基于JACK的動車組無障礙通行關鍵尺寸研究

■ 王冰松 郭小峰 向澤銳 章勇 董石羽

JACK最早由美國賓夕法尼亞大學的人體模型和仿真中心開發(fā)，由EDS公司（Electronic Data Systems Corporation）商業(yè)化推廣[1]，目前屬于西門子公司的一個虛擬人仿真軟件。該軟件可建立不同比例尺寸和姿態(tài)的男女數(shù)字模型，能實現(xiàn)人工作業(yè)的準確仿真、人機工程學和裝配時間分析，支持對人工作業(yè)視野檢查、工位交互式改進及不同設計方案的評估。目前，JACK已被廣泛應用于飛機駕駛艙的研究[2-3]、救援搶險設備駕駛室的研究[4]、航天器的操作研究[5]、裝備的虛擬維修研究[6-7]、動作和操作姿態(tài)研究[8-9]、機車的駕駛室研究[10]等專業(yè)領域。采用JACK軟件對動車組車內(nèi)無障礙關鍵尺寸進行研究。

1 動車組無障礙通行涉及的內(nèi)容

動車組是快速高效、綠色環(huán)保、運行準時的公共交通工具[11]，受到了越來越多國家的青睞。在德國、法國、意大利、西班牙、奧地利、日本和我國等國家已經(jīng)建立起了一定數(shù)量的運營線路。作為公共交通工具，國內(nèi)外現(xiàn)有動車組均為行動不便旅客提供有無障礙車廂：可供輪椅使用者通過的車門、車內(nèi)過道、輪椅席位、優(yōu)先座椅、安全抓桿及無障礙廁所等。

當前，歐洲有根據(jù)其人口和地區(qū)特點制定的International Union of Railways（UIC）和Technical Specification for Interoperability（TSI）鐵路標準；日本有根據(jù)其自身人口特點和國情建立的Japanese National Railways Standard（JRS）。我國至今未見有關于鐵路車輛無障礙設計的標準，現(xiàn)有車輛的設計主要參考歐標或我國建筑無障礙設計標準[12]執(zhí)行。為了使我國自行研制的動車組無障礙環(huán)境更加符合我國行動不便旅客的需求，以我國人的人體參數(shù)為依據(jù)，利用JACK軟件分別對動車組的車門寬度、無障礙流線上的直道和彎道寬度、無障礙廁所等關鍵尺寸進行了仿真實驗分析。

2 動車組無障礙設計關鍵尺寸仿真研究

2.1 實驗模型的建立

（1）按我國人體尺寸建立虛擬人模型。根據(jù)由中國標準化研究院按照GB/T 5703—1999[13]最新采集的2009年成年人人體尺寸數(shù)據(jù)資料，在JACK中建立了男性第95百分位、男性第50百分位和女性第5百分位虛擬人模型，分別對應大個身材、中個身材和小個身材（見圖1）。其中，男性第95百分位虛擬人主要用于檢驗寬度方向的通行尺寸，只要通行寬度滿足該虛擬人的通行寬度要求，則表明所設寬度能夠滿足現(xiàn)實中95%中國人群的通行要求；女性第5百分位虛擬人主要用于檢驗手的操作高度可及范圍，如果控制器高度設置在該虛擬人手的可及范圍內(nèi)，則表明所設高度滿足現(xiàn)實中95%中國人群的高度可及范圍。對于坐便器高度等關系到使用舒適程度的高度，則可用男性第50百分位模型來檢測和評估。

（2）輪椅模型的建立。按動力驅動方式的不同，我國的輪椅車有手動和電動之分；按使用的環(huán)境不同，可分為室內(nèi)用、室外用和道路用3種；按輪椅的車輪個數(shù)的不同，可分為三輪和四輪2種。GB/T 12996—2012《電動輪椅車》[14]規(guī)定了我國電動輪椅車的最大外形尺寸，GB/T 13800—2009《手動輪椅車》[15]規(guī)定了我國手動輪椅車的最大外形尺寸。二者的室內(nèi)、室外型產(chǎn)品詳細尺寸規(guī)定見表1。綜合考慮到各種類型輪椅車的使用特點和在我國使用的普及程度，選擇了最為常用的手動四輪輪椅車作為實驗設備。按市面上常用的手動輪椅車尺寸建立了虛擬輪椅車模型，其外形尺寸為長990 mm、寬690 mm、高900 mm，符合并接近標準規(guī)定的寬度上限尺寸。將建立的三維模型導入JACK，根據(jù)仿真的需要，設置虛擬人為乘坐輪椅姿勢。

（3）動車組無障礙車廂模型的建立。按照我國CRH2型動車組[16]無障礙車廂的相關尺寸（見圖2）建立用于仿真實驗的三維模型，主要有車門、無障礙流線上的直道、無障礙廁所等。無障礙流線上的彎道參照CRH3型動車組建立。

2.2 仿真實驗

圖1 在JACK中建立的3種百分位虛擬人模型

表1 我國手動輪椅車、電動輪椅車最大外形尺寸 mm

（1）車門仿真實驗。CRH2型動車組的車門有效寬度分別為側門的997 mm、端門的960 mm，按照該寬度建立三維模型。選擇男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅的模型作為測試對象，在JACK中模擬該模型分別通過兩扇門的情況（見圖3）。經(jīng)測量，男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅的最低通行寬度理論值為885.3 mm。而車門的有效寬度大于理論通行最小值，分別為111.7 mm、74.7 mm，實驗模型能夠順利通過車門，但通過960 mm寬的端門時明顯感覺擁擠，997 mm寬的側門通過性相對較好。綜合考慮真實旅客的衣服修正量和心理修正量，車門的通行凈空間基本寬度尺寸應為950 mm。條件允許的情況下應≥950 mm，以1 000 mm以上為宜。

（2）過道仿真實驗。動車組無障礙流線上直線過道的基本寬度應與門的基本通行寬度一致，至少應為950 mm。條件允許的情況下，無障礙流線上的直線過道還應考慮輪椅使用者與普通乘客的交會通行情況。直線過道的寬度除了應滿足男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅通行的最小寬度外，還應考慮男性第50百分位虛擬人的體厚尺寸（實際情況中兩個男性第95百分位的人交會通行的可能性極小）。因此無障礙流線上的直線通道尺寸宜設置為885.3 mm+278 mm=1 163.3 mm，考慮到衣著修正量和心理修正量，可將其確定為≥1 200 mm。

圖2 CRH2型動車組無障礙車廂局部尺寸

圖3 車門的通行仿真實驗

無障礙流線上的過道轉角處尺寸應滿足輪椅最小回轉半徑850 mm[15]，CRH2型動車組的側門直線通道寬度為1 350 mm，端門轉彎處有直徑約1 812 mm的面積，滿足輪椅最小回轉半徑要求。男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅能夠順利完成轉彎通行，在JACK中的仿真實驗情況見圖4（a）。

按照CRH2型動車組無障礙車廂的參數(shù)建立彎道模型，其最窄處寬度為926 mm，然后在JACK中以男性第95 百分位虛擬人乘坐輪椅模型進行仿真實驗（見圖4b）。從圖中分析可知，寬度為926 mm處的彎道會導致輪椅大車輪和虛擬人的手臂與隔墻擦掛，通行較為困難。彎道最窄處寬度設置為950 mm寬后能夠滿足基本通行需要，考慮到衣著修正量和心理修正量，可將其最窄處寬度確定為≥1 000 mm。

圖4 通道轉角處的仿真實驗

圖5 手的可及范圍仿真實驗

（3）無障礙廁所仿真實驗。無障礙廁所包括殘疾人專用坐便器、安全抓桿、沖水按鈕、置物臺、洗手盆、緊急呼叫裝置、衣物掛鉤、衛(wèi)生紙盒、坐便器紙墊盒、廢物箱。為了考察這些物件的放置高度，用女性第5百分位虛擬人乘坐輪椅模型在JACK中進行仿真實驗，以虛擬人腰椎為基準，測試手臂的可及范圍（見圖5），其中圖5（a）中綠色空間為仿真人右手上下方向的有效活動范圍，圖5（b）中藍色空間為仿真人右手左右方向的有效活動范圍。仿真結果顯示：女性第5百分位虛擬人乘坐輪椅時手的上下活動范圍高度為1 060 mm，離地最小可及范圍為625.7 mm（輪椅車座面高460 mm），最高可及范圍為1 685.7 mm。女性第5百分位虛擬人乘坐輪椅時手的左右活動范圍為1 060 mm，離地最小可及范圍為625.7 mm（輪椅車座面高460 mm），最高可及范圍為1 685.7 mm；右手朝右的最大可及長度為660 mm，左手朝左的最大可及長度為660 mm（實驗過程中虛擬人體位不發(fā)生改變），考慮到真實人的身體移動調(diào)整量，可將水平活動的最大可及長度放寬100～200 mm。因此，無障礙廁所中設置的各種物件應根據(jù)人的使用習慣，設置在這個空間范圍內(nèi)。

按照圖3中的尺寸建立了CRH2型動車組的無障礙廁所模型，廁所門寬903 mm，廁所門口的過道寬度為1 035 mm，最大轉彎直徑約為1 430 mm。在JACK中以男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅模型進行仿真實驗（見圖6（a））。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，需要多次調(diào)整輪椅的位置方能進入無障礙廁所。將廁所門外的過道尺寸加寬至1 300 mm以上，或將廁所門寬度加寬至1 200 mm，均可實現(xiàn)廁所門口有約φ1 500 mm的空間，能夠滿足進入廁所所需的基本尺寸。無障礙廁所內(nèi)的有效空間尺寸約為2 000 mm×1 000 mm，輪椅使用者進入后不能在內(nèi)完成掉頭，只能反復調(diào)整輪椅位置才能從門口退出離開廁所（實際中需要陪護人員幫助才能完成）。洗手池設置在進門口的隔墻轉角處，離地板面高度為750 mm，經(jīng)仿真實驗，符合輪椅使用者的操作可及范圍（見圖6（b））。專用坐便器設置在遠離廁所門的位置，兩側設有安全抓桿，左右均有約200 mm的空間，仿真過程中未見異常（見圖6（c））。

3 結論

（1）動車組車廂內(nèi)無障礙流線上的車門宜設置成左右推拉門或電動拉門，門的最小寬度宜為950 mm，條件允許可設置在1 000 mm以上；無障礙廁所門口應留有直徑不小于1 500 mm的輪椅回轉空間，條件允許可將其尺寸增加到1 700 mm。

（2）動車組車廂內(nèi)無障礙流線上的最小直道寬度宜設置為950 mm，條件允許的情況下可增加到1 200 mm以上；彎道的最小寬度宜為950 mm，條件允許可增加到1 000 mm以上；無障礙流線上的轉角口應設置有不小于φ1 500 mm的輪椅回轉空間，條件允許可將其尺寸增加到φ1 700 mm。

圖6 無障礙廁所的仿真實驗

（3）各種把手、按鈕、安全抓桿、置物臺、洗手盆、緊急呼叫裝置、衣物掛鉤、衛(wèi)生紙盒、坐便器紙墊盒、廢物箱等應根據(jù)人的使用習慣，布置在離地板面高度630～1 680 mm，水平位置宜在離座便器700 mm范圍內(nèi)。

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