基于Jack的某輪式裝甲車作業席位人因工程分析

朱經緯，何俊杰

(中國電子科技集團公司第28研究所，江蘇 南京 210007)

人因工程學又稱工效學、人機工程學、人體工學、人因學，是一門重要的工程技術學科。人因工程學是以人的生理、心理特征為依據，應用系統工程的觀點，分析研究人與機械、人與環境，以及機械與環境之間的相互作用，為設計操作簡便省力、安全、舒適、人-機-環境的配合達到最佳狀態的工程系統提供理論和方法的學科[1]。

近年來，外軍尤其是以美軍為首，特別關注軍用裝備的人因工程設計，為此，美軍制訂了較為全面的軍事裝備人機工程標準。其中，MIL-STD-1472《美國國防部標準-人因工程》和MIL-HDBK-759C《美國國防部標準手冊-人機工程設計指南》提出了較為具體的軍用車輛人機工程設計要求。MIL-STD-1472標準在后面更新迭代了多個版本，直到2012年，美軍將上述2個標準進行合并更新，形成最新的MIL-STD-1472G版本，相比之前版本，該標準內容更加全面和完善，是美軍現行關于軍用系統、裝備和設施人機工程設計的最頂層標準[2]。裝備建設方面，美國陸軍的信息化建設采取了2個重大措施，一是對現役部隊進行信息化改造，二是編制過渡型部隊，即“斯特賴克”輪式裝甲車中型戰斗旅。到2025年以后，現役師、快速反應戰斗旅和“斯特賴克”戰斗旅將實現聯合化，“斯特賴克”中型戰斗旅將在美國陸軍完成全面轉型前發揮舉足輕重的作用[3]。輪式裝甲車的人因工程設計在美軍裝備建設中顯得尤為突出。

我國軍事裝備人機工程標準主要包括GJB 1835—1993《裝甲車輛人-機-環境系統總體設計要求》、GJB 2873—1997《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》以及GJB/Z 131—2002《軍事裝備和設施的人機工程設計手冊》，其中GJB 1835—1993標準是我軍針對裝甲車輛制訂的人機工程標準，主要包括人體測量數據與應用、空間設計、控制器、顯示器、人與計算機界面、維修性設計、內部環境控制、安全及總體布置應用要求等方面，為人機工程設計人員提供了堅實的依據。裝備建設方面，在過去相當長的時間里，我國陸軍的主體是以履帶式車輛為主的重裝部隊及以無裝甲車輛為主的摩托化部隊，前者遠程機動能力嚴重受制于鐵路干線，后者防護能力有限難以承擔遠程突擊作戰。而在新時期，我軍陸軍經過了“逐步推進由區域防衛型向全域機動型轉變，提高空地一體、遠程機動、快速突擊和特種作戰能力”的戰略變革，中輕型機械化裝備特別是輪式裝甲車輛技術的發展及高速公路網的建設，為實現新時代陸軍作戰能力提供了基礎條件。目前，我國中型機械化部隊輪式作戰平臺的WZ551裝甲車族，其動力冗余和承載空間已不足以適應新形勢下的進一步改裝，因此，8×8驅動輪式裝甲車的設計與使用應勢而生，同時帶來國產輪式裝甲車人因工程設計的風口。

在人因工程分析中，通過在數字三維環境中對產品或者流程的模型進行分析，可以減少研發設計成本，縮短工期，提高效率。Jack軟件廣泛應用于人因工程分析學領域，可以制作仿真模型且對仿真模型進行人因分析。由于Jack包含各類型的三維人體模型，可以導入CAD建模的實體模型而創建出任意仿真環境，且提供可達域分析、三維人體測量分析、車輛分析、人物分析等分析工具，因此，其仿真功能常用于工業、制造業、服務業、軍事行業等領域[4-5]。

Jack軟件已被廣泛應用于我國航空航天、軍事、交通等領域。鞠峰[6]利用CAD建模導入Jack軟件進行了“舒適度分析”和“視域分析”，建立了一種基于人機工程學的飛機駕駛艙設計方法。Garcia等[7]利用Jack軟件設計了一種便攜式輔助交通工具，通過“舒適度分析”減少了操作疲勞，可以有效減少人們在高密度大都市中短距離通勤的時間和精力。劉力卓等[8]以和諧號動車座椅為研究對象，應用Jack軟件建立虛擬人偶，通過“舒適度分析”發現座椅設計的不合理性，并對座椅高度、傾角進行了重新設計，軟件仿真結果表明座椅乘坐舒適度得以顯著提高。

綜上所述，Jack軟件是一款高效的人因工效評估軟件，它包含了基礎人體26項測量數據、關節的柔韌性、人的健康狀況、勞累程度和視力限制等醫學及生理學參數。本文通過建立虛擬人偶模型和設備模型，在GJB 1835—1993標準的基礎上，應用Jack軟件對外軍相似底盤結構的8×8驅動輪式裝甲車內工作席位的“舒適度”“下背部受力”“工作姿勢”等人因工程進行量化分析，為我軍以后8×8驅動輪式裝甲車車內人因工程的設計提供量化指導意見。

1 輪式裝甲車人因工程仿真模型建立

本文以人因工程學的理論和方法研究為基礎，將其應用于輪式裝甲車的工作席位，最終實現工作人員在載員艙以最舒適的姿勢作業。基于此目的，本文的研究思路如圖1所示。

圖1 本文的總體研究思路

1.1 輪式裝甲車人因工程仿真分析基本流程

輪式裝甲車人因工程仿真分析基于輪式裝甲車的仿真模型，為了讓虛擬人偶的感受合理，必須構造虛擬人偶和整個輪式裝甲車載員艙互動的模型，然后通過計算機可視化建模仿真并對仿真結果進行分析，可對模型進行有效改善，人因工程仿真流程如圖2所示。

圖2 人因工程仿真流程圖

1.2 輪式裝甲車載員艙仿真模型的建立

美軍輪式裝甲車在外軍中具有代表性，且在我軍中外形結構與其有相似性，因此本文中的8×8驅動輪式裝甲車(以下簡稱輪裝)將依據美軍新型“斯特賴克”輪裝外形結構尺寸以及內部艙體構造進行仿真建模[9]。簡化后的載員艙仿真模型如圖3所示。

圖3 簡化后的載員艙仿真模型

本文主要分析載員艙工作席位的人因工程，本次模型簡化后主要對單個載員的作業情況進行仿真分析，以信息終端處理設備攜行式計算機作為仿真對象代入載員艙模型，載員艙的座椅模型參照實際航空座椅標準[10]，可隨著載員的體型進行高度調節。

1.3 載員仿真模型的建立

基于Jack的人因工程分析主要通過建立虛擬人體模型，采集模型各項數據指標，側面反映作業人員的真實感受，判斷人因設計的合理性，改善當前人機環設計。

因此分析結果能否準確反映真實的狀況直接與人物模型的準確性有關。本文依據GJB 1835—1993《裝甲車輛人-機-環境系統總體設計要求》附表中的裝甲車輛乘員人體尺寸測量數據及GB/T 12985—1991《在產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則》，以第95百分位人體尺寸作為設計上限，以第5百分位人體尺寸作為設計下限，創建第95、50、5三種百分位的虛擬人偶模型(以下描述簡化為I5、I50、I95)，模型中關鍵參數見表1。

表1 不同百分位成年人尺寸

1.4 人因工程仿真模型的建立

首先，依據GB/T 12985—1991《在產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則》中第50百分位中間值人體尺寸建立虛擬人偶模型，導入載員艙仿真模型；依據GB/T 12984《人類工效學 視覺信息作業基本術語》，確定載員最佳的眼動視野(見圖4)。

圖4 最佳的眼動視野

以最佳眼動視野覆蓋顯示界面作為約束條件，構建的虛擬人偶坐姿模型，通過與載員艙內座椅、攜行式計算機的互動調整，確定輪裝載員艙人因工程仿真結果，其中攜行式計算機默認正對虛擬人偶中間位置(見圖5)。

圖5 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶人因工程仿真模型

2 輪式裝甲車人因工程仿真結果對比分析

2.1 載員舒適度仿真結果分析

Comfort Assessment(舒適度分析)工具是基于舒適的研究去估計如何設計或改變模型的構造才能讓使用者更舒適。本文使用該工具中的Drefuss 3D單關節舒適度數據庫作為參考數據，Drefuss 3D參考了大量的研究證明關于大部分情況下都可以使人感到舒適的人體活動區域，并特別適用于研究坐姿情況下的動作分析。舒適度研究是對特定姿勢下某些關節的彎曲范圍進行分析。統計條中有關節的名稱，統計條顯示的就是關節的舒適程度，仿真結果如圖6所示。

圖6 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶舒適度仿真結果

Mode(典型)值是指“大多數司機可接受的值”。通過對眾多開車人員的觀察，各個關節的姿勢被記錄下來。最常觀察到的姿勢就是Mode(典型)姿勢。圖中塊狀數據條的長度顯示和標準值的差距，深色的條表示該關節的舒適度高，淺色的條表示該關節的舒適度低，不利于長期作業。

根據GJB 1835—1993標準中對乘員百分位的要求。將第5百分位和第95百分位的虛擬人偶模型分別載入到載員艙的模型當中(見圖7和圖8)。2個模型的分析結果如圖9所示。

圖7 輪裝載員艙第95百分位虛擬人偶人因工程仿真模型

圖8 輪裝載員艙第5百分位虛擬人偶人因工程仿真模型

圖9 輪裝載員艙舒適度仿真結果

從圖6和圖9舒適度分析結果可以看出，各百分位的虛擬人偶模型在不同關節處都超過界限值，在分析條狀圖中呈淺色，將不同百分位的虛擬人偶模型不舒適處整理并進行對比(見表2)。

表2 不同百分位虛擬人偶關節不舒適處對比

從表2可以看出，I5和I50的上臂都處于低舒適狀態，不利于長期作業，且I5更嚴重，I95的上臂處于舒適狀態，通過對比觀察載員艙中3個不同百分位人物模型的上臂狀態，可以發現承載攜行式電腦的臺板高度直接對上臂舒適狀態產生影響，I95身材高，手臂長，在現在的載員艙設計中，上臂抬起度低，更舒適。

對比三者的軀干斜倚舒適度，根據標準GB/T 12984的最佳眼動視覺條件以及GJB 1835—1993的人機工程規定做出約束條件。I5和I50為了上肢其他部位能在舒適區的情況下正常操作攜行式電腦，軀干需要前傾15°，而I95因為手臂長，軀干只需要前傾10°便能夠正常操作設備。

對比三者的大腿髖部舒適度，發現其直接和軀干、膝關節有關，而后兩者受載員艙設備人機規定的約束，大腿髖部舒適度的調節是一個整體的過程。

對比載員艙仿真模型中3種不同百分位的虛擬人偶模型的舒適度分析結果發現，不同人物模型的大小在各關節部位的舒適度也不相同，在同樣關節處舒適的程度也不相同，為了更精確，統一描述人物模型的舒適度以及更加直觀反映載員艙結構對虛擬人偶整體的舒適度，本文定義單項舒適度偏離度(Comfort Deviation)CDn，用于評價虛擬人偶整體的單項舒適度偏離度情況，公式如下：

(1)

定義總舒適度偏離度CDN，用于評價虛擬人偶整體的舒適度偏離度情況：

(2)

定義平均舒適度偏離度CDA，用于評價虛擬人偶平均舒適度偏離度情況：

(3)

將3個不同百分位的虛擬人偶的每項不同關節舒適度偏離度進行比對分析，對比結果見表3。

表3 不同百分位虛擬人偶關節舒適度偏離度對比

從表3中可以看出，I50平均舒適度偏離度總分最低，說明現在載員艙仿真模型最適合I50虛擬人偶模型工作，符合本文選取I50虛擬人偶作典型的設計，再次調整上述I50中處于不舒適區的姿勢，改進如下。

1)載員艙臺板下降3.7 cm，攜行式計算機往人偶方向平移7.6 cm，虛擬人偶背部軀干依舊前傾，仍然處于低舒適度的情況下，調整其余關節姿勢，使其他關節的舒適度與標準值相近，改進方案如圖10所示。

圖10 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶人因工程仿真模型(改進方案1)

2)載員艙臺板上升5 cm，攜行式計算機往人偶方向平移12 cm，在滿足視野約束條件下，虛擬人偶背部軀干靠在椅子上進入舒適區，其他關節至少進入舒適區，保證各關節條狀圖保持在深色范圍，盡量與標準值接近，改進方案如圖11所示。

仿真模型改進后，其分析結果如圖12所示。

將2種改進方案的舒適度偏離度進行比對分析，對比結果見表4。

圖11 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶人因工程仿真模型(改進方案2)

圖12 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶舒適度仿真結果

表4 載員艙第50百分位虛擬人偶不同方案關節舒適度偏離度對比

從表4中可以看出，方案2的改進方式的舒適度對比度最低，雖然方案2上臂及肩關節的舒適度偏離度比方案1的要高，但整體舒適程度比方案1要高，并能保證工作姿態的每個關節都在舒適區內。

本文推薦以方案2的方式對整個載員艙設備進行改進，并將第5百分位和第95百分位的虛擬人偶模型帶入對方案進行驗證，分析結果如圖13所示。

將圖13的仿真結果與初始輪裝載員艙虛擬人偶的舒適度仿真結果(見圖9)進行對比，對比結果見表5和表6。

圖13 輪裝載員艙舒適度仿真結果

表5 載員艙第5百分位虛擬人偶不同方案關節舒適度偏離度對比

表6 載員艙第95百分位虛擬人偶不同方案關節舒適度偏離度對比

通過表5和表6可以看出，2個上下限身位的虛擬人偶在方案2改進后的模型中舒適度偏離度有明顯的減少，舒適度程度提高，驗證改進方案可行。

2.2 載員工作姿勢分析

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。分配指示采取糾正措施緊迫性的評估姿勢分數，從而快速評估某種工作姿勢對乘員造成損害或傷害的可能性大小，從而設計新的工作場所，讓乘員獲得更舒適的工作場所和更完善的生產質量。

OWAS有4個糾正等級1～4，其隨級數增加不適感增加，為了再次驗證載員艙設備的改進方案，用OWAS對2種改進方案進行分析，分析結果如圖14～圖16所示。

圖14 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶OWAS仿真結果(初始方案)

圖15 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶OWAS仿真結果(改進方案1)

圖16 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶OWAS仿真結果(改進方案2)

對比圖14～圖16可以看出，初始方案和改進方案1的OWAS評估都在2級，改進方案2的OWAS為1級，說明用方案2來改進載員艙內的結構和設備安裝可以讓人的工作姿勢更舒服，對人的傷害更低。椅子靠背的傾角為105°，緩解了背部疲勞，更加貼合人體脊柱S型曲線[11-12]。

2.3 載員下背部分析

Lower Back Analysis下背部分析工具可以分析特定環境下人體脊椎受力對下背部的影響。通過該工具判斷仿真工作任務是否符合[NIOSH]的標準，以及是否會令載員下背部的受傷概率增加。分析結果如圖17～圖19所示。

圖17 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶下背部分析仿真結果(初始方案)

圖18 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶下背部分析仿真結果(改進方案1)

圖19 輪裝載員艙第50百分位虛擬人偶下背部分析仿真結果(改進方案2)

對比圖17～圖19可以發現，3種方案的背部受力均在安全范圍內，但方案2改進后下背部受力更小，驗證了方案改進的合理性。

3 結語

本文基于Jack軟件對某輪式裝甲車載員艙人因工程中的舒適度、工作姿勢、下背部受力等工效進行分析，仿真分析研究表明，改進方案2的人因工程設計可以使工作人員在載員艙獲得更加舒適的工作姿態，對以后載員艙人因工程的設計具有指導意義。

本文主要面向簡單的人機交互，完成了仿真模型的建立及人因工程設計，后續為滿足我軍裝甲車對指揮通信的需求，會持續建立更加復雜的裝備內部模型，開展輪式裝甲裝備全系統人因工程分析；同樣，此次的偏離度計算平均了各關節的重要性，后期會根據我軍實際情況增加各關節舒適度單項權重，有針對性地開展人機工效仿真。