基于Jack的城際列車人機(jī)工程仿真研究

劉慧軍　張相寧　王會艷

摘要：高速列車客室是承載乘客的主要部分，列車客室內(nèi)部空間布局設(shè)計的合理化與人性化影響著乘客的乘坐舒適度。文章以動車組客室的乘客活動為例，闡述了基于Jack軟件的乘客在列車中的可通過性和可操作性仿真校核分析方法。

關(guān)鍵詞：城際列車；Jack；人機(jī)工程；高速列車客室；動車組客室 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP11 文章編號：1009-2374（2016）26-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.010

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人采用高速列車作為出行工具。高速列車客室是承載乘客的主要部分，為滿足乘客需求，客室內(nèi)部空間更需體現(xiàn)大容量、安全、舒適、美觀、節(jié)能和人性化的特點(diǎn)，因此列車客室內(nèi)部空間布局設(shè)計應(yīng)合理化與人性化。

Jack軟件作為Siemens Tecnomatix產(chǎn)品線中的重要組成部分，Jack能夠在虛擬環(huán)境中添加各種尺寸的精確人體模型，為其賦予特定的任務(wù)，從而分析其操作效能。Jack的數(shù)字化人體能夠告訴工程師他們的視野、他們的工作可達(dá)區(qū)域，獲得人體工作時的重要信息、何時以及為什么人體會受到傷害或感到疲勞。

1 列車客室布置原則

采用人機(jī)工程學(xué)評估列車客室時，不但需要考慮列車客室空間與設(shè)備之間的關(guān)系，更要考慮空間、設(shè)備與乘客之間的關(guān)系。如何使得列車客室空間與設(shè)備為乘客提供一個安全、舒適、人性化的環(huán)境才是客室設(shè)計的關(guān)鍵。因此，設(shè)計者應(yīng)關(guān)注以下應(yīng)用人體測量數(shù)據(jù)時的不同原則：

最大最小人體尺寸的選用原則。當(dāng)設(shè)計特征為適應(yīng)大部分人群時（如門口），應(yīng)采用極端人體尺寸。在實(shí)際中，為了適用極大部分人時，通常可能會選用最大或最小的人體測量尺寸（如第95百分位的男性和第5百分位女性）。可調(diào)節(jié)設(shè)計原則，例如在考慮設(shè)計座椅時，應(yīng)設(shè)置為可調(diào)節(jié)的，這樣能滿足不同使用者使用。

折中性設(shè)計原則。當(dāng)某些非重要位置的設(shè)計不適合使用最大最小人體尺寸，同時使用可調(diào)節(jié)設(shè)計又不切實(shí)際時，可使用折中性設(shè)計，使用平均人體尺寸，如門把手、燈開關(guān)等。

考慮與人體尺寸相關(guān)的因素。人體尺寸與國家、區(qū)域、民族、年齡、性別等因素有關(guān)，設(shè)計時必須予以考慮，如在國內(nèi)運(yùn)行的列車，應(yīng)采用中國人人體測量數(shù)據(jù)。適當(dāng)?shù)男拚浚压嫉娜梭w數(shù)據(jù)，都是在特定條件下，而非設(shè)計對象的條件下測量的。因此必須根據(jù)對象的實(shí)際情況，對人體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚拍茏鳛閷ο筮m用的設(shè)計尺寸，如著裝修正。選擇最新適用的人體尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)資料表明，世界各國人體身高均呈增長趨勢，近20年來平均每10年增長1cm，因此設(shè)計應(yīng)選用用戶群體最新適用的人體尺寸數(shù)據(jù)。

2 列車客室校核內(nèi)容

列車客室每節(jié)車廂大致布置著乘客座椅、衛(wèi)生間、開水爐、電器柜、綜合柜、大件行李架等。與乘客活動主要相關(guān)的空間是客室通道區(qū)域、車輛門口區(qū)域，行李架放置空間。

客室內(nèi)布置的兩排座椅所行成的過道是乘客進(jìn)出的主要通道，更是在逃生時必經(jīng)之路。客室區(qū)座椅通道的大小不但影響著乘客尤其是攜帶行李的乘客行走的舒適性，還影響著逃生時客室內(nèi)乘客的安全。

車輛門口區(qū)域一般分布在客室兩側(cè)，此處布置著衛(wèi)生間、電器柜、開水爐等設(shè)施，乘客取水時需要離開座椅到開水爐處取水。開水爐容量需要滿足乘客飲水的需求。另外在空間上要留有足夠的空間便于乘客取水，開水爐面板尺寸設(shè)計上需要方便乘客取水，并盡量避免乘客燙傷。行李架分布于客室內(nèi)，分布在兩排座椅兩側(cè)上方。針對較大行李，基本每個車廂都在其入口不遠(yuǎn)處放置一個較大容量的行李架。行李架是乘客放置行李的地方，因此行李架的設(shè)計既要考慮車廂的特殊結(jié)構(gòu)，也需滿足乘客放置行李的需求，要便于乘客放置行李。

3 人機(jī)工程仿真分析

3.1 列車客室通道及出口分析

客室通道及出口主要考慮旅客進(jìn)出的安全性與方便性，在此主要考慮通道出口的便利性。

通道尺寸分析，列車二等座車通道尺寸為498mm，一等座車通道尺寸為625mm。乘客不攜帶行李進(jìn)出通道，第50百分位男性一人行走時，可方便通行。當(dāng)?shù)?0百分位男性與第50百分位女性并肩時，肩寬尺寸大于通道尺寸，此時兩人可能產(chǎn)生摩擦。

門出口分析，列車門寬尺寸為805mm。乘客不攜帶行李進(jìn)出通道，第50百分位男性一人行走時，可方便通行。當(dāng)?shù)?0百分位男性與第50百分位女性并肩時，肩寬尺寸大于通道尺寸，此時兩人可能產(chǎn)生摩擦。

座椅間通道分析，列車座椅間的通道尺寸為480mm。第50百分位男性一人行走時，可方便同行。攜帶50cm×25cm×25cm行走時，需將行李抬高高于座椅靠背才能通行。

3.2 列車客室開水爐設(shè)置分析

飲水機(jī)是公共設(shè)施，針對公共設(shè)施一般采取折中性設(shè)計或者是可調(diào)節(jié)設(shè)計。列車飲水機(jī)尺寸，總高1819mm。飲水機(jī)出水口高度為1091mm。第50百分位中國男子從座椅到飲水機(jī)處進(jìn)行取水的動作仿真，另一位50百分位中國男子同時從其身后通過。

飲水機(jī)的高度應(yīng)使用折中設(shè)計，滿足大多數(shù)人的取水需求。根據(jù)中國成年人第50百分位人體身高加上鞋30mm修正后，為1722mm。飲水機(jī)出水口高度為1091mm，旅客可方便取水，且不妨礙其他乘客在此處通行。

3.3 列車客室行李存放位設(shè)置分析

行李架的高度影響人存放行李時，下面通過仿真人在存放行李時人體腰椎的情況，選取第50百分位的中國成年男子測量數(shù)據(jù)。根據(jù)鐵路旅客運(yùn)輸規(guī)程中第五十一條對旅客行李的規(guī)定情況如下：

旅客攜帶品由自己負(fù)責(zé)看管。每人免費(fèi)攜帶品的重量和體積是：兒童（含免費(fèi)兒童）10kg，外交人員35kg，其他旅客20kg。每件物品外部尺寸長、寬、高之和不超過160cm。桿狀物品不超過200cm；重量不超過20kg。殘疾人旅行時代步的折疊式輪椅可免費(fèi)攜帶并不計入上述范圍。下面設(shè)置兩種行李模型以為仿真所用：一種是小的行李模型尺寸為50cm×25cm×25cm；另一種是大行李模型尺寸為50cm×50cm×50cm。

對乘客放置行李的動作進(jìn)行仿真，如圖5所示：

對乘客整理行李的工作姿勢利用快速上肢評估方法對此進(jìn)行評估。快速上肢評估方法（RULA）方法主要應(yīng)用于頻繁使用上肢的工作場合，將乘客軀體部位分成手臂與軀干兩個群組，手臂又分成上臂、前臂及手腕，軀干又分成頸部、背部及腿部等六個部位，使用其觀察角度而給予評分，并考慮乘客的負(fù)載大小并給予工作姿勢評分，分值越高表示其作業(yè)姿勢越不舒適。

根據(jù)仿真的最后動作，設(shè)置工作姿勢為站立姿勢，重力平均，而且有足夠的空間調(diào)整重力。手部肌肉正常使用，行李重量為2～10kg，參數(shù)設(shè)置如圖6所示：

根據(jù)快速上肢評估（RULA）對整理高處行李的工作姿勢進(jìn)行觀察，評估上臂、前臂、手腕、頸部、身軀、腿部在此工作姿勢角?上的?同得分，并觀察姿勢的施?大小與肌肉的使用狀態(tài)評估可得其分?jǐn)?shù)為6分。

根據(jù)RULA指數(shù)和等級情況，表明工作姿勢不在舒適范圍，需要重復(fù)動作且有靜態(tài)負(fù)荷或需要用力，需要盡快對該操作進(jìn)行分析調(diào)整。由于乘客上車后將行李放置于高處行李架，下車后將行李取下離開，這是一個短暫的不重復(fù)行為，因此不會對旅客的健康造成影響。

NIOSH舉升分析工具能評估對稱或不對稱的舉升任務(wù)。JACK人機(jī)工程分析軟件能夠進(jìn)行NIOSH舉升分析，分析舉升任務(wù)，包括在給定的姿勢條件下，給出預(yù)期的重力和載荷；對于一個手動舉升任務(wù)或包括多個舉升任務(wù)的工作，給出相關(guān)的物理壓力的評估。

NIOSH搬運(yùn)受力分析旨在分析員工雙手搬起重物時的受力情況，得出一個搬運(yùn)指數(shù)，然后與允許的搬運(yùn)指數(shù)相比較，進(jìn)而了解工人的搬運(yùn)過程的動作是否合理，以幫助避免或減輕員工背部損傷。NIOSH搬運(yùn)受力分析主要依據(jù)1991年修訂的NIOSH提舉公式：RWL=23×（25/H×（1-0.003×|V-75|）×（0.82+4.5/D×（1-0.0032A）×FM×CM。式中：RWL是推薦重量極限值；F是抬舉頻率乘數(shù)；CM是握持乘數(shù)；H是人體中心與產(chǎn)品間的水平距離；V是搬舉任務(wù)起始或終止時手掌距地面的垂直距離；D是抬舉重物的垂直移動距離；A是相對于矢狀面的身體扭轉(zhuǎn)角度。從而得出單項任務(wù)搬運(yùn)指數(shù)LI=Ac-tualTaskLoadLifted/RWL。對于復(fù)合搬運(yùn)任務(wù)，綜合各次單項任務(wù)搬運(yùn)指數(shù)得出復(fù)合搬運(yùn)指數(shù)CLI（CompositeLifting Index）。其中NIOSH規(guī)定當(dāng)CLI值小于1時，表示該作業(yè)安全；當(dāng)CLI值大于l時，有部分學(xué)者持保留態(tài)度，認(rèn)為該作業(yè)安全，但是會使下背痛（LBP，LowBackPain）的發(fā)生幾率增加；但CLI>3將使下背部受傷幾率大為增加，此時應(yīng)該降低搬運(yùn)重量。

在Jack的NOISH舉升任務(wù)分析中，設(shè)置搬運(yùn)平均重量為10kg，搬運(yùn)時間為0.01h，恢復(fù)時間為5h。參數(shù)設(shè)置如圖8所示：

報告顯示任務(wù)負(fù)荷超過任務(wù)推薦限值。大多數(shù)健康人對于此任務(wù)都會覺得困難。對于大件行李，若放置到高處對單一旅客來說搬動較為困難。一般旅客搬動大件行李時，乘務(wù)員或其他旅客均會幫助，這樣就大大地降低了行李負(fù)荷對旅客健康的影響。

4 結(jié)語

采用Jack人機(jī)工程分析軟件評估列車客室空間設(shè)備布置的合理性，針對客室內(nèi)通道包括座椅間通道、過道、門等，室內(nèi)設(shè)備如行李架、飲水機(jī)進(jìn)行人機(jī)因素進(jìn)行仿真評估，評估結(jié)果如下：

各通道座椅間通道、過道、門等，均基本適合一人通行。當(dāng)兩人通行時則可能會發(fā)生碰撞需側(cè)身行走。通道尺寸受列車本身的尺寸限制，基本適合一人或較小身材的人同時通行。

開水爐面板及出水按鈕高度適中，滿足大多數(shù)人的取水要求，并便于觀察操作面板。開水爐位置設(shè)置合理，在一人取水情況下，不妨礙此處過道通行。

行李架較高，第50百分位人需要高舉雙臂或站到椅子上進(jìn)行行李放置。大行李架若放置大件行李到最高層時，對于旅客較為困難。但是對于旅客來說，均是一次性任務(wù)，因此基本不會對旅客腰椎等部位的健康產(chǎn)生影響。另外，客車上有專門幫助整理行李的乘務(wù)員，這更能降低單一旅客搬動大件行李時可能產(chǎn)生的危險。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：本文系鐵道部科技項目（項目編號2012J003-C）研究成果。

作者簡介：劉慧軍（1978-），男，湖南桃源人，中車唐山機(jī)車車輛有限公司高級工程師，研究方向：軌道車輛人機(jī)工程仿真計算。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）