基于重工特种作业装备视觉工效的天车驾舱可用性设计研究
魏玉坤 王秋惠
摘要：对重工装备特种作业环境中天车驾舱的视觉工效可用性设计进行充分分析研究的基础上，运用CATIA对机械吊装的天车驾舱进行视觉工效评价研究。能够提高重工装备特种作业设备的工作效率和安全系数，使天车驾驶员更加精确无误地工作，减少不安全事故的因素。
关键词：驾驶舱 视觉功效 可用性设计 评价
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）05-0079-03
引言
起重机驾驶舱作为驾驶员的主要工作场所，其人机环境的相互关系直接影响了驾驶员的作业效率、作业安全。本文基于视觉功效的理论和相关标准，设计分析起重机驾驶舱的视觉功效，以及评价方法为其开发节约成本和开发周期。
一、基于重工特种作业装备视觉工效的天车驾舱可用性设计方法
对重工特种作业装备视觉工效的天车驾舱进行可用性设计研究，将设计的模型通过CATIA数字软件进行视觉工效的人机交互可用性分析。分析重工装备特种作业下人的视觉空间特性，从而有效地提高产品的人机效能和安全系数，以减少产品研发后的缺陷，提高产品的质量。（如图1）设计流程图。
二、国内外现状与发展趋势
桥式起重机主要用于大型物料起重、装运，装卸物料的工作，其用量大，需求高。现代化生产巨大的工业需求大型机械装备进入蓝海区。技术也日趋成熟，使用者不仅限于基本的作业功能，而是向自动化、大型化、专业化趋势发展。兼具舒适、安全，同时不断完善驾驶舱视野最大化和功能。由于国内企业起步较晚，缺少核心零部件的研发和评价系统，与国外工程机械比较来看，存在较大差距。
英美一些发达国家起重机除了向智能化发展以外，更加注重人因影响，不断利用人因工程学系统全面的提升驾驶舱的舒适度性，安全性和操作性。
三、视野和盲区分析
（一）视野分析
驾驶舱的视野与驾驶员的作业效率、安全和操纵有直接关系。视野是眼睛可以观察到的四周范围的总称。按照不同标准可分为直接视野和间接视野、眼动视野和观察视野。（如图2）所示。驾驶员视野指驾驶员处于正常驾驶姿势，眼睛和头部均处于正常活动范围时，直接或间接通过辅助设备获得的视野范围。
（二）视野范围及视野障碍
人能够清楚地辨识物体形状的视野为有效视野，有效视野是以视觉中心线为轴，上10°，下30°，左右均為20°至30°，最佳视野为视平线以下15°，左右各20°，中心3°以内为最佳视野区域。在评价产品时需考虑到人机功效的因素，以实现最佳视野、最大视野来满足人机系统的人机工程学要求。（如表1）所示。
挡住驾驶员视线的所有物体为视野障碍，驾驶员看不到的区域为盲区。驾驶舱的门框、玻璃镶条、操作台、支撑附件等不透明的部件所影响驾驶员的外界视线的区域均为视野盲区。
四、驾驶舱设计
（一）实地调研分析
在本次课题中实地调研一个厂房进行分析，驾驶员作业时大多通过驾驶室狭小的玻璃门窗来观察现场的作业情况，和地面指挥人员联系，通过手势来进行作业。驾驶员通常在距离地面12米左右的高空作业，由于起吊重物比驾驶室内的高度要低，驾驶员在进行作业时视野范围一般处在前方及下方，再加上作业场所光线不定，时长为昏暗嘈杂的场所，作业最远距为25米的区域，（如图3、4）所示分别实地调研75t和63t天车驾驶舱。
由实际的驾驶舱视野图可以看出驾驶员在看远端的重物时形体感存在但不清晰，靠近驾驶舱位置的重物并不完整有操作台和门窗棱的阻挡，而驾驶舱底部和靠近底部位置的重物完全处于视野盲区。驾驶员在吊装过程中，需要精确地吊起或放下重物，存在微调现象，必须要精确地观察到重物及重物周围的环境区域。持续重复地进行此操作，极大地增加了驾驶员眼部的疲劳程度。由于人体的视觉范围有限，加之现有驾驶舱外形上大多采用玻璃钢架造型，存在很大的视野盲区，在驾驶员作业时，经常需要站立，弯腰，前倾，扭动等巨幅动作来观察一些视觉难以看到的区域，给作业带来了极大的不便。致使操作时间长，工作效率低。
（二）天车驾驶舱设计
结合驾驶员作业的实际情况，本文着重对起重机驾驶室的视觉区域进行优化，使驾驶员的视野盲区减少或消失，以实现视觉功效的最大化。降低驾驶员视野的受影响程度，消除作业中的人眼到作业环境区域的阻挡物，通过增加驾驶舱前面玻璃的面积，把前端棱往两边移动，在不影响功能的前提下，尽量减窄玻璃条和棱的宽度，前面的视野变得开阔，驾驶舱的两侧皆为大玻璃窗。把驾驶舱底部的前半部分适当改造换成玻璃地面和钢架来增加视野区域。减少驾驶员眼部疲劳，确保视野清晰，轻松自如地观测吊装作业中环境的各个区域进行安全作业。效果（如图5）所示。
五、基于CATIA V5的视觉评价系统视野分析
（一）CATIA V5视觉评价
CATIA v5以数字^体模型为基础，可以进行视野分析、作业姿态分析、双伸展域分析、人体姿态评估等分析方式。分析方法较全面。为设计师提供了一个直接可以进行人机产品设计和评价的工作平台。
在设计上满足所有人是不可能的，所以我们以尽量满足大多数人的尺寸为依据，一般5%百分位代表矮小身材，95%百分位代表高大身材。如产品设计需要满足90%的人，则通常设定满足5%-95%百分位的区域。目前CATIA的数据库中包含美国、加拿大、法国、日本、韩国、德国、中国（台湾）的人体数据库。或者根据我国官方的数据人体资料（我国1988年制定的人体数据标准GB10000-88，略显过时）在CATIA V5中定制中国的人体。
CATIA V5中的视觉分析功能可以虚拟模仿现实生活中的人的眼睛结构准确实现其视野范围，将人眼的视觉范围分为：右眼和左眼都可以看到的公共区域、左眼和右眼结合使用可看到的区域和左右眼分别看到的区域，并且通过数字图片的形式输出（如图6）所示。蓝色区域为眼睛视野所及区域，深红色为单眼视野所及范围，红色的为盲区。
（二）基于CATIA V5的天车驾驶舱视野分析
经现场考察和问卷调查得知，在驾驶舱作业过程中驾驶员在高空中需要重复的循环操作吊钩起升和下降、小车的运动以及货物的位置来完成操作。因此驾驶员需通过眼睛对作业环境读取完整的信息，清晰地看到其位置，并有较快的反应速度。以便进行精确微调来实现吊装作业。驾驶员看到驾驶舱前方的和下方区域即可，并不需左右的位移，但是仍然要清晰了解周围环境，以免在作业进行中发生意外。
在评价驾驶舱视觉功效中，首先模拟驾驶员的操作环境，将选择中国（台湾）95%的人体模型置入设计的驾驶舱中并设定好驾驶员在吊装作业状态中的姿势然后对设计进行评价。（如图7）所示。
国内现有定型生产的通用桥式起重机的起升高度在12～20m。作业环境模拟实地调研的厂房进行特定分析。桥架形式为单梁50t×28m，起升高度为14m，吊钩的最小下放距离为2m。由于驾驶员作业区域在梁下2米至地面，并且需要精确看到吊鉤位置进行吊装作业，将吊钩分两排分布在吊装区域内，只要驾驶员能够清晰地辨识吊钩所在的位置即可进行吊装作业。取边界值吊钩最高作业位置梁T2m，间距4m分两排依次从吊钩的左边界开始分布。将梁下地面区域均匀分割为方块状以便区分。这样区分可以完整地测验出驾驶员所有情况下的视野状况，及视野盲区。
依据人的观察视野，头部扭转方式为水平方向，垂直方向和左右侧的扭转。将头部设置为4个梯度。（如表2）所示。
由于本次模拟环境吊钩在驾驶舱的右方区域所以取右侧，略左侧。
（如图8）可见上仰10°和上仰10°右转15°状态下的视野区域，驾驶员可以看见面前大部分的梁，并且能看见远处起重最高位置的部分吊钩。驾驶员只有在需要看行驶小车和远处吊钩时需要上仰。
驾驶员在平视状态下除最近的吊钩其余可以看全，但是地面只能看到一格。右转15°和右转25°可以清晰看全第一排的吊钩。（如图9）所示。
垂直方向向下10°和右转15°地面均可看到4个格，吊钩第一排明显可见，第二排可看见6个视野明显较之前开阔。（如图10）所示。
垂直向下20°除第二排靠近驾驶舱的两个吊钩处在视觉盲区，其余吊钩均可看见，最远处的吊钩能看见但是由于位置较远处于视觉模糊状态，地面能看到6个格，此时驾驶员处于作业最佳视野状态。向下20度分别转15°、20°可看到显示器和操作台有干涩情况，但是这个在驾驶舱内部设计时均可避免，此外和向下20°状况下无明显差别。（如图11）所示。
右侧10°和18°和平视类似，均可全部看到第一排吊钩，第二排只能看到两个，地面完全处于视觉盲区。此时驾驶员由于完全看不见地面的状况，处于危险作业，因及时更换姿势和地下配合人员进行良好配合，完成作业。（如图12）所示。
综上可知，在向下20°处于作业视野最大范围。配合其他角度上部分的吊钩和前五格的地面均可看到，靠近驾驶舱一侧的30%地面和驾驶舱底部均处于视觉盲区。由于作业空间跨度大，在观测最远处吊钩时虽可以看到，但是由于实际操作空间大部分属于光线昏暗的厂房或者是太阳暴晒的露天场所，均不利于作业，极大降低了作业效率，因此在设计驾驶舱时可以配合数字监控，增加摄像头放置来消除视觉盲区。
（三）天车驾驶舱再设计
通过在CATIA中模拟驾驶员作业，分析其视野状况，根据其数据对设计的驾驶舱进行再设计，在驾驶舱增加数字辅助工具，增加数字显示装置，在驾驶舱的底部、背面，和前面分别增加摄像头，使驾驶员360度范围内实现视觉的最大化，（如图13）所示。由于厂房跨度大，在最远处边界位置虽能能看到物体，但轮廓不清楚，视觉模糊，因此在行驶小车下方增加摄像头，通过显示屏来获取远处的作业情况，提升作业效率。
结语
本文以CATIA中视觉分析功能为依托，对机械吊装天车驾舱的视觉功效进行定量评价，分析结果表明了虚拟方法的适用性可行，为进一步研究驾驶舱的人机功效奠定了基础。随着科技的发展，人们生活水平的提高，对于作业舒适性的要求也随之增长，人机工学的应用和研究范围将不断扩大。
