基于Jack仿真的飛機除冰艙人機工程設計與優化

歐陽霜平，姚湘，呂紫薇，唐剛

基于Jack仿真的飛機除冰艙人機工程設計與優化

歐陽霜平1，姚湘1*，呂紫薇2，唐剛3

（1.湘潭大學，湖南 湘潭 411105；2.湖南第一師范學院，長沙 410205； 3.長沙九十八號工業設計有限公司，長沙 410205）

改善飛機除冰艙的操作環境，提高操作員的整體舒適度和工作效率。通過對飛機除冰艙作業流程的分析，確定操作員常見的操作姿態；使用Jack軟件，對操作員可達域、可視域，以及舒適度進行仿真模擬分析。基于這些分析結果，對飛機除冰艙的外形以及左右扶手臺等部件進行針對性的設計優化。對優化設計方案分析后發現：操作員觀察飛機、噴槍的視野盲區減小，常用操作手柄與開關按鈕位于雙手舒適可達范圍內。通過人機工程仿真技術可準確預判飛機除冰艙存在的人機工程設計缺陷，提高了設計合理性，為人-機-環境總體設計提供了參考。

飛機除冰艙；人因工程；仿真技術；適人性評價

冬季氣溫下降，停放在機場的飛機表面容易結冰，如果機翼結冰，會使機翼表面變得粗糙，飛機的空氣動力性能變差，降低了飛行安全性，容易造成安全事故，且大量的冰附著在機身上，飛機質量加大，也會降低飛機性能，影響經濟性。因此，為了確保飛機能夠正常飛行，必須在起飛前30 min內進行除冰。目前，自行式除冰車應用較為普遍。自行式除冰車主要由除冰車、臂架、除冰艙組成。作業時，由一人駕駛除冰車靠近飛機，另一人坐在除冰艙內控制除冰艙的高度與位置，繞飛機近距離以一定壓力噴灑除冰液與防冰液[1]。由于在除冰過程中，除冰車與除冰艙需要貼近飛機進行除冰作業，在寒冷、繁忙的機場，除冰、防冰工作任務重、時間長，且緊迫，長時間高空、寒冷、精力集中作業，非常容易使人疲勞，在除冰作業過程中容易與飛機碰撞刮擦。為避免除冰過程中造成損失或事故，在設計飛機除冰艙時，應特別注重人機工程部分的設計與分析，提升飛機除冰艙的舒適性和安全性[2]。

相較于傳統通過經驗或實物驗證的方式，目前基于仿真技術的人機工程設計具有設計周期短、成本低、效率高、準確性高等優點[3]。采用仿真技術的人機工程設計方法得到廣泛研究應用。張芳燕等[4]利用人機工程仿真分析軟件Jack對反鏟式挖掘機駕駛室進行設計改進，優化了駕駛室的視野與舒適度。陳登凱等[5]使用Delmia仿真軟件系統地完成民機內飾典型部件的維修仿真分析任務，并給出明確的維修優化方向。趙川等[6]提出了一種利用Jack軟件視野投影的盒形圖方法，并將這種方法成功運用到叉車護頂架的可視設計優化中。目前，針對飛機除冰艙進行人機工程仿真分析與設計改進的研究還較少。本研究選擇飛機除冰艙作為研究對象，使用Jack人機工學仿真軟件，對操作員手臂可達區域、視野范圍，以及作業姿勢舒適度進行仿真分析，并根據仿真結果對飛機除冰艙現有設計方案進行優化并重新驗證。通過這種方法分析人機工程設計的缺陷，為除冰艙人-機-環境整體設計提供可行性參考[7-8]。

1 飛機除冰艙人機工程仿真分析流程

1.1 飛機除冰艙使用流程

操作員操作飛機除冰艙常用部件的難易程度會直接影響到操作員的舒適性，進而影響其工作效率。通過對飛機除冰艙作業全流程的實地調研觀察，將飛機除冰艙主要分為作業準備、作業進行、作業完成三個階段，見表1。

表1 飛機除冰艙作業流程分析

Tab.1 Analysis of operation process in aircraft de-icing cabin

1）作業準備階段，操作員進入艙體后，需舉起右手通過按鍵開關啟動除冰艙內外的照明、除霧、雨刷等功能。此時姿勢為坐姿、舉右手，并抬頭觀察右手操作。當除冰艙舉升到空中靠近飛機需除冰部位定位時，操作員需雙手操作兩側扶手臺手柄，并且需要觀察前方與兩側的周圍環境。

2）作業進行階段，操作員需要操作兩側扶手臺上的開關按鍵啟動除冰液噴灑等功能，同時需操作兩側手柄對除冰艙進行移動，眼睛需要密切關注前方噴灑狀況，以及周邊環境。

3）作業完成階段，操作員需舉起右手通過按鍵開關關閉除冰艙內外的照明、除霧、雨刷等功能，然后爬出艙體。

1.2 飛機除冰艙仿真應用流程

Jack人機工程仿真分析軟件能驗證設計的合理性，提高研發效率[9]。根據Jack軟件提供的分析工具，以及飛機除冰車設計標準[10]，綜合考慮操作人員的工作流程、評估指標，繪制飛機除冰艙人機工程仿真分析流程圖，如圖1所示。

圖1 飛機除冰艙人機工程仿真分析流程

2 飛機除冰艙人機工程仿真分析

2.1 飛機除冰艙操作員模型建立

根據除冰艙人機仿真需求，以及GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》[11]，構建除冰艙操作員人體模型。在進行飛機除冰艙仿真時，其結果需適用于大部分操作員，屬于平均尺寸設計。因此，本文主要采用第50百分位人體數值，部分尺寸參考第5百分位和第95百分位數值，主要尺寸如表2所示。

根據中國成年男性18～60歲主要人體尺寸，在Jack軟件中建立百分位虛擬操作員人體模型，如圖2所示。

表2 中國成年男性18～60歲主要人體尺寸

Tab.2 Main body size of Chinese adult male aged 18-60 mm

圖2 精確尺寸百分位數字人體模型

2.2 飛機除冰艙人機仿真環境建立

根據某型飛機除冰艙尺寸，在Rhino中建立飛機、除冰艙三維數字模型，然后導入Jack軟件中，并將Jack軟件中建立的虛擬人體模型匹配到導入的除冰艙三維模型中，建立虛擬人-機-環境，如圖3所示。由于被舉升到空中的飛機除冰艙需靈巧輕量化，因此，通常采用輕便簡易的固定式座椅。在后續的仿真分析時，可不考慮座椅前后、高低調整對人體可觸范圍及視野帶來的影響。

圖3 飛機除冰艙仿真場景

2.3 操作員使用關鍵動作設計

根據飛機除冰艙除冰作業流程，對操作員操作過程進行關鍵姿態提取。然后對這幾個關鍵姿態進行人機仿真分析，見圖4。

2.4 除冰艙可達域分析

空間可達域分析的主要內容是操作員在除冰過程中，需要操作的按鈕、手柄是否均在操作員的雙手可達域范圍內，并且是否方便操作。在分析過程中，一般從肩膀到中指指尖為最大可達域范圍。

圖4 作業關鍵姿態

Jack軟件中的Reach Zones工具可通過整個手臂的活動范圍進行跟蹤記錄，得到綠色的球形包絡數據，即操作員手部可達范圍[12]。在除冰過程中，操作員主要對兩側扶手臺上的手柄與按鈕，以及頭頂右側的按鈕進行操作，如圖5所示。

圖5 操作員可達域分析

根據以上操作員手部可達域仿真分析可知，除冰艙內兩側扶手臺上的操作手柄、按鈕開關，以及頂部右側的開關按鈕均在手臂球面包絡區域內，滿足操作員的可達域需求。

2.5 除冰艙可視域分析

在除冰過程中，除冰艙需圍繞飛機作業，工況十分復雜，稍有不慎，就會造成比較嚴重的安全事故，因此除冰艙的設計特別注重良好的操作視野，以防止在除冰過程中，碰撞或剮蹭到飛機外殼。

1）雖然除冰艙一般都配備定位激光雷達等其他測距傳感器，但是，良好的操作視野能給操作員實際的距離感。在Jack軟件中，利用坐姿虛擬人體模型，軀干與腿部角度為90°，視線向下18°，左右擺頭至頭部擺動最大角度為±43.5°，觀察四周視野，利用Jack軟件的Eye View功能，得到操作員的視野結果，見圖6。結果顯示操作員操作視野相對較好，能清楚地觀察外部飛機的狀態，但是前方A柱相對較粗，對操作員視野有一定的影響。

圖6 操作員視野分析

2）操作員在進行除冰作業時，除冰艙內的操作員需點擊艙內的開關按鈕。因此這些開關按鈕不僅要排布在方便操作的可達域之內，而且還需要能快速看清每個按鈕的功能，以免產生誤操作。Jack軟件中的View Cones和Eye View功能可以輸出操作員的視錐范圍和第一視角畫面。根據視錐參數設計要求，距離1 000 mm，角度30°以內的視錐范圍，操作員可以清晰識別操作開關上的文字圖標[4]。操作員點擊開關按鈕的視野，如圖7所示。結果表明，手部在點擊扶手臺手柄前面的部分開關時，被手柄遮擋，需重新布置被遮擋的部分開關按鈕。

圖7 操作員可視域分析

2.6 操縱姿態的舒適性分析

針對人體姿態分析，可以對人的整體或局部姿態進行檢查、評分和優化，從而確定使用者在作業過程中人機交互的最佳使用情況，并對其工效進行評定[13]。通過對除冰艙作業流程的梳理與實際作業環境的調研可知，除冰艙作業人員需長時間坐立，雙手操縱手柄，控制除冰艙的行進位置，以及噴槍頭的方向與位置。因此，主要對操作員坐立雙手握手柄姿態進行舒適性分析。

2.6.1 操作員Porter舒適度分析

Poter舒適度分析可以反應關節的合理彎曲度，如圖8所示，黃色線段表示關節彎曲舒適度的最大和最小限定值，0位置表示典型值。在限定的范圍內長條數據顯示綠色，超過黃色線段，即超出最大限定值，長條數據就會變黃，越趨近于0位置的典型值，舒適度越高，反之數值的絕對值越大，則舒適度越低[3]。結果表明，左右上臂、左膝蓋、右大腿、右小腿，這5處的關節彎曲舒適度超出限定范圍值，需通過兩側扶手臺人機尺寸的調整，優化上臂彎曲度。

圖8 操作員Poter舒適度分析結果

2.6.2 操作員Krist舒適度分析

Krist舒適度分析可以對不同身體部位的舒適度進行評級，分數為0～80，分數越高表示舒適度評級越差[14]。在飛機除冰艙人機工程設計時，應盡可能減小操作員各部位的數值，從而獲得更好的舒適度。操作員Krist舒適度仿真分析結果如圖9所示。綜合舒適度為80，綜合舒適度低。

圖9 操作員Krist舒適度分析結果

2.6.3 靜態強度預測分析

Jack提供的靜態強度預測（Static Strength Prediction）工具，可以評估有多少比例的人可以保持這一身體部位的姿勢進行工作[3,15]。如圖10所示，操作員在此種工作姿勢下，膝蓋與踝關節能做到的人數明顯未達到100%，需要優化除冰艙前部的空間尺寸設計，讓腿部獲得更好的舒適度。

圖10 操作員靜態強度預測分析結果

靜態強度預測的所有圖表分析結果，提供了23項細化動作預測評估，如圖11所示。其中16項動作100%操作員可以完成，有7項動作，少部分人不能完成。不能完成的主要部位為膝蓋與踝關節；膝蓋和踝關節轉矩值較大，達到75～100 N·m；軀干強度值超過420 N·m。綜合靜態強度預測結果，表明這幾處身體部位的姿勢需進行調整。

圖11 靜態強度預測所有圖表分析結果

3 飛機除冰艙優化分析與設計

3.1 優化與建議

飛機除冰艙的人機工程仿真分析結果表明，除冰、防冰作業時，操作員觀察飛機外部環境的視野，常用操作開關按鈕的可視性，以及姿勢舒適度，需要進一步優化，主要包括以下幾個方面。

南水北調工程總體規劃和東中線一期工程可行性研究階段等，均已對東中線一期工程供水成本項目及系數等給出明確意見。但隨著前期工作的不斷深入，結合現行相關政策和實際情況變化，有部分供水成本項目及參數存在一些爭議，在遵循以往前期工作成果的基礎上，有必要對供水成本項目進行分析并合理取舍。

1）對飛機除冰艙A柱以及透明玻璃區域進行優化，擴大操作員作業時觀察飛機的視野。

2）通過重新調整操作手柄的位置，減小上臂彎曲的角度。

3）調整常用開關按鈕的位置，減小操作難度，增加可視性。

4）增加腿部空間，舒緩膝蓋與踝關節所受壓力。

3.2 除冰艙優化設計

1）艙體外形優化。在滿足除冰艙整體剛性強度的前提下，盡量減小A柱的寬度，擴大玻璃區域的面積，使操作員獲得更好的視野。同時適當調整除冰艙前部的空間尺寸設計，使操作員獲得更大、更舒適的操作空間，見圖12。

2）兩側扶手臺優化。將手柄位置往前移動，將開關按鈕向后排布，可以解決部分按鈕被遮擋的問題。同時按鈕及圖標視距更近，可以看得更清晰，降低誤操作風險。結合Jack舒適度工具，在優化過程中發現，扶手臺的位置向后移動20 mm，扶手臺部件安裝面高度抬高35 mm，可以獲得更舒適度的作業姿態。兩側扶手臺優化前后的示意圖如圖13所示。

圖12 優化前后的除冰艙外形

圖13 優化前后的除冰艙內扶手臺

4 優化后的結果分析與校核

4.1 優化后的可視域分析

1）優化后的除冰艙操作員視野，如圖14所示。結果顯示操作員具有良好的操作視野，能清晰地觀察外部飛機的狀態。相比原設計，減少了A柱帶來的視覺遮擋。

圖14 操作員視野分析

2）使用Eye View、View Cones工具，再次進行視域分析，如圖15所示。結果表明，重新排布后的開關按鈕均在操作員的可視范圍內，清晰可見，且操作時不會被手柄遮擋。

圖15 操作員可視域分析

3）在除冰液以及防凍液的噴灑過程中，操作員需要自上而下對飛機的結冰部位進行精準噴灑，因此操作員需要清楚地看到噴槍頭的位置。在進行作業時，以可以觀察到噴頭的極限位置為準。Jack軟件的Obscuration Zones工具可輸出障礙物遮擋的邊界[12]。利用該工具，將障礙物設置為前窗玻璃，即可得到前窗玻璃遮擋區域的邊界，即操作員前方視野區域。噴頭的極限位置和操作員前窗的可視區域邊界，如圖16所示。結果表明，噴頭的極限位置都在操作員的前窗可視區域內，操作員能很好地觀察到噴頭的各個位置。

通過以上飛機除冰艙可視域仿真分析，表明操作員在優化后的除冰艙內，能夠擁有更好的觀察視野，能最大范圍看清除冰艙周圍的環境，也可以完全觀測到噴槍頭的所有位置，同時艙內所有的開關按鈕也在清晰的可視范圍之內。因此，該優化后的除冰艙滿足操作員人機工學可視域設計需求。

圖16 噴槍位置可視性分析

4.2 優化后的可達域分析

操作員手部可達域仿真分析，如圖17所示。除冰艙內兩側扶手臺上的操作手柄、按鈕開關，以及頂部右側的開關按鈕均在手臂球面包絡區域內，因此，優化后的除冰艙滿足操作員的空間可達域人機尺寸設計需求。

圖17 操作員可達域分析

4.3 優化后的作業姿態舒適性分析

4.3.1 操作員工作姿勢分析

通過Jack中的Ovako工作姿勢分析（Ovako Working Posture Analysis）工具，可以對操作員作業姿勢進行分數評級，級別越小代表越舒適[16]。仿真結果為1，如圖18所示。表明工作姿勢看起來正常自然，肌肉骨骼系統的體位負荷是可以接受的，沒有必要采取糾正措施。

圖18 工作姿勢分析

4.3.2 操作員Porter舒適度分析

優化后的Poter舒適度分析結果，如圖19所示。結果表明，除冰艙操作員的主要關節彎曲度都為綠色，代表所有關節彎曲度都在限定彎曲舒適值之內。

圖19 優化后的Poter舒適度分析結果

表3 優化前后的Porter舒適度數值對比

對比優化前后的Poter舒適度數值，如表3所示。優化后，操作員上臂向右彎曲、上臂向左彎曲、左膝蓋、右大腿向內彎曲值，更趨向典型值，其余關節彎曲舒適度值也得到改善。

4.3.3 操作員Krist舒適度分析

優化后的操作員Krist身體部位的舒適度仿真分析結果，如圖20所示。

對比優化前后的Krist舒適度數值，如圖21所示。優化后的身體各部位舒適度值降低，操作員身體部位的舒適度有所提升。

4.3.4 優化后的靜態強度預測分析

優化后操作員工作姿勢的靜態強度預測，如圖22所示。膝蓋與踝關節動作能做到的人數百分比增加，舒適度得到改善。

圖20 優化后的Krist舒適度分析結果

圖21 優化前后的Krist舒適度分析對比

圖22 操作員靜態強度預測分析結果

優化后的靜態強度預測細項圖表分析結果，如圖23所示。膝蓋與踝關節轉矩值有一定降低，軀干強度值已減小到360 N·m。表明腿部與軀干的壓力得到緩解。

圖23 靜態強度預測所有圖表分析結果

5 結論

使用Jack人機工程分析軟件，對飛機除冰艙除冰操作過程中噴槍位置、操作員可視域、常用操作手柄和開關按鈕的可達性，以及作業姿態的舒適度進行仿真分析，并針對分析結果，逐一對除冰艙的人機工程進行優化。結果表明，操作員視野和艙內人機交互尺寸得到改善，操作過程中的作業姿態舒適度得到明顯提升，證明了本文方法的合理性與有用性，為同類型操作艙空間設計，提供了人-機-環境設計驗證參考。本文主要對操作員作業姿勢的可視域、可達域、舒適度進行了深入的分析，未來還可以對操作員進出艙姿態、頭部空間舒適度等進行深入研究，將虛擬仿真分析應用到更多的人機工程設計驗證中。

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Ergonomics Design and Improvement of Aircraft De-icing Cabin Based on Jack Simulation

OUYANG Shuangping1, YAO Xiang1*, LYU Ziwei2, TANG Gang3

(1. Xiangtan University, Hunan Xiangtan 411105, China; 2. Hunan First Normal University, Changsha 410205, China; 3. Changsha No. 98 Industrial Design Co., Ltd., Changsha 410205, China)

The work aims to improve the operational conditions of the aircraft de-icing cabin and increase the operator's overall comfort and efficiency. The key postures of the operator were set by analyzing the operation process of the aircraft de-icing cabin. The operator's reach zones, view area, and comfort level were simulated and analyzed by the ergonomic simulator software-Jack. Based on these analysis results, the shape of the aircraft de-icing cabin and the left and right armrests were optimized. Through the analysis on the optimized design scheme, it was found that the operator's blind area of observing the aircraft and spray gun was reduced, and all operational handles and switches were now easily accessible with both hands. Ergonomic design errors in aircraft de-icing cabin can be predicted by ergonomic simulation technology, which can also improve design rationality and provide reference for design in the man-machine environment.

de-icing cabin; ergonomics; simulation technology; human-rating

TB472

A

1001-3563(2024)04-0049-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.005

2023-09-28

國家自然學科基金項目（52375269）；國家社會科學基金藝術學一般項目（20BG115）