基于能量分析的装配作业疲劳改善研究*

王向银，刘 坚，蒲海蓉，于德介

（湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙 410082）

尽管近年来工业自动化应用日益普及，但许多生产作业活动中仍存在大量的人工作业.为降低作业人员在工作过程中因疲劳引发的工伤危险以及提高作业效率，有必要构建一种人体疲劳分析评估方法以指导作业及作业环境的改善和再设计.在该领域的研究中，H.Heleen[1]选取了22个工人进行模拟装配试验并通过肌电图测量肌肉疲劳，发现耐力培训可以缓解长时间作业的人体疲劳度；Jap[2]则尝试利用脑电图描述仪来检测驾驶员的疲劳度；Li[3]将新陈代谢能量消耗评估方法用于评估建筑工人进行手工物料搬举作业时的生理和知觉反映；王维等[4]提出了一种基于维修仿真的人体疲劳分析方法以评判操作人员在维修过程中的疲劳程度；Du[5]利用计算机辅助及数字化人体模型建立了人因工程评价方法，该方法可用于评估现有工作环境中存在的人因设计问题.Lamkull[6]将数字化人体模型用于汽车装配作业来预测任务的输出结果，并指出其将会是汽车行业中人因工程分析的主要手段.

上述研究指出了数字化人体模型以及仿真技术在人因改善领域的重要性，为人体疲劳分析方法的建立提供了有益的指导.但其研究工作主要通过肌电图仪对作业人员的疲劳度进行实测，会影响员工的正常作业，同时研究对象较少针对制造作业，不利于研究成果在制造领域的推广.有鉴于此，本文以计算机辅助人因工程仿真软件JACK为支撑工具，研究了基于作业仿真的人体疲劳分析改善方法，方法的企业应用验证了其有效性.

1 基于仿真的人体疲劳分析改善方法

基于仿真的人体疲劳分析改善方法主要包括四个步骤，即人体动作及动作参数的获取、基于新陈代谢能量消耗的人体疲劳评估计算、疲劳评估改善和改善方案的验证.

1.1 人体动作及动作参数的获取

制造业实际的生产活动十分复杂，为了有效地分析改善装配作业中人体的疲劳度，需要针对关键工序或工位进行重点分析改善.所以首先应通过现场调研明确人体疲劳感较强的工序（关键工序）作为研究对象，而后按照动作分解和流程分析的原则将该工序作业任务分解成若干人在单个时间步长内能够执行的动作单元，实现作业的流程化和图表化；最后在动作单元化后通过测量获取各动作单元的参数以便于后续的分析计算和仿真验证.不同的任务类型需要获取的参数类别如表1所示，动作分析过程中可忽略对能量消耗影响较小的因素，如训练程度、载荷尺寸、完成任务速度、手柄的设计、温度和湿度等.

表1 动作参数描述Tab.1 Description of motions¶meters

1.2 基于新陈代谢能量消耗的人体疲劳评估计算

新陈代谢能量消耗是标示作业人员疲劳程度的重要指标，Garg博士[7]建立了一个数学模型用以预测人员作业的能量消耗，该模型假设一个工作能够分解成任务和活动元素.任务的能量消耗可以根据下式计算得到:

式中:EJob指一个工作的平均能量消耗；Ebasal指维持基础能量代谢和基本姿势（包括站姿、立姿和弯腰姿势）的能量消耗；Etaskj指在稳态条件下完成第j项任务净新陈代谢能量消耗；Ttaskj指完成第j项任务所持续的时间.

单位时间人体能量消耗必须处在一定的范围之内，若超出了人体允许的能量消耗限度，将会损害作业人员的健康，导致职业病或者不安全事故的发生.所以（1）式的计算结果需要与人体能量消耗上限值比较，若超出就需要采取措施改善.

人体允许的能量消耗值可通过经验公式计算得出[8-9].依据经验公式计算得到不同工作时长所允许的能量消耗上限值如图1所示.

图1 允许的新陈代谢能量消耗Fig.1 Allowable metabolic energy expenditure

1.3 人体疲劳改善

将所获作业新陈代谢能量消耗与允许的新陈代谢能量消耗量标准进行对比，若超出标准的上限值就说明该工人很可能在规定时长的工作时间结束时有全身疲劳的感觉.而长期处于疲劳状态的工人易引起疾病或健康不良，所以对于该项作业应用人因工程的改善原则进行改善或再设计，以消除其对作业员工可能造成的不利影响.

人体疲劳的改善原则有很多，主要包括动作经济原则、流程经济原则和方法时间衡量，综合运用上述原则可以从两个方面进行作业的人因改善.一是从工程学的角度重新设计作业并提供更好的作业工具和环境支持，如运输带和自动送货器可以减少人体载荷，改善工作场所的布局可以减少人体的动作频率和优化工作流程，减少抬举、推动、放下载荷的距离可以减少作业的能量消耗需求；二是从管理学的角度优化人员组织安排、工作轮班制度、作业休息方式等来降低作业人员疲劳.

1.4 改善方案的仿真验证与实施

依据前面的改善分析研究，改善方案中通常包括辅助工具的设计制作、工作环境与布局的调整、改进的作业人员组织甚至是业务流程的优化，上述改进的实施都需要资源的投入，所以有必要充分验证改善方案的有效性从而降低其实施的风险.并且上述人体疲劳评估计算只考虑了时间和动作的影响，尚不太精确可能影响方案的有效性.为了验证上述改善方案的可行性和有效性，需要将改善方案的动作及动作参数在JACK软件中进行仿真验证，该软件还考虑了载荷等影响因素，以便判断相应的能量消耗指标是否低于标准指标，若低于允许的能量消耗上限值便可以确定该方案为最终改进方案，否则需要进一步改善直至得到满足标准指标的方案.改善方案的最终有效性仍需要通过企业的应用加以验证，方案实施后作业员工的切身感受是评估改善方案的直观依据.

2 应用实例

2.1 车轮分装作业任务分析

分装车轮总成工序是某汽车公司总装车间底盘装配工段的关键工序，该工序操作的基本要素包括取料、搬料、在拆装机上分装车轮、充气和车轮总成动平衡测试等环节.通过现场访谈了解到该工序长期作业易疲劳且效率低，急需采取相应措施加以改进.基于动作分解和流程分析的原则对该工序进行分析，得到表2所示的动作及对应参数.

表2 车轮分装工序动作分解及对应参数Tab.2 Operator's motions and corresponding parameters in Tire Assembling Process

其中根据实际情况可知作业人员为重60 kg的90百分位的男性，并设定身体和手臂作业各占50%，站立弯腰作业姿势各占80%和20%，坐姿作业为0，连续工作时间小于2 h.

2.2 车轮分装作业人体疲劳分析计算

基于前述的人体疲劳量化计算方法，建立该工序虚拟工作环境和虚拟人体模型，根据实际情况确定了该工序操作工人的主要人体尺寸.然后在仿真平台 JACK的 MEE（Metabolic Energy Expenditure）分析界面输入任务时间，立姿、坐姿、弯腰姿势所占比例，距离和质量的单位等表2所示的相应参数.计算得到完成该作业所需的能量，结果如图2所示.由图2可知，完成该作业所需的能量为18.431 kcal，立姿所需能量为3.605 kcal，弯曲姿势所需能量为1.067 kcal，故总能量为23.102 kcal.又根据时间测量可知完成该工作所需时间为6.890 min，由计算可知能量消耗比例为3.353 kcal/min.与连续工作2 h所允许的能量消耗上限为3.298 kcal/min（如图1所示）比较，可知完成该工作所消耗的能量超过了允许的能量消耗，亟待采取相应的措施加以改善.

图2 改善前新陈代谢能量消耗计算结果Fig.2 Calculating results of MEE before optimization

2.3 车轮分装作业人体疲劳评估改善

为降低车轮分装作业的作业疲劳以防止员工人身伤害，需要应用人因工程的改善原则对该作业进行改善.本文从两个方面采用四种方式来缓解车轮分装作业中的人体疲劳:从工程学的角度出发，一是增加一个轮槽提供作业支持以代替手工搬运过重的轮胎，二是调整工作场所的布局以减少人体的动作频率和优化工作流程；从管理学的角度出发，一是增加一名作业人员分担50%的分装任务，二是制定合理的轮班制度和作业期间休息制度，从而优化人员组织管理，最终降低人体疲劳度.改善后的布局如图3所示.

图3 改善后的虚拟工作场景模型Fig.3 Virtual layout model after optimization

2.4 工序改善方案的仿真验证

综合上述四种改善措施，在选定的工具软件JACK上仿真验证改善方案的有效性，首先建立新方案的虚拟工作环境以及人体模型，如图3所示.依据现场调研和测量了解企业分装车轮工序实际操作工人的身高为165 cm，体重为60 kg.然后将改善方案的作业及其参数输入JACK的MEE分析工具包进行仿真验证.通过仿真验证可知增加一名操作人员后第一位工人完成任务的能量消耗明显降低至2.582 kcal/min，第二位工人完成任务的能量消耗为2.705 kcal/min，详细结果如表3所示.

表3 改善前后工人新陈代谢能量消耗计算结果比较Tab.3 Calculating results of MEE before and after optimization

由图1可知满足连续工作2 h所允许消耗的能量消耗上限为3.298 kcal/min，改善方案的员工能量消耗明显低于上限，既能保证作业的安全性，还能提高生产效率，符合“绿色安全生产”理念.

3 结 语

本文围绕制造业装配作业过程中的人因优化改善展开研究，旨在降低人体疲劳度以保证安全生产和提升作业效率.本文将仿真技术引入人因改善研究中，以选定的仿真软件JACK为研究平台，以新陈代谢能量消耗值为人体疲劳的量化评估指标，针对制造业的现场作业构建了人体疲劳改善方法.该方法在人体动作及动作参数的获取、人体疲劳评估计算的基础上，运用工程学与管理学领域的相关人因改善原则建立改善方案，并通过改善方案的仿真与实施验证其有效性.该方法在合作汽车公司工人反映疲劳度较高的车轮分装工序的作业改善中得到了成功应用，改善方案实施后不仅降低了作业人员的疲劳程度而且提高了工作效率.本文的研究为制造企业进行现场作业的人因改进提供了方法论支持.

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