基于人机工程学的消防车器材布局优化设计研究

刘小霞， 王小平， 杨延璞， 王淑侠

（西北工业大学机电学院工业设计系，陕西 西安 710072）

在灭火、抢险救援和社会救助的战斗中，消防车器材布局既影响到了消防员的操作效率，又影响到消防员的安全、健康，所以改进消防车器材布局一直是消防企业不断追求的目标。据美国消防协会(NFPA)按惯例发布的《2008年美国消防队员殉职情况报告》显示，有40%的消防员因压力和疲劳过度死亡，几乎成为消防员每年死亡的直接原因[1]。因此，将“人”的因素提升到消防车的布局设计及评价中是提高消防作战的关键。

目前，国内外采用人体模型进行的布局优化设计及其评价主要集中于飞机、坦克和汽车，尤其是采用 Jack软件对其中的布局装置进行相关性的配置及其功效分析验证已经有了深入的研究[2-6]。但是，对于一些器材车辆中涉及的布局问题却研究得很少。随着消防车在消防事业中举足轻重的作用，进行消防车辆布局设计的深入研究是十分必要的。

本文通过某企业现有消防车的调研和分析，得出了箱体布局和器材放置中的缺陷和不足，从而以器材布置原则和人体尺度原则对消防车的布局进行改进，最后以消防车箱体第4空间的布局为例进行Jack软件进行视域、可达域评价，确定了消防车箱体布局的合理性和器材取用的方便性。

1 基于人机工程学的消防车分析

1.1 改进前消防车作业空间不足分析

通过对常见的消防车内部结构的分析，消防车的器材空间布局可以简化为如图1所示。其箱体的外观尺寸长×宽×高为4285×2000×2184mm，考虑到卷帘门结构和箱体上侧装饰占用的空间，实际消防车的作业空间长×宽×高为 4285×2000×1834mm左右。

图1 改进前消防车的布局

经分析，当前消防车器材布局方面存在的缺陷主要有以下几个方面：

1）第2、3、4区间的长、宽、高尺寸相同，导致空间严重浪费；

2）较少考虑器材的布置原则。如消防水带质量较轻且体积小，将其放置在第二区间，造成了布局空间的浪费，并影响整车重心的布置；

3）区间的划分很少考虑“人”的因素，不易于消防员舒适、便利的操作。

1.2 消防车作业空间的设计

消防车的作业空间设计，主要应考虑作业者的身体尺寸、操作的舒适性和安全性等因素，根据器材的布置原则和人体尺度原则进行消防车箱体布局分析。

1.2.1 消防器材布置原则

任何器材都有最佳的布置位置，这取决于消防器材的布置原则和“人”的因素。器材的布置原则指重要性原则、使用频率原则、功能原则和使用顺序原则等4个原则[7]。

1）重要性原则：首先考虑操作上的重要性，如移动式发电机对整个灭火战斗的作用不言而喻，一旦使用，就必须迅速使其处于工作状态。

2）使用频率原则：指将经常使用的器材放置在人最舒适、最容易够得着的部位，如消防水枪、灭火器等器材要放置在消防员容易操作的区间。

3）功能原则：即指将具有相似功能的器材放置在统一的区域，如铁锹、消防斧、丁字镐等消防器材功能相类似的，要布置在同一个区间内。

4）使用顺序原则：在救援战斗中，一些器材之间存在关联性，有先后顺序的使用，因此这些器材布置应该按照使用顺序的原则布置。

“人”的因素是指根据人的生理、心理等因素，分别将器材布置在人使用舒适、合理的范围内。操作者作业时肢体运动线路最短、最舒适、效率和准确性最高的作业范围称为最佳作业空间范围[8]。按照应该使95%的人满意的原则，将使用频率最高的工具设置在正常范围内；将不常使用的工具放置在最大工作范围和正常工作范围之间；将一些特殊用途的工具布置在最大工作范围边缘。表1为消防器材的布置建议。

表1 消防器材的布置建议

1.2.2 消防车作业空间设计原则

舒适、人机的操作环境是充分考虑 “人”、机、环境之间的相互关系，并将“人”的因素充分应用到消防车箱体内部区间分布中，使得“机”、环境能够更好的服务于人，减少或者避免不方便、不舒适的人体模型操作方式。消防车的作业基本都是在立姿下完成的，而根据人的活动空间范围，可以将与人体有关的空间分为手操作的最大范围、最佳作业空间、手操作的适宜范围和前屈或者下蹲的空间范围。

根据一般人的使用原则，选择人体百分位数为10、5两种，分别满足使用人群的90%、95%。图2为参考GB/T10000—98的P5人体模型的立姿活动空间的分布。

图2 P5人体模型的立姿活动空间分布

另外，考虑到消防器材的颜色和使用规则、器材标识的设计和位置、人体的操作习惯等因素对消防员安全、方便的操作都有一定的影响，因此，操作布局应该有一定的修正量。

1.2.3 改进后消防车的布局

消防器材的作业主要通过两种方式实现：一种是站地面直接操作；另一种是站在消防车踏板上操作；消防车踏板一般距消防车箱体下边缘为120mm，距地面为 205mm，表 2为消防车作业空间的划分说明表；图3为改进后的消防车布局尺寸图。

2 消防车的评价分析

2.1 评价分析结构

首先，在Pro/e中构建消防车的骨架、部件模型，并分别将模型导入到Jack软件中进行适当的位置调整和装配；第二，在 Jack软件中构建P5、P95人体模型，实现消防车骨架模型和人体模型的“装配”；第三，依据人体模型舒适、最佳、极限的视线（手臂活动），分别调整人体模型的相应位置；第四，运用Jack软件视域（可达域）相应的分析检测工具分析人体模型与消防车的冲突干涉性，对于不符合要求的“装配”，调整消防车骨架布局以致符合要求；最后，记录视野（手臂操作域）与消防车箱体的相对位置，整个过程的流程图如图4所示。

表2 消防车作业空间的划分说明

图3 改进后消防车的作业空间布局

图4 Jack软件评价流程图

2.2 消防车的评价分析

在人机工程学评价系统中，常用的人机评价类型有视域、力和扭矩分析、舒适度分析、姿势预测、可及范围、疲劳和恢复、手动操作局限分析等[9]。本文针对消防车箱体的特点，考虑到操作方便、舒适等设计要素，主要实现了视域和可达域的评价，验证了抢险救援消防车布局的合理性以及器材取用的方便性。

1）视域分析

视域的评价标准以合格与不合格两者衡量，其中视域的合格性是指按照人的双眼与产品上特定对象的位置关系，视域的评价标准是：识别或观察对象位于视野角度内。在视域的分析中，一般选择5、95两种人体百分位，使得90%的人群满足要求[10]。另外，考虑到仰视、俯视都会相应的改变人体模型的视野位置和方向，查表知头部转动关节的最大角度为仰视40°，俯视30°，最舒适的仰视角度为12 ～25°之间[11]。

Jack软件中的视野是通过以视野角度和视距确定的视锥体来分析的。视锥体包络的范围表示器材的可见范围。通过建立字母辨别范围、颜色辨别范围、最佳视野范围、极限范围的视锥体，映射视锥体在第4区间的相对位置，则可以确定第4区间的字母辨别、颜色辨别、最佳视野、极限视野范围。依据确定的位置范围不但可以评价消防车箱体的布局，还对器材的布置有借鉴作用。如在字母、颜色辨别范围布置消防器材的标识。

2）可达域分析

同理，可达域的衡量标准也是以合格与不合格体现，可达域的合格性指人体与产品“装配”定位后，手、足可否触及产品上特定部分，并实现预定操纵[10]，一般选择 5%的人体模型，使得95%的人群满足要求。

Jack软件中的可达域是通过以肩关节和手臂长确定的球体来分析的。球体包络的范围表示器材的可达范围，通过建立手臂侧伸、平伸、上举的可达域球体。映射可达域球体在第4区间的相对位置，则可以确定第4区间的最佳操作范围、手臂操作可达范围等。依据确定的相应范围不但可以评价消防车箱体布局的合理性，还对消防器材的布置有借鉴作用。如将消防水带的固定连接装置布置在手操作的最佳操作范围内，消防水带放置在人体模型的可达域内。

3 评价实例

3.1 视域

为了直观显示第4区间与视锥体之间的相对位置，图5为 Jack中人体模型的视野图，将在Jack软件中头部转动关节向上的极限角度40°和舒适角度 25°，以及平视的相应视锥体记录的各个视锥体以图标形式显示，如图6所示。其中，灰色部分表示第4区间的区间范围，以5%人体模型的眼高1281为零点，视距为500mm。

图5 Jack中人体模型的视野图

由图6可知，第4区间的范围都在在5%人体模型的极限视野内；其中头转动关节转动 40度的最佳视野在1531 ～1681mm范围内；头转动关节的舒适角度内，最佳视野的范围在1451 ～1601mm范围内；平视时的最佳视野范围为1331 ～1481mm范围内，而且第4区间的大部分都在平视的极限角度范围内。字母、颜色的最佳辨别范围为字母辨别、颜色辨别和最佳视野的相交区域，即在1381 ～1481mm范围内，在这个范围内可以布置对消防器材的标识。

图6 视域分析显示图

3.2 可达域

同理，为了直观显示第4区间与可达域球体之间的相对位置，将在Jack软件中人体模型刚好未触及第四区间下限的手臂角度、人体模型刚好触及第4区间的上限的手臂角度的可达域球体以图标形式显示，图7为Jack软件中可达域与器材干涉图，图8为人体模型可达域与第4区间相对位置的侧视图。其中，灰色部分表示第4区间的区间范围，以5%人体模型的肩高1281为零点。

图7 Jack软件中可达域与器材干涉图

图8 可达域分析显示图

由图8分析可知，第4空间的空间范围都在手臂的可达域内，但是 5%人体模型的最佳操作范围在第4空间没有映射，符合器材的布置原则，将质量轻、使用频率低的消防器材布置在人体模型的最大操作域内。

4 结 论

为提高消防员的作战效率，减少对消防员造成的健康、安全隐患，将人机工程学运用到消防车器材布局设计中，从器材布置、人体尺度分析和器材箱内部结构划分等方面进行了讨论和优化，并应用Jack软件结合某型消防车器材箱体布局实例进行了视域和可达域分析，给出了消防车器材布局的改进建议。将此方法理论化、实践化，不但可以分析其他消防车布局的设计，还对消防器材的布局、标识设计、固定连接的位置等都有借鉴和参考价值。

[1] 冯艳萍. 2008年美国消防员殉职情况分析[J]. 消防技术与产品信息,2009,(10): 75-79.

[2] 白 穆,庄达民,张 磊,等. 飞机操纵装置优化布局[J].中国民航飞行学院学报,2010,21(1): 28-31.

[3] 刘晓静,吴江浩,张曙光. 250座级翼身融合布局客机气动设计与优化[J]. 空气动力学学报,2011,29(1):78-83.

[4] 沈 艳,郑永前. JACK虚拟技术在车间作业设备优化中的应用[J]. 工业工程与管理,2009,14(5):54-58.

[5] Edward M S. Reusable,lifelike virtual humans for mentoring--and--role-playing [J]. Computers—and Education (S0360-1315),2007,49(1): 75-92.

[6] Godwin A,Eger T,Salmons A,et al. Postural implications of obtaining line-of-sight for seated operators of underground mining--load-haul-dump vehicles [J]. Ergonomics,2007,50(2): 192-207.

[7] 高 静,钱省三,王殊轶,等. 港机驾驶室联动台空间布局的人因优化[J]. 起重运输机械,2010,(12):49-52.

[8] 项英华编著. 人类功效学[M] . 北京: 北京理工大学出版社,2008: 232.

[9] 李 昶,王小平,余隋怀. 面向家电产品的人机工程设计与检测技术研究[J]. 现代制造工程,2011,(1):97-101.

[10] 刘红杰. 产品设计中人机尺度关系量化评价的研究[J]. 包装工程,2006,27(2): 192.

[11] 丁玉兰编著. 人因工程[M]. 上海: 上海交通大学出版社,2004: 184.