包装工程 PACKAGING ENGINEERING 2016 年 1 月 基于公共交通型自动扶梯客伤的人机分析与研究 徐建方 1 李向东 2 李耿 3 高瞩 1 3 1. 常州工学院 常州 213002 2. 江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036 3. 西安理工 大学 西安 710054 摘要 目的 基于公共交通型自动扶梯所发生的伤亡事件 研究扶梯客伤事故中几种不合理的人机关系 方法 运用儿童人体尺寸参数的统计分析 人机视觉规律计算方法 人体尺寸数据 虚拟人技术等人机工 程分析方法 对自动扶梯中不合理的安全距离 不足的辨识度 不合理的零部件尺寸以及扶梯的人机设 计缺乏动态设计等方面进行了人机关系的分析与研究 结论 结论 得出自动扶梯安全人机尺寸 并针对自动 扶梯的设计和检验提出建议 关键词 公共交通型自动扶梯 扶梯客伤 人机工程学 JACK 中图分类号 TB472 文献标识码 A 文章编号 1001-3563 2016 02-00-05 Ergonomics Analysis and Research Based on Escalator Passenger Injury XU Jian-fang1 LI Xiang-dong2 LI Geng3 GAO Zhu1 3 (1. Changzhou Institute of Technology Changzhou 213002 China 2. Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Nanjing 210036 China 3. Xi an University of Technology Xi an 710048 China ABSTRACT Based on the public traffic type escalator passenger casualties several unreasonable escalator passenger injury accident statistics is analyzed.using children s body sizeparameters calculation method of human-computer visual rules anthropometric data virtual human technology.ergonomics relationship is analyzed and researched on the design of man-machine escalator not reasonable safety distance and the lack of recognition the unreasonable parts size.safety ergonomics dimension of escalator is obtained the proposal of the design and test is provided. KEY WORDS public traffic escalator passenger injury ergonomics JACK 公共交通型自动扶梯主要架设于火车站 汽车 性的研究有很多 侯建军 申黎明 [3] 从人机工程学角 站 过街天桥 地下通道等人流量大的场所 是公共交 度 对床屏尺寸 材料及人体支撑点对倚靠舒适性的 通系统包括出口和入口处的组成部分 它被高强度使 影响进行探讨 申福林 杜国省[4]利用儿童人体尺寸参 用 即每周运行时间约 140 h 且在任何 3 h 的间隔内 数的统计分析方法对儿童专用校车的人机参数进行 其载荷达 100制动 载荷的持续时间不少于 0.5 h 设计 马西沛 贾会欣等人[5]通过对用户使用手机习惯 和人体特征的研究 提出一种新型手机的设计理念 1 公共交通型自动扶梯现状 而基于公共交通型自动扶梯进行的安全性分析与研 究则主要集中在安全防护设计 儿童尺寸参数统计分 人机工程学是运用人体科学 系统科学 社会学 析 人体统计数据应用 扶梯结构参数设计以及计算 管理学 技术科学等学科的理论与知识 研究人 机和 机辅助人机工程学设计方法等方面 程东东 翟华 [2] 环境之间的关系 探讨通过适当的设计使人机系统达 结合广义功率理论计算方法与安全可靠性理论提出 到高工效和安全性 基于人机工程学进行产品安全 安全人机工程学主动设计方法 叶佳娜 [6] 运用人机工 [1] 收稿日期 2015-09-04 基金项目 国家安全监督总局 2012 年安全生产重大事故预防关键技术科技项目 作者简介 徐建方 1959 男 常州人 常州工学院副教授 主要从事人因工程与空间设计方面的研究
83 徐建方等 基于公共交通型自动扶梯客伤的人机分析与研究 程学的方法对自动扶梯梯级 扶手 斜度等进行分析 和改进 随着虚拟人技术的快速发展 国内外虚拟人 体模型和虚拟环境空间[9-10]的研究已经成为当前人机 工程学研究的热点 马智[7]等人提出了中国人体模型 的构建方法 并给出了运用 JACK 软件进行人机工效 分析的具体思路 智睿瑞 刘社明[8]通过在 JACK 中创 建符合我国 1 50 99 的驾驶员的虚拟人模型 分析驾驶舱中可视域 可达域 舒适性等方面问题 并 图 2 自动扶梯主要装置 提出改进意见 Fig.2 The main device of escalator 由此 针对公共交通型自动扶梯人机问题进行的 研究还很不深入 随着我国各地地铁的大量兴建 公 共交通型自动扶梯的需求量极大 其安全性问题越来 越突出 直接关系到人民群众的人身安全 基于此 亟需分析公共交通型自动扶梯上乘客的各类伤亡事 件 运用儿童人体尺寸参数的统计分析 人机视觉规 律计算方法 人体尺寸数据 虚拟人技术等手段 对自 动扶梯与乘客相关的尺寸进行设计分析与深入研究 并提出具体的修改建议 2 扶梯客伤事故中的不合理人机关系 自动扶梯基本结构及其主要装置见图 1-2 公共 交通型自动扶梯的主要结构包括梯级 牵引链条 梯 路导轨系统 驱动装置 张紧装置 扶手装置 金属结 构以及安全装置等若干部件 类事故的主要受害者 事故的发生正是因为不合理的 人机关系所致 主要包括安全距离设计得不合理 扶 梯梯级与标志等设计的辨识度不够 零部件尺寸设计 得不合理以及扶梯人机设计没有进行动态分析等 3 扶梯人机工程学分析与设计 国家电梯标准化技术委员会于 2011 年制定发布 了 GB 16899-2011 自动扶梯和自动人行道的制造与 安装规范 标准主要参考了欧洲标准 EN 115-1 但较 少考虑到扶梯与乘客之间的人机关系以及中国人的 人体尺寸 3.1 安全距离设计 在公共交通型自动扶梯的事故中 最多的一类事 故就是机械夹人 儿童往往是极易受到伤害的人群 故应对儿童尺寸进行重点设计分析 在国标中所提 供的人机工程学尺寸数据尚没有儿童的相关尺寸 主 要是儿童处在成长期 尺寸变化比较大 这里调研了 3~6 岁儿童的指尖 手掌 足尖等数据 一共 50 组 基 于人机原理进行统计归纳 见表 1 表 1 儿童的指尖 手掌 足尖的数据 Tab.1 Data of childrens fingers, palms, toes 均值 标准差 指尖/mm 4.46 0.028 手掌/mm 6.23 0.072 足尖/mm 8.51 0.140 项目 图 1 自动扶梯基本结构 儿童 Fig.1 The basic structure of escalator 3~6 岁 扶梯的客伤是指在公共交通型自动扶梯上 扶梯 入口处 扶梯出口处发生乘客伤亡的事件 从江苏省 特检院公共交通型自动扶梯全国事故 100 件案例的统 计数据表明 公共交通型自动扶梯的事故呈现出不同 的特点 其中机械夹人事件最为典型 占事故总数的 54 而且机械夹伤造成的后果往往很严重 儿童是这 子样本平均数 1 子样本方差 & & 2
84 包 装 工 程 欲求出第 1 百分位的儿童尺寸 xa 时 则计算公式 2015 年 1 月 因此建议安全标志直径为 250 mm 若安全标志为圆角 矩形 则圆角矩形边长为 250 mm 如下 3 & 当 a 取 1 时 变 换 系 数 K 为 -2.326 便 得 到 x1 为 3.3 零部件尺寸设计 我国现行各大扶梯厂商在零部件尺寸的设计上 4.39 mm 由于指尖为乘客身体部位的最小尺寸 为了防止 差异性很大 缺乏统一性 不便于制造质量的科学监 手掌 手指 脚趾被夹的危险 扶梯的间隙设计只要小 控 也存在安全隐患 这里重点对扶手带的高度 宽 于第 1 百分位的儿童指尖值 故得出其间隙应设计小 度 梯级的宽度 高度等尺寸进行验证性设计 手部尺寸见表 2 考虑到女性穿高跟鞋的尺寸修 于 4 mm 正量为 25 mm~38 mm 而手肘的舒适位置倾斜 5 ~ 3.2 辨识度设计 10 因此扶手带的高度可确定为 960+25mm 功能 在扶梯的伤亡事故中 摔伤最为典型 主要发生 在扶梯入口处和出口处 由于乘客刚踏入自动扶梯 修正量 +50 mm 心理修正量 =1035 mm 故建议公共交通型自动扶梯的扶手带高度可统一 时难以看清情况 极易踩到两个梯级中间导致摔伤 为 1000 mm 由于表 2 只是对成年人进行分析 没有考 因此扶梯梯级设计中 两梯级之间的辨识度设计显得 虑到儿童尺寸因素 这里对儿童的尺寸进行了统计分 极为重要 析 得出儿童的扶手带高度可选为 500 mm~600 mm 根据人机视觉规律 人们辨别不同颜色时 易辨 认的顺序是红 绿 黄 白 当两种颜色混合在一起 综上所述 依次可确定扶手带统一宽度为 85 mm 梯级 的深度不应小于 380 mm 高度不应大于 240 mm 时 易辨认的顺序是黑底黄字 黄底黑字 黑底白字 表 2 手部尺寸 紫底黄字 紫底白字等 考虑到梯级钢条是黑色的 Tab.2 Hand sizes 最佳的配色可确定为黄色 故一般在边框上刷黄漆以 提醒人们注意梯级 而且在 GB2893-2001 安全色 中 规定 黄色表示注意 警告的意思 警告人们应注意黄 色标记的器件 设备或环境等 通常扶梯梯级设计为 黑色 边框为黄色 为人们乘坐扶梯增强辨识度 此外 扶梯安全标志对人们乘梯也起到重要的警 示作用 自动扶梯标志见图 3 当前全国各地的扶梯 男 18~60 岁 百分位 1 5 10 50 90 手肘高/mm 925 954 968 1024 1079 手长/mm 164 170 173 183 193 196 202 手宽/mm 73 77 87 89 91 食指长/mm 60 63 64 69 74 79 小 且标志的辨识度不够高 根据人机工程学视觉规 百分位 律 认读字符的相关尺寸应符合近似计算公式 4 其中 H 为字符高度 单位为 mm L 为观察距离 99 1096 1128 女 18~55 岁 标志大小因具体扶梯各不相同 缺乏统一的尺寸大 [11] 95 1 5 10 50 90 手肘高/mm 873 899 913 960 1009 手长/mm 154 159 161 171 180 183 189 手宽/mm 67 70 71 80 84 食指长/mm 57 60 61 66 71 72 95 99 1023 1050 单位为 mm a 为人眼观察视角 3.4 公共交通型扶梯的动态尺寸设计 扶梯的尺寸设计过程中 除了考虑静态尺寸外 还应考虑动态尺寸 这里基于 JACK 虚拟人技术 以 图 3 自动扶梯标志 Fig.3 Escalators sign 苏州地铁乐桥站 7 号口公共交通型扶梯为研究对象 进行详细的动态人机分析与评价 3.4.1 基于 JACK 虚拟人技术分析的一般流程 认读安全标志一般设置在自动扶梯入口处 取 L 基于 JACK 虚拟人分析一般分为 3 个阶段 即场景 为 2000 mm a 视角约为 45 根据公式 4 计算得出 H 构建 人机模拟 及分析与评价 基于 JACK 虚拟人技 为 250 mm 而 GB16899 规定标识直径不小于 80 mm 术分析流程 见图 4
85 徐建方等 基于公共交通型自动扶梯客伤的人机分析与研究 2 可达域 自动扶梯设计中 可达域分析主要指 乘客头和手与建筑物之间的距离 以及上行扶梯与下 行扶梯之间的距离 可达域的分析中应考虑到儿童 手肘与扶手带之间的距离 5 岁的儿童和第 95 百分位 的人可达域分析见图 8 图 4 基于 JACK 虚拟人技术分析流程 Fig.4 The analysis flow chart of JACK based on virtual human technology 3.4.2 虚拟人体模型的建立 图 7 第 95 百分位人在自动扶 图 8 5 岁的儿童和第 95 百分 梯的视域分析 位的人可达域分析 Fig.7 The ninety-fifth percentile Fig.8 Analysis of human analysis in view of person of reachable domain between 5 escalator years old children and 由于这里使用的 JACK 并不提供中国人的人体模 ninety-fifth percentile 型 在自动扶梯模型导入后 需自行建立人体尺寸模 型 见图 5 利用 GB 10000-88 中中国成年人体尺寸 结果表明 第 95 百分位乘客与建筑物之间的距离 标准中对应的人体数据 第 5 50 95 百分位男子以及 5 合理 考虑到儿童好动好玩的特点 这里对儿童腰部 岁儿童的人体模型见图 6 弯曲角度均进行了相应调整 得到儿童易于接触梯级 之间的间隙 以及能接触到梯级与挡板之间的间隙 3 力 与 扭 矩 JACK 的 Human Force and Torque Analysis 是分析力与扭矩的主要工具 由于是三维状 态下的分析 因此使用的是世界坐标 而实际使用中 都是局部单维力 比如扶梯上乘客手的摩擦力 这个 力应该是平行于扶手带作用在手指上的 因此 在分 析中需要进行局部坐标与世界坐标力的转换 先对 图 5 人体尺寸模型 Fig. 5 Body dimensions 图 6 第 5 50 95 百分位男子以及 5 岁儿童的人体模型 Fig.6 Fifth fiftieth ninety-fifth percent of men and the human body model of 5 years old children 给定的力进行局部坐标的分解 分解方程转换如下 & ( & & & & & ( ( 对于第 5 百分位的乘客而言 手抓扶手带受到沿 x 轴向摩擦力的作用 根据力学关系 Fx=400 N 输入 JACK 力与扭矩分析工具中得到分析 见图 9 结果显 3.4.3 基于 JACK 虚拟人技术的动态分析 1 视域 JACK 软件的视域分析模块可以产生乘 示右胳膊上部关节受到较大的力作用 对于自由度来 讲 虚拟人肩部正面方向和顶面方向自由度较大 客的视区图及双眼的视锥图 通过分析 可得第 95 个 百分位乘客在自动扶梯上具有较好的视域 但在入口 4 结语 处由于通道高度不够 显得空间有些压抑 第 95 百分 位人在自动扶梯的视域分析见图 7 基于公共交通型自动扶梯的一些典型伤害事故
86 包 装 工 程 2015 年 1 月 2009. [4] 马西沛 贾会欣 吴婷.基于人机工程学的双屏手机研究[J]. 包装工程 35 14 61 64. MA Xi-pei JIA Hui-xin WU Ting.Double-Screen Mobile Phone Based on Ergonomics[J].Packaging Engineering 35 14 61 64. 图 9 第 5 百分位的人受力与扭矩分析 Fig.9 Analysis of force and torque of fifth percentile 分析了扶梯客伤事故中不合理的人机关系 对其安全 距离的设计 辨识度设计 零部件尺寸设计 公共交通 型自动扶梯的动态设计提出了具体的改进措施 改 进内容主要有 1 防止手掌 手指 脚趾被夹的危险 其间隙应设计为小于 4 mm 2 扶手带与墙体大于 400 mm 扶梯之间距离大于 600 mm 3 扶梯每个安 [5] 程东东 翟华 永成赵.安全人机工程学主动设计方法研究 [J].锻压设备与制造技术 2013 6 9 11. CHENG Dong-dong ZHAI Hua YONG Cheng-zhao.Study on the Method of Design of Active Safety Ergonomics[J]. Forging Equipment and Manufacturing Technology 2013 6 9 11. [6] 叶佳娜.自动扶梯的安全人机工程学分析及改进[J].工业设 计 2010 5 115 116. YE Jia-na.Analysis and Improvement of Safety Ergonomics of Escalator[J].Industrial Design 2010 5 115 116. 全标志的直径设计为 250 mm 4 扶手带的高度统一 [7] MAATTA T.Virtual Environments in Machinery Safety Analy- 设计为 1000 mm 5 扶手带统一的宽度为 85 mm 并 sis and Participatory Ergonomics[J].Human Factors and Ergo- 将人机分析软件 JACK 应用于自动扶梯的设计中 使 nomics in Manufacturing 2007 17 5 435 443. 人机关系更合理有效 [8] SIEFERT A PANKOKE S WOLFEL H.Virtual Optimisation of Car Passenger Seats Simulation of Static and Dynamic 参考文献 [1] 王保国 王新泉 刘淑艳.安全人机工程学[M].北京 机械工 业出版社 2012. WANG Bao-guo WANG Xin-quan LIU Shu-yan.Safety Ergonomics[M].Beijing Machinery Industry Press 2012. [2] 侯建军 申黎明.床屏设计的人机工程学探讨[J].包装工程 35 4 32 35. HOU Jian-jun SHEN Li-ming.The Bed Screen Design Based on Ergonomics[J].Packaging Engineering 35 4 32 35. [3] 申福林 杜国省.学龄前儿童专用校车座椅参数设计[C]// 2009 中国汽车工程学会年会论文集 2009. SHEN Fu-lin DU Guo-sheng.Preschool Children Special School Bus Seat Design Parameters[C]//2009 Chinese Automobile Engineering Society Annual Meeting Proceedings Effects on Drivers Seating Comfort[J].International Journal of Industrial Ergonomics 2008 38 5 410 424. [9] 马智 薛红军 苏润娥.基于 JACK 的人体建模与人机工效分 析[J].航空计算技术 2008 1 97 100. MA Zhi XUE Hong-jun SU Run-e.Based on JACK Human Modeling and Analysis of Ergonomics[J].Aeronautical Computing Technique 2008 1 97 100. [10] 智睿瑞 刘社明.基于虚拟人的驾驶舱布局分析[J].机械制 造 2014 2 32 35. ZHI Rui-rui LIU She-ming.Analysis of the Cockpit Layout Based on Virtual Human[J].Machinery Manufacturing 2014 2 32 35. [11] 刘刚田 吉晓民.人机工程学[M].北京 北京大学 2010. LIU Gang-tian JI Xiao-min.Ergonomics[M].Beijing Peking University 2010. 上接第 81 页 [9] 张吴湖. POP 瓦楞纸板展示架的形态与结构设计研究[D]. 无锡 江南大学 2008. ZHANG Wu-hu.Conformation and Configuration Research on POP Corrugated Displays[D].Wuxi Jiangnan University 2008. [10] 林立平.纸家具的设计策略与原则[J].家具与室内装饰 2010 11 48 49. LIN Li-ping.Study and Design of Modular Children Cardboard Furniture[J].Furniture Interior Design 2010 11 48 49. [11] 李莉.纸在家居设计中的应用研究[J].包装工程 35 16 75 77. LI Li.The Application of Paper in Furniture Design[J]. Packaging Engineering 35 16 75 77.