基于Jack虛擬仿真技術的校園床位設施優化設計

王平凱　鐘嶺

中圖分類號：TS664 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）09-0157-02

1 Jack 虛擬仿真技術概述

Simens Jack是西門子工業軟件有限公司旗下的一款人因工程分析軟件。目前該軟件已成為集三維仿真、數字人體建模、人因功效分析等主要功能于一體的高端仿真軟件。Jack虛擬仿真軟件能夠對人機交互行為進行動態可視化，通過導入用戶創建的三維模型，構建仿真環境。其還能引入具有生物力學特性的三維人體模型，給數字人指派動作任務，通過數字人行為仿真分析以獲取所需的研究信息。數字人建模技術是Jack 虛擬仿真軟件中的關鍵技術，主要優勢在于其十分靈活、逼真的三維人體仿真行為，包含詳細的三維人體模型，特別是手、脊柱、肩等部位的模型。同時，Jack 虛擬仿真軟件的人機分析工具和評價方法全面且適用范圍廣泛，包括下背部受力分析、靜態強度分析、工作姿勢分析等工具。

2 校園床位設施設計現狀

床位設施作為校園設施中重要的一部分，是學生日常生活的主要場所。隨著我國的教育事業蓬勃發展，高校在校學生人數由1978年的86萬發展到如今的3833多萬。然而與大幅度增長的在校生人數以及寢室數量相比，學生寢室在居住環境方面的改善卻相當有限，雖然寢室宿舍在居住面積以及居住人數上已經有了相應的改善，但是對于寢室設施建設的布局、床位設施的設計等方面還存在很多問題。

國外對學生宿舍的相關研究較早，美國著名的校園規劃專家、大學規劃學會創始人理查德· 道貝爾在二十世紀先后著述了多部關于校園規劃與設計的著作。總結了世界各國大學校園的建設經驗，提出了對這些設施的設計準則，詳細闡述了這些建筑的類型，尤其是和大學生居住生活相關的設施。我國國內學者對學生公寓的研究也取得一定成果，黃艷芳對大學生宿舍居室合理的設計模式進行探討，提出大學生宿舍的建設標準，張玉潔提出了學生公寓設計要以人為本，以學生的生活需求為設計原則，合理配置公寓的功能結構等。

3 基于Jack 虛擬仿真技術的校園床位設施優化設計流程

3.1 建立虛擬仿真分析環境

虛擬仿真環境的構建是校園床位設施人機舒適性分析的基礎，其中數字人模型與床位設施模型是仿真環境的組成要素。為了使研究能夠更加具備普適性，虛擬環境中的動作主體確定為CHINESE 數據庫中第50百分位的人體尺寸的數字人模型，建立后檢查其形態是否存在比例異常等現象，并進行適當調整。校園床位設施的三維模型使用Catia軟件進行建立，其參數設置均為實際測量所得。模型建立完成之后，保存為通用格式“igs.”文件，用“Import”命令將外部的“igs.”格式的模型導入到Jack軟件中，導入時要注意比例大小和坐標系的轉換，建立虛擬仿真分析環境。

3.2 分析校園床位設施的舒適性

首先在初步建立的仿真環境中進行人機舒適性分析。根據學生對于床位設施的實際使用情況，確定爬梯動作為主要姿態，文章以第50 百分位數字人為例，選擇靜態強度分析和工作姿勢分析對學生爬梯姿態進行研究。

3.2.1 靜態強度分析

[Static Strength Prediction]（靜態強度分析）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。通過對爬梯姿態進行細致觀察和詳細記錄后，確定完成爬梯動作共需要六個步驟，在仿真環境中調整數字人的關節姿勢，逐一還原爬梯動作，并對每一步動作依次進行靜態強度分析。

第一步動作分析：數字人高舉雙臂抓握上部欄桿。如圖1為

靜態強度分析直方圖和靜態強度評估圖表。靜態強度分析直方圖表示在完成該任務的情況下，能夠承受每個關節上肌肉受力的男性（或者女性）百分比，從圖中可知各關節完成百分數為100%，在此動作下各個指標都接近100%，說明該動作舒適度良好。

第二步動作分析：抬起左腳踩踏在第一階梯上。此時靜態強度分析直方圖中手腕、肘、肩膀、軀干、臀部、膝蓋、腳踝動作完成百分數為100%，靜態強度評估圖表中各參數均在正常范圍內，說明該動作舒適度良好。

第三步動作分析：抬起右腳踩踏在第二階梯上，身體發生一定程度的彎曲。此時靜態強度分析直方圖中手腕、肘、肩膀、軀干、腳踝動作完成百分數為100%，臀部、膝蓋的動作完成過程中出現了輕微的不適，靜態強度評估圖表中Torque Value和Mean Strengths參數開始發生變化，說明該動作完成過程中有少數人感覺吃力。

第四步動作分析：高抬左腳，左小腿與膝蓋到達床鋪位置。此時靜態強度分析直方圖中，手腕、肘、肩膀、軀干、動作完成百分數為100%，臀部、腳踝動作在完成時會有少數人產生不適，但在完成膝蓋的動作時，百分數不足50%，會有大部分人感到疲勞。同時，靜態強度評估圖表中左膝蓋的力矩已經超過100Nm。說明在完成此動作時，局部部位會產生較嚴重的不適感。

第五步動作分析：高抬右腳，右小腿與膝蓋到達床鋪位置。此時靜態強度分析直方圖中手腕、肘、肩膀、軀干、動作完成百分數為100%，臀部、膝蓋、腳踝動作在完成時會有少數人產生不適。說明在完成此動作時，局部部位會產生一些不適感。

3.2.2 工作姿勢分析

[Ovako Working Posture Analysis]（工作姿勢分析）簡稱[OWAS]，可以快速檢查工作姿勢，評價基于背部、手臂和腿負載要求的工作姿勢的不適度。

對于指定的姿態，[OWAS] 工具制定了背部、手臂的評分，腿的位置及負荷要求。這些評分及工作姿勢的“糾正需求”等級顯示在一個對話框中，[OWAS] 將工作姿態需要改進的緊迫程度、工作姿態疲勞等級按1～4進行劃分。四個級別如下：（1） 級別1（AC1）：姿勢是正常的，沒有糾正的必要;（2） 級別2（AC2）：姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應近期調整;（3） 級別3（AC3）：姿勢有不良影響，應盡快糾正;（4） 級別4（AC4）：姿勢有害，必須立即糾正。

對第一步動作進行分析：如圖2，得出結果數據為“2321”，對照評分及工作姿勢的“糾正需求”等級對話框，對應背部、手臂、腿部、重量與施力的數值，即得到級別2（AC2）：姿勢可能有一定的不良影響，雖不需要立即采取行動，但也應近期調整。

對爬梯動作依次進行工作姿勢分析，其OWAS 級別分別為：級別1（AC1）、級別2（AC2）、級別1（AC1）、級別2（AC2）、級別3（AC3）。

通過對學生爬梯動作的仿真和校園床位設施的舒適性分析，發現爬梯動作存在的不合理性：爬梯角度垂直，雖然能夠節省所占用空間，但對于使用者而言爬梯過程費力，舒適性差，極易造成人體產生疲勞和不適，不符合人因工程學理論。鑒于此，對現有的床位設施展開優化設計。

3.3 提出校園床位設施優化設計策略

經過上述分析，對當前床位設施提出優化設計策略方案。如圖3 所示，模型改善了爬梯過程中的爬梯角度，設置了可收放的爬梯;為降低在爬梯過程中雙腳的不適感受，改善后的模型將腳踏板加寬且可轉動收納，增加腳踏面積且節省空間。爬梯下部增加了可轉動橫桿，在對應下鋪床架處增加固定卡槽。使用時，將可轉動橫桿向上轉動90°，固定在下鋪床架的卡槽上，梯子自動傾斜，可腳踩踏板上床;不使用時，將橫桿豎直放下，梯子自動回落，靠于原爬梯上，同時將踏板翻轉90°垂直放置。

將優化設計后的床位設施三維模型文件導入Jack 軟件中，同時建立第50百分位的虛擬數字人模型，創建新的虛擬仿真環境。通過再次利用[Static Strength Prediction]和[Ovako WorkingPosture Analysis]工具進行舒適性分析發現，數字人在優化設計后的床位設施上完成爬梯動作時，各項參數均在正常范圍內，能夠達到人機工程學要求，降低了使用者的身體疲勞感。

4 結語

基于校園床位設施的實際情況，文章對現有設施進行仿真分析，探究更為合理舒適的床位設施設計，通過初步模擬仿真，發現設施的不合理處，進而在原有床位設施基礎上展開優化設計。優化后的校園床位設施提高了學生的使用舒適性，符合人機工程學要求。由于實際環境條件的制約，優化設計后的床位設施尚未達到完全理想的狀態，其舒適性和宜人性仍存在上升空間，在后續的研究中將繼續進行深入地優化設計，為校園設施設計提供理論參考。