基于Jack虚拟仿真技术的校园床位设施优化设计

王平凯　钟岭

中图分类号：TS664 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）09-0157-02

1 Jack 虚拟仿真技术概述

Simens Jack是西门子工业软件有限公司旗下的一款人因工程分析软件。目前该软件已成为集三维仿真、数字人体建模、人因功效分析等主要功能于一体的高端仿真软件。Jack虚拟仿真软件能够对人机交互行为进行动态可视化，通过导入用户创建的三维模型，构建仿真环境。其还能引入具有生物力学特性的三维人体模型，给数字人指派动作任务，通过数字人行为仿真分析以获取所需的研究信息。数字人建模技术是Jack 虚拟仿真软件中的关键技术，主要优势在于其十分灵活、逼真的三维人体仿真行为，包含详细的三维人体模型，特别是手、脊柱、肩等部位的模型。同时，Jack 虚拟仿真软件的人机分析工具和评价方法全面且适用范围广泛，包括下背部受力分析、静态强度分析、工作姿势分析等工具。

2 校园床位设施设计现状

床位设施作为校园设施中重要的一部分，是学生日常生活的主要场所。随着我国的教育事业蓬勃发展，高校在校学生人数由1978年的86万发展到如今的3833多万。然而与大幅度增长的在校生人数以及寝室数量相比，学生寝室在居住环境方面的改善却相当有限，虽然寝室宿舍在居住面积以及居住人数上已经有了相应的改善，但是对于寝室设施建设的布局、床位设施的设计等方面还存在很多问题。

国外对学生宿舍的相关研究较早，美国著名的校园规划专家、大学规划学会创始人理查德· 道贝尔在二十世纪先后著述了多部关于校园规划与设计的著作。总结了世界各国大学校园的建设经验，提出了对这些设施的设计准则，详细闡述了这些建筑的类型，尤其是和大学生居住生活相关的设施。我国国内学者对学生公寓的研究也取得一定成果，黄艳芳对大学生宿舍居室合理的设计模式进行探讨，提出大学生宿舍的建设标准，张玉洁提出了学生公寓设计要以人为本，以学生的生活需求为设计原则，合理配置公寓的功能结构等。

3 基于Jack 虚拟仿真技术的校园床位设施优化设计流程

3.1 建立虚拟仿真分析环境

虚拟仿真环境的构建是校园床位设施人机舒适性分析的基础，其中数字人模型与床位设施模型是仿真环境的组成要素。为了使研究能够更加具备普适性，虚拟环境中的动作主体确定为CHINESE 数据库中第50百分位的人体尺寸的数字人模型，建立后检查其形态是否存在比例异常等现象，并进行适当调整。校园床位设施的三维模型使用Catia软件进行建立，其参数设置均为实际测量所得。模型建立完成之后，保存为通用格式“igs.”文件，用“Import”命令将外部的“igs.”格式的模型导入到Jack软件中，导入时要注意比例大小和坐标系的转换，建立虚拟仿真分析环境。

3.2 分析校园床位设施的舒适性

首先在初步建立的仿真环境中进行人机舒适性分析。根据学生对于床位设施的实际使用情况，确定爬梯动作为主要姿态，文章以第50 百分位数字人为例，选择静态强度分析和工作姿势分析对学生爬梯姿态进行研究。

3.2.1 静态强度分析

[Static Strength Prediction]（静态强度分析）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。通过对爬梯姿态进行细致观察和详细记录后，确定完成爬梯动作共需要六个步骤，在仿真环境中调整数字人的关节姿势，逐一还原爬梯动作，并对每一步动作依次进行静态强度分析。

第一步动作分析：数字人高举双臂抓握上部栏杆。如图1为

静态强度分析直方图和静态强度评估图表。静态强度分析直方图表示在完成该任务的情况下，能够承受每个关节上肌肉受力的男性（或者女性）百分比，从图中可知各关节完成百分数为100%，在此动作下各个指标都接近100%，说明该动作舒适度良好。

第二步动作分析：抬起左脚踩踏在第一阶梯上。此时静态强度分析直方图中手腕、肘、肩膀、躯干、臀部、膝盖、脚踝动作完成百分数为100%，静态强度评估图表中各参数均在正常范围内，说明该动作舒适度良好。

第三步动作分析：抬起右脚踩踏在第二阶梯上，身体发生一定程度的弯曲。此时静态强度分析直方图中手腕、肘、肩膀、躯干、脚踝动作完成百分数为100%，臀部、膝盖的动作完成过程中出现了轻微的不适，静态强度评估图表中Torque Value和Mean Strengths参数开始发生变化，说明该动作完成过程中有少数人感觉吃力。

第四步动作分析：高抬左脚，左小腿与膝盖到达床铺位置。此时静态强度分析直方图中，手腕、肘、肩膀、躯干、动作完成百分数为100%，臀部、脚踝动作在完成时会有少数人产生不适，但在完成膝盖的动作时，百分数不足50%，会有大部分人感到疲劳。同时，静态强度评估图表中左膝盖的力矩已经超过100Nm。说明在完成此动作时，局部部位会产生较严重的不适感。

第五步动作分析：高抬右脚，右小腿与膝盖到达床铺位置。此时静态强度分析直方图中手腕、肘、肩膀、躯干、动作完成百分数为100%，臀部、膝盖、脚踝动作在完成时会有少数人产生不适。说明在完成此动作时，局部部位会产生一些不适感。

3.2.2 工作姿势分析

[Ovako Working Posture Analysis]（工作姿势分析）简称[OWAS]，可以快速检查工作姿势，评价基于背部、手臂和腿负载要求的工作姿势的不适度。

对于指定的姿态，[OWAS] 工具制定了背部、手臂的评分，腿的位置及负荷要求。这些评分及工作姿势的“纠正需求”等级显示在一个对话框中，[OWAS] 将工作姿态需要改进的紧迫程度、工作姿态疲劳等级按1～4进行划分。四个级别如下：（1） 级别1（AC1）：姿势是正常的，没有纠正的必要;（2） 级别2（AC2）：姿势可能有一定的不良影响，虽不需要立即采取行动，但也应近期调整;（3） 级别3（AC3）：姿势有不良影响，应尽快纠正;（4） 级别4（AC4）：姿势有害，必须立即纠正。

对第一步动作进行分析：如图2，得出结果数据为“2321”，对照评分及工作姿势的“纠正需求”等级对话框，对应背部、手臂、腿部、重量与施力的数值，即得到级别2（AC2）：姿势可能有一定的不良影响，虽不需要立即采取行动，但也应近期调整。

对爬梯动作依次进行工作姿势分析，其OWAS 级别分别为：级别1（AC1）、级别2（AC2）、级别1（AC1）、级别2（AC2）、级别3（AC3）。

通过对学生爬梯动作的仿真和校园床位设施的舒适性分析，发现爬梯动作存在的不合理性：爬梯角度垂直，虽然能够节省所占用空间，但对于使用者而言爬梯过程费力，舒适性差，极易造成人体产生疲劳和不适，不符合人因工程学理论。鉴于此，对现有的床位设施展开优化设计。

3.3 提出校园床位设施优化设计策略

经过上述分析，对当前床位设施提出优化设计策略方案。如图3 所示，模型改善了爬梯过程中的爬梯角度，设置了可收放的爬梯;为降低在爬梯过程中双脚的不适感受，改善后的模型将脚踏板加宽且可转动收纳，增加脚踏面积且节省空间。爬梯下部增加了可转动横杆，在对应下铺床架处增加固定卡槽。使用时，将可转动横杆向上转动90°，固定在下铺床架的卡槽上，梯子自动倾斜，可脚踩踏板上床;不使用时，将横杆竖直放下，梯子自动回落，靠于原爬梯上，同时将踏板翻转90°垂直放置。

将优化设计后的床位设施三维模型文件导入Jack 软件中，同时建立第50百分位的虚拟数字人模型，创建新的虚拟仿真環境。通过再次利用[Static Strength Prediction]和[Ovako WorkingPosture Analysis]工具进行舒适性分析发现，数字人在优化设计后的床位设施上完成爬梯动作时，各项参数均在正常范围内，能够达到人机工程学要求，降低了使用者的身体疲劳感。

4 结语

基于校园床位设施的实际情况，文章对现有设施进行仿真分析，探究更为合理舒适的床位设施设计，通过初步模拟仿真，发现设施的不合理处，进而在原有床位设施基础上展开优化设计。优化后的校园床位设施提高了学生的使用舒适性，符合人机工程学要求。由于实际环境条件的制约，优化设计后的床位设施尚未达到完全理想的状态，其舒适性和宜人性仍存在上升空间，在后续的研究中将继续进行深入地优化设计，为校园设施设计提供理论参考。