礦用救生艙裝配與維修人機驗證

李元斌，孫有朝，張燕軍

(1.南京航空航天大學民航學院，南京 210016；2.武警杭州士官學校，杭州 310023)

1 概述

礦用可移動式救生艙是在井下發生災害事故時，為無法及時撤離的遇險人員提供生命保障的密閉空間，可通過牽引、吊裝等方式實現移動，以適應井下采掘作業地點變化的要求[1]。在加拿大、美國、澳大利亞等國家的礦山安全法規和標準中，對推廣、使用礦用救生艙有硬性的規定，并已在礦難救援中有不少成功應用的案例。與國外相比，國內對礦用可移動式救生艙的研究起步較晚，其設計思路還不十分成熟，因為國外救生艙的設計尺寸、使用條件等因礦井建設標準的不同而缺少可比性，所以需要針對國內礦井的實際狀況，對救生艙井下裝配與維護進行必要的驗證。

為了能在緊急情況下為避難人員提供充分的生命保障，救生艙的設計多為分體式硬體救生艙，由于礦井井筒、巷道的尺寸等因素的限制，救生艙的裝配與維修又須在煤礦井下完成，而井下作業存在作業空間狹小、施工條件受限、光線不足等問題，所以救生艙的設計一方面要滿足其自身的功能要求，另一方面還應充分考慮其裝配、維修的人機特性，從而有效降低裝配難度和維修成本[2]。

本文提出在救生艙的設計階段，應充分考慮救生艙在井下裝配與維修時滿足人機特性的要求，安裝救生艙所需的操作工具及空間尺寸等，建立人機特性評價指標并進行人機性驗證仿真，從而為實際操作提供重要的指導[3-4]。

2 救生艙裝配與維修的人機特性

2.1 裝配與維修的人機性能特點

在發生災害事故時，救生艙的配備應能滿足遇險人員的避險要求，救生艙內充足的空間對保障遇險人員具有積極的作用，但是由于救生艙的安裝是在已建成的礦井下安裝，因此其體積、質量等方面將受到井筒、巷道尺寸及安裝工具的限制，需要在地面將救生艙分為多個單元體之后逐個運送至礦井下，并完成其裝配及日后維護。

根據井下《煤礦安全規程》有關的設備防爆性要求，即使是先進的吊運、安裝工具(一般都需要通過供電驅動)在未取得煤安證的情況下是不允許使用的，這就進一步增加了井下救生艙裝配與維修施工的難度。救生艙的裝配與維修只能靠工作人員與簡單的工具來完成。

由此可知，煤礦井下救生艙的裝配與維修具有作業空間尺寸有限、環境條件粗糙、操作工具受限、作業人員體能消耗大等特點[5]。

2.2 裝配與維修的人機性能要求

基于上述的救生艙裝配與維修的人機性能特點，在進行救生艙的裝配與維修時，應滿足的基本人機性能要求包括：可達性與可視性，免碰撞與干涉，作業人員的姿態要求等。

2.2.1 可達性與可視性要求

可達性和可視性是救生艙井下裝配與維修必須滿足的最基本的人機特性要求。所設計的救生艙應能夠保證：

(1)井下裝配與維修的作業空間(包括艙內作業空間與艙外作業空間)大于人體最小作業空間；

(2)裝配及維修人員在作業過程中能夠看到自己的操作動作[6]。

另外，可達性還應滿足可達性系數Kπ在[0.75, 1]之間：

其中，n0為基本作業數；nπ為附加工作的基本作業數。

2.2.2 免碰撞與干涉的要求

免碰撞與干涉的要求是為了避免作業人員在對救生艙進行裝配與維修作業時，發生可能導致操作人員身體受到傷害或作業路徑不暢通等情況。免碰撞與干涉的要求可以通過作業空間比r進行評價：

其中，V為作業空間；Vmin為最小作業空間；要求作業空間比r的值大于1.5。

2.2.3 作業姿態的要求

在礦井下進行救生艙的裝配與維修作業，作業人員的姿態是否良好會直接影響到其工作的效率。對作業姿態的要求即應確保作業過程中，作業人員不會因為不良姿態而導致工作效率降低或過快地出現疲勞，甚至導致事故的發生，并滿足作業姿態評價等級的要求。

3 救生艙裝配與維修的人機性驗證方法

救生艙井下裝配與維修的人機性驗證方法是根據所設計的救生艙樣艙，建立裝配與維修人員的人體模型以及操作工具的模型，并構建救生艙裝配與維修的井下場景，最后在計算機軟件平臺上，通過已構建的操作人員模型在虛擬場景下，運用操作工具對救生艙完成裝配與維修的動作進行仿真模擬，并針對實時仿真的數據，給出可達性、可視性、干涉情況等的評價結果[7]。

3.1 裝配與維修對象的建立

救生艙作為井下作業人員進行裝配與維修的對象，需要通過CATIA等三維建模軟件建立實體模型，其尺寸應與所設計的救生艙實際安裝尺寸保持一致，以保證最后驗證仿真的有效性與真實性。在建模過程中，對于救生艙內的內飾、環境控制設備與監測儀器等，可根據人機性驗證仿真的需要，在與作業人員實際裝配與維修無關聯的前提下，對相應的設備、儀器及其內部結構等做必要的簡化處理。

另外，基于模型的虛擬救生艙樣艙，即使在做了簡化處理之后，由于其本身的點、線、面等幾何信息、約束信息等原因，使得樣艙的數據量龐大。而在仿真過程中，裝配與維修的對象、作業人員及工具又都是運動的，要滿足仿真速度每秒 12幀的最低要求相對比較困難，對計算機資源的浪費也大，因此，在不影響分析驗證的前提下，可將所建立的模型格式進行轉換，選用cgr格式對模型作輕量化處理，從而有效地提高仿真速率[8]。

3.2 作業人員及工具模型的構建

在人機性驗證仿真的過程中，需要通過所建立的人體模型模擬真實的操作情況，并檢驗是否滿足了相應的人機特性要求。對于人體模型的構建，應采用人體全尺寸模型，并能反映人的作業姿勢、作業域、視角、關節運動范圍等與裝配以及維修的關系，在基于DELMIA平臺驗證仿真中，可通過人體建模模塊創建全尺寸人體模型[9]?？紤]到井下作業人員需穿著定制的工作服，對于關鍵的人體尺寸設計極限，應建立在從第5百分位到第95百分位值的范圍內，采用此范圍內的尺寸在理論上提供了90%的人數適用。人體全尺寸模型所需的數據，可以通過相應標準手冊進行查詢，也可針對具體作業人員的身體特征進行實測。

裝配與維修工具是在虛擬仿真過程中，作業人員完成救生艙裝配及進行日后維護需要使用的工具，與救生艙樣艙相同，可以通過 CATIA的零件設計模塊完成建模。

3.3 煤礦井下裝配與維修的虛擬場景構建

裝配與維修的場景是完成可視化仿真的場所，可以通過多種方法實現。構建場景的常用方法有多種，如基于圖像的全景圖生成技術，基于3D造型的簡化式場景，以及示意圖像等。在進行救生艙裝配與維修的人機性驗證仿真時，使用基于3D造型的簡化式場景?；?D造型的簡化式場景是根據實際工作環境的結構尺寸，在三維軟件中完成場景的實體造型，此場景中只表達環境的長寬高等尺寸參數，而對環境的壁面材質、光潔度等不做要求。

裝配與維修場景的建立一方面是為了使仿真具有真實感，能夠盡可能真實地模擬作業人員實際操作的場景，另一方面也可為救生艙在礦井下需要布置的巷道建設提供參考。根據實際完成作業的情況，在井下的救生艙裝配與維修操作，不需要對環境進行關聯操作，但需要把環境空間作為裝配與維修作業域的限定條件，井下巷道的建設尺寸要符合相關的設計標準，即需要在有限的空間中完成預期工作。

3.4 模型加載與驗證仿真流程

要完成人機性驗證仿真，首先需要將操作對象(救生艙及其組成組件)、人體模型、工具模型與作業環境場景等加載到基于DELMIA的驗證仿真平臺[10]。在加載時，需將上述模型分類，以便于仿真信息的管理，一般分為產品列表和資源列表兩大類。產品列表主要是救生艙本身及其內部所包含的所有附屬零部件；資源列表一般由人體模型、工具模型與作業環境等組成[11]。

救生艙人機性驗證所需的模型完成加載之后，需要對作業人員、操作工具以及救生艙關聯零部件仿真動作的路徑進行定義，包括作業人員對螺栓螺母的緊固、拆卸，救生艙單元體間管線路的對接等操作，從而保證在仿真時得到預期的仿真結果報告。從模型加載到最后完成仿真的流程如圖1所示。

圖1 驗證仿真流程

4 人機性驗證與仿真結果分析

以某型在研救生艙單元體間聯接裝配的人機性驗證仿真為例，運用上述救生艙人機性驗證仿真方法對聯接裝配流程進行分析(該型救生艙的維修拆卸過程可視作聯接裝配的逆過程)。單元體間的聯接裝配整體流程包括：密封圈加固→安裝定位銷→螺栓聯接→氣密性檢查等。

4.1 可達性與可視性分析

在救生艙單元體間的聯接過程中，基本的作業操作數為 X=5(固定密封圈、裝定位銷、螺栓聯接、氣密性檢查等)，進一步可得 Kπ的值為 0.79。另外，還可以通過 DELMIA平臺的人體包膜對可達性做定性的評價與分析，如圖2所示，對人體模型的動作調整提供參考，從而改善可達性。

圖2 作業人員的可達域

可視性分析是分析確保作業人員在進行救生艙裝配的過程中，能夠對所有操作可視，從而能有效避免誤操作以及造成人員受傷等情況。一般人的雙眼水平視覺范圍約為120°，垂直方向約為上下各35°，可劃分為A、B、C 3個區域，如圖3所示。有非常好(部件完全處于區域 A內，且焦點落在部件幾何中心)、好(部件完全處于區域 A內，且焦點在部件上，但不在幾何中心)、比較好(部件處于區域 A、B之中，幾何中心在區域A內)、一般(部件處于區域A、B之中，幾何中心位于區域 A、B分界線上)、比較差(部件處于區域A、B之中，幾何中心在區域B內)、差(部件完全處于區域B內)、非常差(對象有部分處于區域C中)7個評價等級。從仿真結果可知，在救生艙裝配操作過程中，作業人員的操作可視性基本在“一般”以上。

圖3 作業人員的可視域

4.2 碰撞與干涉分析

在礦井下進行救生艙單元體間聯接裝配過程中，因艙體外形尺寸規整，艙體表明平滑，正常操作不會導致作業人員與救生艙艙體、巷道壁之間發生碰撞或干涉，而應主要考慮救生艙安裝位置處巷道尺寸的設計，從而有效避免救生艙無法在所建巷道內完成裝配。從碰撞與干涉的仿真過程分析，并結合作業人員的可達性要求，要滿足作業人員的作業空間比 r＞1.5，至少應使救生艙外壁與巷道壁的間距參考值高于1.11 m。救生艙人機性驗證裝配操作仿真結果中，救生艙外壁與巷道壁的間距為1.2 m，不會導致作業人員與救生艙艙體、巷道壁發生碰撞或干涉。

4.3 作業姿態分析

作業人員的作業姿態分析可以利用 DELMIA軟件中的基于快速上肢評價 RULA(Rapid Upper Limb Assessment)進行衡量，并給出1分～2分(該姿勢可接受，能夠長期保持該姿勢)、3分～4分(該姿勢可以保持較短時間)、5分～6分(該姿勢只能保持很短時間)、7分(該姿勢通常不可接受，必須立刻改變該姿態)等評分結果，RULA的1分～7分對應“非常好”、“好”、“比較好”、“一般”、“比較差”、“差”、“非常差”7個級別。作業姿態分析功能對聯接裝配的姿勢進行分析評價，分析項目包括右手上臂的3個自由度、前臂的2個自由度以及手和食指的單自由度。通過分析，可以對分值較低的自由度進行優化，以使得作業人員在裝配過程中處于較好的作業姿態。圖4給出了每個自由度的分析結果以及總的分析結果，救生艙裝配操作人員作業姿態總體評價在“好”以上。

圖4 姿態分析結果

5 結束語

本文綜合分析某型救生艙裝配的人機性驗證過程及仿真結果，表明該型救生艙在單元體聯接裝配時具有良好的人機特性，并且說明本文提出的救生艙裝配與維修的人機性驗證方法具備有效性與可行性。今后研究的重點是對救生艙的故障進行預分析和維修處理，預估和優化維修作業時間和維修費用。

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