家庭装修设计中基于虚拟人疲劳分析技术的应用研究

郝致恒++程云青

摘要：围绕家装设计中的人因优化问题进行研究，对家装设计过程中容易引起人体疲劳的原因开展针对性研究，并以计算机辅助人因工程软件Jack为手段进行了实例验证。旨在发现家装设计过程中的不合理因素，以提高家装设计效率并保证布局设计结果的最优化。

Abstract： In the field of house decoration human factor analysis is paid more and more attention， in which human fatigue analysis takes an important part. This paper focuses on the optimization of human factors in the house decoration process. The purpose is to find out the unreasonable factors in the process of house decoration process so as to improve the efficiency of house decoration and ensure the optimization of the layout design result.

關键词：虚拟人；Jack；家装设计；疲劳分析；布局优化

Key words： virtual human；jack；house decoration；fatigue analysis；layout optimization

中图分类号：TU238+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0140-03

0 引言

当今时代，家的概念不断发展与更新，特别是作为居住的“家”，成为家庭成员生活的根本，家庭装修的重要性越来越得到普遍重视，起居舒适、心理愉悦、活动方便等成为评价家装装修成功与否的主要标准。另一个客观事实是，对多数人在家庭装修过程中经历过不同程度的挫折，或发现问题后拆修返工，装修成本突破预算；或接受由于考虑不周所形成的装修缺陷，忍受给以后的生活带来不便。如何能在装修过程早期发现设计缺陷，及时修改成为一种需要。实际上基于仿真的方法在工业产品设计和制造领域已经有非常成熟和普遍的应用，对提高产品质量起到了积极的促进和保证作用。本文试图将虚拟人疲劳分析技术引入家庭装修活动中，并借助商业软件研究基于虚拟人活动的装修分析过程与方法。最后也将探索“以人为中心”的家庭装修理念。

1 家装设计布局对人体疲劳产生的影响因素分析

1.1 家装设计布局中的人因学

家装设计布局是指，根据家庭活动基本需求，在给定的室内空间场地内，对多个设施的空间位置做适当的分配安排和最有效的组合，以期获得最大的使用效益。所谓的设施包括占据空间的任何实体，如橱柜、洗衣机、冰箱、抽油烟机、灶台、操作台、桌子、货架等，当然也包括人员本身。

优化的家装设计布局，是保证家庭资源有效利用，体现“以人为中心”的家居生活理念的最好体现，具体包括：

①提高效率。合理的家装设施布局，可以简化家庭活动的操作顺序，减少疲劳动作发生，实现室内活动的均衡性。②提高安全。设施布局合理，可以避免室内物体搬运路线过长、过复杂而引起的碰伤、刮伤、烫伤等现象，如高压锅与操作台搬运距离过远，不仅搬运费力而且极易烫伤人员。③改善环境。合理的家装设施布局，使家庭生活更加舒心惬意，为家人提供健康、舒适、安全的生活环境，减少人员的劳动损伤风险。

1.2 人体疲劳分析

人体能量的产生和消耗称为能量代谢能耗，它通过人体的氧耗量反映出来，单位为千卡（kcal），单位时间内人体的代谢能耗称为代谢能耗率，人体的劳动强度是以作业过程中人体的能耗量、氧耗量、心率、排汗率或相对代谢率作为评判指标，除此之外，人体在静态情况下也需要消耗一定的能量，称为姿势代谢能耗。在室内劳动作业中，本文认为人体的代谢能耗可以相应地划分为动作代谢能耗和姿势代谢能耗，其中动作代谢能耗的计算需要提取作业仿真过程的各项动作参数，姿势代谢能耗的计算需要获取作业仿真过程中人体各种姿势的持续时间。

1.3 基于Jack的家庭装修人体疲劳分析基本思路

目前，应用于工程领域和娱乐领域的虚拟人软件并不鲜见。考虑到家庭装修人体疲劳分析的要求，研究中选择Jack软件作为支撑工具。Jack软件是西门子公司的一款工业设计用途软件，不仅含有欧洲人和亚洲人的人体测量数据，能够支持虚拟人建模与运动仿真，还有人的疲劳程度、舒适度、力量等生理学参数，在社会生活、工业设计、体育与军事训练等领域得到了广泛应用。根据Jack的特点，基于Jack的家庭装修人体疲劳分析基本思路如图1所示。

数据获取是通过实地测量获得论文研究的基础数据，包括房屋和装修部件数据的测量、人体尺寸数据测量以及室内活动数据提取等。使用三维建模软件对测量数据进行建模，包括房屋结构建模、装修部件建模等，之后借助于Jack的三维模型导入模块，将生成的数据模型导入Jack平台。然后在Jack平台中定制一个身体尺寸结构与家装主人相一致的虚拟人模型，借助于Jack的仿真工具栏完成虚拟人室内活动建模和虚拟人室内活动仿真。最后使用Jack的工效学分析模块仿真计算某项室内活动的人体疲劳数据，进行原因分析并提出家装设计的改进意见建议。

注意，三维建模、室内活动仿真、疲劳分析及反馈是一个连续反馈的循环结构，直到设计出最优化的家装设施布局为止。

2 操作台作业的人因学分析与评估

2.1 操作台仿真场景构建

选择笔者居住的80年代老式楼房作为研究对象，以该楼房厨房装修活动作为研究实例。采用3Dmax为三维建模工具，对厨房进行建模。通过实地测量获得该厨房的尺寸为长550cm×宽320cm×高270cm。装修部件为实际规划的内容，包括橱柜、洗衣机、冰箱、抽油烟机、灶台、操作台等，以.WRL格式导出，便于Jack平台使用，厨房3Dmax建模效果如图2所示。

虚拟人建模采用女主人实际身高体重，为162.7cm，61.2kg。虚拟人建模利用Jack软件完成。建模过程采用Jack的虚拟人定制模块，如图3所示。

厨房三维模型导入Jack中，形成支持虚拟人操作台仿真作业活动的三维虚拟场景，如图4所示。左侧是Jack的三维模型导入模块，支持第三方建模软件生成模型（如.WRL格式.JT格式等）的导入。

■

2.2 烹饪活动的任务选取及分析

烹饪是厨房内最常见的活动之一，也是最容易疲劳且需要及时恢复体力的一项活动，过程如图4（右）所示。如果在规划设计不符合人素要求的厨房内长期作业，不仅会产生疲惫感觉和抵触心理，甚至还可能会导致腕关节疼痛及下背痛的症状出现。这里参考美国国家职业安全卫生研究所（National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH）制定的标准，研究人体的疲劳和恢复性问题。分析的核心目的是利用人素工程的改善方法来降低烹饪过程中腕关节受损和背痛的发生机率，这里针对腕关节受损较大的作业进行研究分析。

通过烹饪活动的现场观摩可以确定作业过程中的一系列特征参数，包括初始和终止状态下人体的垂直和水平位置、身体扭转角度、腕部载荷重量、手的握持狀态以及通过时间测量得到的搬运频率和持续时间休息时间等。

假设使用高压锅达成一次烹饪活动通常在0.5h内完成，高压锅自重4.5kg，最大加水量10L，在烹饪活动中人体最大转身动作是90°，搬运高压锅的最大距离是200cm，期间需要搬运高压锅5次左右，有0.1h的休息时间。NIOSH的计算步骤如下：

①计算频率推荐重量极限FIRWL（Frequency-Independent Recommended Weight Limit）。FIRWL=23×（25/H）×（1-0.003×|V-75|）×（0.82+4.5/D）×（1-0.0032A）×FM×CM。其中频率推荐重量极限FIRWL反映人体完成单次搬运作业时身体和肌肉的拉力；搬运频率乘数FM（Frequency Multiplier）介于0和1之间，可以查表获得；物体易抓参数CM（Coupling Multiplier）根据搬运对象的抓取难易程度确定，通常定为0.95和0.90；H指搬运起始或终止时手掌中心距两踝关节中间的水平距离；V指搬运起始或终止时手掌距地面的垂直距离；D指搬运起始与终止时的垂直距离；A指起始点相对于矢状面的身体扭转角度。

②计算独立任务推荐重量极限STRWL（Single-Task Recommended Weight Limit），STRWL=FIRWL×FM。其中独立任务推荐重量极限STRWL反映了人体在整个烹饪活动中所能释放的力量极限以及完成该任务是否会对身体造成过大的力学损伤。

③计算频率搬运指数FILI（Frequency-Independent Lifting Index）。FILI= MLW/FIRWL。频率搬运指数FILI反映了手腕拉力载荷是否超过了推荐的拉力极限，若FILI大于1.0，说明需要进行人素改进以尽可能的保护手腕，MLW指手腕能提供的最大拉力载荷。

④计算独立任务搬运指数STLI（Single-Task Lifting Index），STLI=ALW/STRWL。独立任务搬运指数STLI反映了人体进行单次搬运任务时身体所承受的拉力，该力随着STLI的增加而增大。通常STLI大于FILI且STLI大于1时说明需要进行人素改进。ALW指搬运时手臂的平均负载重量。

⑤计算复合搬运指数CLI，CLI=Max（STLI）+Sum（STLI-FILI）。复合搬运指数CLI反映了人体完成单次搬运任务时身体的受力情况。参照NIOSH制定的标准，当CLI值小于1时，表示该活动安全；当CLI值大于1时，有部分学者持保留态度，认为该活动安全，但是会使手腕损伤和下背痛的发生机率增加；但当CLI大于3将使手腕损伤和下背部受伤机率大为增加，此时必须运用人素工程相关理论对复合搬运作业进行改善。

2.3 烹饪活动的疲劳仿真实验数据获取

将2.2节所分析的复合搬运实验数据代入Jack平台的NIOSH计算仿真模块，点击“Include/Exclude”按钮，得到仿真结果如表1所示，表2为NIOSH实验仿真结果。

图5所示为系统给出的实验分析结果：烹饪人员手臂负重超过了系统推荐的指标值，大多数健康的作业人员可能会觉得此项任务具有挑战性，建议进行以下改进：

FM：减少搬运频率，增加休息时间；

HM：使搬运对象距离身体更近；

DM：减少搬运距离。

根据NIOSH疲劳实验分析结果，我们可以认为在操作台家装设计过程中，应该尽量把操作台设计成直线运作模式，这样人体在搬运高压锅等类似物品时，可以避免身体转身动作的发生，减少疲劳感并提高工作效率。

3 结论

家庭装修活动中，人员的安全性、舒适性和满意度对家庭整体使用效能的发挥起到决定性作用。本文以人因工程学为理论依据，将人体疲劳分析技术运用到家庭装修设计活动中，旨在发现家装设计过程中的不合理因素，实现最优化的家装设计布局效果。

致谢：在论文研究过程中，齐延庆老师提供了Jack软件的使用培训，并对论文撰写进行了耐心指导。感谢齐老师提供的热情帮助。

参考文献：

[1]龚旭，刘涛.中国现代室内设计的发展趋势[J].艺术百家，2010（26）：139-140.

[2]徐明芳.汽车装配生产过程中的人机工程仿真与改善[D].上海交通大学机械与动力工程学院，2006：1-34.

[3]孙林岩.人因工程[M].北京：中国科学技术出版社，2005.

[4]徐孟，孙守迁.计算机辅助人机工程研究进展[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004，16（11）：1469-1474.