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摘要：高速列車(chē)客室是承載乘客的主要部分，列車(chē)客室內部空間布局設計的合理化與人性化影響著(zhù)乘客的乘坐舒適度。文章以動(dòng)車(chē)組客室的乘客活動(dòng)為例，闡述了基于Jack軟件的乘客在列車(chē)中的可通過(guò)性和可操作性仿真校核分析方法。
關(guān)鍵詞：城際列車(chē)；Jack；人機工程；高速列車(chē)客室；動(dòng)車(chē)組客室 文獻標識碼：A
中圖分類(lèi)號：TP11 文章編號：1009-2374（2016）26-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.010
隨著(zhù)人們生活水平的提高，越來(lái)越多的人采用高速列車(chē)作為出行工具。高速列車(chē)客室是承載乘客的主要部分，為滿(mǎn)足乘客需求，客室內部空間更需體現大容量、安全、舒適、美觀(guān)、節能和人性化的特點(diǎn)，因此列車(chē)客室內部空間布局設計應合理化與人性化。
Jack軟件作為Siemens Tecnomatix產(chǎn)品線(xiàn)中的重要組成部分，Jack能夠在虛擬環(huán)境中添加各種尺寸的精確人體模型，為其賦予特定的任務(wù)，從而分析其操作效能。Jack的數字化人體能夠告訴工程師他們的視野、他們的工作可達區域，獲得人體工作時(shí)的重要信息、何時(shí)以及為什么人體會(huì )受到傷害或感到疲勞。
1 列車(chē)客室布置原則
采用人機工程學(xué)評估列車(chē)客室時(shí)，不但需要考慮列車(chē)客室空間與設備之間的關(guān)系，更要考慮空間、設備與乘客之間的關(guān)系。如何使得列車(chē)客室空間與設備為乘客提供一個(gè)安全、舒適、人性化的環(huán)境才是客室設計的關(guān)鍵。因此，設計者應關(guān)注以下應用人體測量數據時(shí)的不同原則：
最大最小人體尺寸的選用原則。當設計特征為適應大部分人群時(shí)（如門(mén)口），應采用極端人體尺寸。在實(shí)際中，為了適用極大部分人時(shí)，通�？赡軙�(huì )選用最大或最小的人體測量尺寸（如第95百分位的男性和第5百分位女性）�？烧{節設計原則，例如在考慮設計座椅時(shí)，應設置為可調節的，這樣能滿(mǎn)足不同使用者使用。
折中性設計原則。當某些非重要位置的設計不適合使用最大最小人體尺寸，同時(shí)使用可調節設計又不切實(shí)際時(shí)，可使用折中性設計，使用平均人體尺寸，如門(mén)把手、燈開(kāi)關(guān)等。
考慮與人體尺寸相關(guān)的因素。人體尺寸與國家、區域、民族、年齡、性別等因素有關(guān)，設計時(shí)必須予以考慮，如在國內運行的列車(chē)，應采用中國人人體測量數據。適當的修正量，已公布的人體數據，都是在特定條件下，而非設計對象的條件下測量的。因此必須根據對象的實(shí)際情況，對人體測量數據進(jìn)行適當的修正，才能作為對象適用的設計尺寸，如著(zhù)裝修正。選擇最新適用的人體尺寸數據，根據資料表明，世界各國人體身高均呈增長(cháng)趨勢，近20年來(lái)平均每10年增長(cháng)1cm，因此設計應選用用戶(hù)群體最新適用的人體尺寸數據。
2 列車(chē)客室校核內容
列車(chē)客室每節車(chē)廂大致布置著(zhù)乘客座椅、衛生間、開(kāi)水爐、電器柜、綜合柜、大件行李架等。與乘客活動(dòng)主要相關(guān)的空間是客室通道區域、車(chē)輛門(mén)口區域，行李架放置空間。
客室內布置的兩排座椅所行成的過(guò)道是乘客進(jìn)出的主要通道，更是在逃生時(shí)必經(jīng)之路�？褪覅^座椅通道的大小不但影響著(zhù)乘客尤其是攜帶行李的乘客行走的舒適性，還影響著(zhù)逃生時(shí)客室內乘客的安全。
車(chē)輛門(mén)口區域一般分布在客室兩側，此處布置著(zhù)衛生間、電器柜、開(kāi)水爐等設施，乘客取水時(shí)需要離開(kāi)座椅到開(kāi)水爐處取水。開(kāi)水爐容量需要滿(mǎn)足乘客飲水的需求。另外在空間上要留有足夠的空間便于乘客取水，開(kāi)水爐面板尺寸設計上需要方便乘客取水，并盡量避免乘客燙傷。行李架分布于客室內，分布在兩排座椅兩側上方。針對較大行李，基本每個(gè)車(chē)廂都在其入口不遠處放置一個(gè)較大容量的行李架。行李架是乘客放置行李的地方，因此行李架的設計既要考慮車(chē)廂的特殊結構，也需滿(mǎn)足乘客放置行李的需求，要便于乘客放置行李。
3 人機工程仿真分析
3.1 列車(chē)客室通道及出口分析
客室通道及出口主要考慮旅客進(jìn)出的安全性與方便性，在此主要考慮通道出口的便利性。
通道尺寸分析，列車(chē)二等座車(chē)通道尺寸為498mm，一等座車(chē)通道尺寸為625mm。乘客不攜帶行李進(jìn)出通道，第50百分位男性一人行走時(shí)，可方便通行。當第50百分位男性與第50百分位女性并肩時(shí)，肩寬尺寸大于通道尺寸，此時(shí)兩人可能產(chǎn)生摩擦。
門(mén)出口分析，列車(chē)門(mén)寬尺寸為805mm。乘客不攜帶行李進(jìn)出通道，第50百分位男性一人行走時(shí)，可方便通行。當第50百分位男性與第50百分位女性并肩時(shí)，肩寬尺寸大于通道尺寸，此時(shí)兩人可能產(chǎn)生摩擦。
座椅間通道分析，列車(chē)座椅間的通道尺寸為480mm。第50百分位男性一人行走時(shí)，可方便同行。攜帶50cm×25cm×25cm行走時(shí)，需將行李抬高高于座椅靠背才能通行。
3.2 列車(chē)客室開(kāi)水爐設置分析
飲水機是公共設施，針對公共設施一般采取折中性設計或者是可調節設計。列車(chē)飲水機尺寸，總高1819mm。飲水機出水口高度為1091mm。第50百分位中國男子從座椅到飲水機處進(jìn)行取水的動(dòng)作仿真，另一位50百分位中國男子同時(shí)從其身后通過(guò)。
飲水機的高度應使用折中設計，滿(mǎn)足大多數人的取水需求。根據中國成年人第50百分位人體身高加上鞋30mm修正后，為1722mm。飲水機出水口高度為1091mm，旅客可方便取水，且不妨礙其他乘客在此處通行。
3.3 列車(chē)客室行李存放位設置分析
行李架的高度影響人存放行李時(shí)，下面通過(guò)仿真人在存放行李時(shí)人體腰椎的情況，選取第50百分位的中國成年男子測量數據。根據鐵路旅客運輸規程中第五十一條對旅客行李的規定情況如下：
旅客攜帶品由自己負責看管。每人免費攜帶品的重量和體積是：兒童（含免費兒童）10kg，外交人員35kg，其他旅客20kg。每件物品外部尺寸長(cháng)、寬、高之和不超過(guò)160cm。桿狀物品不超過(guò)200cm；重量不超過(guò)20kg。殘疾人旅行時(shí)代步的折疊式輪椅可免費攜帶并不計入上述范圍。下面設置兩種行李模型以為仿真所用：一種是小的行李模型尺寸為50cm×25cm×25cm；另一種是大行李模型尺寸為50cm×50cm×50cm。 對乘客放置行李的動(dòng)作進(jìn)行仿真，如圖5所示：
對乘客整理行李的工作姿勢利用快速上肢評估方法對此進(jìn)行評估�？焖偕现u估方法（RULA）方法主要應用于頻繁使用上肢的工作場(chǎng)合，將乘客軀體部位分成手臂與軀干兩個(gè)群組，手臂又分成上臂、前臂及手腕，軀干又分成頸部、背部及腿部等六個(gè)部位，使用其觀(guān)察角度而給予評分，并考慮乘客的負載大小并給予工作姿勢評分，分值越高表示其作業(yè)姿勢越不舒適。
根據仿真的最后動(dòng)作，設置工作姿勢為站立姿勢，重力平均，而且有足夠的空間調整重力。手部肌肉正常使用，行李重量為2～10kg，參數設置如圖6所示：
根據快速上肢評估（RULA）對整理高處行李的工作姿勢進(jìn)行觀(guān)察，評估上臂、前臂、手腕、頸部、身軀、腿部在此工作姿勢角?上的?同得分，并觀(guān)察姿勢的施?大小與肌肉的使用狀態(tài)評估可得其分數為6分。
根據RULA指數和等級情況，表明工作姿勢不在舒適范圍，需要重復動(dòng)作且有靜態(tài)負荷或需要用力，需要盡快對該操作進(jìn)行分析調整。由于乘客上車(chē)后將行李放置于高處行李架，下車(chē)后將行李取下離開(kāi)，這是一個(gè)短暫的不重復行為，因此不會(huì )對旅客的健康造成影響。
NIOSH舉升分析工具能評估對稱(chēng)或不對稱(chēng)的舉升任務(wù)。JACK人機工程分析軟件能夠進(jìn)行NIOSH舉升分析，分析舉升任務(wù)，包括在給定的姿勢條件下，給出預期的重力和載荷；對于一個(gè)手動(dòng)舉升任務(wù)或包括多個(gè)舉升任務(wù)的工作，給出相關(guān)的物理壓力的評估。
NIOSH搬運受力分析旨在分析員工雙手搬起重物時(shí)的受力情況，得出一個(gè)搬運指數，然后與允許的搬運指數相比較，進(jìn)而了解工人的搬運過(guò)程的動(dòng)作是否合理，以幫助避免或減輕員工背部損傷。NIOSH搬運受力分析主要依據1991年修訂的NIOSH提舉公式：RWL=23×（25/H×（1-0.003×|V-75|）×（0.82+4.5/D×（1-0.0032A）×FM×CM。式中：RWL是推薦重量極限值；F是抬舉頻率乘數；CM是握持乘數；H是人體中心與產(chǎn)品間的水平距離；V是搬舉任務(wù)起始或終止時(shí)手掌距地面的垂直距離；D是抬舉重物的垂直移動(dòng)距離；A是相對于矢狀面的身體扭轉角度。從而得出單項任務(wù)搬運指數LI=Ac-tualTaskLoadLifted/RWL。對于復合搬運任務(wù)，綜合各次單項任務(wù)搬運指數得出復合搬運指數CLI（CompositeLifting Index）。其中NIOSH規定當CLI值小于1時(shí)，表示該作業(yè)安全；當CLI值大于l時(shí)，有部分學(xué)者持保留態(tài)度，認為該作業(yè)安全，但是會(huì )使下背痛（LBP，LowBackPain）的發(fā)生幾率增加；但CLI>3將使下背部受傷幾率大為增加，此時(shí)應該降低搬運重量。
在Jack的NOISH舉升任務(wù)分析中，設置搬運平均重量為10kg，搬運時(shí)間為0.01h，恢復時(shí)間為5h。參數設置如圖8所示：
報告顯示任務(wù)負荷超過(guò)任務(wù)推薦限值。大多數健康人對于此任務(wù)都會(huì )覺(jué)得困難。對于大件行李，若放置到高處對單一旅客來(lái)說(shuō)搬動(dòng)較為困難。一般旅客搬動(dòng)大件行李時(shí)，乘務(wù)員或其他旅客均會(huì )幫助，這樣就大大地降低了行李負荷對旅客健康的影響。
4 結語(yǔ)
采用Jack人機工程分析軟件評估列車(chē)客室空間設備布置的合理性，針對客室內通道包括座椅間通道、過(guò)道、門(mén)等，室內設備如行李架、飲水機進(jìn)行人機因素進(jìn)行仿真評估，評估結果如下：
各通道座椅間通道、過(guò)道、門(mén)等，均基本適合一人通行。當兩人通行時(shí)則可能會(huì )發(fā)生碰撞需側身行走。通道尺寸受列車(chē)本身的尺寸限制，基本適合一人或較小身材的人同時(shí)通行。
開(kāi)水爐面板及出水按鈕高度適中，滿(mǎn)足大多數人的取水要求，并便于觀(guān)察操作面板。開(kāi)水爐位置設置合理，在一人取水情況下，不妨礙此處過(guò)道通行。
行李架較高，第50百分位人需要高舉雙臂或站到椅子上進(jìn)行行李放置。大行李架若放置大件行李到最高層時(shí)，對于旅客較為困難。但是對于旅客來(lái)說(shuō)，均是一次性任務(wù)，因此基本不會(huì )對旅客腰椎等部位的健康產(chǎn)生影響。另外，客車(chē)上有專(zhuān)門(mén)幫助整理行李的乘務(wù)員，這更能降低單一旅客搬動(dòng)大件行李時(shí)可能產(chǎn)生的危險。
參考文獻
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基金項目：本文系鐵道部科技項目（項目編號2012J003-C）研究成果。
作者簡(jiǎn)介：劉慧軍（1978-），男，湖南桃源人，中車(chē)唐山機車(chē)車(chē)輛有限公司高級工程師，研究方向：軌道車(chē)輛人機工程仿真計算。
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