礦用救生艙裝配與維修人機(jī)驗(yàn)證

李元斌，孫有朝，張燕軍

(1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 210016；2.武警杭州士官學(xué)校，杭州 310023)

1 概述

礦用可移動(dòng)式救生艙是在井下發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)，為無法及時(shí)撤離的遇險(xiǎn)人員提供生命保障的密閉空間，可通過牽引、吊裝等方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，以適應(yīng)井下采掘作業(yè)地點(diǎn)變化的要求[1]。在加拿大、美國、澳大利亞等國家的礦山安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中，對推廣、使用礦用救生艙有硬性的規(guī)定，并已在礦難救援中有不少成功應(yīng)用的案例。與國外相比，國內(nèi)對礦用可移動(dòng)式救生艙的研究起步較晚，其設(shè)計(jì)思路還不十分成熟，因?yàn)閲饩壬摰脑O(shè)計(jì)尺寸、使用條件等因礦井建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不同而缺少可比性，所以需要針對國內(nèi)礦井的實(shí)際狀況，對救生艙井下裝配與維護(hù)進(jìn)行必要的驗(yàn)證。

為了能在緊急情況下為避難人員提供充分的生命保障，救生艙的設(shè)計(jì)多為分體式硬體救生艙，由于礦井井筒、巷道的尺寸等因素的限制，救生艙的裝配與維修又須在煤礦井下完成，而井下作業(yè)存在作業(yè)空間狹小、施工條件受限、光線不足等問題，所以救生艙的設(shè)計(jì)一方面要滿足其自身的功能要求，另一方面還應(yīng)充分考慮其裝配、維修的人機(jī)特性，從而有效降低裝配難度和維修成本[2]。

本文提出在救生艙的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮救生艙在井下裝配與維修時(shí)滿足人機(jī)特性的要求，安裝救生艙所需的操作工具及空間尺寸等，建立人機(jī)特性評價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行人機(jī)性驗(yàn)證仿真，從而為實(shí)際操作提供重要的指導(dǎo)[3-4]。

2 救生艙裝配與維修的人機(jī)特性

2.1 裝配與維修的人機(jī)性能特點(diǎn)

在發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)，救生艙的配備應(yīng)能滿足遇險(xiǎn)人員的避險(xiǎn)要求，救生艙內(nèi)充足的空間對保障遇險(xiǎn)人員具有積極的作用，但是由于救生艙的安裝是在已建成的礦井下安裝，因此其體積、質(zhì)量等方面將受到井筒、巷道尺寸及安裝工具的限制，需要在地面將救生艙分為多個(gè)單元體之后逐個(gè)運(yùn)送至礦井下，并完成其裝配及日后維護(hù)。

根據(jù)井下《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)的設(shè)備防爆性要求，即使是先進(jìn)的吊運(yùn)、安裝工具(一般都需要通過供電驅(qū)動(dòng))在未取得煤安證的情況下是不允許使用的，這就進(jìn)一步增加了井下救生艙裝配與維修施工的難度。救生艙的裝配與維修只能靠工作人員與簡單的工具來完成。

由此可知，煤礦井下救生艙的裝配與維修具有作業(yè)空間尺寸有限、環(huán)境條件粗糙、操作工具受限、作業(yè)人員體能消耗大等特點(diǎn)[5]。

2.2 裝配與維修的人機(jī)性能要求

基于上述的救生艙裝配與維修的人機(jī)性能特點(diǎn)，在進(jìn)行救生艙的裝配與維修時(shí)，應(yīng)滿足的基本人機(jī)性能要求包括：可達(dá)性與可視性，免碰撞與干涉，作業(yè)人員的姿態(tài)要求等。

2.2.1 可達(dá)性與可視性要求

可達(dá)性和可視性是救生艙井下裝配與維修必須滿足的最基本的人機(jī)特性要求。所設(shè)計(jì)的救生艙應(yīng)能夠保證：

(1)井下裝配與維修的作業(yè)空間(包括艙內(nèi)作業(yè)空間與艙外作業(yè)空間)大于人體最小作業(yè)空間；

(2)裝配及維修人員在作業(yè)過程中能夠看到自己的操作動(dòng)作[6]。

另外，可達(dá)性還應(yīng)滿足可達(dá)性系數(shù)Kπ在[0.75, 1]之間：

其中，n0為基本作業(yè)數(shù)；nπ為附加工作的基本作業(yè)數(shù)。

2.2.2 免碰撞與干涉的要求

免碰撞與干涉的要求是為了避免作業(yè)人員在對救生艙進(jìn)行裝配與維修作業(yè)時(shí)，發(fā)生可能導(dǎo)致操作人員身體受到傷害或作業(yè)路徑不暢通等情況。免碰撞與干涉的要求可以通過作業(yè)空間比r進(jìn)行評價(jià)：

其中，V為作業(yè)空間；Vmin為最小作業(yè)空間；要求作業(yè)空間比r的值大于1.5。

2.2.3 作業(yè)姿態(tài)的要求

在礦井下進(jìn)行救生艙的裝配與維修作業(yè)，作業(yè)人員的姿態(tài)是否良好會(huì)直接影響到其工作的效率。對作業(yè)姿態(tài)的要求即應(yīng)確保作業(yè)過程中，作業(yè)人員不會(huì)因?yàn)椴涣甲藨B(tài)而導(dǎo)致工作效率降低或過快地出現(xiàn)疲勞，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，并滿足作業(yè)姿態(tài)評價(jià)等級(jí)的要求。

3 救生艙裝配與維修的人機(jī)性驗(yàn)證方法

救生艙井下裝配與維修的人機(jī)性驗(yàn)證方法是根據(jù)所設(shè)計(jì)的救生艙樣艙，建立裝配與維修人員的人體模型以及操作工具的模型，并構(gòu)建救生艙裝配與維修的井下場景，最后在計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)上，通過已構(gòu)建的操作人員模型在虛擬場景下，運(yùn)用操作工具對救生艙完成裝配與維修的動(dòng)作進(jìn)行仿真模擬，并針對實(shí)時(shí)仿真的數(shù)據(jù)，給出可達(dá)性、可視性、干涉情況等的評價(jià)結(jié)果[7]。

3.1 裝配與維修對象的建立

救生艙作為井下作業(yè)人員進(jìn)行裝配與維修的對象，需要通過CATIA等三維建模軟件建立實(shí)體模型，其尺寸應(yīng)與所設(shè)計(jì)的救生艙實(shí)際安裝尺寸保持一致，以保證最后驗(yàn)證仿真的有效性與真實(shí)性。在建模過程中，對于救生艙內(nèi)的內(nèi)飾、環(huán)境控制設(shè)備與監(jiān)測儀器等，可根據(jù)人機(jī)性驗(yàn)證仿真的需要，在與作業(yè)人員實(shí)際裝配與維修無關(guān)聯(lián)的前提下，對相應(yīng)的設(shè)備、儀器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等做必要的簡化處理。

另外，基于模型的虛擬救生艙樣艙，即使在做了簡化處理之后，由于其本身的點(diǎn)、線、面等幾何信息、約束信息等原因，使得樣艙的數(shù)據(jù)量龐大。而在仿真過程中，裝配與維修的對象、作業(yè)人員及工具又都是運(yùn)動(dòng)的，要滿足仿真速度每秒 12幀的最低要求相對比較困難，對計(jì)算機(jī)資源的浪費(fèi)也大，因此，在不影響分析驗(yàn)證的前提下，可將所建立的模型格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，選用cgr格式對模型作輕量化處理，從而有效地提高仿真速率[8]。

3.2 作業(yè)人員及工具模型的構(gòu)建

在人機(jī)性驗(yàn)證仿真的過程中，需要通過所建立的人體模型模擬真實(shí)的操作情況，并檢驗(yàn)是否滿足了相應(yīng)的人機(jī)特性要求。對于人體模型的構(gòu)建，應(yīng)采用人體全尺寸模型，并能反映人的作業(yè)姿勢、作業(yè)域、視角、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍等與裝配以及維修的關(guān)系，在基于DELMIA平臺(tái)驗(yàn)證仿真中，可通過人體建模模塊創(chuàng)建全尺寸人體模型[9]。考慮到井下作業(yè)人員需穿著定制的工作服，對于關(guān)鍵的人體尺寸設(shè)計(jì)極限，應(yīng)建立在從第5百分位到第95百分位值的范圍內(nèi)，采用此范圍內(nèi)的尺寸在理論上提供了90%的人數(shù)適用。人體全尺寸模型所需的數(shù)據(jù)，可以通過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)手冊進(jìn)行查詢，也可針對具體作業(yè)人員的身體特征進(jìn)行實(shí)測。

裝配與維修工具是在虛擬仿真過程中，作業(yè)人員完成救生艙裝配及進(jìn)行日后維護(hù)需要使用的工具，與救生艙樣艙相同，可以通過 CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊完成建模。

3.3 煤礦井下裝配與維修的虛擬場景構(gòu)建

裝配與維修的場景是完成可視化仿真的場所，可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建場景的常用方法有多種，如基于圖像的全景圖生成技術(shù)，基于3D造型的簡化式場景，以及示意圖像等。在進(jìn)行救生艙裝配與維修的人機(jī)性驗(yàn)證仿真時(shí)，使用基于3D造型的簡化式場景?；?D造型的簡化式場景是根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的結(jié)構(gòu)尺寸，在三維軟件中完成場景的實(shí)體造型，此場景中只表達(dá)環(huán)境的長寬高等尺寸參數(shù)，而對環(huán)境的壁面材質(zhì)、光潔度等不做要求。

裝配與維修場景的建立一方面是為了使仿真具有真實(shí)感，能夠盡可能真實(shí)地模擬作業(yè)人員實(shí)際操作的場景，另一方面也可為救生艙在礦井下需要布置的巷道建設(shè)提供參考。根據(jù)實(shí)際完成作業(yè)的情況，在井下的救生艙裝配與維修操作，不需要對環(huán)境進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，但需要把環(huán)境空間作為裝配與維修作業(yè)域的限定條件，井下巷道的建設(shè)尺寸要符合相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即需要在有限的空間中完成預(yù)期工作。

3.4 模型加載與驗(yàn)證仿真流程

要完成人機(jī)性驗(yàn)證仿真，首先需要將操作對象(救生艙及其組成組件)、人體模型、工具模型與作業(yè)環(huán)境場景等加載到基于DELMIA的驗(yàn)證仿真平臺(tái)[10]。在加載時(shí)，需將上述模型分類，以便于仿真信息的管理，一般分為產(chǎn)品列表和資源列表兩大類。產(chǎn)品列表主要是救生艙本身及其內(nèi)部所包含的所有附屬零部件；資源列表一般由人體模型、工具模型與作業(yè)環(huán)境等組成[11]。

救生艙人機(jī)性驗(yàn)證所需的模型完成加載之后，需要對作業(yè)人員、操作工具以及救生艙關(guān)聯(lián)零部件仿真動(dòng)作的路徑進(jìn)行定義，包括作業(yè)人員對螺栓螺母的緊固、拆卸，救生艙單元體間管線路的對接等操作，從而保證在仿真時(shí)得到預(yù)期的仿真結(jié)果報(bào)告。從模型加載到最后完成仿真的流程如圖1所示。

圖1 驗(yàn)證仿真流程

4 人機(jī)性驗(yàn)證與仿真結(jié)果分析

以某型在研救生艙單元體間聯(lián)接裝配的人機(jī)性驗(yàn)證仿真為例，運(yùn)用上述救生艙人機(jī)性驗(yàn)證仿真方法對聯(lián)接裝配流程進(jìn)行分析(該型救生艙的維修拆卸過程可視作聯(lián)接裝配的逆過程)。單元體間的聯(lián)接裝配整體流程包括：密封圈加固→安裝定位銷→螺栓聯(lián)接→氣密性檢查等。

4.1 可達(dá)性與可視性分析

在救生艙單元體間的聯(lián)接過程中，基本的作業(yè)操作數(shù)為 X=5(固定密封圈、裝定位銷、螺栓聯(lián)接、氣密性檢查等)，進(jìn)一步可得 Kπ的值為 0.79。另外，還可以通過 DELMIA平臺(tái)的人體包膜對可達(dá)性做定性的評價(jià)與分析，如圖2所示，對人體模型的動(dòng)作調(diào)整提供參考，從而改善可達(dá)性。

圖2 作業(yè)人員的可達(dá)域

可視性分析是分析確保作業(yè)人員在進(jìn)行救生艙裝配的過程中，能夠?qū)λ胁僮骺梢?，從而能有效避免誤操作以及造成人員受傷等情況。一般人的雙眼水平視覺范圍約為120°，垂直方向約為上下各35°，可劃分為A、B、C 3個(gè)區(qū)域，如圖3所示。有非常好(部件完全處于區(qū)域 A內(nèi)，且焦點(diǎn)落在部件幾何中心)、好(部件完全處于區(qū)域 A內(nèi)，且焦點(diǎn)在部件上，但不在幾何中心)、比較好(部件處于區(qū)域 A、B之中，幾何中心在區(qū)域A內(nèi))、一般(部件處于區(qū)域A、B之中，幾何中心位于區(qū)域 A、B分界線上)、比較差(部件處于區(qū)域A、B之中，幾何中心在區(qū)域B內(nèi))、差(部件完全處于區(qū)域B內(nèi))、非常差(對象有部分處于區(qū)域C中)7個(gè)評價(jià)等級(jí)。從仿真結(jié)果可知，在救生艙裝配操作過程中，作業(yè)人員的操作可視性基本在“一般”以上。

圖3 作業(yè)人員的可視域

4.2 碰撞與干涉分析

在礦井下進(jìn)行救生艙單元體間聯(lián)接裝配過程中，因艙體外形尺寸規(guī)整，艙體表明平滑，正常操作不會(huì)導(dǎo)致作業(yè)人員與救生艙艙體、巷道壁之間發(fā)生碰撞或干涉，而應(yīng)主要考慮救生艙安裝位置處巷道尺寸的設(shè)計(jì)，從而有效避免救生艙無法在所建巷道內(nèi)完成裝配。從碰撞與干涉的仿真過程分析，并結(jié)合作業(yè)人員的可達(dá)性要求，要滿足作業(yè)人員的作業(yè)空間比 r＞1.5，至少應(yīng)使救生艙外壁與巷道壁的間距參考值高于1.11 m。救生艙人機(jī)性驗(yàn)證裝配操作仿真結(jié)果中，救生艙外壁與巷道壁的間距為1.2 m，不會(huì)導(dǎo)致作業(yè)人員與救生艙艙體、巷道壁發(fā)生碰撞或干涉。

4.3 作業(yè)姿態(tài)分析

作業(yè)人員的作業(yè)姿態(tài)分析可以利用 DELMIA軟件中的基于快速上肢評價(jià) RULA(Rapid Upper Limb Assessment)進(jìn)行衡量，并給出1分～2分(該姿勢可接受，能夠長期保持該姿勢)、3分～4分(該姿勢可以保持較短時(shí)間)、5分～6分(該姿勢只能保持很短時(shí)間)、7分(該姿勢通常不可接受，必須立刻改變該姿態(tài))等評分結(jié)果，RULA的1分～7分對應(yīng)“非常好”、“好”、“比較好”、“一般”、“比較差”、“差”、“非常差”7個(gè)級(jí)別。作業(yè)姿態(tài)分析功能對聯(lián)接裝配的姿勢進(jìn)行分析評價(jià)，分析項(xiàng)目包括右手上臂的3個(gè)自由度、前臂的2個(gè)自由度以及手和食指的單自由度。通過分析，可以對分值較低的自由度進(jìn)行優(yōu)化，以使得作業(yè)人員在裝配過程中處于較好的作業(yè)姿態(tài)。圖4給出了每個(gè)自由度的分析結(jié)果以及總的分析結(jié)果，救生艙裝配操作人員作業(yè)姿態(tài)總體評價(jià)在“好”以上。

圖4 姿態(tài)分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文綜合分析某型救生艙裝配的人機(jī)性驗(yàn)證過程及仿真結(jié)果，表明該型救生艙在單元體聯(lián)接裝配時(shí)具有良好的人機(jī)特性，并且說明本文提出的救生艙裝配與維修的人機(jī)性驗(yàn)證方法具備有效性與可行性。今后研究的重點(diǎn)是對救生艙的故障進(jìn)行預(yù)分析和維修處理，預(yù)估和優(yōu)化維修作業(yè)時(shí)間和維修費(fèi)用。

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