机务保障中的人机工效研究
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摘要
随着人因工程在产品设计中的不断应用,在新产品设计之初,需要更多的考虑后期的保障性和维修性。因此通常以虚拟环境为背景,通过虚拟人对虚拟样机进行保障和维修等操作,进行人因工效分析。对产品设计过程中的维修性进行评价,主要包括维修性分析、疲劳分析、肢体力量分析、劳动时间分析等。维修性分析主要包括视觉、空间和实体可达性分析。疲劳分析主要是分析人体在特定的保障任务时的能量消耗,并且确定休息时间；肢体力量分析主要是针对短时间内的剧烈操作动作,或是对肢体动作范围较大的动作进行受力分析,针对分析结果进行操作方式上的改进。
本文旨在通过对人体动作的研究,形成一套基于人动作分解的方法,结合动素概念和模特法(MODAPTS)的优点,计算虚拟人的工作时间。通过对人机工程学的研究,建立确定虚拟人能量消耗的方法。在DELMIA软件中进行操作仿真,进行保障性和维修性的分析,本论文进行的主要研究如下：
针对飞机加油保障任务的特点,提出了“任务分段,动作分层”的仿真思想。任务分段后,根据每一阶段的特点,对该阶段的具体任务进行分层设计,从上至下分别为保障任务层、分解动作层以及普遍意义上的动素层。
结合“任务分段,动作分层”的仿真思想,将MODAPTS在动作时间值方面的优点和动素在动作定义方面的生动、细致相结合,计算工作时间。
利用DELMIA软件进行虚拟环境设计,建立虚拟样机、虚拟人和工具模型。建立飞机加油保障任务的虚拟仿真,然后进行人机工效分析。通过疲劳过程和能量损耗的研究,建立一套计算人体能量损耗的方法,同时计算该能量损耗情况下的休息时间和劳动强度指数。
With the continuous application of ergonomic in product design, the later supportability and maintainability should be taken into consideration at the start of designing new products. So at the background of virtual environment, ergonomics analysis should be carried out through making virtual human support and maintain virtual prototype in order to evaluate the maintainability in the process of product design. It includes maintainability analysis, fatigue analysis, physical strength analysis, work time analysis and so on. Maintainability analysis mainly includes vision, space and physical accessibility analysis. Fatigue analysis mostly analyzes the energy consumption of human body under specific support tasks and confirms the time-out. Physical strength analysis mainly implements force analysis aiming at strenuous movements in a short time or obvious movements, and then improves the operation ways according to the results.
Human movement is studied in this paper. And a method based on the decomposition of human movements is formed. The advantages of therblig concept and Modular Arrangement of Predetermined Time Standard (MODAPTS) are combined to calculate the working time of the virtual humans. Through the study of ergonomics, the method of confirming virtual humans' energy consumption is established. Simulation is carried out using DELMIA software to analyze the supportability and maintainability. The main contents are as follows:
According to the characteristics of support tasks for the aircraft refueling, the simulation thought of "task subsection, movement stratification" is proposed. When the task is subdivided, the specific tasks are designed hierarchically according to the characteristics of each stage. From top to bottom, they are the support task layer, the movement decomposition layer, and therblig layer in common sense, respectively.
Based on the thought of "task subsection, movement stratification", the working time is calculated by combining the advantages of MODAPTS in movement time values with the lifelikeness and particularity of therblig.
The virtual environment is designed adopting DELMIA software. And the models of virtual prototypes, virtual humans and tools are built. After the support task of aircraft refueling is simulated, ergonomics analysis is conducted. By means of studying the fatigue process and energy loss, the approach of calculating human body's energy loss is established. At the same time, the time-out and labor intensity index under this energy loss are calculated.
本文旨在通过对人体动作的研究,形成一套基于人动作分解的方法,结合动素概念和模特法(MODAPTS)的优点,计算虚拟人的工作时间。通过对人机工程学的研究,建立确定虚拟人能量消耗的方法。在DELMIA软件中进行操作仿真,进行保障性和维修性的分析,本论文进行的主要研究如下：
针对飞机加油保障任务的特点,提出了“任务分段,动作分层”的仿真思想。任务分段后,根据每一阶段的特点,对该阶段的具体任务进行分层设计,从上至下分别为保障任务层、分解动作层以及普遍意义上的动素层。
结合“任务分段,动作分层”的仿真思想,将MODAPTS在动作时间值方面的优点和动素在动作定义方面的生动、细致相结合,计算工作时间。
利用DELMIA软件进行虚拟环境设计,建立虚拟样机、虚拟人和工具模型。建立飞机加油保障任务的虚拟仿真,然后进行人机工效分析。通过疲劳过程和能量损耗的研究,建立一套计算人体能量损耗的方法,同时计算该能量损耗情况下的休息时间和劳动强度指数。
With the continuous application of ergonomic in product design, the later supportability and maintainability should be taken into consideration at the start of designing new products. So at the background of virtual environment, ergonomics analysis should be carried out through making virtual human support and maintain virtual prototype in order to evaluate the maintainability in the process of product design. It includes maintainability analysis, fatigue analysis, physical strength analysis, work time analysis and so on. Maintainability analysis mainly includes vision, space and physical accessibility analysis. Fatigue analysis mostly analyzes the energy consumption of human body under specific support tasks and confirms the time-out. Physical strength analysis mainly implements force analysis aiming at strenuous movements in a short time or obvious movements, and then improves the operation ways according to the results.
Human movement is studied in this paper. And a method based on the decomposition of human movements is formed. The advantages of therblig concept and Modular Arrangement of Predetermined Time Standard (MODAPTS) are combined to calculate the working time of the virtual humans. Through the study of ergonomics, the method of confirming virtual humans' energy consumption is established. Simulation is carried out using DELMIA software to analyze the supportability and maintainability. The main contents are as follows:
According to the characteristics of support tasks for the aircraft refueling, the simulation thought of "task subsection, movement stratification" is proposed. When the task is subdivided, the specific tasks are designed hierarchically according to the characteristics of each stage. From top to bottom, they are the support task layer, the movement decomposition layer, and therblig layer in common sense, respectively.
Based on the thought of "task subsection, movement stratification", the working time is calculated by combining the advantages of MODAPTS in movement time values with the lifelikeness and particularity of therblig.
The virtual environment is designed adopting DELMIA software. And the models of virtual prototypes, virtual humans and tools are built. After the support task of aircraft refueling is simulated, ergonomics analysis is conducted. By means of studying the fatigue process and energy loss, the approach of calculating human body's energy loss is established. At the same time, the time-out and labor intensity index under this energy loss are calculated.
引文
[1]赵党乾.虚拟维修技术及其在大型设备维修保障中的应用.检验检疫学刊.2009,第1期：68-70页
[2]戴永峰.民用飞机维修性虚拟分析与验证方法研究.南京航空航天大学硕士论文.2005：4页
[3]卢晓军.维修仿真中虚拟人动作建模与行为控制技术研究.国防科学技术大学博士学位论文.2006：15-20页
[4]柳辉.维修仿真中虚拟人体的运动控制.先进制造技术.2000,33-36页
[5]王维等.一个基于JACK软件的虚拟维修人素分析系统.第十二届全国图像图形学学术会议,北京市,2005.北京：清华大学出版社,2005：540-542页
[6]周前祥等.虚拟人上肢拉伸操作疲劳评价的建模研究.系统仿真学报.2009,21(15)：4823-4824页
[7]孙林岩.人因工程.北京：高等教育出版社,2008：5-8页
[8]项英华.人类工效学.北京：北京理工大学出版社,2008：1-6页
[9]吴青.人机环境工程.北京：国防工业出版社,2009：1-6页
[10]蔡启明,余臻,庄长远.人因工程.北京：科学出版社,2003：1-14页
[11]刘维平.虚拟人机工程技术及其在装甲车辆研发中的应用.装甲兵工程学院学报.2006,20(2)：65-68页
[12]李炎,王维,卢晓军,贺汉根.一种基于人体测量学的虚拟人建模方法.2003,v15(增刊)：210-212页
[13]王占海,翟庆刚.DELMIA人机工程在飞机维修中的应用.机电技术.2009,9(4)：36-41页
[14]郑午等.人因工程设计.北京：化学工业出版社.2006
[15]孙培,苏群星,刘鹏远.虚拟维修中基于过程的虚拟人动作控制.自动测量与控制.2008,27(12)：53-54页
[16]苏群星.大型复杂装备虚拟维修训练平台技术研究.南京理工大学博士论文.2005：26-29页
[17]Ianni J, Vujosevic R. A Taxonomy of Motion Models for Simulation and Analysis of Maintenance Tasks. No.A606923. Iowa:The University of Iowa,1997
[18]李星新,郝建平,柳辉.虚拟维修仿真中维修动素的设计与实现.中国机械工程.2005,16(2)：156-157页
[19]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术.北京：国防工业出版社,2008：166-174页
[20]Heyde G C. MODAPTS PLUS. Published By Heyde Dynamics Ptv.Ltd.1981:2-6P
[21]苏涛.船舶动力装置关键部件虚拟维修技术研究.武汉理工大学硕士论文.2008：1-7页
[22]谭继帅,郝建平,王松山.设备虚拟维修训练研究与发展综述.兵工自动化.2007,5页
[23]柳辉,李星新.基于Jack的虚拟人抓握过程的设计及实现.计算机工程.2007,33(2)：213-214页
[24]Albert B. Garcia, RobertP. Gocke, Nelson P. Johnson. Virtual Prototyping: Concept to Production. Report of the DSMC,1992-93 Military Research Fellows.1994,3:26P
[25]盛选禹,盛选军.DELMIA人机工程模拟教程.北京：机械工业出版社.2009
[26]崔东.DELMIA在机械加工领域中的应用.航空制造技术.2007,(12)
[27]Dassault Systemes. Virtual Ergonomics:Taking Human Factors into Account for Improved Product and Process,2009
[28]王异香.基于虚拟维修仿真的人机工效分析研究.南京航空航天大学硕士论文.2007：12-15页
[29]张向平.基于虚拟样机的飞机维修性设计技术研究.电子科技大学硕士论文2008：34-40页
[30]谭慧猛等.DELMIA人机工程在支线飞机概念总装仿真中的应用.机械工程师.2009,2：89-90页
[31]杨明,尹明德.基于DELMIA的虚拟装配中人机工程仿真与应用.农业开发研究,2009,4：12-15页
[32]http://www.sightna.com/ProductList_categoryId_l_productId_231.html
[33]贺越生,卢晓军,李焱.一个面向维修工程的虚拟人素分析系统软件框架.计算机仿真.2006,23(4)：265-268页
[34]朱涛.虚拟维修的模拟仿真.安徽理工大学硕士论文.2006：9-21页
[35]于鹏飞,时和平,芮科慧.基于动作对象的虚拟维修动作仿真方法研究.装备指 挥技术学院学报.2009,20(5)：127-129页
[36]何剑彬,苏群星,刘鹏远.基于过程建模的复杂装备虚拟维修训练仿真.军械工程学院学报.2009,21(4)：6-8页
[37]何杏清.劳动定额教程.北京：北京经济学院出版社.1989：32-40页
[38]石金涛.预定时间系统——模特排时法的开发研究.上海交通大学学报.1991,25(4)：120-122页
[39]http://wenku.baidu.com/view/ddec0f687e21af45b307a8ae.html
[40]张礼镇.工业工程.北京：科学出版社.1995
[41]朱序璋.人机工程学.西安：西安电子科技大学.1999：89-95页
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[45]A.Garg, D.B.Chaffin, G.D. Herrin. Prediction of metabolic rates for manual materials handling jobs. American Industrial Hygiene Association(S0002-8894),1978,8(39): 661-674P
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