基于WSR 的塔機駕駛室空間布局優化設計研究

李娟，周慧敏，劉濤，李沛蕓，袁光宇，胡蝶

（西華大學 美術與設計學院，成都 610039）

目前，在建筑施工中，塔式起重機（簡稱塔機）是一種常用的起重設備。塔機駕駛室是整個塔機的運轉樞紐，也是駕駛員安全作業的地方，其內部空間狹小，功能模塊多，且為保證前部操作區具有良好的采光與視野，各功能配件只能裝配于內室兩側的中后位置，可利用空間非常有限。因此，如果缺乏合理設計，將造成功能布局混亂、空間凌亂、空間利用率低、高空作業體驗差等問題。駕駛室空間布局的合理化設計對工作效率、駕駛員的舒適性問題尤為重要[1]。塔機駕駛員屬于高空作業，其視野區不同于其他機械駕駛室，對視野要求較高，并且夏冬季工作環境惡劣，駕駛員工作時間較長，設計時還需充分考慮駕駛員的視野、人機等特點。

王春燕等[2]通過DEMATEL 法的研究，并結合信息熵，建立分析模型，對影響塔機操作安全事故的因素進行研究；段銳等[3]對現有塔機安全管理方法進行研究梳理，并提出BIM 和CV 技術相融的塔機安全管理框架；楊悅等[4]通過構建塔式起重機的三類基本作業運動模型，基于 Maple 數學軟件的運算分析，建立仿真模型得出塔機在工作中重物的運動路線和規律；王雅坤等[5]對礦用挖掘機駕駛室操作界面采用模塊重要程度分析法，建立操作界面的布局優化設計方案；張宏瑞等[6]針對液壓挖掘機的不同目標人群，基于H 點的曲線分析，結合多功能區域法，對駕駛室的舒適度進行優化設計。根據相關文獻，當前針對塔機的研究主要側重于技術層面，包括安全監控系統、安全管理、事故分析、平衡臂、提升設備、回轉機構等方面，而對塔機駕駛室的設計研究存在一定空間，其室內空間布局、功能配置與人機關系等問題是影響空間利用率、操作效率和舒適性的關鍵因素。本文將聚焦于塔機駕駛室空間布局優化設計，基于WSR 方法論的系統分析，找出現有塔機駕駛室的布局設計要點，對其設計要素進行合理劃分和優化設計，并采用JACK 人機仿真評價系統進行設計驗證。

1 WSR 方法論及其用于塔機駕駛室的適用性

1.1 WSR 方法論概述

“物理–事理–人理”系統方法論[7]，以下簡稱WSR 方法論，是一種東方系統方法論，應用實踐中要不斷概括和協調物理層面、事理層面和人理層面的關聯性。顧基發研究員[7]將WSR 方法定位為用科學的方法來解決系統中的復雜問題，見圖1。“物理”通常是研究客觀實在的、物質的法則和規則，物理最重要的是真實性；“事理”指系統、組織如何管理和做事情的原理，針對不同的問題應該怎樣去做；“人理”指從個體到群體的聯系，在系統中應當如何做得更好，高效地處理事情的方式與方法。“物”“事”“人”相輔相成，在系統實踐中要合理分析三者的關聯因素。

圖1 WSR 方法論Fig.1 WSR methodology

WSR 方法論的提出，在國內外都得到了很大的發展，且并不局限于某一領域[8]。例如：羅琛琛等[9]基于WSR 方法論探究老年健康飲食配送服務體驗用戶需求，提出相應的設計指導方法，并在飲食、服務、用戶三個層面推導出合理的老年健康飲食配送服務模型；方方等[10]以單柱式液壓機的優化設計為例，結合WSR 方法，從物理–事理–人理三個維度展開設計研究，建立產品設計的三維過程模型。雖然WSR 在設計領域應用得還比較少，但是對設計研究的作用顯而易見，可以將復雜的系統問題分解成若干有條理的小問題，從而進行全面的梳理。

1.2 WSR 方法論用于塔機駕駛室設計的適用性分析

塔機駕駛室布局設計是一個復雜系統，其復雜性主要表現在，塔機駕駛室的空間有限，內部結構需要綜合考慮設備、作業和人的因素，既要確保駕駛員作業中的規范性，又要綜合考慮駕駛員行為的流暢性。對于塔機駕駛員，塔機駕駛室既是一個工作環境，也是他們從早到晚進餐、休息的生活場所，這就需要使塔機駕駛室中的空間多方面協調，以保證駕駛員正常的工作和生活。WSR 系統方法論就是針對事物之間的復雜關系所提出來的科學研究方法[11]。將塔機駕駛室布局設計這一復雜系統對應到WSR（物理–事理–人理）三個層面進行分析，可以避免遺漏其中的關鍵要素，以及梳理清楚整個系統中各要素之間的關聯性和交叉性，見圖2。

圖2 塔機駕駛室布局設計各要素的關系Fig.2 Relationship between the elements of tower crane cab layout design

2 基于WSR 的塔機駕駛室布局設計研究分析

塔式起重機主要分為平頭塔、尖頭塔和動臂塔三種基本類型，為滿足實際需要，不同類型又可細分為多種規格和型號。國外知名塔機制造商包括法國波坦、德國利勃海爾、瑞士Wolffkran、西班牙科曼薩、馬來西亞法福克集團等；國內也擁有中聯重科、徐工、永茂控股、川建和沈陽三洋等知名制造商。本文在資料文獻調研的基礎上，選取中聯重科、徐工和川建三款主流駕駛室進行實地調研，梳理其外觀尺寸、內部布局功能配置和操控裝置等特征。由表1 可以看出主流塔機駕駛室尺寸設計緊湊，空間狹小，主要尺寸相近，功能配置及內部布局相仿，且在駕駛人操作舒適性等方面均存在較多相似的問題，如功能布局混亂、操縱體驗感差、空間利用率低等。依據“2021 中國塔式起重機制造商10 強”排名，中聯重科位居前列，其塔機駕駛室布局功能配置及尺寸應用較廣。因此，本文選用實地調研中的中聯重科塔機駕駛室作為主要研究對象，結合WSR 方法從物–事–人三方面進行深入分析與研究。

表1 三款塔機駕駛室對比分析Tab.1 Comparative analysis of three tower crane cabs

2.1 物理—塔機駕駛室內部布局分析

通過現場調研，對塔機駕駛室內部設施進行梳理。駕駛室的內部空間狹小（見圖3），其中包含工作、生活等各種設施設備，要使作業空間和生活空間協調一致，確保駕駛員的吊裝工作有條不紊地進行是設計的關鍵，進而提高了對塔機駕駛室空間布局優化設計的標準。從物理層面，根據塔機駕駛員對駕駛室的使用狀態，將塔機駕駛室分為三個區域：操作視野區、控制區、生活區，見表2。

圖3 塔機駕駛室內部Fig.3 Inside tower crane cab

表2 塔機駕駛室內部功能區域劃分Tab.2 Division of functional area inside tower crane cab

操作視野區是駕駛室空間布局物理層面中的基本要素。塔機的駕駛室位于整個塔式起重機的頂部或中上部，使駕駛員可以直觀地觀察當前吊鉤的工作狀態，保證駕駛員的視野高度，并與起重指揮人員配合，進而做到安全吊裝。塔機駕駛員屬于高空作業，要滿足駕駛員視野的俯視特性，因此駕駛室操作視野區的范圍需要考慮底部空間，在下前方及左右兩側都需要有透明玻璃窗口，使駕駛員的視野范圍足夠寬敞。起重信息顯示屏為駕駛員提供塔機作業基本信息，信息顯示主要包含當前吊重、小車距離、起升機構攝像頭、吊鉤位置攝像頭等，是人–機之間的“橋梁”。因此，顯示屏在布局中的位置尤為關鍵，既不能遮擋視野，又要使駕駛員精準捕捉顯示屏所傳達的信息。

控制區是駕駛室空間布局物理層面中的關鍵要素。控制區主要包含塔機的操控系統，是駕駛室中的核心，從單個要素看，體積占比也是最大的一部分。因此，對這一部分的布局設計重點是綜合考慮整個駕駛室的空間尺寸關系，見圖4。在操控臺、電源箱、座椅的設計中，首先要考慮到工作的便捷、舒適與高效，其次是與其他布局要素相互協調，構成一體，見圖5。

圖4 塔機駕駛室電源箱和操控臺Fig.4 Power box and control console of tower crane cab

圖5 塔機駕駛室控制區分析Fig.5 Analysis of tower crane cab control area

生活區是駕駛室空間布局物理層面中的次要要素。生活區中的設施與駕駛員的作業和休息密切相關，各設施之間比較分散，見圖6。駕駛室布局設計的生活設施包括空調、置物架、插座、垃圾箱、工具箱等，以及一些根據用戶的需求進行添置的物品，見圖7。

圖6 塔機駕駛室生活區細節Fig.6 Details of tower crane cab living area

圖7 塔機駕駛室生活區分析Fig.7 Analysis of tower crane cab living area

2.2 事理—塔機駕駛員行為流程分析

一般情況下，塔機駕駛員通常會在塔機上工作8 h 左右，中途不會離開塔機駕駛室區域，駕駛室承載了駕駛員一天的時間，包括塔機作業、生活飲食、休息等。因此，駕駛員的工作行為流程和生活行為流程分析對駕駛室的布局優化設計十分重要。對此，本文在研究過程中，前往建筑工地招募一名專業塔機駕駛員，男性，38 歲，塔機駕齡7 年，設定操作任務為同日常工作一樣完成一次完整的塔機作業流程，總持續時間為30 min，并為其配備1 080 p 智能攝像眼鏡，將作業流程以視頻形式采集，見圖8—9。再通過The Observer XT 行為觀察分析系統，定量地對視頻中駕駛員的行為對應編碼和描述，并自動記錄時間，將行為數據在時間軸上進行可視化展示，見圖10。駕駛員的作業流程歸納為8 個行為項，駕駛員的工作行為和生活行為占據絕大部分時間，其中又包含不同的細分行為。另外，結合用戶訪談的方法，共招募了7 名具有3～8 年駕齡的塔機駕駛員，細致、深入探查駕駛員的工作行為和生活行為特征。在訪談中，主要聚焦于塔機操作流程、塔機作業中需要注意的細節、塔機作業中最重要的環節等工作方面的問題，以及在塔機上如何休息、休息期間的業余活動、對駕駛室的期望或設想等生活問題。

圖8 設備及使用示例Fig.8 Device and usage example

圖9 智能攝像眼鏡拍攝的部分畫面Fig.9 Part of the scene taken by smart camera glasses

圖10 Observer 行為流程分析Fig.10 Observer XT experimental analysis

通過對駕駛員的行為分析和訪談，將駕駛員在駕駛室中的行為流程歸納為兩條路線，見圖11。路線一是當駕駛員剛來到駕駛室時，應先前往電源箱檢查，再去操控臺開始工作；路線二是在業余休息時間，駕駛員可自由出入駕駛室，以便活動身體。在這兩條行為路線上，不僅包含了工作行為，也穿插著生活行為，見圖12。設計中需要考慮更多的人–機交互因素，解析駕駛員在行為流程中所產生的需求點，依此做出符合人機需求的布局設計，為駕駛員提供高效的行為規劃。

圖11 駕駛員活動路線劃分Fig.11 Driver activity route division

圖12 塔機駕駛員一般行為流程分析Fig.12 Analysis of general behavior flow of tower crane pilots

依據現有塔機駕駛室分析，在駕駛員的工作行為流程中，為了能讓駕駛員順利、高效地進行塔機作業，其中的問題包括：操作臺過于機械化，不符合人機需求；布局設施的無序性，導致駕駛員的操作繁瑣，加劇疲勞度。在駕駛員的生活行為流程中，要保證駕駛員有一個好的工作環境和滿足生理、心理需求，其中的問題包括：缺少物件放置的設施；沒有考慮駕駛員的就餐環境；除了工作椅外，駕駛員沒有可以休息的地方；空間狹小紊亂，駕駛員行動不流暢。

2.3 人理—塔機駕駛員用戶分析

依據訪談信息，將駕駛員的需求歸納為生理需求和心理需求，見圖13。塔機駕駛員在高空作業中，對視野精準度要求較高，同時，長時間的坐姿工作致使駕駛員對其舒適性、腰頸椎的舒適度需求較高。塔機作業需要不停地重復相同的動作，容易產生疲勞，從而導致嚴重的安全事故。因此，在布局設計中還需要考慮駕駛員的心理需求，幫助避免或減少產生厭煩、疲憊的心態，激發駕駛員在作業中的興趣，并有效提升塔機作業的高效性、舒適性。塔機駕駛室布局設計人理層面的分析與物理層面、事理層面相互貫穿和影響。

圖13 塔機駕駛員特征分析Fig.13 Feature analysis of tower crane pilot

通過前期的調研分析，以WSR 方法論為基礎，理解塔機駕駛室空間布局設計的核心問題，結合相關案例，在物理層面、事理層面、人理層面進行詳細的拆解和分析，最終得到設計要素和各要素之間的聯系，從而系統化地研究駕駛室布局設計要點，為后續布局設計方案建立基礎。

3 塔機駕駛室布局優化設計

通過物理、事理、人理層面的分析，塔機駕駛室布局設計主要包含物理層面中的視野區、控制區、生活區三個部分，事理層面和人理層面又與物理層面相互作用，三個部分的結構關系密切，對塔機駕駛室的操作體驗有重要影響，使人–設備–空間三者相統一，以達到駕駛室布局設計的易操作性、舒適性、流暢性，見圖14。

圖14 塔機駕駛室布局設計分析框架Fig.14 Analysis framework of tower crane cab layout design

1）在物理層面，通過對操作視野區、控制區、生活區中各元素的歸納分析，抓住各要素在布局設計中的要點，從人機工程學的角度，充分考慮人的因素，根據駕駛員的必要需求和次要需求，將單個元素的布局進行合理的設計要點分析，見表3。

表3 內部布局要素設計分析Tab.3 Design analysis of internal layout elements

2）通過對事理和人理層面的設計分析，對物理層面中所缺少的元素進行補充。考慮駕駛員的工作行為流程和生活行為流程中所涉及的部件來進行布局排列，結合人—機因素，優化布局設計，保證駕駛員工作環境的易操作性，減輕駕駛員厭煩、疲倦的心理，見表4。

表4 行為流程設計分析Tab.4 Behavior flow design analysis

在進行塔機駕駛室布局優化設計時，依據以上設計分析，結合人機交互原則，建立新的塔機駕駛室布局設計方案，見圖15—17。具體設計內容如下。

圖15 塔機駕駛室外觀設計Fig.15 Appearance design of tower crane cab

1）針對物理層面的設計分析，在駕駛室中增添滿足駕駛員工作和生活的需求設施，如置物架、工具箱、來回開關、垃圾桶、梳妝鏡、衣帽掛鉤等。

2）根據駕駛員的行為流程分析，以駕駛員為中心，對相關設施的布局位置分布進行調整，使其設施布局符合駕駛員的日常行為流程，減少不必要的動作，且設計布局盡量分布于駕駛員上肢最佳可達范圍內，滿足駕駛員行為流程的高效性和一般工作姿勢下的易操作性。調整駕駛員踏腳板的傾斜角度為15°，提升其一般工作狀態的舒適性。

3）考慮駕駛員的心理、生理需求，為盡量避免駕駛員產生疲憊、厭煩等負面情緒，駕駛室的內部配色以淺色為主，內部墻面采用皮革材質；集中地面走線，規范設施設備布局，增強空間感，通過舒適的感官體驗來緩解駕駛員的負面心理情緒。

4）駕駛室外部造型設計滿足駕駛員作業時所必需的視野環境，保證駕駛員的視野清晰，在無外部障礙物影響的狀態下，駕駛員應始終能觀察到起重吊鉤、起吊物和臂架的運動，方便地了解周圍的情況[12]。

圖16 塔機駕駛室空間布局優化設計Fig.16 Optimized spatial layout design of towercrane cab

圖17 塔機駕駛室空間布局Fig.17 Spatial layout of tower crane cab

4 設計驗證

設計驗證涵蓋兩部分內容，一是為評估塔機駕駛室布局優化設計的人機合理性，利用Siemens JACK人機仿真系統根據設計方案模擬作業環境，對塔機駕駛室空間布局方案的人機問題進行驗證[13]。首先，視野范圍是高空作業的關鍵要素，通過JACK 中Visual Fields、View Cones 工具，對駕駛員視野的可視性進行驗證[14]。其次，駕駛員工作以坐姿為主，要保證駕駛員在坐姿狀態下能夠有效觸及所需設施設備，提升操作的舒適性和準確性，通過Reach Zones 模擬分析，對駕駛員坐姿上肢可達性展開可行性分析[15]。最后，為評估塔機駕駛室布局優化設計方案的人機舒適性，采用OWPA 分析工具對駕駛員的一般作業姿勢和一般取物姿勢進行舒適度等級分析，檢查駕駛員在模擬工作環境下的操縱姿勢舒適性[16]。二是評估設計方案功能配置、布局優化和內室色彩整體效果等滿意度，采用五級量表評分的主觀評價方法進行驗證。

4.1 JACK 人機仿真

4.1.1 人機工程虛擬仿真模型的建立

塔機駕駛室空間布局設計的關鍵點是駕駛室內各要素與人體之間的空間位置關系[17]。模型分為兩個部分：一部分為塔機駕駛室布局優化設計三維模型，用于分析駕駛員的上肢可達性和駕駛員的操縱姿勢舒適性，見圖18。另一部分為塔機整體簡化三維模型，用于分析駕駛員的可視性，見圖19。塔機機身建模尺寸數據以中聯TC6015A—10 為參考，其固定式最大起升高度為60 m，起重臂工作幅度為2.5—60 m，平衡臂長為14 m，平衡重最大重量為18.75 t。最終以起升高度為60 m，起重臂幅度為60 m，其中分別在起重臂的最小限位2.5 m 和最大限位60 m 處設立吊鉤，建立塔機整體三維模型。在JACK 中導入三維模型，將所構建的虛擬駕駛室模型與塔機機身三維模型組合，得到塔機駕駛室人機工程虛擬仿真模型。

圖18 塔機駕駛室布局優化設計三維模型Fig.18 Three-dimensional model of optimal design of tower crane cab

圖19 塔機整體三維模型Fig.19 Overall three-dimensional model of tower crane

4.1.2 人體模型建立

根據GB/T 10000—1988《中國成年人體尺寸》尺寸數據[18]，采用Siemens JACK 軟件，建立數字人體模型。以GB/T 10000—1988 為參考，建立塔機駕駛員第90 百分位的人體數據模型，滿足大部分駕駛員的操作要求，見圖20。

圖20 中國成年人人體數據模型建立Fig.20 Establishment of human data model for Chinese adults

4.1.3 駕駛視野可視性分析

塔機作業工況復雜，駕駛室的視野窗要保證良好的可視性，以及起重信息顯示屏的位置應處于頭部和眼睛的自然轉動范圍內，盡量使駕駛員減少頭部和眼睛的旋轉。在位于起重臂60 m 的吊鉤處，設置1.2×1.2×1.2 m 大小的貨物。從JACK 模擬場景中可知，當駕駛員處于一般工作姿勢時，貨物位于地面及駕駛員水平視野處，皆可被清晰地觀看，見圖21。

圖21 駕駛室前視窗視角Fig.21 View from the front cab window

使用JACK 軟件中的Visual Fields 工具，生成人眼對不同顏色和盲區的視野范圍幾何體，得到駕駛員前方、左側、右側、底部及最佳認讀范圍視野，見圖22。

圖22 駕駛室一般工作姿勢視野范圍Fig.22 Range of visual field of general working posture in cab

利用JACK 軟件中的View Cones 工具，建立代表虛擬人體可視區域，驗證視野區中左右起重信息顯示屏位置的合理性，見圖23。根據JACK 模擬實驗的視野可視性驗證，分析結果為合理。

圖23 塔機駕駛室左右顯示器視野Fig.23 Visual field of left and right display in tower crane cab

4.1.4 駕駛員坐姿上肢可達性分析

塔機駕駛室的操縱裝置是駕駛員工作的核心，需將操縱部件設計在駕駛員最佳空間內，如放操縱桿、控制鍵盤等，然后是塔機駕駛員日常生活相關的次要部件設置，如置物架、插座、垃圾桶等。JACK 軟件中的Reach Zones 模擬分析，可得出人體數據模型的手部操作空間，分析駕駛員雙手的可達域，見圖24。可知，駕駛室操縱部件位于駕駛員手部操作最佳空間內，對次要部件的可達性也符合要求。

圖24 塔機左右手可達域Fig.24 Left and right hand reachable domain in the tower crane

4.1.5 駕駛員操縱姿勢舒適性分析

JACK 軟件中的OWPA 分析工具可快速檢查駕駛員工作姿勢的舒適性，得出作業人員工作姿勢的行動等級（Action Categories，簡稱AC）[19]。行動等級劃分為4 個等級，即AC1–AC4，AC1 表示為舒適，AC2 至AC3 表示舒適度依次遞減，AC4 表示為不舒適。利用OWPA 分析工具對一般工作姿勢和一般取物姿勢進行分析，見圖25。可見，駕駛員的兩種行為姿勢均是AC1 等級，即舒適，無須糾正。

圖25 駕駛員一般姿勢舒適性等級分析Fig.25 Analysis of general postural comfort level of drivers

綜上所述，針對塔機駕駛室布局優化設計方案的人機仿真驗證，即駕駛視野可視性、駕駛員坐姿上肢可達性、駕駛員的操縱姿勢舒適性三個方面的分析驗證皆為合理。可知，對塔機駕駛室的布局要素進行合理劃分和優化設計之后，使其空間得到有效利用，改善駕駛員的操作疲勞，符合駕駛員易操作性、舒適性的需求[20]。

4.2 布局優化方案滿意度評價

為評估塔機駕駛室空間布局優化設計方案的滿意度部分，采用主觀量表評價進行問卷調查。問卷設計中，首先通過45°透視圖、左右視圖和俯視圖等多角度效果圖向受測者全面展示優化后的設計方案，并對功能配置進行標注說明。之后前往建筑工地，實地邀請專業的塔機駕駛員結合上述展示（見圖26），從物–事–人三個層面，包括設施的添置和位置調整、已有設施的位置調整、日常使用習慣、內室色彩材質的搭配及整體效果等方面對設計方案進行滿意度評級。問卷采用五級量表，對各個因素進行滿意度評分，即5–很滿意、4–滿意、3–一般、2–不滿意、1–很不滿意。由于塔機駕駛員屬于專業性較強工種，問卷發放的目標人群有限，所以本次問卷調查共發放問卷20 份，回收20 份，無效廢棄問卷。

圖26 問卷調查現場Fig.26 Questionnaire survey scenario

對問卷調查結果進行分析，包含塔機駕駛室空間布局優化設計方案中物、事、人三個方面的各項滿意度均值、標準差和不同滿意度等級的評分占比，見表5。

表5 問卷調查結果分析Tab.5 Analysis of the results of questionnaire survey

根據分析結果表明，各項滿意度均值均大于4.00，處于滿意及以上區間，且各項標準差均小于1.00，說明數據分布在平均值的左右，離散程度較小。各評分項目的評分占比中，“非常滿意”和“滿意”之和均大于80%，由此可見，駕駛室空間布局優化設計方案滿足大部分用戶的設計訴求。其中，依據物、事、人三個層面的主觀評分均值雷達圖（見圖27），可知對人理層面的滿意度評價最為突出，物理與事理層面次之，均處于滿意及以上區域。

圖27 物事人三因素主觀評分均值雷達圖Fig.27 Mean radar diagram of WSR three-factor subjective score

5 結語

基于WSR 方法論，從物理層面、事理層面、人理層面分別對塔機駕駛室空間布局設計展開詳細全面的分析，梳理歸納設計相關要素，提出布局優化設計要點，建立優化設計方案三維模型，并采用JACK仿真評價系統進行驗證，從駕駛視野可視性、駕駛員坐姿上肢可達性、操縱姿勢舒適性三個方面驗證了優化方案的人機合理性，結合量表評分調查，塔機駕駛室空間布局優化設計方案的滿意度良好。基于WSR開展塔機駕駛室空間布局優化設計的方法有效，可為同類型裝備類駕駛室空間布局優化設計提供參考。