劉吉雙，陳飛，葉清，蔡國輝，袁鑫

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

TECNOMATIX系統(tǒng)在核電維修中的應(yīng)用研究

劉吉雙，陳飛，葉清，蔡國輝，袁鑫

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

基于TECNOMATIX軟件，從工程應(yīng)用角度，介紹核電虛擬維修仿真與評價的一般流程與方法。結(jié)合某計量泵的解體檢修過程，通過構(gòu)建虛擬維修仿真場景，依據(jù)計量泵解體的具體過程對其進(jìn)行可達(dá)性與可視性、拆卸姿勢、工作負(fù)荷等與維修性相關(guān)的人機(jī)工效分析，并輸出維修仿真視頻指導(dǎo)工人現(xiàn)場工作。

虛擬維修；計量泵；人機(jī)工效分析

0 前言

在核電站中，反應(yīng)堆的特殊運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致設(shè)備故障率較高，為保證其能快速恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，要求維修人員具備良好的現(xiàn)場維修技能。核電設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配技術(shù)要求高，維修人員要在較短時間內(nèi)掌握設(shè)備拆裝工藝，實(shí)現(xiàn)就地維修有很大困難。在傳統(tǒng)的維修培訓(xùn)中，人們往往結(jié)合紙質(zhì)技術(shù)資料和簡單的等比例物理樣機(jī)對受訓(xùn)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其對維修對象的結(jié)構(gòu)形式和維修過程進(jìn)行學(xué)習(xí)和了解。在培訓(xùn)中，紙質(zhì)技術(shù)資料顯示的內(nèi)容不直觀。而利用物理樣機(jī)進(jìn)行培訓(xùn)，則會因?yàn)闃訖C(jī)的型號、數(shù)量以及場地限制，使受訓(xùn)人員的數(shù)量和質(zhì)量受到影響，從而降低培訓(xùn)效率。此外，在核電設(shè)備維修過程中，還存在著作業(yè)空間狹小、維修操作不正確、工人操作姿勢不科學(xué)，以及作業(yè)強(qiáng)度大等諸多難以回避的問題。

伴隨著運(yùn)動仿真學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了很快的發(fā)展。在基于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，利用建模技術(shù)，對核電維修過程中所涉及的設(shè)備、工具、工人以及廠房進(jìn)行建模，之后將建好的三維模型集成到虛擬的維修場景中，依據(jù)實(shí)際維修過程對該設(shè)備模型進(jìn)行虛擬維修仿真，提前發(fā)現(xiàn)維修過程中存在的不合理操作，然后結(jié)合人機(jī)工效分析對維修過程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。TECNOMATIX是德國西門子公司推出的一款虛擬維修仿真軟件，其強(qiáng)大的3D設(shè)計功能保證了進(jìn)行虛擬維修仿真的可行性與可靠性。本文結(jié)合某計量泵的解體檢修過程，探討TECNOMATIX系統(tǒng)在核電維修中的應(yīng)用方法，總結(jié)開展核電虛擬維修的優(yōu)勢和在后續(xù)工作中需進(jìn)一步解決的問題。

1 核電設(shè)備虛擬維修過程

1.1 虛擬維修仿真流程

TECNOMATIX的虛擬維修仿真流程，以實(shí)際維修過程為基礎(chǔ)，在建立虛擬維修對象、工具以及維修人員人體模型的基礎(chǔ)上，將整個維修過程形象、逼真的再現(xiàn)出來，同時利用人機(jī)工效分析對維修過程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最后將虛擬維修過程以視頻的形式輸出。仿真流程見圖1。

1.2 構(gòu)建虛擬維修環(huán)境

對核電設(shè)備進(jìn)行維修仿真及評價，需要在計算機(jī)上建立設(shè)備、工人、工具和廠房模型，要求設(shè)備模型能夠表現(xiàn)出實(shí)體的幾何、物理特性并能描述零部件間的關(guān)聯(lián)運(yùn)動和約束關(guān)系，人體模型可以代表不同比例人群的身體特征，廠房模型則需合理地反映廠房的布局。在TECNOMATIX中，通過人機(jī)工程模塊來創(chuàng)建維修人員的全尺寸模型；設(shè)備模型和廠房模型則可以通過讀取CAD軟件中的三維數(shù)據(jù)模型文件來進(jìn)行加載。在完成三維建模后，將維修作業(yè)涉及的對象集成到一個虛擬的維修場景中。

圖1 核電設(shè)備維修過程仿真流程圖

2 維修工藝規(guī)劃

在完成虛擬維修環(huán)境的構(gòu)建之后，要對維修作業(yè)進(jìn)行分析，以便制定維修工序，劃分維修操作。任何一個維修事件都是由若干維修單元（維修工序）構(gòu)成，每個維修單元則是由若干維修操作動作合成，將操作動作進(jìn)一步分解后，即得到運(yùn)動的最基本的單元——動素[1]。任何動作單元都可以由若干個不同的動素進(jìn)行合成。

不同維修單元涉及的部件以及執(zhí)行的維修操作不同，因此在維修單元制定之后，要根據(jù)實(shí)際維修情況確定維修單元之間的操作順序，并對各維修單元進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計，確定各維修單元操作的部件以及該維修單元執(zhí)行的維修操作，使維修過程標(biāo)準(zhǔn)化。在TECNOMATIX系統(tǒng)里對維修作業(yè)的分析主要表現(xiàn)為對維修過程進(jìn)行工藝規(guī)劃（圖2）。

3 維修過程仿真

虛擬維修仿真是在虛擬環(huán)境下對實(shí)際維修過程進(jìn)行再現(xiàn)和預(yù)演，要求能夠形象、逼真地反映出維修過程中設(shè)備、維修人員以及工具所發(fā)生的各種行為[2]。完成維修工藝規(guī)劃之后，用戶可利用TECNOMATIX系統(tǒng)對維修過程中人的運(yùn)動、操作姿勢以及人與維修對象之間發(fā)生交互運(yùn)動進(jìn)行仿真，真實(shí)地反映出整個維修過程。并在仿真過程中實(shí)時進(jìn)行干涉檢查，檢查在維修過程中工人、設(shè)備、工具與環(huán)境之間是否存在干涉，以便及時調(diào)整維修操作。

4 仿真過程分析

仿真過程分析是在詳細(xì)了解維修任務(wù)的基礎(chǔ)上，考慮各維修操作的協(xié)調(diào)性以及維修過程中維修人員作業(yè)空間的開敞性，對維修過程進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，刪除無效的維修動作、降低運(yùn)輸工作量等，從而減少維修作業(yè)時間。

5 人機(jī)工效評定

目前，核電維修作業(yè)仍屬于重體力作業(yè)，很容易引起疲勞作業(yè)。設(shè)備、環(huán)境等因素都會對人體的心理、生理產(chǎn)生直接或間接的影響，從而影響維修操作。另外，維修過程中的可達(dá)性、可視性與干涉碰撞現(xiàn)象也會影響工人的維修操作。人機(jī)工效分析主要對環(huán)境、設(shè)備以及工人之間的相互關(guān)聯(lián)性、相互協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析評估，進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以保證工人操作的安全性和舒適性并提高工作效率[3、4]。

（1）工作負(fù)荷分析。單位時間內(nèi)人體承受的體力活動工作量即體力工作負(fù)荷必須處于一定的范圍之內(nèi)。目前國際上廣泛采用的工作負(fù)荷定量分析方法是人體動作能耗預(yù)測模型，用能耗來分析工作負(fù)荷[5]。該模型采用基于動作分解的方法，將維修操作分解為基本的維修動素，通過維修動素的能耗累加得到執(zhí)行維修作業(yè)的總能耗。

（2）可視性與可達(dá)性分析。在維修過程中，可視性與可達(dá)性是最基本的要求，即：維修人員要能夠看見即將操作的部件以及自己的維修操作，并且在指定的維修地點(diǎn)能夠伸手觸及將要進(jìn)行維修操作的部件。

（3）干涉碰撞分析。干涉碰撞分析主要是檢查在維修過程中人體模型與維修對象、工具與維修環(huán)境之間是否存在干涉[6]。當(dāng)發(fā)生干涉現(xiàn)象時，可以通過調(diào)整人體模型的作業(yè)姿勢以及運(yùn)動路徑來進(jìn)行優(yōu)化。

（4）作業(yè)姿勢分析。作業(yè)姿勢分析有OWAS、NOISH、RULA等分析方法。OWAS（Ovako Working-posture Analyzing System）用于分析維修人員工作時的身體姿勢，并依照該姿勢所可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害程度予以評定等級，提供維修人員對現(xiàn)場工作進(jìn)行改善的參考依據(jù)[6]。OWAS主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個部位的姿勢和人體承受的負(fù)重，然后根據(jù)這5項(xiàng)進(jìn)行編碼，之后將編碼按照特定的組合方式展現(xiàn)出來。通過綜合分析這5種要素之間的相互作用，來評定4種疲勞等級，代表當(dāng)前姿勢的健康程度以及需改進(jìn)的迫切程度。OWAS編碼定義以及疲勞等級分類（圖3）。

例如，計量泵維修仿真，選用計量泵解體檢修過程作為研究實(shí)例，結(jié)合虛擬維修仿真操作流程，分別建立計量泵、工具、廠房以及人體等模型后，集成到虛擬環(huán)境中，并進(jìn)行布局，從而真實(shí)模擬維修環(huán)境（圖4）。

圖2 維修事件分解圖

圖3 OWAS編碼定義以及疲勞等級分類

圖4 虛擬維修環(huán)境

在完成虛擬維修環(huán)境構(gòu)建之后，進(jìn)行維修工藝規(guī)劃。本例為計量泵的解體檢修過程，維修工作人員可根據(jù)實(shí)際檢修過程在TECNOMATIX中對各道工序進(jìn)行更細(xì)致的劃分，得到該檢修過程的工藝樹（圖5）。

圖5 計量泵解體檢修工藝樹

完成工藝規(guī)劃之后，就要進(jìn)行維修過程仿真及分析。維修過程仿真是在計算機(jī)中對維修過程進(jìn)行模擬，將計量泵解體檢修過程中人體動作以及設(shè)備、工具的運(yùn)動路徑真實(shí)的展現(xiàn)出來，并在模擬過程中實(shí)時進(jìn)行干涉檢測，以便發(fā)現(xiàn)維修過程中不合理之處，提前解決實(shí)際維修中可能存在的問題。圖6是工人維修仿真場景。對于維修過程中存在的不合理之處，可通過調(diào)整工序順序以及部件運(yùn)動路徑來進(jìn)行改善。

在完成維修過程仿真之后，依據(jù)人機(jī)工效原理對維修過程進(jìn)行人機(jī)工效分析，如圖7所示。

通過工作負(fù)荷分析來衡量人體疲勞度，判斷工人在維修操作過程中是否疲勞作業(yè)；通過干涉碰撞分析，可以檢測工人在維修過程中是否與周圍的物體存在干涉，從而改善工人的操作姿勢及運(yùn)動路徑，消除維修事故；通過可視性分析，檢查故障部件是否在工人的視野范圍內(nèi)，防止誤操作以及事故的發(fā)生；通過可達(dá)性分析，檢查在操作過程中故障部件是否處于人體可達(dá)范圍之內(nèi)；通過人體姿態(tài)優(yōu)化，保證工人在較長時間處于舒適的工作姿勢，推遲疲勞作業(yè)。最后，對仿真過程產(chǎn)生的視頻進(jìn)行輸出，對現(xiàn)場工作人員進(jìn)行維修操作指導(dǎo)，圖8。

圖6 維修過程仿真

圖7 人機(jī)工效分析

圖8 維修仿真視頻文件輸出

6 結(jié)束語

通過講述TECNOMATIX系統(tǒng)在核電維修上的應(yīng)用過程，并以計量泵的解體檢修過程為實(shí)例進(jìn)行虛擬維修仿真，維修人員可提前模擬真實(shí)的維修過程，提高維修人員的實(shí)際維修能力；在仿真過程中結(jié)合人機(jī)工效分析，改善維修過程中不合理的操作與姿勢，減少疲勞作業(yè)，降低人為因素對核電維修事故的影響；仿真生成的演示視頻文件，對現(xiàn)場作業(yè)有一定指導(dǎo)意義，可用于對維修人員進(jìn)行培訓(xùn)的素材，減少培訓(xùn)周期。

［1］柳輝，郝建平.基于虛擬維修仿真的維修性分析系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，2.

［2］郝建平.虛擬維修仿真理論與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［3］郭伏，錢省三.人因工程學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］袁修干，莊達(dá)民.人機(jī)工程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社. 2002.

［5］尹良.基于虛擬裝配仿真的人機(jī)工效分析[D].武漢:華中科技大學(xué)，2012.

［6］王異香.基于虛擬維修的仿真人機(jī)工效分析研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

〔編輯 王永洲〕

TM623

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.01