基于WSR 的塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李娟，周慧敏，劉濤，李沛蕓，袁光宇，胡蝶

（西華大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，成都 610039）

目前，在建筑施工中，塔式起重機(jī)（簡稱塔機(jī)）是一種常用的起重設(shè)備。塔機(jī)駕駛室是整個(gè)塔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)樞紐，也是駕駛員安全作業(yè)的地方，其內(nèi)部空間狹小，功能模塊多，且為保證前部操作區(qū)具有良好的采光與視野，各功能配件只能裝配于內(nèi)室兩側(cè)的中后位置，可利用空間非常有限。因此，如果缺乏合理設(shè)計(jì)，將造成功能布局混亂、空間凌亂、空間利用率低、高空作業(yè)體驗(yàn)差等問題。駕駛室空間布局的合理化設(shè)計(jì)對(duì)工作效率、駕駛員的舒適性問題尤為重要[1]。塔機(jī)駕駛員屬于高空作業(yè)，其視野區(qū)不同于其他機(jī)械駕駛室，對(duì)視野要求較高，并且夏冬季工作環(huán)境惡劣，駕駛員工作時(shí)間較長，設(shè)計(jì)時(shí)還需充分考慮駕駛員的視野、人機(jī)等特點(diǎn)。

王春燕等[2]通過DEMATEL 法的研究，并結(jié)合信息熵，建立分析模型，對(duì)影響塔機(jī)操作安全事故的因素進(jìn)行研究；段銳等[3]對(duì)現(xiàn)有塔機(jī)安全管理方法進(jìn)行研究梳理，并提出BIM 和CV 技術(shù)相融的塔機(jī)安全管理框架；楊悅等[4]通過構(gòu)建塔式起重機(jī)的三類基本作業(yè)運(yùn)動(dòng)模型，基于 Maple 數(shù)學(xué)軟件的運(yùn)算分析，建立仿真模型得出塔機(jī)在工作中重物的運(yùn)動(dòng)路線和規(guī)律；王雅坤等[5]對(duì)礦用挖掘機(jī)駕駛室操作界面采用模塊重要程度分析法，建立操作界面的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；張宏瑞等[6]針對(duì)液壓挖掘機(jī)的不同目標(biāo)人群，基于H 點(diǎn)的曲線分析，結(jié)合多功能區(qū)域法，對(duì)駕駛室的舒適度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)前針對(duì)塔機(jī)的研究主要側(cè)重于技術(shù)層面，包括安全監(jiān)控系統(tǒng)、安全管理、事故分析、平衡臂、提升設(shè)備、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等方面，而對(duì)塔機(jī)駕駛室的設(shè)計(jì)研究存在一定空間，其室內(nèi)空間布局、功能配置與人機(jī)關(guān)系等問題是影響空間利用率、操作效率和舒適性的關(guān)鍵因素。本文將聚焦于塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于WSR 方法論的系統(tǒng)分析，找出現(xiàn)有塔機(jī)駕駛室的布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)其設(shè)計(jì)要素進(jìn)行合理劃分和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用JACK 人機(jī)仿真評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1 WSR 方法論及其用于塔機(jī)駕駛室的適用性

1.1 WSR 方法論概述

“物理–事理–人理”系統(tǒng)方法論[7]，以下簡稱WSR 方法論，是一種東方系統(tǒng)方法論，應(yīng)用實(shí)踐中要不斷概括和協(xié)調(diào)物理層面、事理層面和人理層面的關(guān)聯(lián)性。顧基發(fā)研究員[7]將WSR 方法定位為用科學(xué)的方法來解決系統(tǒng)中的復(fù)雜問題，見圖1?！拔锢怼蓖ǔＪ茄芯靠陀^實(shí)在的、物質(zhì)的法則和規(guī)則，物理最重要的是真實(shí)性；“事理”指系統(tǒng)、組織如何管理和做事情的原理，針對(duì)不同的問題應(yīng)該怎樣去做；“人理”指從個(gè)體到群體的聯(lián)系，在系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)如何做得更好，高效地處理事情的方式與方法?！拔铩薄笆隆薄叭恕毕噍o相成，在系統(tǒng)實(shí)踐中要合理分析三者的關(guān)聯(lián)因素。

圖1 WSR 方法論Fig.1 WSR methodology

WSR 方法論的提出，在國內(nèi)外都得到了很大的發(fā)展，且并不局限于某一領(lǐng)域[8]。例如：羅琛琛等[9]基于WSR 方法論探究老年健康飲食配送服務(wù)體驗(yàn)用戶需求，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法，并在飲食、服務(wù)、用戶三個(gè)層面推導(dǎo)出合理的老年健康飲食配送服務(wù)模型；方方等[10]以單柱式液壓機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，結(jié)合WSR 方法，從物理–事理–人理三個(gè)維度展開設(shè)計(jì)研究，建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三維過程模型。雖然WSR 在設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用得還比較少，但是對(duì)設(shè)計(jì)研究的作用顯而易見，可以將復(fù)雜的系統(tǒng)問題分解成若干有條理的小問題，從而進(jìn)行全面的梳理。

1.2 WSR 方法論用于塔機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)的適用性分析

塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在，塔機(jī)駕駛室的空間有限，內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要綜合考慮設(shè)備、作業(yè)和人的因素，既要確保駕駛員作業(yè)中的規(guī)范性，又要綜合考慮駕駛員行為的流暢性。對(duì)于塔機(jī)駕駛員，塔機(jī)駕駛室既是一個(gè)工作環(huán)境，也是他們從早到晚進(jìn)餐、休息的生活場所，這就需要使塔機(jī)駕駛室中的空間多方面協(xié)調(diào)，以保證駕駛員正常的工作和生活。WSR 系統(tǒng)方法論就是針對(duì)事物之間的復(fù)雜關(guān)系所提出來的科學(xué)研究方法[11]。將塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)應(yīng)到WSR（物理–事理–人理）三個(gè)層面進(jìn)行分析，可以避免遺漏其中的關(guān)鍵要素，以及梳理清楚整個(gè)系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)聯(lián)性和交叉性，見圖2。

圖2 塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)各要素的關(guān)系Fig.2 Relationship between the elements of tower crane cab layout design

2 基于WSR 的塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)研究分析

塔式起重機(jī)主要分為平頭塔、尖頭塔和動(dòng)臂塔三種基本類型，為滿足實(shí)際需要，不同類型又可細(xì)分為多種規(guī)格和型號(hào)。國外知名塔機(jī)制造商包括法國波坦、德國利勃海爾、瑞士Wolffkran、西班牙科曼薩、馬來西亞法福克集團(tuán)等；國內(nèi)也擁有中聯(lián)重科、徐工、永茂控股、川建和沈陽三洋等知名制造商。本文在資料文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取中聯(lián)重科、徐工和川建三款主流駕駛室進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，梳理其外觀尺寸、內(nèi)部布局功能配置和操控裝置等特征。由表1 可以看出主流塔機(jī)駕駛室尺寸設(shè)計(jì)緊湊，空間狹小，主要尺寸相近，功能配置及內(nèi)部布局相仿，且在駕駛?cè)瞬僮魇孢m性等方面均存在較多相似的問題，如功能布局混亂、操縱體驗(yàn)感差、空間利用率低等。依據(jù)“2021 中國塔式起重機(jī)制造商10 強(qiáng)”排名，中聯(lián)重科位居前列，其塔機(jī)駕駛室布局功能配置及尺寸應(yīng)用較廣。因此，本文選用實(shí)地調(diào)研中的中聯(lián)重科塔機(jī)駕駛室作為主要研究對(duì)象，結(jié)合WSR 方法從物–事–人三方面進(jìn)行深入分析與研究。

表1 三款塔機(jī)駕駛室對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of three tower crane cabs

2.1 物理—塔機(jī)駕駛室內(nèi)部布局分析

通過現(xiàn)場調(diào)研，對(duì)塔機(jī)駕駛室內(nèi)部設(shè)施進(jìn)行梳理。駕駛室的內(nèi)部空間狹?。ㄒ妶D3），其中包含工作、生活等各種設(shè)施設(shè)備，要使作業(yè)空間和生活空間協(xié)調(diào)一致，確保駕駛員的吊裝工作有條不紊地進(jìn)行是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，進(jìn)而提高了對(duì)塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。從物理層面，根據(jù)塔機(jī)駕駛員對(duì)駕駛室的使用狀態(tài)，將塔機(jī)駕駛室分為三個(gè)區(qū)域：操作視野區(qū)、控制區(qū)、生活區(qū)，見表2。

圖3 塔機(jī)駕駛室內(nèi)部Fig.3 Inside tower crane cab

表2 塔機(jī)駕駛室內(nèi)部功能區(qū)域劃分Tab.2 Division of functional area inside tower crane cab

操作視野區(qū)是駕駛室空間布局物理層面中的基本要素。塔機(jī)的駕駛室位于整個(gè)塔式起重機(jī)的頂部或中上部，使駕駛員可以直觀地觀察當(dāng)前吊鉤的工作狀態(tài)，保證駕駛員的視野高度，并與起重指揮人員配合，進(jìn)而做到安全吊裝。塔機(jī)駕駛員屬于高空作業(yè)，要滿足駕駛員視野的俯視特性，因此駕駛室操作視野區(qū)的范圍需要考慮底部空間，在下前方及左右兩側(cè)都需要有透明玻璃窗口，使駕駛員的視野范圍足夠?qū)挸?。起重信息顯示屏為駕駛員提供塔機(jī)作業(yè)基本信息，信息顯示主要包含當(dāng)前吊重、小車距離、起升機(jī)構(gòu)攝像頭、吊鉤位置攝像頭等，是人–機(jī)之間的“橋梁”。因此，顯示屏在布局中的位置尤為關(guān)鍵，既不能遮擋視野，又要使駕駛員精準(zhǔn)捕捉顯示屏所傳達(dá)的信息。

控制區(qū)是駕駛室空間布局物理層面中的關(guān)鍵要素?？刂茀^(qū)主要包含塔機(jī)的操控系統(tǒng)，是駕駛室中的核心，從單個(gè)要素看，體積占比也是最大的一部分。因此，對(duì)這一部分的布局設(shè)計(jì)重點(diǎn)是綜合考慮整個(gè)駕駛室的空間尺寸關(guān)系，見圖4。在操控臺(tái)、電源箱、座椅的設(shè)計(jì)中，首先要考慮到工作的便捷、舒適與高效，其次是與其他布局要素相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一體，見圖5。

圖4 塔機(jī)駕駛室電源箱和操控臺(tái)Fig.4 Power box and control console of tower crane cab

圖5 塔機(jī)駕駛室控制區(qū)分析Fig.5 Analysis of tower crane cab control area

生活區(qū)是駕駛室空間布局物理層面中的次要要素。生活區(qū)中的設(shè)施與駕駛員的作業(yè)和休息密切相關(guān)，各設(shè)施之間比較分散，見圖6。駕駛室布局設(shè)計(jì)的生活設(shè)施包括空調(diào)、置物架、插座、垃圾箱、工具箱等，以及一些根據(jù)用戶的需求進(jìn)行添置的物品，見圖7。

圖6 塔機(jī)駕駛室生活區(qū)細(xì)節(jié)Fig.6 Details of tower crane cab living area

圖7 塔機(jī)駕駛室生活區(qū)分析Fig.7 Analysis of tower crane cab living area

2.2 事理—塔機(jī)駕駛員行為流程分析

一般情況下，塔機(jī)駕駛員通常會(huì)在塔機(jī)上工作8 h 左右，中途不會(huì)離開塔機(jī)駕駛室區(qū)域，駕駛室承載了駕駛員一天的時(shí)間，包括塔機(jī)作業(yè)、生活飲食、休息等。因此，駕駛員的工作行為流程和生活行為流程分析對(duì)駕駛室的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。對(duì)此，本文在研究過程中，前往建筑工地招募一名專業(yè)塔機(jī)駕駛員，男性，38 歲，塔機(jī)駕齡7 年，設(shè)定操作任務(wù)為同日常工作一樣完成一次完整的塔機(jī)作業(yè)流程，總持續(xù)時(shí)間為30 min，并為其配備1 080 p 智能攝像眼鏡，將作業(yè)流程以視頻形式采集，見圖8—9。再通過The Observer XT 行為觀察分析系統(tǒng)，定量地對(duì)視頻中駕駛員的行為對(duì)應(yīng)編碼和描述，并自動(dòng)記錄時(shí)間，將行為數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上進(jìn)行可視化展示，見圖10。駕駛員的作業(yè)流程歸納為8 個(gè)行為項(xiàng)，駕駛員的工作行為和生活行為占據(jù)絕大部分時(shí)間，其中又包含不同的細(xì)分行為。另外，結(jié)合用戶訪談的方法，共招募了7 名具有3～8 年駕齡的塔機(jī)駕駛員，細(xì)致、深入探查駕駛員的工作行為和生活行為特征。在訪談中，主要聚焦于塔機(jī)操作流程、塔機(jī)作業(yè)中需要注意的細(xì)節(jié)、塔機(jī)作業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)等工作方面的問題，以及在塔機(jī)上如何休息、休息期間的業(yè)余活動(dòng)、對(duì)駕駛室的期望或設(shè)想等生活問題。

圖8 設(shè)備及使用示例Fig.8 Device and usage example

圖9 智能攝像眼鏡拍攝的部分畫面Fig.9 Part of the scene taken by smart camera glasses

圖10 Observer 行為流程分析Fig.10 Observer XT experimental analysis

通過對(duì)駕駛員的行為分析和訪談，將駕駛員在駕駛室中的行為流程歸納為兩條路線，見圖11。路線一是當(dāng)駕駛員剛來到駕駛室時(shí)，應(yīng)先前往電源箱檢查，再去操控臺(tái)開始工作；路線二是在業(yè)余休息時(shí)間，駕駛員可自由出入駕駛室，以便活動(dòng)身體。在這兩條行為路線上，不僅包含了工作行為，也穿插著生活行為，見圖12。設(shè)計(jì)中需要考慮更多的人–機(jī)交互因素，解析駕駛員在行為流程中所產(chǎn)生的需求點(diǎn)，依此做出符合人機(jī)需求的布局設(shè)計(jì)，為駕駛員提供高效的行為規(guī)劃。

圖11 駕駛員活動(dòng)路線劃分Fig.11 Driver activity route division

圖12 塔機(jī)駕駛員一般行為流程分析Fig.12 Analysis of general behavior flow of tower crane pilots

依據(jù)現(xiàn)有塔機(jī)駕駛室分析，在駕駛員的工作行為流程中，為了能讓駕駛員順利、高效地進(jìn)行塔機(jī)作業(yè)，其中的問題包括：操作臺(tái)過于機(jī)械化，不符合人機(jī)需求；布局設(shè)施的無序性，導(dǎo)致駕駛員的操作繁瑣，加劇疲勞度。在駕駛員的生活行為流程中，要保證駕駛員有一個(gè)好的工作環(huán)境和滿足生理、心理需求，其中的問題包括：缺少物件放置的設(shè)施；沒有考慮駕駛員的就餐環(huán)境；除了工作椅外，駕駛員沒有可以休息的地方；空間狹小紊亂，駕駛員行動(dòng)不流暢。

2.3 人理—塔機(jī)駕駛員用戶分析

依據(jù)訪談信息，將駕駛員的需求歸納為生理需求和心理需求，見圖13。塔機(jī)駕駛員在高空作業(yè)中，對(duì)視野精準(zhǔn)度要求較高，同時(shí)，長時(shí)間的坐姿工作致使駕駛員對(duì)其舒適性、腰頸椎的舒適度需求較高。塔機(jī)作業(yè)需要不停地重復(fù)相同的動(dòng)作，容易產(chǎn)生疲勞，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此，在布局設(shè)計(jì)中還需要考慮駕駛員的心理需求，幫助避免或減少產(chǎn)生厭煩、疲憊的心態(tài)，激發(fā)駕駛員在作業(yè)中的興趣，并有效提升塔機(jī)作業(yè)的高效性、舒適性。塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)人理層面的分析與物理層面、事理層面相互貫穿和影響。

圖13 塔機(jī)駕駛員特征分析Fig.13 Feature analysis of tower crane pilot

通過前期的調(diào)研分析，以WSR 方法論為基礎(chǔ)，理解塔機(jī)駕駛室空間布局設(shè)計(jì)的核心問題，結(jié)合相關(guān)案例，在物理層面、事理層面、人理層面進(jìn)行詳細(xì)的拆解和分析，最終得到設(shè)計(jì)要素和各要素之間的聯(lián)系，從而系統(tǒng)化地研究駕駛室布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為后續(xù)布局設(shè)計(jì)方案建立基礎(chǔ)。

3 塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過物理、事理、人理層面的分析，塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)主要包含物理層面中的視野區(qū)、控制區(qū)、生活區(qū)三個(gè)部分，事理層面和人理層面又與物理層面相互作用，三個(gè)部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，對(duì)塔機(jī)駕駛室的操作體驗(yàn)有重要影響，使人–設(shè)備–空間三者相統(tǒng)一，以達(dá)到駕駛室布局設(shè)計(jì)的易操作性、舒適性、流暢性，見圖14。

圖14 塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)分析框架Fig.14 Analysis framework of tower crane cab layout design

1）在物理層面，通過對(duì)操作視野區(qū)、控制區(qū)、生活區(qū)中各元素的歸納分析，抓住各要素在布局設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)，從人機(jī)工程學(xué)的角度，充分考慮人的因素，根據(jù)駕駛員的必要需求和次要需求，將單個(gè)元素的布局進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析，見表3。

表3 內(nèi)部布局要素設(shè)計(jì)分析Tab.3 Design analysis of internal layout elements

2）通過對(duì)事理和人理層面的設(shè)計(jì)分析，對(duì)物理層面中所缺少的元素進(jìn)行補(bǔ)充?？紤]駕駛員的工作行為流程和生活行為流程中所涉及的部件來進(jìn)行布局排列，結(jié)合人—機(jī)因素，優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，保證駕駛員工作環(huán)境的易操作性，減輕駕駛員厭煩、疲倦的心理，見表4。

表4 行為流程設(shè)計(jì)分析Tab.4 Behavior flow design analysis

在進(jìn)行塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)以上設(shè)計(jì)分析，結(jié)合人機(jī)交互原則，建立新的塔機(jī)駕駛室布局設(shè)計(jì)方案，見圖15—17。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

圖15 塔機(jī)駕駛室外觀設(shè)計(jì)Fig.15 Appearance design of tower crane cab

1）針對(duì)物理層面的設(shè)計(jì)分析，在駕駛室中增添滿足駕駛員工作和生活的需求設(shè)施，如置物架、工具箱、來回開關(guān)、垃圾桶、梳妝鏡、衣帽掛鉤等。

2）根據(jù)駕駛員的行為流程分析，以駕駛員為中心，對(duì)相關(guān)設(shè)施的布局位置分布進(jìn)行調(diào)整，使其設(shè)施布局符合駕駛員的日常行為流程，減少不必要的動(dòng)作，且設(shè)計(jì)布局盡量分布于駕駛員上肢最佳可達(dá)范圍內(nèi)，滿足駕駛員行為流程的高效性和一般工作姿勢(shì)下的易操作性。調(diào)整駕駛員踏腳板的傾斜角度為15°，提升其一般工作狀態(tài)的舒適性。

3）考慮駕駛員的心理、生理需求，為盡量避免駕駛員產(chǎn)生疲憊、厭煩等負(fù)面情緒，駕駛室的內(nèi)部配色以淺色為主，內(nèi)部墻面采用皮革材質(zhì)；集中地面走線，規(guī)范設(shè)施設(shè)備布局，增強(qiáng)空間感，通過舒適的感官體驗(yàn)來緩解駕駛員的負(fù)面心理情緒。

4）駕駛室外部造型設(shè)計(jì)滿足駕駛員作業(yè)時(shí)所必需的視野環(huán)境，保證駕駛員的視野清晰，在無外部障礙物影響的狀態(tài)下，駕駛員應(yīng)始終能觀察到起重吊鉤、起吊物和臂架的運(yùn)動(dòng)，方便地了解周圍的情況[12]。

圖16 塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.16 Optimized spatial layout design of towercrane cab

圖17 塔機(jī)駕駛室空間布局Fig.17 Spatial layout of tower crane cab

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)驗(yàn)證涵蓋兩部分內(nèi)容，一是為評(píng)估塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的人機(jī)合理性，利用Siemens JACK人機(jī)仿真系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案模擬作業(yè)環(huán)境，對(duì)塔機(jī)駕駛室空間布局方案的人機(jī)問題進(jìn)行驗(yàn)證[13]。首先，視野范圍是高空作業(yè)的關(guān)鍵要素，通過JACK 中Visual Fields、View Cones 工具，對(duì)駕駛員視野的可視性進(jìn)行驗(yàn)證[14]。其次，駕駛員工作以坐姿為主，要保證駕駛員在坐姿狀態(tài)下能夠有效觸及所需設(shè)施設(shè)備，提升操作的舒適性和準(zhǔn)確性，通過Reach Zones 模擬分析，對(duì)駕駛員坐姿上肢可達(dá)性展開可行性分析[15]。最后，為評(píng)估塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的人機(jī)舒適性，采用OWPA 分析工具對(duì)駕駛員的一般作業(yè)姿勢(shì)和一般取物姿勢(shì)進(jìn)行舒適度等級(jí)分析，檢查駕駛員在模擬工作環(huán)境下的操縱姿勢(shì)舒適性[16]。二是評(píng)估設(shè)計(jì)方案功能配置、布局優(yōu)化和內(nèi)室色彩整體效果等滿意度，采用五級(jí)量表評(píng)分的主觀評(píng)價(jià)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 JACK 人機(jī)仿真

4.1.1 人機(jī)工程虛擬仿真模型的建立

塔機(jī)駕駛室空間布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是駕駛室內(nèi)各要素與人體之間的空間位置關(guān)系[17]。模型分為兩個(gè)部分：一部分為塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)三維模型，用于分析駕駛員的上肢可達(dá)性和駕駛員的操縱姿勢(shì)舒適性，見圖18。另一部分為塔機(jī)整體簡化三維模型，用于分析駕駛員的可視性，見圖19。塔機(jī)機(jī)身建模尺寸數(shù)據(jù)以中聯(lián)TC6015A—10 為參考，其固定式最大起升高度為60 m，起重臂工作幅度為2.5—60 m，平衡臂長為14 m，平衡重最大重量為18.75 t。最終以起升高度為60 m，起重臂幅度為60 m，其中分別在起重臂的最小限位2.5 m 和最大限位60 m 處設(shè)立吊鉤，建立塔機(jī)整體三維模型。在JACK 中導(dǎo)入三維模型，將所構(gòu)建的虛擬駕駛室模型與塔機(jī)機(jī)身三維模型組合，得到塔機(jī)駕駛室人機(jī)工程虛擬仿真模型。

圖18 塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)三維模型Fig.18 Three-dimensional model of optimal design of tower crane cab

圖19 塔機(jī)整體三維模型Fig.19 Overall three-dimensional model of tower crane

4.1.2 人體模型建立

根據(jù)GB/T 10000—1988《中國成年人體尺寸》尺寸數(shù)據(jù)[18]，采用Siemens JACK 軟件，建立數(shù)字人體模型。以GB/T 10000—1988 為參考，建立塔機(jī)駕駛員第90 百分位的人體數(shù)據(jù)模型，滿足大部分駕駛員的操作要求，見圖20。

圖20 中國成年人人體數(shù)據(jù)模型建立Fig.20 Establishment of human data model for Chinese adults

4.1.3 駕駛視野可視性分析

塔機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，駕駛室的視野窗要保證良好的可視性，以及起重信息顯示屏的位置應(yīng)處于頭部和眼睛的自然轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)，盡量使駕駛員減少頭部和眼睛的旋轉(zhuǎn)。在位于起重臂60 m 的吊鉤處，設(shè)置1.2×1.2×1.2 m 大小的貨物。從JACK 模擬場景中可知，當(dāng)駕駛員處于一般工作姿勢(shì)時(shí)，貨物位于地面及駕駛員水平視野處，皆可被清晰地觀看，見圖21。

圖21 駕駛室前視窗視角Fig.21 View from the front cab window

使用JACK 軟件中的Visual Fields 工具，生成人眼對(duì)不同顏色和盲區(qū)的視野范圍幾何體，得到駕駛員前方、左側(cè)、右側(cè)、底部及最佳認(rèn)讀范圍視野，見圖22。

圖22 駕駛室一般工作姿勢(shì)視野范圍Fig.22 Range of visual field of general working posture in cab

利用JACK 軟件中的View Cones 工具，建立代表虛擬人體可視區(qū)域，驗(yàn)證視野區(qū)中左右起重信息顯示屏位置的合理性，見圖23。根據(jù)JACK 模擬實(shí)驗(yàn)的視野可視性驗(yàn)證，分析結(jié)果為合理。

圖23 塔機(jī)駕駛室左右顯示器視野Fig.23 Visual field of left and right display in tower crane cab

4.1.4 駕駛員坐姿上肢可達(dá)性分析

塔機(jī)駕駛室的操縱裝置是駕駛員工作的核心，需將操縱部件設(shè)計(jì)在駕駛員最佳空間內(nèi)，如放操縱桿、控制鍵盤等，然后是塔機(jī)駕駛員日常生活相關(guān)的次要部件設(shè)置，如置物架、插座、垃圾桶等。JACK 軟件中的Reach Zones 模擬分析，可得出人體數(shù)據(jù)模型的手部操作空間，分析駕駛員雙手的可達(dá)域，見圖24。可知，駕駛室操縱部件位于駕駛員手部操作最佳空間內(nèi)，對(duì)次要部件的可達(dá)性也符合要求。

圖24 塔機(jī)左右手可達(dá)域Fig.24 Left and right hand reachable domain in the tower crane

4.1.5 駕駛員操縱姿勢(shì)舒適性分析

JACK 軟件中的OWPA 分析工具可快速檢查駕駛員工作姿勢(shì)的舒適性，得出作業(yè)人員工作姿勢(shì)的行動(dòng)等級(jí)（Action Categories，簡稱AC）[19]。行動(dòng)等級(jí)劃分為4 個(gè)等級(jí)，即AC1–AC4，AC1 表示為舒適，AC2 至AC3 表示舒適度依次遞減，AC4 表示為不舒適。利用OWPA 分析工具對(duì)一般工作姿勢(shì)和一般取物姿勢(shì)進(jìn)行分析，見圖25。可見，駕駛員的兩種行為姿勢(shì)均是AC1 等級(jí)，即舒適，無須糾正。

圖25 駕駛員一般姿勢(shì)舒適性等級(jí)分析Fig.25 Analysis of general postural comfort level of drivers

綜上所述，針對(duì)塔機(jī)駕駛室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的人機(jī)仿真驗(yàn)證，即駕駛視野可視性、駕駛員坐姿上肢可達(dá)性、駕駛員的操縱姿勢(shì)舒適性三個(gè)方面的分析驗(yàn)證皆為合理?？芍?，對(duì)塔機(jī)駕駛室的布局要素進(jìn)行合理劃分和優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，使其空間得到有效利用，改善駕駛員的操作疲勞，符合駕駛員易操作性、舒適性的需求[20]。

4.2 布局優(yōu)化方案滿意度評(píng)價(jià)

為評(píng)估塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的滿意度部分，采用主觀量表評(píng)價(jià)進(jìn)行問卷調(diào)查。問卷設(shè)計(jì)中，首先通過45°透視圖、左右視圖和俯視圖等多角度效果圖向受測者全面展示優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)功能配置進(jìn)行標(biāo)注說明。之后前往建筑工地，實(shí)地邀請(qǐng)專業(yè)的塔機(jī)駕駛員結(jié)合上述展示（見圖26），從物–事–人三個(gè)層面，包括設(shè)施的添置和位置調(diào)整、已有設(shè)施的位置調(diào)整、日常使用習(xí)慣、內(nèi)室色彩材質(zhì)的搭配及整體效果等方面對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行滿意度評(píng)級(jí)。問卷采用五級(jí)量表，對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行滿意度評(píng)分，即5–很滿意、4–滿意、3–一般、2–不滿意、1–很不滿意。由于塔機(jī)駕駛員屬于專業(yè)性較強(qiáng)工種，問卷發(fā)放的目標(biāo)人群有限，所以本次問卷調(diào)查共發(fā)放問卷20 份，回收20 份，無效廢棄問卷。

圖26 問卷調(diào)查現(xiàn)場Fig.26 Questionnaire survey scenario

對(duì)問卷調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，包含塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中物、事、人三個(gè)方面的各項(xiàng)滿意度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和不同滿意度等級(jí)的評(píng)分占比，見表5。

表5 問卷調(diào)查結(jié)果分析Tab.5 Analysis of the results of questionnaire survey

根據(jù)分析結(jié)果表明，各項(xiàng)滿意度均值均大于4.00，處于滿意及以上區(qū)間，且各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差均小于1.00，說明數(shù)據(jù)分布在平均值的左右，離散程度較小。各評(píng)分項(xiàng)目的評(píng)分占比中，“非常滿意”和“滿意”之和均大于80%，由此可見，駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足大部分用戶的設(shè)計(jì)訴求。其中，依據(jù)物、事、人三個(gè)層面的主觀評(píng)分均值雷達(dá)圖（見圖27），可知對(duì)人理層面的滿意度評(píng)價(jià)最為突出，物理與事理層面次之，均處于滿意及以上區(qū)域。

圖27 物事人三因素主觀評(píng)分均值雷達(dá)圖Fig.27 Mean radar diagram of WSR three-factor subjective score

5 結(jié)語

基于WSR 方法論，從物理層面、事理層面、人理層面分別對(duì)塔機(jī)駕駛室空間布局設(shè)計(jì)展開詳細(xì)全面的分析，梳理歸納設(shè)計(jì)相關(guān)要素，提出布局優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)方案三維模型，并采用JACK仿真評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，從駕駛視野可視性、駕駛員坐姿上肢可達(dá)性、操縱姿勢(shì)舒適性三個(gè)方面驗(yàn)證了優(yōu)化方案的人機(jī)合理性，結(jié)合量表評(píng)分調(diào)查，塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的滿意度良好?；赪SR開展塔機(jī)駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法有效，可為同類型裝備類駕駛室空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。