装配作业人因工程实验平台的设计与开发

闫纪红， 娄旭伟， 卢 磊

(哈尔滨工业大学 机电工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)



装配作业人因工程实验平台的设计与开发

闫纪红， 娄旭伟， 卢 磊

(哈尔滨工业大学 机电工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

为了增强人因工程教学的直观性，基于层次分析法和模糊综合评价法，以装配作业为对象，提出了一套装配作业人因工程综合评价方法，并介绍了装配作业人因工程实践平台的建立过程以及实现的主要功能。采用Visual Studio 2013编程软件和C#语言开发了装配作业人因工程评价实验平台，通过实验案例介绍本实验平台的实际使用效果以及应用价值。结果表明,该平台可以增强学生对人因工程知识的理解，为人因工程领域的实践与教学提供了行之有效的实验手段。

人因工程； 装配作业； 层次分析； 模糊综合评价

0 引 言

人因工程学(Human Factors Engineering)是研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特征，以达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的[1-3]。人因工程学有机地融合了管理学与工程学等相关领域的知识和成果，是工业工程教育与教学过程中的主干课程之一。

人因工程学在我国虽然起步较晚，但随着近几十年来社会经济的不断发展，人因工程学受到了越来越多企业和学者的关注并经常被应用在有关生产作业改进与优化的研究中。对于大多是单件、小批量生产的机械加工企业来说，由于它们生产的产品在装配过程中手工操作比例较高，其面临的挑战更为艰巨[4-5]。而目前现有的虚拟装配仿真技术仅仅能对产品的装配性进行考察，忽略了装配工人的因素，所以亟需一种针对装配作业的人因工程综合评价方法。另外，作为工业工程领域的重要组成部分之一，人因工程的教学仅仅凭借书本中的理论与知识无法满足对于学生的培养要求，学生很难直观地理解人因工程的相关概念，所以必须具备相应的实践环节，以此来提高工业工程学生的综合素质。

本文首先介绍基于层次分析法和模糊综合评价法建立的装配作业人因工程综合评价方法；然后，基于建立的评价方法，介绍装配作业人因工程实践平台的建立过程以及实现的主要功能；最后，将通过实验案例介绍本实验平台的实际使用效果以及应用价值。

1 装配过程工效综合评价方法

1.1 评价指标体系的构建

对于一个决策问题，应根据多指标决策的先分解后综合的系统思想，首先进行问题分析。根据所要达到的目标和问题的性质，将问题分解成若干个不同的要素，这些要素就是与决策问题相关的所有指标。然后，将这些指标按照它们的相互关系进行多层次的聚集组合，就能形成最终的多层次评价模型[6]。本文主要从三方面问题进行决策问题的分解，分别是产品的可装配性、装配过程的人因工程设计水平和虚拟装配平台所能提供的分析功能。最终将评价问题分解为三级18个评价指标，其中指标分别为装配特性、生物力学特性、舒适性、心理负荷和作业特性。三级指标分别为：可达性、可视性、工件布置、作业空间、提举力、推拉力、搬运力、腰椎负荷、RULA分析、相对代谢率、姿态合理性、工作重复度、噪声、色彩、照明、工序合理性、作业合理性、动作经济性。

1.2 评价指标权重体系的构建

本研究评价指标权重体系的确立主要采用层析分析法(Analytical Hierarchy Process, AHP)。AHP方法[7-8]是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法，其具有理论简单，同时又具有实用性强的优点，因此该方法自提出以来，已在各个领域广泛使用[9]。

AHP的主要步骤为首先根据所选的指标体系建立层次模型，然后采用成对比较的方法建立起每个层级的判断矩阵，在这之后需要对判断矩阵进行特征值和特征向量的求解，得出该层级下的重要程度，最后对得出的重要程度进行一致性检验[10]。具体的实施步骤如图1所示。

依据以上AHP的相关原理和所选择出的评价指标，最终建立的层次模型有18项指标的综合评价模型。然后，判断矩阵的建立，其建立的基础是调查问卷的设计和评价尺度的选定。调查问卷的设计主要遵循目的性原则、顺序性原则、逻辑性原则、明确性原则、非诱导性原则、简明性原则和匹配性原则[11]。对于评价尺度，本文选取的是Satty建立的九级评价尺度[12]。判断矩阵建立之后，需要重要度计算和一致性检验。由于本研究建立的评价层次模型涉及的指标较多导致计算量偏大，所以借助Expert Choice软件进行计算。该软件可以实现基于多份调查问卷数据的群决策计算。在以上步骤完成之后就可以得出各个指标最终的权重。

图1 AHP主要步骤

1.3 评价指标得分体系的构建

建立的指标体系中，有很多指标都是定性指标，本文采用模糊综合评价法来定量地评价定性的指标。模糊综合评价法是一种定量的评价分析方法，评价者从影响问题的主要因素出发，参照一定的评价标准，对复杂问题的各个要素分别做出不同程度的模糊评价，然后通过模糊数学提供的分析和计算方法进行运算，得出一个定量的综合评价结果。

基于模糊综合评价法中备择集的选择，本研究采用5分制作为评价集的评分标准，表1为得分与评价等级的对应关系。

表1 得分与评价等级的对应关系

下面简要介绍一下各级指标的评价打分方法：

(1) 装配特性相关指标评价方法。对于装配特性所属的可达性、可视性、工件布置和工作空间等指标可以分别采用DELMIA的人体包络图分析、虚拟人可视区域分析、工件干涉检验和测距工具进行分析评价。

(2) 生物力学相关指标评价方法。对于生物力学所属的提举力、推拉力、搬运力和腰椎负荷这些指标的评价方法为：首先依据DELMIA软件[13]提供的生物力学评价判据对各个指标数据进行归一化处理，然后采用线性交叉的隶属函数对其进行评分。线性交叉隶属函数能较好地反映指标的模糊性[14-16]，其具体函数形式如图2所示。

图2 线性交叉型隶属函数

(3) 舒适性相关指标评价方法。对于舒适性下属的RULA分析和姿态合理性得分采用DELMIA软件所提供的数据对其进行评价。对于相对代谢率将采用国家工作强度等级评价标准对其进行分析与评价。

(4) 心理负荷相关指标评价方法。对于心理负荷下属的工作重复度、噪声、照明和色彩等指标进行评价时，可以参考如《工业企业噪声卫生标准》《工业企业照明设计标准》等国家相关标准进行分析评价[17]。

(5) 工作特性相关指标评价方法。对于工作特性所属的工序合理性、作业合理性和动作经济性这些指标将分别依据产品工序图、人机关系图和装配动作影像分析法进行分析与评价[18]。

2 装配作业人因工程软件实验平台

2.1 软件实验平台的数据构成

在本研究中，评价数据主要来源于两个方面：① DELMIA软件输出的分析报告；② 评判者依据建立的评价准则进行的人因工程学打分。在数据读取方式方面，对于第一类评价数据，采用读取DELMIA软件输出的txt文档，按照关键字自动提取报告中的评价数据。对于第二部分数据，由于这部分指标的数值不是定值，而且这些数据随着评价对象和相关参数的变化而变化的程度很大，所以这一部分的数据采用手工录入的方式。

2.2 平台使用流程设计

在进入之实验平台后，首先需读取预处理后的分析报告文档。在分析报告处理完成之后，对装配模型进行干涉检验。如果通过了干涉检验，评价将按照评价流程继续进行；否则，系统会报错，在对装配方案进行修改之后，才能继续进行评价。然后系统进入数据输入界面，在这里将输入需要主观评分指标数据。最后是数据的综合评价部分，系统将根据之前制定的评价方法进行综合打分，并给出最终的分析评价报告，具体的流程示意图如图3所示。

2.3 实验平台主要功能

图3 评价流程示意图

(1) 评价指标的个性化选择。对于不同的实验案例，实验者在评价过程中所关心的评价指并不相同，所以在实验平台的搭建过程中，设计并实现了评价指标的个性化选择功能，该功能的界面如图4所示。在操作过程中，对于关注的指标在相应的选择框中点亮对勾即可。在选择完毕之后，点击应用按钮确定最终选择的评价指标并实现指标权重值的再分配。在人因工程的实验教学过程中，该功能的实现可以使学生更加深入地理解人因工程设计中的各个影响因素。

图4 指标的个性化选择

(2) 权重体系的个性化选择。对于评价和决策问题来说，权重的设定至关重要。为了让学生们在实验中理解权重设计的原则和重要性，在本实验平台中加入了指标权重体系的个性化选择功能。学生在实际操作中可以通过选择平台中预设的权重体系或者读取评价者自己设计的指标权重体系来实现权重体系的该功能。权重体系个性化选择的实现可以使学生在人因工程实验中更好地理解各影响因素之间重要程度的不同，在人因工程设计过程中明确偏重的方向。

(3) 隶属函数的个性化选择。在评价过程中，评价尺度制定的依据一般是一些由国家和相关权威机构制定的行业标准。这些标准一般是行业内的综合评价情况，对于一些有特殊要求的评价并不适用，所以本实验平台的开发过程中，对于隶属函数添加了个性化选择的功能。学生在实验中可以在相应界面中进行隶属函数的选择，具体的隶属函数选择操作界面如图5所示。

图5 隶属函数选择界面

对于设置模糊统计隶属函数，评价者需要填写一个标准的对于相关指标的统计数据。然后通过实验平台读取该数据形成最终的隶属函数，具体界面如图6所示。隶属函数个性化选择的实现可以使学生在人因工程实验中更好地理解评价标准对制动过程，并且使学生熟悉隶属函数的生成过程。

图6 模糊统计隶属函数设置界面

3 实验平台的应用

本文选取的案例是某型号机械手底部传动与动力部件安装中支撑板的安装过程。如图7所示，虚拟人需要将支撑板从工作台拿到安装工位进行安装。

依据搭建的虚拟装配仿真案例，对机械手底部支撑板的装配方案进行综合评价。在进入人因工程实验平台之后，首先选择需要进行综合评价的分析指标。依据本案例的特点和实际从虚拟装配环境的到的数据，在本次实验过程中选取的评价指标为可视性、可达性、工件布置、作业空间、提举力、搬运力、腰椎负荷、RULA分析和相对代谢率的分析。

图7 安装机械手支撑板的仿真案例

在确定了评价指标之后，需要将DELMIA软件中的评价报告录入实验平台中。分析报告录入界面如图8所示，评价者在选择了正确的路径之后，软件将自动从分析报告中读取需要数据，并对仿真案例进行干涉检验。如果数据读取正确并且通过干涉检验之后，将进入实验的下一环节。

图8 读取归一化分析报告

在这读取分析报告之后，实验软件操作者需要对部分评价数据进行手工录入。对于可视性分析，需要向软件中导入虚拟人的可视性图片，依据虚拟人的可视区域以及建立的评级准则进行打分，如图9所示。

图9 可视性得分录入

在所有的评价数据录入之后，试验平台就可以得出各指标的综合评价得分，如图10所示。

图10 评价结果

在评价结果界面点击分析报告按钮，可以为实验者提供详细的得分情况和分析报告，为装配方案的改进提供方向，具体界面如图11所示。

图11 评价结果明细

以上是对安装机械手底部支撑板的虚拟人的综合评价过程，对于机械手其他部分的装配案例的评价过程与之相似，在这里就不逐一介绍了，最终得到的评价结果如表2所示。

表2 机械手支撑板装配的综合评价结果

通过对综合评价结果的分析不难发现，虽然综合评分是3.77分，表示方案是良好可行的，但是本实验的装配方案中仍存在一些亟需改进的地方。首先，虚拟人在搬运力和提举力得分均低于3分。这是由于支撑板的重量较大，虚拟人在提举和搬运作业时所受的力已经接近或超过对应时刻虚拟人的受力极限。但是由于本案例中搬运路程较短，所以短时间的搬运作业仍是可行的。如果是长时间、长距离的搬运作业，本装配方案就需要进行改进。在装配过程中，对于较重的零部件可以采用电动葫芦来进行搬运，以减轻人体的受力疲劳。

另外，如图12所示，由于支撑板装配工位较低，导致虚拟人在装配过程中始终保持弯腰的姿态，所以在最终的评价结果中，作业者在RULA评价和腰椎受力分析中被扣除了一些分数。对于该问题，可以根据人因工程学的相关原理，提高作业工位的高度，使作业者能保持最佳的作业姿态。

通过以上案例可以看出，本实验平台能很好地反映装配作业的人因工程设计水平。在实践教学过程中

图12 虚拟人进行支撑板的安装

可以激发学生使用人因工程学相关知识对案例修改的想象空间，并可实现修改后的实验验证。直观的评价结果的改变能加深学生对于人因工程学的理解，具有很强的使用价值。

4 结 语

人因工程实验设计的难点在于由于人因工程学中抽象的理论知识过多，导致在实践教学中很难直观地为学生进行展示。本研究针对问题进行了深入的研究，最终建立设计了一套完整的人因工程实验方法。并且本研究基于C#编程语言实现了建立的评价方法，使评价方法得以直观的展示。最终开发的实验平台，使用的方法比较合理且考虑的问题比较全面，为有关人因工程方面的实验设计中提供了一种新的思路，为今后工业工程方面的实验教学提供支撑。但是本研究仍然有需要改进的地方，比如实验平台界面的布局，修改意见的进一步完善等等。另外，基于“互联网+”的概念，本研究接下来会向虚拟仿真网络化和在线实验平台的搭建等方向努力。相信通过本研究的继续深入，会使实验平台更加完善，并不断完善师生教学中的互动模式，向实践教学迈出坚实的一步。

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The Design and Development of the Ergonomics Experiment Platform for the Assembly Operation

YANJi-hong,LOUXu-wei,LULei

(School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

At present, the experimental construction of industrial engineering has been made a great progress, but there are still some limitations in practical teaching of the ergonomics analysis. In order to make the teaching more intuitive, an evaluation method of assembly operation is established in this paper based on the virtual assembly technology, analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method. This research then developed an ergonomics experiment platform for the assembly operation using Visual Studio 2013 programming software and C# language. Realization of the ergonomics analysis platform for assembly operation, the effectiveness of main functions, and practical applications are discussed through a simulated experiment. This platform can enhance the students’ understanding of the ergonomics and provide an effective experimental method for the ergonomics practice and teaching.

ergonomics; assembly operation; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation method

2015-12-22

闫纪红(1972-)，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，博士生导师，主要从事车间过程优化、智能制造、智能维护等研究。

Tel.:0451-86402972； E-mail：jyan@hit.edu.cn

TB 18

A

1006-7167(2016)09-0076-06