李元斌，孫有朝，張燕軍

(1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 210016；2.武警杭州士官學(xué)校，杭州 310023)

1 概述

礦用可移動式救生艙是在井下發(fā)生災(zāi)害事故時，為無法及時撤離的遇險人員提供生命保障的密閉空間，可通過牽引、吊裝等方式實現(xiàn)移動，以適應(yīng)井下采掘作業(yè)地點變化的要求[1]。在加拿大、美國、澳大利亞等國家的礦山安全法規(guī)和標準中，對推廣、使用礦用救生艙有硬性的規(guī)定，并已在礦難救援中有不少成功應(yīng)用的案例。與國外相比，國內(nèi)對礦用可移動式救生艙的研究起步較晚，其設(shè)計思路還不十分成熟，因為國外救生艙的設(shè)計尺寸、使用條件等因礦井建設(shè)標準的不同而缺少可比性，所以需要針對國內(nèi)礦井的實際狀況，對救生艙井下裝配與維護進行必要的驗證。

為了能在緊急情況下為避難人員提供充分的生命保障，救生艙的設(shè)計多為分體式硬體救生艙，由于礦井井筒、巷道的尺寸等因素的限制，救生艙的裝配與維修又須在煤礦井下完成，而井下作業(yè)存在作業(yè)空間狹小、施工條件受限、光線不足等問題，所以救生艙的設(shè)計一方面要滿足其自身的功能要求，另一方面還應(yīng)充分考慮其裝配、維修的人機特性，從而有效降低裝配難度和維修成本[2]。

本文提出在救生艙的設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮救生艙在井下裝配與維修時滿足人機特性的要求，安裝救生艙所需的操作工具及空間尺寸等，建立人機特性評價指標并進行人機性驗證仿真，從而為實際操作提供重要的指導(dǎo)[3-4]。

2 救生艙裝配與維修的人機特性

2.1 裝配與維修的人機性能特點

在發(fā)生災(zāi)害事故時，救生艙的配備應(yīng)能滿足遇險人員的避險要求，救生艙內(nèi)充足的空間對保障遇險人員具有積極的作用，但是由于救生艙的安裝是在已建成的礦井下安裝，因此其體積、質(zhì)量等方面將受到井筒、巷道尺寸及安裝工具的限制，需要在地面將救生艙分為多個單元體之后逐個運送至礦井下，并完成其裝配及日后維護。

根據(jù)井下《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)的設(shè)備防爆性要求，即使是先進的吊運、安裝工具(一般都需要通過供電驅(qū)動)在未取得煤安證的情況下是不允許使用的，這就進一步增加了井下救生艙裝配與維修施工的難度。救生艙的裝配與維修只能靠工作人員與簡單的工具來完成。

由此可知，煤礦井下救生艙的裝配與維修具有作業(yè)空間尺寸有限、環(huán)境條件粗糙、操作工具受限、作業(yè)人員體能消耗大等特點[5]。

2.2 裝配與維修的人機性能要求

基于上述的救生艙裝配與維修的人機性能特點，在進行救生艙的裝配與維修時，應(yīng)滿足的基本人機性能要求包括：可達性與可視性，免碰撞與干涉，作業(yè)人員的姿態(tài)要求等。

2.2.1 可達性與可視性要求

可達性和可視性是救生艙井下裝配與維修必須滿足的最基本的人機特性要求。所設(shè)計的救生艙應(yīng)能夠保證：

(1)井下裝配與維修的作業(yè)空間(包括艙內(nèi)作業(yè)空間與艙外作業(yè)空間)大于人體最小作業(yè)空間；

(2)裝配及維修人員在作業(yè)過程中能夠看到自己的操作動作[6]。

另外，可達性還應(yīng)滿足可達性系數(shù)Kπ在[0.75, 1]之間：

其中，n0為基本作業(yè)數(shù)；nπ為附加工作的基本作業(yè)數(shù)。

2.2.2 免碰撞與干涉的要求

免碰撞與干涉的要求是為了避免作業(yè)人員在對救生艙進行裝配與維修作業(yè)時，發(fā)生可能導(dǎo)致操作人員身體受到傷害或作業(yè)路徑不暢通等情況。免碰撞與干涉的要求可以通過作業(yè)空間比r進行評價：

其中，V為作業(yè)空間；Vmin為最小作業(yè)空間；要求作業(yè)空間比r的值大于1.5。

2.2.3 作業(yè)姿態(tài)的要求

在礦井下進行救生艙的裝配與維修作業(yè)，作業(yè)人員的姿態(tài)是否良好會直接影響到其工作的效率。對作業(yè)姿態(tài)的要求即應(yīng)確保作業(yè)過程中，作業(yè)人員不會因為不良姿態(tài)而導(dǎo)致工作效率降低或過快地出現(xiàn)疲勞，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，并滿足作業(yè)姿態(tài)評價等級的要求。

3 救生艙裝配與維修的人機性驗證方法

救生艙井下裝配與維修的人機性驗證方法是根據(jù)所設(shè)計的救生艙樣艙，建立裝配與維修人員的人體模型以及操作工具的模型，并構(gòu)建救生艙裝配與維修的井下場景，最后在計算機軟件平臺上，通過已構(gòu)建的操作人員模型在虛擬場景下，運用操作工具對救生艙完成裝配與維修的動作進行仿真模擬，并針對實時仿真的數(shù)據(jù)，給出可達性、可視性、干涉情況等的評價結(jié)果[7]。

3.1 裝配與維修對象的建立

救生艙作為井下作業(yè)人員進行裝配與維修的對象，需要通過CATIA等三維建模軟件建立實體模型，其尺寸應(yīng)與所設(shè)計的救生艙實際安裝尺寸保持一致，以保證最后驗證仿真的有效性與真實性。在建模過程中，對于救生艙內(nèi)的內(nèi)飾、環(huán)境控制設(shè)備與監(jiān)測儀器等，可根據(jù)人機性驗證仿真的需要，在與作業(yè)人員實際裝配與維修無關(guān)聯(lián)的前提下，對相應(yīng)的設(shè)備、儀器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等做必要的簡化處理。

另外，基于模型的虛擬救生艙樣艙，即使在做了簡化處理之后，由于其本身的點、線、面等幾何信息、約束信息等原因，使得樣艙的數(shù)據(jù)量龐大。而在仿真過程中，裝配與維修的對象、作業(yè)人員及工具又都是運動的，要滿足仿真速度每秒 12幀的最低要求相對比較困難，對計算機資源的浪費也大，因此，在不影響分析驗證的前提下，可將所建立的模型格式進行轉(zhuǎn)換，選用cgr格式對模型作輕量化處理，從而有效地提高仿真速率[8]。

3.2 作業(yè)人員及工具模型的構(gòu)建

在人機性驗證仿真的過程中，需要通過所建立的人體模型模擬真實的操作情況，并檢驗是否滿足了相應(yīng)的人機特性要求。對于人體模型的構(gòu)建，應(yīng)采用人體全尺寸模型，并能反映人的作業(yè)姿勢、作業(yè)域、視角、關(guān)節(jié)運動范圍等與裝配以及維修的關(guān)系，在基于DELMIA平臺驗證仿真中，可通過人體建模模塊創(chuàng)建全尺寸人體模型[9]?？紤]到井下作業(yè)人員需穿著定制的工作服，對于關(guān)鍵的人體尺寸設(shè)計極限，應(yīng)建立在從第5百分位到第95百分位值的范圍內(nèi)，采用此范圍內(nèi)的尺寸在理論上提供了90%的人數(shù)適用。人體全尺寸模型所需的數(shù)據(jù)，可以通過相應(yīng)標準手冊進行查詢，也可針對具體作業(yè)人員的身體特征進行實測。

裝配與維修工具是在虛擬仿真過程中，作業(yè)人員完成救生艙裝配及進行日后維護需要使用的工具，與救生艙樣艙相同，可以通過 CATIA的零件設(shè)計模塊完成建模。

3.3 煤礦井下裝配與維修的虛擬場景構(gòu)建

裝配與維修的場景是完成可視化仿真的場所，可以通過多種方法實現(xiàn)。構(gòu)建場景的常用方法有多種，如基于圖像的全景圖生成技術(shù)，基于3D造型的簡化式場景，以及示意圖像等。在進行救生艙裝配與維修的人機性驗證仿真時，使用基于3D造型的簡化式場景?；?D造型的簡化式場景是根據(jù)實際工作環(huán)境的結(jié)構(gòu)尺寸，在三維軟件中完成場景的實體造型，此場景中只表達環(huán)境的長寬高等尺寸參數(shù)，而對環(huán)境的壁面材質(zhì)、光潔度等不做要求。

裝配與維修場景的建立一方面是為了使仿真具有真實感，能夠盡可能真實地模擬作業(yè)人員實際操作的場景，另一方面也可為救生艙在礦井下需要布置的巷道建設(shè)提供參考。根據(jù)實際完成作業(yè)的情況，在井下的救生艙裝配與維修操作，不需要對環(huán)境進行關(guān)聯(lián)操作，但需要把環(huán)境空間作為裝配與維修作業(yè)域的限定條件，井下巷道的建設(shè)尺寸要符合相關(guān)的設(shè)計標準，即需要在有限的空間中完成預(yù)期工作。

3.4 模型加載與驗證仿真流程

要完成人機性驗證仿真，首先需要將操作對象(救生艙及其組成組件)、人體模型、工具模型與作業(yè)環(huán)境場景等加載到基于DELMIA的驗證仿真平臺[10]。在加載時，需將上述模型分類，以便于仿真信息的管理，一般分為產(chǎn)品列表和資源列表兩大類。產(chǎn)品列表主要是救生艙本身及其內(nèi)部所包含的所有附屬零部件；資源列表一般由人體模型、工具模型與作業(yè)環(huán)境等組成[11]。

救生艙人機性驗證所需的模型完成加載之后，需要對作業(yè)人員、操作工具以及救生艙關(guān)聯(lián)零部件仿真動作的路徑進行定義，包括作業(yè)人員對螺栓螺母的緊固、拆卸，救生艙單元體間管線路的對接等操作，從而保證在仿真時得到預(yù)期的仿真結(jié)果報告。從模型加載到最后完成仿真的流程如圖1所示。

圖1 驗證仿真流程

4 人機性驗證與仿真結(jié)果分析

以某型在研救生艙單元體間聯(lián)接裝配的人機性驗證仿真為例，運用上述救生艙人機性驗證仿真方法對聯(lián)接裝配流程進行分析(該型救生艙的維修拆卸過程可視作聯(lián)接裝配的逆過程)。單元體間的聯(lián)接裝配整體流程包括：密封圈加固→安裝定位銷→螺栓聯(lián)接→氣密性檢查等。

4.1 可達性與可視性分析

在救生艙單元體間的聯(lián)接過程中，基本的作業(yè)操作數(shù)為 X=5(固定密封圈、裝定位銷、螺栓聯(lián)接、氣密性檢查等)，進一步可得 Kπ的值為 0.79。另外，還可以通過 DELMIA平臺的人體包膜對可達性做定性的評價與分析，如圖2所示，對人體模型的動作調(diào)整提供參考，從而改善可達性。

圖2 作業(yè)人員的可達域

可視性分析是分析確保作業(yè)人員在進行救生艙裝配的過程中，能夠?qū)λ胁僮骺梢?，從而能有效避免誤操作以及造成人員受傷等情況。一般人的雙眼水平視覺范圍約為120°，垂直方向約為上下各35°，可劃分為A、B、C 3個區(qū)域，如圖3所示。有非常好(部件完全處于區(qū)域 A內(nèi)，且焦點落在部件幾何中心)、好(部件完全處于區(qū)域 A內(nèi)，且焦點在部件上，但不在幾何中心)、比較好(部件處于區(qū)域 A、B之中，幾何中心在區(qū)域A內(nèi))、一般(部件處于區(qū)域A、B之中，幾何中心位于區(qū)域 A、B分界線上)、比較差(部件處于區(qū)域A、B之中，幾何中心在區(qū)域B內(nèi))、差(部件完全處于區(qū)域B內(nèi))、非常差(對象有部分處于區(qū)域C中)7個評價等級。從仿真結(jié)果可知，在救生艙裝配操作過程中，作業(yè)人員的操作可視性基本在“一般”以上。

圖3 作業(yè)人員的可視域

4.2 碰撞與干涉分析

在礦井下進行救生艙單元體間聯(lián)接裝配過程中，因艙體外形尺寸規(guī)整，艙體表明平滑，正常操作不會導(dǎo)致作業(yè)人員與救生艙艙體、巷道壁之間發(fā)生碰撞或干涉，而應(yīng)主要考慮救生艙安裝位置處巷道尺寸的設(shè)計，從而有效避免救生艙無法在所建巷道內(nèi)完成裝配。從碰撞與干涉的仿真過程分析，并結(jié)合作業(yè)人員的可達性要求，要滿足作業(yè)人員的作業(yè)空間比 r＞1.5，至少應(yīng)使救生艙外壁與巷道壁的間距參考值高于1.11 m。救生艙人機性驗證裝配操作仿真結(jié)果中，救生艙外壁與巷道壁的間距為1.2 m，不會導(dǎo)致作業(yè)人員與救生艙艙體、巷道壁發(fā)生碰撞或干涉。

4.3 作業(yè)姿態(tài)分析

作業(yè)人員的作業(yè)姿態(tài)分析可以利用 DELMIA軟件中的基于快速上肢評價 RULA(Rapid Upper Limb Assessment)進行衡量，并給出1分～2分(該姿勢可接受，能夠長期保持該姿勢)、3分～4分(該姿勢可以保持較短時間)、5分～6分(該姿勢只能保持很短時間)、7分(該姿勢通常不可接受，必須立刻改變該姿態(tài))等評分結(jié)果，RULA的1分～7分對應(yīng)“非常好”、“好”、“比較好”、“一般”、“比較差”、“差”、“非常差”7個級別。作業(yè)姿態(tài)分析功能對聯(lián)接裝配的姿勢進行分析評價，分析項目包括右手上臂的3個自由度、前臂的2個自由度以及手和食指的單自由度。通過分析，可以對分值較低的自由度進行優(yōu)化，以使得作業(yè)人員在裝配過程中處于較好的作業(yè)姿態(tài)。圖4給出了每個自由度的分析結(jié)果以及總的分析結(jié)果，救生艙裝配操作人員作業(yè)姿態(tài)總體評價在“好”以上。

圖4 姿態(tài)分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文綜合分析某型救生艙裝配的人機性驗證過程及仿真結(jié)果，表明該型救生艙在單元體聯(lián)接裝配時具有良好的人機特性，并且說明本文提出的救生艙裝配與維修的人機性驗證方法具備有效性與可行性。今后研究的重點是對救生艙的故障進行預(yù)分析和維修處理，預(yù)估和優(yōu)化維修作業(yè)時間和維修費用。

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