李磊　吳揚(yáng)　孫穩(wěn)

【摘 要】登機(jī)門是飛機(jī)人員進(jìn)出的主要通道，是空乘人員接觸最多的飛機(jī)部件之一，良好的人機(jī)工效特性將大大減輕空乘人員的工作負(fù)擔(dān)。以某型客機(jī)的登機(jī)門為例，針對CATIA V5缺少中國人人體模型的問題，采用國標(biāo)構(gòu)建一個完整的中國成年人人體模型尺寸數(shù)據(jù)文件，并利用CATIA V5自帶的人機(jī)工效評價模塊，以該人體模型與歐美人體模型一起對登機(jī)門進(jìn)行人機(jī)工效評價，考察大型客機(jī)登機(jī)門設(shè)計的合理性。評價結(jié)果表明：登機(jī)門人機(jī)工效特性基本滿足設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】登機(jī)門，中國成年人體模型，CATIA V5，人機(jī)工效評價

Ergonomics Evaluation of Passenger Entrance Door in large aircraft

LI Lei WU Yang SUN Wen

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】The Passenger Entrance Door which the main channel in and out of the aircraft， is one of the most aircraft parts applied by flight attendants. Good ergonomics will greatly reduce the workload of flight attendants. Taking the passenger entrance door as an example， aiming at the lack of Chinese human body model in CATIA V5， we use GB to build a complete Chinese human body model. Because CATIA V5 have their own ergonomic evaluation module， we evaluate the Passenger Entrance Door using the human body model of the Chinese and the American to study the rationality of the design of the Passenger Entrance Door. The evaluation results show that the ergonomics performance of the Passenger Entrance Door meet the design requirements.

【Key words】Passenger Entrance Door； Chinese Adult Human； Body Model； CATIA V5； Ergonomics Evaluation

0 引言

大型客機(jī)艙門必須要能夠正產(chǎn)開啟和關(guān)閉，滿足人員、物質(zhì)的進(jìn)出和應(yīng)急撤離的要求，同時在飛行過程中，還需承受氣密、飛行等載荷并維持飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性。而登機(jī)門作為人員進(jìn)出的主要通道，是空乘人員接觸最多的飛機(jī)部件之一，除需具備良好的防差錯設(shè)計，還需要具備良好的人機(jī)工效特性，因此艙門的設(shè)計是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一大難點(diǎn)，艙門的人機(jī)工效評估更是其中關(guān)鍵難點(diǎn)。

目前我國的主機(jī)研究所大都采用三維造型軟件CATIA進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計。CATIA V5自帶人機(jī)工效分析的人體模型，該人體模型具有100多個獨(dú)立的節(jié)段，103個人體測量變量，148個自由度，符合人體的生理結(jié)構(gòu)[1]。CATIA中人體模型可進(jìn)行正向、反向運(yùn)動學(xué)分析，利用該運(yùn)動學(xué)模型，可以進(jìn)行各種姿勢的人機(jī)工效分析。

1 數(shù)字人體模型的建立與選擇

人體模型是進(jìn)行人機(jī)工效學(xué)分析的基礎(chǔ)工具。CATIA 中自帶的人體模型數(shù)據(jù)，來自美國、加拿大、法國、韓國和日本，沒有中國人的人體模型數(shù)據(jù)。設(shè)計人員只能用韓國人或日本人的人體模型代替中國人的人體模型進(jìn)行人機(jī)工效分析評價， 這樣必然會得到不合理的分析結(jié)果，將我國成年人體尺寸（GB10000-88，中國成年人人體尺寸）的數(shù)據(jù)與韓國，日本成年人體尺寸進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

在人機(jī)工效評估中常用的是第5、第50和第95百分位。第5百分位數(shù)代表“小身材”，即只有5%的人群的數(shù)值低于此下限值；第50百分位數(shù)代表“適中”身材，即分別有50%的人群的數(shù)值高于或低于此值；第95百分位數(shù)代表“大”身材，即只有5%的人群的數(shù)值高于此上限值。

從表1中可以看出，中國女性在身高和臂長等方面均與日韓女性有差異，因此準(zhǔn)確的評估客機(jī)登機(jī)門設(shè)計首先需要建立一個中國成年人的數(shù)字人體模型，需應(yīng)用我國的中國成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)（GB10000-88），在CATIA中建立相應(yīng)的人體數(shù)據(jù)模型。

2 建立新的人體模型尺寸數(shù)據(jù)文件

CATIA中新的人體模型文件通常以.sws的格式保存，一個人體模型文件最多可能包含四個字段，用到以下的關(guān)鍵字[2]：

MEAN_STDEV M（）

MEAN_STDEV F（）

CORR M（）

CORR F（）

MEAN _STDEV段中，需要填入人體變量的具體數(shù)值， 包括平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，每一個條目占一行，并以﹤變量﹥﹤平均值﹥﹤標(biāo)準(zhǔn)差﹥的方式填入。平均值系統(tǒng)默認(rèn)厘米為單位， 標(biāo)準(zhǔn)差是建立在厘米單位基礎(chǔ)上得出的數(shù)據(jù)。

CORR段中， 需要填入任意兩對變量間的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)值， 兩個變量間的相關(guān)性被定義在-1.0～1.0范圍之間的一個數(shù)值。表示了兩個變量之間的相關(guān)性， 相關(guān)絕對值越高， 變量間的彼此相關(guān)性就越高。

3 計算中國人體尺寸各部分標(biāo)準(zhǔn)差

CATIA中建立人體模型文件時，平均值為50百分位的男女尺寸數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)差則需根據(jù)以下公式計算：

式中，pv為人體尺寸的v百分位數(shù)，為相應(yīng)人體尺寸的50百分位數(shù)，s為相應(yīng)人體尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差，k為人體百分位數(shù)對應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其值見表3。k小于50百分位時公式（1）中取-號， 反之大于50百分位時取+號。

不同的百分位對應(yīng)不同數(shù)據(jù)文件， 每一個數(shù)據(jù)文件的格式、變量序號和均值均相同， 唯一不同的是標(biāo)準(zhǔn)差， 每一個百分位人體對應(yīng)一個標(biāo)準(zhǔn)差。最終建立的中國成年人的人體模型尺寸數(shù)據(jù)如圖1所示。

4 客機(jī)登機(jī)門的人機(jī)工效評估

考慮到航空公司大部分空乘人員均為女性，比較CATIA中已有的西方女性人體模型參數(shù)，如表4：

綜合表1和表4，可以得到以下結(jié)論：

臂長：中國女性<韓國女性<日本女性<法國女性≈加拿大女性<美國女性

身高：中國女性<韓國女性≈日本女性<加拿大女性<法國女性<美國女性

因此綜合考慮，選擇第5百分位的中國女性和第95百分位的美國女性來評估登機(jī)門的人機(jī)工效。

5 人體模型的定位

位置和姿勢是影響人機(jī)工效分析效果的重要因素。首先需要根據(jù)飛機(jī)的設(shè)計參數(shù)來約束人體模型的位置和姿勢，從而避免與設(shè)計意圖和作業(yè)空間沖突，此外，人體模型的姿勢必須與現(xiàn)實(shí)中人體操作習(xí)慣接近。登機(jī)門位于客機(jī)機(jī)頭左側(cè)，空乘人員通常使用內(nèi)手柄開關(guān)登機(jī)門，內(nèi)手柄位置參數(shù)如圖2所示：

內(nèi)手柄關(guān)閉位置離地高度為873mm，打開位置離地高度為1390mm，旋轉(zhuǎn)角度為119。內(nèi)手柄關(guān)閉位置離地高度大于第5 百分位數(shù)中國女性的手功能高680mm（GB10000-88，中國成年人人體尺寸），同時也大于第95百分位數(shù)美國女性的手功能高757.5mm，即操作手柄打開時，第5百分位數(shù)女性直立即可抓住內(nèi)手柄。

6 開門姿勢舒適性評估

利用CATIA的人機(jī)工效模塊進(jìn)行人機(jī)工效分析前，必須要定義好各關(guān)節(jié)自由度的舒適角度和得分值。首先，根據(jù)身體各部位的活動角度范圍編輯各部位的角度界限值，在將各部位不同自由度下的活動范圍分別劃分為幾個區(qū)域，包括最舒適區(qū)域（綠色），次舒適區(qū)域（黃色），和不舒適區(qū)域（紅色），最舒適區(qū)域[4]即為首選角度，設(shè)定其得分為90分，黃色區(qū)域得分為70分，紅色區(qū)域得分為60分，如圖4所示，CATIA軟件會根據(jù)當(dāng)前姿勢下各自由度所處的角度及分值進(jìn)行插值和加權(quán)計算，最后得出評估分?jǐn)?shù)。

設(shè)定人體模型各個關(guān)節(jié)的舒適角度后， 便可進(jìn)入姿態(tài)分析階段。對空乘人員開關(guān)登機(jī)門過程中的任意一個姿態(tài)都可以評估分析其舒適與否，如下圖4、圖5所示：

7 結(jié)論

根據(jù)國標(biāo)的中國成年人人體尺寸，建立了中國成年人人體尺寸數(shù)字模型，并對所建立的模型在CATIA中進(jìn)行了實(shí)際操作環(huán)境的定位約束，在規(guī)定了各關(guān)節(jié)舒適角度的基礎(chǔ)上進(jìn)行了姿勢評估。結(jié)果表明：

1）登機(jī)門的設(shè)計基本滿足了空乘人員的功能需求，具備良好的使用體驗。

2）身高更高的女性，操作登機(jī)門的舒適程度更高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王黎靜.基于2003年標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的中國飛行員人體模型[J].計算機(jī)應(yīng)用研究， 2005，32（4）：194-195.

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[4]李冬屹，陳波.基于CATIA V5的石油鉆機(jī)司鉆控制房的人機(jī)分析[J].石油機(jī)械，2008，36（4）：58-61.

[5]陳旭，賈萬明，伍鏡儒，王哲琪.中國成年人人體尺寸模型與駕駛姿勢分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報，2012，26（10）：1-5.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]