矿用救生舱装配与维修人机验证

李元斌，孙有朝，张燕军

(1.南京航空航天大学民航学院，南京 210016；2.武警杭州士官学校，杭州 310023)

1 概述

矿用可移动式救生舱是在井下发生灾害事故时，为无法及时撤离的遇险人员提供生命保障的密闭空间，可通过牵引、吊装等方式实现移动，以适应井下采掘作业地点变化的要求[1]。在加拿大、美国、澳大利亚等国家的矿山安全法规和标准中，对推广、使用矿用救生舱有硬性的规定，并已在矿难救援中有不少成功应用的案例。与国外相比，国内对矿用可移动式救生舱的研究起步较晚，其设计思路还不十分成熟，因为国外救生舱的设计尺寸、使用条件等因矿井建设标准的不同而缺少可比性，所以需要针对国内矿井的实际状况，对救生舱井下装配与维护进行必要的验证。

为了能在紧急情况下为避难人员提供充分的生命保障，救生舱的设计多为分体式硬体救生舱，由于矿井井筒、巷道的尺寸等因素的限制，救生舱的装配与维修又须在煤矿井下完成，而井下作业存在作业空间狭小、施工条件受限、光线不足等问题，所以救生舱的设计一方面要满足其自身的功能要求，另一方面还应充分考虑其装配、维修的人机特性，从而有效降低装配难度和维修成本[2]。

本文提出在救生舱的设计阶段，应充分考虑救生舱在井下装配与维修时满足人机特性的要求，安装救生舱所需的操作工具及空间尺寸等，建立人机特性评价指标并进行人机性验证仿真，从而为实际操作提供重要的指导[3-4]。

2 救生舱装配与维修的人机特性

2.1 装配与维修的人机性能特点

在发生灾害事故时，救生舱的配备应能满足遇险人员的避险要求，救生舱内充足的空间对保障遇险人员具有积极的作用，但是由于救生舱的安装是在已建成的矿井下安装，因此其体积、质量等方面将受到井筒、巷道尺寸及安装工具的限制，需要在地面将救生舱分为多个单元体之后逐个运送至矿井下，并完成其装配及日后维护。

根据井下《煤矿安全规程》有关的设备防爆性要求，即使是先进的吊运、安装工具(一般都需要通过供电驱动)在未取得煤安证的情况下是不允许使用的，这就进一步增加了井下救生舱装配与维修施工的难度。救生舱的装配与维修只能靠工作人员与简单的工具来完成。

由此可知，煤矿井下救生舱的装配与维修具有作业空间尺寸有限、环境条件粗糙、操作工具受限、作业人员体能消耗大等特点[5]。

2.2 装配与维修的人机性能要求

基于上述的救生舱装配与维修的人机性能特点，在进行救生舱的装配与维修时，应满足的基本人机性能要求包括：可达性与可视性，免碰撞与干涉，作业人员的姿态要求等。

2.2.1 可达性与可视性要求

可达性和可视性是救生舱井下装配与维修必须满足的最基本的人机特性要求。所设计的救生舱应能够保证：

(1)井下装配与维修的作业空间(包括舱内作业空间与舱外作业空间)大于人体最小作业空间；

(2)装配及维修人员在作业过程中能够看到自己的操作动作[6]。

另外，可达性还应满足可达性系数Kπ在[0.75, 1]之间：

其中，n0为基本作业数；nπ为附加工作的基本作业数。

2.2.2 免碰撞与干涉的要求

免碰撞与干涉的要求是为了避免作业人员在对救生舱进行装配与维修作业时，发生可能导致操作人员身体受到伤害或作业路径不畅通等情况。免碰撞与干涉的要求可以通过作业空间比r进行评价：

其中，V为作业空间；Vmin为最小作业空间；要求作业空间比r的值大于1.5。

2.2.3 作业姿态的要求

在矿井下进行救生舱的装配与维修作业，作业人员的姿态是否良好会直接影响到其工作的效率。对作业姿态的要求即应确保作业过程中，作业人员不会因为不良姿态而导致工作效率降低或过快地出现疲劳，甚至导致事故的发生，并满足作业姿态评价等级的要求。

3 救生舱装配与维修的人机性验证方法

救生舱井下装配与维修的人机性验证方法是根据所设计的救生舱样舱，建立装配与维修人员的人体模型以及操作工具的模型，并构建救生舱装配与维修的井下场景，最后在计算机软件平台上，通过已构建的操作人员模型在虚拟场景下，运用操作工具对救生舱完成装配与维修的动作进行仿真模拟，并针对实时仿真的数据，给出可达性、可视性、干涉情况等的评价结果[7]。

3.1 装配与维修对象的建立

救生舱作为井下作业人员进行装配与维修的对象，需要通过CATIA等三维建模软件建立实体模型，其尺寸应与所设计的救生舱实际安装尺寸保持一致，以保证最后验证仿真的有效性与真实性。在建模过程中，对于救生舱内的内饰、环境控制设备与监测仪器等，可根据人机性验证仿真的需要，在与作业人员实际装配与维修无关联的前提下，对相应的设备、仪器及其内部结构等做必要的简化处理。

另外，基于模型的虚拟救生舱样舱，即使在做了简化处理之后，由于其本身的点、线、面等几何信息、约束信息等原因，使得样舱的数据量庞大。而在仿真过程中，装配与维修的对象、作业人员及工具又都是运动的，要满足仿真速度每秒 12帧的最低要求相对比较困难，对计算机资源的浪费也大，因此，在不影响分析验证的前提下，可将所建立的模型格式进行转换，选用cgr格式对模型作轻量化处理，从而有效地提高仿真速率[8]。

3.2 作业人员及工具模型的构建

在人机性验证仿真的过程中，需要通过所建立的人体模型模拟真实的操作情况，并检验是否满足了相应的人机特性要求。对于人体模型的构建，应采用人体全尺寸模型，并能反映人的作业姿势、作业域、视角、关节运动范围等与装配以及维修的关系，在基于DELMIA平台验证仿真中，可通过人体建模模块创建全尺寸人体模型[9]。考虑到井下作业人员需穿着定制的工作服，对于关键的人体尺寸设计极限，应建立在从第5百分位到第95百分位值的范围内，采用此范围内的尺寸在理论上提供了90%的人数适用。人体全尺寸模型所需的数据，可以通过相应标准手册进行查询，也可针对具体作业人员的身体特征进行实测。

装配与维修工具是在虚拟仿真过程中，作业人员完成救生舱装配及进行日后维护需要使用的工具，与救生舱样舱相同，可以通过 CATIA的零件设计模块完成建模。

3.3 煤矿井下装配与维修的虚拟场景构建

装配与维修的场景是完成可视化仿真的场所，可以通过多种方法实现。构建场景的常用方法有多种，如基于图像的全景图生成技术，基于3D造型的简化式场景，以及示意图像等。在进行救生舱装配与维修的人机性验证仿真时，使用基于3D造型的简化式场景。基于3D造型的简化式场景是根据实际工作环境的结构尺寸，在三维软件中完成场景的实体造型，此场景中只表达环境的长宽高等尺寸参数，而对环境的壁面材质、光洁度等不做要求。

装配与维修场景的建立一方面是为了使仿真具有真实感，能够尽可能真实地模拟作业人员实际操作的场景，另一方面也可为救生舱在矿井下需要布置的巷道建设提供参考。根据实际完成作业的情况，在井下的救生舱装配与维修操作，不需要对环境进行关联操作，但需要把环境空间作为装配与维修作业域的限定条件，井下巷道的建设尺寸要符合相关的设计标准，即需要在有限的空间中完成预期工作。

3.4 模型加载与验证仿真流程

要完成人机性验证仿真，首先需要将操作对象(救生舱及其组成组件)、人体模型、工具模型与作业环境场景等加载到基于DELMIA的验证仿真平台[10]。在加载时，需将上述模型分类，以便于仿真信息的管理，一般分为产品列表和资源列表两大类。产品列表主要是救生舱本身及其内部所包含的所有附属零部件；资源列表一般由人体模型、工具模型与作业环境等组成[11]。

救生舱人机性验证所需的模型完成加载之后，需要对作业人员、操作工具以及救生舱关联零部件仿真动作的路径进行定义，包括作业人员对螺栓螺母的紧固、拆卸，救生舱单元体间管线路的对接等操作，从而保证在仿真时得到预期的仿真结果报告。从模型加载到最后完成仿真的流程如图1所示。

图1 验证仿真流程

4 人机性验证与仿真结果分析

以某型在研救生舱单元体间联接装配的人机性验证仿真为例，运用上述救生舱人机性验证仿真方法对联接装配流程进行分析(该型救生舱的维修拆卸过程可视作联接装配的逆过程)。单元体间的联接装配整体流程包括：密封圈加固→安装定位销→螺栓联接→气密性检查等。

4.1 可达性与可视性分析

在救生舱单元体间的联接过程中，基本的作业操作数为 X=5(固定密封圈、装定位销、螺栓联接、气密性检查等)，进一步可得 Kπ的值为 0.79。另外，还可以通过 DELMIA平台的人体包膜对可达性做定性的评价与分析，如图2所示，对人体模型的动作调整提供参考，从而改善可达性。

图2 作业人员的可达域

可视性分析是分析确保作业人员在进行救生舱装配的过程中，能够对所有操作可视，从而能有效避免误操作以及造成人员受伤等情况。一般人的双眼水平视觉范围约为120°，垂直方向约为上下各35°，可划分为A、B、C 3个区域，如图3所示。有非常好(部件完全处于区域 A内，且焦点落在部件几何中心)、好(部件完全处于区域 A内，且焦点在部件上，但不在几何中心)、比较好(部件处于区域 A、B之中，几何中心在区域A内)、一般(部件处于区域A、B之中，几何中心位于区域 A、B分界线上)、比较差(部件处于区域A、B之中，几何中心在区域B内)、差(部件完全处于区域B内)、非常差(对象有部分处于区域C中)7个评价等级。从仿真结果可知，在救生舱装配操作过程中，作业人员的操作可视性基本在“一般”以上。

图3 作业人员的可视域

4.2 碰撞与干涉分析

在矿井下进行救生舱单元体间联接装配过程中，因舱体外形尺寸规整，舱体表明平滑，正常操作不会导致作业人员与救生舱舱体、巷道壁之间发生碰撞或干涉，而应主要考虑救生舱安装位置处巷道尺寸的设计，从而有效避免救生舱无法在所建巷道内完成装配。从碰撞与干涉的仿真过程分析，并结合作业人员的可达性要求，要满足作业人员的作业空间比 r＞1.5，至少应使救生舱外壁与巷道壁的间距参考值高于1.11 m。救生舱人机性验证装配操作仿真结果中，救生舱外壁与巷道壁的间距为1.2 m，不会导致作业人员与救生舱舱体、巷道壁发生碰撞或干涉。

4.3 作业姿态分析

作业人员的作业姿态分析可以利用 DELMIA软件中的基于快速上肢评价 RULA(Rapid Upper Limb Assessment)进行衡量，并给出1分～2分(该姿势可接受，能够长期保持该姿势)、3分～4分(该姿势可以保持较短时间)、5分～6分(该姿势只能保持很短时间)、7分(该姿势通常不可接受，必须立刻改变该姿态)等评分结果，RULA的1分～7分对应“非常好”、“好”、“比较好”、“一般”、“比较差”、“差”、“非常差”7个级别。作业姿态分析功能对联接装配的姿势进行分析评价，分析项目包括右手上臂的3个自由度、前臂的2个自由度以及手和食指的单自由度。通过分析，可以对分值较低的自由度进行优化，以使得作业人员在装配过程中处于较好的作业姿态。图4给出了每个自由度的分析结果以及总的分析结果，救生舱装配操作人员作业姿态总体评价在“好”以上。

图4 姿态分析结果

5 结束语

本文综合分析某型救生舱装配的人机性验证过程及仿真结果，表明该型救生舱在单元体联接装配时具有良好的人机特性，并且说明本文提出的救生舱装配与维修的人机性验证方法具备有效性与可行性。今后研究的重点是对救生舱的故障进行预分析和维修处理，预估和优化维修作业时间和维修费用。

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