基于JACK的機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷的仿真與評(píng)估*

孫瑞山，魏家興，陳 毅

(中國(guó)民航大學(xué) 民航安全科學(xué)研究所，天津 300300)

0 引言

查閱相關(guān)文獻(xiàn)和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，航空機(jī)務(wù)人員職業(yè)性肌肉骨骼損傷情況普遍，劉健等[1]對(duì)某部隊(duì)650例機(jī)務(wù)人員健康狀況調(diào)查結(jié)果顯示，患病率高達(dá)41.2%；李晅等[2]的研究指出，由于工作需要，機(jī)務(wù)人員工作強(qiáng)度大，工作時(shí)間長(zhǎng)，且受機(jī)型的限制，工作時(shí)經(jīng)常處于屈膝、跪立、彎腰、低頭或仰頭等特殊體位，易造成肌肉、關(guān)節(jié)受損，出現(xiàn)疼痛甚至骨骼病變等情況。

職業(yè)性肌肉骨骼損傷[3](Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)的工效學(xué)危害因素有：1)高強(qiáng)度作用力；2)長(zhǎng)期持續(xù)負(fù)荷接觸；3)過度重復(fù)用力；4)強(qiáng)烈的姿勢(shì)要求；5)強(qiáng)烈或長(zhǎng)時(shí)間肌肉緊張；6)不利作業(yè)環(huán)境和心理負(fù)荷；7)不良的工作(勞動(dòng))組織[4]。影響職業(yè)性肌肉骨骼損傷的總體程度取決于以上危害因素的負(fù)荷水平?？紤]機(jī)務(wù)人員工作特點(diǎn)有：1)體力負(fù)荷大；2)姿勢(shì)負(fù)荷大；3)夜班執(zhí)勤和倒班；4)工作環(huán)境惡劣；5)心理壓力大；6)工作程序規(guī)范化。經(jīng)過對(duì)125名機(jī)務(wù)人員的《民航機(jī)務(wù)人員肌肉骨骼疾患調(diào)查表》結(jié)果分析，搬運(yùn)重物、工作負(fù)荷過大，工作中長(zhǎng)時(shí)間和頻繁保持仰頭、彎腰、舉手姿勢(shì)，以及工作時(shí)間長(zhǎng)、不能得到足夠有效的休息均是WMSDs發(fā)生的影響因素。

當(dāng)前，對(duì)于職業(yè)性肌肉骨骼損傷的判定一是通過主觀量表，如楊磊等[5]發(fā)表的肌肉骨骼疾患調(diào)查表；二是通過體檢等醫(yī)療設(shè)備診斷，Vinstrup等[6]采用生物力學(xué)測(cè)量技術(shù)將職業(yè)性肌肉骨骼損傷進(jìn)行量化，以此減少人員受傷風(fēng)險(xiǎn)。

JACK軟件是1款成熟的人體建模仿真與人機(jī)工效評(píng)價(jià)軟件且應(yīng)用廣泛，目前，國(guó)外在該領(lǐng)域一是用于對(duì)比研究檢驗(yàn)人體數(shù)字模型(DHM)與人體實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異[7]；二是進(jìn)行職業(yè)性肌肉骨骼關(guān)節(jié)處壓力分析[8]以及工效學(xué)分析與設(shè)計(jì)[9]。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者利用JACK軟件進(jìn)行維修任務(wù)仿真，并通過任務(wù)分析工具對(duì)其進(jìn)行工作負(fù)荷評(píng)估、工效學(xué)分析[10]等。但是，采用JACK軟件對(duì)機(jī)務(wù)人員維修過程進(jìn)行仿真并通過任務(wù)分析工具對(duì)人員上肢職業(yè)性損傷評(píng)估的研究較少。

本文基于仿真技術(shù)，以JACK軟件為支撐，從作業(yè)姿勢(shì)、肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間3個(gè)方面對(duì)機(jī)務(wù)人員職業(yè)性上肢肌肉骨骼損傷進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并以A330飛機(jī)六號(hào)肋改裝作業(yè)任務(wù)為例，演示完整的機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷的評(píng)估過程。

1 研究方法與工具

1.1 上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷評(píng)價(jià)方法

為了對(duì)機(jī)務(wù)人員進(jìn)行上肢職業(yè)性損傷的評(píng)估，考慮工效學(xué)危害因素以及機(jī)務(wù)工作特點(diǎn)，選取作業(yè)姿勢(shì)、肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間3個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估，其中，各維度的評(píng)價(jià)方法如下所示。

不良作業(yè)姿勢(shì)可造成過量的肌肉負(fù)荷和關(guān)節(jié)壓力，因此選用工作姿勢(shì)分析(OWAS)[11]和能耗預(yù)測(cè)分析工具(MEE)[12]對(duì)機(jī)務(wù)人員作業(yè)姿勢(shì)造成的損傷進(jìn)行分析。OWAS可以快速檢查工作姿勢(shì)，評(píng)價(jià)基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢(shì)的不適程度。與其他工作姿勢(shì)評(píng)價(jià)方法相比，考慮姿勢(shì)的暴露時(shí)間，可以評(píng)估靜態(tài)姿勢(shì)，也可以評(píng)估動(dòng)態(tài)姿勢(shì)，因此，OWAS更適合于計(jì)算機(jī)輔助的工作姿勢(shì)研究，以便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。MEE旨在計(jì)算人體總代謝能量包括動(dòng)作代謝能量和姿勢(shì)代謝能量，可為工作姿勢(shì)的評(píng)估提供參考。

針對(duì)肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間，可以采用快速上肢動(dòng)作分析工具(RULA)，對(duì)于1個(gè)給定的手工化任務(wù)，RULA能夠基于人體肌肉的使用、負(fù)載情況、任務(wù)的暴露時(shí)間和頻率來評(píng)價(jià)上肢動(dòng)作的危險(xiǎn)性。

綜上所述，作業(yè)姿勢(shì)、肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間是導(dǎo)致機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性肌肉骨骼疾患的主要原因，針對(duì)3個(gè)原因，本文選取工作姿勢(shì)分析、能量消耗分析、快速上肢分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 JACK仿真軟件

JACK軟件提供準(zhǔn)確的人體生物力學(xué)模型，模型包含運(yùn)動(dòng)學(xué)算法和生物力學(xué)算法，其中包含三維仿真、數(shù)字人體建模、人因工效分析等功能。

TAT是JACK軟件中最重要的分析工具，包含十大人因分析工具，這些工具可以分析出特定工作環(huán)境下數(shù)字人的人因狀況[13]。TAT工具主要依據(jù)美國(guó)國(guó)家安全與健康協(xié)會(huì)(National Institute for Occupational Safety And Health,NIOSH)發(fā)布的手工提升工作實(shí)際指導(dǎo)開發(fā)的分析程序[14]。NIOSH為職業(yè)安全與健康OSHA提供技術(shù)協(xié)助，為OSHA推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)研究并提出建議，以預(yù)防職業(yè)病及工傷。

2 仿真設(shè)計(jì)

2.1 仿真分析流程

利用JACK軟件進(jìn)行機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷仿真分析評(píng)估，需完成以下流程：首先，對(duì)維修場(chǎng)景進(jìn)行建模，包括對(duì)數(shù)字人建模和實(shí)物建模，實(shí)物建模采用CATIA軟件完成之后導(dǎo)入JACK軟件；其次，進(jìn)行維修作業(yè)動(dòng)態(tài)仿真，包括維修任務(wù)分解、動(dòng)作分解、TSB動(dòng)態(tài)仿真；最后，運(yùn)用TAT分析工具進(jìn)行機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷分析評(píng)估。具體的流程，如圖1所示。

圖1 仿真分析流程Fig.1 Procedure of simulation analysis

2.2 模型搭建

本文以A330飛機(jī)六號(hào)肋改裝作業(yè)任務(wù)為例，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)建模與動(dòng)態(tài)仿真。A330六號(hào)肋位于機(jī)翼大梁與起落架連接部位，是飛機(jī)大翼的主要承力部件，承載起落架的全部載荷。此部分工作主要分為2部分，第1部分為起落架的拆除任務(wù)；第2部分測(cè)量六號(hào)肋前接耳厚度。

起落架拆除工作又可以分為拆除斜撐萬(wàn)向銷、起落架附近液壓管路、后PIN大螺帽、安裝抱箍以及移除起落架等子任務(wù)。六號(hào)肋改裝作業(yè)包含多個(gè)重復(fù)進(jìn)行的對(duì)主起落架肋前接耳厚度、接耳孔腔直徑的測(cè)量工作，以及需要使用工裝對(duì)主起落架前接耳進(jìn)行切削、倒角并安裝襯套。

六號(hào)肋改裝作業(yè)靜態(tài)仿真場(chǎng)景在進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的人因仿真分析時(shí)，作業(yè)人員、作業(yè)工具、作業(yè)對(duì)象構(gòu)成整個(gè)作業(yè)場(chǎng)景，為了提高仿真的準(zhǔn)確性、真實(shí)性，作業(yè)場(chǎng)景中所涉及到的實(shí)體模型應(yīng)該按照真實(shí)形狀尺寸進(jìn)行建模，并按照實(shí)際工作場(chǎng)景中的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行布置。

機(jī)務(wù)維修場(chǎng)景中包括飛機(jī)主體構(gòu)件、維修車間、維修工具以及數(shù)字人等實(shí)體。數(shù)字人身高為176 cm，體重為78 kg。針對(duì)改裝工作場(chǎng)景，建立游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、腳手架、鏜孔工裝等所需工具的實(shí)體模型。根據(jù)調(diào)研過程中機(jī)務(wù)人員實(shí)際起落架移除工作場(chǎng)景，建立A330的起落架實(shí)體模型和起落架與六號(hào)肋連接部分的主要連接部件，以及工作過程中所用到的起落架托架實(shí)體模型，最終建立的六號(hào)肋改裝作業(yè)仿真場(chǎng)景，如圖2所示。

圖2 六號(hào)肋改裝作業(yè)靜態(tài)仿真場(chǎng)景Fig.2 Static simulation scene of No.6 rib modification operation

2.3 TSB仿真

根據(jù)六號(hào)肋改裝作業(yè)工卡，選取接近作業(yè)中的起落架拆除子任務(wù)和改裝作業(yè)中的測(cè)量六號(hào)肋前接耳厚度子任務(wù)進(jìn)行TSB動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)合維修作業(yè)基本動(dòng)素對(duì)2個(gè)子任務(wù)作業(yè)動(dòng)作分解，分解結(jié)果如表1所示。根據(jù)作業(yè)動(dòng)素[15]，在JACK軟件TSB中生成連貫仿真維修動(dòng)作，然后對(duì)特定空間內(nèi)的限制動(dòng)作進(jìn)行細(xì)微調(diào)整以符合機(jī)務(wù)人員在狹窄起落架艙內(nèi)工作場(chǎng)景，并最終得到2個(gè)工作任務(wù)的仿真場(chǎng)景，TSB動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果如圖3～4所示。

表1 A330六號(hào)肋改裝作業(yè)部分任務(wù)動(dòng)作分解Table 1 Action decomposition of partial tasks in modification operation of A330 No.6 rib

表1(續(xù))

圖3 拆除后PIN任務(wù)TSB仿真場(chǎng)景Fig.3 TSB simulation scene of PIN task after removal

圖4 測(cè)量前接耳尺寸TSB仿真場(chǎng)景Fig.4 TSB simulation scene for measuring front lug size

3 上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷的評(píng)估

3.1 作業(yè)姿勢(shì)分析結(jié)果

完整六號(hào)肋改裝作業(yè)需要202個(gè)工時(shí)，其中，機(jī)務(wù)人員測(cè)量前后接耳時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間保持仰頭和伸臂動(dòng)作，OWAS工具中工作姿勢(shì)的等級(jí)會(huì)顯示在對(duì)話框中，其中，4個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的“糾正需求”，如表2所示。

表2 OWAS工作姿勢(shì)等級(jí)含義Table 2 Meanings of OWAS work posture levels

如圖5所示，在使用螺旋測(cè)微器測(cè)量前接耳厚度時(shí)，機(jī)務(wù)人員的作業(yè)姿勢(shì)“糾正需求”等級(jí)為3級(jí)，該等級(jí)意味著此作業(yè)姿勢(shì)對(duì)于作業(yè)人員的肌肉骨骼有不良影響，應(yīng)盡快糾正。

圖5 工作姿勢(shì)分析結(jié)果Fig.5 Results of work posture analysis

對(duì)機(jī)務(wù)人員起落架移除工作中進(jìn)行TSB仿真分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在拆除后PIN時(shí)作業(yè)人員能耗預(yù)測(cè)超出[NIOSH]的限定值，MEE中包括對(duì)作業(yè)人員保持姿勢(shì)消耗的能量分析，對(duì)工作姿勢(shì)的評(píng)估提供參考，依照表1將起落架拆除后PIN工作分為10個(gè)子任務(wù)，每個(gè)任務(wù)能量消耗預(yù)測(cè)，如圖6所示。同時(shí)，NIOSH對(duì)于該仿真給定的標(biāo)準(zhǔn)消耗為378.285 3 J/s，而該任務(wù)能耗預(yù)測(cè)為433.302 2 J/s，顯然超過限定值，表明保持姿勢(shì)消耗的能量和執(zhí)行任務(wù)消耗的能量超過界限，造成超過界限的原因除了不適的作業(yè)姿勢(shì)，也有可能為任務(wù)負(fù)重過大，此處是對(duì)作業(yè)姿勢(shì)的評(píng)判提供參考。

圖6 能量消耗分析結(jié)果Fig.6 Results of energy consumption analysis

3.2 肌肉負(fù)載與暴露時(shí)間分析結(jié)果

RULA系統(tǒng)檢測(cè)適用于手臂和軀干部位，A組由上臂、前臂、腕關(guān)節(jié)組成，B組由頸部、軀干、腿部組成。另外輸入值與肌肉上附加載荷有關(guān)。所有因素綜合評(píng)級(jí)給出最后評(píng)分(1～8分)，評(píng)分為4級(jí)，具體如表3所示。

表3 RULA結(jié)果等級(jí)含義Table 3 Meanings of RULA results levels

通過快速上肢分析，對(duì)于測(cè)量前后接耳尺寸時(shí)身體各部位肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間的結(jié)果分析，如圖7所示。由圖7可知，身體A組評(píng)價(jià)：上臂姿勢(shì)評(píng)級(jí)5分，下臂姿勢(shì)評(píng)級(jí)3分，手腕和手腕扭轉(zhuǎn)評(píng)級(jí)2分，肌肉使用主要是靜態(tài)且暴露時(shí)間超過1 min，屬于小于2 kg的間歇性負(fù)荷，綜合評(píng)分8分，屬于4級(jí)操作；身體B組評(píng)價(jià)：頸部5分，軀干1分，肌肉使用主要是靜態(tài)且暴露時(shí)間超過1分鐘，屬于小于2 kg的間歇性負(fù)荷，綜合評(píng)分8分，屬于4級(jí)操作；腿部和腳部評(píng)價(jià)：腿和腳部支撐良好，重量均勻。綜上所述，單次測(cè)量工作超過1 min的動(dòng)作上臂和頸部姿勢(shì)不適度評(píng)級(jí)較高，上肢動(dòng)作不適度評(píng)分為7分，屬于4級(jí)操作，存在肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)，需要立即整改。

圖7 快速上肢分析結(jié)果Fig.7 Results of rapid upper limb analysis

3.3 機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷的評(píng)估

進(jìn)行機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷評(píng)估，本文將A330六號(hào)肋改裝作業(yè)分為拆除起落架和改裝測(cè)量接耳2部分，形成TSB仿真動(dòng)畫。

從作業(yè)姿勢(shì)結(jié)果分析，在使用螺旋測(cè)微器測(cè)量前接耳厚度時(shí)，機(jī)務(wù)人員作業(yè)姿勢(shì)有不良影響，有造成肌肉骨骼損傷的隱患，應(yīng)盡快糾正；在移除起落架拆除后PIN工作中，能量消耗預(yù)測(cè)分析超過限定值，由于作業(yè)姿勢(shì)不佳和任務(wù)負(fù)重大引起，有造成肌肉骨骼損傷的隱患；對(duì)于機(jī)務(wù)人員肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間分析發(fā)現(xiàn)上肢的評(píng)判等級(jí)較高，造成肌肉骨骼損傷可能性較高，建議整改。

綜上所述，以A330六號(hào)肋改裝作業(yè)為例，從作業(yè)姿勢(shì)、肌肉負(fù)載、暴露時(shí)間3個(gè)方面進(jìn)行機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷評(píng)價(jià)，該維修過程中機(jī)務(wù)人員存在嚴(yán)重的上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷隱患。

4 結(jié)論

1)針對(duì)機(jī)務(wù)人員維修過程中職業(yè)性損傷情況嚴(yán)重和普遍的問題，選取作業(yè)姿勢(shì)、肌肉負(fù)載、暴露時(shí)間3個(gè)維度，應(yīng)用JACK軟件的TAT人因分析工具進(jìn)行上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷的評(píng)估。結(jié)合A330六號(hào)肋改裝作業(yè)為實(shí)例，基于JACK軟件中的作業(yè)姿勢(shì)分析、能量消耗分析、快速上肢分析對(duì)機(jī)務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明：六號(hào)肋改裝作業(yè)中存在作業(yè)姿勢(shì)不適，肌肉負(fù)載和暴露時(shí)間不合理，改裝作業(yè)中存在嚴(yán)重的上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷的隱患。

2)本文提出人因仿真方法進(jìn)行機(jī)務(wù)人員職業(yè)性肌肉骨骼損傷評(píng)估，可克服以往對(duì)工作流程中肌肉骨骼損傷分析時(shí)存在的可操作性差、主觀性強(qiáng)、分析過程復(fù)雜困難以及分析結(jié)果準(zhǔn)確性較差的問題。