基于人機(jī)工程學(xué)的安檢閱圖工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 斌

（公安部第一研究所，北京 100044）

0 引言

隨著以X 射線檢查為代表的安檢設(shè)備應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，安檢市場競爭也愈發(fā)激烈。眾多的供貨商，不僅在圖像顯示分辨力、線分辨力、穿透力、工作溫限、工作噪聲等行業(yè)指標(biāo)上競相爭奪制高點，而且在對以閱圖工作站為代表的結(jié)構(gòu)硬件和售后培訓(xùn)、維修等服務(wù)方面也越發(fā)重視和完善，后者對于產(chǎn)品的市場占有率和顧客滿意度的提升有著越來越大的影響。相較于非透射圖像而言，安檢行包圖像特點是對比度較小、邊緣不夠清晰、背景噪聲較大，加之一般安檢點都設(shè)置在客流貨物多的地方，因此安檢閱圖人員極容易疲勞，肌體疲勞對圖像判讀的準(zhǔn)確率影響很大，如果對違禁品、爆炸物等誤判或漏檢，將對公共安全帶來嚴(yán)重威脅。因此，閱圖工作站的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，操作是否便捷，能否為安檢員提供較高的舒適度，對于產(chǎn)品的好譽(yù)度有著直接的影響，對公共安全檢查的效果也起著重要的作用。

人機(jī)工程學(xué)是一門運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和其他學(xué)科的有關(guān)知識，使機(jī)器與人相適應(yīng)，創(chuàng)造舒適而安全的工作條件，從而提高工效的一門科學(xué)[1]。其研究的內(nèi)容主要包括：人體特性的研究；人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計；工作場所和信息傳遞裝置的設(shè)計；環(huán)境控制和安全保護(hù)設(shè)計等。它將人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的整體來研究，以創(chuàng)造最適合于人操作的機(jī)械設(shè)備和作業(yè)環(huán)境，使人-機(jī)-環(huán)境相協(xié)調(diào)，從而獲得系統(tǒng)的最高綜合效能[2]。

如何將人機(jī)工程學(xué)的基本原理與方法，貫穿到安檢設(shè)備閱圖工作站的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計出更優(yōu)的產(chǎn)品，使操作員的工作更加舒適和便捷，安全檢查的效率更高，是本文要解決的問題。

1 閱圖工作站的組成與基本要求

閱圖工作站由顯示終端、操作臺等部件組成。顯示終端可以顯示被檢物品的X 射線材質(zhì)圖像和X 射線透視圖像，便于安檢人員對危險物品進(jìn)行有效的判讀。操作臺結(jié)構(gòu)要求[3]如下：

（1）操作臺應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)要求，符合正常人群的生理特性和心理要求。

（2）操作臺上設(shè)置一體化鍵盤，鍵盤上的按鈕開關(guān)與主要的系統(tǒng)功能相對應(yīng)，可實現(xiàn)滾筒電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，以及圖像的各種處理功能。

（3）操作臺的設(shè)計需充分考慮臺面布置設(shè)備的電源及通訊接口的布置，電源無外露點，線路無短接頭。

（4）操作臺表面滿足防腐、防銹要求，能適應(yīng)具體的使用環(huán)境條件。

2 閱圖工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制臺依據(jù)操作姿勢一般分五類：①坐姿低臺式；②坐姿高臺式；③坐立姿兩用；④立姿；⑤標(biāo)準(zhǔn)式。

對于安檢設(shè)備的操作者而言，除室內(nèi)大型會議、室外運(yùn)動賽事和博覽會等場合會用到坐立姿兩用、立姿的操作臺之外，多數(shù)都會低坐姿工作，因此這里以坐姿低臺式工況來進(jìn)行設(shè)計。相較于其它姿勢的作業(yè)而言，坐姿作業(yè)的好處還在于，可以使心臟負(fù)擔(dān)的靜壓力有所降低，而且坐姿時肌肉可承受部分體重負(fù)擔(dān)[4]，連續(xù)工作時機(jī)體的疲勞感較低。

2.1 操作臺基本尺寸確定

從人機(jī)工程學(xué)的角度，首先控制臺的高度應(yīng)降到坐姿人體視水平線以下，以保證操作者的視線能夠達(dá)到控制臺前方，且盡可能采用向下的觀視角；其次應(yīng)把所需的顯示器、控制器設(shè)置在有一定斜度角的面板上；進(jìn)而根據(jù)這兩個要點確定其他尺寸[4]，如圖1所示。

圖1 坐姿控制臺Fig.1 Seating posture console

為確定合適的尺寸來進(jìn)行設(shè)計，我們對機(jī)場、長途汽車站、地鐵、會議中心的100位安檢閱圖員進(jìn)行了采樣，經(jīng)過統(tǒng)計得到部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 安檢員數(shù)據(jù)匯總表Tab.1 Screeners' data summary

根據(jù)我國成人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)（GB10000-88）提供的人機(jī)工程學(xué)測量項目，列出的部分人體數(shù)據(jù)，見表2。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采樣數(shù)據(jù)均落在了18～25歲年齡段統(tǒng)計數(shù)據(jù)的第50 百分位數(shù)和第90 百分位數(shù)之間。（百分位[6]表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統(tǒng)計對象人數(shù)的百分比。設(shè)計中通常采用人體百分位數(shù)來表示人體尺寸一定的適應(yīng)域，以身高為例，第95 百分位的尺寸表示有95%的人身高等于或者小于該尺寸）。實際參加采樣的安檢員中，年齡在此區(qū)間段的占比為78%，二者基本相符。

表2 成年人人體尺寸數(shù)據(jù)[5]Tab.2 Ａdult body size data

樣本總體的視線高平均值為1187.7mm，鑒于男性操作員的比例較高，取1200mm 來進(jìn)行設(shè)計。因此，a=1200mm。

成年男子坐姿前臂手功能前伸長的第50 百分位數(shù)為343mm，第95 百分位數(shù)為376mm，據(jù)此，選擇b=375mm。

安檢設(shè)備顯示終端的顯示器，可視角要求一般不小于160°，為保證向下的觀視角最大，取β=20°。

樣本總體的坐姿肘關(guān)節(jié)高度值為675.3mm，在人機(jī)工程中，坐姿書寫表面高度一般在650～910mm 之間，考慮到移動用腳輪的直徑等因素，我們選擇c=750mm，即控制臺臺面距離地面高度為0.75m。

對于尺寸e 和尺寸d，仍需根據(jù)進(jìn)一步的約束條件確定。臺面主體尺寸的確定：

圖2 作業(yè)面布置區(qū)域Fig.2 Work surface arrangement region

在圖2 中，鑒于采樣結(jié)果與18～25歲成年人數(shù)據(jù)基本吻合，我們基于第50 百分位的男性人體測量數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計，L1=375（mm）， L2=210（mm）， R0=610（mm）， R1=546（mm）， R2=76（mm）。

通過計算得到圖2 中陰影部分位于（1100×400）mm的矩形范圍內(nèi)。因此操控臺面長度為1.1m，有效寬度為0.4m。

2.2 顯示器的選擇與安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證圖像質(zhì)量與穩(wěn)定性，閱圖站對于顯示器的要求一般是明亮度不低于250cd/m2，對比度1000∶1，響應(yīng)時間5ms，可靠性、穩(wěn)定性和輻射強(qiáng)度符合國際標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，選用了市場上某款主流17 寸，液晶顯示器， 其輪廓尺寸為（371×317）mm。

由顯示器高度317mm，選定h=400mm，工作站的總體高度 d=h+c=400+750=1150（mm），小于坐姿視線水平高度，符合要求。

尺寸w的選擇，依據(jù)常用十字緊固工具的有效長度為120mm，為保證拆裝過程中有較為充分的操作空間，選定w=140mm，即圖1 中尺寸e=140mm。

鑒于顯示器自身發(fā)熱量不大，故采用自然通風(fēng)形式散熱。在可拆卸背板上沖出連續(xù)的通風(fēng)孔，計算得到該裝配結(jié)構(gòu)的體積填充系數(shù)[7]為0.15，不但滿足散熱要求，（一般自然通風(fēng)冷卻情況下，體積填充系數(shù)約為0.3），且便于拆裝和維修。

圖3 顯示器裝配Fig.3 Monitor assembly

2.3 文件柜設(shè)計

在對行李和包裹進(jìn)行安全檢查的過程中，安檢操作員對于一些小型的違禁品予以沒收、零散的文件存放等需求普遍存在。因此，工作站配備一個文件柜，能夠使人員在實際使用中更加便捷。在操控平面的下方，利用空間設(shè)計一個雙層文件柜，如圖4所示。

圖4 文件柜結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 File cabinet structure design

柜體主體及門板材料均采用厚度為1.5mm的冷軋鋼板，在左右側(cè)壁與外板之間預(yù)留出了線纜路徑，用于與X 射線光機(jī)的組合電纜相連接；柜門采用天地鉸鏈為軸，并配以天地鎖與適合的扣手，能夠在90°范圍內(nèi)的任意開合。

2.4 可移動腳輪與操作椅的選擇

無論是置放在室內(nèi)還是室外的安檢設(shè)備，使用過程中都可能更換位置，因此要根據(jù)使用環(huán)境來選擇合適的腳輪。腳輪由于材質(zhì)不同，性能也有所不同。如：使用環(huán)境需要非常安靜，而且不對地面留下輪印，可選用超級人造膠輪；在要求防止靜電產(chǎn)生的環(huán)境，則選用導(dǎo)電輪；如工作環(huán)境中存在腐蝕介質(zhì)，則應(yīng)選擇具有良好特殊耐腐蝕性能的輪子。對于置放在地鐵站、火車站等地面狀況較好處的設(shè)備，可以選用直徑較小，硬度較高的；而對于應(yīng)用在會堂等鋪設(shè)了地毯的場合，則需配備直徑較大，硬度適中的腳輪。實際中，受組合線纜直徑的限制，腳輪的直徑一般不小于60mm，一組為固定方向腳輪，一組為帶剎摯腳輪，后者在能夠固定控制臺的同時，也可有效保護(hù)組合線纜。

對于操作椅的選擇，一般依據(jù)用戶的要求來選購特定樣式、色彩、可調(diào)節(jié)的座椅。

3 閱圖工作站效果圖

基于以上確立的方案，閱圖工作站主體采用鋼板折彎結(jié)構(gòu)，通過折彎加工成各種不同形狀，采用焊接、螺裝成型。顯示終端防護(hù)罩、操控臺面板等金屬零部件在做表面噴塑前先進(jìn)行前處理和磷化處理。文件柜門上貼導(dǎo)電密封條，門關(guān)好后能有效防止灰塵從門縫侵入。顯示器背板上通風(fēng)百葉窗采用外翻形式，防止灰塵直接落入機(jī)柜內(nèi)部，以滿足IP20 要求。最終設(shè)計效果見圖5。

圖5 產(chǎn)品效果圖Fig.5 Product effect drawing

4 結(jié)束語

隨著安檢產(chǎn)品的不斷升級，客戶要求也不斷提升，對于安檢閱圖工作站的可用度和舒適度等方面均提出了更高要求。本文從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，設(shè)計了安檢閱圖工作站，產(chǎn)品在實際應(yīng)用中已覆蓋多種場合，結(jié)果表明該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、使用便捷、用戶綜合評價高。

[1]丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[2]顏聲遠(yuǎn)，許青.人機(jī)工程與產(chǎn)品設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

[3]GB 15208.1-2005.微劑量X 射線安全檢查設(shè)備通用技術(shù)要求[S].

[4]王繼成.產(chǎn)品設(shè)計中的人機(jī)工程學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[5]GB10000-88，中國成人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]GB/T 14776-93，人類工效學(xué)工作崗位尺寸設(shè)計原則及尺寸[S].

[7]龍立軟.電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.