基于JACK的机务人员上肢职业性损伤的仿真与评估*

孙瑞山，魏家兴，陈 毅

(中国民航大学 民航安全科学研究所，天津 300300)

0 引言

查阅相关文献和调查发现，航空机务人员职业性肌肉骨骼损伤情况普遍，刘健等[1]对某部队650例机务人员健康状况调查结果显示，患病率高达41.2%；李晅等[2]的研究指出，由于工作需要，机务人员工作强度大，工作时间长，且受机型的限制，工作时经常处于屈膝、跪立、弯腰、低头或仰头等特殊体位，易造成肌肉、关节受损，出现疼痛甚至骨骼病变等情况。

职业性肌肉骨骼损伤[3](Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)的工效学危害因素有：1)高强度作用力；2)长期持续负荷接触；3)过度重复用力；4)强烈的姿势要求；5)强烈或长时间肌肉紧张；6)不利作业环境和心理负荷；7)不良的工作(劳动)组织[4]。影响职业性肌肉骨骼损伤的总体程度取决于以上危害因素的负荷水平。考虑机务人员工作特点有：1)体力负荷大；2)姿势负荷大；3)夜班执勤和倒班；4)工作环境恶劣；5)心理压力大；6)工作程序规范化。经过对125名机务人员的《民航机务人员肌肉骨骼疾患调查表》结果分析，搬运重物、工作负荷过大，工作中长时间和频繁保持仰头、弯腰、举手姿势，以及工作时间长、不能得到足够有效的休息均是WMSDs发生的影响因素。

当前，对于职业性肌肉骨骼损伤的判定一是通过主观量表，如杨磊等[5]发表的肌肉骨骼疾患调查表；二是通过体检等医疗设备诊断，Vinstrup等[6]采用生物力学测量技术将职业性肌肉骨骼损伤进行量化，以此减少人员受伤风险。

JACK软件是1款成熟的人体建模仿真与人机工效评价软件且应用广泛，目前，国外在该领域一是用于对比研究检验人体数字模型(DHM)与人体实际实验数据之间的差异[7]；二是进行职业性肌肉骨骼关节处压力分析[8]以及工效学分析与设计[9]。国内也有学者利用JACK软件进行维修任务仿真，并通过任务分析工具对其进行工作负荷评估、工效学分析[10]等。但是，采用JACK软件对机务人员维修过程进行仿真并通过任务分析工具对人员上肢职业性损伤评估的研究较少。

本文基于仿真技术，以JACK软件为支撑，从作业姿势、肌肉负载和暴露时间3个方面对机务人员职业性上肢肌肉骨骼损伤进行风险评估，并以A330飞机六号肋改装作业任务为例，演示完整的机务人员上肢职业性损伤的评估过程。

1 研究方法与工具

1.1 上肢职业性肌肉骨骼损伤评价方法

为了对机务人员进行上肢职业性损伤的评估，考虑工效学危害因素以及机务工作特点，选取作业姿势、肌肉负载和暴露时间3个维度进行评估，其中，各维度的评价方法如下所示。

不良作业姿势可造成过量的肌肉负荷和关节压力，因此选用工作姿势分析(OWAS)[11]和能耗预测分析工具(MEE)[12]对机务人员作业姿势造成的损伤进行分析。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程度。与其他工作姿势评价方法相比，考虑姿势的暴露时间，可以评估静态姿势，也可以评估动态姿势，因此，OWAS更适合于计算机辅助的工作姿势研究，以便于实现自动化。MEE旨在计算人体总代谢能量包括动作代谢能量和姿势代谢能量，可为工作姿势的评估提供参考。

针对肌肉负载和暴露时间，可以采用快速上肢动作分析工具(RULA)，对于1个给定的手工化任务，RULA能够基于人体肌肉的使用、负载情况、任务的暴露时间和频率来评价上肢动作的危险性。

综上所述，作业姿势、肌肉负载和暴露时间是导致机务人员上肢职业性肌肉骨骼疾患的主要原因，针对3个原因，本文选取工作姿势分析、能量消耗分析、快速上肢分析进行评价。

1.2 JACK仿真软件

JACK软件提供准确的人体生物力学模型，模型包含运动学算法和生物力学算法，其中包含三维仿真、数字人体建模、人因工效分析等功能。

TAT是JACK软件中最重要的分析工具，包含十大人因分析工具，这些工具可以分析出特定工作环境下数字人的人因状况[13]。TAT工具主要依据美国国家安全与健康协会(National Institute for Occupational Safety And Health,NIOSH)发布的手工提升工作实际指导开发的分析程序[14]。NIOSH为职业安全与健康OSHA提供技术协助，为OSHA推荐标准进行科学研究并提出建议，以预防职业病及工伤。

2 仿真设计

2.1 仿真分析流程

利用JACK软件进行机务人员上肢职业性肌肉骨骼损伤仿真分析评估，需完成以下流程：首先，对维修场景进行建模，包括对数字人建模和实物建模，实物建模采用CATIA软件完成之后导入JACK软件；其次，进行维修作业动态仿真，包括维修任务分解、动作分解、TSB动态仿真；最后，运用TAT分析工具进行机务人员上肢职业性损伤分析评估。具体的流程，如图1所示。

图1 仿真分析流程Fig.1 Procedure of simulation analysis

2.2 模型搭建

本文以A330飞机六号肋改装作业任务为例，对其进行静态建模与动态仿真。A330六号肋位于机翼大梁与起落架连接部位，是飞机大翼的主要承力部件，承载起落架的全部载荷。此部分工作主要分为2部分，第1部分为起落架的拆除任务；第2部分测量六号肋前接耳厚度。

起落架拆除工作又可以分为拆除斜撑万向销、起落架附近液压管路、后PIN大螺帽、安装抱箍以及移除起落架等子任务。六号肋改装作业包含多个重复进行的对主起落架肋前接耳厚度、接耳孔腔直径的测量工作，以及需要使用工装对主起落架前接耳进行切削、倒角并安装衬套。

六号肋改装作业静态仿真场景在进行作业任务的人因仿真分析时，作业人员、作业工具、作业对象构成整个作业场景，为了提高仿真的准确性、真实性，作业场景中所涉及到的实体模型应该按照真实形状尺寸进行建模，并按照实际工作场景中的相对位置关系进行布置。

机务维修场景中包括飞机主体构件、维修车间、维修工具以及数字人等实体。数字人身高为176 cm，体重为78 kg。针对改装工作场景，建立游标卡尺、螺旋测微器、脚手架、镗孔工装等所需工具的实体模型。根据调研过程中机务人员实际起落架移除工作场景，建立A330的起落架实体模型和起落架与六号肋连接部分的主要连接部件，以及工作过程中所用到的起落架托架实体模型，最终建立的六号肋改装作业仿真场景，如图2所示。

图2 六号肋改装作业静态仿真场景Fig.2 Static simulation scene of No.6 rib modification operation

2.3 TSB仿真

根据六号肋改装作业工卡，选取接近作业中的起落架拆除子任务和改装作业中的测量六号肋前接耳厚度子任务进行TSB动态仿真。结合维修作业基本动素对2个子任务作业动作分解，分解结果如表1所示。根据作业动素[15]，在JACK软件TSB中生成连贯仿真维修动作，然后对特定空间内的限制动作进行细微调整以符合机务人员在狭窄起落架舱内工作场景，并最终得到2个工作任务的仿真场景，TSB动态仿真结果如图3～4所示。

表1 A330六号肋改装作业部分任务动作分解Table 1 Action decomposition of partial tasks in modification operation of A330 No.6 rib

表1(续)

图3 拆除后PIN任务TSB仿真场景Fig.3 TSB simulation scene of PIN task after removal

图4 测量前接耳尺寸TSB仿真场景Fig.4 TSB simulation scene for measuring front lug size

3 上肢职业性肌肉骨骼损伤的评估

3.1 作业姿势分析结果

完整六号肋改装作业需要202个工时，其中，机务人员测量前后接耳时需要长时间保持仰头和伸臂动作，OWAS工具中工作姿势的等级会显示在对话框中，其中，4个级别对应的“纠正需求”，如表2所示。

表2 OWAS工作姿势等级含义Table 2 Meanings of OWAS work posture levels

如图5所示，在使用螺旋测微器测量前接耳厚度时，机务人员的作业姿势“纠正需求”等级为3级，该等级意味着此作业姿势对于作业人员的肌肉骨骼有不良影响，应尽快纠正。

图5 工作姿势分析结果Fig.5 Results of work posture analysis

对机务人员起落架移除工作中进行TSB仿真分析时发现，在拆除后PIN时作业人员能耗预测超出[NIOSH]的限定值，MEE中包括对作业人员保持姿势消耗的能量分析，对工作姿势的评估提供参考，依照表1将起落架拆除后PIN工作分为10个子任务，每个任务能量消耗预测，如图6所示。同时，NIOSH对于该仿真给定的标准消耗为378.285 3 J/s，而该任务能耗预测为433.302 2 J/s，显然超过限定值，表明保持姿势消耗的能量和执行任务消耗的能量超过界限，造成超过界限的原因除了不适的作业姿势，也有可能为任务负重过大，此处是对作业姿势的评判提供参考。

图6 能量消耗分析结果Fig.6 Results of energy consumption analysis

3.2 肌肉负载与暴露时间分析结果

RULA系统检测适用于手臂和躯干部位，A组由上臂、前臂、腕关节组成，B组由颈部、躯干、腿部组成。另外输入值与肌肉上附加载荷有关。所有因素综合评级给出最后评分(1～8分)，评分为4级，具体如表3所示。

表3 RULA结果等级含义Table 3 Meanings of RULA results levels

通过快速上肢分析，对于测量前后接耳尺寸时身体各部位肌肉负载和暴露时间的结果分析，如图7所示。由图7可知，身体A组评价：上臂姿势评级5分，下臂姿势评级3分，手腕和手腕扭转评级2分，肌肉使用主要是静态且暴露时间超过1 min，属于小于2 kg的间歇性负荷，综合评分8分，属于4级操作；身体B组评价：颈部5分，躯干1分，肌肉使用主要是静态且暴露时间超过1分钟，属于小于2 kg的间歇性负荷，综合评分8分，属于4级操作；腿部和脚部评价：腿和脚部支撑良好，重量均匀。综上所述，单次测量工作超过1 min的动作上臂和颈部姿势不适度评级较高，上肢动作不适度评分为7分，属于4级操作，存在肌肉骨骼损伤风险，需要立即整改。

图7 快速上肢分析结果Fig.7 Results of rapid upper limb analysis

3.3 机务人员上肢职业性损伤的评估

进行机务人员上肢职业性损伤评估，本文将A330六号肋改装作业分为拆除起落架和改装测量接耳2部分，形成TSB仿真动画。

从作业姿势结果分析，在使用螺旋测微器测量前接耳厚度时，机务人员作业姿势有不良影响，有造成肌肉骨骼损伤的隐患，应尽快纠正；在移除起落架拆除后PIN工作中，能量消耗预测分析超过限定值，由于作业姿势不佳和任务负重大引起，有造成肌肉骨骼损伤的隐患；对于机务人员肌肉负载和暴露时间分析发现上肢的评判等级较高，造成肌肉骨骼损伤可能性较高，建议整改。

综上所述，以A330六号肋改装作业为例，从作业姿势、肌肉负载、暴露时间3个方面进行机务人员上肢职业性损伤评价，该维修过程中机务人员存在严重的上肢职业性肌肉骨骼损伤隐患。

4 结论

1)针对机务人员维修过程中职业性损伤情况严重和普遍的问题，选取作业姿势、肌肉负载、暴露时间3个维度，应用JACK软件的TAT人因分析工具进行上肢职业性肌肉骨骼损伤的评估。结合A330六号肋改装作业为实例，基于JACK软件中的作业姿势分析、能量消耗分析、快速上肢分析对机务人员上肢职业性损伤进行评估。研究结果表明：六号肋改装作业中存在作业姿势不适，肌肉负载和暴露时间不合理，改装作业中存在严重的上肢职业性肌肉骨骼损伤的隐患。

2)本文提出人因仿真方法进行机务人员职业性肌肉骨骼损伤评估，可克服以往对工作流程中肌肉骨骼损伤分析时存在的可操作性差、主观性强、分析过程复杂困难以及分析结果准确性较差的问题。