呂慶文，樊樹(shù)海，趙玲玲，徐文浩

(1.南京工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程系，江蘇 南京 210009； 2.麻省理工學(xué)院信息質(zhì)量項(xiàng)目“數(shù)據(jù)質(zhì)量與信息安全”實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)馬薩諸塞州 02139)

0 引言

隨著智能制造技術(shù)的推廣，效率、速度已經(jīng)成為制造型企業(yè)改革的重點(diǎn)[1]。技術(shù)上，企業(yè)引入大量自動(dòng)化設(shè)備取代工人作業(yè)，降低了作業(yè)失誤率；管理上，車(chē)間實(shí)行“5S管理”，對(duì)各個(gè)工序制定出SOP(標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū))并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線平衡，使工人作業(yè)具有規(guī)范性，提高了生產(chǎn)效率。然而，目前流行的軟件制定SOP方法，較多考慮效率問(wèn)題，忽視人的生理負(fù)荷限度[2]。一些工廠為了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能，制定出以高產(chǎn)量為目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)線平衡。雖然工廠取得了豐厚的收益，但這一切都是以損耗工人健康為代價(jià)的，并且是從作業(yè)制度設(shè)計(jì)上促使工人超負(fù)荷作業(yè)[3-4]。因此，工人患有的職業(yè)性肌肉骨骼損傷(Work-related Musculoskeletal Disorders, WMSDs)，已經(jīng)成為制造業(yè)中高發(fā)型職業(yè)性疾病之一[5-7]。

作業(yè)負(fù)荷評(píng)估是避免工人超負(fù)荷作業(yè)的重要方式，可以直觀反映出工人的疲勞程度。當(dāng)前，在作業(yè)負(fù)荷評(píng)估領(lǐng)域，張文倩等[8]基于Kcal/ERGO對(duì)汽車(chē)配件生產(chǎn)流程中單一手工搬運(yùn)作業(yè)進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估；羅曉利等[9]使用JACK軟件對(duì)機(jī)務(wù)人員的日常拆卸作業(yè)進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估；Li等[10]運(yùn)用能耗預(yù)測(cè)理論對(duì)建筑工人的手工復(fù)合搬舉作業(yè)進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估。上述研究為制造業(yè)工人作業(yè)負(fù)荷的評(píng)估提供了技術(shù)支撐，但同時(shí)也存在不足。一方面，在當(dāng)今的制造業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，企業(yè)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，工人作業(yè)具有規(guī)范性和復(fù)雜性，針對(duì)單個(gè)工人不具規(guī)范性的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行作業(yè)負(fù)荷評(píng)估無(wú)法反映出同工序中所有工人的疲勞程度，所得的評(píng)估結(jié)果不具有規(guī)范性和普遍適應(yīng)性；另一方面，超負(fù)荷作業(yè)現(xiàn)象可能出現(xiàn)在各個(gè)工序中，針對(duì)搬運(yùn)或拆卸等基礎(chǔ)作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估僅能反映部分工序的負(fù)荷情況，所得的研究成果應(yīng)用價(jià)值有限，無(wú)法保證工人在所有工序下均為輕松作業(yè)。除此以外，上述研究也未能將負(fù)荷評(píng)估同作業(yè)制度關(guān)聯(lián)起來(lái)，未能突出負(fù)荷評(píng)估的必要性和廣泛應(yīng)用性。鑒于此，對(duì)工序標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估可以準(zhǔn)確反映出各個(gè)工序所有工人的疲勞程度，同時(shí)也能夠提供負(fù)荷反饋，使制定的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)更符合人因設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在作業(yè)制度設(shè)計(jì)上保障工人健康的目的。

本文基于虛擬仿真技術(shù)，利用數(shù)字化工廠仿真軟件JACK將標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)數(shù)據(jù)化、信息化，通過(guò)MEE(Metabolic Energy Expenditure)能耗預(yù)測(cè)模型評(píng)估出標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)下工人負(fù)荷狀況[11-14]，并以某鑄造廠發(fā)動(dòng)機(jī)輸油件制造過(guò)程中去毛刺工序制定的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)為例，證明其有效性。

1 系統(tǒng)方法研究

智能制造系統(tǒng)的整體構(gòu)架由上至下可分為5層：企業(yè)計(jì)算與數(shù)據(jù)中心層、企業(yè)管控與支撐系統(tǒng)層、產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)層、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)層、生產(chǎn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)層。

其中，產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)。該層強(qiáng)調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，本文應(yīng)用的建模仿真技術(shù)就是對(duì)作業(yè)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)展示。

1.1 JACK軟件

JACK軟件是一款基于人因工程理論，集三維立體仿真、虛擬人體建模、人因工效分析等功能于一體的主流仿真工具。運(yùn)用JACK既可以對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，還可通過(guò)其軟件端口導(dǎo)入自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品CAD模型。

在JACK軟件支撐下，可以對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、人體模型、產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)動(dòng)態(tài)仿真準(zhǔn)確把握虛擬人體模型在作業(yè)過(guò)程中的每個(gè)動(dòng)作和姿勢(shì)。同時(shí)，借助軟件的人因工效分析功能可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行更深入的分析與評(píng)估，本文主要利用JACK軟件的MEE能量代謝預(yù)測(cè)功能進(jìn)行作業(yè)仿真。

1.2 數(shù)學(xué)模型

目前，全世界流行的能耗預(yù)測(cè)理論主要是由美國(guó)密歇根大學(xué)Grag教授提出的人體作業(yè)能耗預(yù)測(cè)理論[15]。該理論將人體作業(yè)能耗分為作業(yè)能耗和姿勢(shì)能耗；人體作業(yè)可劃分成已知能耗的動(dòng)素集合，作業(yè)能耗可由動(dòng)作能耗累加得到；姿勢(shì)能耗可由單位時(shí)間的姿勢(shì)耗能和姿勢(shì)持續(xù)時(shí)間計(jì)算得到。結(jié)合本文實(shí)例，人體作業(yè)能耗理論的數(shù)學(xué)模型可以表示為如下公式：

(1)

Epj=Kpj×WT×tpj

(2)

Emax=9.7×((WB×WB2A)+0.7×WB(1-WB2A))

(3)

WB2A=Tb/(Tb+Ta)

(4)

表1 參數(shù)WB值Table 1 Parameters of WB

1.3 基于JACK的能耗預(yù)測(cè)模型MEE

基于上述人體動(dòng)作能耗預(yù)測(cè)理論的數(shù)學(xué)模型，JACK軟件開(kāi)發(fā)出作業(yè)能耗預(yù)測(cè)功能MEE。

MEE模型工具可以將動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程精確劃分為具體的子任務(wù)，且子任務(wù)中各種動(dòng)作能耗和姿勢(shì)耗能以及姿勢(shì)維持時(shí)間均為已知，因而可以直觀預(yù)測(cè)出作業(yè)能耗。MEE功能需要輸入的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 輸入?yún)?shù)Table 2 Input parameters of model

2 仿真設(shè)計(jì)

2.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MEE/JACK人因模型的作業(yè)仿真系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

2.2 建模

本文以某鑄造廠發(fā)動(dòng)機(jī)輸油件去毛刺工序制定的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)為研究對(duì)象，在構(gòu)建模型前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等方式獲得工人實(shí)際生產(chǎn)的相關(guān)資料，其中去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)見(jiàn)表3。

根據(jù)已知信息構(gòu)建模型，分別進(jìn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)、虛擬工人模型設(shè)計(jì)以及作業(yè)流程仿真設(shè)計(jì)。

圖1 仿真系統(tǒng)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Conceptual structure design of the simulation model

去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)中，工人將工作臺(tái)上的工件移至操作區(qū)，使用小木錘將內(nèi)外圈的毛刺去掉，最后將工件放置于側(cè)身的小車(chē)內(nèi)。對(duì)于虛擬工人模型，本文采用第50百分位的中國(guó)男性工人(身高167.8 cm，體重59.0 kg)。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)和虛擬工人模型設(shè)計(jì)，如圖2所示。

表3 去毛刺工序標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)Table 3 SOP of deburring process

圖2 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仿真與工人模型Fig.2 Workplace simulation and worker model

根據(jù)去毛刺工序SOP可知去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程如下：工人將木錘和工件移至操作區(qū)用時(shí)1.676 s ，敲去工件外圈毛刺用時(shí)3.096 s，敲去工件內(nèi)圈毛刺用時(shí)1.032 s，將工件放置小車(chē)內(nèi)用時(shí)0.774 s。作業(yè)流程仿真模型，如圖3所示。

圖3 作業(yè)流程仿真模型Fig.3 Simulation model of workflow

2.3 模型參數(shù)設(shè)計(jì)

在靜態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)去毛刺工序SOP進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，以放置工件作業(yè)中右手伸向并握取木錘動(dòng)作為例，根據(jù)模特法計(jì)算可知該動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為0.903 s，右手參數(shù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 右手參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.4 Parameter design of right hand

2.4 部件關(guān)系設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行部件關(guān)系設(shè)計(jì)，以放置工件作業(yè)中右手和木錘關(guān)系設(shè)計(jì)為例。右手在握取木錘后需要將木錘移動(dòng)至工人操作范圍內(nèi)，此時(shí)需要將木錘固定在右手掌心，使木錘隨掌心的移動(dòng)而移動(dòng)，部件關(guān)系設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 右手與木錘關(guān)系設(shè)計(jì)Fig.5 Design of the relation between right hand and wood hammer

3 去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)負(fù)荷評(píng)估

3.1 作業(yè)負(fù)荷評(píng)估結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的仿真模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行，JACK可自行計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)下工人的能耗情況，包括各種作業(yè)姿勢(shì)下的能耗和總?cè)蝿?wù)能耗，基于MEE/JACK模型的去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)總能耗分析如圖6所示。

圖6 總能耗分析Fig.6 Total energy consumption analysis

從圖6中可以得出，作業(yè)能耗為0.049 Kcal，姿勢(shì)耗能為0.166 Kcal，其中站姿耗能0.098 Kcal，屈身耗能0.068 Kcal，無(wú)坐姿能耗，標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的總能耗為0.215 Kcal，且總工時(shí)為0.109 65 min，即單位時(shí)間作業(yè)能耗為1.961 Kcal/min。根據(jù)能耗預(yù)測(cè)理論的數(shù)學(xué)模型可得該作業(yè)環(huán)境下理論能耗上限值為6.790 Kcal/min，與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)下平均能耗值對(duì)比可知，標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)能耗滿足人體負(fù)荷要求。從圖中評(píng)估界面可知，工人能耗為中等水平但作業(yè)時(shí)存在疲勞隱患，可能會(huì)出現(xiàn)肌肉損傷。因此，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)下工人負(fù)荷情況進(jìn)一步分析。

圖7 子任務(wù)能耗情況Fig.7 Energy consumption assessment of each sub-task

圖7為各子任務(wù)的作業(yè)能耗和姿勢(shì)能耗情況，任務(wù)1和任務(wù)4為屈身作業(yè)，任務(wù)2和任務(wù)3為站姿作業(yè)，各子任務(wù)具體能耗值如表4所示。

將各子任務(wù)總能耗值進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 子任務(wù)能耗比較Fig.8 Energy consumption comparison of each sub-task

從上述能耗結(jié)果分析可以看出，各子任務(wù)的平均能耗均小于能耗上限，且任務(wù)2的總能耗遠(yuǎn)大于其他任務(wù)的總能耗，即可以推斷工人在此作業(yè)環(huán)節(jié)中最容易產(chǎn)生肌肉疲勞，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行改善。在任務(wù)2的總能耗中，姿勢(shì)能耗遠(yuǎn)大于作業(yè)能耗，即表明其作業(yè)姿勢(shì)的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，工人不能長(zhǎng)時(shí)間保持單一固定站姿，因此應(yīng)當(dāng)考慮從人因角度對(duì)其進(jìn)行改善。

3.2 討論

依據(jù)仿真評(píng)估結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)雖滿足能耗要求，但仍存在疲勞隱患，即在去外圈大毛刺環(huán)節(jié)中作業(yè)姿勢(shì)的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。在該環(huán)節(jié)中工人需要長(zhǎng)時(shí)間保持站立狀態(tài)，此設(shè)計(jì)易使工人產(chǎn)生疲勞并損傷肌肉。因此，通過(guò)負(fù)荷仿真，本文確定現(xiàn)行的去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)需要進(jìn)一步改善。

本文將能耗預(yù)測(cè)理論應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)制定過(guò)程中，不僅檢驗(yàn)出作業(yè)能耗是否符合人因要求，還能找出標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)中存在的問(wèn)題，進(jìn)而為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的制定提供負(fù)荷反饋，將作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化流程變成1個(gè)能夠自我優(yōu)化的閉環(huán)系統(tǒng)，使制定出的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)更合理化；同時(shí)，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行負(fù)荷仿真與評(píng)估，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷評(píng)估的制度化，并能進(jìn)一步突出負(fù)荷評(píng)估的應(yīng)用價(jià)值。負(fù)荷評(píng)估將不再是某些工序的專(zhuān)屬，而是成為所有工序保障每位工人健康的重要手段。因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估可以確保所有工人在更合理的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)制度下健康、高效地作業(yè)。

4 結(jié)論

1)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)制定過(guò)程中未考慮工人負(fù)荷狀況的問(wèn)題，在產(chǎn)品工序作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化中應(yīng)用能耗預(yù)測(cè)理論，為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)提供負(fù)荷反饋，使工序SOP的制定更合理化。結(jié)合去毛刺工序的案例，基于MEE/JACK作業(yè)能耗預(yù)測(cè)模型，對(duì)去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行作業(yè)仿真和負(fù)荷評(píng)估。結(jié)果表明，去毛刺標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的作業(yè)能耗符合人因要求，但作業(yè)內(nèi)容仍存在疲勞隱患。通過(guò)進(jìn)一步分析得出每個(gè)子任務(wù)的作業(yè)能耗情況，最終找出標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)存在的問(wèn)題并加以完善。該設(shè)計(jì)在滿足工廠提高生產(chǎn)效率的前提下，不斷優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，從作業(yè)制度設(shè)計(jì)上確保所有工序的全體工人均在安全負(fù)荷狀態(tài)下健康作業(yè)。

2)在智能制造的大環(huán)境下，制度化和標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)成為生產(chǎn)制造的必然要求，因此解決問(wèn)題需要從制度制定的源頭去考慮。在產(chǎn)品工序作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化中應(yīng)用能耗預(yù)測(cè)理論，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷評(píng)估的制度化和標(biāo)準(zhǔn)化，使得企業(yè)可以用標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)制度來(lái)保障工人健康，即從制度設(shè)計(jì)的源頭解決工人超負(fù)荷作業(yè)的問(wèn)題。

3)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的制定過(guò)程是1個(gè)單向的開(kāi)環(huán)流程，沒(méi)有指標(biāo)能夠?qū)ζ渲贫ńY(jié)果進(jìn)行反饋。引入能耗預(yù)測(cè)理論可以為制定的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)提供負(fù)荷反饋，可以將標(biāo)準(zhǔn)化流程變成1個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而能夠制定出更合理的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)。除了本文提出的負(fù)荷反饋以外，企業(yè)還可以尋找其他指標(biāo)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行反饋，以便進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)化流程。