基于JACK 的电力机车司机室操纵界面改进设计

范沁红，江星辰

（太原科技大学机械工程学院，山西太原 030000）

0 引言

随着科学技术的进步，轨道交通生产制造行业对运载工具的性能要求逐渐向运载工具的舒适性等要求倾斜。宽轨电力机车司机工作时一般采取坐姿进行作业活动，这通常比站姿对脊柱产生更多的负荷[1]。当坐姿时间延长时，下背部疼痛（Lower Back Pain）的相对风险更高[2]，这也是造成越来越多的司机患上职业病的主要原因。大部分交通事故是由于人的误操作所造成的，只有充分了解人与机器的交互行为，分析人机交互界面的特性，才能更好地避免事故的发生。虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关学科科学技术生成与一定范围真实环境在视听触感等方面高度近似的数字化环境。JACK 软件是西门子公司的一款人因工程分析软件，经过十几年研究改进，已成为目前公认较为全面的人机工效评估软件[3]。通过虚拟仿真分析司机在驾驶操作过程中的交互行为，了解并掌握目前司机室布局设计的宜人性、舒适性、可用性等的水平，进而提出改进建议，可以进一步为提高生产及工作效率打下坚实的基础。因此，对电力机车司机室进行人机工效分析是提高司机舒适性、安全性及工作效率的关键一步。

学校为展示自身风采，越来越重视宣传，需要一种更为直接的方式宣传自己。虚拟现实技术应用于学校，就是虚拟校园，能够全方位地展示学校的各种软硬件环境[1]。校内教学楼、宿舍楼、食堂及实验楼等公共设施众多，有了三维虚拟校园，新生在入学前就可以全面的了解校园的布局，交互式的查询，可以了解校园的所有信息，为尽快地适应学习生活提供方便；三维虚拟校园不只是对现实校园建筑形状、地理形态的仿真，而是对整个校园及其社会活动和经济活动在网络上的真实再现[2]。

1 司机室人机交互界面分析

以电力机车司机室为例，操纵台元器件布局如图1 所示。司机在进行行驶作业时，需要手眼并用，这不仅能体现操纵人员的熟练度，而且也能验证操纵界面的易用性及安全性，一旦出现视线受阻、操作人员失误等情况，将极大地降低工作效率甚至造成现场事故。因此，从操纵人员和操纵装置出发，分析司机室人机交互界面如图2 所示。

图1 司机室操纵台元器件布局

图2 司机室人机交互界面分析

目前国内外已有学者对此展开了相关研究，针对拖拉机驾驶室，杨秀芳等[4]在CREO 中创建了拖拉机模型，将其导入到JACK 软件中进行人机工程学分析。程琳等[5]利用JACK软件改善了消防救援车中使用频次较高的操作设备在整车中的布置。周艾等[6]依据人机工程学原理，采用JACK 软件进行工业搬运车作业环境分析及设计优化。刘力卓等[7]利用JACK 软件对远程监控操纵台建模仿真，以此提高远程监控操作员的工作舒适度。兰永霞等[8]通过JACK 软件验证了高速列车司机室布置方案的合理性。陈登凯等[9]利用JACK 软件对载人潜水器载人舱观察窗布局进行仿真分析。钟文杰等[10]通过CATIA 软件平台建立了拖拉机的人机系统模型，并进行了人机工程学仿真分析。李前进等[11]以JACK 软件为工具进行了人机工程仿真分析，并以分析结果指导样机设计和生产。苏珂等[12]利用JACK软件重新确定驾驶员H 点的位置，并对驾驶室进行改进设计。王建伟等[13]用Rhino 软件建模结合JACK 软件研究驾驶室内的空间布局并进行评价。Maradei 等[14]通过改变坐垫的角度，确定卡车司机理想的坐姿，同时在腰椎负荷较低和感觉不适之间达到最佳平衡。

杂文不能与时文站在一个角度，去一味地忍着伤痛去歌颂、哪怕看到了黑暗却要心怀善意地不闻不问。也许，时文的责任就在于从广义的角度，看待生活中的美好；而杂文的义务，却是从微观的层面，去关照生活，为读者开辟指明一条不同于时文的思路，试着与读者一起来分析事物的来龙去脉，以期形成独立思考的习惯。

2 仿真流程

由于手动气压阀布置位置不当，导致第5 百分位及第95 百分位数字人在姿态下的评估得分均为2。该姿态会对肌肉骨骼系统造成伤害，有必要采取措施进行干预。

由图6 可以看出，第95 百分位数字人可达域最大轮廓线可以接触到操纵界面元器件，但是第5 百分位数字人可达域最大轮廓线接触不到扳键开关组和手动气压阀。

图3 仿真流程

《万壑松风图》（图2）描绘的对象主要是松树、石头、溪流，再无其它，正如方闻学者所言，“在布局上，李唐以古法用参天大树分割画面或者限定空间”⑧。表现了北方气候干燥、植被单一的状况。最上方的大石块为主峰，远峰上落有“皇宋宣和甲辰春，河阳李唐笔”题款，远观或误以为皴笔。当中略下是一片组织有致的松树，树根部多露出于石外，树皮有深重结疤。稍微右中偏下和左下方，有山间激流的溪水流出，进入左下角的石潭。全图有飞泉四五处，薄雾绵连，大片山石裸露，山势巍峨雄伟，石质坚硬方直，矗立棱角有尖锐之感。山石的外轮廓线刚劲，因皴法浓密，外轮廓线不是很清晰。

SNCR+SCR脱硝是目前国内NOx超低排放项目使用较多的工艺，经SNCR在炉内脱除部分NOx，再经过SCR系统进一步脱硝，该组合方式运行系统稳定，已被广泛使用。

图4 数字人模型生理尺寸

3 虚拟仿真分析结果

3.1 可视域分析

工作姿态分析可以快速检查工作姿态，评价基于背部、手臂和腿部的工作姿势提出相应的评估得分。第5 百分位及第95 百分位数字人扳键按钮操作姿势分析仿真结果如图7 所示。

首先利用Rhino 软件对电力机车操纵台按1：1 的比例建模，然后将模型导入JACK 软件中，JACK 虚拟仿真分析软件可以根据驾驶员的真实生理尺寸建立相应尺寸的数字人模型，考虑到驾驶人员的身高尺寸和体重范围较为分散，所以选择第5百分位和第95 百分位数字人作为代表，其各自的生理尺寸见图4，对虚拟环境下的数字人模型在不同姿势下进行可视域（Visual Fields）、可达域（Reach Zones）、工作姿态分析（Ovako Working Posture Analysis）、舒适度分析（Comfort Assessment）等仿真分析。整个仿真分析过程，数字人模型坐姿和座椅高度均保持不变，以减小其他因素对仿真结果的影响。

图5 可视域仿真结果

由图5 可以看出，第95 百分位数字人警惕按钮没有进入可视域范围内，且第5 百分位数字人警惕按钮和手动气压阀也没有出现在可视域的范围内。

3.2 可达域分析

可达域分析可以生成一个区域，能够对特定尺寸的数字人描绘出在作业空间里的最大可触及范围，第5 百分位及第95 百分位数字人可达域仿真结果如图6 所示。

图6 可达域仿真结果

很显然，并不是每次的紧追慢赶都能坐上那辆走在前面一点的车。可是，一旦不赶，那便肯定只能坐后面的车了。蔡澜先生说：“做，机会是百分之五十；不做，机会为零。”那么，用到赶公交上面，便是：赶，快的几率是百分之五十；不赶，快的几率为零。

3.3 工作姿态分析

视野范围的大小直接影响驾驶人员的工作效率，因此对第5 百分位及第95 百分位数字人可视域进行仿真分析，仿真结果如图5 所示。

图7 扳键按钮操作仿真结果

由图7 可以看出，第5 百分位数字人的评估得分为2，表明该姿态会对肌肉骨骼系统造成伤害，有必要采取措施进行干预，而第95 百分位数字人在姿态下的评估得分为1，表明该姿态可以被接受，不需要进行干预。

中国古人有立德、立功与立言的“三不朽”之说。德指道德，是说一个人的修养与人格；功指事功，说的是人要建功立业；言指思想，就是说一个人是靠他的思想或学术而扬名。

图8 手动气压阀操作仿真结果

通过与司机进行访谈，分析了操纵装置的操作频率，在机车行驶过程中，司机控制器、警惕按钮、手动气压阀以及扳键开关组是操作频率比较高的操作装置，因此分别对第5 百分位和第95 百分位驾驶员分别进行仿真分析，进而展开对电力机车操纵台的人机交互界面研究。具体的仿真流程如图3 所示。

3.4 舒适度分析

舒适度分析是对特定姿势下某些关节的弯曲范围进行分析，可以分为两类：单关节舒适度和多关节舒适度。第5 百分位及第95 百分位数字人Porter（1998）单关节舒适度分析仿真结果如图9 所示。

第5 百分位及第95 百分位数字人手动气压阀操作姿势分析仿真结果如图8 所示。

图9 警惕按钮操作舒适度分析仿真结果

由表1 可以看出，第5 百分位及第95 百分位数字人在左上臂屈曲和提升的角度低于或超过推荐范围，说明司机在操作警惕按钮时存在不适感。

表1 第5 及第95 百分位数字人舒适度分析数据 °

4 电力机车操纵台改进设计

根据TB/T 3255—2011《机车司机操纵台设计要求标准》的规定，针对操纵台JACK 虚拟仿真分析结果，对操纵台布置进行改进设计。主要改进包括：①将扳键开关组适当后移，缩小与操纵人员的纵向距离；②调整手动过分相位置到扳键开关组左侧；③调整手动气压阀位置到扳键开关组右侧；④将左侧汽笛按钮左移，调整适当距离同时将警惕按钮调整至左侧汽笛按钮右侧；⑤将司控器适当后移，缩小与操纵人员的纵向距离；⑥将制动器适当后移，缩小与操纵人员的纵向距离。优化后司机室操纵台元器件布局如图10 所示。

图10 优化后司机室操纵台元器件布局

对优化后的司机室操纵台布局进行JACK 虚拟仿真分析，其可视域、可达域、工作姿态及舒适度分析结果如图11～图15所示。

图15 优化后警惕按钮操作舒适度分析仿真结果

由图11、图12 可知，优化后司机操纵台布局能够满足第95百分位数字人警惕按钮在可视域范围内，且第5 百分位数字人警惕按钮和手动气压阀也在可视域的范围内，同时第5 百分位数字人可达域最大轮廓线可以接触到扳键开关组和手动气压阀。

图11 优化后布局可视域仿真结果

图12 优化后布局可达域仿真结果

由图13 可知，第5 百分位数字人在该姿态下的评估得分为1，表明该姿态可以被接受，不需要进行干预。此外，结合图14 可知，由于优化后布局对手动气压阀布置位置进行了调整，所以第5 百分位及第95 百分位数字人在姿态下的评估得分均为1，该姿态可以被接受，也不需要进行干预。

图13 优化后扳键按钮操作仿真结果

图14 优化后手动气压阀操作仿真结果

图15 仿真结果表明：第5 百分位及第95 百分位数字人在左上臂屈曲和提升的角度处于推荐范围之内，说明优化后司机在操作警惕按钮时感觉较为舒适。

5 结束语

电力机车操纵台人机交互界面的布置直接关系到驾驶员的操作效率与舒适程度，因此对操纵台进行虚拟仿真分析，可以提高司机的工作效率，对降低司机的疲劳感及误操作次数有积极的影响。从仿真结果来看，优化前第5 百分位、第95 百分位数字人均表现出不适感，尤其是第5 百分位数字人感觉较为强烈，这与司机的主观感受是一致的，说明司机室操纵台布局不合理。经过对操纵台进行改进设计，在同样的驾驶操作行为下优化后的仿真结果表明可达域、可视域及舒适性都得到了明显的改善，均无明显不适感。