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基于Jack的城际列车人机工程仿真研究

2016-11-14   总浏览:579

摘要:高速列车客室是承载乘客的主要部分,列车客室内部空间布局设计的合理化与人性化影响着乘客的乘坐舒适度。文章以动车组客室的乘客活动为例,阐述了基于Jack软件的乘客在列车中的可通过性和可操作性仿真校核分析方法。 
 
  关键词:城际列车;Jack;人机工程;高速列车客室;动车组客室 文献标识码:A 
  中图分类号:TP11 文章编号:1009-2374(2016)26-0019-03 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.010 
  随着人们生活水平的提高,越来越多的人采用高速列车作为出行工具。高速列车客室是承载乘客的主要部分,为满足乘客需求,客室内部空间更需体现大容量、安全、舒适、美观、节能和人性化的特点,因此列车客室内部空间布局设计应合理化与人性化。 
  Jack软件作为Siemens Tecnomatix产品线中的重要组成部分,Jack能够在虚拟环境中添加各种尺寸的精确人体模型,为其赋予特定的任务,从而分析其操作效能。Jack的数字化人体能够告诉工程师他们的视野、他们的工作可达区域,获得人体工作时的重要信息、何时以及为什么人体会受到伤害或感到疲劳。 
  1 列车客室布置原则 
  采用人机工程学评估列车客室时,不但需要考虑列车客室空间与设备之间的关系,更要考虑空间、设备与乘客之间的关系。如何使得列车客室空间与设备为乘客提供一个安全、舒适、人性化的环境才是客室设计的关键。因此,设计者应关注以下应用人体测量数据时的不同原则: 
  最大最小人体尺寸的选用原则。当设计特征为适应大部分人群时(如门口),应采用极端人体尺寸。在实际中,为了适用极大部分人时,通常可能会选用最大或最小的人体测量尺寸(如第95百分位的男性和第5百分位女性)。可调节设计原则,例如在考虑设计座椅时,应设置为可调节的,这样能满足不同使用者使用。 
  折中性设计原则。当某些非重要位置的设计不适合使用最大最小人体尺寸,同时使用可调节设计又不切实际时,可使用折中性设计,使用平均人体尺寸,如门把手、灯开关等。 
  考虑与人体尺寸相关的因素。人体尺寸与国家、区域、民族、年龄、性别等因素有关,设计时必须予以考虑,如在国内运行的列车,应采用中国人人体测量数据。适当的修正量,已公布的人体数据,都是在特定条件下,而非设计对象的条件下测量的。因此必须根据对象的实际情况,对人体测量数据进行适当的修正,才能作为对象适用的设计尺寸,如着装修正。选择最新适用的人体尺寸数据,根据资料表明,世界各国人体身高均呈增长趋势,近20年来平均每10年增长1cm,因此设计应选用用户群体最新适用的人体尺寸数据。 
  2 列车客室校核内容 
  列车客室每节车厢大致布置着乘客座椅、卫生间、开水炉、电器柜、综合柜、大件行李架等。与乘客活动主要相关的空间是客室通道区域、车辆门口区域,行李架放置空间。 
  客室内布置的两排座椅所行成的过道是乘客进出的主要通道,更是在逃生时必经之路。客室区座椅通道的大小不但影响着乘客尤其是携带行李的乘客行走的舒适性,还影响着逃生时客室内乘客的安全。 
  车辆门口区域一般分布在客室两侧,此处布置着卫生间、电器柜、开水炉等设施,乘客取水时需要离开座椅到开水炉处取水。开水炉容量需要满足乘客饮水的需求。另外在空间上要留有足够的空间便于乘客取水,开水炉面板尺寸设计上需要方便乘客取水,并尽量避免乘客烫伤。行李架分布于客室内,分布在两排座椅两侧上方。针对较大行李,基本每个车厢都在其入口不远处放置一个较大容量的行李架。行李架是乘客放置行李的地方,因此行李架的设计既要考虑车厢的特殊结构,也需满足乘客放置行李的需求,要便于乘客放置行李。 
  3 人机工程仿真分析 
  3.1 列车客室通道及出口分析 
  客室通道及出口主要考虑旅客进出的安全性与方便性,在此主要考虑通道出口的便利性。 
  通道尺寸分析,列车二等座车通道尺寸为498mm,一等座车通道尺寸为625mm。乘客不携带行李进出通道,第50百分位男性一人行走时,可方便通行。当第50百分位男性与第50百分位女性并肩时,肩宽尺寸大于通道尺寸,此时两人可能产生摩擦。 
  门出口分析,列车门宽尺寸为805mm。乘客不携带行李进出通道,第50百分位男性一人行走时,可方便通行。当第50百分位男性与第50百分位女性并肩时,肩宽尺寸大于通道尺寸,此时两人可能产生摩擦。 
  座椅间通道分析,列车座椅间的通道尺寸为480mm。第50百分位男性一人行走时,可方便同行。携带50cm×25cm×25cm行走时,需将行李抬高高于座椅靠背才能通行。 
  3.2 列车客室开水炉设置分析 
  饮水机是公共设施,针对公共设施一般采取折中性设计或者是可调节设计。列车饮水机尺寸,总高1819mm。饮水机出水口高度为1091mm。第50百分位中国男子从座椅到饮水机处进行取水的动作仿真,另一位50百分位中国男子同时从其身后通过。 
  饮水机的高度应使用折中设计,满足大多数人的取水需求。根据中国成年人第50百分位人体身高加上鞋30mm修正后,为1722mm。饮水机出水口高度为1091mm,旅客可方便取水,且不妨碍其他乘客在此处通行。 
  3.3 列车客室行李存放位设置分析 
  行李架的高度影响人存放行李时,下面通过仿真人在存放行李时人体腰椎的情况,选取第50百分位的中国成年男子测量数据。根据铁路旅客运输规程中第五十一条对旅客行李的规定情况如下: 
  旅客携带品由自己负责看管。每人免费携带品的重量和体积是:儿童(含免费儿童)10kg,外交人员35kg,其他旅客20kg。每件物品外部尺寸长、宽、高之和不超过160cm。杆状物品不超过200cm;重量不超过20kg。残疾人旅行时代步的折叠式轮椅可免费携带并不计入上述范围。下面设置两种行李模型以为仿真所用:一种是小的行李模型尺寸为50cm×25cm×25cm;另一种是大行李模型尺寸为50cm×50cm×50cm。   对乘客放置行李的动作进行仿真,如图5所示: 
  对乘客整理行李的工作姿势利用快速上肢评估方法对此进行评估。快速上肢评估方法(RULA)方法主要应用于频繁使用上肢的工作场合,将乘客躯体部位分成手臂与躯干两个群组,手臂又分成上臂、前臂及手腕,躯干又分成颈部、背部及腿部等六个部位,使用其观察角度而给予评分,并考虑乘客的负载大小并给予工作姿势评分,分值越高表示其作业姿势越不舒适。 
  根据仿真的最后动作,设置工作姿势为站立姿势,重力平均,而且有足够的空间调整重力。手部肌肉正常使用,行李重量为2~10kg,参数设置如图6所示: 
  根据快速上肢评估(RULA)对整理高处行李的工作姿势进行观察,评估上臂、前臂、手腕、颈部、身躯、腿部在此工作姿势角?上的?同得分,并观察姿势的施?大小与肌肉的使用状态评估可得其分数为6分。 
  根据RULA指数和等级情况,表明工作姿势不在舒适范围,需要重复动作且有静态负荷或需要用力,需要尽快对该操作进行分析调整。由于乘客上车后将行李放置于高处行李架,下车后将行李取下离开,这是一个短暂的不重复行为,因此不会对旅客的健康造成影响。 
  NIOSH举升分析工具能评估对称或不对称的举升任务。JACK人机工程分析软件能够进行NIOSH举升分析,分析举升任务,包括在给定的姿势条件下,给出预期的重力和载荷;对于一个手动举升任务或包括多个举升任务的工作,给出相关的物理压力的评估。 
  NIOSH搬运受力分析旨在分析员工双手搬起重物时的受力情况,得出一个搬运指数,然后与允许的搬运指数相比较,进而了解工人的搬运过程的动作是否合理,以帮助避免或减轻员工背部损伤。NIOSH搬运受力分析主要依据1991年修订的NIOSH提举公式:RWL=23×(25/H×(1-0.003×|V-75|)×(0.82+4.5/D×(1-0.0032A)×FM×CM。式中:RWL是推荐重量极限值;F是抬举频率乘数;CM是握持乘数;H是人体中心与产品间的水平距离;V是搬举任务起始或终止时手掌距地面的垂直距离;D是抬举重物的垂直移动距离;A是相对于矢状面的身体扭转角度。从而得出单项任务搬运指数LI=Ac-tualTaskLoadLifted/RWL。对于复合搬运任务,综合各次单项任务搬运指数得出复合搬运指数CLI(CompositeLifting Index)。其中NIOSH规定当CLI值小于1时,表示该作业安全;当CLI值大于l时,有部分学者持保留态度,认为该作业安全,但是会使下背痛(LBP,LowBackPain)的发生几率增加;但CLI>3将使下背部受伤几率大为增加,此时应该降低搬运重量。 
  在Jack的NOISH举升任务分析中,设置搬运平均重量为10kg,搬运时间为0.01h,恢复时间为5h。参数设置如图8所示: 
  报告显示任务负荷超过任务推荐限值。大多数健康人对于此任务都会觉得困难。对于大件行李,若放置到高处对单一旅客来说搬动较为困难。一般旅客搬动大件行李时,乘务员或其他旅客均会帮助,这样就大大地降低了行李负荷对旅客健康的影响。 
  4 结语 
  采用Jack人机工程分析软件评估列车客室空间设备布置的合理性,针对客室内通道包括座椅间通道、过道、门等,室内设备如行李架、饮水机进行人机因素进行仿真评估,评估结果如下: 
  各通道座椅间通道、过道、门等,均基本适合一人通行。当两人通行时则可能会发生碰撞需侧身行走。通道尺寸受列车本身的尺寸限制,基本适合一人或较小身材的人同时通行。 
  开水炉面板及出水按钮高度适中,满足大多数人的取水要求,并便于观察操作面板。开水炉位置设置合理,在一人取水情况下,不妨碍此处过道通行。 
  行李架较高,第50百分位人需要高举双臂或站到椅子上进行行李放置。大行李架若放置大件行李到最高层时,对于旅客较为困难。但是对于旅客来说,均是一次性任务,因此基本不会对旅客腰椎等部位的健康产生影响。另外,客车上有专门帮助整理行李的乘务员,这更能降低单一旅客搬动大件行李时可能产生的危险。 
  参考文献 
  [1] 钮建伟,张乐.JACK人因工程基础及应用实例[M].北京:电子工业出版社,2012. 
  [2] 刘社明,王小平,陈登凯,等.基于JACK的驾驶舱仿真及人机工效分析[J].计算机与现代化,2013,(8). 
  [3] 张大可.基于Jack的VDF作业肌肉疲劳研究[J].应用科技,2010,(5). 
  基金项目:本文系铁道部科技项目(项目编号2012J003-C)研究成果。 
  作者简介:刘慧军(1978-),男,湖南桃源人,中车唐山机车车辆有限公司高级工程师,研究方向:轨道车辆人机工程仿真计算。 
  (责任编辑:黄银芳)