基于JACK 的電力機(jī)車司機(jī)室操縱界面改進(jìn)設(shè)計(jì)

范沁紅，江星辰

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，軌道交通生產(chǎn)制造行業(yè)對(duì)運(yùn)載工具的性能要求逐漸向運(yùn)載工具的舒適性等要求傾斜。寬軌電力機(jī)車司機(jī)工作時(shí)一般采取坐姿進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)，這通常比站姿對(duì)脊柱產(chǎn)生更多的負(fù)荷[1]。當(dāng)坐姿時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，下背部疼痛（Lower Back Pain）的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)更高[2]，這也是造成越來(lái)越多的司機(jī)患上職業(yè)病的主要原因。大部分交通事故是由于人的誤操作所造成的，只有充分了解人與機(jī)器的交互行為，分析人機(jī)交互界面的特性，才能更好地避免事故的發(fā)生。虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)學(xué)科科學(xué)技術(shù)生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視聽觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境。JACK 軟件是西門子公司的一款人因工程分析軟件，經(jīng)過(guò)十幾年研究改進(jìn)，已成為目前公認(rèn)較為全面的人機(jī)工效評(píng)估軟件[3]。通過(guò)虛擬仿真分析司機(jī)在駕駛操作過(guò)程中的交互行為，了解并掌握目前司機(jī)室布局設(shè)計(jì)的宜人性、舒適性、可用性等的水平，進(jìn)而提出改進(jìn)建議，可以進(jìn)一步為提高生產(chǎn)及工作效率打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，對(duì)電力機(jī)車司機(jī)室進(jìn)行人機(jī)工效分析是提高司機(jī)舒適性、安全性及工作效率的關(guān)鍵一步。

學(xué)校為展示自身風(fēng)采，越來(lái)越重視宣傳，需要一種更為直接的方式宣傳自己。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)校，就是虛擬校園，能夠全方位地展示學(xué)校的各種軟硬件環(huán)境[1]。校內(nèi)教學(xué)樓、宿舍樓、食堂及實(shí)驗(yàn)樓等公共設(shè)施眾多，有了三維虛擬校園，新生在入學(xué)前就可以全面的了解校園的布局，交互式的查詢，可以了解校園的所有信息，為盡快地適應(yīng)學(xué)習(xí)生活提供方便；三維虛擬校園不只是對(duì)現(xiàn)實(shí)校園建筑形狀、地理形態(tài)的仿真，而是對(duì)整個(gè)校園及其社會(huì)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)在網(wǎng)絡(luò)上的真實(shí)再現(xiàn)[2]。

1 司機(jī)室人機(jī)交互界面分析

以電力機(jī)車司機(jī)室為例，操縱臺(tái)元器件布局如圖1 所示。司機(jī)在進(jìn)行行駛作業(yè)時(shí)，需要手眼并用，這不僅能體現(xiàn)操縱人員的熟練度，而且也能驗(yàn)證操縱界面的易用性及安全性，一旦出現(xiàn)視線受阻、操作人員失誤等情況，將極大地降低工作效率甚至造成現(xiàn)場(chǎng)事故。因此，從操縱人員和操縱裝置出發(fā)，分析司機(jī)室人機(jī)交互界面如圖2 所示。

圖1 司機(jī)室操縱臺(tái)元器件布局

圖2 司機(jī)室人機(jī)交互界面分析

目前國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)此展開了相關(guān)研究，針對(duì)拖拉機(jī)駕駛室，楊秀芳等[4]在CREO 中創(chuàng)建了拖拉機(jī)模型，將其導(dǎo)入到JACK 軟件中進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析。程琳等[5]利用JACK軟件改善了消防救援車中使用頻次較高的操作設(shè)備在整車中的布置。周艾等[6]依據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，采用JACK 軟件進(jìn)行工業(yè)搬運(yùn)車作業(yè)環(huán)境分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化。劉力卓等[7]利用JACK 軟件對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控操縱臺(tái)建模仿真，以此提高遠(yuǎn)程監(jiān)控操作員的工作舒適度。蘭永霞等[8]通過(guò)JACK 軟件驗(yàn)證了高速列車司機(jī)室布置方案的合理性。陳登凱等[9]利用JACK 軟件對(duì)載人潛水器載人艙觀察窗布局進(jìn)行仿真分析。鐘文杰等[10]通過(guò)CATIA 軟件平臺(tái)建立了拖拉機(jī)的人機(jī)系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)仿真分析。李前進(jìn)等[11]以JACK 軟件為工具進(jìn)行了人機(jī)工程仿真分析，并以分析結(jié)果指導(dǎo)樣機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。蘇珂等[12]利用JACK軟件重新確定駕駛員H 點(diǎn)的位置，并對(duì)駕駛室進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。王建偉等[13]用Rhino 軟件建模結(jié)合JACK 軟件研究駕駛室內(nèi)的空間布局并進(jìn)行評(píng)價(jià)。Maradei 等[14]通過(guò)改變坐墊的角度，確定卡車司機(jī)理想的坐姿，同時(shí)在腰椎負(fù)荷較低和感覺(jué)不適之間達(dá)到最佳平衡。

雜文不能與時(shí)文站在一個(gè)角度，去一味地忍著傷痛去歌頌、哪怕看到了黑暗卻要心懷善意地不聞不問(wèn)。也許，時(shí)文的責(zé)任就在于從廣義的角度，看待生活中的美好；而雜文的義務(wù)，卻是從微觀的層面，去關(guān)照生活，為讀者開辟指明一條不同于時(shí)文的思路，試著與讀者一起來(lái)分析事物的來(lái)龍去脈，以期形成獨(dú)立思考的習(xí)慣。

2 仿真流程

由于手動(dòng)氣壓閥布置位置不當(dāng)，導(dǎo)致第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人在姿態(tài)下的評(píng)估得分均為2。該姿態(tài)會(huì)對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)造成傷害，有必要采取措施進(jìn)行干預(yù)。

由圖6 可以看出，第95 百分位數(shù)字人可達(dá)域最大輪廓線可以接觸到操縱界面元器件，但是第5 百分位數(shù)字人可達(dá)域最大輪廓線接觸不到扳鍵開關(guān)組和手動(dòng)氣壓閥。

圖3 仿真流程

《萬(wàn)壑松風(fēng)圖》（圖2）描繪的對(duì)象主要是松樹、石頭、溪流，再無(wú)其它，正如方聞學(xué)者所言，“在布局上，李唐以古法用參天大樹分割畫面或者限定空間”⑧。表現(xiàn)了北方氣候干燥、植被單一的狀況。最上方的大石塊為主峰，遠(yuǎn)峰上落有“皇宋宣和甲辰春，河陽(yáng)李唐筆”題款，遠(yuǎn)觀或誤以為皴筆。當(dāng)中略下是一片組織有致的松樹，樹根部多露出于石外，樹皮有深重結(jié)疤。稍微右中偏下和左下方，有山間激流的溪水流出，進(jìn)入左下角的石潭。全圖有飛泉四五處，薄霧綿連，大片山石裸露，山勢(shì)巍峨雄偉，石質(zhì)堅(jiān)硬方直，矗立棱角有尖銳之感。山石的外輪廓線剛勁，因皴法濃密，外輪廓線不是很清晰。

SNCR+SCR脫硝是目前國(guó)內(nèi)NOx超低排放項(xiàng)目使用較多的工藝，經(jīng)SNCR在爐內(nèi)脫除部分NOx，再經(jīng)過(guò)SCR系統(tǒng)進(jìn)一步脫硝，該組合方式運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定，已被廣泛使用。

圖4 數(shù)字人模型生理尺寸

3 虛擬仿真分析結(jié)果

3.1 可視域分析

工作姿態(tài)分析可以快速檢查工作姿態(tài)，評(píng)價(jià)基于背部、手臂和腿部的工作姿勢(shì)提出相應(yīng)的評(píng)估得分。第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人扳鍵按鈕操作姿勢(shì)分析仿真結(jié)果如圖7 所示。

首先利用Rhino 軟件對(duì)電力機(jī)車操縱臺(tái)按1：1 的比例建模，然后將模型導(dǎo)入JACK 軟件中，JACK 虛擬仿真分析軟件可以根據(jù)駕駛員的真實(shí)生理尺寸建立相應(yīng)尺寸的數(shù)字人模型，考慮到駕駛?cè)藛T的身高尺寸和體重范圍較為分散，所以選擇第5百分位和第95 百分位數(shù)字人作為代表，其各自的生理尺寸見圖4，對(duì)虛擬環(huán)境下的數(shù)字人模型在不同姿勢(shì)下進(jìn)行可視域（Visual Fields）、可達(dá)域（Reach Zones）、工作姿態(tài)分析（Ovako Working Posture Analysis）、舒適度分析（Comfort Assessment）等仿真分析。整個(gè)仿真分析過(guò)程，數(shù)字人模型坐姿和座椅高度均保持不變，以減小其他因素對(duì)仿真結(jié)果的影響。

圖5 可視域仿真結(jié)果

由圖5 可以看出，第95 百分位數(shù)字人警惕按鈕沒(méi)有進(jìn)入可視域范圍內(nèi)，且第5 百分位數(shù)字人警惕按鈕和手動(dòng)氣壓閥也沒(méi)有出現(xiàn)在可視域的范圍內(nèi)。

3.2 可達(dá)域分析

可達(dá)域分析可以生成一個(gè)區(qū)域，能夠?qū)μ囟ǔ叽绲臄?shù)字人描繪出在作業(yè)空間里的最大可觸及范圍，第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人可達(dá)域仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 可達(dá)域仿真結(jié)果

很顯然，并不是每次的緊追慢趕都能坐上那輛走在前面一點(diǎn)的車?？墒?，一旦不趕，那便肯定只能坐后面的車了。蔡瀾先生說(shuō)：“做，機(jī)會(huì)是百分之五十；不做，機(jī)會(huì)為零?！蹦敲?，用到趕公交上面，便是：趕，快的幾率是百分之五十；不趕，快的幾率為零。

3.3 工作姿態(tài)分析

視野范圍的大小直接影響駕駛?cè)藛T的工作效率，因此對(duì)第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人可視域進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖7 扳鍵按鈕操作仿真結(jié)果

由圖7 可以看出，第5 百分位數(shù)字人的評(píng)估得分為2，表明該姿態(tài)會(huì)對(duì)肌肉骨骼系統(tǒng)造成傷害，有必要采取措施進(jìn)行干預(yù)，而第95 百分位數(shù)字人在姿態(tài)下的評(píng)估得分為1，表明該姿態(tài)可以被接受，不需要進(jìn)行干預(yù)。

中國(guó)古人有立德、立功與立言的“三不朽”之說(shuō)。德指道德，是說(shuō)一個(gè)人的修養(yǎng)與人格；功指事功，說(shuō)的是人要建功立業(yè)；言指思想，就是說(shuō)一個(gè)人是靠他的思想或?qū)W術(shù)而揚(yáng)名。

圖8 手動(dòng)氣壓閥操作仿真結(jié)果

通過(guò)與司機(jī)進(jìn)行訪談，分析了操縱裝置的操作頻率，在機(jī)車行駛過(guò)程中，司機(jī)控制器、警惕按鈕、手動(dòng)氣壓閥以及扳鍵開關(guān)組是操作頻率比較高的操作裝置，因此分別對(duì)第5 百分位和第95 百分位駕駛員分別進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而展開對(duì)電力機(jī)車操縱臺(tái)的人機(jī)交互界面研究。具體的仿真流程如圖3 所示。

3.4 舒適度分析

舒適度分析是對(duì)特定姿勢(shì)下某些關(guān)節(jié)的彎曲范圍進(jìn)行分析，可以分為兩類：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)舒適度和多關(guān)節(jié)舒適度。第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人Porter（1998）單關(guān)節(jié)舒適度分析仿真結(jié)果如圖9 所示。

第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人手動(dòng)氣壓閥操作姿勢(shì)分析仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖9 警惕按鈕操作舒適度分析仿真結(jié)果

由表1 可以看出，第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人在左上臂屈曲和提升的角度低于或超過(guò)推薦范圍，說(shuō)明司機(jī)在操作警惕按鈕時(shí)存在不適感。

表1 第5 及第95 百分位數(shù)字人舒適度分析數(shù)據(jù) °

4 電力機(jī)車操縱臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)TB/T 3255—2011《機(jī)車司機(jī)操縱臺(tái)設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，針對(duì)操縱臺(tái)JACK 虛擬仿真分析結(jié)果，對(duì)操縱臺(tái)布置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。主要改進(jìn)包括：①將扳鍵開關(guān)組適當(dāng)后移，縮小與操縱人員的縱向距離；②調(diào)整手動(dòng)過(guò)分相位置到扳鍵開關(guān)組左側(cè)；③調(diào)整手動(dòng)氣壓閥位置到扳鍵開關(guān)組右側(cè)；④將左側(cè)汽笛按鈕左移，調(diào)整適當(dāng)距離同時(shí)將警惕按鈕調(diào)整至左側(cè)汽笛按鈕右側(cè)；⑤將司控器適當(dāng)后移，縮小與操縱人員的縱向距離；⑥將制動(dòng)器適當(dāng)后移，縮小與操縱人員的縱向距離。優(yōu)化后司機(jī)室操縱臺(tái)元器件布局如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化后司機(jī)室操縱臺(tái)元器件布局

對(duì)優(yōu)化后的司機(jī)室操縱臺(tái)布局進(jìn)行JACK 虛擬仿真分析，其可視域、可達(dá)域、工作姿態(tài)及舒適度分析結(jié)果如圖11～圖15所示。

圖15 優(yōu)化后警惕按鈕操作舒適度分析仿真結(jié)果

由圖11、圖12 可知，優(yōu)化后司機(jī)操縱臺(tái)布局能夠滿足第95百分位數(shù)字人警惕按鈕在可視域范圍內(nèi)，且第5 百分位數(shù)字人警惕按鈕和手動(dòng)氣壓閥也在可視域的范圍內(nèi)，同時(shí)第5 百分位數(shù)字人可達(dá)域最大輪廓線可以接觸到扳鍵開關(guān)組和手動(dòng)氣壓閥。

圖11 優(yōu)化后布局可視域仿真結(jié)果

圖12 優(yōu)化后布局可達(dá)域仿真結(jié)果

由圖13 可知，第5 百分位數(shù)字人在該姿態(tài)下的評(píng)估得分為1，表明該姿態(tài)可以被接受，不需要進(jìn)行干預(yù)。此外，結(jié)合圖14 可知，由于優(yōu)化后布局對(duì)手動(dòng)氣壓閥布置位置進(jìn)行了調(diào)整，所以第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人在姿態(tài)下的評(píng)估得分均為1，該姿態(tài)可以被接受，也不需要進(jìn)行干預(yù)。

圖13 優(yōu)化后扳鍵按鈕操作仿真結(jié)果

圖14 優(yōu)化后手動(dòng)氣壓閥操作仿真結(jié)果

圖15 仿真結(jié)果表明：第5 百分位及第95 百分位數(shù)字人在左上臂屈曲和提升的角度處于推薦范圍之內(nèi)，說(shuō)明優(yōu)化后司機(jī)在操作警惕按鈕時(shí)感覺(jué)較為舒適。

5 結(jié)束語(yǔ)

電力機(jī)車操縱臺(tái)人機(jī)交互界面的布置直接關(guān)系到駕駛員的操作效率與舒適程度，因此對(duì)操縱臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真分析，可以提高司機(jī)的工作效率，對(duì)降低司機(jī)的疲勞感及誤操作次數(shù)有積極的影響。從仿真結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化前第5 百分位、第95 百分位數(shù)字人均表現(xiàn)出不適感，尤其是第5 百分位數(shù)字人感覺(jué)較為強(qiáng)烈，這與司機(jī)的主觀感受是一致的，說(shuō)明司機(jī)室操縱臺(tái)布局不合理。經(jīng)過(guò)對(duì)操縱臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在同樣的駕駛操作行為下優(yōu)化后的仿真結(jié)果表明可達(dá)域、可視域及舒適性都得到了明顯的改善，均無(wú)明顯不適感。