基于JACK的动车组无障碍通行关键尺寸研究

2014-10-25王冰松郭小峰向泽锐章勇董石羽

铁路技术创新 2014年4期

■ 王冰松郭小峰向泽锐章勇董石羽

JACK最早由美国宾夕法尼亚大学的人体模型和仿真中心开发，由EDS公司（Electronic Data Systems Corporation）商业化推广[1]，目前属于西门子公司的一个虚拟人仿真软件。该软件可建立不同比例尺寸和姿态的男女数字模型，能实现人工作业的准确仿真、人机工程学和装配时间分析，支持对人工作业视野检查、工位交互式改进及不同设计方案的评估。目前，JACK已被广泛应用于飞机驾驶舱的研究[2-3]、救援抢险设备驾驶室的研究[4]、航天器的操作研究[5]、装备的虚拟维修研究[6-7]、动作和操作姿态研究[8-9]、机车的驾驶室研究[10]等专业领域。采用JACK软件对动车组车内无障碍关键尺寸进行研究。

1 动车组无障碍通行涉及的内容

动车组是快速高效、绿色环保、运行准时的公共交通工具[11]，受到了越来越多国家的青睐。在德国、法国、意大利、西班牙、奥地利、日本和我国等国家已经建立起了一定数量的运营线路。作为公共交通工具，国内外现有动车组均为行动不便旅客提供有无障碍车厢：可供轮椅使用者通过的车门、车内过道、轮椅席位、优先座椅、安全抓杆及无障碍厕所等。

当前，欧洲有根据其人口和地区特点制定的International Union of Railways（UIC）和Technical Specification for Interoperability（TSI）铁路标准；日本有根据其自身人口特点和国情建立的Japanese National Railways Standard（JRS）。我国至今未见有关于铁路车辆无障碍设计的标准，现有车辆的设计主要参考欧标或我国建筑无障碍设计标准[12]执行。为了使我国自行研制的动车组无障碍环境更加符合我国行动不便旅客的需求，以我国人的人体参数为依据，利用JACK软件分别对动车组的车门宽度、无障碍流线上的直道和弯道宽度、无障碍厕所等关键尺寸进行了仿真实验分析。

2 动车组无障碍设计关键尺寸仿真研究

2.1 实验模型的建立

（1）按我国人体尺寸建立虚拟人模型。根据由中国标准化研究院按照GB/T 5703—1999[13]最新采集的2009年成年人人体尺寸数据资料，在JACK中建立了男性第95百分位、男性第50百分位和女性第5百分位虚拟人模型，分别对应大个身材、中个身材和小个身材（见图1）。其中，男性第95百分位虚拟人主要用于检验宽度方向的通行尺寸，只要通行宽度满足该虚拟人的通行宽度要求，则表明所设宽度能够满足现实中95%中国人群的通行要求；女性第5百分位虚拟人主要用于检验手的操作高度可及范围，如果控制器高度设置在该虚拟人手的可及范围内，则表明所设高度满足现实中95%中国人群的高度可及范围。对于坐便器高度等关系到使用舒适程度的高度，则可用男性第50百分位模型来检测和评估。

（2）轮椅模型的建立。按动力驱动方式的不同，我国的轮椅车有手动和电动之分；按使用的环境不同，可分为室内用、室外用和道路用3种；按轮椅的车轮个数的不同，可分为三轮和四轮2种。GB/T 12996—2012《电动轮椅车》[14]规定了我国电动轮椅车的最大外形尺寸，GB/T 13800—2009《手动轮椅车》[15]规定了我国手动轮椅车的最大外形尺寸。二者的室内、室外型产品详细尺寸规定见表1。综合考虑到各种类型轮椅车的使用特点和在我国使用的普及程度，选择了最为常用的手动四轮轮椅车作为实验设备。按市面上常用的手动轮椅车尺寸建立了虚拟轮椅车模型，其外形尺寸为长990 mm、宽690 mm、高900 mm，符合并接近标准规定的宽度上限尺寸。将建立的三维模型导入JACK，根据仿真的需要，设置虚拟人为乘坐轮椅姿势。

（3）动车组无障碍车厢模型的建立。按照我国CRH2型动车组[16]无障碍车厢的相关尺寸（见图2）建立用于仿真实验的三维模型，主要有车门、无障碍流线上的直道、无障碍厕所等。无障碍流线上的弯道参照CRH3型动车组建立。

2.2 仿真实验

图1 在JACK中建立的3种百分位虚拟人模型

表1 我国手动轮椅车、电动轮椅车最大外形尺寸 mm

（1）车门仿真实验。CRH2型动车组的车门有效宽度分别为侧门的997 mm、端门的960 mm，按照该宽度建立三维模型。选择男性第95百分位虚拟人乘坐轮椅的模型作为测试对象，在JACK中模拟该模型分别通过两扇门的情况（见图3）。经测量，男性第95百分位虚拟人乘坐轮椅的最低通行宽度理论值为885.3 mm。而车门的有效宽度大于理论通行最小值，分别为111.7 mm、74.7 mm，实验模型能够顺利通过车门，但通过960 mm宽的端门时明显感觉拥挤，997 mm宽的侧门通过性相对较好。综合考虑真实旅客的衣服修正量和心理修正量，车门的通行净空间基本宽度尺寸应为950 mm。条件允许的情况下应≥950 mm，以1 000 mm以上为宜。

（2）过道仿真实验。动车组无障碍流线上直线过道的基本宽度应与门的基本通行宽度一致，至少应为950 mm。条件允许的情况下，无障碍流线上的直线过道还应考虑轮椅使用者与普通乘客的交会通行情况。直线过道的宽度除了应满足男性第95百分位虚拟人乘坐轮椅通行的最小宽度外，还应考虑男性第50百分位虚拟人的体厚尺寸（实际情况中两个男性第95百分位的人交会通行的可能性极小）。因此无障碍流线上的直线通道尺寸宜设置为885.3 mm+278 mm=1 163.3 mm，考虑到衣着修正量和心理修正量，可将其确定为≥1 200 mm。

图2 CRH2型动车组无障碍车厢局部尺寸

图3 车门的通行仿真实验

无障碍流线上的过道转角处尺寸应满足轮椅最小回转半径850 mm[15]，CRH2型动车组的侧门直线通道宽度为1 350 mm，端门转弯处有直径约1 812 mm的面积，满足轮椅最小回转半径要求。男性第95百分位虚拟人乘坐轮椅能够顺利完成转弯通行，在JACK中的仿真实验情况见图4（a）。

按照CRH2型动车组无障碍车厢的参数建立弯道模型，其最窄处宽度为926 mm，然后在JACK中以男性第95 百分位虚拟人乘坐轮椅模型进行仿真实验（见图4b）。从图中分析可知，宽度为926 mm处的弯道会导致轮椅大车轮和虚拟人的手臂与隔墙擦挂，通行较为困难。弯道最窄处宽度设置为950 mm宽后能够满足基本通行需要，考虑到衣着修正量和心理修正量，可将其最窄处宽度确定为≥1 000 mm。

图4 通道转角处的仿真实验

图5 手的可及范围仿真实验

（3）无障碍厕所仿真实验。无障碍厕所包括残疾人专用坐便器、安全抓杆、冲水按钮、置物台、洗手盆、紧急呼叫装置、衣物挂钩、卫生纸盒、坐便器纸垫盒、废物箱。为了考察这些物件的放置高度，用女性第5百分位虚拟人乘坐轮椅模型在JACK中进行仿真实验，以虚拟人腰椎为基准，测试手臂的可及范围（见图5），其中图5（a）中绿色空间为仿真人右手上下方向的有效活动范围，图5（b）中蓝色空间为仿真人右手左右方向的有效活动范围。仿真结果显示：女性第5百分位虚拟人乘坐轮椅时手的上下活动范围高度为1 060 mm，离地最小可及范围为625.7 mm（轮椅车座面高460 mm），最高可及范围为1 685.7 mm。女性第5百分位虚拟人乘坐轮椅时手的左右活动范围为1 060 mm，离地最小可及范围为625.7 mm（轮椅车座面高460 mm），最高可及范围为1 685.7 mm；右手朝右的最大可及长度为660 mm，左手朝左的最大可及长度为660 mm（实验过程中虚拟人体位不发生改变），考虑到真实人的身体移动调整量，可将水平活动的最大可及长度放宽100～200 mm。因此，无障碍厕所中设置的各种物件应根据人的使用习惯，设置在这个空间范围内。

按照图3中的尺寸建立了CRH2型动车组的无障碍厕所模型，厕所门宽903 mm，厕所门口的过道宽度为1 035 mm，最大转弯直径约为1 430 mm。在JACK中以男性第95百分位虚拟人乘坐轮椅模型进行仿真实验（见图6（a））。从图中可以发现，需要多次调整轮椅的位置方能进入无障碍厕所。将厕所门外的过道尺寸加宽至1 300 mm以上，或将厕所门宽度加宽至1 200 mm，均可实现厕所门口有约φ1 500 mm的空间，能够满足进入厕所所需的基本尺寸。无障碍厕所内的有效空间尺寸约为2 000 mm×1 000 mm，轮椅使用者进入后不能在内完成掉头，只能反复调整轮椅位置才能从门口退出离开厕所（实际中需要陪护人员帮助才能完成）。洗手池设置在进门口的隔墙转角处，离地板面高度为750 mm，经仿真实验，符合轮椅使用者的操作可及范围（见图6（b））。专用坐便器设置在远离厕所门的位置，两侧设有安全抓杆，左右均有约200 mm的空间，仿真过程中未见异常（见图6（c））。