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)計研究

魏玉坤　王秋惠

摘要：對重工裝備特種作業(yè)環(huán)境中天車駕艙的視覺工效可用性設(shè)計進行充分分析研究的基礎(chǔ)上，運用CATIA對機械吊裝的天車駕艙進行視覺工效評價研究。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 評價

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）05-0079-03

引言

起重機駕駛艙作為駕駛員的主要工作場所，其人機環(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)標準，設(shè)計分析起重機駕駛艙的視覺功效，以及評價方法為其開發(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)計方法

對重工特種作業(yè)裝備視覺工效的天車駕艙進行可用性設(shè)計研究，將設(shè)計的模型通過CATIA數(shù)字軟件進行視覺工效的人機交互可用性分析。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)計流程圖。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

橋式起重機主要用于大型物料起重、裝運，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)需求大型機械裝備進入藍海區(qū)。技術(shù)也日趨成熟，使用者不僅限于基本的作業(yè)功能，而是向自動化、大型化、專業(yè)化趨勢發(fā)展。兼具舒適、安全，同時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)和評價系統(tǒng)，與國外工程機械比較來看，存在較大差距。

英美一些發(fā)達國家起重機除了向智能化發(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。按照不同標準可分為直接視野和間接視野、眼動視野和觀察視野。（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?；顒臃秶鷷r，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。在評價產(chǎn)品時需考慮到人機功效的因素，以實現(xiàn)最佳視野、最大視野來滿足人機系統(tǒng)的人機工程學(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)域為盲區(qū)。駕駛艙的門框、玻璃鑲條、操作臺、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

（一）實地調(diào)研分析

在本次課題中實地調(diào)研一個廠房進行分析，駕駛員作業(yè)時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，駕駛員在進行作業(yè)時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，時長為昏暗嘈雜的場所，作業(yè)最遠距為25米的區(qū)域，（如圖3、4）所示分別實地調(diào)研75t和63t天車駕駛艙。

由實際的駕駛艙視野圖可以看出駕駛員在看遠端的重物時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，經(jīng)常需要站立，彎腰，前傾，扭動等巨幅動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。致使操作時間長，工作效率低。

（二）天車駕駛艙設(shè)計

結(jié)合駕駛員作業(yè)的實際情況，本文著重對起重機駕駛室的視覺區(qū)域進行優(yōu)化，使駕駛員的視野盲區(qū)減少或消失，以實現(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，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)境的各個區(qū)域進行安全作業(yè)。效果（如圖5）所示。

五、基于CATIA V5的視覺評價系統(tǒng)視野分析

（一）CATIA V5視覺評價

CATIA v5以數(shù)字^體模型為基礎(chǔ)，可以進行視野分析、作業(yè)姿態(tài)分析、雙伸展域分析、人體姿態(tài)評估等分析方式。分析方法較全面。為設(shè)計師提供了一個直接可以進行人機產(chǎn)品設(shè)計和評價的工作平臺。

在設(shè)計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（臺灣）的人體數(shù)據(jù)庫?；蛘吒鶕?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)標準GB10000-88，略顯過時）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)實生活中的人的眼睛結(jié)構(gòu)準確實現(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。藍色區(qū)域為眼睛視野所及區(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、小車的運動以及貨物的位置來完成操作。因此駕駛員需通過眼睛對作業(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。以便進行精確微調(diào)來實現(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)進行中發(fā)生意外。

在評價駕駛艙視覺功效中，首先模擬駕駛員的操作環(huán)境，將選擇中國（臺灣）95%的人體模型置入設(shè)計的駕駛艙中并設(shè)定好駕駛員在吊裝作業(yè)狀態(tài)中的姿勢然后對設(shè)計進行評價。（如圖7）所示。

國內(nèi)現(xiàn)有定型生產(chǎn)的通用橋式起重機的起升高度在12～20m。作業(yè)環(huán)境模擬實地調(diào)研的廠房進行特定分析。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吊鉤所在的位置即可進行吊裝作業(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處吊鉤時需要上仰。

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個格，吊鉤第一排明顯可見，第二排可看見6個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吊鉤處在視覺盲區(qū)，其余吊鉤均可看見，最遠處的吊鉤能看見但是由于位置較遠處于視覺模糊狀態(tài)，地面能看到6個格，此時駕駛員處于作業(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有干澀情況，但是這個在駕駛艙內(nèi)部設(shè)計時均可避免，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，地面完全處于視覺盲區(qū)。此時駕駛員由于完全看不見地面的狀況，處于危險作業(yè)，因及時更換姿勢和地下配合人員進行良好配合，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，在觀測最遠處吊鉤時雖可以看到，但是由于實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)計駕駛艙時可以配合數(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

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)對設(shè)計的駕駛艙進行再設(shè)計，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)實現(xiàn)視覺的最大化，（如圖13）所示。由于廠房跨度大，在最遠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，對機械吊裝天車駕艙的視覺功效進行定量評價，分析結(jié)果表明了虛擬方法的適用性可行，為進一步研究駕駛艙的人機功效奠定了基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，對于作業(yè)舒適性的要求也隨之增長，人機工學(xué)的應(yīng)用和研究范圍將不斷擴大。