家庭裝修設計中基于虛擬人疲勞分析技術的應用研究

郝致恒++程云青

摘要：圍繞家裝設計中的人因優(yōu)化問題進行研究，對家裝設計過程中容易引起人體疲勞的原因開展針對性研究，并以計算機輔助人因工程軟件Jack為手段進行了實例驗證。旨在發(fā)現(xiàn)家裝設計過程中的不合理因素，以提高家裝設計效率并保證布局設計結果的最優(yōu)化。

Abstract： In the field of house decoration human factor analysis is paid more and more attention， in which human fatigue analysis takes an important part. This paper focuses on the optimization of human factors in the house decoration process. The purpose is to find out the unreasonable factors in the process of house decoration process so as to improve the efficiency of house decoration and ensure the optimization of the layout design result.

關鍵詞：虛擬人；Jack；家裝設計；疲勞分析；布局優(yōu)化

Key words： virtual human；jack；house decoration；fatigue analysis；layout optimization

中圖分類號：TU238+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0140-03

0 引言

當今時代，家的概念不斷發(fā)展與更新，特別是作為居住的“家”，成為家庭成員生活的根本，家庭裝修的重要性越來越得到普遍重視，起居舒適、心理愉悅、活動方便等成為評價家裝裝修成功與否的主要標準。另一個客觀事實是，對多數(shù)人在家庭裝修過程中經(jīng)歷過不同程度的挫折，或發(fā)現(xiàn)問題后拆修返工，裝修成本突破預算；或接受由于考慮不周所形成的裝修缺陷，忍受給以后的生活帶來不便。如何能在裝修過程早期發(fā)現(xiàn)設計缺陷，及時修改成為一種需要。實際上基于仿真的方法在工業(yè)產品設計和制造領域已經(jīng)有非常成熟和普遍的應用，對提高產品質量起到了積極的促進和保證作用。本文試圖將虛擬人疲勞分析技術引入家庭裝修活動中，并借助商業(yè)軟件研究基于虛擬人活動的裝修分析過程與方法。最后也將探索“以人為中心”的家庭裝修理念。

1 家裝設計布局對人體疲勞產生的影響因素分析

1.1 家裝設計布局中的人因學

家裝設計布局是指，根據(jù)家庭活動基本需求，在給定的室內空間場地內，對多個設施的空間位置做適當?shù)姆峙浒才藕妥钣行У慕M合，以期獲得最大的使用效益。所謂的設施包括占據(jù)空間的任何實體，如櫥柜、洗衣機、冰箱、抽油煙機、灶臺、操作臺、桌子、貨架等，當然也包括人員本身。

優(yōu)化的家裝設計布局，是保證家庭資源有效利用，體現(xiàn)“以人為中心”的家居生活理念的最好體現(xiàn)，具體包括：

①提高效率。合理的家裝設施布局，可以簡化家庭活動的操作順序，減少疲勞動作發(fā)生，實現(xiàn)室內活動的均衡性。②提高安全。設施布局合理，可以避免室內物體搬運路線過長、過復雜而引起的碰傷、刮傷、燙傷等現(xiàn)象，如高壓鍋與操作臺搬運距離過遠，不僅搬運費力而且極易燙傷人員。③改善環(huán)境。合理的家裝設施布局，使家庭生活更加舒心愜意，為家人提供健康、舒適、安全的生活環(huán)境，減少人員的勞動損傷風險。

1.2 人體疲勞分析

人體能量的產生和消耗稱為能量代謝能耗，它通過人體的氧耗量反映出來，單位為千卡（kcal），單位時間內人體的代謝能耗稱為代謝能耗率，人體的勞動強度是以作業(yè)過程中人體的能耗量、氧耗量、心率、排汗率或相對代謝率作為評判指標，除此之外，人體在靜態(tài)情況下也需要消耗一定的能量，稱為姿勢代謝能耗。在室內勞動作業(yè)中，本文認為人體的代謝能耗可以相應地劃分為動作代謝能耗和姿勢代謝能耗，其中動作代謝能耗的計算需要提取作業(yè)仿真過程的各項動作參數(shù)，姿勢代謝能耗的計算需要獲取作業(yè)仿真過程中人體各種姿勢的持續(xù)時間。

1.3 基于Jack的家庭裝修人體疲勞分析基本思路

目前，應用于工程領域和娛樂領域的虛擬人軟件并不鮮見?？紤]到家庭裝修人體疲勞分析的要求，研究中選擇Jack軟件作為支撐工具。Jack軟件是西門子公司的一款工業(yè)設計用途軟件，不僅含有歐洲人和亞洲人的人體測量數(shù)據(jù)，能夠支持虛擬人建模與運動仿真，還有人的疲勞程度、舒適度、力量等生理學參數(shù)，在社會生活、工業(yè)設計、體育與軍事訓練等領域得到了廣泛應用。根據(jù)Jack的特點，基于Jack的家庭裝修人體疲勞分析基本思路如圖1所示。

數(shù)據(jù)獲取是通過實地測量獲得論文研究的基礎數(shù)據(jù)，包括房屋和裝修部件數(shù)據(jù)的測量、人體尺寸數(shù)據(jù)測量以及室內活動數(shù)據(jù)提取等。使用三維建模軟件對測量數(shù)據(jù)進行建模，包括房屋結構建模、裝修部件建模等，之后借助于Jack的三維模型導入模塊，將生成的數(shù)據(jù)模型導入Jack平臺。然后在Jack平臺中定制一個身體尺寸結構與家裝主人相一致的虛擬人模型，借助于Jack的仿真工具欄完成虛擬人室內活動建模和虛擬人室內活動仿真。最后使用Jack的工效學分析模塊仿真計算某項室內活動的人體疲勞數(shù)據(jù)，進行原因分析并提出家裝設計的改進意見建議。

注意，三維建模、室內活動仿真、疲勞分析及反饋是一個連續(xù)反饋的循環(huán)結構，直到設計出最優(yōu)化的家裝設施布局為止。

2 操作臺作業(yè)的人因學分析與評估

2.1 操作臺仿真場景構建

選擇筆者居住的80年代老式樓房作為研究對象，以該樓房廚房裝修活動作為研究實例。采用3Dmax為三維建模工具，對廚房進行建模。通過實地測量獲得該廚房的尺寸為長550cm×寬320cm×高270cm。裝修部件為實際規(guī)劃的內容，包括櫥柜、洗衣機、冰箱、抽油煙機、灶臺、操作臺等，以.WRL格式導出，便于Jack平臺使用，廚房3Dmax建模效果如圖2所示。

虛擬人建模采用女主人實際身高體重，為162.7cm，61.2kg。虛擬人建模利用Jack軟件完成。建模過程采用Jack的虛擬人定制模塊，如圖3所示。

廚房三維模型導入Jack中，形成支持虛擬人操作臺仿真作業(yè)活動的三維虛擬場景，如圖4所示。左側是Jack的三維模型導入模塊，支持第三方建模軟件生成模型（如.WRL格式.JT格式等）的導入。

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2.2 烹飪活動的任務選取及分析

烹飪是廚房內最常見的活動之一，也是最容易疲勞且需要及時恢復體力的一項活動，過程如圖4（右）所示。如果在規(guī)劃設計不符合人素要求的廚房內長期作業(yè)，不僅會產生疲憊感覺和抵觸心理，甚至還可能會導致腕關節(jié)疼痛及下背痛的癥狀出現(xiàn)。這里參考美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所（National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH）制定的標準，研究人體的疲勞和恢復性問題。分析的核心目的是利用人素工程的改善方法來降低烹飪過程中腕關節(jié)受損和背痛的發(fā)生機率，這里針對腕關節(jié)受損較大的作業(yè)進行研究分析。

通過烹飪活動的現(xiàn)場觀摩可以確定作業(yè)過程中的一系列特征參數(shù)，包括初始和終止狀態(tài)下人體的垂直和水平位置、身體扭轉角度、腕部載荷重量、手的握持狀態(tài)以及通過時間測量得到的搬運頻率和持續(xù)時間休息時間等。

假設使用高壓鍋達成一次烹飪活動通常在0.5h內完成，高壓鍋自重4.5kg，最大加水量10L，在烹飪活動中人體最大轉身動作是90°，搬運高壓鍋的最大距離是200cm，期間需要搬運高壓鍋5次左右，有0.1h的休息時間。NIOSH的計算步驟如下：

①計算頻率推薦重量極限FIRWL（Frequency-Independent Recommended Weight Limit）。FIRWL=23×（25/H）×（1-0.003×|V-75|）×（0.82+4.5/D）×（1-0.0032A）×FM×CM。其中頻率推薦重量極限FIRWL反映人體完成單次搬運作業(yè)時身體和肌肉的拉力；搬運頻率乘數(shù)FM（Frequency Multiplier）介于0和1之間，可以查表獲得；物體易抓參數(shù)CM（Coupling Multiplier）根據(jù)搬運對象的抓取難易程度確定，通常定為0.95和0.90；H指搬運起始或終止時手掌中心距兩踝關節(jié)中間的水平距離；V指搬運起始或終止時手掌距地面的垂直距離；D指搬運起始與終止時的垂直距離；A指起始點相對于矢狀面的身體扭轉角度。

②計算獨立任務推薦重量極限STRWL（Single-Task Recommended Weight Limit），STRWL=FIRWL×FM。其中獨立任務推薦重量極限STRWL反映了人體在整個烹飪活動中所能釋放的力量極限以及完成該任務是否會對身體造成過大的力學損傷。

③計算頻率搬運指數(shù)FILI（Frequency-Independent Lifting Index）。FILI= MLW/FIRWL。頻率搬運指數(shù)FILI反映了手腕拉力載荷是否超過了推薦的拉力極限，若FILI大于1.0，說明需要進行人素改進以盡可能的保護手腕，MLW指手腕能提供的最大拉力載荷。

④計算獨立任務搬運指數(shù)STLI（Single-Task Lifting Index），STLI=ALW/STRWL。獨立任務搬運指數(shù)STLI反映了人體進行單次搬運任務時身體所承受的拉力，該力隨著STLI的增加而增大。通常STLI大于FILI且STLI大于1時說明需要進行人素改進。ALW指搬運時手臂的平均負載重量。

⑤計算復合搬運指數(shù)CLI，CLI=Max（STLI）+Sum（STLI-FILI）。復合搬運指數(shù)CLI反映了人體完成單次搬運任務時身體的受力情況。參照NIOSH制定的標準，當CLI值小于1時，表示該活動安全；當CLI值大于1時，有部分學者持保留態(tài)度，認為該活動安全，但是會使手腕損傷和下背痛的發(fā)生機率增加；但當CLI大于3將使手腕損傷和下背部受傷機率大為增加，此時必須運用人素工程相關理論對復合搬運作業(yè)進行改善。

2.3 烹飪活動的疲勞仿真實驗數(shù)據(jù)獲取

將2.2節(jié)所分析的復合搬運實驗數(shù)據(jù)代入Jack平臺的NIOSH計算仿真模塊，點擊“Include/Exclude”按鈕，得到仿真結果如表1所示，表2為NIOSH實驗仿真結果。

圖5所示為系統(tǒng)給出的實驗分析結果：烹飪人員手臂負重超過了系統(tǒng)推薦的指標值，大多數(shù)健康的作業(yè)人員可能會覺得此項任務具有挑戰(zhàn)性，建議進行以下改進：

FM：減少搬運頻率，增加休息時間；

HM：使搬運對象距離身體更近；

DM：減少搬運距離。

根據(jù)NIOSH疲勞實驗分析結果，我們可以認為在操作臺家裝設計過程中，應該盡量把操作臺設計成直線運作模式，這樣人體在搬運高壓鍋等類似物品時，可以避免身體轉身動作的發(fā)生，減少疲勞感并提高工作效率。

3 結論

家庭裝修活動中，人員的安全性、舒適性和滿意度對家庭整體使用效能的發(fā)揮起到?jīng)Q定性作用。本文以人因工程學為理論依據(jù)，將人體疲勞分析技術運用到家庭裝修設計活動中，旨在發(fā)現(xiàn)家裝設計過程中的不合理因素，實現(xiàn)最優(yōu)化的家裝設計布局效果。

致謝：在論文研究過程中，齊延慶老師提供了Jack軟件的使用培訓，并對論文撰寫進行了耐心指導。感謝齊老師提供的熱情幫助。

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