動車行李架的人機工程學優化研究

劉已軒 趙亮 渠曉峰 岳云胃 朱彥愷

引言

近年來，我國的軌道交通發展速度十分迅猛，尤以高速鐵路、重載鐵路、城市軌道交通、磁懸浮交通這四大領域發展最為迅速。表現就是中國軌道交通憑借著方便、快捷、舒適的特性給予用戶良好的體驗。動車是軌道交通系統中關鍵的一節，也是乘客經常接觸到的軌道交通子系統。動車車廂內部的人機工程設計是否合理，決定了用戶的乘坐體驗。

系統交互性理論（systematic interactive theory）應用于安全管理的研究，指通過對和諧理論、系統科學、復雜性科學、行為科學、管理科學及安全科學的整合及拓展.將系統的交互性、復雜性、和諧性及系統安全性統一起來，建立起具有整體陸質的復雜社會技術系統安全防御理論體系，寓事故預防于組織管理活動之中。車廂的內部人機工程設計的焦點是協調人機一環境這三者之間的關系。動車行李架作為動車車廂內部重要組成部分，具有存放旅客行李的功能，為了滿足旅客的需求，我們以人機工程學理論為基礎兼顧系統交互性理論對行李架進行優化，在保證安全性的前提下給予用戶更好的使用體驗。

一、動車行李架人機分析

（一）行李架人機工程設計理念

動車行李架作為動車內部的重要功能設施，其人-機-環境的系統工程設計是行李架設計的重要組成部分。荷蘭人機王程學專家Hendrick H.W.認為，”人-機-環境”系統設計包括5個可識別的子部件：1.人-機-界面技術或硬件人體工程學設計;2.人-環境界面技術或環境人體工程學設計;3.人-軟件界面技術或認知人體工程學設計;4.人-工作界面技術或工作人體工程學設計;5.人-組織界面技術或宏觀人體工程學設計。而我們的動車行李架的人機工程設計的優化方向主要在硬件人體工程學設計、環境人體工程學設計、宏觀人體工程學設計3個子部件之上。

文獻認為車廂的硬件人體工程學設計主要指其內部的相應設備和操作人員之間的相互作用功能區域，環境人體工程學上的設計以工程環境的舒適性為方向，具體表現在車內振動、聲音屏蔽、噪聲等方面，宏觀人體工程學的設計則以動車運營的經濟性作為主要的準則，具體表現在內部坐席和服務設施的布置。簡單概括這三個子部件的焦點就是“以功能性為第一準則的設計、以舒適性為第一準則的設計、以經濟性為第一準則的設計”。

（二）行李架人機尺寸及現有市場內行李箱尺寸的概述

文獻指出，動車行李架由弧形板模塊、行李架托板模塊、空調格柵模塊、行李架支撐模塊組成。經過對動車車廂內部的實地調研與測量，我們認為影響行李架人機工程設計的關鍵尺寸有“行李架托板模塊底部至地面之間的距離”、“行李架托板模塊頂部至車廂頂部的距離”、“行李架托板模塊自身的延伸寬度”。以上三個尺寸設計是否合理決定著旅客是否能夠方便地入座，是否能夠滿足旅客放置行李的需求，是否使得旅客能夠方便地取放行李（如表1）。

經過分析，我們認為“行李架托板模塊底部至地面之間的距離”在1650mm-1770mm，“行李架托板模塊頂部至車廂頂部的距離”范圍為350mm-500mm，“行李架托板模塊自身的延伸寬度”范圍在400mm.680mm之間。

（三）行李架的用戶使用體驗調查研究

此次調研的目的是了解用戶們使用動車行李架時的體驗，我們以實地問卷調查與網絡問卷調查相結合的方式，針對用戶的身體數據（身高、性別）、對于行李架的性能期望、使用行李架時的體驗來進行數據的收集與調查。

在（如表2）中“對于行李架空間是否充足的體驗數據收集”項目里，選擇合理選項的人數分布為58，得出了“在樣本內現有的行李架空間能滿足大部分用戶需求”這一結論。但是選擇偏大與偏小選項的共有49人，這也表明了現有行李架的空間仍然不能滿足相當一部分人的需求。

在（如表2）中“對于行李架高度設置的感受的數據收集”項目里，選擇合理選項的人數分布為67，得出了“在樣本內現有的行李架設置高度可以滿足人們的需求”這一結論。但是從（如表2）中我們發現，偏高選項的人數分布為37，這就表明了對于相當一部分人來說現有行李架不能滿足他們的需求。

依據文章所提出的行李架人機工程設計的關鍵尺寸（行李架托板模塊底部至地面之間的距離、行李架托板模塊頂部至車廂頂部的距離、行李架托板模塊自身的延伸寬度）結合（如表2）得出“行李架的容積由行李架托板模塊至車廂頂部的距離行李架托板模塊自身延伸寬度、車廂內部總長度共同決定”這一結論。

根據（如圖7）我們可以發現，行李架托板模塊至地面之間的距離為1750mm，而依據國家標準GB10000-1988的數據顯示1750mm這個高度高于男性身高的第50個百分位數據，低于男性身高的第90個百分位數據（1775mm）所以現有的行李架托板模塊至地面的距離可以保證大多數人順利完成起身、入座的動作。

同樣依據（如圖7），我們可以發現行李架托板模塊自身的延伸寬度為380mm，行李架托板模塊頂部至車廂頂部的距離為450mm。結合文章所列出的行李箱尺寸，我們發現該行李架的自身延伸寬度只能滿足尺寸在24寸以下行李箱的要求。所以在該尺寸項目下，CRH1的行李架略顯不足。

CRH1車型的行李架托板模塊至車廂頂部的距離為500mm，可以滿足所有的行李箱的厚度需求。

二動車行李架優化設計

（一）動車行李架設計原則

動車行李架布局中，主要考慮用戶的身體尺寸和操作習慣等因素。根據人的四肢運動范圍和人體尺寸數據來進行動車行李架設計。所以我們提出以下設計原則：

1.可達域原則：保證用戶使用行李架時所有的動作都能夠在正常人手可達區域內完成。

2.靜態強度原則：確保用戶能夠以合適的姿勢來使用動車行李架。減少因為使用姿勢不當而造成健康受損的概率。

3.安全性原則：動車行李架本身結構設計能夠承受行李箱的重量，同時確保行李箱能夠穩固地放置在行李架上。

“人”的因素是指根據人的生理、心理等因素，分別將操作按鍵布置在人使用舒適、合理的范圍內。操作者作業時肢體運動路線最短、最舒適、效率和準確性最高的作業范圍稱為最佳作業范圍。同樣，動車行李架設計很大程度上也得參考這條準則。因此在新的設計方案中我們以國家標準GB10000-1988為基礎，選取女性身高第5個百分位的數據作為最小、參考樣本，男性身高第95個百分位的數據作為最大參考樣本。

（二）行李架優化方案

基于CRH1型動車的行李架（如圖8），我們將以人機工程學為理論依托，根據我們所提出的可達域原則、靜態姿勢強度原則，安全性原則來進行優化設計。

1.優化目標：在保證身高處于高百分位數的人群可以在車廂內活動自如的前提下，讓身高處于低百分位數的旅客可以較為方便地取放行李。因此，我們認為應當重新設計行李架的尺寸。

依據物理學的公理，在有力的支撐點的環境下舉起重物要比沒有力的支撐點的環境下舉起重物要簡單、輕便。所以在優化設計方案中我們將設置力的支撐點。

2.優化措施：

（1）重新選取動車行李架尺寸范圍，行李架托板模塊底部至地面之間的距離為1.67m、行李架托板模塊頂部至車廂頂部的距離為0.527m、行李架托板模塊自身的延伸寬度0.56m（如圖9）。

（2）增加翻蓋，并對鉸鏈結構進行結構補強。該設計既能夠給乘客提供一個用力支撐點使乘客能夠更方便地完成取放動作，也能夠防止行李滑出行李架造成人員受傷（如圖10）。

3.優化措施的意義闡述：只是重新設計行李架的尺寸不能夠完全滿足所有人的需求。行李架高度過低則使得身高處于高百分位的旅客活動受限，過高則使得身高處于低百分位的旅客不能方便地取放行李。因此我們參考了滑梯的結構，在保證行李架尺寸能滿足大多數旅客使用需求的前提下增加翻蓋。通過翻蓋，身高處在低百分位的旅客可以方便地將行李推入行李架中，同時也不影響身高處于高百分位的旅客在車廂內的活動。

（三）改進后動車行李架評估

1.Jack軟件介紹

Jack是由美國賓夕法尼亞大學開發的人機功效分析軟件，可用于構建仿真環境（虛擬世界），并通過強大的圖形環境與之發生交互。Jack的基本功能包括虛擬環境構建、虛擬人體構建、人體尺寸定義、虛擬環境中人體定位、虛擬人物指派和虛擬人感覺評價。

2評價分析過程

評價分析過程主要是以下階段：

（1）在3DMAX2018中設計創建動車行李架的模型;

（2）將模型導入到Jack7.0軟件中進行適當的調整;

（3）以國家標準GB10000-1988為標準，在Jack軟件中構建P5的女性人體模型和P95的男性人體模型;

（4）調整以實現動車行李架模型和人體模型的匹配;

（5）運用Jack軟件的可達域分析檢測工具及靜態強度分析王具來對建立的人體模型進行分析，對于不符合要求的地方，重新返回3DMAX2018中設計模型直至符合要求;

（6）記錄可達域球體與動車行李架的相對位置，完成評價。

3.動車行李架的評價分析

在人機工程學評價系統中，常用的人機評價類型有視力和扭矩分析、舒適度分析、姿勢分析、可及范圍、疲勞和恢復、手動操作局限分析等。文章針對動車行李架特點，考慮到操作的方便性及舒適性，主要實現了可達域分析、靜態強度分析，驗證了優化后的動車行李架設計的合理性。

（1）可達域分析

可達域的衡量標準是以合格與不合格體現，可達域的合格性指人體與產品“裝配”定位后在滿足舒適度的前提下，受、組可否觸及產品上特定部分，并實現預定操縱。

Jack軟件中的可達域是以手腕關節的最大運動范圍來確定的，因此我們通過建立手腕牽扯肘關節及肩關節所完成動作的可達域球體來驗證旅客是否夠得著行李架。

將環境模型導入Jack，創建P5的女性人體模型和P95的男性人體模型（以GB10000-1988為參考），設置好人物的位置及取放行李的動作并生成可達域球體。

經過Jack的模擬，我們發現P5的女性人體模型和P95的男性人體模型的映射可達域球體包含行李架的底板模塊，這說明大多數人都可以方便地取放行李。所以動車行李架高度符合可達域要求。結果（如圖11、12）所示。

（2）靜態強度分析

靜態強度預測（Static Strength Prediction）工具可以從動力學的角度評估有多少百分比的人能夠保持任務中的某一姿勢進行工作，還可以利用Jack中的特定姿勢、人體測量學工具、對手附加壓力來計算特定姿勢下受到的扭矩。

靜態強度是否在合理區間內是通過檢測人們的工作姿勢是否合理來判定的，而我們希望在能夠從行李架上取放物品的前提下，保證用戶能夠以更舒適的動作完成這一目標。

將環境模型導入Jack，創建P5的女性人體模型和P95的男性人體模型（以GB10000-1988為參考），設置好人物的位置及取放行李的動作，然后開始靜態強度分析。

結果表明在該動作下，P5的女性人體模型和P95的男性人體模型的腕關節（Wrist）、肘部（Elbow）、肩部（shoulder）、軀干（Torso）、臀部（Hip）、膝（Knee）、踝（Ankle）的受力強度數據均為正常。經過驗證，大多數人在完成該動作時的靜態強度處于一個合理的區間范圍內。結果（如圖13、14）所示。

結論

為了提高旅客對動車行李架的操作舒適性，更好地滿足大多數旅客的使用需求.將人機工程學運用在動車行李架的優化設計中，從行李架的尺寸、改進行李架模塊布局和人體尺度分析等方面進行討論和優化，以CRH1型動車的行李架為基礎進行優化和改進，并用Jack軟件進行可達域和靜態強度分析，驗證了改進后設計的合理性。