人体工程学在船舶管系生产设计中的应用

翟亚军，张怀宇

(中远海运重工有限公司，上海210000)

0 引言

船舶管系的生产设计，关乎到船舶设备使用的功能性、安全性、经济性要求。自20世纪40年代至今，计算机技术已经应用到各个领域。随着计算机虚拟仿真技术的发展，将“人机”工程引入到产品设计，考核人-机间的匹配性已在技术先进国家的国防、工业设计等领域广泛运用，并由此发展了“人体工程学”的相关理论。在船舶设计上，通过引入人体工程学，进行生产设计时能及时把握船级社的相关规范，关注施工操作和船员操作时人体肢体操作的需求，使管路系统更加符合满足生产施工和船员操作的人性化要求，降低施工人员的操作难度，为船员操作带来便利。相关研究已在美、英、法等国的航母与大型军舰的建造中得到应用。虽然将人体工程学引入船舶生产设计在我国起步较晚，但近些年，我国的船舶设计人员已将静态人体工程学引入到船舶舾装生产设计之中，为满足船员操作提供了设计质量的保证。随着数字化设计技术的进步和船舶市场竞争的增强，我国船舶设计人员正在逐步将目光从静态人体工学转化到设计全流程的动态人体工学[1]，以降低一线工人的劳动强度，提高船舶舾装生产效率。

本文根据船舶生产设计的基本要求，分析施工姿态、施工强度和可伸及区域，确定放样原则，以期能够把握生产设计的质量，满足人们安装操作要求及对设备运行功能性、安全性和经济性的需要。

1 船舶管系生产设计的基本要求

(1)管系设计除应满足船级社相关规范和国际公约的有关具体要求，以及管系和所服务系统的功能性、安全性和经济性要求外，还要简洁美观，便于安装调试人员和船员的操作、检查及维修，同时在分段建造过程中还应预装、最大化单元组装以尽量减少船上舾装工作量[2]。

(2)管系布置应以先大直径管系后小直径管系的顺序为原则，整齐平直地排列，以便于安装调试时管系的固定和拆解以及检修和维护，同时还应尽量缩短管系长度和减少弯头数量，避免管道中的气囊、积水等现象发生。如不可避免地需要布置长距离管系和放置弯头，则还应设置保证管系安全和功能的附件，如放气阀等。

(3)管系生产设计要保证其主通道净高度小于或等于2 050 mm，宽度小于或等于600 mm(徳国海员同业工会“SBG”要求宽度应小于或等于700 mm)；门最小开启角度不能小于或等于90°；逃生舱口或人孔通道内空间小于或等于600 mm×600 mm。为了保证生产设计的规范化，对狭小通道，应事先设计出规范图形，如图1所示。

2 船舶管系生产设计中的动作姿态研究

2.1 施工姿态分析

施工姿态是指施工人员在施工过程中长时间身体躯干处于相对静止所表现出的身体位置状态，它可能会导致人体的生理疲劳。特别是在船舶机舱的底部区域，由于大量设备的放置和管路的密集分布，导致船舶机舱底部的施工空间狭小。长时间且相对静止的施工姿态会使施工人员的身体躯干部分舒适度降低，所以有效合理地评估施工人员的施工姿态可以提高施工人员的施工工作效率，降低施工人员因长期工作疲劳所患的各种职业病的概率[2]。在船舶生产制造领域，及时、有效、合理地评估施工人员的施工姿态有着极大的实际意义。

图1 管系布置通道空间示意图(单位：mm)

在船舶机舱管路及其附属设备的装配过程中，施工人员的基本操作姿态包含如下：

(1)屈曲(伸展)：减小(增加)身体上下间夹角的动作。

(2)内收(外展)：肢体移向(远离)身体中线的动作。

(3)旋转：身体沿着身体的纵向轴转动。

(4)侧偏：身体向着身体中线的两侧偏离。

将人体工学的基本理论引入船舶机舱的管系装配过程中可知，人体基本姿态的变化均依靠人体关节角度的变化来实现。本文以施工人员关节的舒展角度的变化范围为研究对象。

表1列举了健康成年人身体主要关节的活动方式和关节的角度变化范围，以及各个关节角度变化过程中所对应的相对舒适角度的范围。在船舶设计和建造过程中，设计人员可通过分析船舶施工人员的各关节角度变化范围的合理性以评估施工人员在该姿态下所对应的舒适程度。

在仿真软件中，通过分析施工人员作业时各关节的角度变化的合理程度来定量分析虚拟人姿态的合理性。

首先，根据表1中列出的参数设定虚拟人的各个关节活动角度范围的极限。其次，在各关节的角度范围的极限中根据人体所感受的舒适度划分不同的舒适程度区间。图2为人体以肩关节、肘关节、膝关节和髋关节为轴的4个最主要关节位姿状态下的舒适度区域设定，其中的舒适区域、次舒适区域、不舒适区域已经通过不同颜色深度表示，并且将其得分依次设置为：灰色90分、黑色80分、浅灰色60分。最后，利用统计工具得出船舶管路装配过程中各工位施工人员的舒适度得分，并对施工人员的姿态进行舒适性评价。

表1健康成年人身体主要关节的活动方式和角度变化范围(°)

关节身体部位活动方式最大角度最大活动范围最舒适角度颈关节头至躯干低头、仰头+25～-2550+12～-10左歪、右歪+14～-14280左转、右转+18～-18360腰关节腰部前弯、后弯+69～-17860～20左弯、右弯+50～-501000左转、右转+50～-501000髋关节大腿至臀部外转、内转+45～-45900～+15外摆、内摆+45～-30750前摆、后摆+113～-181310膝关节小腿相对大腿前摆、后摆0～-1351350肩关节上臂至躯干外转、内转+97～-201170外摆、内摆+80～-18980前摆、后摆+170～-60230+40～+90肘关节下臂至上臂弯曲、伸展+140～0145+85～+110外转、内转+160～0160+85～+120腕关节手至前臂外摆、内摆+30～-20500弯曲、伸展+80～-701550

图2中：a)以人体躯干为轴线，以肩关节为轴，向前或向后摆臂的姿态舒适性设定评判；b)以手臂前伸，肘关节为轴，前臂弯曲作业过程中前臂的姿态舒适性设定评判；c)直立状态下，以膝关节为轴，小腿弯曲不同的位姿舒适性设定评判；d)以人体直立状态为轴线，以髋关节为轴，大腿前后摆动不同位姿舒适性设定评判。

图2 虚拟人各主要关节舒适度设定

2.2 施工强度分析

施工强度分析主要分析在施工过程中施工人员动态施力所累积的繁重程度，所分析的动态施力活动包括：抬举、搬运。由于常见的民用货船艉部管系舾装零部件较为复杂，传统机械搬运设备无法正常使用，因而导致许多管路、法兰、管支架和管夹等零件及其附属配件等都需要通过人力搬运。长时间的抬举和搬运动作极其容易造成施工人员腰部和脊椎肌肉的疲劳性损伤，进而导致下背痛(Low Back Pain，LBP)。所以在施工强度分析的过程中，抬举和搬运的强度检验是船舶管路施工强度分析中最重要的组成部分。

本文通过使用NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health)分析施工人员的抬举和搬运动作。NIOSH分析法由美国国家职业安全与卫生研究院(CDC)提出，通过分析施工人员抬举和搬运动作可计算出身体条件正常且健康成年人在一定时间内完成一系列的抬举、搬运动作而不会产生身体疲劳性伤害的推荐负载值[3]IRWL。其计算公式为：

IRWL=ILCIAMICMIDMIFMIHMIVM=23(1-

0.003 2A)ICM(0.82+4.5/D)IFM(25/H)(1-

0.003|V-75|)

公式中的各因子及参数的含义分别见表2、表3。

操作者的操作视野与操作者的姿态相关，立姿、倾姿及蹲姿对操作者的视野影响各不相同，如图3所示。根据人体工程学，人体扭转最大适宜角度为60°，人体的视角范围通常也为60°。因此，在设计船舶仪器面板时应充分考虑到人体的扭转与视角的范围[3]。

表2 IRWL公式中各因子的含义

表3 IRWL代入公式中的参数含义

图3 立姿、倾姿和蹲姿位图(单位：mm)

施工人员作业的可达性与被装配的零部件是否处于基于人体工学的操作范围之内以及施工人员作业的难易程度相关。本文基于斯夸尔斯水平操作可伸及区域和其改进区域，提出了施工人员在装配船舶舾装件过程中上肢的可伸及区域[6]。图4为身高170 cm的健康成年男子的手臂作业区域，其中人体最合理的作业区域为人体肩关节到人体手部的区域(图4中为阴影部分所示)。

图4 斯夸尔斯上肢伸及域(单位：mm)

2.3 可伸及区域分析

通过在工具仿真软件中使用虚拟人，便捷地勾勒出虚拟人上肢的可伸及区域，船舶的生产设计人员可通过在工具仿真软件中检测虚拟的船舶机舱环境中所需的装配零部件与虚拟人可伸及区域的关系，便捷地判断出施工人员在施工过程中作业的可达性，尽可能地使施工人员的装配操作集中在图5所示的阴影处。

图5 带有虚拟人的分析软件中虚拟人上肢可伸及区域

3 船舶管系生产设计中的放样原则

在船舶管系的生产设计过程中，在保证船舶管系有效工作的前提下，应充分考虑操作人员与船员操作的安全性和便捷性。基于人体工程学的操作性思考，在船舶管系的设计过程中应尽可能遵循以下原则。

(1)船舶管系的生产设计过程中，管路及附件布置的位置应保证操作者安全性，同时不应妨碍其他管系、阀件、船舶设备和其附属的拆装、调试设备的操作，如图6所示。为保证船舶整体的安全以及操作人员和船员的安全，在主要通道、检查通道，尤其是安全逃生通道内不可设置阀件。

(2)为保证各个阀件操作与检修的方便性，当两个或多个阀件布置在并列位置时，各个阀件手轮间的最小间距为40 mm；机舱花钢板以下的阀件手轮应在水平方向布置，并且其阀件的手轮在开启状态下，距花钢板的最小距离为30 mm；对于手柄型式的阀门，应尽量避免布置在花钢板下或其他狭窄位置；对于机械处所的应急舱底水吸入阀，阀杆应做适当延伸设计，以使手轮至少高出花钢板上壁450 mm；在生活区的复合棉、绝缘层之内以及天花板内不准布置任何阀门；公用阀门不能布置在船员房间[4]。

(3)在船舶管系的布置中，截止阀手轮位置朝向、球阀安装方向及进出口均可任意，但闸阀开关指示应以便于操作人员和船员的观察为原则；中心型蝶阀的进出口可任意选择，但应保持阀板轴心位置的水平安装以防止杂质进入中心型蝶阀轴的根部。升降式止回阀、举起式止回阀和截止止回阀的安装方向应保证阀杆垂直向上。对于旋启式止回阀的安装，阀瓣与管路轴心线可呈近似90°的安装。减压阀应直立安装在水平管道上振动较小的位置，以保证减压效果同时便于操作。

图6 阀门、旋塞等布置示意图(单位：mm)

(4)对于输送特殊介质的管路系统，安全阀的位置应该远离波动源，与此同时确保泄放出的介质不能伤及操作人员，且不污染周围环境；管路上的安全阀应该与水平面保持垂直；压缩空气管路的安全阀排出管可以直接排向大气；海水、淡水管路的安全阀应该安装于花钢板以上且易于观察的位置，排出管应该就近设置于舱底或甲板上；安全阀的出口管应从上面或者侧面进入集合口管，不可以从下面进入；如果安全阀出口管必须由下向上，则应在安全阀出口管或安全阀空腔引出一根排泄管，并安装截止阀，用于排放积存于管内的残留液体，消除背压[5]。

(5)压力表应该垂直安装于设备和管路附近振动较小且便于观察的位置；如果安装位置的振动无法避免，应为压力表加装减振器；压力阀排气口的朝向应该尽量避开操作者和电气设备；压力表取压点不应布置于管道的弯头、阀门、介质流束为旋涡状态的位置，应布置于介质流束为直线的管段处，且与介质的流动方向保持垂直；测量液体压力时取压点应该选择在管道的下部或侧部，测量气体压力时取压点应选择管道上部。

(6)温度测量仪表设计安装时，其测量点最好位于管路的拐弯处；感温元件应迎着介质流向或者至少与被测介质流向成90°方向，尽量避开热辐射或对感温元件的影响，避开介质感温的死角；感温元件应该全部插入被测介质中。压力式指示温度计安装时，感温元件(温包)与指示部分应该尽可能布置于同一水平高度上，以减少由于液体静压引起的测量误差。水银及其他液体的温度计，应垂直向上安装；如果不可能，则可沿逆流方向与垂直管道中心线成35°或与水平管道中心线成45°安装，但不可向下或水平安装[6]。

4 结语

船舶管路系统构成了船舶机体自身的血管与中枢，这些机体血管与中枢需要船员的操作与维护。同样，这些血管与中枢在船舶建造中也需要工人安装与调试，只有将这些血管与中枢设计在满足合理的人体工程学的范围内，才能为船舶建造人员的施工带来便利，同时也能够满足船员对设备运行功能性、安全性和经济性的需要，为日后的运营维护带来便利。