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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.沈陽盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司，沈陽 110013)

盾構(gòu)機(jī)刀具會(huì)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(jī)主流換刀方式要求作業(yè)人員必須進(jìn)入環(huán)境惡劣的換刀倉進(jìn)行作業(yè).作業(yè)人員的作業(yè)強(qiáng)度大，換刀效率低下，易產(chǎn)生工傷[1].因此，從人因工程學(xué)的角度構(gòu)建換刀作業(yè)人員工作負(fù)荷評(píng)估方法，對(duì)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(duì)作業(yè)人員的工作負(fù)荷評(píng)估進(jìn)行了廣泛研究.Qiu等[2]提出一種基于人的行為的腦力勞動(dòng)工作量評(píng)估方法，采用視頻分析對(duì)身體姿勢(shì)進(jìn)行定量研究來評(píng)估工作負(fù)荷；Mohamad等[3]借助CATIA和RULA對(duì)工人作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行評(píng)估以預(yù)防肌肉骨骼疾?。惶飼莸萚4]從資源需求與時(shí)間占用兩個(gè)角度綜合評(píng)估工作負(fù)荷；羅鳳娥等[5]歸納工作負(fù)荷影響因素，建立簽派員工作負(fù)荷評(píng)估的理論模型；倪群高[6]借助半實(shí)物仿真手段對(duì)駕駛員的工作負(fù)荷進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與評(píng)估；童豪等[7]借鑒DORATASK方法建立工作負(fù)荷評(píng)估模型，再應(yīng)用層次分析法確定了每項(xiàng)工作內(nèi)容的難度系數(shù)，從而確定了總工作負(fù)荷值；陳峰[8]研究了鐵路調(diào)度的行為模式，并采用任務(wù)分析法構(gòu)建了工作負(fù)荷評(píng)估模型；Arico等[9]采用腦電測(cè)量和主觀工作量感知的方法收集人員負(fù)荷數(shù)據(jù)并進(jìn)行評(píng)估；Mélan等[10]采用認(rèn)知負(fù)荷理論研究了宇航員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的工作負(fù)荷情況；羅曉利等[11]從仿真分析角度討論工作負(fù)荷評(píng)估.

雖然目前工作負(fù)荷的評(píng)估研究已經(jīng)有了較大進(jìn)展，但研究工作普遍針對(duì)正常環(huán)境下的工作負(fù)荷，尚無針對(duì)盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)這樣惡劣環(huán)境下的工作負(fù)荷研究，且現(xiàn)有的研究方法或主觀性過強(qiáng)，或不能完全充分考慮負(fù)荷種類.因此，本文針對(duì)盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)的工作負(fù)荷評(píng)估問題，借鑒民航管制員負(fù)荷評(píng)估方法，建立盾構(gòu)機(jī)換刀人員工作負(fù)荷評(píng)估模型.以JACK軟件中的TAT工具分析作業(yè)人員的工作負(fù)荷值和代謝、姿勢(shì)、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(shí)現(xiàn)對(duì)工作負(fù)荷的客觀評(píng)估.

1 盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)流程與仿真

1.1 盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)流程分析

盾構(gòu)機(jī)的刀具更換作業(yè)過程主要分為以下4個(gè)階段：1)開倉.開倉是換刀作業(yè)的準(zhǔn)備過程，在此過程中作業(yè)人員需要準(zhǔn)備一系列工具與裝備，同時(shí)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(huì)發(fā)生安全事故.3)換刀.換刀過程是整個(gè)作業(yè)中的具體操作階段.按照其工藝流程可分為8個(gè)步驟，即移除保護(hù)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(shè)備、壓力補(bǔ)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(shè)備，這是整個(gè)作業(yè)過程中體力消耗最大，負(fù)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(guān)裝備清理出倉，關(guān)閉艙門，保證接下來掘進(jìn)的安全.

在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)中，刀具更換人員需要在狹小的換刀倉內(nèi)進(jìn)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(fù)荷加重.因此需要針對(duì)換刀作業(yè)過程進(jìn)行工作負(fù)荷的評(píng)估研究.但在實(shí)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(chǎng)測(cè)量的方式分析換刀作業(yè)，將會(huì)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(chǔ)上構(gòu)建工作負(fù)荷評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作負(fù)荷的評(píng)估.

1.2 盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)仿真平臺(tái)構(gòu)建

由于盾構(gòu)機(jī)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(shí)物仿真的方法，通過構(gòu)建半實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀具更換作業(yè)的人員動(dòng)作數(shù)據(jù)收集[12].

采用半實(shí)物仿真的手段收集刀具更換作業(yè)過程中的人員動(dòng)作數(shù)據(jù)，需要通過人員在真實(shí)的作業(yè)場(chǎng)景中，以標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的形式完成部分或整個(gè)作業(yè)流程.在這個(gè)過程中，通過相關(guān)的動(dòng)作信號(hào)采集設(shè)備，將人員的施力大小、施力角度、關(guān)節(jié)角度等動(dòng)作信息變?yōu)殡娦盘?hào)，匯總到計(jì)算機(jī)中形成動(dòng)作數(shù)據(jù)，再通過相關(guān)仿真軟件進(jìn)行作業(yè)仿真.為實(shí)現(xiàn)這一目的，首先需要構(gòu)建合適的半實(shí)物仿真平臺(tái).本文構(gòu)建的半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該半實(shí)物仿真平臺(tái)由3個(gè)部分組成：換刀作業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和攝像機(jī).其中，換刀作業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)人員提供了真實(shí)的作業(yè)場(chǎng)景與作業(yè)環(huán)境，是半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中收集動(dòng)作數(shù)據(jù)信號(hào)的主要場(chǎng)所.動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)采集設(shè)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(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在操作人員各關(guān)節(jié)處放置無線傳感器，將動(dòng)作數(shù)據(jù)信號(hào)以無線傳輸?shù)男问絽R總至系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中.攝像機(jī)的作用是記錄實(shí)驗(yàn)過程，為后續(xù)仿真過程提供視頻參考依據(jù).

圖1 半實(shí)物仿真平臺(tái)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(yàn)的工人，分為兩組協(xié)助完成刀具更換作業(yè)過程的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，最后選擇效果最佳的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真.在實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)四名工人的相關(guān)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，以便在后期仿真中設(shè)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(shí)驗(yàn)的工人人體尺寸.

表1 工人人體尺寸Tab.1 Body sizes of workmen

實(shí)驗(yàn)后將收集到的各個(gè)關(guān)節(jié)受力、力距、扭矩等情況進(jìn)行匯總分析，剔除失真的數(shù)據(jù)后導(dǎo)出Excel表，以此為依據(jù)進(jìn)行換刀作業(yè)仿真.表2為實(shí)驗(yàn)收集的部分作業(yè)動(dòng)作數(shù)據(jù).根據(jù)時(shí)間軸定位法在導(dǎo)出的數(shù)據(jù)表中將作業(yè)人員在不同時(shí)間下的動(dòng)作分別與記錄的動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比，確定人員具體的作業(yè)動(dòng)作，為虛擬人指派任務(wù)，并將動(dòng)作數(shù)據(jù)賦予虛擬人，這樣即可實(shí)現(xiàn)虛擬換刀作業(yè)人員的驅(qū)動(dòng)，完成盾構(gòu)機(jī)刀具更換作業(yè)過程在真實(shí)狀態(tài)下的仿真.

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

2 盾構(gòu)機(jī)換刀人員工作負(fù)荷評(píng)估模型

根據(jù)前文對(duì)換刀作業(yè)流程的分析可以看出，盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)屬于在惡劣環(huán)境下的重體力勞動(dòng)，在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定作業(yè)人員負(fù)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(píng)估工作負(fù)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(píng)估的方法，建立了換刀人員工作評(píng)估模型，其本質(zhì)是一種基于時(shí)間占用率衡量工人工作量的評(píng)估方法.

2.1 工作負(fù)荷評(píng)估流程

盾構(gòu)機(jī)的換刀作業(yè)是一種重體力勞動(dòng).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(duì)人員進(jìn)行工作負(fù)荷評(píng)估時(shí)首先應(yīng)當(dāng)考慮能量代謝情況作為校正工作負(fù)荷的一個(gè)因素.

另外，由于盾構(gòu)機(jī)的換刀作業(yè)環(huán)境十分惡劣，作業(yè)空間狹小，與正常空間下的工作相比，人員的作業(yè)姿勢(shì)受到較大限制，作業(yè)動(dòng)作無法正常施展.在不舒適的作業(yè)姿勢(shì)下開展換刀作業(yè)活動(dòng)必然加速人員的疲勞，因此應(yīng)當(dāng)考慮作業(yè)姿勢(shì)對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，將其作為一個(gè)校正工作負(fù)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(shí)間施力的作業(yè)中人員會(huì)加速疲勞，工作負(fù)荷的產(chǎn)生與增加會(huì)加速，因此力量同樣是對(duì)工作負(fù)荷評(píng)估過程中不能忽視的因素.

綜上所述，由于盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)自身的特點(diǎn)，其工作負(fù)荷評(píng)估顯然不能只單獨(dú)考慮“單位時(shí)間工作量”這一工作績效指標(biāo)作為唯一評(píng)價(jià)依據(jù)；必須同時(shí)結(jié)合能量代謝、作業(yè)的姿勢(shì)與作業(yè)的施力三個(gè)方面對(duì)工作績效指標(biāo)進(jìn)行校正，以求得最準(zhǔn)確結(jié)果.基于此，本文構(gòu)建了盾構(gòu)機(jī)換刀人員工作負(fù)荷的評(píng)估流程，如圖2所示.通過構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，以半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)的方式獲取了盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)的真實(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)仿真虛擬人的驅(qū)動(dòng).以該仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在JACK工效學(xué)分析軟件中借助TAT分析工具，首先通過PTS分析得出工作負(fù)荷的初始值，然后通過新陳代謝分析(MEE)、姿勢(shì)負(fù)荷分析(OWAS)和力量負(fù)荷分析(LBA)輸出校正因子，對(duì)初始值修正，得出工作負(fù)荷的最終值，進(jìn)而評(píng)價(jià)換刀人員工作負(fù)荷的大小.

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

2.2 工作負(fù)荷評(píng)估模型與等級(jí)

本文根據(jù)工作績效的定義——“單位時(shí)間的工作量”作為盾構(gòu)機(jī)刀具更換作業(yè)人員進(jìn)行作業(yè)時(shí)負(fù)荷評(píng)估的基礎(chǔ)，以換刀時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之比作為具體評(píng)估衡量指標(biāo)，并考慮盾構(gòu)機(jī)刀具更換作業(yè)的特點(diǎn)，加入能耗率等影響因素對(duì)其進(jìn)行較正.構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)刀具更換作業(yè)人員工作負(fù)荷評(píng)估模型，其表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：TLI為刀具更換作業(yè)中工人的工作負(fù)荷值；TS為JACK軟件仿真分析中采用標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序?qū)Φ毒吒鼡Q作業(yè)的仿真時(shí)間；Ta為刀具更換作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，依據(jù)NIOSH得出；A為盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)能量消耗率Eref之比；β為刀具更換作業(yè)人員力量負(fù)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(biāo)準(zhǔn)推薦值的最大力量值CRi與標(biāo)準(zhǔn)的推薦值CRref之比的平均值；γ為刀具更換作業(yè)人員姿勢(shì)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)舒適等級(jí)的得分值SRj與推薦標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的對(duì)應(yīng)分值SRref之比的平均值.

本文構(gòu)建了盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)中工作負(fù)荷等級(jí)的評(píng)價(jià)表，如表3所示.

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

3 工作負(fù)荷評(píng)估技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真工作時(shí)間確定

換刀人員完成刀具更換作業(yè)的時(shí)間是通過TAT工具中的預(yù)定時(shí)間系統(tǒng)(predetermined time system，PTS)，采用MTM時(shí)間預(yù)測(cè)方法得到的.圖3為JACK8.0.1版中的預(yù)定時(shí)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(shí)間.

圖3 JACK中PTS時(shí)間預(yù)測(cè)工具窗口Fig.3 Interface of PTS time prediction tool in JACK

圖4為MTM時(shí)間預(yù)測(cè)方法的動(dòng)作分類情況，各個(gè)類別動(dòng)作之間是相互獨(dú)立的.在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間分析時(shí)，工人作業(yè)時(shí)的動(dòng)作可以在圖4中找到相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作類別，并可按照操作順序進(jìn)行排列；各類別動(dòng)作的作業(yè)距離大小也可影響作業(yè)時(shí)間長短，這是本文分析換刀流程的重要根據(jù).

圖4 MTM動(dòng)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(dòng)作逐幀分析動(dòng)作要素的類型和數(shù)量，得出在依照更換刀具操作標(biāo)準(zhǔn)下刀具更換人員完成操作的時(shí)間，即本文盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)仿真工作時(shí)間TS.再依據(jù)NIOSH推算出盾構(gòu)機(jī)刀具更換作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間Ta，即可確定時(shí)間占用率TS/Ta的值.

3.2 盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)各校正因子的確定方法

盾構(gòu)機(jī)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(shè)備來完成的，因此，應(yīng)充分考慮到作業(yè)人員的工作姿勢(shì)與施加力量的影響，從而更有助于精確評(píng)估刀具更換的工作負(fù)荷.

1)盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)人員力量負(fù)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(huì)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(fù)荷，一般認(rèn)為當(dāng)脊柱受力未超過3 400 N推薦值(圖5中黃線)時(shí)，可認(rèn)為處于正常狀態(tài)；超過3 400 N則認(rèn)為負(fù)荷較重，應(yīng)當(dāng)予以改善.

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

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

2)盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)人員姿勢(shì)負(fù)荷校正因子的確定方法.TAT分析工具中的工作姿勢(shì)分析工具(OWAS)可用于計(jì)算和確定校正因子γ.該工具能夠同時(shí)確定工人在更換刀具的操作過程中由于不良姿勢(shì)所造成的傷害情況.圖6為OWAS工作姿勢(shì)分析結(jié)果界面.OWAS分析主要通過分析姿勢(shì)負(fù)荷級(jí)別來確定人員負(fù)荷情況，一般認(rèn)為評(píng)價(jià)級(jí)別不超過二級(jí)即可認(rèn)為處于正常狀態(tài)；超過二級(jí)時(shí)說明姿勢(shì)負(fù)荷有不良影響，應(yīng)當(dāng)及時(shí)糾正.

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

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

3)盾構(gòu)機(jī)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(duì)體力強(qiáng)度進(jìn)行劃分的重要參數(shù).表4為國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3869-1983中依據(jù)能量代謝率進(jìn)行負(fù)荷評(píng)估的等級(jí)情況.

表4 負(fù)荷強(qiáng)度能量消耗等級(jí)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(gè)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(dòng)頻率以及操作時(shí)工人的工作姿勢(shì)，同時(shí)考慮到換刀作業(yè)人員的體重和刀具更換的工作時(shí)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(duì)人員能量消耗率與推薦能量代謝率的對(duì)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(fù)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(dòng)監(jiān)測(cè)換刀作業(yè)的仿真過程，導(dǎo)出在盾構(gòu)機(jī)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(fù)荷評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

盾構(gòu)機(jī)的刀具更換作業(yè)工藝流程中安裝伸縮油缸是整個(gè)更換刀具作業(yè)中過程最復(fù)雜，裝備最沉重，人員負(fù)擔(dān)最重的作業(yè)，對(duì)其進(jìn)行工作負(fù)荷評(píng)估有利于判斷整個(gè)作業(yè)過程中的工作負(fù)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(yàn)證工作負(fù)荷評(píng)估模型的評(píng)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(jī)換刀作業(yè)仿真工作時(shí)間確定

JACK通過逐幀分析仿真過程的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)基本動(dòng)作所需的時(shí)間，然后得出模擬操作時(shí)間TS.經(jīng)過PTS的模擬工作時(shí)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間Ta為900 s.從輸出的時(shí)間結(jié)果來看，工人的操作時(shí)間小于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(fù)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(fù)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(jī)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(yīng)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(jí)分析可知，能量消耗率E處于超輕級(jí)別，說明工人在安裝伸縮油缸時(shí)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(duì)比來看，安裝作業(yè)的實(shí)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(duì)于工人的工作負(fù)荷影響較小，工人的工作負(fù)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(jī)換刀作業(yè)力量負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(huì)使工人疲勞和受傷.伸縮油缸安裝作業(yè)中力量負(fù)荷對(duì)工人的工作負(fù)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(jī)換刀作業(yè)姿勢(shì)負(fù)荷校正因子的結(jié)果.從OWAS的監(jiān)測(cè)分析可以發(fā)現(xiàn)，伸縮油缸安裝作業(yè)中五個(gè)姿勢(shì)的舒適度標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)SRj超出推薦標(biāo)準(zhǔn)值SRref(2 000)，這五個(gè)姿勢(shì)的分值分別為2 896、2 123、3 206、3 578和3 324，均為三級(jí).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(shì)存在不舒適的現(xiàn)象，人員以這樣的姿勢(shì)進(jìn)行操作容易疲勞，工作負(fù)荷增大.姿勢(shì)負(fù)荷對(duì)工人工作負(fù)荷的影響較為明顯.

4.3 工作負(fù)荷評(píng)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(jì)算出伸縮油缸安裝作業(yè)的最終工作負(fù)荷值，具體計(jì)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(huì)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(duì)伸縮油缸安裝作業(yè)的仿真進(jìn)行分析后未發(fā)現(xiàn)超出NIOSH推薦值CRref(3 400 N)的動(dòng)作，β的值取1.

伸縮油缸安裝作業(yè)有五個(gè)姿勢(shì)超出NIOSH的標(biāo)準(zhǔn)推薦值(2 000)，代入式(4)計(jì)算得知，γ的最終值為1.51.

最終的工作負(fù)荷值TLI為0.85.由表3可知，該數(shù)值處于表3中高負(fù)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(fù)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(shì)不合理，導(dǎo)致工人在刀具更換作業(yè)中負(fù)荷增大，超出了正常水平.在實(shí)際工作過程中應(yīng)采取如增加作業(yè)輔助工具、改進(jìn)操作流程等方式，對(duì)作業(yè)人員不舒適的作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行改善，以降低可能對(duì)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(jī)刀具更換作業(yè)中工人的工作負(fù)荷評(píng)估問題，提出了一種基于JACK的盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)人員工作負(fù)荷評(píng)估模型.為確定刀具更換過程中的工作負(fù)荷評(píng)估依據(jù)，本文引入民航管制員工作負(fù)荷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；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(shì)和重量壓力三個(gè)方面確定了能量代謝、姿勢(shì)負(fù)荷和力量負(fù)荷三種影響因子，對(duì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正.為確定工作負(fù)荷等級(jí)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)的客觀有效評(píng)估，對(duì)改善盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)具有重要的意義.