孫瑞山，魏家興，陳 毅

(中國民航大學(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)，航空機務(wù)人員職業(yè)性肌肉骨骼損傷情況普遍，劉健等[1]對某部隊650例機務(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，機務(wù)人員工作強度大，工作時間長，且受機型的限制，工作時經(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)高強度作用力；2)長期持續(xù)負(fù)荷接觸；3)過度重復(fù)用力；4)強烈的姿勢要求；5)強烈或長時間肌肉緊張；6)不利作業(yè)環(huán)境和心理負(fù)荷；7)不良的工作(勞動)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]機務(wù)人員工作特點有：1)體力負(fù)荷大；2)姿勢負(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125名機務(wù)人員的《民航機務(wù)人員肌肉骨骼疾患調(diào)查表》結(jié)果分析，搬運重物、工作負(fù)荷過大，工作中長時間和頻繁保持仰頭、彎腰、舉手姿勢，以及工作時間長、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)測量技術(shù)將職業(yè)性肌肉骨骼損傷進行量化，以此減少人員受傷風(fēng)險。

JACK軟件是1款成熟的人體建模仿真與人機工效評價軟件且應(yīng)用廣泛，目前，國外在該領(lǐng)域一是用于對比研究檢驗人體數(shù)字模型(DHM)與人體實際實驗數(shù)據(jù)之間的差異[7]；二是進行職業(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[9]。國內(nèi)也有學(xué)者利用JACK軟件進行維修任務(wù)仿真，并通過任務(wù)分析工具對其進行工作負(fù)荷評估、工效學(xué)分析[10]等。但是，采用JACK軟件對機務(wù)人員維修過程進行仿真并通過任務(wù)分析工具對人員上肢職業(yè)性損傷評估的研究較少。

本文基于仿真技術(shù)，以JACK軟件為支撐，從作業(yè)姿勢、肌肉負(fù)載和暴露時間3個方面對機務(wù)人員職業(yè)性上肢肌肉骨骼損傷進行風(fēng)險評估，并以A330飛機六號肋改裝作業(yè)任務(wù)為例，演示完整的機務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷的評估過程。

1 研究方法與工具

1.1 上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷評價方法

為了對機務(wù)人員進行上肢職業(yè)性損傷的評估，考慮工效學(xué)危害因素以及機務(wù)工作特點，選取作業(yè)姿勢、肌肉負(fù)載和暴露時間3個維度進行評估，其中，各維度的評價方法如下所示。

不良作業(yè)姿勢可造成過量的肌肉負(fù)荷和關(guān)節(jié)壓力，因此選用工作姿勢分析(OWAS)[11]和能耗預(yù)測分析工具(MEE)[12]對機務(wù)人員作業(yè)姿勢造成的損傷進行分析。OWAS可以快速檢查工作姿勢，評價基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢的不適程度。與其他工作姿勢評價方法相比，考慮姿勢的暴露時間，可以評估靜態(tài)姿勢，也可以評估動態(tài)姿勢，因此，OWAS更適合于計算機輔助的工作姿勢研究，以便于實現(xiàn)自動化。MEE旨在計算人體總代謝能量包括動作代謝能量和姿勢代謝能量，可為工作姿勢的評估提供參考。

針對肌肉負(fù)載和暴露時間，可以采用快速上肢動作分析工具(RULA)，對于1個給定的手工化任務(wù)，RULA能夠基于人體肌肉的使用、負(fù)載情況、任務(wù)的暴露時間和頻率來評價上肢動作的危險性。

綜上所述，作業(yè)姿勢、肌肉負(fù)載和暴露時間是導(dǎo)致機務(wù)人員上肢職業(yè)性肌肉骨骼疾患的主要原因，針對3個原因，本文選取工作姿勢分析、能量消耗分析、快速上肢分析進行評價。

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，模型包含運動學(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)美國國家安全與健康協(xié)會(National Institute for Occupational Safety And Health,NIOSH)發(fā)布的手工提升工作實際指導(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

2.1 仿真分析流程

利用JACK軟件進行機務(wù)人員上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷仿真分析評估，需完成以下流程：首先，對維修場景進行建模，包括對數(shù)字人建模和實物建模，實物建模采用CATIA軟件完成之后導(dǎo)入JACK軟件；其次，進行維修作業(yè)動態(tài)仿真，包括維修任務(wù)分解、動作分解、TSB動態(tài)仿真；最后，運用TAT分析工具進行機務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷分析評估。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飛機六號肋改裝作業(yè)任務(wù)為例，對其進行靜態(tài)建模與動態(tài)仿真。A330六號肋位于機翼大梁與起落架連接部位，是飛機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部分測量六號肋前接耳厚度。

起落架拆除工作又可以分為拆除斜撐萬向銷、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)。六號肋改裝作業(yè)包含多個重復(fù)進行的對主起落架肋前接耳厚度、接耳孔腔直徑的測量工作，以及需要使用工裝對主起落架前接耳進行切削、倒角并安裝襯套。

六號肋改裝作業(yè)靜態(tài)仿真場景在進行作業(yè)任務(wù)的人因仿真分析時，作業(yè)人員、作業(yè)工具、作業(yè)對象構(gòu)成整個作業(yè)場景，為了提高仿真的準(zhǔn)確性、真實性，作業(yè)場景中所涉及到的實體模型應(yīng)該按照真實形狀尺寸進行建模，并按照實際工作場景中的相對位置關(guān)系進行布置。

機務(wù)維修場景中包括飛機主體構(gòu)件、維修車間、維修工具以及數(shù)字人等實體。數(shù)字人身高為176 cm，體重為78 kg。針對改裝工作場景，建立游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、腳手架、鏜孔工裝等所需工具的實體模型。根據(jù)調(diào)研過程中機務(wù)人員實際起落架移除工作場景，建立A330的起落架實體模型和起落架與六號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體模型，最終建立的六號肋改裝作業(yè)仿真場景，如圖2所示。

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

2.3 TSB仿真

根據(jù)六號肋改裝作業(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)中的測量六號肋前接耳厚度子任務(wù)進行TSB動態(tài)仿真。結(jié)合維修作業(yè)基本動素對2個子任務(wù)作業(yè)動作分解，分解結(jié)果如表1所示。根據(jù)作業(yè)動素[15]，在JACK軟件TSB中生成連貫仿真維修動作，然后對特定空間內(nèi)的限制動作進行細(xì)微調(diào)整以符合機務(wù)人員在狹窄起落架艙內(nèi)工作場景，并最終得到2個工作任務(wù)的仿真場景，TSB動態(tài)仿真結(jié)果如圖3～4所示。

表1 A330六號肋改裝作業(yè)部分任務(wù)動作分解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仿真場景Fig.3 TSB simulation scene of PIN task after removal

圖4 測量前接耳尺寸TSB仿真場景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估

3.1 作業(yè)姿勢分析結(jié)果

完整六號肋改裝作業(yè)需要202個工時，其中，機務(wù)人員測量前后接耳時需要長時間保持仰頭和伸臂動作，OWAS工具中工作姿勢的等級會顯示在對話框中，其中，4個級別對應(yīng)的“糾正需求”，如表2所示。

表2 OWAS工作姿勢等級含義Table 2 Meanings of OWAS work posture levels

如圖5所示，在使用螺旋測微器測量前接耳厚度時，機務(wù)人員的作業(yè)姿勢“糾正需求”等級為3級，該等級意味著此作業(yè)姿勢對于作業(yè)人員的肌肉骨骼有不良影響，應(yīng)盡快糾正。

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

對機務(wù)人員起落架移除工作中進行TSB仿真分析時發(fā)現(xiàn)，在拆除后PIN時作業(yè)人員能耗預(yù)測超出[NIOSH]的限定值，MEE中包括對作業(yè)人員保持姿勢消耗的能量分析，對工作姿勢的評估提供參考，依照表1將起落架拆除后PIN工作分為10個子任務(wù)，每個任務(wù)能量消耗預(yù)測，如圖6所示。同時，NIOSH對于該仿真給定的標(biāo)準(zhǔn)消耗為378.285 3 J/s，而該任務(wù)能耗預(yù)測為433.302 2 J/s，顯然超過限定值，表明保持姿勢消耗的能量和執(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，也有可能為任務(wù)負(fù)重過大，此處是對作業(yè)姿勢的評判提供參考。

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

3.2 肌肉負(fù)載與暴露時間分析結(jié)果

RULA系統(tǒng)檢測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)。所有因素綜合評級給出最后評分(1～8分)，評分為4級，具體如表3所示。

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

通過快速上肢分析，對于測量前后接耳尺寸時身體各部位肌肉負(fù)載和暴露時間的結(jié)果分析，如圖7所示。由圖7可知，身體A組評價：上臂姿勢評級5分，下臂姿勢評級3分，手腕和手腕扭轉(zhuǎn)評級2分，肌肉使用主要是靜態(tài)且暴露時間超過1 min，屬于小于2 kg的間歇性負(fù)荷，綜合評分8分，屬于4級操作；身體B組評價：頸部5分，軀干1分，肌肉使用主要是靜態(tài)且暴露時間超過1分鐘，屬于小于2 kg的間歇性負(fù)荷，綜合評分8分，屬于4級操作；腿部和腳部評價：腿和腳部支撐良好，重量均勻。綜上所述，單次測量工作超過1 min的動作上臂和頸部姿勢不適度評級較高，上肢動作不適度評分為7分，屬于4級操作，存在肌肉骨骼損傷風(fēng)險，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 機務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷的評估

進行機務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷評估，本文將A330六號肋改裝作業(yè)分為拆除起落架和改裝測量接耳2部分，形成TSB仿真動畫。

從作業(yè)姿勢結(jié)果分析，在使用螺旋測微器測量前接耳厚度時，機務(wù)人員作業(yè)姿勢有不良影響，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)測分析超過限定值，由于作業(yè)姿勢不佳和任務(wù)負(fù)重大引起，有造成肌肉骨骼損傷的隱患；對于機務(wù)人員肌肉負(fù)載和暴露時間分析發(fā)現(xiàn)上肢的評判等級較高，造成肌肉骨骼損傷可能性較高，建議整改。

綜上所述，以A330六號肋改裝作業(yè)為例，從作業(yè)姿勢、肌肉負(fù)載、暴露時間3個方面進行機務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷評價，該維修過程中機務(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)針對機務(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、肌肉負(fù)載、暴露時間3個維度，應(yīng)用JACK軟件的TAT人因分析工具進行上肢職業(yè)性肌肉骨骼損傷的評估。結(jié)合A330六號肋改裝作業(yè)為實例，基于JACK軟件中的作業(yè)姿勢分析、能量消耗分析、快速上肢分析對機務(wù)人員上肢職業(yè)性損傷進行評估。研究結(jié)果表明：六號肋改裝作業(yè)中存在作業(yè)姿勢不適，肌肉負(fù)載和暴露時間不合理，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行機務(wù)人員職業(yè)性肌肉骨骼損傷評估，可克服以往對工作流程中肌肉骨骼損傷分析時存在的可操作性差、主觀性強、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。