■ 王冰松 郭小峰 向澤銳 章勇 董石羽

JACK最早由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的人體模型和仿真中心開(kāi)發(fā)，由EDS公司（Electronic Data Systems Corporation）商業(yè)化推廣[1]，目前屬于西門(mén)子公司的一個(gè)虛擬人仿真軟件。該軟件可建立不同比例尺寸和姿態(tài)的男女?dāng)?shù)字模型，能實(shí)現(xiàn)人工作業(yè)的準(zhǔn)確仿真、人機(jī)工程學(xué)和裝配時(shí)間分析，支持對(duì)人工作業(yè)視野檢查、工位交互式改進(jìn)及不同設(shè)計(jì)方案的評(píng)估。目前，JACK已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙的研究[2-3]、救援搶險(xiǎn)設(shè)備駕駛室的研究[4]、航天器的操作研究[5]、裝備的虛擬維修研究[6-7]、動(dòng)作和操作姿態(tài)研究[8-9]、機(jī)車(chē)的駕駛室研究[10]等專業(yè)領(lǐng)域。采用JACK軟件對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)無(wú)障礙關(guān)鍵尺寸進(jìn)行研究。

1 動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙通行涉及的內(nèi)容

動(dòng)車(chē)組是快速高效、綠色環(huán)保、運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)的公共交通工具[11]，受到了越來(lái)越多國(guó)家的青睞。在德國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、奧地利、日本和我國(guó)等國(guó)家已經(jīng)建立起了一定數(shù)量的運(yùn)營(yíng)線路。作為公共交通工具，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組均為行動(dòng)不便旅客提供有無(wú)障礙車(chē)廂：可供輪椅使用者通過(guò)的車(chē)門(mén)、車(chē)內(nèi)過(guò)道、輪椅席位、優(yōu)先座椅、安全抓桿及無(wú)障礙廁所等。

當(dāng)前，歐洲有根據(jù)其人口和地區(qū)特點(diǎn)制定的International Union of Railways（UIC）和Technical Specification for Interoperability（TSI）鐵路標(biāo)準(zhǔn)；日本有根據(jù)其自身人口特點(diǎn)和國(guó)情建立的Japanese National Railways Standard（JRS）。我國(guó)至今未見(jiàn)有關(guān)于鐵路車(chē)輛無(wú)障礙設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有車(chē)輛的設(shè)計(jì)主要參考?xì)W標(biāo)或我國(guó)建筑無(wú)障礙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[12]執(zhí)行。為了使我國(guó)自行研制的動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙環(huán)境更加符合我國(guó)行動(dòng)不便旅客的需求，以我國(guó)人的人體參數(shù)為依據(jù)，利用JACK軟件分別對(duì)動(dòng)車(chē)組的車(chē)門(mén)寬度、無(wú)障礙流線上的直道和彎道寬度、無(wú)障礙廁所等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析。

2 動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙設(shè)計(jì)關(guān)鍵尺寸仿真研究

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

（1）按我國(guó)人體尺寸建立虛擬人模型。根據(jù)由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院按照GB/T 5703—1999[13]最新采集的2009年成年人人體尺寸數(shù)據(jù)資料，在JACK中建立了男性第95百分位、男性第50百分位和女性第5百分位虛擬人模型，分別對(duì)應(yīng)大個(gè)身材、中個(gè)身材和小個(gè)身材（見(jiàn)圖1）。其中，男性第95百分位虛擬人主要用于檢驗(yàn)寬度方向的通行尺寸，只要通行寬度滿足該虛擬人的通行寬度要求，則表明所設(shè)寬度能夠滿足現(xiàn)實(shí)中95%中國(guó)人群的通行要求；女性第5百分位虛擬人主要用于檢驗(yàn)手的操作高度可及范圍，如果控制器高度設(shè)置在該虛擬人手的可及范圍內(nèi)，則表明所設(shè)高度滿足現(xiàn)實(shí)中95%中國(guó)人群的高度可及范圍。對(duì)于坐便器高度等關(guān)系到使用舒適程度的高度，則可用男性第50百分位模型來(lái)檢測(cè)和評(píng)估。

（2）輪椅模型的建立。按動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式的不同，我國(guó)的輪椅車(chē)有手動(dòng)和電動(dòng)之分；按使用的環(huán)境不同，可分為室內(nèi)用、室外用和道路用3種；按輪椅的車(chē)輪個(gè)數(shù)的不同，可分為三輪和四輪2種。GB/T 12996—2012《電動(dòng)輪椅車(chē)》[14]規(guī)定了我國(guó)電動(dòng)輪椅車(chē)的最大外形尺寸，GB/T 13800—2009《手動(dòng)輪椅車(chē)》[15]規(guī)定了我國(guó)手動(dòng)輪椅車(chē)的最大外形尺寸。二者的室內(nèi)、室外型產(chǎn)品詳細(xì)尺寸規(guī)定見(jiàn)表1。綜合考慮到各種類型輪椅車(chē)的使用特點(diǎn)和在我國(guó)使用的普及程度，選擇了最為常用的手動(dòng)四輪輪椅車(chē)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。按市面上常用的手動(dòng)輪椅車(chē)尺寸建立了虛擬輪椅車(chē)模型，其外形尺寸為長(zhǎng)990 mm、寬690 mm、高900 mm，符合并接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的寬度上限尺寸。將建立的三維模型導(dǎo)入JACK，根據(jù)仿真的需要，設(shè)置虛擬人為乘坐輪椅姿勢(shì)。

（3）動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙車(chē)廂模型的建立。按照我國(guó)CRH2型動(dòng)車(chē)組[16]無(wú)障礙車(chē)廂的相關(guān)尺寸（見(jiàn)圖2）建立用于仿真實(shí)驗(yàn)的三維模型，主要有車(chē)門(mén)、無(wú)障礙流線上的直道、無(wú)障礙廁所等。無(wú)障礙流線上的彎道參照CRH3型動(dòng)車(chē)組建立。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

圖1 在JACK中建立的3種百分位虛擬人模型

表1 我國(guó)手動(dòng)輪椅車(chē)、電動(dòng)輪椅車(chē)最大外形尺寸 mm

（1）車(chē)門(mén)仿真實(shí)驗(yàn)。CRH2型動(dòng)車(chē)組的車(chē)門(mén)有效寬度分別為側(cè)門(mén)的997 mm、端門(mén)的960 mm，按照該寬度建立三維模型。選擇男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅的模型作為測(cè)試對(duì)象，在JACK中模擬該模型分別通過(guò)兩扇門(mén)的情況（見(jiàn)圖3）。經(jīng)測(cè)量，男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅的最低通行寬度理論值為885.3 mm。而車(chē)門(mén)的有效寬度大于理論通行最小值，分別為111.7 mm、74.7 mm，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蝽樌ㄟ^(guò)車(chē)門(mén)，但通過(guò)960 mm寬的端門(mén)時(shí)明顯感覺(jué)擁擠，997 mm寬的側(cè)門(mén)通過(guò)性相對(duì)較好。綜合考慮真實(shí)旅客的衣服修正量和心理修正量，車(chē)門(mén)的通行凈空間基本寬度尺寸應(yīng)為950 mm。條件允許的情況下應(yīng)≥950 mm，以1 000 mm以上為宜。

（2）過(guò)道仿真實(shí)驗(yàn)。動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙流線上直線過(guò)道的基本寬度應(yīng)與門(mén)的基本通行寬度一致，至少應(yīng)為950 mm。條件允許的情況下，無(wú)障礙流線上的直線過(guò)道還應(yīng)考慮輪椅使用者與普通乘客的交會(huì)通行情況。直線過(guò)道的寬度除了應(yīng)滿足男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅通行的最小寬度外，還應(yīng)考慮男性第50百分位虛擬人的體厚尺寸（實(shí)際情況中兩個(gè)男性第95百分位的人交會(huì)通行的可能性極?。?。因此無(wú)障礙流線上的直線通道尺寸宜設(shè)置為885.3 mm+278 mm=1 163.3 mm，考慮到衣著修正量和心理修正量，可將其確定為≥1 200 mm。

圖2 CRH2型動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙車(chē)廂局部尺寸

圖3 車(chē)門(mén)的通行仿真實(shí)驗(yàn)

無(wú)障礙流線上的過(guò)道轉(zhuǎn)角處尺寸應(yīng)滿足輪椅最小回轉(zhuǎn)半徑850 mm[15]，CRH2型動(dòng)車(chē)組的側(cè)門(mén)直線通道寬度為1 350 mm，端門(mén)轉(zhuǎn)彎處有直徑約1 812 mm的面積，滿足輪椅最小回轉(zhuǎn)半徑要求。男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅能夠順利完成轉(zhuǎn)彎通行，在JACK中的仿真實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖4（a）。

按照CRH2型動(dòng)車(chē)組無(wú)障礙車(chē)廂的參數(shù)建立彎道模型，其最窄處寬度為926 mm，然后在JACK中以男性第95 百分位虛擬人乘坐輪椅模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4b）。從圖中分析可知，寬度為926 mm處的彎道會(huì)導(dǎo)致輪椅大車(chē)輪和虛擬人的手臂與隔墻擦掛，通行較為困難。彎道最窄處寬度設(shè)置為950 mm寬后能夠滿足基本通行需要，考慮到衣著修正量和心理修正量，可將其最窄處寬度確定為≥1 000 mm。

圖4 通道轉(zhuǎn)角處的仿真實(shí)驗(yàn)

圖5 手的可及范圍仿真實(shí)驗(yàn)

（3）無(wú)障礙廁所仿真實(shí)驗(yàn)。無(wú)障礙廁所包括殘疾人專用坐便器、安全抓桿、沖水按鈕、置物臺(tái)、洗手盆、緊急呼叫裝置、衣物掛鉤、衛(wèi)生紙盒、坐便器紙墊盒、廢物箱。為了考察這些物件的放置高度，用女性第5百分位虛擬人乘坐輪椅模型在JACK中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以虛擬人腰椎為基準(zhǔn)，測(cè)試手臂的可及范圍（見(jiàn)圖5），其中圖5（a）中綠色空間為仿真人右手上下方向的有效活動(dòng)范圍，圖5（b）中藍(lán)色空間為仿真人右手左右方向的有效活動(dòng)范圍。仿真結(jié)果顯示：女性第5百分位虛擬人乘坐輪椅時(shí)手的上下活動(dòng)范圍高度為1 060 mm，離地最小可及范圍為625.7 mm（輪椅車(chē)座面高460 mm），最高可及范圍為1 685.7 mm。女性第5百分位虛擬人乘坐輪椅時(shí)手的左右活動(dòng)范圍為1 060 mm，離地最小可及范圍為625.7 mm（輪椅車(chē)座面高460 mm），最高可及范圍為1 685.7 mm；右手朝右的最大可及長(zhǎng)度為660 mm，左手朝左的最大可及長(zhǎng)度為660 mm（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中虛擬人體位不發(fā)生改變），考慮到真實(shí)人的身體移動(dòng)調(diào)整量，可將水平活動(dòng)的最大可及長(zhǎng)度放寬100～200 mm。因此，無(wú)障礙廁所中設(shè)置的各種物件應(yīng)根據(jù)人的使用習(xí)慣，設(shè)置在這個(gè)空間范圍內(nèi)。

按照?qǐng)D3中的尺寸建立了CRH2型動(dòng)車(chē)組的無(wú)障礙廁所模型，廁所門(mén)寬903 mm，廁所門(mén)口的過(guò)道寬度為1 035 mm，最大轉(zhuǎn)彎直徑約為1 430 mm。在JACK中以男性第95百分位虛擬人乘坐輪椅模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖6（a））。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，需要多次調(diào)整輪椅的位置方能進(jìn)入無(wú)障礙廁所。將廁所門(mén)外的過(guò)道尺寸加寬至1 300 mm以上，或?qū)T(mén)寬度加寬至1 200 mm，均可實(shí)現(xiàn)廁所門(mén)口有約φ1 500 mm的空間，能夠滿足進(jìn)入廁所所需的基本尺寸。無(wú)障礙廁所內(nèi)的有效空間尺寸約為2 000 mm×1 000 mm，輪椅使用者進(jìn)入后不能在內(nèi)完成掉頭，只能反復(fù)調(diào)整輪椅位置才能從門(mén)口退出離開(kāi)廁所（實(shí)際中需要陪護(hù)人員幫助才能完成）。洗手池設(shè)置在進(jìn)門(mén)口的隔墻轉(zhuǎn)角處，離地板面高度為750 mm，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)，符合輪椅使用者的操作可及范圍（見(jiàn)圖6（b））。專用坐便器設(shè)置在遠(yuǎn)離廁所門(mén)的位置，兩側(cè)設(shè)有安全抓桿，左右均有約200 mm的空間，仿真過(guò)程中未見(jiàn)異常（見(jiàn)圖6（c））。

3 結(jié)論

（1）動(dòng)車(chē)組車(chē)廂內(nèi)無(wú)障礙流線上的車(chē)門(mén)宜設(shè)置成左右推拉門(mén)或電動(dòng)拉門(mén)，門(mén)的最小寬度宜為950 mm，條件允許可設(shè)置在1 000 mm以上；無(wú)障礙廁所門(mén)口應(yīng)留有直徑不小于1 500 mm的輪椅回轉(zhuǎn)空間，條件允許可將其尺寸增加到1 700 mm。

（2）動(dòng)車(chē)組車(chē)廂內(nèi)無(wú)障礙流線上的最小直道寬度宜設(shè)置為950 mm，條件允許的情況下可增加到1 200 mm以上；彎道的最小寬度宜為950 mm，條件允許可增加到1 000 mm以上；無(wú)障礙流線上的轉(zhuǎn)角口應(yīng)設(shè)置有不小于φ1 500 mm的輪椅回轉(zhuǎn)空間，條件允許可將其尺寸增加到φ1 700 mm。

圖6 無(wú)障礙廁所的仿真實(shí)驗(yàn)

（3）各種把手、按鈕、安全抓桿、置物臺(tái)、洗手盆、緊急呼叫裝置、衣物掛鉤、衛(wèi)生紙盒、坐便器紙墊盒、廢物箱等應(yīng)根據(jù)人的使用習(xí)慣，布置在離地板面高度630～1 680 mm，水平位置宜在離座便器700 mm范圍內(nèi)。

[1] 周棟，呂川，曾利衛(wèi). 基于JACK的虛擬環(huán)境中一種防止 穿越的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2005(7)：74-76.

[2] 譚正文，薛紅軍，蘇潤(rùn)娥. 基于JACK的民機(jī)駕駛艙可 視性評(píng)估研究[J]. 航空計(jì)算技術(shù)，2010，40(5)：79-81.

[3] 馬智，薛紅軍，蘇潤(rùn)娥. 基于JACK的人體建模與人機(jī)工 效分析[J]. 航空計(jì)算技術(shù)，2008，38(1)：97-100.

[4] 王偉偉，金心，余隋懷，等. 搶險(xiǎn)救援車(chē)儀器布置設(shè)計(jì) 與優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(8)：51-53.

[5] 葛哲學(xué)，吳福章，羅旭，等. 面向航天虛擬操作分析的 航天員人體建模與姿態(tài)仿真技術(shù)[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工 程， 2012，25(5)：359-362.

[6] 盧曉軍，陳英武. 一個(gè)基于JACK的裝甲車(chē)輛虛擬維修訓(xùn) 練系統(tǒng)[J]. 火力與指揮控制，2010，35(6)：107-109.

[7] 張中波. 虛擬維修仿真平臺(tái)JACK上的碰撞仿真算法分析 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(1)：44-46.

[8] 柳輝，李新星. 基于JACK的虛擬人抓握過(guò)程的設(shè)計(jì)及實(shí) 現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2007，33(3)：213-217.

[9] 顧輝，談樂(lè)斌，潘孝斌. 基于JACK的某車(chē)載炮填裝過(guò)程 仿真研究[J]. 人類工效學(xué)，2011，17(4)：48-51.

[10] 李洋. 基于乘務(wù)員特性的機(jī)車(chē)駕駛界面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [D]. 成都：西南交通大學(xué)，2012.

[11] TB 10083—2005 鐵路旅客車(chē)站無(wú)障礙設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[12] GB 50763—2012 無(wú)障礙設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[13] GB/T 5703—1999 用于技術(shù)設(shè)計(jì)的人體測(cè)量基礎(chǔ)項(xiàng)目 [S].

[14] GB/T 12996—2012 電動(dòng)輪椅車(chē)[S].

[15] GB/T 13800—2009 手動(dòng)輪椅車(chē)[S].

[16] 張曙光. CRH2型動(dòng)車(chē)組[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 2008.