基于JACK的盾構(gòu)機換刀作業(yè)人員工作負荷評估模型*

姜興宇，馬明宇，齊 鵬，馬生順，侯志權(quán)，劉偉軍

(1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870；2.沈陽盾構(gòu)設備工程有限公司，沈陽 110013)

盾構(gòu)機刀具會在地鐵施工的過程中大量磨損，需要經(jīng)常換刀.但是目前盾構(gòu)機主流換刀方式要求作業(yè)人員必須進入環(huán)境惡劣的換刀倉進行作業(yè).作業(yè)人員的作業(yè)強度大，換刀效率低下，易產(chǎn)生工傷[1].因此，從人因工程學的角度構(gòu)建換刀作業(yè)人員工作負荷評估方法，對提高換刀作業(yè)效率，降低作業(yè)人員的疲勞與工傷有著積極意義.

國內(nèi)外針對作業(yè)人員的工作負荷評估進行了廣泛研究.Qiu等[2]提出一種基于人的行為的腦力勞動工作量評估方法，采用視頻分析對身體姿勢進行定量研究來評估工作負荷；Mohamad等[3]借助CATIA和RULA對工人作業(yè)姿勢進行評估以預防肌肉骨骼疾病；田書捷等[4]從資源需求與時間占用兩個角度綜合評估工作負荷；羅鳳娥等[5]歸納工作負荷影響因素，建立簽派員工作負荷評估的理論模型；倪群高[6]借助半實物仿真手段對駕駛員的工作負荷進行數(shù)據(jù)收集與評估；童豪等[7]借鑒DORATASK方法建立工作負荷評估模型，再應用層次分析法確定了每項工作內(nèi)容的難度系數(shù)，從而確定了總工作負荷值；陳峰[8]研究了鐵路調(diào)度的行為模式，并采用任務分析法構(gòu)建了工作負荷評估模型；Arico等[9]采用腦電測量和主觀工作量感知的方法收集人員負荷數(shù)據(jù)并進行評估；Mélan等[10]采用認知負荷理論研究了宇航員在執(zhí)行任務時的工作負荷情況；羅曉利等[11]從仿真分析角度討論工作負荷評估.

雖然目前工作負荷的評估研究已經(jīng)有了較大進展，但研究工作普遍針對正常環(huán)境下的工作負荷，尚無針對盾構(gòu)機換刀作業(yè)這樣惡劣環(huán)境下的工作負荷研究，且現(xiàn)有的研究方法或主觀性過強，或不能完全充分考慮負荷種類.因此，本文針對盾構(gòu)機換刀作業(yè)的工作負荷評估問題，借鑒民航管制員負荷評估方法，建立盾構(gòu)機換刀人員工作負荷評估模型.以JACK軟件中的TAT工具分析作業(yè)人員的工作負荷值和代謝、姿勢、力量三種修正值，以修正值修正初始值，代入模型中求解以實現(xiàn)對工作負荷的客觀評估.

1 盾構(gòu)機換刀作業(yè)流程與仿真

1.1 盾構(gòu)機換刀作業(yè)流程分析

盾構(gòu)機的刀具更換作業(yè)過程主要分為以下4個階段：1)開倉.開倉是換刀作業(yè)的準備過程，在此過程中作業(yè)人員需要準備一系列工具與裝備，同時保證換刀倉的壓力處于人員可承受的壓力范圍.2)檢查.檢查過程主要是確定土層與巖石的情況，確保換刀作業(yè)過程中不會發(fā)生安全事故.3)換刀.換刀過程是整個作業(yè)中的具體操作階段.按照其工藝流程可分為8個步驟，即移除保護蓋、安裝伸縮油缸、安裝更換輔助裝置、移除刀具、連接液壓管、閉合設備、壓力補償、移除并更換刀頭.在該階段中作業(yè)人員需要頻繁地安裝與拆卸刀具設備，這是整個作業(yè)過程中體力消耗最大，負荷最重的階段.4)清倉.清倉是換刀作業(yè)中的收尾階段，在該階段作業(yè)人員將工具與相關裝備清理出倉，關閉艙門，保證接下來掘進的安全.

在整個盾構(gòu)機換刀作業(yè)中，刀具更換人員需要在狹小的換刀倉內(nèi)進行作業(yè)，換刀倉位于地表以下，充斥泥漿、污水，空氣混濁.在這樣的工作環(huán)境下，換刀作業(yè)人員極易出現(xiàn)疲勞，產(chǎn)生工傷，工作負荷加重.因此需要針對換刀作業(yè)過程進行工作負荷的評估研究.但在實際的換刀作業(yè)過程中，由于受到環(huán)境等多種因素的約束，如果用現(xiàn)場測量的方式分析換刀作業(yè)，將會給作業(yè)人員無形中帶來更大的麻煩.因此，需要通過仿真手段還原作業(yè)過程，并在此基礎上構(gòu)建工作負荷評估模型，實現(xiàn)對工作負荷的評估.

1.2 盾構(gòu)機換刀作業(yè)仿真平臺構(gòu)建

由于盾構(gòu)機施工作業(yè)與刀具更換環(huán)境條件的限制，本文采取了半實物仿真的方法，通過構(gòu)建半實物仿真平臺，實現(xiàn)盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)的人員動作數(shù)據(jù)收集[12].

采用半實物仿真的手段收集刀具更換作業(yè)過程中的人員動作數(shù)據(jù)，需要通過人員在真實的作業(yè)場景中，以標準作業(yè)的形式完成部分或整個作業(yè)流程.在這個過程中，通過相關的動作信號采集設備，將人員的施力大小、施力角度、關節(jié)角度等動作信息變?yōu)殡娦盘?，匯總到計算機中形成動作數(shù)據(jù)，再通過相關仿真軟件進行作業(yè)仿真.為實現(xiàn)這一目的，首先需要構(gòu)建合適的半實物仿真平臺.本文構(gòu)建的半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，該半實物仿真平臺由3個部分組成：換刀作業(yè)實驗平臺、動作捕捉系統(tǒng)和攝像機.其中，換刀作業(yè)實驗平臺為實驗人員提供了真實的作業(yè)場景與作業(yè)環(huán)境，是半實物仿真實驗中收集動作數(shù)據(jù)信號的主要場所.動作捕捉系統(tǒng)是半實物仿真實驗的數(shù)據(jù)信號采集設備，考慮到作業(yè)空間以及不能影響作業(yè)人員正常操作的問題，本文采用一種無線實時動作捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在操作人員各關節(jié)處放置無線傳感器，將動作數(shù)據(jù)信號以無線傳輸?shù)男问絽R總至系統(tǒng)計算機中.攝像機的作用是記錄實驗過程，為后續(xù)仿真過程提供視頻參考依據(jù).

圖1 半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of semi-physical simulation platform

本文選取了四名有著豐富換刀作業(yè)經(jīng)驗的工人，分為兩組協(xié)助完成刀具更換作業(yè)過程的半實物仿真實驗，最后選擇效果最佳的一組數(shù)據(jù)進行仿真.在實驗前首先對四名工人的相關人體數(shù)據(jù)進行測量，以便在后期仿真中設置虛擬人參數(shù)，四名工人分別按第50百分位和第95百分位選取兩人，表1為參與實驗的工人人體尺寸.

表1 工人人體尺寸Tab.1 Body sizes of workmen

實驗后將收集到的各個關節(jié)受力、力距、扭矩等情況進行匯總分析，剔除失真的數(shù)據(jù)后導出Excel表，以此為依據(jù)進行換刀作業(yè)仿真.表2為實驗收集的部分作業(yè)動作數(shù)據(jù).根據(jù)時間軸定位法在導出的數(shù)據(jù)表中將作業(yè)人員在不同時間下的動作分別與記錄的動作進行對比，確定人員具體的作業(yè)動作，為虛擬人指派任務，并將動作數(shù)據(jù)賦予虛擬人，這樣即可實現(xiàn)虛擬換刀作業(yè)人員的驅(qū)動，完成盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)過程在真實狀態(tài)下的仿真.

表2 部分換刀作業(yè)人員動作數(shù)據(jù)Tab.2 Action data of some cutter change operators

2 盾構(gòu)機換刀人員工作負荷評估模型

根據(jù)前文對換刀作業(yè)流程的分析可以看出，盾構(gòu)機換刀作業(yè)屬于在惡劣環(huán)境下的重體力勞動，在現(xiàn)場直接測定作業(yè)人員負荷的方法缺乏可行性，故本文采用以工作績效為依據(jù)的方法來評估工作負荷.因此，本文基于國際民用航空組織(international civil aviation organization，ICAO)提出的用于管制員工作量評估的方法，建立了換刀人員工作評估模型，其本質(zhì)是一種基于時間占用率衡量工人工作量的評估方法.

2.1 工作負荷評估流程

盾構(gòu)機的換刀作業(yè)是一種重體力勞動.與正常工作相比，人員在作業(yè)過程中伴隨著較大的能量消耗，新陳代謝加快，因此對人員進行工作負荷評估時首先應當考慮能量代謝情況作為校正工作負荷的一個因素.

另外，由于盾構(gòu)機的換刀作業(yè)環(huán)境十分惡劣，作業(yè)空間狹小，與正?？臻g下的工作相比，人員的作業(yè)姿勢受到較大限制，作業(yè)動作無法正常施展.在不舒適的作業(yè)姿勢下開展換刀作業(yè)活動必然加速人員的疲勞，因此應當考慮作業(yè)姿勢對評估結(jié)果的影響，將其作為一個校正工作負荷的因素.

最后，受到換刀作業(yè)的工藝流程限制，人員在作業(yè)過程中需要施加較大的力量.在這種長時間施力的作業(yè)中人員會加速疲勞，工作負荷的產(chǎn)生與增加會加速，因此力量同樣是對工作負荷評估過程中不能忽視的因素.

綜上所述，由于盾構(gòu)機換刀作業(yè)自身的特點，其工作負荷評估顯然不能只單獨考慮“單位時間工作量”這一工作績效指標作為唯一評價依據(jù)；必須同時結(jié)合能量代謝、作業(yè)的姿勢與作業(yè)的施力三個方面對工作績效指標進行校正，以求得最準確結(jié)果.基于此，本文構(gòu)建了盾構(gòu)機換刀人員工作負荷的評估流程，如圖2所示.通過構(gòu)建盾構(gòu)機換刀作業(yè)的半實物仿真平臺，以半實物仿真實驗的方式獲取了盾構(gòu)機換刀作業(yè)的真實動作數(shù)據(jù)，實現(xiàn)仿真虛擬人的驅(qū)動.以該仿真實驗為基礎，在JACK工效學分析軟件中借助TAT分析工具，首先通過PTS分析得出工作負荷的初始值，然后通過新陳代謝分析(MEE)、姿勢負荷分析(OWAS)和力量負荷分析(LBA)輸出校正因子，對初始值修正，得出工作負荷的最終值，進而評價換刀人員工作負荷的大小.

圖2 盾構(gòu)機換刀人員工作負荷評估流程Fig.2 Flow chart of workload evaluation for cutter change operators of shield machine

2.2 工作負荷評估模型與等級

本文根據(jù)工作績效的定義——“單位時間的工作量”作為盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)人員進行作業(yè)時負荷評估的基礎，以換刀時間與標準時間之比作為具體評估衡量指標，并考慮盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)的特點，加入能耗率等影響因素對其進行較正.構(gòu)建盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)人員工作負荷評估模型，其表達式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：TLI為刀具更換作業(yè)中工人的工作負荷值；TS為JACK軟件仿真分析中采用標準作業(yè)程序?qū)Φ毒吒鼡Q作業(yè)的仿真時間；Ta為刀具更換作業(yè)標準時間，依據(jù)NIOSH得出；A為盾構(gòu)機換刀作業(yè)時間占用率的校正因子.校正因子A由三部分構(gòu)成：α為作業(yè)人員能量消耗校正因子，由式(2)可知，其為從JACK軟件仿真分析得到的刀具更換作業(yè)能量消耗率E與根據(jù)NIOSH得出的標準能量消耗率Eref之比；β為刀具更換作業(yè)人員力量負荷校正因子，由式(3)可知，其為經(jīng)過JACK仿真分析獲得的所有超出NIOSH標準推薦值的最大力量值CRi與標準的推薦值CRref之比的平均值；γ為刀具更換作業(yè)人員姿勢負荷校正因子，由式(4)可知，其為經(jīng)過JACK仿真分析獲得的所有大于標準舒適等級的得分值SRj與推薦標準等級的對應分值SRref之比的平均值.

本文構(gòu)建了盾構(gòu)機換刀作業(yè)中工作負荷等級的評價表，如表3所示.

表3 盾構(gòu)機換刀作業(yè)人員工作負荷等級Tab.3 Workload level of cutter change operators of shield machine

3 工作負荷評估技術實現(xiàn)

3.1 仿真工作時間確定

換刀人員完成刀具更換作業(yè)的時間是通過TAT工具中的預定時間系統(tǒng)(predetermined time system，PTS)，采用MTM時間預測方法得到的.圖3為JACK8.0.1版中的預定時間系統(tǒng)操作窗口圖.圖3中的“Total Time”值即為換刀人員完成工作的時間.

圖3 JACK中PTS時間預測工具窗口Fig.3 Interface of PTS time prediction tool in JACK

圖4為MTM時間預測方法的動作分類情況，各個類別動作之間是相互獨立的.在進行標準時間分析時，工人作業(yè)時的動作可以在圖4中找到相對應的動作類別，并可按照操作順序進行排列；各類別動作的作業(yè)距離大小也可影響作業(yè)時間長短，這是本文分析換刀流程的重要根據(jù).

圖4 MTM動作分類Fig.4 MTM action classification

PTS系統(tǒng)根據(jù)換刀作業(yè)中工人的動作逐幀分析動作要素的類型和數(shù)量，得出在依照更換刀具操作標準下刀具更換人員完成操作的時間，即本文盾構(gòu)機換刀作業(yè)仿真工作時間TS.再依據(jù)NIOSH推算出盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)的標準時間Ta，即可確定時間占用率TS/Ta的值.

3.2 盾構(gòu)機換刀作業(yè)各校正因子的確定方法

盾構(gòu)機換刀作業(yè)過程是依靠安裝在擁擠的換刀艙內(nèi)刀具更換設備來完成的，因此，應充分考慮到作業(yè)人員的工作姿勢與施加力量的影響，從而更有助于精確評估刀具更換的工作負荷.

1)盾構(gòu)機換刀作業(yè)人員力量負荷校正因子的確定方法.使用下背部分析工具(LBA)可以快速得到β值，且刀具更換作業(yè)人員受傷的可能性是否會增加也可以得到確定.圖5為TAT分析工具下LBA分析界面.LBA分析主要通過圖5中脊柱受力情況來分析人員的力量負荷，一般認為當脊柱受力未超過3 400 N推薦值(圖5中黃線)時，可認為處于正常狀態(tài)；超過3 400 N則認為負荷較重，應當予以改善.

圖5 LBA分析界面Fig.5 Analysis interface of LBA

在確定力量負荷校正因子的過程中，LBA可以連續(xù)監(jiān)控動態(tài)仿真，選擇出L4/L5脊椎處超出NIOSH推薦壓力值的受力動作和此動作下L4/L5脊椎處最大壓力值CRi，通過計算CRi/CRref的均值求出力量負荷校正因子系數(shù)β.

2)盾構(gòu)機換刀作業(yè)人員姿勢負荷校正因子的確定方法.TAT分析工具中的工作姿勢分析工具(OWAS)可用于計算和確定校正因子γ.該工具能夠同時確定工人在更換刀具的操作過程中由于不良姿勢所造成的傷害情況.圖6為OWAS工作姿勢分析結(jié)果界面.OWAS分析主要通過分析姿勢負荷級別來確定人員負荷情況，一般認為評價級別不超過二級即可認為處于正常狀態(tài)；超過二級時說明姿勢負荷有不良影響，應當及時糾正.

圖6 OWAS工作姿勢分析結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic diagram of OWAS working posture analysis results

在確定姿勢負荷校正因子的過程中，OWAS可以連續(xù)監(jiān)控動態(tài)仿真，選擇超過SRref的姿勢，并記錄分值SRj，通過計算SRj/SRref的均值求解姿勢負荷校正因子系數(shù)γ.

3)盾構(gòu)機換刀作業(yè)人員能量代謝校正因子的確定方法.能量代謝也是對體力強度進行劃分的重要參數(shù).表4為國家標準GB 3869-1983中依據(jù)能量代謝率進行負荷評估的等級情況.

表4 負荷強度能量消耗等級Tab.4 Load intensity energy consumption levels (kJ·min-1·m-2)

本文使用TAT分析工具中的新陳代謝分析工具(MEE)將整個換刀作業(yè)過程分解為若干操作階段，分析各階段操作工人的施力情況、作業(yè)活動頻率以及操作時工人的工作姿勢，同時考慮到換刀作業(yè)人員的體重和刀具更換的工作時間，分析各操作階段的新陳代謝情況.圖7為MEE新陳代謝分析工具操作窗口.新陳代謝分析主要通過分析結(jié)果確定人員的新陳代謝情況，即人員的能量消耗率.通過對人員能量消耗率與推薦能量代謝率的對比分析可以判斷人員在換刀作業(yè)的過程中是否有明顯的疲勞與工作負荷增加的情況.

圖7 MEE新陳代謝分析操作窗口Fig.7 MEE metabolic analysis operation window

通過JACK軟件自動監(jiān)測換刀作業(yè)的仿真過程，導出在盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)過程中的能量消耗率E，以及基于NIOSH建議的能量消耗率Eref，兩者之比即為α.

4 工作負荷評估實驗結(jié)果及分析

盾構(gòu)機的刀具更換作業(yè)工藝流程中安裝伸縮油缸是整個更換刀具作業(yè)中過程最復雜，裝備最沉重，人員負擔最重的作業(yè)，對其進行工作負荷評估有利于判斷整個作業(yè)過程中的工作負荷情況.本文以換刀作業(yè)中的伸縮油缸安裝作業(yè)為例來驗證工作負荷評估模型的評估效果.圖8為伸縮油缸安裝作業(yè)過程.圖9為伸縮油缸結(jié)構(gòu)示意圖.

圖8 伸縮油缸安裝作業(yè)過程Fig.8 Telescopic cylinder installation work process

圖9 伸縮油缸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic structure of telescopic cylinder

4.1 盾構(gòu)機換刀作業(yè)仿真工作時間確定

JACK通過逐幀分析仿真過程的運動數(shù)據(jù)，計算每個基本動作所需的時間，然后得出模擬操作時間TS.經(jīng)過PTS的模擬工作時間仿真分析后得到安裝伸縮筒的TS為504.5 s.而安裝伸縮油缸作業(yè)的標準時間Ta為900 s.從輸出的時間結(jié)果來看，工人的操作時間小于標準時間，說明在工人安裝伸縮油缸的操作上較為順利，沒用受到疲勞和重負荷的影響；從工作績效的角度來看，工人在安裝伸縮油缸的作業(yè)中績效較高，工作負荷基本處于正常狀態(tài).

4.2 各校正因子參數(shù)值的確定

1)盾構(gòu)機換刀作業(yè)能量代謝校正因子的結(jié)果.圖10為TSB的能量代謝率分析.由圖10結(jié)果可知，伸縮油缸安裝作業(yè)的能量消耗率E為5.399 kcal/min，與之相應的推薦能量消耗率Eref經(jīng)過分析為7.372 kcal/min.根據(jù)表4的等級分析可知，能量消耗率E處于超輕級別，說明工人在安裝伸縮油缸時操作較為順利，能量消耗較小，工人的疲勞感不明顯.從推薦能量消耗率Eref與能量消耗率E的對比來看，安裝作業(yè)的實際能量消耗小于推薦值，說明在伸縮油缸安裝作業(yè)中能量代謝對于工人的工作負荷影響較小，工人的工作負荷較為輕松.

圖10 TSB的能量代謝率分析Fig.10 Analysis of energy metabolism rate of TSB

2)盾構(gòu)機換刀作業(yè)力量負荷校正因子的結(jié)果.圖11為脊柱受力輸出結(jié)果，在伸縮油缸安裝作業(yè)過程中，未發(fā)現(xiàn)有力量值CRi超出推薦標準值CRref(3 400 N)的瞬間.該結(jié)果說明在伸縮油缸安裝作業(yè)中，工人按照正常作業(yè)流程操作時的脊柱壓力始終處于正常狀態(tài)，工人所施加的力量和受到的壓力并不會使工人疲勞和受傷.伸縮油缸安裝作業(yè)中力量負荷對工人的工作負荷影響較小.

圖11 伸縮油缸安裝作業(yè)的LBA輸出Fig.11 LBA output of installation work of telescopic cylinder

3)盾構(gòu)機換刀作業(yè)姿勢負荷校正因子的結(jié)果.從OWAS的監(jiān)測分析可以發(fā)現(xiàn)，伸縮油缸安裝作業(yè)中五個姿勢的舒適度標準等級SRj超出推薦標準值SRref(2 000)，這五個姿勢的分值分別為2 896、2 123、3 206、3 578和3 324，均為三級.該結(jié)果說明在工人安裝伸縮油缸作業(yè)過程中，部分姿勢存在不舒適的現(xiàn)象，人員以這樣的姿勢進行操作容易疲勞，工作負荷增大.姿勢負荷對工人工作負荷的影響較為明顯.

4.3 工作負荷評估結(jié)果的確定及分析

根據(jù)TSB和TAT分析工具輸出結(jié)果，將上述因子代入模型，可計算出伸縮油缸安裝作業(yè)的最終工作負荷值，具體計算過程如下：

由于α=0.7<1，即伸縮油缸安裝作業(yè)的能量消耗率E=5.339 kcal/min，未超出NIOSH的推薦值Eref(7.372 kcal/min)，因此，伸縮油缸安裝作業(yè)不會因能量消耗率過大造成作業(yè)人員受到傷害，α 的最終值取1.

對伸縮油缸安裝作業(yè)的仿真進行分析后未發(fā)現(xiàn)超出NIOSH推薦值CRref(3 400 N)的動作，β的值取1.

伸縮油缸安裝作業(yè)有五個姿勢超出NIOSH的標準推薦值(2 000)，代入式(4)計算得知，γ的最終值為1.51.

最終的工作負荷值TLI為0.85.由表3可知，該數(shù)值處于表3中高負荷指數(shù)的范圍之內(nèi).結(jié)果表明，為完成換刀過程中伸縮油缸的安裝作業(yè)，換刀作業(yè)人員承受了較高的工作負荷.根據(jù)前文分析可知，造成該結(jié)果的主要原因是人員的作業(yè)姿勢不合理，導致工人在刀具更換作業(yè)中負荷增大，超出了正常水平.在實際工作過程中應采取如增加作業(yè)輔助工具、改進操作流程等方式，對作業(yè)人員不舒適的作業(yè)姿勢進行改善，以降低可能對作業(yè)人員肌體產(chǎn)生的傷害.

5 結(jié) 論

本文討論了盾構(gòu)機刀具更換作業(yè)中工人的工作負荷評估問題，提出了一種基于JACK的盾構(gòu)機換刀作業(yè)人員工作負荷評估模型.為確定刀具更換過程中的工作負荷評估依據(jù)，本文引入民航管制員工作負荷評估標準；考慮到換刀作業(yè)以體力工作為主，從作業(yè)人員的新陳代謝、作業(yè)姿勢和重量壓力三個方面確定了能量代謝、姿勢負荷和力量負荷三種影響因子，對評估標準進行修正.為確定工作負荷等級，本文通過TAT工具求解各參數(shù)值，代入模型求解最終值.本文實現(xiàn)了對盾構(gòu)機換刀作業(yè)的客觀有效評估，對改善盾構(gòu)機換刀作業(yè)具有重要的意義.