基于能量分析的裝配作業(yè)疲勞改善研究*

王向銀，劉 堅，蒲海蓉，于德介

（湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南長沙 410082）

盡管近年來工業(yè)自動化應(yīng)用日益普及，但許多生產(chǎn)作業(yè)活動中仍存在大量的人工作業(yè).為降低作業(yè)人員在工作過程中因疲勞引發(fā)的工傷危險以及提高作業(yè)效率，有必要構(gòu)建一種人體疲勞分析評估方法以指導(dǎo)作業(yè)及作業(yè)環(huán)境的改善和再設(shè)計.在該領(lǐng)域的研究中，H.Heleen[1]選取了22個工人進(jìn)行模擬裝配試驗并通過肌電圖測量肌肉疲勞，發(fā)現(xiàn)耐力培訓(xùn)可以緩解長時間作業(yè)的人體疲勞度；Jap[2]則嘗試?yán)媚X電圖描述儀來檢測駕駛員的疲勞度；Li[3]將新陳代謝能量消耗評估方法用于評估建筑工人進(jìn)行手工物料搬舉作業(yè)時的生理和知覺反映；王維等[4]提出了一種基于維修仿真的人體疲勞分析方法以評判操作人員在維修過程中的疲勞程度；Du[5]利用計算機(jī)輔助及數(shù)字化人體模型建立了人因工程評價方法，該方法可用于評估現(xiàn)有工作環(huán)境中存在的人因設(shè)計問題.Lamkull[6]將數(shù)字化人體模型用于汽車裝配作業(yè)來預(yù)測任務(wù)的輸出結(jié)果，并指出其將會是汽車行業(yè)中人因工程分析的主要手段.

上述研究指出了數(shù)字化人體模型以及仿真技術(shù)在人因改善領(lǐng)域的重要性，為人體疲勞分析方法的建立提供了有益的指導(dǎo).但其研究工作主要通過肌電圖儀對作業(yè)人員的疲勞度進(jìn)行實測，會影響員工的正常作業(yè)，同時研究對象較少針對制造作業(yè)，不利于研究成果在制造領(lǐng)域的推廣.有鑒于此，本文以計算機(jī)輔助人因工程仿真軟件JACK為支撐工具，研究了基于作業(yè)仿真的人體疲勞分析改善方法，方法的企業(yè)應(yīng)用驗證了其有效性.

1 基于仿真的人體疲勞分析改善方法

基于仿真的人體疲勞分析改善方法主要包括四個步驟，即人體動作及動作參數(shù)的獲取、基于新陳代謝能量消耗的人體疲勞評估計算、疲勞評估改善和改善方案的驗證.

1.1 人體動作及動作參數(shù)的獲取

制造業(yè)實際的生產(chǎn)活動十分復(fù)雜，為了有效地分析改善裝配作業(yè)中人體的疲勞度，需要針對關(guān)鍵工序或工位進(jìn)行重點分析改善.所以首先應(yīng)通過現(xiàn)場調(diào)研明確人體疲勞感較強的工序（關(guān)鍵工序）作為研究對象，而后按照動作分解和流程分析的原則將該工序作業(yè)任務(wù)分解成若干人在單個時間步長內(nèi)能夠執(zhí)行的動作單元，實現(xiàn)作業(yè)的流程化和圖表化；最后在動作單元化后通過測量獲取各動作單元的參數(shù)以便于后續(xù)的分析計算和仿真驗證.不同的任務(wù)類型需要獲取的參數(shù)類別如表1所示，動作分析過程中可忽略對能量消耗影響較小的因素，如訓(xùn)練程度、載荷尺寸、完成任務(wù)速度、手柄的設(shè)計、溫度和濕度等.

表1 動作參數(shù)描述Tab.1 Description of motions¶meters

1.2 基于新陳代謝能量消耗的人體疲勞評估計算

新陳代謝能量消耗是標(biāo)示作業(yè)人員疲勞程度的重要指標(biāo)，Garg博士[7]建立了一個數(shù)學(xué)模型用以預(yù)測人員作業(yè)的能量消耗，該模型假設(shè)一個工作能夠分解成任務(wù)和活動元素.任務(wù)的能量消耗可以根據(jù)下式計算得到:

式中:EJob指一個工作的平均能量消耗；Ebasal指維持基礎(chǔ)能量代謝和基本姿勢（包括站姿、立姿和彎腰姿勢）的能量消耗；Etaskj指在穩(wěn)態(tài)條件下完成第j項任務(wù)凈新陳代謝能量消耗；Ttaskj指完成第j項任務(wù)所持續(xù)的時間.

單位時間人體能量消耗必須處在一定的范圍之內(nèi)，若超出了人體允許的能量消耗限度，將會損害作業(yè)人員的健康，導(dǎo)致職業(yè)病或者不安全事故的發(fā)生.所以（1）式的計算結(jié)果需要與人體能量消耗上限值比較，若超出就需要采取措施改善.

人體允許的能量消耗值可通過經(jīng)驗公式計算得出[8-9].依據(jù)經(jīng)驗公式計算得到不同工作時長所允許的能量消耗上限值如圖1所示.

圖1 允許的新陳代謝能量消耗Fig.1 Allowable metabolic energy expenditure

1.3 人體疲勞改善

將所獲作業(yè)新陳代謝能量消耗與允許的新陳代謝能量消耗量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，若超出標(biāo)準(zhǔn)的上限值就說明該工人很可能在規(guī)定時長的工作時間結(jié)束時有全身疲勞的感覺.而長期處于疲勞狀態(tài)的工人易引起疾病或健康不良，所以對于該項作業(yè)應(yīng)用人因工程的改善原則進(jìn)行改善或再設(shè)計，以消除其對作業(yè)員工可能造成的不利影響.

人體疲勞的改善原則有很多，主要包括動作經(jīng)濟(jì)原則、流程經(jīng)濟(jì)原則和方法時間衡量，綜合運用上述原則可以從兩個方面進(jìn)行作業(yè)的人因改善.一是從工程學(xué)的角度重新設(shè)計作業(yè)并提供更好的作業(yè)工具和環(huán)境支持，如運輸帶和自動送貨器可以減少人體載荷，改善工作場所的布局可以減少人體的動作頻率和優(yōu)化工作流程，減少抬舉、推動、放下載荷的距離可以減少作業(yè)的能量消耗需求；二是從管理學(xué)的角度優(yōu)化人員組織安排、工作輪班制度、作業(yè)休息方式等來降低作業(yè)人員疲勞.

1.4 改善方案的仿真驗證與實施

依據(jù)前面的改善分析研究，改善方案中通常包括輔助工具的設(shè)計制作、工作環(huán)境與布局的調(diào)整、改進(jìn)的作業(yè)人員組織甚至是業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化，上述改進(jìn)的實施都需要資源的投入，所以有必要充分驗證改善方案的有效性從而降低其實施的風(fēng)險.并且上述人體疲勞評估計算只考慮了時間和動作的影響，尚不太精確可能影響方案的有效性.為了驗證上述改善方案的可行性和有效性，需要將改善方案的動作及動作參數(shù)在JACK軟件中進(jìn)行仿真驗證，該軟件還考慮了載荷等影響因素，以便判斷相應(yīng)的能量消耗指標(biāo)是否低于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，若低于允許的能量消耗上限值便可以確定該方案為最終改進(jìn)方案，否則需要進(jìn)一步改善直至得到滿足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的方案.改善方案的最終有效性仍需要通過企業(yè)的應(yīng)用加以驗證，方案實施后作業(yè)員工的切身感受是評估改善方案的直觀依據(jù).

2 應(yīng)用實例

2.1 車輪分裝作業(yè)任務(wù)分析

分裝車輪總成工序是某汽車公司總裝車間底盤裝配工段的關(guān)鍵工序，該工序操作的基本要素包括取料、搬料、在拆裝機(jī)上分裝車輪、充氣和車輪總成動平衡測試等環(huán)節(jié).通過現(xiàn)場訪談了解到該工序長期作業(yè)易疲勞且效率低，急需采取相應(yīng)措施加以改進(jìn).基于動作分解和流程分析的原則對該工序進(jìn)行分析，得到表2所示的動作及對應(yīng)參數(shù).

表2 車輪分裝工序動作分解及對應(yīng)參數(shù)Tab.2 Operator's motions and corresponding parameters in Tire Assembling Process

其中根據(jù)實際情況可知作業(yè)人員為重60 kg的90百分位的男性，并設(shè)定身體和手臂作業(yè)各占50%，站立彎腰作業(yè)姿勢各占80%和20%，坐姿作業(yè)為0，連續(xù)工作時間小于2 h.

2.2 車輪分裝作業(yè)人體疲勞分析計算

基于前述的人體疲勞量化計算方法，建立該工序虛擬工作環(huán)境和虛擬人體模型，根據(jù)實際情況確定了該工序操作工人的主要人體尺寸.然后在仿真平臺 JACK的 MEE（Metabolic Energy Expenditure）分析界面輸入任務(wù)時間，立姿、坐姿、彎腰姿勢所占比例，距離和質(zhì)量的單位等表2所示的相應(yīng)參數(shù).計算得到完成該作業(yè)所需的能量，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，完成該作業(yè)所需的能量為18.431 kcal，立姿所需能量為3.605 kcal，彎曲姿勢所需能量為1.067 kcal，故總能量為23.102 kcal.又根據(jù)時間測量可知完成該工作所需時間為6.890 min，由計算可知能量消耗比例為3.353 kcal/min.與連續(xù)工作2 h所允許的能量消耗上限為3.298 kcal/min（如圖1所示）比較，可知完成該工作所消耗的能量超過了允許的能量消耗，亟待采取相應(yīng)的措施加以改善.

圖2 改善前新陳代謝能量消耗計算結(jié)果Fig.2 Calculating results of MEE before optimization

2.3 車輪分裝作業(yè)人體疲勞評估改善

為降低車輪分裝作業(yè)的作業(yè)疲勞以防止員工人身傷害，需要應(yīng)用人因工程的改善原則對該作業(yè)進(jìn)行改善.本文從兩個方面采用四種方式來緩解車輪分裝作業(yè)中的人體疲勞:從工程學(xué)的角度出發(fā)，一是增加一個輪槽提供作業(yè)支持以代替手工搬運過重的輪胎，二是調(diào)整工作場所的布局以減少人體的動作頻率和優(yōu)化工作流程；從管理學(xué)的角度出發(fā)，一是增加一名作業(yè)人員分擔(dān)50%的分裝任務(wù)，二是制定合理的輪班制度和作業(yè)期間休息制度，從而優(yōu)化人員組織管理，最終降低人體疲勞度.改善后的布局如圖3所示.

圖3 改善后的虛擬工作場景模型Fig.3 Virtual layout model after optimization

2.4 工序改善方案的仿真驗證

綜合上述四種改善措施，在選定的工具軟件JACK上仿真驗證改善方案的有效性，首先建立新方案的虛擬工作環(huán)境以及人體模型，如圖3所示.依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和測量了解企業(yè)分裝車輪工序?qū)嶋H操作工人的身高為165 cm，體重為60 kg.然后將改善方案的作業(yè)及其參數(shù)輸入JACK的MEE分析工具包進(jìn)行仿真驗證.通過仿真驗證可知增加一名操作人員后第一位工人完成任務(wù)的能量消耗明顯降低至2.582 kcal/min，第二位工人完成任務(wù)的能量消耗為2.705 kcal/min，詳細(xì)結(jié)果如表3所示.

表3 改善前后工人新陳代謝能量消耗計算結(jié)果比較Tab.3 Calculating results of MEE before and after optimization

由圖1可知滿足連續(xù)工作2 h所允許消耗的能量消耗上限為3.298 kcal/min，改善方案的員工能量消耗明顯低于上限，既能保證作業(yè)的安全性，還能提高生產(chǎn)效率，符合“綠色安全生產(chǎn)”理念.

3 結(jié) 語

本文圍繞制造業(yè)裝配作業(yè)過程中的人因優(yōu)化改善展開研究，旨在降低人體疲勞度以保證安全生產(chǎn)和提升作業(yè)效率.本文將仿真技術(shù)引入人因改善研究中，以選定的仿真軟件JACK為研究平臺，以新陳代謝能量消耗值為人體疲勞的量化評估指標(biāo)，針對制造業(yè)的現(xiàn)場作業(yè)構(gòu)建了人體疲勞改善方法.該方法在人體動作及動作參數(shù)的獲取、人體疲勞評估計算的基礎(chǔ)上，運用工程學(xué)與管理學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)人因改善原則建立改善方案，并通過改善方案的仿真與實施驗證其有效性.該方法在合作汽車公司工人反映疲勞度較高的車輪分裝工序的作業(yè)改善中得到了成功應(yīng)用，改善方案實施后不僅降低了作業(yè)人員的疲勞程度而且提高了工作效率.本文的研究為制造企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)的人因改進(jìn)提供了方法論支持.

[1]HELEEN H ，HAMBERG-VAN REENEN，BART VISSER.T he effect of a resistance-training program on muscle strength，physical workload，muscle fatigue and musculoskeletal discomfo rt:an experiment[J].Applied Ergonomics，2009，40:396-403.

[2]JAP B T，LAL S.Using EEG spectral components to assess algorithms for detecting fatigue[J].Expert Systems with Applications，2009（36）:2352-2359.

[3]LI K W，YU R F.Physiological and perceptual responses in male Chinese workers performing combined manual materials handling tasks[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2009（39）:422-427.

[4]王維，唐小鳳，李焱.基于維修仿真的人體疲勞分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，8（18）:245-248.WANG Wei，T ANG Xiao-feng，LI Yan.Human fatigue analysis based on maintenance simulation[J].Journal of System Simulation，2006，8 （18）:245-248.（In Chinese）

[5]DU Jin-yan.The development of a methodology for assessing industrial workstations using computer-aided ergonomics and digital human models[D].Faculty of Mississippi Sate University，2005.

[6]LAMKULL D，HANSON L.A comparative study of digital human modeling simulation results and their outcomes in reality:a case study within manual assembly of automobiles[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2009（39）:428-441.

[7]GA RG A，CHAFFIN D B.Prediction of metabolic rates for manual materials handling jobs[J].American Industrial Hygiene Association （S0002-8894），1978，8（39）:661-674.

[8]威肯斯C.D.，李J.D.著.人因工程學(xué)導(dǎo)論[M].張侃譯.上海:華東師范大學(xué)出版社，2007.WICKENS C D，LI J D.Introduction to human factors[M].T ranslated by ZHANG Kan.Shanghai:East China Normal U-niversity Press，2007.（In Chinese）

[9]MARK S SANDERS，ERNEST J McCormick.Human factors in engineering and design[M].Beijing:Tsinghua University Press，2002.