大型客機登機門人機工效評價

李磊　吳揚　孫穩(wěn)

【摘 要】登機門是飛機人員進出的主要通道，是空乘人員接觸最多的飛機部件之一，良好的人機工效特性將大大減輕空乘人員的工作負擔。以某型客機的登機門為例，針對CATIA V5缺少中國人人體模型的問題，采用國標構建一個完整的中國成年人人體模型尺寸數(shù)據(jù)文件，并利用CATIA V5自帶的人機工效評價模塊，以該人體模型與歐美人體模型一起對登機門進行人機工效評價，考察大型客機登機門設計的合理性。評價結果表明：登機門人機工效特性基本滿足設計要求。

【關鍵詞】登機門，中國成年人體模型，CATIA V5，人機工效評價

Ergonomics Evaluation of Passenger Entrance Door in large aircraft

LI Lei WU Yang SUN Wen

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】The Passenger Entrance Door which the main channel in and out of the aircraft， is one of the most aircraft parts applied by flight attendants. Good ergonomics will greatly reduce the workload of flight attendants. Taking the passenger entrance door as an example， aiming at the lack of Chinese human body model in CATIA V5， we use GB to build a complete Chinese human body model. Because CATIA V5 have their own ergonomic evaluation module， we evaluate the Passenger Entrance Door using the human body model of the Chinese and the American to study the rationality of the design of the Passenger Entrance Door. The evaluation results show that the ergonomics performance of the Passenger Entrance Door meet the design requirements.

【Key words】Passenger Entrance Door； Chinese Adult Human； Body Model； CATIA V5； Ergonomics Evaluation

0 引言

大型客機艙門必須要能夠正產(chǎn)開啟和關閉，滿足人員、物質的進出和應急撤離的要求，同時在飛行過程中，還需承受氣密、飛行等載荷并維持飛機結構的完整性。而登機門作為人員進出的主要通道，是空乘人員接觸最多的飛機部件之一，除需具備良好的防差錯設計，還需要具備良好的人機工效特性，因此艙門的設計是飛機結構設計中的一大難點，艙門的人機工效評估更是其中關鍵難點。

目前我國的主機研究所大都采用三維造型軟件CATIA進行飛機結構設計。CATIA V5自帶人機工效分析的人體模型，該人體模型具有100多個獨立的節(jié)段，103個人體測量變量，148個自由度，符合人體的生理結構[1]。CATIA中人體模型可進行正向、反向運動學分析，利用該運動學模型，可以進行各種姿勢的人機工效分析。

1 數(shù)字人體模型的建立與選擇

人體模型是進行人機工效學分析的基礎工具。CATIA 中自帶的人體模型數(shù)據(jù)，來自美國、加拿大、法國、韓國和日本，沒有中國人的人體模型數(shù)據(jù)。設計人員只能用韓國人或日本人的人體模型代替中國人的人體模型進行人機工效分析評價， 這樣必然會得到不合理的分析結果，將我國成年人體尺寸（GB10000-88，中國成年人人體尺寸）的數(shù)據(jù)與韓國，日本成年人體尺寸進行對比，結果如表1所示。

在人機工效評估中常用的是第5、第50和第95百分位。第5百分位數(shù)代表“小身材”，即只有5%的人群的數(shù)值低于此下限值；第50百分位數(shù)代表“適中”身材，即分別有50%的人群的數(shù)值高于或低于此值；第95百分位數(shù)代表“大”身材，即只有5%的人群的數(shù)值高于此上限值。

從表1中可以看出，中國女性在身高和臂長等方面均與日韓女性有差異，因此準確的評估客機登機門設計首先需要建立一個中國成年人的數(shù)字人體模型，需應用我國的中國成年人人體尺寸標準（GB10000-88），在CATIA中建立相應的人體數(shù)據(jù)模型。

2 建立新的人體模型尺寸數(shù)據(jù)文件

CATIA中新的人體模型文件通常以.sws的格式保存，一個人體模型文件最多可能包含四個字段，用到以下的關鍵字[2]：

MEAN_STDEV M（）

MEAN_STDEV F（）

CORR M（）

CORR F（）

MEAN _STDEV段中，需要填入人體變量的具體數(shù)值， 包括平均值和標準差，每一個條目占一行，并以﹤變量﹥﹤平均值﹥﹤標準差﹥的方式填入。平均值系統(tǒng)默認厘米為單位， 標準差是建立在厘米單位基礎上得出的數(shù)據(jù)。

CORR段中， 需要填入任意兩對變量間的相互關聯(lián)的數(shù)值， 兩個變量間的相關性被定義在-1.0～1.0范圍之間的一個數(shù)值。表示了兩個變量之間的相關性， 相關絕對值越高， 變量間的彼此相關性就越高。

3 計算中國人體尺寸各部分標準差

CATIA中建立人體模型文件時，平均值為50百分位的男女尺寸數(shù)據(jù)，標準差則需根據(jù)以下公式計算：

式中，pv為人體尺寸的v百分位數(shù)，為相應人體尺寸的50百分位數(shù)，s為相應人體尺寸的標準差，k為人體百分位數(shù)對應的轉換系數(shù)，其值見表3。k小于50百分位時公式（1）中取-號， 反之大于50百分位時取+號。

不同的百分位對應不同數(shù)據(jù)文件， 每一個數(shù)據(jù)文件的格式、變量序號和均值均相同， 唯一不同的是標準差， 每一個百分位人體對應一個標準差。最終建立的中國成年人的人體模型尺寸數(shù)據(jù)如圖1所示。

4 客機登機門的人機工效評估

考慮到航空公司大部分空乘人員均為女性，比較CATIA中已有的西方女性人體模型參數(shù)，如表4：

綜合表1和表4，可以得到以下結論：

臂長：中國女性<韓國女性<日本女性<法國女性≈加拿大女性<美國女性

身高：中國女性<韓國女性≈日本女性<加拿大女性<法國女性<美國女性

因此綜合考慮，選擇第5百分位的中國女性和第95百分位的美國女性來評估登機門的人機工效。

5 人體模型的定位

位置和姿勢是影響人機工效分析效果的重要因素。首先需要根據(jù)飛機的設計參數(shù)來約束人體模型的位置和姿勢，從而避免與設計意圖和作業(yè)空間沖突，此外，人體模型的姿勢必須與現(xiàn)實中人體操作習慣接近。登機門位于客機機頭左側，空乘人員通常使用內手柄開關登機門，內手柄位置參數(shù)如圖2所示：

內手柄關閉位置離地高度為873mm，打開位置離地高度為1390mm，旋轉角度為119。內手柄關閉位置離地高度大于第5 百分位數(shù)中國女性的手功能高680mm（GB10000-88，中國成年人人體尺寸），同時也大于第95百分位數(shù)美國女性的手功能高757.5mm，即操作手柄打開時，第5百分位數(shù)女性直立即可抓住內手柄。

6 開門姿勢舒適性評估

利用CATIA的人機工效模塊進行人機工效分析前，必須要定義好各關節(jié)自由度的舒適角度和得分值。首先，根據(jù)身體各部位的活動角度范圍編輯各部位的角度界限值，在將各部位不同自由度下的活動范圍分別劃分為幾個區(qū)域，包括最舒適區(qū)域（綠色），次舒適區(qū)域（黃色），和不舒適區(qū)域（紅色），最舒適區(qū)域[4]即為首選角度，設定其得分為90分，黃色區(qū)域得分為70分，紅色區(qū)域得分為60分，如圖4所示，CATIA軟件會根據(jù)當前姿勢下各自由度所處的角度及分值進行插值和加權計算，最后得出評估分數(shù)。

設定人體模型各個關節(jié)的舒適角度后， 便可進入姿態(tài)分析階段。對空乘人員開關登機門過程中的任意一個姿態(tài)都可以評估分析其舒適與否，如下圖4、圖5所示：

7 結論

根據(jù)國標的中國成年人人體尺寸，建立了中國成年人人體尺寸數(shù)字模型，并對所建立的模型在CATIA中進行了實際操作環(huán)境的定位約束，在規(guī)定了各關節(jié)舒適角度的基礎上進行了姿勢評估。結果表明：

1）登機門的設計基本滿足了空乘人員的功能需求，具備良好的使用體驗。

2）身高更高的女性，操作登機門的舒適程度更高。

【參考文獻】

[1]王黎靜.基于2003年標準數(shù)據(jù)的中國飛行員人體模型[J].計算機應用研究， 2005，32（4）：194-195.

[2]鄭午.人因工程設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：76-99.

[3]陳波，李冬屹，張茹新，鄧麗.基于CATIA V5的中國成年人數(shù)字人體模型研究[J].人類工效學，2011，17（1）：51-53.

[4]李冬屹，陳波.基于CATIA V5的石油鉆機司鉆控制房的人機分析[J].石油機械，2008，36（4）：58-61.

[5]陳旭，賈萬明，伍鏡儒，王哲琪.中國成年人人體尺寸模型與駕駛姿勢分析[J].重慶理工大學學報，2012，26（10）：1-5.

[責任編輯：朱麗娜]