船舶復雜建造工藝人機工程仿真評價方法

蔡乾亞，單小芬，曾貞貞，張紅偉，朱明華

（江南造船（集團）有限責任公司 江南研究院，上海 201913）

0 引 言

船舶工業是典型的勞動密集型行業，由于船舶自身結構和建造工藝的復雜性較高，船舶總體生產的自動化水平相對較低，建造過程中需投入大量勞動力進行手工裝配、焊接和舾裝等操作。由于船舶的結構復雜、空間利用率高，很多復雜區域存在施工難的問題，需要工人在較為惡劣的環境下施工。然而，目前很多船廠在工藝設計方面缺乏人機工程角度的可行性驗證手段，工藝設計更改和優化的周期較長，方案優劣依賴個人經驗，在實際生產中時常出現工人操作可達性差、空間不足、盲裝作業、疲勞作業和作業環境惡劣的現象。

仿真的運行過程即工人裝配的過程，表現為仿真環境中各模型在某時間點執行某裝配操作[1]。人是特殊的資源，在仿真驗證中僅避免空間的干涉是不夠的，還需從人機工程的角度分析整個仿真過程[2]。人機工程仿真技術通過用虛擬樣機取代物理樣機，用虛擬人體取代實際操作人員，仿真形成虛擬人操作虛擬設備的場景，從而實現對人機系統的可視化仿真和評價，創造最適于人類工作的機械設備和作業環境。本文通過分析人機工程在汽車工業、航空航天工業等先進制造業領域的仿真應用情況，結合船舶建造的特點，提出一種船舶復雜建造工藝人機工程仿真評價方法和評價指標，為開展船舶復雜建造工藝人機工程仿真和分析評價提供方法和技術支持，避免設計失誤，降低研發制造成本，提高生產效率。

1 船舶建造人機工程仿真應用需求分析

隨著科技的不斷發展，人機工程學在以汽車工業、航空航天工業為代表的先進制造業領域得到大量應用。

1.1 人機工程學在汽車制造領域的應用情況

在汽車制造領域，人機工程的思想基本上貫穿了整個設計制造流程，主要應用包括以下2個方面：

1) 以用戶體驗為核心，基于人機工程學的布置設計。在汽車布置設計中，由于很多設計內容與乘員的操作、舒適度、安全和健康密切相關，故人機工程學是首先要考慮的因素。特別是汽車內部的布置，需滿足操作方便、乘坐舒適和安全可靠等要求。例如，基于人體的操作范圍和操作力的特點，對踏板、方向盤、操作桿、操作件及其他有關內飾進行綜合布置，使駕駛員的操縱自然、迅速、準確、輕便，又不易感覺疲勞。

2) 基于人機工程學的制造工藝設計。在3D數字環境中完成一個虛擬操作動作并進行分析，可事先查明并解決很多實際制造過程中可能出現的問題，避免在實車試制時因發現問題再次改進而增加成本。

1.2 人機工程學在航空航天領域的應用情況

為保證操作人員能安全、準確、高效地完成既定任務，航空航天領域的人機工程學應用大致可劃分為以下3個模塊：

1) 基于人機工程學的艙室布置設計。這主要包括：基于人體尺寸和心理特性的座艙結構設計；基于人的操作、反應等特性的人工控制設計；基于人的視覺特性的儀表顯示和座艙照明的工效學設計；基于人機可靠性的報警系統設計等。

2) 基于人機工程學的制造工藝設計。其關注點和研究思路與汽車制造業相近。

3) 基于人機工程學的作業設計。在航空航天領域，特別是在載人航天活動中，宇航員通常需嚴格遵守各種操作規程，執行大量的操作任務，以完成載人航天器的發射降落、運行維護、科學試驗、艙內外活動及各種空間服務。合理分析宇航員的作業能力和評估作業的可達性、舒適度及安全性具有重大的實際意義。

1.3 人機工程學在船舶建造工藝設計領域的應用需求

人機工程學概念的應用對企業實際的設計制造應用有著巨大的實際意義。結合船廠的實際情況，對船舶復雜建造工藝人機工程應用需求進行歸納總結，主要包括復雜結構制造、重大設備吊裝和狹小空間舾裝等3個方面的建造工藝。

1) 復雜結構制造。在虛擬環境中對裝配過程進行動態模擬，直觀展示產品的裝配方法，并進行實時干涉檢驗，從而使工程人員能預先發現裝配過程中存在的各種結構性和空間性問題[3]。

2) 重大設備吊裝。主要包括液罐、全回轉推進器和舵葉等重大設備的吊裝，分析施工過程中的安全性、作業強度及操作性能。

3) 狹小空間安裝作業（舾裝）。舾裝工藝涉及人機工程因素的高復雜性，要求工程師必須全方位分析工人在管路裝配過程中遇到的各個因素，而虛擬裝配技術的出現為解決船舶管路安裝中的人機工程問題提供了一種有效的仿真驗證手段[2]。

2 船舶復雜建造工藝人機工程仿真評價方法及指標

在船舶人機工程應用需求的基礎上，結合虛擬仿真技術特點，提出船舶復雜建造工藝的人機仿真評價方法和評價指標。

2.1 船舶復雜建造工藝仿真評價方法

圖1為船舶復雜建造工藝仿真評價方法，針對船舶復雜結構制造、重大設備吊裝和狹小空間舾裝等建造工藝，提出船舶復雜建造工藝仿真評價方法：

1) 在適用于船舶復雜區域人機工程仿真的軟件平臺（Digital Process Manufacturing，DPM）下，構建一個以真實的現場為參考，滿足逼真性和交互性等基本要求，為建造過程仿真分析和驗證提供近似現實的虛擬空間[4]；

2) 以建造方針和原則工藝等工藝知識為依據，開展具體工藝過程仿真，對仿真過程中發現的可能存在施工問題的狹小區域，用虛擬人進行操作過程仿真；

3) 以船舶復雜建造工藝仿真評價指標為依據，從操作可達性、操作可視性、操作空間、操作舒適度和操作安全性等角度對仿真結果進行人機工程評價，形成評價報告；

圖1 船舶復雜建造工藝仿真評價方法

4) 根據評價結果對工藝過程提出改進的意見和建議，為實現精準設計提供技術手段。

2.2 船舶復雜建造工藝仿真評價指標

圖2為船舶復雜建造工藝仿真評價指標，主要評價內容包括：

1) 操作可達性，指船舶建造工人是否能到達指定位置完成相應操作的能力，主要從豎直攀爬情況、低矮空間行進情況和姿態調整難度等方面進行評價。

圖2 船舶復雜建造工藝仿真評價指標

2) 操作可視性，指船舶建造工人在操作時其操作對象是否處于最佳的視野范圍，主要從定位點、安裝點所在視野范圍和遮擋情況等方面進行評價。

3) 操作空間，指船舶建造工人在操作時空間大小是否便于其施工操作，主要從安裝區域空間高度、肩部水平寬度、上臂操作姿態干涉情況和障礙情況等方面進行評價。

4) 操作舒適度，指船舶建造工人在操作時的姿勢、用力情況和肌肉使用情況是否舒適，主要從快速上肢評估（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）姿態舒適度方面進行評價。RULA評分方法通過對人體各部分的姿勢、用力情況和肌肉的使用情況進行研究來評估由于工作原因造成的人體上肢肌肉骨骼損傷風險的大小。

5) 操作安全性，指船舶建造工人在整個操作過程中是否存在潛在的危險，如高空作業、封閉空間等，主要從作業安全性和作業環境方面進行評價。

3 液化氣船液罐吊裝工藝人機工程仿真驗證

液化氣船的型號較多，液罐的大小和形狀差異較大，在吊裝過程中，施工人員需在液罐下方罐體與船體間的小空間內完成環氧澆注等施工操作。相對狹小的空間會給施工人員的實際操作帶來極大的局限性，特別是對底部防橫搖支座承壓木的安裝、緊固等裝配操作、工具和操作姿態等需求更高，在開展工藝設計時更需認真考慮施工的可行性，避免出現設計可行但裝配操作不可行的情況，提高現場施工的效率。

基于上述原因，以液化氣船1號液罐吊裝過程為例，根據產品的工藝設計要求，在DPM下進行人機工程仿真，并對液罐下方的舾裝緊固操作進行詳細的仿真和評價分析。

3.1 人機工程仿真建模

在開始人機工程仿真評價之前，需構建好虛擬場景，完成模型擺放和工位布局等任務，仿真建模工作包括：

1) 導入船體模型；

2) 根據給出的二維液罐設計圖紙和液罐外部保溫層設計要求，完成液罐模型的創建；

3) 創建舾裝零件和工裝工具模型，包括底部防橫搖支座的裝配螺栓、螺母、頂推螺栓、扳手和承壓木等；

4) 虛擬人建模，可創建不同性別、不同國籍、不同人數百分位的數字人體模型，并用模塊中的人體測量尺寸編輯器定義身高、臂展和腿長等人體參數，根據現場的實際情況確定模型定制調整人[5]，并將常見的裝配姿態存入虛擬人模型庫中，以備調整調用。

3.2 難點區域篩選

根據已有的工藝流程和裝配工藝順序新建該分段的工藝順序庫，主要內容為：初期準備→試吊→調整后抬起→滑動側承壓木安裝與底座環氧澆注→吊裝→底部防橫搖支座緊固與環氧澆注→頂部防橫搖支座固定。基于液罐吊裝流程，在裝配流程仿真（Assembly Process Simulation，APS）功能下進行裝配仿真，體現吊裝過程的總體工藝順序。在APS的基礎上，在產品工藝仿真過程中，在需工人完成施工操作的位置加入虛擬人模型，通過DPM提供的碰撞干涉檢查功能和距離測量功能，初步分析各區域操作空間的大小和施工的可操作性，從而篩選出具有代表性的狹小空間和難到達的區域，即滑動側承壓木緊固與環氧澆注。液罐落座之后，滑動側防橫搖支座承壓木需與液罐下方承壓木緊貼牢固，具體操作通過2個M16頂推螺栓頂推完成，之后還需通過孔洞環氧澆注完成進一步緊固。此時，由于液罐已落下，施工空間較為狹小（見圖3），特別是工具的操作空間和人的操作可視性都受到較大影響，通過仿真分析驗證工藝的可行性。

3.3 人機工程仿真及分析評價

對于篩選出的第2個難點區域（滑動側承壓木緊固與環氧澆注），其人機工程仿真及分析評價如下。

1) 操作可達性方面：圖4為滑動側承壓木緊固與環氧澆注操作可達性示意，液罐落座之后，液罐下方高度約為 500mm，施工人員需通過爬行的方式，從液罐下方中部收斂處進入指定的操作區域，且接近操作區域處高度更小，姿態調整困難，總體可達性較差。

圖3 1號液罐滑動側防橫搖底座緊固示意

圖4 滑動側承壓木緊固與環氧澆注操作可達性示意

2) 操作可視性方面：圖5為滑動側承壓木緊固操作可視性示意，在上、下頂推螺栓操作過程中，支架板1和支架板2分別會對整個操作過程的可視性產生一定影響，虛擬人只有進行姿態調整才能觀察到具體操作對象；在環氧澆注時，支架板2和支架板3也會對觀察視野造成一定的影響，故可視性總體評價較差。

圖5 滑動側承壓木緊固操作可視性示意

3) 操作空間方面：圖6為滑動側承壓木緊固操作空間示意，在下部頂推螺栓操作中，虛擬人側躺，支架板2限制擰緊操作中工具的活動范圍；在上部頂推螺栓操作中，支架板1和緊固螺栓2分別對虛擬人及其手持工具的操作造成一定的干涉影響，加上船體和液罐間空間本身相對狹小，虛擬人進行裝配操作存在較大的困難；在環氧澆注操作中，高度上的限制也影響虛擬人的操作姿態。總體而言，操作空間較小。

圖6 滑動側承壓木緊固操作空間示意

4) 作業疲勞方面：圖7為滑動側承壓木緊固與環氧澆注舒適度示意，進入操作空間需爬行一段距離，操作過程中虛擬人背部長時間處于彎曲狀態，手臂需多次舉起，下肢處于蹲姿或坐姿，負荷＜5kg；同時，由RULA評價分析可知，作業姿態整體較差，易產生疲勞和身體損傷，總體評價較差。

圖7 滑動側承壓木緊固與環氧澆注舒適度示意

5) 安全生產環境方面：在吊裝液罐時應避免處于危險位置下方，液罐落座之后操作相對較為安全；操作空間相對封閉、狹小，光線較差，應注意采光和避免碰撞；安全生產環境方面總體評價較差。

綜上所述，該區域可勉強完成相關操作，但人機工程總體評價結果較差，施工效率較低，特別是上部頂推螺栓的擰緊操作，空間約束尤為明顯。但是，考慮到安全生產等因素，施工階段已限定，故在結構和施工階段無法改變的情況下，考慮適當改變施工環境和培訓施工人員。具體方案為：

1) 增加相應的工裝。例如增加滑行工裝，降低施工人員爬行的難度，節省體力，緩解作業疲勞度。

2) 固化施工人員。該區域的施工盡量由身材嬌小的人員承擔，開展有針對性的培訓，提高操作熟練度。

3) 模擬仿真運用于培訓。基于三維模型，在施工前通過VR手段進行模擬仿真，使施工人員充分掌握現場可能遇到的情況，降低現場操作時的不可預知性。

4 結 語

本文通過分析人機工程學在汽車和航空航天領域的應用，結合船廠的實際情況，歸納船舶復雜建造工藝人機工程的應用需求，主要包括復雜結構制造、重大設備吊裝和狹小空間舾裝等3方面的建造工藝；基于虛擬仿真技術，提出船舶復雜建造工藝的人機仿真評價方法和評價指標。以液化氣船1號液罐吊裝工藝過程為例，仿真吊裝過程中施工人員的操作工藝流程，重點對環氧澆注過程中液罐下方施工人員的操作可達性、可視性、操作空間、舒適度和安全性進行人機工程仿真評價，實現評估工藝的準確性、安全性和科學性，避免設計出現差錯，確保產品質量，提高建造效率，降低研發制造成本。

目前虛擬人姿態以手工姿態調節為主，對仿真人員的操作要求較高。雖然采用姿態庫的方法可大幅提高操作的效率，但總體而言依然耗時較多。未來應在已有研究成果的基礎上結合實際應用中發現的問題和需求，通過程序二次開發、引入外設采集設備等手段，進一步提高仿真的效率和真實性。人機工程仿真是產品三維工藝設計的重要組成部分，其本身的價值體現依賴于相應的三維工藝設計。在研究人機工程仿真的同時，應充分對其他相關技術進行研究，最終形成“產品模型→三維工藝設計→工藝仿真（焊接變形仿真/人機工程仿真等）→三維工藝→生產作業指導”這樣一條完整的技術路線，從而提高整個生產效率，避免返工情況發生。在目前的工藝路線規劃中，人機工程仿真位于工藝設計階段之后，使得工藝設計完成與仿真結果獲得之間會存在一定的時間間隔，無形中會延長整個設計周期。對此，應引入并行工程思想，將船舶人機工程仿真融入船舶工藝設計中，在船舶建造工藝設計的同時進行人機工程仿真，動態完成工藝優化。