动车行李架的人机工程学优化研究

刘已轩 赵亮 渠晓峰 岳云胃 朱彦恺

引言

近年来，我国的轨道交通发展速度十分迅猛，尤以高速铁路、重载铁路、城市轨道交通、磁悬浮交通这四大领域发展最为迅速。表现就是中国轨道交通凭借着方便、快捷、舒适的特性给予用户良好的体验。动车是轨道交通系统中关键的一节，也是乘客经常接触到的轨道交通子系统。动车车厢内部的人机工程设计是否合理，决定了用户的乘坐体验。

系统交互性理论（systematic interactive theory）应用于安全管理的研究，指通过对和谐理论、系统科学、复杂性科学、行为科学、管理科学及安全科学的整合及拓展.将系统的交互性、复杂性、和谐性及系统安全性统一起来，建立起具有整体陸质的复杂社会技术系统安全防御理论体系，寓事故预防于组织管理活动之中。车厢的内部人机工程设计的焦点是协调人机一环境这三者之间的关系。动车行李架作为动车车厢内部重要组成部分，具有存放旅客行李的功能，为了满足旅客的需求，我们以人机工程学理论为基础兼顾系统交互性理论对行李架进行优化，在保证安全性的前提下给予用户更好的使用体验。

一、动车行李架人机分析

（一）行李架人机工程设计理念

动车行李架作为动车内部的重要功能设施，其人-机-环境的系统工程设计是行李架设计的重要组成部分。荷兰人机王程学专家Hendrick H.W.认为，”人-机-环境”系统设计包括5个可识別的子部件：1.人-机-界面技术或硬件人体工程学设计;2.人-环境界面技术或环境人体工程学设计;3.人-软件界面技术或认知人体工程学设计;4.人-工作界面技术或工作人体工程学设计;5.人-组织界面技术或宏观人体工程学设计。而我们的动车行李架的人机工程设计的优化方向主要在硬件人体工程学设计、环境人体工程学设计、宏观人体工程学设计3个子部件之上。

文献认为车厢的硬件人体工程学设计主要指其内部的相应设备和操作人员之间的相互作用功能区域，环境人体工程学上的设计以工程环境的舒适性为方向，具体表现在车内振动、声音屏蔽、噪声等方面，宏观人体工程学的设计则以动车运营的经济性作为主要的准则，具体表现在内部坐席和服务设施的布置。简单概括这三个子部件的焦点就是“以功能性为第一准则的设计、以舒适性为第一准则的设计、以经济性为第一准则的设计”。

（二）行李架人机尺寸及现有市场内行李箱尺寸的概述

文献指出，动车行李架由弧形板模块、行李架托板模块、空调格栅模块、行李架支撑模块组成。经过对动车车厢内部的实地调研与测量，我们认为影响行李架人机工程设计的关键尺寸有“行李架托板模块底部至地面之间的距离”、“行李架托板模块顶部至车厢顶部的距离”、“行李架托板模块自身的延伸宽度”。以上三个尺寸设计是否合理决定着旅客是否能够方便地入座，是否能够满足旅客放置行李的需求，是否使得旅客能够方便地取放行李（如表1）。

经过分析，我们认为“行李架托板模块底部至地面之间的距离”在1650mm-1770mm，“行李架托板模块顶部至车厢顶部的距离”范围为350mm-500mm，“行李架托板模块自身的延伸宽度”范围在400mm.680mm之间。

（三）行李架的用户使用体验调查研究

此次调研的目的是了解用户们使用动车行李架时的体验，我们以实地问卷调查与网络问卷调查相结合的方式，针对用户的身体数据（身高、性别）、对于行李架的性能期望、使用行李架时的体验来进行数据的收集与调查。

在（如表2）中“对于行李架空间是否充足的体验数据收集”项目里，选择合理选项的人数分布为58，得出了“在样本内现有的行李架空间能满足大部分用户需求”这一结论。但是选择偏大与偏小选项的共有49人，这也表明了现有行李架的空间仍然不能满足相当一部分人的需求。

在（如表2）中“对于行李架高度设置的感受的数据收集”项目里，选择合理选项的人数分布为67，得出了“在样本内现有的行李架设置高度可以满足人们的需求”这一结论。但是从（如表2）中我们发现，偏高选项的人数分布为37，这就表明了对于相当一部分人来说现有行李架不能满足他们的需求。

依据文章所提出的行李架人机工程設计的关键尺寸（行李架托板模块底部至地面之间的距离、行李架托板模块顶部至车厢顶部的距离、行李架托板模块自身的延伸宽度）结合（如表2）得出“行李架的容积由行李架托板模块至车厢顶部的距离行李架托板模块自身延伸宽度、车厢内部总长度共同决定”这一结论。

根据（如图7）我们可以发现，行李架托板模块至地面之间的距离为1750mm，而依据国家标准GB10000-1988的数据显示1750mm这个高度高于男性身高的第50个百分位数据，低于男性身高的第90个百分位数据（1775mm）所以现有的行李架托板模块至地面的距离可以保证大多数人顺利完成起身、入座的动作。

同样依据（如图7），我们可以发现行李架托板模块自身的延伸宽度为380mm，行李架托板模块顶部至车厢顶部的距离为450mm。结合文章所列出的行李箱尺寸，我们发现该行李架的自身延伸宽度只能满足尺寸在24寸以下行李箱的要求。所以在该尺寸项目下，CRH1的行李架略显不足。

CRH1车型的行李架托板模块至车厢顶部的距离为500mm，可以满足所有的行李箱的厚度需求。

二动车行李架优化设计

（一）动车行李架设计原则

动车行李架布局中，主要考虑用户的身体尺寸和操作习惯等因素。根据人的四肢运动范围和人体尺寸数据来进行动车行李架设计。所以我们提出以下设计原则：

1.可达域原则：保证用户使用行李架时所有的动作都能够在正常人手可达区域内完成。

2.静态强度原则：确保用户能够以合适的姿势来使用动车行李架。减少因为使用姿势不当而造成健康受损的概率。

3.安全性原则：动车行李架本身结构设计能够承受行李箱的重量，同时确保行李箱能够稳固地放置在行李架上。

“人”的因素是指根据人的生理、心理等因素，分別将操作按键布置在人使用舒适、合理的范围内。操作者作业时肢体运动路线最短、最舒适、效率和准确性最高的作业范围称为最佳作业范围。同样，动车行李架设计很大程度上也得参考这条准则。因此在新的设计方案中我们以国家标准GB10000-1988为基礎，选取女性身高第5个百分位的数据作为最小、参考样本，男性身高第95个百分位的数据作为最大参考样本。

（二）行李架优化方案

基于CRH1型动车的行李架（如图8），我们将以人机工程学为理论依托，根据我们所提出的可达域原则、静态姿势强度原则，安全性原则来进行优化设计。

1.优化目标：在保证身高处于高百分位数的人群可以在车厢内活动自如的前提下，让身高处于低百分位数的旅客可以较为方便地取放行李。因此，我们认为应当重新设计行李架的尺寸。

依据物理学的公理，在有力的支撑点的环境下举起重物要比没有力的支撑点的环境下举起重物要简单、轻便。所以在优化设计方案中我们将设置力的支撑点。

2.优化措施：

（1）重新选取动车行李架尺寸范围，行李架托板模块底部至地面之间的距离为1.67m、行李架托板模块顶部至车厢顶部的距离为0.527m、行李架托板模块自身的延伸宽度0.56m（如图9）。

（2）增加翻盖，并对铰链结构进行结构补强。该设计既能够给乘客提供一个用力支撑点使乘客能够更方便地完成取放动作，也能够防止行李滑出行李架造成人员受伤（如图10）。

3.优化措施的意义阐述：只是重新设计行李架的尺寸不能够完全满足所有人的需求。行李架高度过低则使得身高处于高百分位的旅客活动受限，过高则使得身高处于低百分位的旅客不能方便地取放行李。因此我们参考了滑梯的结构，在保证行李架尺寸能满足大多数旅客使用需求的前提下增加翻盖。通过翻盖，身高处在低百分位的旅客可以方便地将行李推入行李架中，同时也不影响身高处于高百分位的旅客在车厢内的活动。

（三）改进后动车行李架评估

1.Jack软件介绍

Jack是由美国宾夕法尼亚大学开发的人机功效分析软件，可用于构建仿真环境（虚拟世界），并通过强大的图形环境与之发生交互。Jack的基本功能包括虚拟环境构建、虚拟人体构建、人体尺寸定义、虚拟环境中人体定位、虚拟人物指派和虚拟人感觉评价。

2评价分析过程

评价分析过程主要是以下阶段：

（1）在3DMAX2018中设计创建动车行李架的模型;

（2）将模型导入到Jack7.0软件中进行适当的调整;

（3）以国家标准GB10000-1988为标准，在Jack软件中构建P5的女性人体模型和P95的男性人体模型;

（4）调整以实现动车行李架模型和人体模型的匹配;

（5）运用Jack软件的可达域分析检测工具及静态强度分析王具来对建立的人体模型进行分析，对于不符合要求的地方，重新返回3DMAX2018中设计模型直至符合要求;

（6）记录可达域球体与动车行李架的相对位置，完成评价。

3.动车行李架的评价分析

在人机工程学评价系统中，常用的人机评价类型有视力和扭矩分析、舒适度分析、姿势分析、可及范围、疲劳和恢复、手动操作局限分析等。文章针对动车行李架特点，考虑到操作的方便性及舒适性，主要实现了可达域分析、静态强度分析，验证了优化后的动车行李架设计的合理性。

（1）可达域分析

可达域的衡量标准是以合格与不合格体现，可达域的合格性指人体与产品“装配”定位后在满足舒适度的前提下，受、组可否触及产品上特定部分，并实现预定操纵。

Jack软件中的可达域是以手腕关节的最大运动范围来确定的，因此我们通过建立手腕牵扯肘关节及肩关节所完成动作的可达域球体来验证旅客是否够得着行李架。

将环境模型导入Jack，创建P5的女性人体模型和P95的男性人体模型（以GB10000-1988为参考），设置好人物的位置及取放行李的动作并生成可达域球体。

经过Jack的模拟，我们发现P5的女性人体模型和P95的男性人体模型的映射可达域球体包含行李架的底板模块，这说明大多数人都可以方便地取放行李。所以动车行李架高度符合可达域要求。结果（如图11、12）所示。

（2）静态强度分析

静态强度预测（Static Strength Prediction）工具可以从动力学的角度评估有多少百分比的人能够保持任务中的某一姿势进行工作，还可以利用Jack中的特定姿势、人体测量学工具、对手附加压力来计算特定姿势下受到的扭矩。

静态强度是否在合理区间内是通过检测人们的工作姿势是否合理来判定的，而我们希望在能够从行李架上取放物品的前提下，保证用户能够以更舒适的动作完成这一目标。

将环境模型导入Jack，创建P5的女性人体模型和P95的男性人体模型（以GB10000-1988为参考），设置好人物的位置及取放行李的动作，然后开始静态强度分析。

结果表明在该动作下，P5的女性人体模型和P95的男性人体模型的腕关节（Wrist）、肘部（Elbow）、肩部（shoulder）、躯干（Torso）、臀部（Hip）、膝（Knee）、踝（Ankle）的受力强度数据均为正常。经过验证，大多数人在完成该动作时的静态强度处于一个合理的区间范围内。结果（如图13、14）所示。

结论

为了提高旅客对动车行李架的操作舒适性，更好地满足大多数旅客的使用需求.将人机工程学运用在动车行李架的优化设计中，从行李架的尺寸、改进行李架模块布局和人体尺度分析等方面进行讨论和优化，以CRH1型动车的行李架为基础进行优化和改进，并用Jack软件进行可达域和静态强度分析，验证了改进后设计的合理性。