基于JACK的機務人員上肢職業性損傷的仿真與評估*

孫瑞山，魏家興，陳 毅

(中國民航大學 民航安全科學研究所，天津 300300)

0 引言

查閱相關文獻和調查發現，航空機務人員職業性肌肉骨骼損傷情況普遍，劉健等[1]對某部隊650例機務人員健康狀況調查結果顯示，患病率高達41.2%；李晅等[2]的研究指出，由于工作需要，機務人員工作強度大，工作時間長，且受機型的限制，工作時經常處于屈膝、跪立、彎腰、低頭或仰頭等特殊體位，易造成肌肉、關節受損，出現疼痛甚至骨骼病變等情況。

職業性肌肉骨骼損傷[3](Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)的工效學危害因素有：1)高強度作用力；2)長期持續負荷接觸；3)過度重復用力；4)強烈的姿勢要求；5)強烈或長時間肌肉緊張；6)不利作業環境和心理負荷；7)不良的工作(勞動)組織[4]。影響職業性肌肉骨骼損傷的總體程度取決于以上危害因素的負荷水平。考慮機務人員工作特點有：1)體力負荷大；2)姿勢負荷大；3)夜班執勤和倒班；4)工作環境惡劣；5)心理壓力大；6)工作程序規范化。經過對125名機務人員的《民航機務人員肌肉骨骼疾患調查表》結果分析，搬運重物、工作負荷過大，工作中長時間和頻繁保持仰頭、彎腰、舉手姿勢，以及工作時間長、不能得到足夠有效的休息均是WMSDs發生的影響因素。

當前，對于職業性肌肉骨骼損傷的判定一是通過主觀量表，如楊磊等[5]發表的肌肉骨骼疾患調查表；二是通過體檢等醫療設備診斷，Vinstrup等[6]采用生物力學測量技術將職業性肌肉骨骼損傷進行量化，以此減少人員受傷風險。

JACK軟件是1款成熟的人體建模仿真與人機工效評價軟件且應用廣泛，目前，國外在該領域一是用于對比研究檢驗人體數字模型(DHM)與人體實際實驗數據之間的差異[7]；二是進行職業性肌肉骨骼關節處壓力分析[8]以及工效學分析與設計[9]。國內也有學者利用JACK軟件進行維修任務仿真，并通過任務分析工具對其進行工作負荷評估、工效學分析[10]等。但是，采用JACK軟件對機務人員維修過程進行仿真并通過任務分析工具對人員上肢職業性損傷評估的研究較少。

本文基于仿真技術，以JACK軟件為支撐，從作業姿勢、肌肉負載和暴露時間3個方面對機務人員職業性上肢肌肉骨骼損傷進行風險評估，并以A330飛機六號肋改裝作業任務為例，演示完整的機務人員上肢職業性損傷的評估過程。

1 研究方法與工具

1.1 上肢職業性肌肉骨骼損傷評價方法

為了對機務人員進行上肢職業性損傷的評估，考慮工效學危害因素以及機務工作特點，選取作業姿勢、肌肉負載和暴露時間3個維度進行評估，其中，各維度的評價方法如下所示。

不良作業姿勢可造成過量的肌肉負荷和關節壓力，因此選用工作姿勢分析(OWAS)[11]和能耗預測分析工具(MEE)[12]對機務人員作業姿勢造成的損傷進行分析。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程度。與其他工作姿勢評價方法相比，考慮姿勢的暴露時間，可以評估靜態姿勢，也可以評估動態姿勢，因此，OWAS更適合于計算機輔助的工作姿勢研究，以便于實現自動化。MEE旨在計算人體總代謝能量包括動作代謝能量和姿勢代謝能量，可為工作姿勢的評估提供參考。

針對肌肉負載和暴露時間，可以采用快速上肢動作分析工具(RULA)，對于1個給定的手工化任務，RULA能夠基于人體肌肉的使用、負載情況、任務的暴露時間和頻率來評價上肢動作的危險性。

綜上所述，作業姿勢、肌肉負載和暴露時間是導致機務人員上肢職業性肌肉骨骼疾患的主要原因，針對3個原因，本文選取工作姿勢分析、能量消耗分析、快速上肢分析進行評價。

1.2 JACK仿真軟件

JACK軟件提供準確的人體生物力學模型，模型包含運動學算法和生物力學算法，其中包含三維仿真、數字人體建模、人因工效分析等功能。

TAT是JACK軟件中最重要的分析工具，包含十大人因分析工具，這些工具可以分析出特定工作環境下數字人的人因狀況[13]。TAT工具主要依據美國國家安全與健康協會(National Institute for Occupational Safety And Health,NIOSH)發布的手工提升工作實際指導開發的分析程序[14]。NIOSH為職業安全與健康OSHA提供技術協助，為OSHA推薦標準進行科學研究并提出建議，以預防職業病及工傷。

2 仿真設計

2.1 仿真分析流程

利用JACK軟件進行機務人員上肢職業性肌肉骨骼損傷仿真分析評估，需完成以下流程：首先，對維修場景進行建模，包括對數字人建模和實物建模，實物建模采用CATIA軟件完成之后導入JACK軟件；其次，進行維修作業動態仿真，包括維修任務分解、動作分解、TSB動態仿真；最后，運用TAT分析工具進行機務人員上肢職業性損傷分析評估。具體的流程，如圖1所示。

圖1 仿真分析流程Fig.1 Procedure of simulation analysis

2.2 模型搭建

本文以A330飛機六號肋改裝作業任務為例，對其進行靜態建模與動態仿真。A330六號肋位于機翼大梁與起落架連接部位，是飛機大翼的主要承力部件，承載起落架的全部載荷。此部分工作主要分為2部分，第1部分為起落架的拆除任務；第2部分測量六號肋前接耳厚度。

起落架拆除工作又可以分為拆除斜撐萬向銷、起落架附近液壓管路、后PIN大螺帽、安裝抱箍以及移除起落架等子任務。六號肋改裝作業包含多個重復進行的對主起落架肋前接耳厚度、接耳孔腔直徑的測量工作，以及需要使用工裝對主起落架前接耳進行切削、倒角并安裝襯套。

六號肋改裝作業靜態仿真場景在進行作業任務的人因仿真分析時，作業人員、作業工具、作業對象構成整個作業場景，為了提高仿真的準確性、真實性，作業場景中所涉及到的實體模型應該按照真實形狀尺寸進行建模，并按照實際工作場景中的相對位置關系進行布置。

機務維修場景中包括飛機主體構件、維修車間、維修工具以及數字人等實體。數字人身高為176 cm，體重為78 kg。針對改裝工作場景，建立游標卡尺、螺旋測微器、腳手架、鏜孔工裝等所需工具的實體模型。根據調研過程中機務人員實際起落架移除工作場景，建立A330的起落架實體模型和起落架與六號肋連接部分的主要連接部件，以及工作過程中所用到的起落架托架實體模型，最終建立的六號肋改裝作業仿真場景，如圖2所示。

圖2 六號肋改裝作業靜態仿真場景Fig.2 Static simulation scene of No.6 rib modification operation

2.3 TSB仿真

根據六號肋改裝作業工卡，選取接近作業中的起落架拆除子任務和改裝作業中的測量六號肋前接耳厚度子任務進行TSB動態仿真。結合維修作業基本動素對2個子任務作業動作分解，分解結果如表1所示。根據作業動素[15]，在JACK軟件TSB中生成連貫仿真維修動作，然后對特定空間內的限制動作進行細微調整以符合機務人員在狹窄起落架艙內工作場景，并最終得到2個工作任務的仿真場景，TSB動態仿真結果如圖3～4所示。

表1 A330六號肋改裝作業部分任務動作分解Table 1 Action decomposition of partial tasks in modification operation of A330 No.6 rib

表1(續)

圖3 拆除后PIN任務TSB仿真場景Fig.3 TSB simulation scene of PIN task after removal

圖4 測量前接耳尺寸TSB仿真場景Fig.4 TSB simulation scene for measuring front lug size

3 上肢職業性肌肉骨骼損傷的評估

3.1 作業姿勢分析結果

完整六號肋改裝作業需要202個工時，其中，機務人員測量前后接耳時需要長時間保持仰頭和伸臂動作，OWAS工具中工作姿勢的等級會顯示在對話框中，其中，4個級別對應的“糾正需求”，如表2所示。

表2 OWAS工作姿勢等級含義Table 2 Meanings of OWAS work posture levels

如圖5所示，在使用螺旋測微器測量前接耳厚度時，機務人員的作業姿勢“糾正需求”等級為3級，該等級意味著此作業姿勢對于作業人員的肌肉骨骼有不良影響，應盡快糾正。

圖5 工作姿勢分析結果Fig.5 Results of work posture analysis

對機務人員起落架移除工作中進行TSB仿真分析時發現，在拆除后PIN時作業人員能耗預測超出[NIOSH]的限定值，MEE中包括對作業人員保持姿勢消耗的能量分析，對工作姿勢的評估提供參考，依照表1將起落架拆除后PIN工作分為10個子任務，每個任務能量消耗預測，如圖6所示。同時，NIOSH對于該仿真給定的標準消耗為378.285 3 J/s，而該任務能耗預測為433.302 2 J/s，顯然超過限定值，表明保持姿勢消耗的能量和執行任務消耗的能量超過界限，造成超過界限的原因除了不適的作業姿勢，也有可能為任務負重過大，此處是對作業姿勢的評判提供參考。

圖6 能量消耗分析結果Fig.6 Results of energy consumption analysis

3.2 肌肉負載與暴露時間分析結果

RULA系統檢測適用于手臂和軀干部位，A組由上臂、前臂、腕關節組成，B組由頸部、軀干、腿部組成。另外輸入值與肌肉上附加載荷有關。所有因素綜合評級給出最后評分(1～8分)，評分為4級，具體如表3所示。

表3 RULA結果等級含義Table 3 Meanings of RULA results levels

通過快速上肢分析，對于測量前后接耳尺寸時身體各部位肌肉負載和暴露時間的結果分析，如圖7所示。由圖7可知，身體A組評價：上臂姿勢評級5分，下臂姿勢評級3分，手腕和手腕扭轉評級2分，肌肉使用主要是靜態且暴露時間超過1 min，屬于小于2 kg的間歇性負荷，綜合評分8分，屬于4級操作；身體B組評價：頸部5分，軀干1分，肌肉使用主要是靜態且暴露時間超過1分鐘，屬于小于2 kg的間歇性負荷，綜合評分8分，屬于4級操作；腿部和腳部評價：腿和腳部支撐良好，重量均勻。綜上所述，單次測量工作超過1 min的動作上臂和頸部姿勢不適度評級較高，上肢動作不適度評分為7分，屬于4級操作，存在肌肉骨骼損傷風險，需要立即整改。

圖7 快速上肢分析結果Fig.7 Results of rapid upper limb analysis

3.3 機務人員上肢職業性損傷的評估

進行機務人員上肢職業性損傷評估，本文將A330六號肋改裝作業分為拆除起落架和改裝測量接耳2部分，形成TSB仿真動畫。

從作業姿勢結果分析，在使用螺旋測微器測量前接耳厚度時，機務人員作業姿勢有不良影響，有造成肌肉骨骼損傷的隱患，應盡快糾正；在移除起落架拆除后PIN工作中，能量消耗預測分析超過限定值，由于作業姿勢不佳和任務負重大引起，有造成肌肉骨骼損傷的隱患；對于機務人員肌肉負載和暴露時間分析發現上肢的評判等級較高，造成肌肉骨骼損傷可能性較高，建議整改。

綜上所述，以A330六號肋改裝作業為例，從作業姿勢、肌肉負載、暴露時間3個方面進行機務人員上肢職業性損傷評價，該維修過程中機務人員存在嚴重的上肢職業性肌肉骨骼損傷隱患。

4 結論

1)針對機務人員維修過程中職業性損傷情況嚴重和普遍的問題，選取作業姿勢、肌肉負載、暴露時間3個維度，應用JACK軟件的TAT人因分析工具進行上肢職業性肌肉骨骼損傷的評估。結合A330六號肋改裝作業為實例，基于JACK軟件中的作業姿勢分析、能量消耗分析、快速上肢分析對機務人員上肢職業性損傷進行評估。研究結果表明：六號肋改裝作業中存在作業姿勢不適，肌肉負載和暴露時間不合理，改裝作業中存在嚴重的上肢職業性肌肉骨骼損傷的隱患。

2)本文提出人因仿真方法進行機務人員職業性肌肉骨骼損傷評估，可克服以往對工作流程中肌肉骨骼損傷分析時存在的可操作性差、主觀性強、分析過程復雜困難以及分析結果準確性較差的問題。