基于JACK的機載航電產(chǎn)品虛擬維修仿真及人機工效評估

王 輝， 潘 超， 彭 原

(中國航空無線電電子研究所，上海 201100)

隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高,裝備正向著高精密、智能化、自動化的方向發(fā)展,裝備的復(fù)雜程度越來越高。這就直接導(dǎo)致了在產(chǎn)品的全壽命周期中,使用和維護(hù)保障難度的增加。不但增加了產(chǎn)品的成本,而且對維修人員的技術(shù)要求也進(jìn)一步提高。因此,在產(chǎn)品的設(shè)計初期就應(yīng)該考慮到產(chǎn)品在實用階段的可操作性和維護(hù)保障的方便性[1]。

維修性仿真分析是應(yīng)用計算機仿真手段，建立數(shù)字化人體模型，對人體按照特定任務(wù)執(zhí)行的要求進(jìn)行靜態(tài)與動態(tài)仿真，實現(xiàn)設(shè)計原則向產(chǎn)品布局、尺寸、形態(tài)等各項指標(biāo)的合理轉(zhuǎn)化[2]。通過維修性仿真分析可以減少實物樣機設(shè)計修改次數(shù)，縮短產(chǎn)品研制周期，減少研制費用，并為產(chǎn)品后期的維修提供有效的虛擬現(xiàn)實技術(shù)保證[3]。使設(shè)計的產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，好維修、好保障，提高產(chǎn)品完好率和任務(wù)成功率，減少產(chǎn)品維修資源配置，降低對維修人員的技術(shù)水平要求，減少產(chǎn)品全壽命周期費用。

國內(nèi)很多高校和科研機構(gòu)對維修性仿真分析方法進(jìn)行了技術(shù)研究和應(yīng)用分析。文獻(xiàn)[4]采用DELMIA軟件對民用飛機駕駛艙的人機工效情況進(jìn)行了評估；文獻(xiàn)[5]采用JACK軟件對飛機起落架拆卸操作進(jìn)行了虛擬維修環(huán)境的搭建和維修性分析；文獻(xiàn)[6]主要對維修可達(dá)性的涵義和評價方法進(jìn)行了研究，并針對具體對象進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[7]直接針對維修過程進(jìn)行仿真，從而分析裝備的維修性；文獻(xiàn)[8]對仿真分析的具體實施、維修性分析和評價方法進(jìn)行了研究。

通過對維修性仿真現(xiàn)狀的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前在維修性仿真分析方面，缺乏系統(tǒng)完善的分析流程和方法[9]。此外，維修時間是典型的維修性評估參數(shù)，維修時間的獲取一直是維修性分析工作的主要障礙[10]。若能在維修性設(shè)計階段能準(zhǔn)確計算維修時間，將極大地提高維修性分析的水平。而現(xiàn)在的維修性仿真分析缺乏對平均修復(fù)時間(Mean Time to Repair，MTTR)的評估。

目前，主要使用的維修性仿真分析軟件有DELMIA和JACK兩種，對這兩種軟件的比較具體如下。

① 對比軟件本身提供的基礎(chǔ)功能，JACK提供了30種人體姿態(tài)，若干種手部姿態(tài)[11]，DELMIA只提供6種基礎(chǔ)姿態(tài)，未提供手部姿態(tài)，因此JACK軟件可以有效減少人體建模所需的時間。

② 從可視域方面分析，兩者均可以進(jìn)行人體的可視域分析。但是在JACK軟件中，可以為虛擬環(huán)境增設(shè)燈光條件，可以更好地模擬實際場景[12]。

③ 從可達(dá)域和維修空間方面分析，兩個軟件都可以做可達(dá)域分析，并且進(jìn)行物體碰撞和干涉分析。但是在干涉分析過程中，DELMIA軟件顯示的是發(fā)生干涉的局部區(qū)域，而在JACK軟件中顯示的是發(fā)生干涉的兩個或若干個整體，JACK更顯性化。

④ 從人體運動姿態(tài)方面分析，DELMIA軟件中只有快速上肢評估分析(Rapid Upper Limb Assessment，RULA)，不能對人的下肢進(jìn)行分析。但是JACK軟件中不僅有RULA，還可以對人的腰部、整個的動作姿態(tài)、肌肉受力等進(jìn)行詳細(xì)評估。

⑤ JACK軟件具有維修動作的時間預(yù)估功能，可以預(yù)估平均修復(fù)時間(MTTR)。

綜合上述比較，JACK軟件在維修性分析方面具有更大的優(yōu)勢，因此將使用JACK軟件作為維修性仿真分析的工具。

1 維修性仿真分析流程

維修性仿真分析主要是用虛擬人完成某項維修工作，然后對工作過程中虛擬人的可視性、可達(dá)性、維修姿勢和舒適度等進(jìn)行分析評估。經(jīng)對相關(guān)資料進(jìn)行分析并結(jié)合工程實踐，得出維修性仿真分析的流程如圖1所示。

圖1 維修性仿真分析流程

1.1 虛擬人建立

在建立維修人員的人體模型時，由于維修工作并不需要維修人員具有特殊的身體素質(zhì)，因此在確定維修人員的身體尺寸時，可以直接使用JACK軟件中的中國男性第50百分位數(shù)身高和體重建立維修人員的人體模型(如圖2所示)。模型的身高為167.8 cm，體重59.0 kg，腰臀比為0.87。

1.2 可達(dá)性分析

維修可達(dá)性是指維修產(chǎn)品時，能夠迅速方便地達(dá)到維修部位的特性。通俗地說,就是維修部位能夠“夠得著”或者容易夠著,而無須拆卸、搬動其他機件。維修可達(dá)性是產(chǎn)品本身的一種質(zhì)量特性，是在產(chǎn)品設(shè)計時就被賦予的使維修部位容易被達(dá)到的固有特性?？蛇_(dá)性可以綜合反映作業(yè)空間、維修通道和零部件布局等對維修工作的影響。

圖2 維修人員人體模型

1.3 可視性分析

可視性是維修性必須滿足的最基本要求，其設(shè)計必須滿足如下基本準(zhǔn)則：維修作業(yè)空間應(yīng)根據(jù)人體尺寸設(shè)計，作業(yè)空間大于人體最小作業(yè)空間；維修人員在維修過程中應(yīng)能夠看到自己的操作動作，如在目視情況下進(jìn)行的視覺定位動作、反復(fù)動作和逐次動作等。

1.4 工作負(fù)荷分析

1.4.1 快速上肢分析

快速上肢評價RULA是由諾丁漢大學(xué)的職業(yè)工效研究所的McAtamney博士和Corlett博士提出的一種人機工效分析方法[13]，該方法主要通過對人體各部分姿勢、用力情況和肌肉的使用情況進(jìn)行研究來評估因工作造成人體上肢肌肉骨骼損傷風(fēng)險的大小。

1.4.2 下背部分析

下背部受力分析是對特定環(huán)境下人體脊椎受力對下背部的影響進(jìn)行分析。其原理是利用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型，計算L4/L5脊椎處的壓力，并將這個壓力和NOISH推薦的壓力(3400 N)和極限壓力進(jìn)行比較。

1.4.3 工作姿態(tài)分析

維修人員在給定空間內(nèi)進(jìn)行維修作業(yè)時，會采用各種適合于維修操作的姿勢，但是這些姿勢并不一定利于維修人員的身體健康，因此有必要對維修空間內(nèi)的維修人員的姿勢做分析，如果不符合要求，則有必要對布局進(jìn)行更改甚至重新布局。

2 維修作業(yè)分解

為實現(xiàn)虛擬維修任務(wù)快速、逼真的仿真以及準(zhǔn)確預(yù)計修復(fù)性維修時間的需要，將維修事件分解為維修任務(wù)，再將復(fù)雜的維修任務(wù)進(jìn)一步分解為基本維修任務(wù)和維修動作。本文中將裝備維修分為4個層次：維修事件、維修作業(yè)(Maintenance Task,MT)、基本維修作業(yè)(Elementary Maintenance Activity,EMA)和維修動作。維修事件是指維修的名稱；維修作業(yè)是維修人員執(zhí)行維修工藝的全部活動過程；基本維修作業(yè)是指一項維修活動可以分解成的工作單元，它是維修作業(yè)分解的最低層次，例如擰緊螺釘、安裝墊片等。面向維修仿真的維修作業(yè)分解示意如圖3所示。

圖3 面向維修仿真的維修作業(yè)分解

表1為某臺架更換處理機的維修層次分解。

表1 某臺架更換處理機的維修層次分解

3 實例應(yīng)用

以某臺架為研究對象，對更換處理機1的維修作業(yè)開展維修性仿真分析。首先將.wrl格式的席位臺架三維模型導(dǎo)入至JACK軟件中，如圖4所示。臺架蓋板的視圖和機箱的視圖分別如圖5和圖6所示,蓋板由螺釘固定，拆除蓋板后即可取出處理機。

圖4 臺架正前方視圖及側(cè)視圖

圖5 臺架機箱蓋板圖

圖6 臺架機箱圖

3.1 維修性仿真分析

3.1.1 可達(dá)性分析

利用包膜工具來分析虛擬人的可達(dá)性，形成的包膜代表虛擬人的手部能夠到達(dá)的所有可能位置形成的一個空間表面，如圖7所示。圖7中包膜可以覆蓋維修對象(機箱蓋板及把手)，可達(dá)性良好。

圖7 拆卸蓋板螺釘可達(dá)性分析

3.1.2 可視性分析

利用虛擬人的視覺窗口能夠直觀地看到維修人員在不同位置和不同姿態(tài)下的視覺范圍內(nèi)的景象，從而可以判斷在維修過程中是否滿足可視性的要求，如圖8所示。從圖8可以看出，拆卸蓋板螺釘時，維修人員可以清晰地觀測到操作對象，可視性良好。

圖8 拆卸蓋板螺釘可視性分析

3.1.3 碰撞與干涉分析

碰撞和干涉分析是對實體之間是否存在碰撞進(jìn)行分析，檢查操作的可行性。設(shè)置干涉檢測對象為維修人員和臺架。圖9為產(chǎn)生干涉時的示意圖，由圖9可知，在產(chǎn)生干涉或碰撞時，兩檢測對象均會顯示為紅色。通過碰撞與干涉分析，可以檢查維修任務(wù)的可行性。

3.1.4 工作負(fù)荷分析

在維修操作過程中，維修人員會受到相應(yīng)力的作用，添加受力可以確保維修性仿真分析的準(zhǔn)確性。對維修人員在拆卸機箱時受到的力進(jìn)行分析，受力點為人的手部(如圖10所示)，左手和右手受力均為70 N。

維修人員在進(jìn)行維修操作時，上半身的工作負(fù)荷比較重，JACK軟件通過評估各個姿態(tài)下的上半身的狀態(tài)，來判斷維修操作對人上肢的影響。圖11為維修人員在拆卸機箱操作時的快速上肢評估分析結(jié)果。由RULA分析可知，在拆卸機箱時，由于工作范圍的限制，在采取相應(yīng)維修姿勢的情況下會對維修人員的頸部和手腕關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的壓力，評分均達(dá)到7分。必須對姿勢進(jìn)行更改，否則會對人體產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖10 維修人員受力圖

圖11 快速上肢評估

下背部受力分析是對特定環(huán)境下，人體脊椎受力對下背部造成的影響進(jìn)行分析。圖12為維修人員在拆機箱操作時的下背部受力分析結(jié)果圖。由圖12可知，在進(jìn)行擰蓋板螺釘操作和拆卸機箱操作時，維修人員的下背部受力在正常范圍內(nèi)，不會對人的下背部造成不良影響。

維修人員在給定空間內(nèi)進(jìn)行維修作業(yè)時，會采用各種適合于維修操作的姿勢，但是這些姿勢并不一定利于維修人員的身體健康，因此有必要對維修空間內(nèi)的維修人員的姿勢做分析，如果不符合要求，則有必要對布局進(jìn)行更改甚至重新布局。圖13為拆卸機箱時的工作姿態(tài)分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可知，拆卸機箱時所需的維修姿勢對人體會造成一定的傷害，需進(jìn)行調(diào)整。

圖12 下背部受力分析

圖13 工作姿態(tài)分析

3.2 MTTR預(yù)計

JACK軟件中的Predetermined Time Standard(工作時間)工具可以利用運動時間測量系統(tǒng)計算出每個維修動作消耗的時間，單位是秒(s)。將各個維修動作的時間相加就可以得到總的維修時間。MTTR評估需要用到JACK軟件中的TSB(Task Simulation Builder)工具和Animation工具建立整個維修過程的動畫，在Animation界面可以獲取整個維修過程所需的時間，即修復(fù)性維修時間。

圖14 動態(tài)仿真畫面

3.3 維修性改進(jìn)意見

通過上述分析可知，該臺架由于操作臺與底部距離較小，且突出位置較長，導(dǎo)致維修人員在拆卸處理時必須采取對人體有損傷的姿勢進(jìn)行操作，因此需對操作臺進(jìn)行調(diào)整。

4 總結(jié)與展望

本文提出了系統(tǒng)完善的維修性仿真分析流程及方法，并運用JACK軟件的虛擬維修仿真與人機工效評估功能，實現(xiàn)了某臺架的維修性仿真過程。通過對其進(jìn)行可達(dá)性分析、可視性分析和工作負(fù)荷分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的一些維修性問題，并針對分析結(jié)果提出針對性的改進(jìn)意見，反饋到設(shè)計前端，在進(jìn)一步設(shè)計與后期改型中考慮這些意見，確保產(chǎn)品具備良好的維修性。

另外，本文還提出了利用JACK軟件對產(chǎn)品的修復(fù)性維修時間進(jìn)行評估的方法，為設(shè)計階段的維修性預(yù)計提供了可靠的技術(shù)支撐，且建立的維修性動態(tài)仿真分析內(nèi)容也可以為虛擬維修的發(fā)展提供一定的研究思路和發(fā)展途徑。