王 辉， 潘 超， 彭 原

(中国航空无线电电子研究所，上海 201100)

随着生产技术的提高,装备正向着高精密、智能化、自动化的方向发展,装备的复杂程度越来越高。这就直接导致了在产品的全寿命周期中,使用和维护保障难度的增加。不但增加了产品的成本,而且对维修人员的技术要求也进一步提高。因此,在产品的设计初期就应该考虑到产品在实用阶段的可操作性和维护保障的方便性[1]。

维修性仿真分析是应用计算机仿真手段，建立数字化人体模型，对人体按照特定任务执行的要求进行静态与动态仿真，实现设计原则向产品布局、尺寸、形态等各项指标的合理转化[2]。通过维修性仿真分析可以减少实物样机设计修改次数，缩短产品研制周期，减少研制费用，并为产品后期的维修提供有效的虚拟现实技术保证[3]。使设计的产品生产出来后，好维修、好保障，提高产品完好率和任务成功率，减少产品维修资源配置，降低对维修人员的技术水平要求，减少产品全寿命周期费用。

国内很多高校和科研机构对维修性仿真分析方法进行了技术研究和应用分析。文献[4]采用DELMIA软件对民用飞机驾驶舱的人机工效情况进行了评估；文献[5]采用JACK软件对飞机起落架拆卸操作进行了虚拟维修环境的搭建和维修性分析；文献[6]主要对维修可达性的涵义和评价方法进行了研究，并针对具体对象进行了仿真分析；文献[7]直接针对维修过程进行仿真，从而分析装备的维修性；文献[8]对仿真分析的具体实施、维修性分析和评价方法进行了研究。

通过对维修性仿真现状的研究可以发现，目前在维修性仿真分析方面，缺乏系统完善的分析流程和方法[9]。此外，维修时间是典型的维修性评估参数，维修时间的获取一直是维修性分析工作的主要障碍[10]。若能在维修性设计阶段能准确计算维修时间，将极大地提高维修性分析的水平。而现在的维修性仿真分析缺乏对平均修复时间(Mean Time to Repair，MTTR)的评估。

目前，主要使用的维修性仿真分析软件有DELMIA和JACK两种，对这两种软件的比较具体如下。

① 对比软件本身提供的基础功能，JACK提供了30种人体姿态，若干种手部姿态[11]，DELMIA只提供6种基础姿态，未提供手部姿态，因此JACK软件可以有效减少人体建模所需的时间。

② 从可视域方面分析，两者均可以进行人体的可视域分析。但是在JACK软件中，可以为虚拟环境增设灯光条件，可以更好地模拟实际场景[12]。

③ 从可达域和维修空间方面分析，两个软件都可以做可达域分析，并且进行物体碰撞和干涉分析。但是在干涉分析过程中，DELMIA软件显示的是发生干涉的局部区域，而在JACK软件中显示的是发生干涉的两个或若干个整体，JACK更显性化。

④ 从人体运动姿态方面分析，DELMIA软件中只有快速上肢评估分析(Rapid Upper Limb Assessment，RULA)，不能对人的下肢进行分析。但是JACK软件中不仅有RULA，还可以对人的腰部、整个的动作姿态、肌肉受力等进行详细评估。

⑤ JACK软件具有维修动作的时间预估功能，可以预估平均修复时间(MTTR)。

综合上述比较，JACK软件在维修性分析方面具有更大的优势，因此将使用JACK软件作为维修性仿真分析的工具。

1 维修性仿真分析流程

维修性仿真分析主要是用虚拟人完成某项维修工作，然后对工作过程中虚拟人的可视性、可达性、维修姿势和舒适度等进行分析评估。经对相关资料进行分析并结合工程实践，得出维修性仿真分析的流程如图1所示。

图1 维修性仿真分析流程

1.1 虚拟人建立

在建立维修人员的人体模型时，由于维修工作并不需要维修人员具有特殊的身体素质，因此在确定维修人员的身体尺寸时，可以直接使用JACK软件中的中国男性第50百分位数身高和体重建立维修人员的人体模型(如图2所示)。模型的身高为167.8 cm，体重59.0 kg，腰臀比为0.87。

1.2 可达性分析

维修可达性是指维修产品时，能够迅速方便地达到维修部位的特性。通俗地说,就是维修部位能够“够得着”或者容易够着,而无须拆卸、搬动其他机件。维修可达性是产品本身的一种质量特性，是在产品设计时就被赋予的使维修部位容易被达到的固有特性。可达性可以综合反映作业空间、维修通道和零部件布局等对维修工作的影响。

图2 维修人员人体模型

1.3 可视性分析

可视性是维修性必须满足的最基本要求，其设计必须满足如下基本准则：维修作业空间应根据人体尺寸设计，作业空间大于人体最小作业空间；维修人员在维修过程中应能够看到自己的操作动作，如在目视情况下进行的视觉定位动作、反复动作和逐次动作等。

1.4 工作负荷分析

1.4.1 快速上肢分析

快速上肢评价RULA是由诺丁汉大学的职业工效研究所的McAtamney博士和Corlett博士提出的一种人机工效分析方法[13]，该方法主要通过对人体各部分姿势、用力情况和肌肉的使用情况进行研究来评估因工作造成人体上肢肌肉骨骼损伤风险的大小。

1.4.2 下背部分析

下背部受力分析是对特定环境下人体脊椎受力对下背部的影响进行分析。其原理是利用先进复杂的生理学下背部模型，计算L4/L5脊椎处的压力，并将这个压力和NOISH推荐的压力(3400 N)和极限压力进行比较。

1.4.3 工作姿态分析

维修人员在给定空间内进行维修作业时，会采用各种适合于维修操作的姿势，但是这些姿势并不一定利于维修人员的身体健康，因此有必要对维修空间内的维修人员的姿势做分析，如果不符合要求，则有必要对布局进行更改甚至重新布局。

2 维修作业分解

为实现虚拟维修任务快速、逼真的仿真以及准确预计修复性维修时间的需要，将维修事件分解为维修任务，再将复杂的维修任务进一步分解为基本维修任务和维修动作。本文中将装备维修分为4个层次：维修事件、维修作业(Maintenance Task,MT)、基本维修作业(Elementary Maintenance Activity,EMA)和维修动作。维修事件是指维修的名称；维修作业是维修人员执行维修工艺的全部活动过程；基本维修作业是指一项维修活动可以分解成的工作单元，它是维修作业分解的最低层次，例如拧紧螺钉、安装垫片等。面向维修仿真的维修作业分解示意如图3所示。

图3 面向维修仿真的维修作业分解

表1为某台架更换处理机的维修层次分解。

表1 某台架更换处理机的维修层次分解

3 实例应用

以某台架为研究对象，对更换处理机1的维修作业开展维修性仿真分析。首先将.wrl格式的席位台架三维模型导入至JACK软件中，如图4所示。台架盖板的视图和机箱的视图分别如图5和图6所示,盖板由螺钉固定，拆除盖板后即可取出处理机。

图4 台架正前方视图及侧视图

图5 台架机箱盖板图

图6 台架机箱图

3.1 维修性仿真分析

3.1.1 可达性分析

利用包膜工具来分析虚拟人的可达性，形成的包膜代表虚拟人的手部能够到达的所有可能位置形成的一个空间表面，如图7所示。图7中包膜可以覆盖维修对象(机箱盖板及把手)，可达性良好。

图7 拆卸盖板螺钉可达性分析

3.1.2 可视性分析

利用虚拟人的视觉窗口能够直观地看到维修人员在不同位置和不同姿态下的视觉范围内的景象，从而可以判断在维修过程中是否满足可视性的要求，如图8所示。从图8可以看出，拆卸盖板螺钉时，维修人员可以清晰地观测到操作对象，可视性良好。

图8 拆卸盖板螺钉可视性分析

3.1.3 碰撞与干涉分析

碰撞和干涉分析是对实体之间是否存在碰撞进行分析，检查操作的可行性。设置干涉检测对象为维修人员和台架。图9为产生干涉时的示意图，由图9可知，在产生干涉或碰撞时，两检测对象均会显示为红色。通过碰撞与干涉分析，可以检查维修任务的可行性。

3.1.4 工作负荷分析

在维修操作过程中，维修人员会受到相应力的作用，添加受力可以确保维修性仿真分析的准确性。对维修人员在拆卸机箱时受到的力进行分析，受力点为人的手部(如图10所示)，左手和右手受力均为70 N。

维修人员在进行维修操作时，上半身的工作负荷比较重，JACK软件通过评估各个姿态下的上半身的状态，来判断维修操作对人上肢的影响。图11为维修人员在拆卸机箱操作时的快速上肢评估分析结果。由RULA分析可知，在拆卸机箱时，由于工作范围的限制，在采取相应维修姿势的情况下会对维修人员的颈部和手腕关节产生较大的压力，评分均达到7分。必须对姿势进行更改，否则会对人体产生负面影响。

图10 维修人员受力图

图11 快速上肢评估

下背部受力分析是对特定环境下，人体脊椎受力对下背部造成的影响进行分析。图12为维修人员在拆机箱操作时的下背部受力分析结果图。由图12可知，在进行拧盖板螺钉操作和拆卸机箱操作时，维修人员的下背部受力在正常范围内，不会对人的下背部造成不良影响。

维修人员在给定空间内进行维修作业时，会采用各种适合于维修操作的姿势，但是这些姿势并不一定利于维修人员的身体健康，因此有必要对维修空间内的维修人员的姿势做分析，如果不符合要求，则有必要对布局进行更改甚至重新布局。图13为拆卸机箱时的工作姿态分析结果。根据结果可知，拆卸机箱时所需的维修姿势对人体会造成一定的伤害，需进行调整。

图12 下背部受力分析

图13 工作姿态分析

3.2 MTTR预计

JACK软件中的Predetermined Time Standard(工作时间)工具可以利用运动时间测量系统计算出每个维修动作消耗的时间，单位是秒(s)。将各个维修动作的时间相加就可以得到总的维修时间。MTTR评估需要用到JACK软件中的TSB(Task Simulation Builder)工具和Animation工具建立整个维修过程的动画，在Animation界面可以获取整个维修过程所需的时间，即修复性维修时间。

图14 动态仿真画面

3.3 维修性改进意见

通过上述分析可知，该台架由于操作台与底部距离较小，且突出位置较长，导致维修人员在拆卸处理时必须采取对人体有损伤的姿势进行操作，因此需对操作台进行调整。

4 总结与展望

本文提出了系统完善的维修性仿真分析流程及方法，并运用JACK软件的虚拟维修仿真与人机工效评估功能，实现了某台架的维修性仿真过程。通过对其进行可达性分析、可视性分析和工作负荷分析，发现产品存在的一些维修性问题，并针对分析结果提出针对性的改进意见，反馈到设计前端，在进一步设计与后期改型中考虑这些意见，确保产品具备良好的维修性。

另外，本文还提出了利用JACK软件对产品的修复性维修时间进行评估的方法，为设计阶段的维修性预计提供了可靠的技术支撑，且建立的维修性动态仿真分析内容也可以为虚拟维修的发展提供一定的研究思路和发展途径。