船舶復(fù)雜建造工藝人機(jī)工程仿真評(píng)價(jià)方法

蔡乾亞，單小芬，曾貞貞，張紅偉，朱明華

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 江南研究院，上海 201913）

0 引 言

船舶工業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型行業(yè)，由于船舶自身結(jié)構(gòu)和建造工藝的復(fù)雜性較高，船舶總體生產(chǎn)的自動(dòng)化水平相對(duì)較低，建造過(guò)程中需投入大量勞動(dòng)力進(jìn)行手工裝配、焊接和舾裝等操作。由于船舶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間利用率高，很多復(fù)雜區(qū)域存在施工難的問(wèn)題，需要工人在較為惡劣的環(huán)境下施工。然而，目前很多船廠在工藝設(shè)計(jì)方面缺乏人機(jī)工程角度的可行性驗(yàn)證手段，工藝設(shè)計(jì)更改和優(yōu)化的周期較長(zhǎng)，方案優(yōu)劣依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中時(shí)常出現(xiàn)工人操作可達(dá)性差、空間不足、盲裝作業(yè)、疲勞作業(yè)和作業(yè)環(huán)境惡劣的現(xiàn)象。

仿真的運(yùn)行過(guò)程即工人裝配的過(guò)程，表現(xiàn)為仿真環(huán)境中各模型在某時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行某裝配操作[1]。人是特殊的資源，在仿真驗(yàn)證中僅避免空間的干涉是不夠的，還需從人機(jī)工程的角度分析整個(gè)仿真過(guò)程[2]。人機(jī)工程仿真技術(shù)通過(guò)用虛擬樣機(jī)取代物理樣機(jī)，用虛擬人體取代實(shí)際操作人員，仿真形成虛擬人操作虛擬設(shè)備的場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的可視化仿真和評(píng)價(jià)，創(chuàng)造最適于人類(lèi)工作的機(jī)械設(shè)備和作業(yè)環(huán)境。本文通過(guò)分析人機(jī)工程在汽車(chē)工業(yè)、航空航天工業(yè)等先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域的仿真應(yīng)用情況，結(jié)合船舶建造的特點(diǎn)，提出一種船舶復(fù)雜建造工藝人機(jī)工程仿真評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，為開(kāi)展船舶復(fù)雜建造工藝人機(jī)工程仿真和分析評(píng)價(jià)提供方法和技術(shù)支持，避免設(shè)計(jì)失誤，降低研發(fā)制造成本，提高生產(chǎn)效率。

1 船舶建造人機(jī)工程仿真應(yīng)用需求分析

隨著科技的不斷發(fā)展，人機(jī)工程學(xué)在以汽車(chē)工業(yè)、航空航天工業(yè)為代表的先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。

1.1 人機(jī)工程學(xué)在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用情況

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，人機(jī)工程的思想基本上貫穿了整個(gè)設(shè)計(jì)制造流程，主要應(yīng)用包括以下2個(gè)方面：

1) 以用戶體驗(yàn)為核心，基于人機(jī)工程學(xué)的布置設(shè)計(jì)。在汽車(chē)布置設(shè)計(jì)中，由于很多設(shè)計(jì)內(nèi)容與乘員的操作、舒適度、安全和健康密切相關(guān)，故人機(jī)工程學(xué)是首先要考慮的因素。特別是汽車(chē)內(nèi)部的布置，需滿足操作方便、乘坐舒適和安全可靠等要求。例如，基于人體的操作范圍和操作力的特點(diǎn)，對(duì)踏板、方向盤(pán)、操作桿、操作件及其他有關(guān)內(nèi)飾進(jìn)行綜合布置，使駕駛員的操縱自然、迅速、準(zhǔn)確、輕便，又不易感覺(jué)疲勞。

2) 基于人機(jī)工程學(xué)的制造工藝設(shè)計(jì)。在3D數(shù)字環(huán)境中完成一個(gè)虛擬操作動(dòng)作并進(jìn)行分析，可事先查明并解決很多實(shí)際制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，避免在實(shí)車(chē)試制時(shí)因發(fā)現(xiàn)問(wèn)題再次改進(jìn)而增加成本。

1.2 人機(jī)工程學(xué)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況

為保證操作人員能安全、準(zhǔn)確、高效地完成既定任務(wù)，航空航天領(lǐng)域的人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用大致可劃分為以下3個(gè)模塊：

1) 基于人機(jī)工程學(xué)的艙室布置設(shè)計(jì)。這主要包括：基于人體尺寸和心理特性的座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；基于人的操作、反應(yīng)等特性的人工控制設(shè)計(jì)；基于人的視覺(jué)特性的儀表顯示和座艙照明的工效學(xué)設(shè)計(jì)；基于人機(jī)可靠性的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2) 基于人機(jī)工程學(xué)的制造工藝設(shè)計(jì)。其關(guān)注點(diǎn)和研究思路與汽車(chē)制造業(yè)相近。

3) 基于人機(jī)工程學(xué)的作業(yè)設(shè)計(jì)。在航空航天領(lǐng)域，特別是在載人航天活動(dòng)中，宇航員通常需嚴(yán)格遵守各種操作規(guī)程，執(zhí)行大量的操作任務(wù)，以完成載人航天器的發(fā)射降落、運(yùn)行維護(hù)、科學(xué)試驗(yàn)、艙內(nèi)外活動(dòng)及各種空間服務(wù)。合理分析宇航員的作業(yè)能力和評(píng)估作業(yè)的可達(dá)性、舒適度及安全性具有重大的實(shí)際意義。

1.3 人機(jī)工程學(xué)在船舶建造工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用需求

人機(jī)工程學(xué)概念的應(yīng)用對(duì)企業(yè)實(shí)際的設(shè)計(jì)制造應(yīng)用有著巨大的實(shí)際意義。結(jié)合船廠的實(shí)際情況，對(duì)船舶復(fù)雜建造工藝人機(jī)工程應(yīng)用需求進(jìn)行歸納總結(jié)，主要包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、重大設(shè)備吊裝和狹小空間舾裝等3個(gè)方面的建造工藝。

1) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。在虛擬環(huán)境中對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，直觀展示產(chǎn)品的裝配方法，并進(jìn)行實(shí)時(shí)干涉檢驗(yàn)，從而使工程人員能預(yù)先發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中存在的各種結(jié)構(gòu)性和空間性問(wèn)題[3]。

2) 重大設(shè)備吊裝。主要包括液罐、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和舵葉等重大設(shè)備的吊裝，分析施工過(guò)程中的安全性、作業(yè)強(qiáng)度及操作性能。

3) 狹小空間安裝作業(yè)（舾裝）。舾裝工藝涉及人機(jī)工程因素的高復(fù)雜性，要求工程師必須全方位分析工人在管路裝配過(guò)程中遇到的各個(gè)因素，而虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)為解決船舶管路安裝中的人機(jī)工程問(wèn)題提供了一種有效的仿真驗(yàn)證手段[2]。

2 船舶復(fù)雜建造工藝人機(jī)工程仿真評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

在船舶人機(jī)工程應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)特點(diǎn)，提出船舶復(fù)雜建造工藝的人機(jī)仿真評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)方法

圖1為船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)方法，針對(duì)船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、重大設(shè)備吊裝和狹小空間舾裝等建造工藝，提出船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)方法：

1) 在適用于船舶復(fù)雜區(qū)域人機(jī)工程仿真的軟件平臺(tái)（Digital Process Manufacturing，DPM）下，構(gòu)建一個(gè)以真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)為參考，滿足逼真性和交互性等基本要求，為建造過(guò)程仿真分析和驗(yàn)證提供近似現(xiàn)實(shí)的虛擬空間[4]；

2) 以建造方針和原則工藝等工藝知識(shí)為依據(jù)，開(kāi)展具體工藝過(guò)程仿真，對(duì)仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的可能存在施工問(wèn)題的狹小區(qū)域，用虛擬人進(jìn)行操作過(guò)程仿真；

3) 以船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)，從操作可達(dá)性、操作可視性、操作空間、操作舒適度和操作安全性等角度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行人機(jī)工程評(píng)價(jià)，形成評(píng)價(jià)報(bào)告；

圖1 船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)方法

4) 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)工藝過(guò)程提出改進(jìn)的意見(jiàn)和建議，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)手段。

2.2 船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖2為船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要評(píng)價(jià)內(nèi)容包括：

1) 操作可達(dá)性，指船舶建造工人是否能到達(dá)指定位置完成相應(yīng)操作的能力，主要從豎直攀爬情況、低矮空間行進(jìn)情況和姿態(tài)調(diào)整難度等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 船舶復(fù)雜建造工藝仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

2) 操作可視性，指船舶建造工人在操作時(shí)其操作對(duì)象是否處于最佳的視野范圍，主要從定位點(diǎn)、安裝點(diǎn)所在視野范圍和遮擋情況等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3) 操作空間，指船舶建造工人在操作時(shí)空間大小是否便于其施工操作，主要從安裝區(qū)域空間高度、肩部水平寬度、上臂操作姿態(tài)干涉情況和障礙情況等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4) 操作舒適度，指船舶建造工人在操作時(shí)的姿勢(shì)、用力情況和肌肉使用情況是否舒適，主要從快速上肢評(píng)估（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）姿態(tài)舒適度方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。RULA評(píng)分方法通過(guò)對(duì)人體各部分的姿勢(shì)、用力情況和肌肉的使用情況進(jìn)行研究來(lái)評(píng)估由于工作原因造成的人體上肢肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)的大小。

5) 操作安全性，指船舶建造工人在整個(gè)操作過(guò)程中是否存在潛在的危險(xiǎn)，如高空作業(yè)、封閉空間等，主要從作業(yè)安全性和作業(yè)環(huán)境方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 液化氣船液罐吊裝工藝人機(jī)工程仿真驗(yàn)證

液化氣船的型號(hào)較多，液罐的大小和形狀差異較大，在吊裝過(guò)程中，施工人員需在液罐下方罐體與船體間的小空間內(nèi)完成環(huán)氧澆注等施工操作。相對(duì)狹小的空間會(huì)給施工人員的實(shí)際操作帶來(lái)極大的局限性，特別是對(duì)底部防橫搖支座承壓木的安裝、緊固等裝配操作、工具和操作姿態(tài)等需求更高，在開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)時(shí)更需認(rèn)真考慮施工的可行性，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)可行但裝配操作不可行的情況，提高現(xiàn)場(chǎng)施工的效率。

基于上述原因，以液化氣船1號(hào)液罐吊裝過(guò)程為例，根據(jù)產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)要求，在DPM下進(jìn)行人機(jī)工程仿真，并對(duì)液罐下方的舾裝緊固操作進(jìn)行詳細(xì)的仿真和評(píng)價(jià)分析。

3.1 人機(jī)工程仿真建模

在開(kāi)始人機(jī)工程仿真評(píng)價(jià)之前，需構(gòu)建好虛擬場(chǎng)景，完成模型擺放和工位布局等任務(wù)，仿真建模工作包括：

1) 導(dǎo)入船體模型；

2) 根據(jù)給出的二維液罐設(shè)計(jì)圖紙和液罐外部保溫層設(shè)計(jì)要求，完成液罐模型的創(chuàng)建；

3) 創(chuàng)建舾裝零件和工裝工具模型，包括底部防橫搖支座的裝配螺栓、螺母、頂推螺栓、扳手和承壓木等；

4) 虛擬人建模，可創(chuàng)建不同性別、不同國(guó)籍、不同人數(shù)百分位的數(shù)字人體模型，并用模塊中的人體測(cè)量尺寸編輯器定義身高、臂展和腿長(zhǎng)等人體參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況確定模型定制調(diào)整人[5]，并將常見(jiàn)的裝配姿態(tài)存入虛擬人模型庫(kù)中，以備調(diào)整調(diào)用。

3.2 難點(diǎn)區(qū)域篩選

根據(jù)已有的工藝流程和裝配工藝順序新建該分段的工藝順序庫(kù)，主要內(nèi)容為：初期準(zhǔn)備→試吊→調(diào)整后抬起→滑動(dòng)側(cè)承壓木安裝與底座環(huán)氧澆注→吊裝→底部防橫搖支座緊固與環(huán)氧澆注→頂部防橫搖支座固定?；谝汗薜跹b流程，在裝配流程仿真（Assembly Process Simulation，APS）功能下進(jìn)行裝配仿真，體現(xiàn)吊裝過(guò)程的總體工藝順序。在APS的基礎(chǔ)上，在產(chǎn)品工藝仿真過(guò)程中，在需工人完成施工操作的位置加入虛擬人模型，通過(guò)DPM提供的碰撞干涉檢查功能和距離測(cè)量功能，初步分析各區(qū)域操作空間的大小和施工的可操作性，從而篩選出具有代表性的狹小空間和難到達(dá)的區(qū)域，即滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固與環(huán)氧澆注。液罐落座之后，滑動(dòng)側(cè)防橫搖支座承壓木需與液罐下方承壓木緊貼牢固，具體操作通過(guò)2個(gè)M16頂推螺栓頂推完成，之后還需通過(guò)孔洞環(huán)氧澆注完成進(jìn)一步緊固。此時(shí)，由于液罐已落下，施工空間較為狹?。ㄒ?jiàn)圖3），特別是工具的操作空間和人的操作可視性都受到較大影響，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證工藝的可行性。

3.3 人機(jī)工程仿真及分析評(píng)價(jià)

對(duì)于篩選出的第2個(gè)難點(diǎn)區(qū)域（滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固與環(huán)氧澆注），其人機(jī)工程仿真及分析評(píng)價(jià)如下。

1) 操作可達(dá)性方面：圖4為滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固與環(huán)氧澆注操作可達(dá)性示意，液罐落座之后，液罐下方高度約為 500mm，施工人員需通過(guò)爬行的方式，從液罐下方中部收斂處進(jìn)入指定的操作區(qū)域，且接近操作區(qū)域處高度更小，姿態(tài)調(diào)整困難，總體可達(dá)性較差。

圖3 1號(hào)液罐滑動(dòng)側(cè)防橫搖底座緊固示意

圖4 滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固與環(huán)氧澆注操作可達(dá)性示意

2) 操作可視性方面：圖5為滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固操作可視性示意，在上、下頂推螺栓操作過(guò)程中，支架板1和支架板2分別會(huì)對(duì)整個(gè)操作過(guò)程的可視性產(chǎn)生一定影響，虛擬人只有進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整才能觀察到具體操作對(duì)象；在環(huán)氧澆注時(shí)，支架板2和支架板3也會(huì)對(duì)觀察視野造成一定的影響，故可視性總體評(píng)價(jià)較差。

圖5 滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固操作可視性示意

3) 操作空間方面：圖6為滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固操作空間示意，在下部頂推螺栓操作中，虛擬人側(cè)躺，支架板2限制擰緊操作中工具的活動(dòng)范圍；在上部頂推螺栓操作中，支架板1和緊固螺栓2分別對(duì)虛擬人及其手持工具的操作造成一定的干涉影響，加上船體和液罐間空間本身相對(duì)狹小，虛擬人進(jìn)行裝配操作存在較大的困難；在環(huán)氧澆注操作中，高度上的限制也影響虛擬人的操作姿態(tài)。總體而言，操作空間較小。

圖6 滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固操作空間示意

4) 作業(yè)疲勞方面：圖7為滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固與環(huán)氧澆注舒適度示意，進(jìn)入操作空間需爬行一段距離，操作過(guò)程中虛擬人背部長(zhǎng)時(shí)間處于彎曲狀態(tài)，手臂需多次舉起，下肢處于蹲姿或坐姿，負(fù)荷＜5kg；同時(shí)，由RULA評(píng)價(jià)分析可知，作業(yè)姿態(tài)整體較差，易產(chǎn)生疲勞和身體損傷，總體評(píng)價(jià)較差。

圖7 滑動(dòng)側(cè)承壓木緊固與環(huán)氧澆注舒適度示意

5) 安全生產(chǎn)環(huán)境方面：在吊裝液罐時(shí)應(yīng)避免處于危險(xiǎn)位置下方，液罐落座之后操作相對(duì)較為安全；操作空間相對(duì)封閉、狹小，光線較差，應(yīng)注意采光和避免碰撞；安全生產(chǎn)環(huán)境方面總體評(píng)價(jià)較差。

綜上所述，該區(qū)域可勉強(qiáng)完成相關(guān)操作，但人機(jī)工程總體評(píng)價(jià)結(jié)果較差，施工效率較低，特別是上部頂推螺栓的擰緊操作，空間約束尤為明顯。但是，考慮到安全生產(chǎn)等因素，施工階段已限定，故在結(jié)構(gòu)和施工階段無(wú)法改變的情況下，考慮適當(dāng)改變施工環(huán)境和培訓(xùn)施工人員。具體方案為：

1) 增加相應(yīng)的工裝。例如增加滑行工裝，降低施工人員爬行的難度，節(jié)省體力，緩解作業(yè)疲勞度。

2) 固化施工人員。該區(qū)域的施工盡量由身材嬌小的人員承擔(dān)，開(kāi)展有針對(duì)性的培訓(xùn)，提高操作熟練度。

3) 模擬仿真運(yùn)用于培訓(xùn)。基于三維模型，在施工前通過(guò)VR手段進(jìn)行模擬仿真，使施工人員充分掌握現(xiàn)場(chǎng)可能遇到的情況，降低現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)的不可預(yù)知性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析人機(jī)工程學(xué)在汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合船廠的實(shí)際情況，歸納船舶復(fù)雜建造工藝人機(jī)工程的應(yīng)用需求，主要包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、重大設(shè)備吊裝和狹小空間舾裝等3方面的建造工藝；基于虛擬仿真技術(shù)，提出船舶復(fù)雜建造工藝的人機(jī)仿真評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。以液化氣船1號(hào)液罐吊裝工藝過(guò)程為例，仿真吊裝過(guò)程中施工人員的操作工藝流程，重點(diǎn)對(duì)環(huán)氧澆注過(guò)程中液罐下方施工人員的操作可達(dá)性、可視性、操作空間、舒適度和安全性進(jìn)行人機(jī)工程仿真評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)評(píng)估工藝的準(zhǔn)確性、安全性和科學(xué)性，避免設(shè)計(jì)出現(xiàn)差錯(cuò)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高建造效率，降低研發(fā)制造成本。

目前虛擬人姿態(tài)以手工姿態(tài)調(diào)節(jié)為主，對(duì)仿真人員的操作要求較高。雖然采用姿態(tài)庫(kù)的方法可大幅提高操作的效率，但總體而言依然耗時(shí)較多。未來(lái)應(yīng)在已有研究成果的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和需求，通過(guò)程序二次開(kāi)發(fā)、引入外設(shè)采集設(shè)備等手段，進(jìn)一步提高仿真的效率和真實(shí)性。人機(jī)工程仿真是產(chǎn)品三維工藝設(shè)計(jì)的重要組成部分，其本身的價(jià)值體現(xiàn)依賴于相應(yīng)的三維工藝設(shè)計(jì)。在研究人機(jī)工程仿真的同時(shí)，應(yīng)充分對(duì)其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，最終形成“產(chǎn)品模型→三維工藝設(shè)計(jì)→工藝仿真（焊接變形仿真/人機(jī)工程仿真等）→三維工藝→生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)”這樣一條完整的技術(shù)路線，從而提高整個(gè)生產(chǎn)效率，避免返工情況發(fā)生。在目前的工藝路線規(guī)劃中，人機(jī)工程仿真位于工藝設(shè)計(jì)階段之后，使得工藝設(shè)計(jì)完成與仿真結(jié)果獲得之間會(huì)存在一定的時(shí)間間隔，無(wú)形中會(huì)延長(zhǎng)整個(gè)設(shè)計(jì)周期。對(duì)此，應(yīng)引入并行工程思想，將船舶人機(jī)工程仿真融入船舶工藝設(shè)計(jì)中，在船舶建造工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行人機(jī)工程仿真，動(dòng)態(tài)完成工藝優(yōu)化。