王春雨, 楊 振, 胡小才, 蔣祖華

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200240;2.上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

0 引 言

在船舶的日常運(yùn)營中，海水總管因為海水的腐蝕會發(fā)生滲漏，需要以五年為周期定期更換[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，允許在虛擬環(huán)境下對作業(yè)做事前模擬，而無需建造物理樣機(jī)或等待真實作業(yè)發(fā)生[2-3]。因此，船舶維修方希望在真實的更換作業(yè)實施之前，采用仿真的方法，對現(xiàn)有管系維修手冊上的作業(yè)流程進(jìn)行分析并改進(jìn)，并對作業(yè)空間加以改善。海水總管螺栓組的拆卸是整個更換作業(yè)的第一個步驟，通過與工程師交流和作業(yè)現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)可能影響拆卸作業(yè)的工作流程和空間上的潛在問題：1)單對法蘭盤上一組螺栓數(shù)量可觀，拆卸一段海水總管至少要對兩對法蘭進(jìn)行操作，整個過程中存在大量重復(fù)動作；2)前方有管路支架上有管路遮擋，可能影響螺栓拆除作業(yè)；3)海水總管與后方隔斷墻之間空間狹窄，可能會限制維修人員的姿勢，導(dǎo)致可視性和可達(dá)性不能滿足作業(yè)需求并且易引起作業(yè)者勞損。

針對上述三個潛在的問題，運(yùn)用CATIAV5軟件，搭建了海水總管拆卸作業(yè)的虛擬場景，分析了拆卸作業(yè)的流程并進(jìn)行了工作時間改善。運(yùn)用人因工程學(xué)原理[4]的分析，改善了機(jī)艙內(nèi)拆卸現(xiàn)場作業(yè)空間的遮擋問題。使用快速上肢評估(RULA)對作業(yè)者的作業(yè)姿勢進(jìn)行分析打分，對潛在易傷要點給出警示和改進(jìn)建議。

1 人員作業(yè)的人因分析方法

1.1 MOD法

預(yù)定時間標(biāo)準(zhǔn)法(Predetermined Time Standard，PTS)是制定時間標(biāo)準(zhǔn)以預(yù)測工作時間的技術(shù)。它不是通過直接觀察和測定，而是利用預(yù)先為各種動作制定的時間標(biāo)準(zhǔn)來確定進(jìn)行各種操作所需要的時間。MOD法是一種常用的PTS方法，根據(jù)操作者的動作部位、動作距離、工作負(fù)荷等參數(shù)，借助作業(yè)對象模型、工作環(huán)境布置、操作指南等信息輔助，通過分析計算可以確定標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程并預(yù)測完成作業(yè)所需時間[5]。

使用MOD法對作業(yè)流程進(jìn)行分析，需要將作業(yè)動作分解為由21種人體基本動作單元組成的動作序列。MOD法中21種人體基本動作符號與動作時間關(guān)聯(lián)，動作時間是MOD的整數(shù)倍，而MOD選取正常人的最低級、最快速、能耗最少的一次無負(fù)荷手指動作(移動2.5cm)耗時作為單位時間。因此在分析動作序列的基礎(chǔ)上，實踐中根據(jù)操作者的差異性調(diào)整MOD值即可快速確定當(dāng)前作業(yè)的工作時間。文中分析取1MOD=0.129s作為基本動作時間[6]。

1.2 快速上肢評估RULA

在狹窄的空間中進(jìn)行長時間、大負(fù)荷的手工作業(yè)，易引發(fā)肌肉骨骼損傷(MSD，musculoskeletal disorders)[7]。通過有效的人因?qū)W評估來降低工作過程中MSDs的發(fā)生風(fēng)險，是目前工作MSDs預(yù)防的一個主流研究方向，其中快速上肢評估法(RULA,RapidUpperLimbAssessment)已被證明是一種有效且可靠的評估分析工具[8]。RULA主要針對某一作業(yè)姿勢下的受力狀態(tài)和肌肉施力狀態(tài)進(jìn)行分析，以分?jǐn)?shù)評估上肢肌肉受傷的風(fēng)險。

RULA將人體動作組成要素分為兩大部分：手腕手臂部分、頸部以下部分，兩部分評分方法如下[9]：

1) 手腕手臂動作評分：手臂的動作要素可分解為上臂偏離中心位置角度與下臂偏離中心位置角度，手腕的動作要素是手腕偏離中心位置角度和是否扭轉(zhuǎn)。首先，根據(jù)作業(yè)姿勢得出上臂、下臂和手腕評分，上臂評分、下臂評分、手腕評分和手腕扭轉(zhuǎn)評分綜合得到手腕手臂部分基礎(chǔ)評分。然后，考慮負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷不到2 kg 忽略，2-10 kg 間歇動作記1 分/靜態(tài)維持或者多次重復(fù)記2 分，10 kg以上或者數(shù)次重復(fù)記3 分。 考慮肌肉施力狀態(tài)，動作靜態(tài)持續(xù)時間超過1 min 或者每分鐘重復(fù)超過4 次，肌肉施力程度記1 分。將手腕和手臂姿勢、負(fù)荷狀態(tài)和肌肉施力程度三項評分相加即可得到手腕手臂動作評分。

2) 頸部以下動作評分：頸部以下動作分解為頸部、軀干、腿部三個組成。頸部的動作要素是頸部偏離中心位置角度，頸部前傾10°到豎直狀態(tài)記1分，前傾10°到20°記2分，前傾大于20°記3分，后仰記4分。軀干的動作要素是軀干偏離中心位置的角度，豎直站立至后仰10°或有靠背坐姿后仰20°記1分，豎直站立至前傾20°或無靠背坐姿后仰20°記2 分，前傾20°至60°記3分，前傾大于60°記4分。腿部動作要素是雙腿受力平衡性，雙腿受力平衡記1 分，不平衡記2 分。頸部、軀干和腿部評分綜合得頸部以下部分基礎(chǔ)評分。然后，考慮負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷不到2 kg 忽略，2-10 kg 間歇動作記1 分/靜態(tài)維持或者多次重復(fù)記2 分，10 kg以上或者數(shù)次重復(fù)記3 分。 考慮肌肉施力狀態(tài)，動作靜態(tài)持續(xù)時間超過1 min 或者每分鐘重復(fù)超過4 次，肌肉施力程度記1 分。將頸部以下部分基礎(chǔ)評分，負(fù)荷狀態(tài)和肌肉施力程度三項評分相加即為頸部以下部分動作評分。

將兩大部分的評分匯總，從表1中可確定當(dāng)前作業(yè)姿勢的最終評分。CATIA中集成了基于人體模型的RULA自動計算功能，并且可以展示上臂、下臂、手腕、頸部、軀干五部位的詳細(xì)評分，1～2分為可接受的，3～4分為需進(jìn)一步調(diào)查，5～6分為需進(jìn)一步調(diào)查并盡快改善，7分為需立即改善的。采用RULA對作業(yè)姿勢做靜態(tài)分析。

表1 作業(yè)姿勢最終評分表

2 基于CATIA的虛擬作業(yè)場景搭建

使用CATIA中的HumanBuilder功能，創(chuàng)建維修人員的全尺寸模型，生成具有精確結(jié)構(gòu)層次的數(shù)字人體模型，其中人體尺寸數(shù)據(jù)取自《中國成年人人體尺寸》(GB10000-88)。考慮到標(biāo)準(zhǔn)的采樣數(shù)據(jù)年代較早，因此采用較大百分位范圍(第95百分位)的人體尺寸值。

CATIA中人機(jī)工程學(xué)模塊和機(jī)械設(shè)計功能無縫集成，可以直接導(dǎo)入使用CATIA設(shè)計的三維模型搭建作業(yè)場景。且這些讀入的模型和源文件之間是強(qiáng)關(guān)聯(lián)的[10]，對模型源文件的修改可以自動同步到場景模型中。搭建完成的場景三維渲染如圖1、2所示。

圖1 船艙底層海水總管及周邊管系場景模型渲染圖

圖2 海水總管法蘭部分視圖

3 拆卸作業(yè)的人因仿真與分析

3.1 工作時間分析

根據(jù)管系拆卸維修手冊要求，海水管系結(jié)構(gòu)圖，按海水總管拆卸步驟確定拆卸操作，螺栓組拆卸工序的基本步驟過程如下：

(1)移動到作業(yè)平面；

(2)握取電動扳手；

(3)定位螺栓；

(4)使用電動工具；

(5)去除工具和螺釘；

(6)放置螺釘和螺帽；

(7)放下電動扳手；

重復(fù)(1)～(7)。

海水總管間法蘭通過20對螺栓相連，圍繞法蘭一周，不同位置的螺栓操作條件差別很大，應(yīng)區(qū)別分析。因此，將拆卸螺栓的情景劃分為4個操作空間，對應(yīng)的操作對象(螺栓)所處位置如圖3所示

圖3 操作空間的劃分

拆卸1號空間位置的螺栓仿真截圖如圖4所示。

圖4 拆卸螺栓組的仿真模型

在實例中，電動扳手工具重2.2kg，考慮重量因素L1×2；單對螺栓重量3.9kg，考慮重量因素L1，,放寬設(shè)定為20%。以1號操作空間為例，改進(jìn)前的單次拆卸螺栓的雙手MOD法分析如表2。

表2 單次拆卸螺栓MOD法分析表

由上表分析可知，一般維修人員采用正常速度進(jìn)行拆卸螺栓的動作時間值為59MOD，即59×0.129=7.61s，考慮放寬20%為t1=9.13s。考慮到每次操作使用反射動作的次數(shù)略有不同，上述分析值也會有所差別，但浮動值一般不超過0.5s。

維修人員在不同操作空間之間切換，需要移動站位和更改姿勢，但不同的操作空間對操作時間的影響不大，因此只考慮移動站位和更改姿勢帶來的時間增加。這種切換耗時受空間限制影響顯著，因此不適用MOD法，取四個操作空間切換時間的均值=60s。

綜上，可求得單組(20對)螺栓拆卸作業(yè)耗時(T)為T=9.13×20+60×4=422.6s

3.2 工作時間改善

通過觀察，可以發(fā)現(xiàn)以上的作業(yè)流程存在兩個問題：

1)電動扳手重量較重，給每一步動作都增加了重量因素L1*2；

2)單組螺栓有20對，考慮整合整組螺栓的操作動作，減少一些往復(fù)運(yùn)動。

因此進(jìn)行如下改進(jìn)：

1)使用“伸縮繩”將電動扳手懸掛起來，抵消電動扳手帶來的重量因素L1*2，并減少了電動扳手和對象螺栓之間的距離，可以降低單次拆卸螺栓抓取電動扳手的大臂動作M4為小臂動作M3，如圖5所示；

圖5 使用伸縮繩懸掛的電動扳手

2)整合整組螺栓的操作動作，將“單次拆卸螺栓”作業(yè)分解為“擰松螺栓”和“擰下螺栓”兩步子作業(yè)，然后重復(fù)兩步子作業(yè)，兩步新動作的MOD分析如表3所示，如此可減少拆卸整組螺栓移動電動扳手的總次數(shù)。

表3 “擰松螺栓”和“擰下螺栓”MOD法分析表

圖6 改進(jìn)前后動作流程示意圖

3.3 作業(yè)空間仿真與分析

由于海水總管所處機(jī)艙底層，油路、水路、冷卻水路的管路集中于此，因此在海水總管周邊形成了遮擋，維修人員可活動空間有限。為保障作業(yè)，需要拆除一些遮擋物、改進(jìn)工具布置，創(chuàng)造合適的作業(yè)空間，使維修人員可以對操作對象進(jìn)行良好觀察和充分活動，稱之為“可達(dá)性分析”。廣義上的“可達(dá)”包括三個方面的內(nèi)容：

1) 實體可達(dá)，維修人員應(yīng)能夠接觸目標(biāo)件。

2) 視覺可達(dá)，維修人員應(yīng)能夠看得到目標(biāo)件以及自己的操作動作，如在目視情況下進(jìn)行的視覺定位動作、連續(xù)動作、逐次動作和反復(fù)動作等。

3) 作業(yè)空間可達(dá)，維修人員應(yīng)能夠有足夠的操作空間，根據(jù)人體尺寸設(shè)計，作業(yè)空間應(yīng)大于人體最小作業(yè)空間。

CATIAV5的人機(jī)工程學(xué)模塊中提供了實時生成虛擬人員視野的功能，用于判斷維修部位是否視覺可達(dá)；提供了可達(dá)包絡(luò)(Reach Envelope)的生成功能，用球狀面描述了人體上肢能觸及到的范圍，其中包含了碰撞檢測算法，可以精確判斷維修部位是否實體可達(dá)。

圖7所示是四種操作空間維修人員姿態(tài)的可視性分析，在現(xiàn)行作業(yè)姿勢下，視角可以覆蓋操作工具和操作對象，不構(gòu)成障礙。

圖7 四種操作空間的可視性分析

圖8所示是四種操作空間維修人員姿態(tài)的可達(dá)性，其中1號、2號、4號操作空間維修工人活動空間充足，站立原點四周空間大于人體最小作業(yè)空間，不會對拆卸作業(yè)構(gòu)成障礙。3號操作空間在滿足實體可達(dá)及視覺可達(dá)條件時，沒有合理的姿勢能夠保證作業(yè)空間可達(dá)，分析后認(rèn)為，可考慮拆除作業(yè)位置背側(cè)的一根管路支架，以改善作業(yè)空間大于人體最小作業(yè)空間。

圖8 四種操作空間的可達(dá)性

3.4 作業(yè)姿勢的RULA評估

海水總管周邊空間狹窄，如圖9，限制了作業(yè)者的作業(yè)姿勢，維修手持電動扳手對螺栓組進(jìn)行操作時，身體部位疲勞積累易導(dǎo)致勞損和效率降低。采用RULA對作業(yè)姿勢進(jìn)行評估，預(yù)測作業(yè)中易發(fā)生MSD的脆弱點，針對性地提出預(yù)防措施。

圖9 應(yīng)用預(yù)防措施后預(yù)測RULA分析結(jié)果

拆卸螺栓組的作業(yè)姿勢可以歸納為站立拆卸和蹲坐拆卸兩種。圖10-a是維修人員站立拆卸姿勢的復(fù)現(xiàn)，圖10-b和圖10-c分別是左右側(cè)肢體RULA分析。由評估可知，維修人員兩側(cè)肢體中手腕評分均較高，說明握持電動扳手操作時手腕是脆弱點，應(yīng)避免手腕扭轉(zhuǎn)姿勢并使用保護(hù)器具；右前臂和肌肉負(fù)荷狀態(tài)是上肢部分另兩處風(fēng)險較高的部分，主要因素為電動扳手的重量帶來的負(fù)荷，采用3.2節(jié)中的方法將電動扳手懸掛以分散重量影響，可以將肌肉負(fù)荷降低一個檔次；頸部以下部分評估需要注意，主要因素為該姿勢長久靜態(tài)保持導(dǎo)致的脆弱，縮短工作時間配合作業(yè)間休息可有效降低該部位的風(fēng)險。采取上述改進(jìn)后，再次進(jìn)行RULA分析，如圖11，顯著降低了各部位的評估，可以證明預(yù)防性措施的有效性。

圖10 站立拆卸作業(yè)姿勢與左右側(cè)RULA分析

圖11 海水總管與海水濾器連接法蘭

圖12-a是維修人員蹲坐拆卸姿勢的復(fù)現(xiàn)，圖12-b和圖12-c分別是左右側(cè)肢體RULA分析。由評估可知，蹲坐姿勢時的維修人員主要的易傷風(fēng)險來自于肌肉負(fù)荷，因此將電動扳手的重量分散配合作業(yè)間休息可有效削減MSD的風(fēng)險，如圖13，肌肉負(fù)荷減輕后可以看到該作業(yè)姿勢下的脆弱顯著下降。

圖12 蹲坐拆卸作業(yè)姿勢與左右側(cè)RULA分析

圖13 應(yīng)用改進(jìn)措施后預(yù)測RULA分析結(jié)果

4 結(jié) 語

針對海水總管螺栓組拆卸作業(yè)這一狹窄空間內(nèi)的人工作業(yè)，首先通過對作業(yè)空間及空間內(nèi)設(shè)備的尺寸進(jìn)行測量，利用CATIA軟件搭建了工作場景的虛擬模型。在工作場景模型里加入人體模型，并據(jù)此對待分析作業(yè)進(jìn)行工作時間分析、作業(yè)空間仿真和作業(yè)姿勢評估，最終經(jīng)優(yōu)化與驗證后可形成標(biāo)準(zhǔn)工作流程、結(jié)構(gòu)障礙物設(shè)計修正建議、易傷風(fēng)險警示與預(yù)防等成果。上述工作可總結(jié)為拆卸作業(yè)人因工程學(xué)仿真和分析的一般流程，如圖14。

圖14 拆卸作業(yè)人因工程學(xué)仿真分析的一般流程

應(yīng)用人因工程學(xué)的原理和方法,結(jié)合工程師訪談和管系維修手冊,對現(xiàn)行拆卸作業(yè)流程的工作時間進(jìn)行了分析，采用懸掛工具和重新排定動作順序的方法，改善了作業(yè)時間。并利用CATIAV5軟件的人機(jī)工程學(xué)模塊，分析了作業(yè)空間的視覺可達(dá)性和空間可達(dá)性，評估了站立拆卸和蹲坐拆卸兩種作業(yè)姿勢。由于人體尺寸的國家標(biāo)準(zhǔn)推出年代較早，依據(jù)該尺寸建立的人體模型只能做預(yù)測性的分析，如果在下一步的應(yīng)用中加入對目標(biāo)維修人員群體人體尺寸的考慮，可以提供更加準(zhǔn)確地改進(jìn)建議。