基于STAMP的民航進餐推車人因設計

徐江華，郭慧凌

基于STAMP的民航進餐推車人因設計

徐江華1,2，郭慧凌1

（1.上海工程技術大學，上海 201620；2.同濟大學 上海國際設計創新研究院，上海 200092）

為解決空乘人員因工作負荷大、工作環境顛簸易發生碰撞事故等導致患肌肉骨骼病概率逐年上漲的問題，對民航進餐推車造型設計過程進行研究。確定民航進餐推車系統中的安全約束，構建基于層級模式的民航進餐推車事故風險控制—人因模型；識別控制模型中潛在的不安全控制行為，采用層次分析法對這些行為的綜合權重值進行計算并排序；運用虛擬仿真軟件進行人因分析與設計優化，得到最優方案。通過民航進餐推車設計實踐，驗證該方法的可行性與有效性。在民航進餐推車設計過程的前期，引入STAMP模型和人因工程理論，可提升空乘人員在進餐推車服務過程中的安全性與舒適性，為研制符合空乘人員行為方式的新型民航進餐推車提供新的思路。

系統理論事故模型和過程；人因工程；民航進餐推車；安全性；事故預防

民航進餐推車是空乘人員為旅客提供備餐、送餐服務的最重要的廚房設施，其設計的優劣直接影響到空乘人員的工作效率、使用舒適性及服務滿意度。隨著空中服務延伸到短途飛行的上升和下降階段，狹小機艙環境中大量重復的備餐動作及飛機顛簸等引發的潛在不安全性因素，使空乘人員患肌肉骨骼類疾病的概率大幅上升。一項針對民用航空公司空乘人員患肌肉骨骼疾病（WMSDs）概率的調查顯示，空乘人員總患病率高達64.4%（522/810）[1]。當前，民航進餐推車的研發多集中于結構、材料的隔熱與阻燃等物理安全方面[2]，較少從事故預防與舒適性等角度進行造型設計。在此背景下，提出基于STAMP模型的民航進餐推車人因設計方法，在預防進餐推車事故發生的同時，提升空乘人員使用的舒適性與安全性。

1 民航進餐推車人因研究現狀

歐美國家在民航進餐推車人因方面的研究較早，Hoozemans等[3]對空乘人員在使用進餐推車過程中的推拉等常用動作進行了研究；日本學者Eunja[4]對飛機廚房空間及空乘人員工作內容進行了研究，并對進餐推車進行了結構改進設計；Hans[5]對空乘人員服務流程進行了分析研究，研究結果顯示，當乘務員采用不安全的姿勢移動和操縱負重的手推餐車時很容易受傷；Schaub等[6]研究結果表明，在有傾角的飛機客艙地板上使用較大負載重量的推車時，空乘人員的工作負荷通常會超過身體的承受極限。國內關于民航進餐推車人因方面的學術研究更注重硬件、工程等方面。現階段，民航進餐推車設計主要參考CAAC發布的《飛機廚房手推車、物品箱及相關組件的最低設計和性能》以及FAA、EASA等發布的適航設計準則。隨著民航業的快速發展，僅從標準化著手已無法滿足當下進餐推車的安全性需求和與時俱進的舒適性需求，因此，有必要對現有推車進行人因優化設計。

2 STAMP—人因設計方法概述

2.1 STAMP模型

STAMP（Systems Theoretic Accident Model and Process）即事故分析模型，又被稱為事故預防與風險控制模型，由Leveson[7]于2004年提出。該模型指出在一個系統的開發和建設過程中，其發生故障的概率和隱含的結果代表了一種風險，而設計的主要目標就是降低和消除風險[8]。STAMP模型主要應用于調查系統中安全事故發生的成因、系統安全性的校驗等方面，并以模型的方式將系統中風險防控的執行機構與流程呈現出來。STAMP模型由安全約束、分層控制結構和過程模型3個部分組成，強調系統安全的本質是控制問題，在整個系統中分層安全控制結構采用由上至下的層級關系，各控制層次之間的交互關系用過程模型表示，一般過程模型包含控制器與控制過程、二者間的輸出與反饋過程，以及過程的輸入和輸出、外界信息的干擾[9]。當構成分層控制結構的個別或部分層級之間的控制回路存在缺陷時，隨之產生的一系列復雜過程會使系統行為違反安全約束，導致事故發生[10-12]。由于航空領域對安全性的特殊強調，若在民航進餐推車設計初期沒有預先考慮到潛在事故發生的可能性，在飛行過程中一旦發生事故，則后果將是非常慘重的，因此，需要將STAMP模型與人因設計方法相結合，從系統層面將事故預防與使用舒適性納入設計范疇。

2.2 基于STAMP—人因模型的設計流程

2.2.1 明確服務流程并確立安全約束

在民用航空領域，安全高于一切。根據以往學者的研究成果和民航事故統計表明，飛機顛簸引發的餐車撞傷是飛機廚房設施系統中發生的事故的主要構成部分。由于飛機廚房及客艙通道的空間非常狹小，當飛機發生顛簸時，進餐推車作為機上的移動設施，容易出現堵塞客艙通道、磕碰甚至重傷乘客等問題，其設計的優劣對乘客滿意度有直接的影響，進而影響適航性，尤其是客艙的安全性[13]。為預防上述風險的發生，應明確民航進餐推車運作流程與安全約束。

2.2.2 構建人因—事故風險模型

飛機廚房空間可以看成是一個在狹小空間狀態下注重安全性能與工作效率的飛機廚房系統。民航進餐推車STAMP—人因控制過程模型見圖1。從圖1中可知，進餐推車與乘機滿意度反饋機制分別對應過程模型中的執行器與傳感器，空乘人員擔任控制器的角色，通過使用餐車為處于被控主體的乘客提供機上餐飲服務，航班結束后，乘客將乘機體驗反饋給機組成員形成閉環。空乘人員與乘客分別對應過程模型中的控制器與控制對象，擔任著人因系統中的用戶角色，民航進餐推車與乘機環境分別對應人因系統中的服務設施與環境因素，4個部分的交互關系構建出飛機廚房設施系統中進餐推車使用階段的STAMP—人因控制過程模型。

圖1 民航進餐推車STAMP—人因控制過程模型

2.2.3 不安全控制行為識別

各層級組成的事故預防模型與人—機—環境為主的人因系統相結合。對控制回路中的組件進行逐項檢查，找出空乘人員在整個服務流程中與進餐推車交互時潛在的不安全控制行為，并根據沒有提供所需要的控制行為、提供錯誤或者不安全的控制行為、提供的控制行為延遲、提供的控制行為過早結束4種控制缺陷類型進行劃分，將潛在不安全行為與人因系統中各交互因素相對應，為后續優化設計提供依據。

2.2.4 AHP篩選與人因優化

識別出進餐推車的不安全控制行為后，引入層次分析法（AHP）對所識別的不安全行為進行權重排序，篩選出最易導致事故發生的3項綜合評分較高的潛在不安全行為。使用JACK虛擬軟件對空乘人員的疲勞程度與各關節進行受力分析[14-16]，對空乘人員使用習慣、作業姿勢、身體部位舒適度等因素進行分析，改良并優化餐車造型與內部結構，從而規避客艙事故的發生。

3 民航進餐推車設計實踐

3.1 系統安全約束識別

為保障民航進餐推車在廚房系統中正常運行，安全約束包括：空乘人員按照規定的行為準則正確操作餐車；起飛前，空乘人員應檢查餐車，確保餐車在飛行過程中正常運行；維修人員定期對餐車開展故障排查與維修。

3.2 構建民航進餐推車STAMP—人因模型

將進餐推車代入飛機廚房系統人因—事故預防模型中進行分析，針對控制結構的核心部分，得出在使用階段的局部控制結構和控制回路，見圖2。

3.3 STAMP—人因模型中不安全行為識別

對安全控制模型中處于使用階段的民航進餐推車層級控制回路和安全約束進行分析，識別餐車層級系統中的不安全控制行為，將人—機—環境系統中的6個要素與潛在事故過程原因進行對照，識別結果見表1。

3.4 不安全行為AHP（層次分析法）篩選

3.4.1 建立目標層的層次分析結構

對民航進餐推車設計過程中應該規避的不安全控制行為進行定量化分析，以篩選出占比較大的控制行為并進行設計優化，針對上述“可能發生的行為過程”基于層次分析法來構建層析結構。將目標層不安全控制行為重要性用表示，準則層用B=1,2,3表示，要素層用B表示，采用1—9標度法對層次結構模型中的各因素進行賦值，見圖3。

圖2 民航進餐推車使用階段分層控制結構與過程模型

表1 民航進餐推車設施潛在不安全控制行為識別與分析

Tab.1 Identification and analysis of potential unsafe control behaviors of dining cart facilities in civil aviation

圖3 民航進餐推車使用階段局部控制結構和控制回路

3.4.2 各控制行為對應判斷矩陣

為保證不安全控制行為評估過程的客觀性，由民航進餐推車結構設計人員、現役南航空乘人員及設計學類專業老師形成專家小組，并構建判斷矩陣，分析如下：

3.4.3 層次總排序與優化內容確定

利用Yaahp層次分析軟件計算方案層中各要素的權重值并排序，評價結果均通過了一致性檢驗，見表2。“進餐推車不方便使用”“起飛前空乘人員未檢查進餐推車”“進餐推車沒有固定導致撞傷機上乘員”是可能會導致事故發生的3個重要的潛在的不安全控制行為，因此，有必要以此為中心開展進一步的人因分析與設計優化。

3.5 不安全行為人因分析與設計優化

3.5.1 “推車不便使用”人因分析與優化

首先，為保證實驗過程中數據樣本的多樣性，選取現役空乘和空乘服務專業學生共33名成員作為數據測量對象。其中，女性18人，年齡為19～35歲，男性15人，年齡為20～36歲。為精確捕捉空乘人員的服務動作，以獲取與真實狀況最為接近的實驗結果，將測試人員按照身高平均分為5組，以隨機抽樣的方式從每組被測人員的數據庫中提取身高、體質量、蹲立高度、手臂長度、腿部長度的有效測量數據，見表3。同時，調整被測人員各關節部位和角度，并建立尺寸數據，以創建虛擬模型，見圖4。

表2 民航進餐推車潛在不安全控制行為綜合權重

Tab.2 Comparative analysis of "safety human factors" of civil aviation dining cart

表3 被測人員部分身體尺寸數據

Tab.3 Partial body size data of tested personnel

圖4 飛機廚房空間中空乘人員操作場景

其次，通過觀察空乘人員重復進行“直立—下蹲—直立”的作業姿勢，可將其轉化為4個固定姿勢的過渡與循環，依次表現為直立姿勢，多用于空乘人員在前期使用烤箱加熱餐食或發放餐食過程中的初始狀態；半蹲姿勢，當空乘人員取放餐車中間層的餐食、飲料時，往往會稍微彎下身子，每次動作持續時長約為3～6 s；下蹲手臂拿取姿勢，當空乘人員下蹲打開車門拿取下層餐食時，每次動作持續時長約為3～5 s；下蹲手臂抬升姿勢，多出現在空乘人員回收餐盒、整理餐車等狀態中，持續時間較長，約為10～30 s。

運用JACK軟件中的Animation工具，模擬空乘人員在備餐、送餐等服務流程中與推車的交互行為，將整個流程劃分為4個階段：第1階段，直立工作狀態至半蹲備餐狀態；第2階段，屈膝半蹲工作狀態至全蹲手臂拿取餐食狀態；第3階段，全蹲拿取餐食狀態至手臂上抬整理餐車內物品狀態；第4階段，完成工作任務由蹲姿轉為直立狀態。空乘人員工作流程仿真分析見圖5。

再次，進行服務流程虛擬仿真與結果分析。運用靜態強度預測（Statistic Strength Prediction）分析工具對空乘人員完成指定任務時的姿勢進行強度預測，仿真結果見圖6。Percent Capables表示在對應強度下可以完成某一動作的人數百分比，對整個服務過程進行靜力強度預測分析后可以發現，當空乘人員處于下蹲備餐姿勢時，將膝蓋與其他關節受力程度進行對比，所對應的Percent Capables數值從接近100%下降到約72%。

對整個流程進行OWAS（Ovako Working Posture Analysis）分析，見表4。OWAS能夠提供數值并評估不同姿勢下空乘人員的不適度，并提供糾正必要性等級來評價姿勢糾正的必要性[17]。通過分析姿勢負荷級別來確定空乘人員的負荷情況，一般認為評價級別不超過二級即處于正常狀態，超過二級時說明姿勢負荷有不良影響，應當及時糾正[18]。當空乘人員以“直立”姿勢推動進餐推車時，OWAS分析結果為1級，OWAS Code為1 121，說明姿態并沒有不良影響；當空乘人員從“直立推車”姿勢轉為“下蹲取餐”姿勢時，OWAS分析結果從一級逐漸過渡為標紅4級，OWAS Code為4 341，表明該姿勢在空乘人員工作過程中并不合理，需要及時修正。

圖5 空乘人員工作流程仿真分析

圖6 靜態力分析過程各階段對應仿真結果

表4 OWAS工作姿勢分析個人動作對應結果

Tab.4 OWAS work posture analysis individual action corresponding results

最后，基于上述人因分析，結合不安全行為對進餐推車設計的影響，進行設計優化。結合現有機上廚房空間的設施收納結構與廚房設施的手推車設計標準進行分析[19]，確定餐車整體長、寬、高尺寸分別為300 mm、793 mm、1 002 mm。通過對空乘人員備餐、發餐過程的人機仿真分析，發現空乘在完成第3、4個動作時會產生強烈的腰部及腿部不適感，在飛機廚房及狹小擁擠的客艙通道中頻繁重復此動作易增加患骨骼疾病的概率，從而導致安全事故。由此，對進餐推車內部設計進行改良：采用滑軌傳動裝置與抽屜式結構相結合的方式運送餐盤，當空乘人員取完第1層餐盤上的餐盒，關上抽屜后，空抽屜沿最上層橫向滑軌向后滑動，下層滿載餐盒的托盤沿滑軌上移，避免空乘出現大幅的彎腰動作，使其只需對進餐推車最頂部的抽屜進行重復開合動作，即可拿取、整理餐車托盤內的餐食，見圖7。

圖7 民航進餐推車內部設計結構改良

新型的進餐推車內部結構設計，改良了餐盤的拿取方式，簡化了空乘人員在前期備餐、中期發餐及后期回收餐食的整個工作流程中的服務動作，可減少大幅度的彎腰、下蹲等動作，從而減輕空乘人員的工作疲勞度。此外，為滿足大多數女性空乘不需大幅度彎腰即可開合頂部抽屜的需要，結合謝曉雨[20]對女性空乘在直立姿態下的手功能高度數據，見表5，選取第95百分位對應的數據790 mm作為民航進餐推車頂部餐食托盤距地面的高度，確保空乘在拿取動作時手腕部位處于平直的舒適狀態；抽屜的拉取部位采用U型圓角造型，避免空乘人員在使用過程中因不慎或突發狀況劃傷手部。

表5 女性空乘人員P5、P50、P95手部數據截取

Tab.5 interception of P5, P50 and P95 hand data of female flight attendants

3.5.2 “起飛前未檢查推車”人因分析與優化

為便于空乘人員在旅客登機前查看民航進餐推車設施是否處于可用狀態，避免事故的發生，分別在車輪底部制動系統、車門旋鈕開關以及干冰盒收納處3個可移動構件部位安裝按鍵檢測裝置，并在檢測裝置按鍵處通過觀察提示燈帶來直觀檢測進餐推車的運行狀況：空乘人員依次檢查3個可移動部位的開合狀態，確保進餐推車部件可以正常使用；按下對應的檢測裝置按鍵，其外部燈帶由初始的紅色轉變為綠色，表明設備運轉正常可以執行后續的配餐工作；當進餐推車出現部分故障無法提供服務時，燈帶反饋由綠色變為紅色，提示空乘人員警惕故障件，需要立即對故障部位進行處理。

進餐推車檢測裝置按鍵的設計還要考慮使用的舒適度與安全性，按鍵形態與尺寸選擇應符合手指的寬度。選取第95百分位的空乘人員所對應的身高數據，并利用人體各部位與身高對應的一元線性方程，計算出空乘人員的手部寬度為80 mm，成年女性手部號型對應的控制部位尺寸的回歸方程如下：

(1)

式中：1為空乘人員的手掌寬度，mm；1為掌寬對應的食指近位指關節的寬度，mm。

將已知掌寬數據代入式（1），可得=16.80 mm。推車檢測裝置按鍵尺寸應與食指近位指關節寬度相符合，因此按鍵橫截面直徑設定為16.80 mm；此外，根據人機工程學中強調的適宜性原則，民航進餐推車按鍵的壓入深度設定為10～15 mm，檢測裝置的按鍵高度超出餐車外表面約15 mm。

3.5.3 “推車未固定碰撞客艙”人因分析與優化

飛機在起降或顛簸狀態下，當進餐推車在狹窄的客艙通道內滑動時，由于剎車制動系統、餐車自重等因素，存在空乘人員無法及時抓住推車、踩下紅色制動腳踏裝置等隱患。在餐車扶手部位增設制動裝置，可以避免空乘人員在雙手離開推車為乘客提供服務或飛機突發顛簸時，無法及時準確踩下剎車裝置而導致乘員受傷狀況的發生。當空乘人員雙手握住推車手柄并向前轉動時，餐車處于通行狀態；雙手離開，手柄旋轉回復原始位置，餐車處于制動狀態。扶手部位是空乘人員操縱整個進餐推車時直接接觸的部位，其人機設計尤為重要，傳統的進餐推車扶手是截面直徑為20 mm的圓柱體，過細的桿部設計與單一的曲面設計不方便手部進行抓握，空乘人員在推餐車時手指呈蜷縮狀態，較為吃力；為使空乘人員在推行餐車時更舒適、省力，應增大雙手與餐車把手部位的接觸面積。利用人體部位與身高對應的一元線性方程計算出

空乘人員手部長度為192.78 mm，并根據女性手部控制部位尺寸的標準回歸方程計算出最長的手指長度：

(2)

式中：2為空乘人員的手掌寬度，mm；2為掌寬對應的中指長度，mm。

將已知掌寬數據代入式（2），可得2對應的中指長度為81.30 mm。由此，計算得出適宜空乘人員手部抓握的扶手截面直徑約為34.52 mm；女性空乘人員單手寬度1為80 mm，在設計餐車雙手抓握凹槽部位時，應留出不少于160 mm的長度供空乘人員推行，見圖8。扶手正面造型采用內凹曲面，與空乘人員手掌貼合便于向前用力，條形凸起造型可以增加摩擦力，避免手滑導致餐車失控；其背部采用1/2的圓柱弧面造型，可以增大手指與餐車扶手的接觸面積，使推行時手指可以不用蜷縮，并為大拇指提供放置的位置，從而提升使用舒適性；邊緣造型采用小尺寸的圓角處理，視覺上更具柔和的特征。

3.6 最終設計方案展示

根據上述分析，通過對餐車內部結構、監控裝置、扶手與腳踏雙重制動裝置的優化設計，形成基于STAMP—人因的民航進餐推車的最終設計方案，見圖9。餐車圓潤的整體造型傳達出安全、友善的語義，圓潤柔和的相關型倒角也可有效減輕餐車的體量感，避免過于筆直堅硬的倒角對乘客造成二次傷害。將優化設計后的民航進餐推車三維模型導入JACK虛擬仿真軟件來驗證其可行性，結果顯示，空乘人員為乘客提供服務的整個流程中所采用的工作姿態“糾正需求”級別均為1級，呈綠色無需糾正的舒適狀態；對空乘人員使用餐車服務時的姿態進行靜態強度測試，結果顯示，各關節的Percent Capables數值均接近100%，表明空乘人員在直立姿勢下完成取放餐盒動作時，其手臂尺寸與餐盤高度的匹配度較好。JACK人因虛擬分析結果檢驗見圖10。

圖8 進餐推車扶手部位設計前后對比

4 結語

筆者將STAMP模型與人因理論相結合，對民航進餐推車設計過程進行研究。首先，確定安全約束并構建民航進餐推車STAMP—人因控制過程模型；其次，識別處于使用階段的民航進餐推車控制回路的潛在的不安全控制行為，使用AHP層次分析法對潛在的不安全控制行為進行重要性排序，篩選出綜合權重排名靠前的行為；最后，依據進餐推車人因設計的分析結果，開展餐車造型、結構等方面的設計優化。通過上述研究方法，一方面可以在設計初期解決民航進餐推車的使用安全性與舒適性問題，從而優化設計流程；另一方面可以為民航進餐推車造型設計提供新的思路，從而提升設計效率與附加值。

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Human Factors Design of Civil Aviation Dining Cart Based on STAMP

XU Jiang-hua1,2, GUO Hui-ling1

(1.Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2.Shanghai International College of Design and Innovation, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The paper aims to solve the problem that the probability of flight attendants suffering from musculoskeletal diseases increases year by year due to heavy workload and bumpy working environment, and to study the modeling design process of civil aviation dining cart. The safety constraints in the civil aviation dining cart system are determined and the accident risk control-human factor model of the civil aviation dining cart based on the hierarchical model is built; potential unsafe control behaviors in the control model are identified, and the comprehensive weight values of these behaviors are calculated and sorted by AHP. The virtual simulation software is used for human factor analysis and design optimization, and the optimal scheme is obtained. Through the design practice of civil aviation dining cart, the feasibility and effectiveness of this method are verified. By introducing the STAMP model and human factors engineering theory into the preliminary design process of civil aviation dining cart, the safety and comfort of flight attendants in using dining cart for service can be improved, which provides a new idea for developing a new type of civil aviation dining cart that conforms to flight attendants' behavior.

STAMP; human factors engineering; civil aviation dining cart; security; accident prevention

TB472

A

1001-3563(2022)10-0283-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.10.034

2021-12-14

2020年度上海藝術科學規劃項目一般項目（YB2020F02）

徐江華（1977—），男，博士，副教授，主要研究方向為航空裝備設計與飛機客艙舒適性設計。

責任編輯：馬夢遙