魏玉坤　王秋惠

摘要：對(duì)重工裝備特種作業(yè)環(huán)境中天車駕艙的視覺工效可用性設(shè)計(jì)進(jìn)行充分分析研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CATIA對(duì)機(jī)械吊裝的天車駕艙進(jìn)行視覺工效評(píng)價(jià)研究。能夠提高重工裝備特種作業(yè)設(shè)備的工作效率和安全系數(shù)，使天車駕駛員更加精確無誤地工作，減少不安全事故的因素。

關(guān)鍵詞：駕駛艙 視覺功效 可用性設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2017）05-0079-03

引言

起重機(jī)駕駛艙作為駕駛員的主要工作場所，其人機(jī)環(huán)境的相互關(guān)系直接影響了駕駛員的作業(yè)效率、作業(yè)安全。本文基于視覺功效的理論和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)分析起重機(jī)駕駛艙的視覺功效，以及評(píng)價(jià)方法為其開發(fā)節(jié)約成本和開發(fā)周期。

一、基于重工特種作業(yè)裝備視覺工效的天車駕艙可用性設(shè)計(jì)方法

對(duì)重工特種作業(yè)裝備視覺工效的天車駕艙進(jìn)行可用性設(shè)計(jì)研究，將設(shè)計(jì)的模型通過CATIA數(shù)字軟件進(jìn)行視覺工效的人機(jī)交互可用性分析。分析重工裝備特種作業(yè)下人的視覺空間特性，從而有效地提高產(chǎn)品的人機(jī)效能和安全系數(shù)，以減少產(chǎn)品研發(fā)后的缺陷，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。（如圖1）設(shè)計(jì)流程圖。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

橋式起重機(jī)主要用于大型物料起重、裝運(yùn)，裝卸物料的工作，其用量大，需求高?，F(xiàn)代化生產(chǎn)巨大的工業(yè)需求大型機(jī)械裝備進(jìn)入藍(lán)海區(qū)。技術(shù)也日趨成熟，使用者不僅限于基本的作業(yè)功能，而是向自動(dòng)化、大型化、專業(yè)化趨勢發(fā)展。兼具舒適、安全，同時(shí)不斷完善駕駛艙視野最大化和功能。由于國內(nèi)企業(yè)起步較晚，缺少核心零部件的研發(fā)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，與國外工程機(jī)械比較來看，存在較大差距。

英美一些發(fā)達(dá)國家起重機(jī)除了向智能化發(fā)展以外，更加注重人因影響，不斷利用人因工程學(xué)系統(tǒng)全面的提升駕駛艙的舒適度性，安全性和操作性。

三、視野和盲區(qū)分析

（一）視野分析

駕駛艙的視野與駕駛員的作業(yè)效率、安全和操縱有直接關(guān)系。視野是眼睛可以觀察到的四周范圍的總稱。按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為直接視野和間接視野、眼動(dòng)視野和觀察視野。（如圖2）所示。駕駛員視野指駕駛員處于正常駕駛姿勢，眼睛和頭部均處于正常活動(dòng)范圍時(shí)，直接或間接通過輔助設(shè)備獲得的視野范圍。

（二）視野范圍及視野障礙

人能夠清楚地辨識(shí)物體形狀的視野為有效視野，有效視野是以視覺中心線為軸，上10°，下30°，左右均為20°至30°，最佳視野為視平線以下15°，左右各20°，中心3°以內(nèi)為最佳視野區(qū)域。在評(píng)價(jià)產(chǎn)品時(shí)需考慮到人機(jī)功效的因素，以實(shí)現(xiàn)最佳視野、最大視野來滿足人機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)要求。（如表1）所示。

擋住駕駛員視線的所有物體為視野障礙，駕駛員看不到的區(qū)域?yàn)槊^(qū)。駕駛艙的門框、玻璃鑲條、操作臺(tái)、支撐附件等不透明的部件所影響駕駛員的外界視線的區(qū)域均為視野盲區(qū)。

四、駕駛艙設(shè)計(jì)

（一）實(shí)地調(diào)研分析

在本次課題中實(shí)地調(diào)研一個(gè)廠房進(jìn)行分析，駕駛員作業(yè)時(shí)大多通過駕駛室狹小的玻璃門窗來觀察現(xiàn)場的作業(yè)情況，和地面指揮人員聯(lián)系，通過手勢來進(jìn)行作業(yè)。駕駛員通常在距離地面12米左右的高空作業(yè)，由于起吊重物比駕駛室內(nèi)的高度要低，駕駛員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)視野范圍一般處在前方及下方，再加上作業(yè)場所光線不定，時(shí)長為昏暗嘈雜的場所，作業(yè)最遠(yuǎn)距為25米的區(qū)域，（如圖3、4）所示分別實(shí)地調(diào)研75t和63t天車駕駛艙。

由實(shí)際的駕駛艙視野圖可以看出駕駛員在看遠(yuǎn)端的重物時(shí)形體感存在但不清晰，靠近駕駛艙位置的重物并不完整有操作臺(tái)和門窗棱的阻擋，而駕駛艙底部和靠近底部位置的重物完全處于視野盲區(qū)。駕駛員在吊裝過程中，需要精確地吊起或放下重物，存在微調(diào)現(xiàn)象，必須要精確地觀察到重物及重物周圍的環(huán)境區(qū)域。持續(xù)重復(fù)地進(jìn)行此操作，極大地增加了駕駛員眼部的疲勞程度。由于人體的視覺范圍有限，加之現(xiàn)有駕駛艙外形上大多采用玻璃鋼架造型，存在很大的視野盲區(qū)，在駕駛員作業(yè)時(shí)，經(jīng)常需要站立，彎腰，前傾，扭動(dòng)等巨幅動(dòng)作來觀察一些視覺難以看到的區(qū)域，給作業(yè)帶來了極大的不便。致使操作時(shí)間長，工作效率低。

（二）天車駕駛艙設(shè)計(jì)

結(jié)合駕駛員作業(yè)的實(shí)際情況，本文著重對(duì)起重機(jī)駕駛室的視覺區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，使駕駛員的視野盲區(qū)減少或消失，以實(shí)現(xiàn)視覺功效的最大化。降低駕駛員視野的受影響程度，消除作業(yè)中的人眼到作業(yè)環(huán)境區(qū)域的阻擋物，通過增加駕駛艙前面玻璃的面積，把前端棱往兩邊移動(dòng)，在不影響功能的前提下，盡量減窄玻璃條和棱的寬度，前面的視野變得開闊，駕駛艙的兩側(cè)皆為大玻璃窗。把駕駛艙底部的前半部分適當(dāng)改造換成玻璃地面和鋼架來增加視野區(qū)域。減少駕駛員眼部疲勞，確保視野清晰，輕松自如地觀測吊裝作業(yè)中環(huán)境的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行安全作業(yè)。效果（如圖5）所示。

五、基于CATIA V5的視覺評(píng)價(jià)系統(tǒng)視野分析

（一）CATIA V5視覺評(píng)價(jià)

CATIA v5以數(shù)字^體模型為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行視野分析、作業(yè)姿態(tài)分析、雙伸展域分析、人體姿態(tài)評(píng)估等分析方式。分析方法較全面。為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)直接可以進(jìn)行人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的工作平臺(tái)。

在設(shè)計(jì)上滿足所有人是不可能的，所以我們以盡量滿足大多數(shù)人的尺寸為依據(jù)，一般5%百分位代表矮小身材，95%百分位代表高大身材。如產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要滿足90%的人，則通常設(shè)定滿足5%-95%百分位的區(qū)域。目前CATIA的數(shù)據(jù)庫中包含美國、加拿大、法國、日本、韓國、德國、中國（臺(tái)灣）的人體數(shù)據(jù)庫。或者根據(jù)我國官方的數(shù)據(jù)人體資料（我國1988年制定的人體數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88，略顯過時(shí)）在CATIA V5中定制中國的人體。

CATIA V5中的視覺分析功能可以虛擬模仿現(xiàn)實(shí)生活中的人的眼睛結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)其視野范圍，將人眼的視覺范圍分為：右眼和左眼都可以看到的公共區(qū)域、左眼和右眼結(jié)合使用可看到的區(qū)域和左右眼分別看到的區(qū)域，并且通過數(shù)字圖片的形式輸出（如圖6）所示。藍(lán)色區(qū)域?yàn)檠劬σ曇八皡^(qū)域，深紅色為單眼視野所及范圍，紅色的為盲區(qū)。

（二）基于CATIA V5的天車駕駛艙視野分析

經(jīng)現(xiàn)場考察和問卷調(diào)查得知，在駕駛艙作業(yè)過程中駕駛員在高空中需要重復(fù)的循環(huán)操作吊鉤起升和下降、小車的運(yùn)動(dòng)以及貨物的位置來完成操作。因此駕駛員需通過眼睛對(duì)作業(yè)環(huán)境讀取完整的信息，清晰地看到其位置，并有較快的反應(yīng)速度。以便進(jìn)行精確微調(diào)來實(shí)現(xiàn)吊裝作業(yè)。駕駛員看到駕駛艙前方的和下方區(qū)域即可，并不需左右的位移，但是仍然要清晰了解周圍環(huán)境，以免在作業(yè)進(jìn)行中發(fā)生意外。

在評(píng)價(jià)駕駛艙視覺功效中，首先模擬駕駛員的操作環(huán)境，將選擇中國（臺(tái)灣）95%的人體模型置入設(shè)計(jì)的駕駛艙中并設(shè)定好駕駛員在吊裝作業(yè)狀態(tài)中的姿勢然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。（如圖7）所示。

國內(nèi)現(xiàn)有定型生產(chǎn)的通用橋式起重機(jī)的起升高度在12～20m。作業(yè)環(huán)境模擬實(shí)地調(diào)研的廠房進(jìn)行特定分析。橋架形式為單梁50t×28m，起升高度為14m，吊鉤的最小下放距離為2m。由于駕駛員作業(yè)區(qū)域在梁下2米至地面，并且需要精確看到吊鉤位置進(jìn)行吊裝作業(yè)，將吊鉤分兩排分布在吊裝區(qū)域內(nèi)，只要駕駛員能夠清晰地辨識(shí)吊鉤所在的位置即可進(jìn)行吊裝作業(yè)。取邊界值吊鉤最高作業(yè)位置梁T2m，間距4m分兩排依次從吊鉤的左邊界開始分布。將梁下地面區(qū)域均勻分割為方塊狀以便區(qū)分。這樣區(qū)分可以完整地測驗(yàn)出駕駛員所有情況下的視野狀況，及視野盲區(qū)。

依據(jù)人的觀察視野，頭部扭轉(zhuǎn)方式為水平方向，垂直方向和左右側(cè)的扭轉(zhuǎn)。將頭部設(shè)置為4個(gè)梯度。（如表2）所示。

由于本次模擬環(huán)境吊鉤在駕駛艙的右方區(qū)域所以取右側(cè)，略左側(cè)。

（如圖8）可見上仰10°和上仰10°右轉(zhuǎn)15°狀態(tài)下的視野區(qū)域，駕駛員可以看見面前大部分的梁，并且能看見遠(yuǎn)處起重最高位置的部分吊鉤。駕駛員只有在需要看行駛小車和遠(yuǎn)處吊鉤時(shí)需要上仰。

駕駛員在平視狀態(tài)下除最近的吊鉤其余可以看全，但是地面只能看到一格。右轉(zhuǎn)15°和右轉(zhuǎn)25°可以清晰看全第一排的吊鉤。（如圖9）所示。

垂直方向向下10°和右轉(zhuǎn)15°地面均可看到4個(gè)格，吊鉤第一排明顯可見，第二排可看見6個(gè)視野明顯較之前開闊。（如圖10）所示。

垂直向下20°除第二排靠近駕駛艙的兩個(gè)吊鉤處在視覺盲區(qū)，其余吊鉤均可看見，最遠(yuǎn)處的吊鉤能看見但是由于位置較遠(yuǎn)處于視覺模糊狀態(tài)，地面能看到6個(gè)格，此時(shí)駕駛員處于作業(yè)最佳視野狀態(tài)。向下20度分別轉(zhuǎn)15°、20°可看到顯示器和操作臺(tái)有干澀情況，但是這個(gè)在駕駛艙內(nèi)部設(shè)計(jì)時(shí)均可避免，此外和向下20°狀況下無明顯差別。（如圖11）所示。

右側(cè)10°和18°和平視類似，均可全部看到第一排吊鉤，第二排只能看到兩個(gè)，地面完全處于視覺盲區(qū)。此時(shí)駕駛員由于完全看不見地面的狀況，處于危險(xiǎn)作業(yè)，因及時(shí)更換姿勢和地下配合人員進(jìn)行良好配合，完成作業(yè)。（如圖12）所示。

綜上可知，在向下20°處于作業(yè)視野最大范圍。配合其他角度上部分的吊鉤和前五格的地面均可看到，靠近駕駛艙一側(cè)的30%地面和駕駛艙底部均處于視覺盲區(qū)。由于作業(yè)空間跨度大，在觀測最遠(yuǎn)處吊鉤時(shí)雖可以看到，但是由于實(shí)際操作空間大部分屬于光線昏暗的廠房或者是太陽暴曬的露天場所，均不利于作業(yè)，極大降低了作業(yè)效率，因此在設(shè)計(jì)駕駛艙時(shí)可以配合數(shù)字監(jiān)控，增加攝像頭放置來消除視覺盲區(qū)。

（三）天車駕駛艙再設(shè)計(jì)

通過在CATIA中模擬駕駛員作業(yè)，分析其視野狀況，根據(jù)其數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)的駕駛艙進(jìn)行再設(shè)計(jì)，在駕駛艙增加數(shù)字輔助工具，增加數(shù)字顯示裝置，在駕駛艙的底部、背面，和前面分別增加攝像頭，使駕駛員360度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)視覺的最大化，（如圖13）所示。由于廠房跨度大，在最遠(yuǎn)處邊界位置雖能能看到物體，但輪廓不清楚，視覺模糊，因此在行駛小車下方增加攝像頭，通過顯示屏來獲取遠(yuǎn)處的作業(yè)情況，提升作業(yè)效率。

結(jié)語

本文以CATIA中視覺分析功能為依托，對(duì)機(jī)械吊裝天車駕艙的視覺功效進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，分析結(jié)果表明了虛擬方法的適用性可行，為進(jìn)一步研究駕駛艙的人機(jī)功效奠定了基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)于作業(yè)舒適性的要求也隨之增長，人機(jī)工學(xué)的應(yīng)用和研究范圍將不斷擴(kuò)大。