范沁紅，江星辰

（太原科技大學機械工程學院，山西太原 030000）

0 引言

隨著科學技術的進步，軌道交通生產制造行業(yè)對運載工具的性能要求逐漸向運載工具的舒適性等要求傾斜。寬軌電力機車司機工作時一般采取坐姿進行作業(yè)活動，這通常比站姿對脊柱產生更多的負荷[1]。當坐姿時間延長時，下背部疼痛（Lower Back Pain）的相對風險更高[2]，這也是造成越來越多的司機患上職業(yè)病的主要原因。大部分交通事故是由于人的誤操作所造成的，只有充分了解人與機器的交互行為，分析人機交互界面的特性，才能更好地避免事故的發(fā)生。虛擬現(xiàn)實是以計算機技術為核心，結合相關學科科學技術生成與一定范圍真實環(huán)境在視聽觸感等方面高度近似的數字化環(huán)境。JACK 軟件是西門子公司的一款人因工程分析軟件，經過十幾年研究改進，已成為目前公認較為全面的人機工效評估軟件[3]。通過虛擬仿真分析司機在駕駛操作過程中的交互行為，了解并掌握目前司機室布局設計的宜人性、舒適性、可用性等的水平，進而提出改進建議，可以進一步為提高生產及工作效率打下堅實的基礎。因此，對電力機車司機室進行人機工效分析是提高司機舒適性、安全性及工作效率的關鍵一步。

學校為展示自身風采，越來越重視宣傳，需要一種更為直接的方式宣傳自己。虛擬現(xiàn)實技術應用于學校，就是虛擬校園，能夠全方位地展示學校的各種軟硬件環(huán)境[1]。校內教學樓、宿舍樓、食堂及實驗樓等公共設施眾多，有了三維虛擬校園，新生在入學前就可以全面的了解校園的布局，交互式的查詢，可以了解校園的所有信息，為盡快地適應學習生活提供方便；三維虛擬校園不只是對現(xiàn)實校園建筑形狀、地理形態(tài)的仿真，而是對整個校園及其社會活動和經濟活動在網絡上的真實再現(xiàn)[2]。

1 司機室人機交互界面分析

以電力機車司機室為例，操縱臺元器件布局如圖1 所示。司機在進行行駛作業(yè)時，需要手眼并用，這不僅能體現(xiàn)操縱人員的熟練度，而且也能驗證操縱界面的易用性及安全性，一旦出現(xiàn)視線受阻、操作人員失誤等情況，將極大地降低工作效率甚至造成現(xiàn)場事故。因此，從操縱人員和操縱裝置出發(fā)，分析司機室人機交互界面如圖2 所示。

圖1 司機室操縱臺元器件布局

圖2 司機室人機交互界面分析

目前國內外已有學者對此展開了相關研究，針對拖拉機駕駛室，楊秀芳等[4]在CREO 中創(chuàng)建了拖拉機模型，將其導入到JACK 軟件中進行人機工程學分析。程琳等[5]利用JACK軟件改善了消防救援車中使用頻次較高的操作設備在整車中的布置。周艾等[6]依據人機工程學原理，采用JACK 軟件進行工業(yè)搬運車作業(yè)環(huán)境分析及設計優(yōu)化。劉力卓等[7]利用JACK 軟件對遠程監(jiān)控操縱臺建模仿真，以此提高遠程監(jiān)控操作員的工作舒適度。蘭永霞等[8]通過JACK 軟件驗證了高速列車司機室布置方案的合理性。陳登凱等[9]利用JACK 軟件對載人潛水器載人艙觀察窗布局進行仿真分析。鐘文杰等[10]通過CATIA 軟件平臺建立了拖拉機的人機系統(tǒng)模型，并進行了人機工程學仿真分析。李前進等[11]以JACK 軟件為工具進行了人機工程仿真分析，并以分析結果指導樣機設計和生產。蘇珂等[12]利用JACK軟件重新確定駕駛員H 點的位置，并對駕駛室進行改進設計。王建偉等[13]用Rhino 軟件建模結合JACK 軟件研究駕駛室內的空間布局并進行評價。Maradei 等[14]通過改變坐墊的角度，確定卡車司機理想的坐姿，同時在腰椎負荷較低和感覺不適之間達到最佳平衡。

雜文不能與時文站在一個角度，去一味地忍著傷痛去歌頌、哪怕看到了黑暗卻要心懷善意地不聞不問。也許，時文的責任就在于從廣義的角度，看待生活中的美好；而雜文的義務，卻是從微觀的層面，去關照生活，為讀者開辟指明一條不同于時文的思路，試著與讀者一起來分析事物的來龍去脈，以期形成獨立思考的習慣。

2 仿真流程

由于手動氣壓閥布置位置不當，導致第5 百分位及第95 百分位數字人在姿態(tài)下的評估得分均為2。該姿態(tài)會對肌肉骨骼系統(tǒng)造成傷害，有必要采取措施進行干預。

由圖6 可以看出，第95 百分位數字人可達域最大輪廓線可以接觸到操縱界面元器件，但是第5 百分位數字人可達域最大輪廓線接觸不到扳鍵開關組和手動氣壓閥。

圖3 仿真流程

《萬壑松風圖》（圖2）描繪的對象主要是松樹、石頭、溪流，再無其它，正如方聞學者所言，“在布局上，李唐以古法用參天大樹分割畫面或者限定空間”⑧。表現(xiàn)了北方氣候干燥、植被單一的狀況。最上方的大石塊為主峰，遠峰上落有“皇宋宣和甲辰春，河陽李唐筆”題款，遠觀或誤以為皴筆。當中略下是一片組織有致的松樹，樹根部多露出于石外，樹皮有深重結疤。稍微右中偏下和左下方，有山間激流的溪水流出，進入左下角的石潭。全圖有飛泉四五處，薄霧綿連，大片山石裸露，山勢巍峨雄偉，石質堅硬方直，矗立棱角有尖銳之感。山石的外輪廓線剛勁，因皴法濃密，外輪廓線不是很清晰。

SNCR+SCR脫硝是目前國內NOx超低排放項目使用較多的工藝，經SNCR在爐內脫除部分NOx，再經過SCR系統(tǒng)進一步脫硝，該組合方式運行系統(tǒng)穩(wěn)定，已被廣泛使用。

圖4 數字人模型生理尺寸

3 虛擬仿真分析結果

3.1 可視域分析

工作姿態(tài)分析可以快速檢查工作姿態(tài)，評價基于背部、手臂和腿部的工作姿勢提出相應的評估得分。第5 百分位及第95 百分位數字人扳鍵按鈕操作姿勢分析仿真結果如圖7 所示。

首先利用Rhino 軟件對電力機車操縱臺按1：1 的比例建模，然后將模型導入JACK 軟件中，JACK 虛擬仿真分析軟件可以根據駕駛員的真實生理尺寸建立相應尺寸的數字人模型，考慮到駕駛人員的身高尺寸和體重范圍較為分散，所以選擇第5百分位和第95 百分位數字人作為代表，其各自的生理尺寸見圖4，對虛擬環(huán)境下的數字人模型在不同姿勢下進行可視域（Visual Fields）、可達域（Reach Zones）、工作姿態(tài)分析（Ovako Working Posture Analysis）、舒適度分析（Comfort Assessment）等仿真分析。整個仿真分析過程，數字人模型坐姿和座椅高度均保持不變，以減小其他因素對仿真結果的影響。

圖5 可視域仿真結果

由圖5 可以看出，第95 百分位數字人警惕按鈕沒有進入可視域范圍內，且第5 百分位數字人警惕按鈕和手動氣壓閥也沒有出現(xiàn)在可視域的范圍內。

3.2 可達域分析

可達域分析可以生成一個區(qū)域，能夠對特定尺寸的數字人描繪出在作業(yè)空間里的最大可觸及范圍，第5 百分位及第95 百分位數字人可達域仿真結果如圖6 所示。

圖6 可達域仿真結果

很顯然，并不是每次的緊追慢趕都能坐上那輛走在前面一點的車?？墒牵坏┎悔s，那便肯定只能坐后面的車了。蔡瀾先生說：“做，機會是百分之五十；不做，機會為零?！蹦敲矗玫节s公交上面，便是：趕，快的幾率是百分之五十；不趕，快的幾率為零。

3.3 工作姿態(tài)分析

視野范圍的大小直接影響駕駛人員的工作效率，因此對第5 百分位及第95 百分位數字人可視域進行仿真分析，仿真結果如圖5 所示。

圖7 扳鍵按鈕操作仿真結果

由圖7 可以看出，第5 百分位數字人的評估得分為2，表明該姿態(tài)會對肌肉骨骼系統(tǒng)造成傷害，有必要采取措施進行干預，而第95 百分位數字人在姿態(tài)下的評估得分為1，表明該姿態(tài)可以被接受，不需要進行干預。

中國古人有立德、立功與立言的“三不朽”之說。德指道德，是說一個人的修養(yǎng)與人格；功指事功，說的是人要建功立業(yè)；言指思想，就是說一個人是靠他的思想或學術而揚名。

圖8 手動氣壓閥操作仿真結果

通過與司機進行訪談，分析了操縱裝置的操作頻率，在機車行駛過程中，司機控制器、警惕按鈕、手動氣壓閥以及扳鍵開關組是操作頻率比較高的操作裝置，因此分別對第5 百分位和第95 百分位駕駛員分別進行仿真分析，進而展開對電力機車操縱臺的人機交互界面研究。具體的仿真流程如圖3 所示。

3.4 舒適度分析

舒適度分析是對特定姿勢下某些關節(jié)的彎曲范圍進行分析，可以分為兩類：單關節(jié)舒適度和多關節(jié)舒適度。第5 百分位及第95 百分位數字人Porter（1998）單關節(jié)舒適度分析仿真結果如圖9 所示。

第5 百分位及第95 百分位數字人手動氣壓閥操作姿勢分析仿真結果如圖8 所示。

圖9 警惕按鈕操作舒適度分析仿真結果

由表1 可以看出，第5 百分位及第95 百分位數字人在左上臂屈曲和提升的角度低于或超過推薦范圍，說明司機在操作警惕按鈕時存在不適感。

表1 第5 及第95 百分位數字人舒適度分析數據 °

4 電力機車操縱臺改進設計

根據TB/T 3255—2011《機車司機操縱臺設計要求標準》的規(guī)定，針對操縱臺JACK 虛擬仿真分析結果，對操縱臺布置進行改進設計。主要改進包括：①將扳鍵開關組適當后移，縮小與操縱人員的縱向距離；②調整手動過分相位置到扳鍵開關組左側；③調整手動氣壓閥位置到扳鍵開關組右側；④將左側汽笛按鈕左移，調整適當距離同時將警惕按鈕調整至左側汽笛按鈕右側；⑤將司控器適當后移，縮小與操縱人員的縱向距離；⑥將制動器適當后移，縮小與操縱人員的縱向距離。優(yōu)化后司機室操縱臺元器件布局如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化后司機室操縱臺元器件布局

對優(yōu)化后的司機室操縱臺布局進行JACK 虛擬仿真分析，其可視域、可達域、工作姿態(tài)及舒適度分析結果如圖11～圖15所示。

圖15 優(yōu)化后警惕按鈕操作舒適度分析仿真結果

由圖11、圖12 可知，優(yōu)化后司機操縱臺布局能夠滿足第95百分位數字人警惕按鈕在可視域范圍內，且第5 百分位數字人警惕按鈕和手動氣壓閥也在可視域的范圍內，同時第5 百分位數字人可達域最大輪廓線可以接觸到扳鍵開關組和手動氣壓閥。

圖11 優(yōu)化后布局可視域仿真結果

圖12 優(yōu)化后布局可達域仿真結果

由圖13 可知，第5 百分位數字人在該姿態(tài)下的評估得分為1，表明該姿態(tài)可以被接受，不需要進行干預。此外，結合圖14 可知，由于優(yōu)化后布局對手動氣壓閥布置位置進行了調整，所以第5 百分位及第95 百分位數字人在姿態(tài)下的評估得分均為1，該姿態(tài)可以被接受，也不需要進行干預。

圖13 優(yōu)化后扳鍵按鈕操作仿真結果

圖14 優(yōu)化后手動氣壓閥操作仿真結果

圖15 仿真結果表明：第5 百分位及第95 百分位數字人在左上臂屈曲和提升的角度處于推薦范圍之內，說明優(yōu)化后司機在操作警惕按鈕時感覺較為舒適。

5 結束語

電力機車操縱臺人機交互界面的布置直接關系到駕駛員的操作效率與舒適程度，因此對操縱臺進行虛擬仿真分析，可以提高司機的工作效率，對降低司機的疲勞感及誤操作次數有積極的影響。從仿真結果來看，優(yōu)化前第5 百分位、第95 百分位數字人均表現(xiàn)出不適感，尤其是第5 百分位數字人感覺較為強烈，這與司機的主觀感受是一致的，說明司機室操縱臺布局不合理。經過對操縱臺進行改進設計，在同樣的駕駛操作行為下優(yōu)化后的仿真結果表明可達域、可視域及舒適性都得到了明顯的改善，均無明顯不適感。