大型客机登机门人机工效评价

李磊　吴扬　孙稳

【摘 要】登机门是飞机人员进出的主要通道，是空乘人员接触最多的飞机部件之一，良好的人机工效特性将大大减轻空乘人员的工作负担。以某型客机的登机门为例，针对CATIA V5缺少中国人人体模型的问题，采用国标构建一个完整的中国成年人人体模型尺寸数据文件，并利用CATIA V5自带的人机工效评价模块，以该人体模型与欧美人体模型一起对登机门进行人机工效评价，考察大型客机登机门设计的合理性。评价结果表明：登机门人机工效特性基本满足设计要求。

【关键词】登机门，中国成年人体模型，CATIA V5，人机工效评价

Ergonomics Evaluation of Passenger Entrance Door in large aircraft

LI Lei WU Yang SUN Wen

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】The Passenger Entrance Door which the main channel in and out of the aircraft， is one of the most aircraft parts applied by flight attendants. Good ergonomics will greatly reduce the workload of flight attendants. Taking the passenger entrance door as an example， aiming at the lack of Chinese human body model in CATIA V5， we use GB to build a complete Chinese human body model. Because CATIA V5 have their own ergonomic evaluation module， we evaluate the Passenger Entrance Door using the human body model of the Chinese and the American to study the rationality of the design of the Passenger Entrance Door. The evaluation results show that the ergonomics performance of the Passenger Entrance Door meet the design requirements.

【Key words】Passenger Entrance Door； Chinese Adult Human； Body Model； CATIA V5； Ergonomics Evaluation

0 引言

大型客機舱门必须要能够正产开启和关闭，满足人员、物质的进出和应急撤离的要求，同时在飞行过程中，还需承受气密、飞行等载荷并维持飞机结构的完整性。而登机门作为人员进出的主要通道，是空乘人员接触最多的飞机部件之一，除需具备良好的防差错设计，还需要具备良好的人机工效特性，因此舱门的设计是飞机结构设计中的一大难点，舱门的人机工效评估更是其中关键难点。

目前我国的主机研究所大都采用三维造型软件CATIA进行飞机结构设计。CATIA V5自带人机工效分析的人体模型，该人体模型具有100多个独立的节段，103个人体测量变量，148个自由度，符合人体的生理结构[1]。CATIA中人体模型可进行正向、反向运动学分析，利用该运动学模型，可以进行各种姿势的人机工效分析。

1 数字人体模型的建立与选择

人体模型是进行人机工效学分析的基础工具。CATIA 中自带的人体模型数据，来自美国、加拿大、法国、韩国和日本，没有中国人的人体模型数据。设计人员只能用韩国人或日本人的人体模型代替中国人的人体模型进行人机工效分析评价， 这样必然会得到不合理的分析结果，将我国成年人体尺寸（GB10000-88，中国成年人人体尺寸）的数据与韩国，日本成年人体尺寸进行对比，结果如表1所示。

在人机工效评估中常用的是第5、第50和第95百分位。第5百分位数代表“小身材”，即只有5%的人群的数值低于此下限值；第50百分位数代表“适中”身材，即分别有50%的人群的数值高于或低于此值；第95百分位数代表“大”身材，即只有5%的人群的数值高于此上限值。

从表1中可以看出，中国女性在身高和臂长等方面均与日韩女性有差异，因此准确的评估客机登机门设计首先需要建立一个中国成年人的数字人体模型，需应用我国的中国成年人人体尺寸标准（GB10000-88），在CATIA中建立相应的人体数据模型。

2 建立新的人体模型尺寸数据文件

CATIA中新的人体模型文件通常以.sws的格式保存，一个人体模型文件最多可能包含四个字段，用到以下的关键字[2]：

MEAN_STDEV M（）

MEAN_STDEV F（）

CORR M（）

CORR F（）

MEAN _STDEV段中，需要填入人体变量的具体数值， 包括平均值和标准差，每一个条目占一行，并以﹤变量﹥﹤平均值﹥﹤标准差﹥的方式填入。平均值系统默认厘米为单位， 标准差是建立在厘米单位基础上得出的数据。

CORR段中， 需要填入任意两对变量间的相互关联的数值， 两个变量间的相关性被定义在-1.0～1.0范围之间的一个数值。表示了两个变量之间的相关性， 相关绝对值越高， 变量间的彼此相关性就越高。

3 计算中国人体尺寸各部分标准差

CATIA中建立人体模型文件时，平均值为50百分位的男女尺寸数据，标准差则需根据以下公式计算：

式中，pv为人体尺寸的v百分位数，为相应人体尺寸的50百分位数，s为相应人体尺寸的标准差，k为人体百分位数对应的转换系数，其值见表3。k小于50百分位时公式（1）中取-号， 反之大于50百分位时取+号。

不同的百分位对应不同数据文件， 每一个数据文件的格式、变量序号和均值均相同， 唯一不同的是标准差， 每一个百分位人体对应一个标准差。最终建立的中国成年人的人体模型尺寸数据如图1所示。

4 客机登机门的人机工效评估

考虑到航空公司大部分空乘人员均为女性，比较CATIA中已有的西方女性人体模型参数，如表4：

综合表1和表4，可以得到以下结论：

臂长：中国女性<韩国女性<日本女性<法国女性≈加拿大女性<美国女性

身高：中国女性<韩国女性≈日本女性<加拿大女性<法国女性<美国女性

因此综合考虑，选择第5百分位的中国女性和第95百分位的美国女性来评估登机门的人机工效。

5 人体模型的定位

位置和姿势是影响人机工效分析效果的重要因素。首先需要根据飞机的设计参数来约束人体模型的位置和姿势，从而避免与设计意图和作业空间冲突，此外，人体模型的姿势必须与现实中人体操作习惯接近。登机门位于客机机头左侧，空乘人员通常使用内手柄开关登机门，内手柄位置参数如图2所示：

内手柄关闭位置离地高度为873mm，打开位置离地高度为1390mm，旋转角度为119。内手柄关闭位置离地高度大于第5 百分位数中国女性的手功能高680mm（GB10000-88，中國成年人人体尺寸），同时也大于第95百分位数美国女性的手功能高757.5mm，即操作手柄打开时，第5百分位数女性直立即可抓住内手柄。

6 开门姿势舒适性评估

利用CATIA的人机工效模块进行人机工效分析前，必须要定义好各关节自由度的舒适角度和得分值。首先，根据身体各部位的活动角度范围编辑各部位的角度界限值，在将各部位不同自由度下的活动范围分别划分为几个区域，包括最舒适区域（绿色），次舒适区域（黄色），和不舒适区域（红色），最舒适区域[4]即为首选角度，设定其得分为90分，黄色区域得分为70分，红色区域得分为60分，如图4所示，CATIA软件会根据当前姿势下各自由度所处的角度及分值进行插值和加权计算，最后得出评估分数。

设定人体模型各个关节的舒适角度后， 便可进入姿态分析阶段。对空乘人员开关登机门过程中的任意一个姿态都可以评估分析其舒适与否，如下图4、图5所示：

7 结论

根据国标的中国成年人人体尺寸，建立了中国成年人人体尺寸数字模型，并对所建立的模型在CATIA中进行了实际操作环境的定位约束，在规定了各关节舒适角度的基础上进行了姿势评估。结果表明：

1）登机门的设计基本满足了空乘人员的功能需求，具备良好的使用体验。

2）身高更高的女性，操作登机门的舒适程度更高。

【参考文献】

[1]王黎静.基于2003年标准数据的中国飞行员人体模型[J].计算机应用研究， 2005，32（4）：194-195.

[2]郑午.人因工程设计[M].北京：机械工业出版社，2006：76-99.

[3]陈波，李冬屹，张茹新，邓丽.基于CATIA V5的中国成年人数字人体模型研究[J].人类工效学，2011，17（1）：51-53.

[4]李冬屹，陈波.基于CATIA V5的石油钻机司钻控制房的人机分析[J].石油机械，2008，36（4）：58-61.

[5]陈旭，贾万明，伍镜儒，王哲琪.中国成年人人体尺寸模型与驾驶姿势分析[J].重庆理工大学学报，2012，26（10）：1-5.

[责任编辑：朱丽娜]