烘焙工序的安全人机改进与仿真分析

王欣 罗振敏

摘 要：烘焙工序作為常见的生产工序，与我们的生活日常息息相关，安全的工作环境是保障工作效率的前提。为了探究烘焙工序作业可能对人员造成的不安全事故和由于人机不匹配造成的身体损伤和疲劳，以某面包生产工艺流程的烘焙工序作为研究对象，以人机工程仿真软件JACK为工具，建立了符合中国男性身体数据的虚拟作业人员模型和烘焙岗位人机工程仿真模拟，并结合多种工效学分析工具完成了下背部脊柱分析、静态强度预测、工作姿势分析和快速上肢评估，辨别出烘焙工序设计中的缺陷，并根据仿真分析数据，对开关位置、推车高度等方面提出改进意见。结果表明，对烘焙岗位设计过程中进行人机工程虚拟仿真，可有效提高烘焙岗位的舒适度和易操作性;改善了烘焙工序的人机效能，为相关行业、产品或工艺的风险管理和人机匹配提供参考。

关键词：JACK软件;虚拟仿真;烘焙工序;人机工程学

中图分类号：X 931   文献标识码：A   文章编号：1672-7312（2021）01-0069-06

Safety Man-machine Improvement and Simulation

Analysis of Baking Process

WANG Xin1， 2， LUO Zhenmin1， 2， 3

（ 1.College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

2.Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety & Emergency Rescue，

Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

3.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract：As a common production process， the baking process is closely related to our daily life. A safe working environment is the prerequisite for ensuring work efficiency. In order to explore the unsafe accidents that may be caused to personnel by the baking process operations and the physical damage and fatigue caused by the mismatch between man and machine， this article takes the baking process of a bread production process as the research object， and uses the ergonomic simulation software JACK as a tool. Established a virtual worker model in line with Chinese male body data and ergonomic simulation simulation for baking positions， and combined a variety of ergonomic analysis tools to complete lower back spine analysis， static strength prediction， working posture analysis， and rapid upper limb assessment to identify Defects in the design of the baking process， and based on the simulation analysis data， put forward suggestions for improvement in the position of the switch and the height of the cart. The results show that the ergonomic virtual simulation in the design process of the baking post can effectively improve the comfort and ease of operation of the baking post. Improve the man-machine efficiency of the baking process， and provide a reference for risk management and man-machine matching of related industries， products or processes.

Key words：JACK software;virtual simulation; baking process;ergonomics

0 引言

烘焙，又称为烘烤、焙烤，是指在物料燃点之下通过干热的方式使物料脱水变干变硬的过程[1]。作为面包、蛋糕类产品制作不可缺少的工序，烘焙存在着许多安全隐患，尤其是不恰当的人机交互造成的人体损伤和疲劳，严重影响着工人的生命健康、阻碍了行业的良性发展。

国内外学者针对安全人机工程学的理论、技术和应用开展了系统的研究，如20世纪早期，FRANK和LILLIAN GILBRETH对Taylor提出了工业操作效率研究分析（Time and Motion Study），用于优化作业中的步骤并消除一些多余的动作。王玉华[2]等通过建立多因素模型对驾驶作业的疲劳程度进行了总体评价，提出了评价、预防和减轻驾驶疲劳的方法。程东东[3]等結合广义功率理论计算方法与安全可靠性理论，提出安全人机工程学的研究发展方向和安全人机工程学主动设计方法。刘杜明[4]等应用人机功效学原理对驾驶舱进行设计并使用JACK软件对舱内布局设计进行仿真，对舒适性、可达域、可视域等工效进行了评价，并提出修改意见。JA Ross[5]等通过讨论化学、热暴露和体力劳动对工作能力、工伤和健康的影响，进而评估这些因素与风险之间的关系以及对人的神经、肌肉和骨骼系统造成的影响并提出预防措施。André Lusí Tortato Novae[6]等通过以养殖和收获作业的姿态风险分析为例，进行了作业姿势分析，并对如何预防工人肌肉骨骼疾病的方法进行了探讨。苏胜[7]等基于JACK软件对火箭炮乘员舱进行设计仿真与人机工程分析，改善了火箭炮的人机效能。

以上研究促进了对于人机交互的理解，且表明计算机辅助人机仿真人机评价方法已广泛的应用于人机工程评价中来。但是将此技术应用到完整的工艺和岗位进行的研究却很少。为此，笔者利用JACK软件对烘焙岗位进行人机系统安全性模拟仿真，同时采用工效学分析工具对人员动作进行详细的分析，并结合人机交互的相关数据提出相应改进措施。

1 烘焙工序分析的基本流程

烘焙工序人机工程仿真分析，首先需要构建虚拟仿真分析的基础模型，其次利用JACK软件对虚拟仿真模型进行下背部脊柱分析、静态强度预测、工作姿势分析和快速上肢评估，得到现有烘焙工序中的不足，最后对烘焙工序进行改进设计，得到分析流程如图1所示。

2 烘焙工序人机工程虚拟仿真分析

2.1 虚拟作业人员模型构建

JACK通过标准数字人或精准尺寸创建数字人模型，该模型由运动学算法和生物力学算法结合而成[8-10]，能传达给研究人员自己所见到和所接触到的物体，是否感觉舒适、是否会受到伤害、疲劳感受和很多其他的关键人因工程学信息。根据烘焙岗位操作人员的基本情况，本次仿真以GB10000—1988提供的中国成年男性5%～95%百分位数人体尺寸数据为参考[11]。创建身高176 cm、体重77.5 kg腰臀比为0.87的成年男性作为人体研究对象。建立烘焙岗位的操作人员如图2和图3所示。

2.2 虚拟作业环境模型构建

烘焙岗位主要涉及到的工具有烤箱、推车及工作台。利用JACK三维仿真功能模拟烘焙岗位各工具与人体之间的空间位置关系，得到烘焙岗位人机工程虚拟仿真模型如图4所示。

将研究工艺的步骤以动作为单位进行划分，并通过现场了解得到各动作持续时间和负载的数据，见表1。

2.3 JACK任务分析

2.3.1 下背部脊柱分析

下背部脊柱分析工具[12-13]（The Lower Back

Analysis Tool）用来评估在任何姿势和负载条件下，脊髓力作用于虚拟人下背部的情况。通过该工具可以评估并帮助减少工人下背部脊柱的压力，降低损伤风险。通过提供给研究者作用在L4/L5椎体关节上的压缩和剪切力，矢状、外侧和轴向脊柱反应力矩和躯干肌肉活动水平等信息，使研究者充分了解研究对象下背部的受力情况。并将此压力和NIOSH（National Institute for Occupational Safety and Healty）推荐压力极限（3 400 N）进行比较，看是否超出推荐压力极限。

仿真分析烘焙岗位工作人员将发酵好的面包放进烤炉烘焙时背部和脊椎的受力情况如图5和图6所示，脊椎受力为1 000 N，远小于NIOSH标准的推荐压力极限3 400 N（超过3 400 N意味着该动作会增大少部分工作人员的受伤风险），工作人员脊椎受力健康;工作人员韧带受力、肌肉受力和骨间受力在正常范围内，工作人员下背部受力仿真处于健康状态。

2.3.2 静态强度预测

静态强度预测工具[14-15]（Static Strength Prediction Tool）运用人体测量学去评估有多少百分比的人能够保持某种姿势的状态去执行任务。使用静态强度预测工具对烘焙岗位按开关的动作进行静态强度预测，结果如图7所示，Percent Capables表示在这个姿势的强度下能够完成工作的人数百分比为：Wrist（手腕）100%、Elbow（肘部）100%、Shoulder（肩膀）100%、Knee（膝盖）100%、Torso（躯干）100%、Ankle（脚踝）100%，而Hip（臀部）在这种姿势下能做到的人数百分比没有达到100%。

所有图表分析如图8所示。在这种姿势强度下100%的作业人员能完成15项动作，8项有少部分人不能完成：角度值（关节角度）全部都在-180°～180°之间，处于正常范围，其中最大值是膝盖弯曲的角度值，为170°，其他值均小于170°;转矩值（关节转矩）全部在-100～100 N·m之间，处于正常范围，其中肱骨弯曲值较大接近-100 N·m;平均强度图中躯干弯曲值超过400 N·m，表明在这种姿势下躯干处于不健康的状态。

2.3.3 工作姿势分析

工作姿势分析工具[16-17]（Ovako Working Posture Analysis Tool）可以快速查看工作姿势的舒适性，帮助查找并纠正工作姿势中易引起工作人员背部、手臂和腿部不适的因素。

通过工作姿势分析工具，分别对烘焙岗位中的按开关动作和取出面包放在推车上的动作进行姿势评估，评估等级如图9所示，按开关动作和取面包动作评估等级分别为二级和三级。等级二代表该姿势可能会产生有害的影响，但没有必要立即采取纠正措施;等级三代表该姿势有不良影响，必须尽快采取纠正措施。

2.3.4 快速上肢评估

快速上肢评估工具[18-20]（The Rapid Upper Limb Assessment Tool）旨在评估特定姿势或手工作业任务下，工作人员暴露于上肢疾病的风险，评估工作主要包括姿势、肌肉的使用、负载的重量、任务的持续时间和频率。结果表明拿取面包和按开关这两个动作在操作时均会造成工作人员的不适，需要尽快调查改变，见表2。由于按开关动作和拿取面包动作不可避免，所以需要对开关位置和推车设计上进行改进。

3 根据仿真结果给出优化建议

3.1 烘焙岗位布置改进

依据相关作业空间设计基本要求和标准，针对烘焙岗位的分析结果，对烘焙岗位布置进行改进设计，主要改进包括

1）工作姿势分析结果表示在推车上放面包这个姿势对人体有不良影响，结合现有人机工程学标准，要求货架最低层规定高度大于等于350 mm，实际上的推车高度为200 mm，需要适当提高推车最低层高度，减少工作人员弯腰程度，在一定程度上可以避免对人的损伤。

2）由于烘焙岗位开关动作频繁，所以着重使用工效学分析工具分析了开关工作。研究结果表明，由于开关位置的不合理对工作人员造成了一定损伤。结合实际情况通过对开关位置进行重新设计，使所有开关集中在烤箱的一侧，并通过适当提高开关高度，可降低工作人员受到损伤的概率。

3）对烘焙岗位操作工艺进行逐个分析，并结合实际调查情况发现给成型的面包涂抹酱料时，由于酱料桶缺少把手，需要工作人员频繁弯腰并且容易滑落，所以通过在酱料桶处设置把手，可提升了工作人员手持高度，减少工作人员的操作不便和弯腰程度，在一定程度上避免人体损伤。

4）根据现场询问调查发现，烘焙岗位工作人员在烤箱里面拿取面包时，由于所戴手套太短，导致胳膊接触烤炉内壁而烫伤。在改进过程中，可通过增长手套长度，降低烫伤事故的发生概率。

依据改进后的烘焙岗位进行建模，如图10所示。

3.2 改进后人机工程验证

对改进后的烘焙岗位进行人机工程仿真验证，得到结果见表3。结果表明改进设计后的推车、烤箱等的舒适度和易操作性在一定程度上都得到了改善。

4 結论

1）烘焙岗位确实存在人机交互上的问题，如货架的高度和开关的位置不合理造成人员在工作中的身体疲劳和损伤。

2）烘培工序中存在酱料桶容易滑落、使用的手套不合理的问题。建议更换成带把手的酱料桶和长手套，能很大程度上减少对人员的伤害，提高工作效率。

3）改进后的结果显示，此次改进对岗位人机系统安全性的改善效果显著。工效分析报告表明，各个危险指标均有所下降。所得结论可为相关行业、产品或工艺在类似问题的解决方法上提供相应的技术指导。

参考文献：

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（责任编辑：张 江）

收稿日期：

2020-12-12

基金项目：

国家自然科学基金 （51674193）;陕西省自然科学基础研究计划联合基金项目（2019JLM-9）;中国博士后科学基金面上项目（2019M663780）

作者简介：

王 欣（1995—），女，陕西渭南人，硕士研究生，主要从事可燃性气体粉尘爆炸防控方面的研究工作。