船舶复杂建造工艺人机工程仿真评价方法

0 引 言

船舶工业是典型的劳动密集型行业，由于船舶自身结构和建造工艺的复杂性较高，船舶总体生产的自动化水平相对较低，建造过程中需投入大量劳动力进行手工装配、焊接和舾装等操作。由于船舶的结构复杂、空间利用率高，很多复杂区域存在施工难的问题，需要工人在较为恶劣的环境下施工。然而，目前很多船厂在工艺设计方面缺乏人机工程角度的可行性验证手段，工艺设计更改和优化的周期较长，方案优劣依赖个人经验，在实际生产中时常出现工人操作可达性差、空间不足、盲装作业、疲劳作业和作业环境恶劣的现象。

仿真的运行过程即工人装配的过程，表现为仿真环境中各模型在某时间点执行某装配操作[1]。人是特殊的资源，在仿真验证中仅避免空间的干涉是不够的，还需从人机工程的角度分析整个仿真过程[2]。人机工程仿真技术通过用虚拟样机取代物理样机，用虚拟人体取代实际操作人员，仿真形成虚拟人操作虚拟设备的场景，从而实现对人机系统的可视化仿真和评价，创造最适于人类工作的机械设备和作业环境。本文通过分析人机工程在汽车工业、航空航天工业等先进制造业领域的仿真应用情况，结合船舶建造的特点，提出一种船舶复杂建造工艺人机工程仿真评价方法和评价指标，为开展船舶复杂建造工艺人机工程仿真和分析评价提供方法和技术支持，避免设计失误，降低研发制造成本，提高生产效率。

1 船舶建造人机工程仿真应用需求分析

随着科技的不断发展，人机工程学在以汽车工业、航空航天工业为代表的先进制造业领域得到大量应用。

1.1 人机工程学在汽车制造领域的应用情况

在汽车制造领域，人机工程的思想基本上贯穿了整个设计制造流程，主要应用包括以下2个方面：

1) 以用户体验为核心，基于人机工程学的布置设计。在汽车布置设计中，由于很多设计内容与乘员的操作、舒适度、安全和健康密切相关，故人机工程学是首先要考虑的因素。特别是汽车内部的布置，需满足操作方便、乘坐舒适和安全可靠等要求。例如，基于人体的操作范围和操作力的特点，对踏板、方向盘、操作杆、操作件及其他有关内饰进行综合布置，使驾驶员的操纵自然、迅速、准确、轻便，又不易感觉疲劳。

2) 基于人机工程学的制造工艺设计。在3D数字环境中完成一个虚拟操作动作并进行分析，可事先查明并解决很多实际制造过程中可能出现的问题，避免在实车试制时因发现问题再次改进而增加成本。

1.2 人机工程学在航空航天领域的应用情况

为保证操作人员能安全、准确、高效地完成既定任务，航空航天领域的人机工程学应用大致可划分为以下3个模块：

1) 基于人机工程学的舱室布置设计。这主要包括：基于人体尺寸和心理特性的座舱结构设计；基于人的操作、反应等特性的人工控制设计；基于人的视觉特性的仪表显示和座舱照明的工效学设计；基于人机可靠性的报警系统设计等。

2) 基于人机工程学的制造工艺设计。其关注点和研究思路与汽车制造业相近。

3) 基于人机工程学的作业设计。在航空航天领域，特别是在载人航天活动中，宇航员通常需严格遵守各种操作规程，执行大量的操作任务，以完成载人航天器的发射降落、运行维护、科学试验、舱内外活动及各种空间服务。合理分析宇航员的作业能力和评估作业的可达性、舒适度及安全性具有重大的实际意义。

水力旋流器入口设为速度入口，连续相介质为水，流速为3 m/s，设定颗粒入口处的射流源为面源，颗粒入口速度与液相入口速度相同，离散相密度为2 600 kg/m3，且颗粒粒径分布服从Rosin-Rammler分布[11]；溢流及底流出口均为压力出口，压力设置为0，设置溢流口为逃逸，底流口为捕集；压力-速度耦合方式为SIMPLE，压力离散格式为PRESTO。其他控制方程的离散格式均采用QUICK格式。设置重力加速度为9.81 m/s2。

1.3 人机工程学在船舶建造工艺设计领域的应用需求

人机工程学概念的应用对企业实际的设计制造应用有着巨大的实际意义。结合船厂的实际情况，对船舶复杂建造工艺人机工程应用需求进行归纳总结，主要包括复杂结构制造、重大设备吊装和狭小空间舾装等3个方面的建造工艺。

(3) 对于屏蔽门打火等情况，应找出问题的根本原因并进行处理，不能一味地靠常闭车站钢轨电位限制装置来解决。

1) 复杂结构制造。在虚拟环境中对装配过程进行动态模拟，直观展示产品的装配方法，并进行实时干涉检验，从而使工程人员能预先发现装配过程中存在的各种结构性和空间性问题[3]。

2) 重大设备吊装。主要包括液罐、全回转推进器和舵叶等重大设备的吊装，分析施工过程中的安全性、作业强度及操作性能。

3) 狭小空间安装作业（舾装）。舾装工艺涉及人机工程因素的高复杂性，要求工程师必须全方位分析工人在管路装配过程中遇到的各个因素，而虚拟装配技术的出现为解决船舶管路安装中的人机工程问题提供了一种有效的仿真验证手段[2]。

2 船舶复杂建造工艺人机工程仿真评价方法及指标

在船舶人机工程应用需求的基础上，结合虚拟仿真技术特点，提出船舶复杂建造工艺的人机仿真评价方法和评价指标。

2.1 船舶复杂建造工艺仿真评价方法

图1为船舶复杂建造工艺仿真评价方法，针对船舶复杂结构制造、重大设备吊装和狭小空间舾装等建造工艺，提出船舶复杂建造工艺仿真评价方法：

在对脱硫废水的软化处理过程中，由于氢氧化镁为松软的絮状沉淀且质量较轻，导致其自身沉降性能极差，如果完全软化，将导致软化池内出现大量不易沉降的泥浆，这些白色泥浆在沉降12h之后仍可占据废水体积的九成以上，所以应采用离心分离法、气浮法对传统的混凝工艺进行改良，改善废水中氢氧化镁的沉降。

1) 在适用于船舶复杂区域人机工程仿真的软件平台（Digital Process Manufacturing，DPM）下，构建一个以真实的现场为参考，满足逼真性和交互性等基本要求，为建造过程仿真分析和验证提供近似现实的虚拟空间[4]；

2) 以建造方针和原则工艺等工艺知识为依据，开展具体工艺过程仿真，对仿真过程中发现的可能存在施工问题的狭小区域，用虚拟人进行操作过程仿真；

3) 以船舶复杂建造工艺仿真评价指标为依据，从操作可达性、操作可视性、操作空间、操作舒适度和操作安全性等角度对仿真结果进行人机工程评价，形成评价报告；

图1 船舶复杂建造工艺仿真评价方法

4) 根据评价结果对工艺过程提出改进的意见和建议，为实现精准设计提供技术手段。

2.2 船舶复杂建造工艺仿真评价指标

图2为船舶复杂建造工艺仿真评价指标，主要评价内容包括：

具体而言，首先要建设好网络道德行为规范，重点要可操作性强，要具体到哪些行为是道德行为，哪些行为是不道德行为，让人一看就明。二是通过各种方法与途径使大学生了解网络道德行为规范，培养文明上网的行为习惯。通过教育，让学生懂得，虚拟社会和现实社会没有两样，不能因为网络行为的去抑制性而随心所欲、肆意而为，忘记了起码的行为准则。并时刻以网络道德规范自己的上网行为，不发表不负责任的言论，不肆意攻击、侮辱他人，不造谣传谣，不传播黄色信息等，并能对自己行为的后果负责。

我们只要肯定语言间的差异，那么不可译性就是要面对的问题。对于语言不可译，文化不可译，通常可以采取如下几个翻译策略。

1) 操作可达性，指船舶建造工人是否能到达指定位置完成相应操作的能力，主要从竖直攀爬情况、低矮空间行进情况和姿态调整难度等方面进行评价。

学困生的转化不是一天两天的事情，学困生是一个长期需要去关注去帮助的对象，面对学困生教师要更有爱心、耐心、信心和恒心，只有让学困生得到成长，才有可能真正让全体学生发展。

图2 船舶复杂建造工艺仿真评价指标

2) 操作可视性，指船舶建造工人在操作时其操作对象是否处于最佳的视野范围，主要从定位点、安装点所在视野范围和遮挡情况等方面进行评价。

(2) 减压措施。当发生关阀水锤时，减压阀可以使进入支管的压力在管道的承压范围之内，本文在每条支管分水口处安装可调式减压阀，控制各支管分水口的压力，对5#与4#支管同时或依次关闭300 s工况下5#支管设计流量、最小流量两种情况的支管关闭工况进行进一步的水锤分析计算[14]。

3) 操作空间，指船舶建造工人在操作时空间大小是否便于其施工操作，主要从安装区域空间高度、肩部水平宽度、上臂操作姿态干涉情况和障碍情况等方面进行评价。

如果体温不到38.5℃可以采取物理降温，体温超过38.5℃可以口服退热药，体温达到39℃建议及时就诊。对于一些曾经发生过高热惊厥的婴幼儿可以提前（即不用达到38.5℃）使用退热药和镇静药，以预防惊厥发生。

4) 操作舒适度，指船舶建造工人在操作时的姿势、用力情况和肌肉使用情况是否舒适，主要从快速上肢评估（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）姿态舒适度方面进行评价。RULA评分方法通过对人体各部分的姿势、用力情况和肌肉的使用情况进行研究来评估由于工作原因造成的人体上肢肌肉骨骼损伤风险的大小。

5) 操作安全性，指船舶建造工人在整个操作过程中是否存在潜在的危险，如高空作业、封闭空间等，主要从作业安全性和作业环境方面进行评价。

3 液化气船液罐吊装工艺人机工程仿真验证

液化气船的型号较多，液罐的大小和形状差异较大，在吊装过程中，施工人员需在液罐下方罐体与船体间的小空间内完成环氧浇注等施工操作。相对狭小的空间会给施工人员的实际操作带来极大的局限性，特别是对底部防横摇支座承压木的安装、紧固等装配操作、工具和操作姿态等需求更高，在开展工艺设计时更需认真考虑施工的可行性，避免出现设计可行但装配操作不可行的情况，提高现场施工的效率。

基于上述原因，以液化气船1号液罐吊装过程为例，根据产品的工艺设计要求，在DPM下进行人机工程仿真，并对液罐下方的舾装紧固操作进行详细的仿真和评价分析。

我国社会主义和谐社会建设的伟大实践，既向思想政治教育学科建设与发展提出要求，也为高校思想政治教育学科建设与发展提供了基础。要有效解决当前高校思想政治教育所面临的重大理论与实际问题，提高师生思想政治教育水平，发挥思想政治教育在科教兴国、人才强国中的作用，必须加强思想政治教育学科建设的创新。高校思想政治教育学科建设的主要目标是通过建立和发展思想政治教育学科，科学揭示思想政治教育实践的本质和基本规律，用正确理论指导思想政治教育的实践。其要解决的核心问题是实现思想政治教育由实践形态向理论形态、由经验形态向学科形态、由学科形态向科学形态的转变。

3.1 人机工程仿真建模

在开始人机工程仿真评价之前，需构建好虚拟场景，完成模型摆放和工位布局等任务，仿真建模工作包括：

总之，实现“纲要”课程的教学目的和要求，我们要认真领会贯彻落实《新时代高校思想政治理论课教学工作基本要求》精神，不仅在教学内容上因事而化、因时而进、因势而新，也需从考试考核的环节入手，积极引入过程性考核，形成增强“纲要”课程实效性的合力。

1) 导入船体模型；

2) 根据给出的二维液罐设计图纸和液罐外部保温层设计要求，完成液罐模型的创建；

3) 创建舾装零件和工装工具模型，包括底部防横摇支座的装配螺栓、螺母、顶推螺栓、扳手和承压木等；

4) 虚拟人建模，可创建不同性别、不同国籍、不同人数百分位的数字人体模型，并用模块中的人体测量尺寸编辑器定义身高、臂展和腿长等人体参数，根据现场的实际情况确定模型定制调整人[5]，并将常见的装配姿态存入虚拟人模型库中，以备调整调用。

3.2 难点区域筛选

根据已有的工艺流程和装配工艺顺序新建该分段的工艺顺序库，主要内容为：初期准备→试吊→调整后抬起→滑动侧承压木安装与底座环氧浇注→吊装→底部防横摇支座紧固与环氧浇注→顶部防横摇支座固定。基于液罐吊装流程，在装配流程仿真（Assembly Process Simulation，APS）功能下进行装配仿真，体现吊装过程的总体工艺顺序。在APS的基础上，在产品工艺仿真过程中，在需工人完成施工操作的位置加入虚拟人模型，通过DPM提供的碰撞干涉检查功能和距离测量功能，初步分析各区域操作空间的大小和施工的可操作性，从而筛选出具有代表性的狭小空间和难到达的区域，即滑动侧承压木紧固与环氧浇注。液罐落座之后，滑动侧防横摇支座承压木需与液罐下方承压木紧贴牢固，具体操作通过2个M16顶推螺栓顶推完成，之后还需通过孔洞环氧浇注完成进一步紧固。此时，由于液罐已落下，施工空间较为狭小（见图3），特别是工具的操作空间和人的操作可视性都受到较大影响，通过仿真分析验证工艺的可行性。

3.3 人机工程仿真及分析评价

对于筛选出的第2个难点区域（滑动侧承压木紧固与环氧浇注），其人机工程仿真及分析评价如下。

从企业对专业人才所需的知识、能力结构要求来看，调查结果可归纳为三方面，第一部分是英语语言知识和技能，包含听、说、读、写、译的能力，其中80%的企业认为专业学生缺乏说的能力，45.3%的企业认为其缺乏听的能力，其次依次为译、写、读的能力；第二部分是商务知识与技能，主要包括进出口业务操作、商事法律事务处理、单据缮制、营销、进出口报关，甚至还有货运代理、进出口报检、会计、财务、企业管理、人力资源管理、秘书文员等模块；第三部分是优良的职业素养及较好的跨文化交际能力。

1) 操作可达性方面：图4为滑动侧承压木紧固与环氧浇注操作可达性示意，液罐落座之后，液罐下方高度约为 500mm，施工人员需通过爬行的方式，从液罐下方中部收敛处进入指定的操作区域，且接近操作区域处高度更小，姿态调整困难，总体可达性较差。

图3 1号液罐滑动侧防横摇底座紧固示意

图4 滑动侧承压木紧固与环氧浇注操作可达性示意

2) 操作可视性方面：图5为滑动侧承压木紧固操作可视性示意，在上、下顶推螺栓操作过程中，支架板1和支架板2分别会对整个操作过程的可视性产生一定影响，虚拟人只有进行姿态调整才能观察到具体操作对象；在环氧浇注时，支架板2和支架板3也会对观察视野造成一定的影响，故可视性总体评价较差。

图5 滑动侧承压木紧固操作可视性示意

3) 操作空间方面：图6为滑动侧承压木紧固操作空间示意，在下部顶推螺栓操作中，虚拟人侧躺，支架板2限制拧紧操作中工具的活动范围；在上部顶推螺栓操作中，支架板1和紧固螺栓2分别对虚拟人及其手持工具的操作造成一定的干涉影响，加上船体和液罐间空间本身相对狭小，虚拟人进行装配操作存在较大的困难；在环氧浇注操作中，高度上的限制也影响虚拟人的操作姿态。总体而言，操作空间较小。

图6 滑动侧承压木紧固操作空间示意

4) 作业疲劳方面：图7为滑动侧承压木紧固与环氧浇注舒适度示意，进入操作空间需爬行一段距离，操作过程中虚拟人背部长时间处于弯曲状态，手臂需多次举起，下肢处于蹲姿或坐姿，负荷＜5kg；同时，由RULA评价分析可知，作业姿态整体较差，易产生疲劳和身体损伤，总体评价较差。

图7 滑动侧承压木紧固与环氧浇注舒适度示意

5) 安全生产环境方面：在吊装液罐时应避免处于危险位置下方，液罐落座之后操作相对较为安全；操作空间相对封闭、狭小，光线较差，应注意采光和避免碰撞；安全生产环境方面总体评价较差。

综上所述，该区域可勉强完成相关操作，但人机工程总体评价结果较差，施工效率较低，特别是上部顶推螺栓的拧紧操作，空间约束尤为明显。但是，考虑到安全生产等因素，施工阶段已限定，故在结构和施工阶段无法改变的情况下，考虑适当改变施工环境和培训施工人员。具体方案为：

(1)R1={T×T,M×M,P×P,Q×Q}。其中T×T，M×M，P×P，Q×Q均为R1的子集，依次表示同一任务视图中两节点之间关系组成的集合、物料视图中两节点之间关系组成的集合、工艺视图中两节点之间关系组成的集合、质量视图中两节点之间关系组成的集合。

1) 增加相应的工装。例如增加滑行工装，降低施工人员爬行的难度，节省体力，缓解作业疲劳度。

2) 固化施工人员。该区域的施工尽量由身材娇小的人员承担，开展有针对性的培训，提高操作熟练度。

3) 模拟仿真运用于培训。基于三维模型，在施工前通过VR手段进行模拟仿真，使施工人员充分掌握现场可能遇到的情况，降低现场操作时的不可预知性。

4 结 语

本文通过分析人机工程学在汽车和航空航天领域的应用，结合船厂的实际情况，归纳船舶复杂建造工艺人机工程的应用需求，主要包括复杂结构制造、重大设备吊装和狭小空间舾装等3方面的建造工艺；基于虚拟仿真技术，提出船舶复杂建造工艺的人机仿真评价方法和评价指标。以液化气船1号液罐吊装工艺过程为例，仿真吊装过程中施工人员的操作工艺流程，重点对环氧浇注过程中液罐下方施工人员的操作可达性、可视性、操作空间、舒适度和安全性进行人机工程仿真评价，实现评估工艺的准确性、安全性和科学性，避免设计出现差错，确保产品质量，提高建造效率，降低研发制造成本。

目前虚拟人姿态以手工姿态调节为主，对仿真人员的操作要求较高。虽然采用姿态库的方法可大幅提高操作的效率，但总体而言依然耗时较多。未来应在已有研究成果的基础上结合实际应用中发现的问题和需求，通过程序二次开发、引入外设采集设备等手段，进一步提高仿真的效率和真实性。人机工程仿真是产品三维工艺设计的重要组成部分，其本身的价值体现依赖于相应的三维工艺设计。在研究人机工程仿真的同时，应充分对其他相关技术进行研究，最终形成“产品模型→三维工艺设计→工艺仿真（焊接变形仿真/人机工程仿真等）→三维工艺→生产作业指导”这样一条完整的技术路线，从而提高整个生产效率，避免返工情况发生。在目前的工艺路线规划中，人机工程仿真位于工艺设计阶段之后，使得工艺设计完成与仿真结果获得之间会存在一定的时间间隔，无形中会延长整个设计周期。对此，应引入并行工程思想，将船舶人机工程仿真融入船舶工艺设计中，在船舶建造工艺设计的同时进行人机工程仿真，动态完成工艺优化。

【 参 考 文 献 】

[1] 何迪，柳存根. 基于 DELMIA 的船厂生产过程仿真[J]. 船舶工程，2012, 34 (3): 68-71.

[2] 徐慧泽，刘璐，杨树森，等. 基于人机工程的船舶舾装工艺合理性评估[J]. 江苏科技大学学报（自然科学版），2016, 30 (1): 8-10.

[3] 刘阳. 基于 DELMIA 的分段装配仿真研究[J]. 船舶工程，2012, 34 (6): 71-74.

[4] 王占海，翟庆刚. DELMIA 人机工程在飞机虚拟仿真维修中的应用[J]. 长沙航空职业技术学院学报，2009, 9 (4): 36-41.

[5] 尹良. 基于虚拟装配仿真的人机工效分析[D]. 武汉：华中科技大学，2012.