尺寸e 和尺寸d，仍需根據進一步的約束條件確定。臺面主體尺寸的確定：

圖2 作業面布置區域Fig.2 Work surface arrangement region

在圖2 中，鑒于采樣結果與18～25歲成年人數據基本吻合，我們基于第50 百分位的男性人體測量數據來進行設計，L1=375（mm）， L2=210（mm）， R0=610（mm）， R1=546（mm）， R2=76（mm）。

通過計算得到圖2 中陰影部分位于（1100×400）mm的矩形范圍內。因此操控臺面長度為1.1m，有效寬度為0.4m。

2.2 顯示器的選擇與安裝結構設計

為保證圖像質量與穩定性，閱圖站對于顯示器的要求一般是明亮度不低于250cd/m2，對比度1000∶1，響應時間5ms，可靠性、穩定性和輻射強度符合國際標準。依據此標準，選用了市場上某款主流17 寸，液晶顯示器， 其輪廓尺寸為（371×317）mm。

由顯示器高度317mm，選定h=400mm，工作站的總體高度 d=h+c=400+750=1150（mm），小于坐姿視線水平高度，符合要求。

尺寸w的選擇，依據常用十字緊固工具的有效長度為120mm，為保證拆裝過程中有較為充分的操作空間，選定w=140mm，即圖1 中尺寸e=140mm。

鑒于顯示器自身發熱量不大，故采用自然通風形式散熱。在可拆卸背板上沖出連續的通風孔，計算得到該裝配結構的體積填充系數[7]為0.15，不但滿足散熱要求，（一般自然通風冷卻情況下，體積填充系數約為0.3），且便于拆裝和維修。

圖3 顯示器裝配Fig.3 Monitor assembly

2.3 文件柜設計

在對行李和包裹進行安全檢查的過程中，安檢操作員對于一些小型的違禁品予以沒收、零散的文件存放等需求普遍存在。因此，工作站配備一個文件柜，能夠使人員在實際使用中更加便捷。在操控平面的下方，利用空間設計一個雙層文件柜，如圖4所示。

圖4 文件柜結構設計Fig.4 File cabinet structure design

柜體主體及門板材料均采用厚度為1.5mm的冷軋鋼板，在左右側壁與外板之間預留出了線纜路徑，用于與X 射線光機的組合電纜相連接；柜門采用天地鉸鏈為軸，并配以天地鎖與適合的扣手，能夠在90°范圍內的任意開合。

2.4 可移動腳輪與操作椅的選擇

無論是置放在室內還是室外的安檢設備，使用過程中都可能更換位置，因此要根據使用環境來選擇合適的腳輪。腳輪由于材質不同，性能也有所不同。如：使用環境需要非常安靜，而且不對地面留下輪印，可選用超級人造膠輪；在要求防止靜電產生的環境，則選用導電輪；如工作環境中存在腐蝕介質，則應選擇具有良好特殊耐腐蝕性能的輪子。對于置放在地鐵站、火車站等地面狀況較好處的設備，可以選用直徑較小，硬度較高的；而對于應用在會堂等鋪設了地毯的場合，則需配備直徑較大，硬度適中的腳輪。實際中，受組合線纜直徑的限制，腳輪的直徑一般不小于60mm，一組為固定方向腳輪，一組為帶剎摯腳輪，后者在能夠固定控制臺的同時，也可有效保護組合線纜。

對于操作椅的選擇，一般依據用戶的要求來選購特定樣式、色彩、可調節的座椅。

3 閱圖工作站效果圖

基于以上確立的方案，閱圖工作站主體采用鋼板折彎結構，通過折彎加工成各種不同形狀，采用焊接、螺裝成型。顯示終端防護罩、操控臺面板等金屬零部件在做表面噴塑前先進行前處理和磷化處理。文件柜門上貼導電密封條，門關好后能有效防止灰塵從門縫侵入。顯示器背板上通風百葉窗采用外翻形式，防止灰塵直接落入機柜內部，以滿足IP20 要求。最終設計效果見圖5。

圖5 產品效果圖Fig.5 Product effect drawing

4 結束語

隨著安檢產品的不斷升級，客戶要求也不斷提升，對于安檢閱圖工作站的可用度和舒適度等方面均提出了更高要求。本文從人機工程學的角度出發，設計了安檢閱圖工作站，產品在實際應用中已覆蓋多種場合，結果表明該設計結構合理、使用便捷、用戶綜合評價高。

[1]丁玉蘭.人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[2]顏聲遠，許青.人機工程與產品設計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2003.

[3]GB 15208.1-2005.微劑量X 射線安全檢查設備通用技術要求[S].

[4]王繼成.產品設計中的人機工程學[M].北京：化學工業出版社，2011.

[5]GB10000-88，中國成人人體尺寸國家標準[S].

[6]GB/T 14776-93，人類工效學工作崗位尺寸設計原則及尺寸[S].

[7]龍立軟.電子產品結構工藝[M].北京：電子工業出版社，2010.