烘焙工序的安全人機(jī)改進(jìn)與仿真分析

王欣 羅振敏

摘 要：烘焙工序作為常見的生產(chǎn)工序，與我們的生活日常息息相關(guān)，安全的工作環(huán)境是保障工作效率的前提。為了探究烘焙工序作業(yè)可能對(duì)人員造成的不安全事故和由于人機(jī)不匹配造成的身體損傷和疲勞，以某面包生產(chǎn)工藝流程的烘焙工序作為研究對(duì)象，以人機(jī)工程仿真軟件JACK為工具，建立了符合中國(guó)男性身體數(shù)據(jù)的虛擬作業(yè)人員模型和烘焙崗位人機(jī)工程仿真模擬，并結(jié)合多種工效學(xué)分析工具完成了下背部脊柱分析、靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)、工作姿勢(shì)分析和快速上肢評(píng)估，辨別出烘焙工序設(shè)計(jì)中的缺陷，并根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)，對(duì)開關(guān)位置、推車高度等方面提出改進(jìn)意見。結(jié)果表明，對(duì)烘焙崗位設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行人機(jī)工程虛擬仿真，可有效提高烘焙崗位的舒適度和易操作性;改善了烘焙工序的人機(jī)效能，為相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品或工藝的風(fēng)險(xiǎn)管理和人機(jī)匹配提供參考。

關(guān)鍵詞：JACK軟件;虛擬仿真;烘焙工序;人機(jī)工程學(xué)

中圖分類號(hào)：X 931?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-7312（2021）01-0069-06

Safety Man-machine Improvement and Simulation

Analysis of Baking Process

WANG Xin1， 2， LUO Zhenmin1， 2， 3

（ 1.College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

2.Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety & Emergency Rescue，

Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

3.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract：As a common production process， the baking process is closely related to our daily life. A safe working environment is the prerequisite for ensuring work efficiency. In order to explore the unsafe accidents that may be caused to personnel by the baking process operations and the physical damage and fatigue caused by the mismatch between man and machine， this article takes the baking process of a bread production process as the research object， and uses the ergonomic simulation software JACK as a tool. Established a virtual worker model in line with Chinese male body data and ergonomic simulation simulation for baking positions， and combined a variety of ergonomic analysis tools to complete lower back spine analysis， static strength prediction， working posture analysis， and rapid upper limb assessment to identify Defects in the design of the baking process， and based on the simulation analysis data， put forward suggestions for improvement in the position of the switch and the height of the cart. The results show that the ergonomic virtual simulation in the design process of the baking post can effectively improve the comfort and ease of operation of the baking post. Improve the man-machine efficiency of the baking process， and provide a reference for risk management and man-machine matching of related industries， products or processes.

Key words：JACK software;virtual simulation; baking process;ergonomics

0 引言

烘焙，又稱為烘烤、焙烤，是指在物料燃點(diǎn)之下通過干熱的方式使物料脫水變干變硬的過程[1]。作為面包、蛋糕類產(chǎn)品制作不可缺少的工序，烘焙存在著許多安全隱患，尤其是不恰當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互造成的人體損傷和疲勞，嚴(yán)重影響著工人的生命健康、阻礙了行業(yè)的良性發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)安全人機(jī)工程學(xué)的理論、技術(shù)和應(yīng)用開展了系統(tǒng)的研究，如20世紀(jì)早期，F(xiàn)RANK和LILLIAN GILBRETH對(duì)Taylor提出了工業(yè)操作效率研究分析（Time and Motion Study），用于優(yōu)化作業(yè)中的步驟并消除一些多余的動(dòng)作。王玉華[2]等通過建立多因素模型對(duì)駕駛作業(yè)的疲勞程度進(jìn)行了總體評(píng)價(jià)，提出了評(píng)價(jià)、預(yù)防和減輕駕駛疲勞的方法。程?hào)|東[3]等結(jié)合廣義功率理論計(jì)算方法與安全可靠性理論，提出安全人機(jī)工程學(xué)的研究發(fā)展方向和安全人機(jī)工程學(xué)主動(dòng)設(shè)計(jì)方法。劉杜明[4]等應(yīng)用人機(jī)功效學(xué)原理對(duì)駕駛艙進(jìn)行設(shè)計(jì)并使用JACK軟件對(duì)艙內(nèi)布局設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，對(duì)舒適性、可達(dá)域、可視域等工效進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出修改意見。JA Ross[5]等通過討論化學(xué)、熱暴露和體力勞動(dòng)對(duì)工作能力、工傷和健康的影響，進(jìn)而評(píng)估這些因素與風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系以及對(duì)人的神經(jīng)、肌肉和骨骼系統(tǒng)造成的影響并提出預(yù)防措施。André Lusí Tortato Novae[6]等通過以養(yǎng)殖和收獲作業(yè)的姿態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析為例，進(jìn)行了作業(yè)姿勢(shì)分析，并對(duì)如何預(yù)防工人肌肉骨骼疾病的方法進(jìn)行了探討。蘇勝[7]等基于JACK軟件對(duì)火箭炮乘員艙進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真與人機(jī)工程分析，改善了火箭炮的人機(jī)效能。

以上研究促進(jìn)了對(duì)于人機(jī)交互的理解，且表明計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)仿真人機(jī)評(píng)價(jià)方法已廣泛的應(yīng)用于人機(jī)工程評(píng)價(jià)中來。但是將此技術(shù)應(yīng)用到完整的工藝和崗位進(jìn)行的研究卻很少。為此，筆者利用JACK軟件對(duì)烘焙崗位進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)安全性模擬仿真，同時(shí)采用工效學(xué)分析工具對(duì)人員動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)的分析，并結(jié)合人機(jī)交互的相關(guān)數(shù)據(jù)提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 烘焙工序分析的基本流程

烘焙工序人機(jī)工程仿真分析，首先需要構(gòu)建虛擬仿真分析的基礎(chǔ)模型，其次利用JACK軟件對(duì)虛擬仿真模型進(jìn)行下背部脊柱分析、靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)、工作姿勢(shì)分析和快速上肢評(píng)估，得到現(xiàn)有烘焙工序中的不足，最后對(duì)烘焙工序進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到分析流程如圖1所示。

2 烘焙工序人機(jī)工程虛擬仿真分析

2.1 虛擬作業(yè)人員模型構(gòu)建

JACK通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人或精準(zhǔn)尺寸創(chuàng)建數(shù)字人模型，該模型由運(yùn)動(dòng)學(xué)算法和生物力學(xué)算法結(jié)合而成[8-10]，能傳達(dá)給研究人員自己所見到和所接觸到的物體，是否感覺舒適、是否會(huì)受到傷害、疲勞感受和很多其他的關(guān)鍵人因工程學(xué)信息。根據(jù)烘焙崗位操作人員的基本情況，本次仿真以GB10000—1988提供的中國(guó)成年男性5%～95%百分位數(shù)人體尺寸數(shù)據(jù)為參考[11]。創(chuàng)建身高176 cm、體重77.5 kg腰臀比為0.87的成年男性作為人體研究對(duì)象。建立烘焙崗位的操作人員如圖2和圖3所示。

2.2 虛擬作業(yè)環(huán)境模型構(gòu)建

烘焙崗位主要涉及到的工具有烤箱、推車及工作臺(tái)。利用JACK三維仿真功能模擬烘焙崗位各工具與人體之間的空間位置關(guān)系，得到烘焙崗位人機(jī)工程虛擬仿真模型如圖4所示。

將研究工藝的步驟以動(dòng)作為單位進(jìn)行劃分，并通過現(xiàn)場(chǎng)了解得到各動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和負(fù)載的數(shù)據(jù)，見表1。

2.3 JACK任務(wù)分析

2.3.1 下背部脊柱分析

下背部脊柱分析工具[12-13]（The Lower Back

Analysis Tool）用來評(píng)估在任何姿勢(shì)和負(fù)載條件下，脊髓力作用于虛擬人下背部的情況。通過該工具可以評(píng)估并幫助減少工人下背部脊柱的壓力，降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。通過提供給研究者作用在L4/L5椎體關(guān)節(jié)上的壓縮和剪切力，矢狀、外側(cè)和軸向脊柱反應(yīng)力矩和軀干肌肉活動(dòng)水平等信息，使研究者充分了解研究對(duì)象下背部的受力情況。并將此壓力和NIOSH（National Institute for Occupational Safety and Healty）推薦壓力極限（3 400 N）進(jìn)行比較，看是否超出推薦壓力極限。

仿真分析烘焙崗位工作人員將發(fā)酵好的面包放進(jìn)烤爐烘焙時(shí)背部和脊椎的受力情況如圖5和圖6所示，脊椎受力為1 000 N，遠(yuǎn)小于NIOSH標(biāo)準(zhǔn)的推薦壓力極限3 400 N（超過3 400 N意味著該動(dòng)作會(huì)增大少部分工作人員的受傷風(fēng)險(xiǎn)），工作人員脊椎受力健康;工作人員韌帶受力、肌肉受力和骨間受力在正常范圍內(nèi)，工作人員下背部受力仿真處于健康狀態(tài)。

2.3.2 靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)

靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)工具[14-15]（Static Strength Prediction Tool）運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)去評(píng)估有多少百分比的人能夠保持某種姿勢(shì)的狀態(tài)去執(zhí)行任務(wù)。使用靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)工具對(duì)烘焙崗位按開關(guān)的動(dòng)作進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖7所示，Percent Capables表示在這個(gè)姿勢(shì)的強(qiáng)度下能夠完成工作的人數(shù)百分比為：Wrist（手腕）100%、Elbow（肘部）100%、Shoulder（肩膀）100%、Knee（膝蓋）100%、Torso（軀干）100%、Ankle（腳踝）100%，而Hip（臀部）在這種姿勢(shì)下能做到的人數(shù)百分比沒有達(dá)到100%。

所有圖表分析如圖8所示。在這種姿勢(shì)強(qiáng)度下100%的作業(yè)人員能完成15項(xiàng)動(dòng)作，8項(xiàng)有少部分人不能完成：角度值（關(guān)節(jié)角度）全部都在-180°～180°之間，處于正常范圍，其中最大值是膝蓋彎曲的角度值，為170°，其他值均小于170°;轉(zhuǎn)矩值（關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩）全部在-100～100 N·m之間，處于正常范圍，其中肱骨彎曲值較大接近-100 N·m;平均強(qiáng)度圖中軀干彎曲值超過400 N·m，表明在這種姿勢(shì)下軀干處于不健康的狀態(tài)。

2.3.3 工作姿勢(shì)分析

工作姿勢(shì)分析工具[16-17]（Ovako Working Posture Analysis Tool）可以快速查看工作姿勢(shì)的舒適性，幫助查找并糾正工作姿勢(shì)中易引起工作人員背部、手臂和腿部不適的因素。

通過工作姿勢(shì)分析工具，分別對(duì)烘焙崗位中的按開關(guān)動(dòng)作和取出面包放在推車上的動(dòng)作進(jìn)行姿勢(shì)評(píng)估，評(píng)估等級(jí)如圖9所示，按開關(guān)動(dòng)作和取面包動(dòng)作評(píng)估等級(jí)分別為二級(jí)和三級(jí)。等級(jí)二代表該姿勢(shì)可能會(huì)產(chǎn)生有害的影響，但沒有必要立即采取糾正措施;等級(jí)三代表該姿勢(shì)有不良影響，必須盡快采取糾正措施。

2.3.4 快速上肢評(píng)估

快速上肢評(píng)估工具[18-20]（The Rapid Upper Limb Assessment Tool）旨在評(píng)估特定姿勢(shì)或手工作業(yè)任務(wù)下，工作人員暴露于上肢疾病的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估工作主要包括姿勢(shì)、肌肉的使用、負(fù)載的重量、任務(wù)的持續(xù)時(shí)間和頻率。結(jié)果表明拿取面包和按開關(guān)這兩個(gè)動(dòng)作在操作時(shí)均會(huì)造成工作人員的不適，需要盡快調(diào)查改變，見表2。由于按開關(guān)動(dòng)作和拿取面包動(dòng)作不可避免，所以需要對(duì)開關(guān)位置和推車設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)。

3 根據(jù)仿真結(jié)果給出優(yōu)化建議

3.1 烘焙崗位布置改進(jìn)

依據(jù)相關(guān)作業(yè)空間設(shè)計(jì)基本要求和標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)烘焙崗位的分析結(jié)果，對(duì)烘焙崗位布置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要改進(jìn)包括

1）工作姿勢(shì)分析結(jié)果表示在推車上放面包這個(gè)姿勢(shì)對(duì)人體有不良影響，結(jié)合現(xiàn)有人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，要求貨架最低層規(guī)定高度大于等于350 mm，實(shí)際上的推車高度為200 mm，需要適當(dāng)提高推車最低層高度，減少工作人員彎腰程度，在一定程度上可以避免對(duì)人的損傷。

2）由于烘焙崗位開關(guān)動(dòng)作頻繁，所以著重使用工效學(xué)分析工具分析了開關(guān)工作。研究結(jié)果表明，由于開關(guān)位置的不合理對(duì)工作人員造成了一定損傷。結(jié)合實(shí)際情況通過對(duì)開關(guān)位置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使所有開關(guān)集中在烤箱的一側(cè)，并通過適當(dāng)提高開關(guān)高度，可降低工作人員受到損傷的概率。

3）對(duì)烘焙崗位操作工藝進(jìn)行逐個(gè)分析，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況發(fā)現(xiàn)給成型的面包涂抹醬料時(shí)，由于醬料桶缺少把手，需要工作人員頻繁彎腰并且容易滑落，所以通過在醬料桶處設(shè)置把手，可提升了工作人員手持高度，減少工作人員的操作不便和彎腰程度，在一定程度上避免人體損傷。

4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)詢問調(diào)查發(fā)現(xiàn)，烘焙崗位工作人員在烤箱里面拿取面包時(shí)，由于所戴手套太短，導(dǎo)致胳膊接觸烤爐內(nèi)壁而燙傷。在改進(jìn)過程中，可通過增長(zhǎng)手套長(zhǎng)度，降低燙傷事故的發(fā)生概率。

依據(jù)改進(jìn)后的烘焙崗位進(jìn)行建模，如圖10所示。

3.2 改進(jìn)后人機(jī)工程驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的烘焙崗位進(jìn)行人機(jī)工程仿真驗(yàn)證，得到結(jié)果見表3。結(jié)果表明改進(jìn)設(shè)計(jì)后的推車、烤箱等的舒適度和易操作性在一定程度上都得到了改善。

4 結(jié)論

1）烘焙崗位確實(shí)存在人機(jī)交互上的問題，如貨架的高度和開關(guān)的位置不合理造成人員在工作中的身體疲勞和損傷。

2）烘培工序中存在醬料桶容易滑落、使用的手套不合理的問題。建議更換成帶把手的醬料桶和長(zhǎng)手套，能很大程度上減少對(duì)人員的傷害，提高工作效率。

3）改進(jìn)后的結(jié)果顯示，此次改進(jìn)對(duì)崗位人機(jī)系統(tǒng)安全性的改善效果顯著。工效分析報(bào)告表明，各個(gè)危險(xiǎn)指標(biāo)均有所下降。所得結(jié)論可為相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品或工藝在類似問題的解決方法上提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

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（責(zé)任編輯：張 江）

收稿日期：

2020-12-12

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金 （51674193）;陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃聯(lián)合基金項(xiàng)目（2019JLM-9）;中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2019M663780）

作者簡(jiǎn)介：

王 欣（1995—），女，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事可燃性氣體粉塵爆炸防控方面的研究工作。