劉小霞， 王小平， 楊延璞， 王淑俠

（西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院工業(yè)設(shè)計系，陜西 西安 710072）

在滅火、搶險救援和社會救助的戰(zhàn)斗中，消防車器材布局既影響到了消防員的操作效率，又影響到消防員的安全、健康，所以改進消防車器材布局一直是消防企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。據(jù)美國消防協(xié)會(NFPA)按慣例發(fā)布的《2008年美國消防隊員殉職情況報告》顯示，有40%的消防員因壓力和疲勞過度死亡，幾乎成為消防員每年死亡的直接原因[1]。因此，將“人”的因素提升到消防車的布局設(shè)計及評價中是提高消防作戰(zhàn)的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外采用人體模型進行的布局優(yōu)化設(shè)計及其評價主要集中于飛機、坦克和汽車，尤其是采用 Jack軟件對其中的布局裝置進行相關(guān)性的配置及其功效分析驗證已經(jīng)有了深入的研究[2-6]。但是，對于一些器材車輛中涉及的布局問題卻研究得很少。隨著消防車在消防事業(yè)中舉足輕重的作用，進行消防車輛布局設(shè)計的深入研究是十分必要的。

本文通過某企業(yè)現(xiàn)有消防車的調(diào)研和分析，得出了箱體布局和器材放置中的缺陷和不足，從而以器材布置原則和人體尺度原則對消防車的布局進行改進，最后以消防車箱體第4空間的布局為例進行Jack軟件進行視域、可達域評價，確定了消防車箱體布局的合理性和器材取用的方便性。

1 基于人機工程學(xué)的消防車分析

1.1 改進前消防車作業(yè)空間不足分析

通過對常見的消防車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，消防車的器材空間布局可以簡化為如圖1所示。其箱體的外觀尺寸長×寬×高為4285×2000×2184mm，考慮到卷簾門結(jié)構(gòu)和箱體上側(cè)裝飾占用的空間，實際消防車的作業(yè)空間長×寬×高為 4285×2000×1834mm左右。

圖1 改進前消防車的布局

經(jīng)分析，當(dāng)前消防車器材布局方面存在的缺陷主要有以下幾個方面：

1）第2、3、4區(qū)間的長、寬、高尺寸相同，導(dǎo)致空間嚴(yán)重浪費；

2）較少考慮器材的布置原則。如消防水帶質(zhì)量較輕且體積小，將其放置在第二區(qū)間，造成了布局空間的浪費，并影響整車重心的布置；

3）區(qū)間的劃分很少考慮“人”的因素，不易于消防員舒適、便利的操作。

1.2 消防車作業(yè)空間的設(shè)計

消防車的作業(yè)空間設(shè)計，主要應(yīng)考慮作業(yè)者的身體尺寸、操作的舒適性和安全性等因素，根據(jù)器材的布置原則和人體尺度原則進行消防車箱體布局分析。

1.2.1 消防器材布置原則

任何器材都有最佳的布置位置，這取決于消防器材的布置原則和“人”的因素。器材的布置原則指重要性原則、使用頻率原則、功能原則和使用順序原則等4個原則[7]。

1）重要性原則：首先考慮操作上的重要性，如移動式發(fā)電機對整個滅火戰(zhàn)斗的作用不言而喻，一旦使用，就必須迅速使其處于工作狀態(tài)。

2）使用頻率原則：指將經(jīng)常使用的器材放置在人最舒適、最容易夠得著的部位，如消防水槍、滅火器等器材要放置在消防員容易操作的區(qū)間。

3）功能原則：即指將具有相似功能的器材放置在統(tǒng)一的區(qū)域，如鐵鍬、消防斧、丁字鎬等消防器材功能相類似的，要布置在同一個區(qū)間內(nèi)。

4）使用順序原則：在救援戰(zhàn)斗中，一些器材之間存在關(guān)聯(lián)性，有先后順序的使用，因此這些器材布置應(yīng)該按照使用順序的原則布置。

“人”的因素是指根據(jù)人的生理、心理等因素，分別將器材布置在人使用舒適、合理的范圍內(nèi)。操作者作業(yè)時肢體運動線路最短、最舒適、效率和準(zhǔn)確性最高的作業(yè)范圍稱為最佳作業(yè)空間范圍[8]。按照應(yīng)該使95%的人滿意的原則，將使用頻率最高的工具設(shè)置在正常范圍內(nèi)；將不常使用的工具放置在最大工作范圍和正常工作范圍之間；將一些特殊用途的工具布置在最大工作范圍邊緣。表1為消防器材的布置建議。

表1 消防器材的布置建議

1.2.2 消防車作業(yè)空間設(shè)計原則

舒適、人機的操作環(huán)境是充分考慮 “人”、機、環(huán)境之間的相互關(guān)系，并將“人”的因素充分應(yīng)用到消防車箱體內(nèi)部區(qū)間分布中，使得“機”、環(huán)境能夠更好的服務(wù)于人，減少或者避免不方便、不舒適的人體模型操作方式。消防車的作業(yè)基本都是在立姿下完成的，而根據(jù)人的活動空間范圍，可以將與人體有關(guān)的空間分為手操作的最大范圍、最佳作業(yè)空間、手操作的適宜范圍和前屈或者下蹲的空間范圍。

根據(jù)一般人的使用原則，選擇人體百分位數(shù)為10、5兩種，分別滿足使用人群的90%、95%。圖2為參考GB/T10000—98的P5人體模型的立姿活動空間的分布。

圖2 P5人體模型的立姿活動空間分布

另外，考慮到消防器材的顏色和使用規(guī)則、器材標(biāo)識的設(shè)計和位置、人體的操作習(xí)慣等因素對消防員安全、方便的操作都有一定的影響，因此，操作布局應(yīng)該有一定的修正量。

1.2.3 改進后消防車的布局

消防器材的作業(yè)主要通過兩種方式實現(xiàn)：一種是站地面直接操作；另一種是站在消防車踏板上操作；消防車踏板一般距消防車箱體下邊緣為120mm，距地面為 205mm，表 2為消防車作業(yè)空間的劃分說明表；圖3為改進后的消防車布局尺寸圖。

2 消防車的評價分析

2.1 評價分析結(jié)構(gòu)

首先，在Pro/e中構(gòu)建消防車的骨架、部件模型，并分別將模型導(dǎo)入到Jack軟件中進行適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)整和裝配；第二，在 Jack軟件中構(gòu)建P5、P95人體模型，實現(xiàn)消防車骨架模型和人體模型的“裝配”；第三，依據(jù)人體模型舒適、最佳、極限的視線（手臂活動），分別調(diào)整人體模型的相應(yīng)位置；第四，運用Jack軟件視域（可達域）相應(yīng)的分析檢測工具分析人體模型與消防車的沖突干涉性，對于不符合要求的“裝配”，調(diào)整消防車骨架布局以致符合要求；最后，記錄視野（手臂操作域）與消防車箱體的相對位置，整個過程的流程圖如圖4所示。

表2 消防車作業(yè)空間的劃分說明

圖3 改進后消防車的作業(yè)空間布局

圖4 Jack軟件評價流程圖

2.2 消防車的評價分析

在人機工程學(xué)評價系統(tǒng)中，常用的人機評價類型有視域、力和扭矩分析、舒適度分析、姿勢預(yù)測、可及范圍、疲勞和恢復(fù)、手動操作局限分析等[9]。本文針對消防車箱體的特點，考慮到操作方便、舒適等設(shè)計要素，主要實現(xiàn)了視域和可達域的評價，驗證了搶險救援消防車布局的合理性以及器材取用的方便性。

1）視域分析

視域的評價標(biāo)準(zhǔn)以合格與不合格兩者衡量，其中視域的合格性是指按照人的雙眼與產(chǎn)品上特定對象的位置關(guān)系，視域的評價標(biāo)準(zhǔn)是：識別或觀察對象位于視野角度內(nèi)。在視域的分析中，一般選擇5、95兩種人體百分位，使得90%的人群滿足要求[10]。另外，考慮到仰視、俯視都會相應(yīng)的改變?nèi)梭w模型的視野位置和方向，查表知頭部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的最大角度為仰視40°，俯視30°，最舒適的仰視角度為12 ～25°之間[11]。

Jack軟件中的視野是通過以視野角度和視距確定的視錐體來分析的。視錐體包絡(luò)的范圍表示器材的可見范圍。通過建立字母辨別范圍、顏色辨別范圍、最佳視野范圍、極限范圍的視錐體，映射視錐體在第4區(qū)間的相對位置，則可以確定第4區(qū)間的字母辨別、顏色辨別、最佳視野、極限視野范圍。依據(jù)確定的位置范圍不但可以評價消防車箱體的布局，還對器材的布置有借鑒作用。如在字母、顏色辨別范圍布置消防器材的標(biāo)識。

2）可達域分析

同理，可達域的衡量標(biāo)準(zhǔn)也是以合格與不合格體現(xiàn)，可達域的合格性指人體與產(chǎn)品“裝配”定位后，手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分，并實現(xiàn)預(yù)定操縱[10]，一般選擇 5%的人體模型，使得95%的人群滿足要求。

Jack軟件中的可達域是通過以肩關(guān)節(jié)和手臂長確定的球體來分析的。球體包絡(luò)的范圍表示器材的可達范圍，通過建立手臂側(cè)伸、平伸、上舉的可達域球體。映射可達域球體在第4區(qū)間的相對位置，則可以確定第4區(qū)間的最佳操作范圍、手臂操作可達范圍等。依據(jù)確定的相應(yīng)范圍不但可以評價消防車箱體布局的合理性，還對消防器材的布置有借鑒作用。如將消防水帶的固定連接裝置布置在手操作的最佳操作范圍內(nèi)，消防水帶放置在人體模型的可達域內(nèi)。

3 評價實例

3.1 視域

為了直觀顯示第4區(qū)間與視錐體之間的相對位置，圖5為 Jack中人體模型的視野圖，將在Jack軟件中頭部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)向上的極限角度40°和舒適角度 25°，以及平視的相應(yīng)視錐體記錄的各個視錐體以圖標(biāo)形式顯示，如圖6所示。其中，灰色部分表示第4區(qū)間的區(qū)間范圍，以5%人體模型的眼高1281為零點，視距為500mm。

圖5 Jack中人體模型的視野圖

由圖6可知，第4區(qū)間的范圍都在在5%人體模型的極限視野內(nèi)；其中頭轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 40度的最佳視野在1531 ～1681mm范圍內(nèi)；頭轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的舒適角度內(nèi)，最佳視野的范圍在1451 ～1601mm范圍內(nèi)；平視時的最佳視野范圍為1331 ～1481mm范圍內(nèi)，而且第4區(qū)間的大部分都在平視的極限角度范圍內(nèi)。字母、顏色的最佳辨別范圍為字母辨別、顏色辨別和最佳視野的相交區(qū)域，即在1381 ～1481mm范圍內(nèi)，在這個范圍內(nèi)可以布置對消防器材的標(biāo)識。

圖6 視域分析顯示圖

3.2 可達域

同理，為了直觀顯示第4區(qū)間與可達域球體之間的相對位置，將在Jack軟件中人體模型剛好未觸及第四區(qū)間下限的手臂角度、人體模型剛好觸及第4區(qū)間的上限的手臂角度的可達域球體以圖標(biāo)形式顯示，圖7為Jack軟件中可達域與器材干涉圖，圖8為人體模型可達域與第4區(qū)間相對位置的側(cè)視圖。其中，灰色部分表示第4區(qū)間的區(qū)間范圍，以5%人體模型的肩高1281為零點。

圖7 Jack軟件中可達域與器材干涉圖

圖8 可達域分析顯示圖

由圖8分析可知，第4空間的空間范圍都在手臂的可達域內(nèi)，但是 5%人體模型的最佳操作范圍在第4空間沒有映射，符合器材的布置原則，將質(zhì)量輕、使用頻率低的消防器材布置在人體模型的最大操作域內(nèi)。

4 結(jié) 論

為提高消防員的作戰(zhàn)效率，減少對消防員造成的健康、安全隱患，將人機工程學(xué)運用到消防車器材布局設(shè)計中，從器材布置、人體尺度分析和器材箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分等方面進行了討論和優(yōu)化，并應(yīng)用Jack軟件結(jié)合某型消防車器材箱體布局實例進行了視域和可達域分析，給出了消防車器材布局的改進建議。將此方法理論化、實踐化，不但可以分析其他消防車布局的設(shè)計，還對消防器材的布局、標(biāo)識設(shè)計、固定連接的位置等都有借鑒和參考價值。

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