烘焙工序的安全人機改進與仿真分析

王欣 羅振敏

摘 要：烘焙工序作為常見的生產工序，與我們的生活日常息息相關，安全的工作環境是保障工作效率的前提。為了探究烘焙工序作業可能對人員造成的不安全事故和由于人機不匹配造成的身體損傷和疲勞，以某面包生產工藝流程的烘焙工序作為研究對象，以人機工程仿真軟件JACK為工具，建立了符合中國男性身體數據的虛擬作業人員模型和烘焙崗位人機工程仿真模擬，并結合多種工效學分析工具完成了下背部脊柱分析、靜態強度預測、工作姿勢分析和快速上肢評估，辨別出烘焙工序設計中的缺陷，并根據仿真分析數據，對開關位置、推車高度等方面提出改進意見。結果表明，對烘焙崗位設計過程中進行人機工程虛擬仿真，可有效提高烘焙崗位的舒適度和易操作性;改善了烘焙工序的人機效能，為相關行業、產品或工藝的風險管理和人機匹配提供參考。

關鍵詞：JACK軟件;虛擬仿真;烘焙工序;人機工程學

中圖分類號：X 931?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-7312（2021）01-0069-06

Safety Man-machine Improvement and Simulation

Analysis of Baking Process

WANG Xin1， 2， LUO Zhenmin1， 2， 3

（ 1.College of Safety Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

2.Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety & Emergency Rescue，

Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China;

3.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract：As a common production process， the baking process is closely related to our daily life. A safe working environment is the prerequisite for ensuring work efficiency. In order to explore the unsafe accidents that may be caused to personnel by the baking process operations and the physical damage and fatigue caused by the mismatch between man and machine， this article takes the baking process of a bread production process as the research object， and uses the ergonomic simulation software JACK as a tool. Established a virtual worker model in line with Chinese male body data and ergonomic simulation simulation for baking positions， and combined a variety of ergonomic analysis tools to complete lower back spine analysis， static strength prediction， working posture analysis， and rapid upper limb assessment to identify Defects in the design of the baking process， and based on the simulation analysis data， put forward suggestions for improvement in the position of the switch and the height of the cart. The results show that the ergonomic virtual simulation in the design process of the baking post can effectively improve the comfort and ease of operation of the baking post. Improve the man-machine efficiency of the baking process， and provide a reference for risk management and man-machine matching of related industries， products or processes.

Key words：JACK software;virtual simulation; baking process;ergonomics

0 引言

烘焙，又稱為烘烤、焙烤，是指在物料燃點之下通過干熱的方式使物料脫水變干變硬的過程[1]。作為面包、蛋糕類產品制作不可缺少的工序，烘焙存在著許多安全隱患，尤其是不恰當的人機交互造成的人體損傷和疲勞，嚴重影響著工人的生命健康、阻礙了行業的良性發展。

國內外學者針對安全人機工程學的理論、技術和應用開展了系統的研究，如20世紀早期，FRANK和LILLIAN GILBRETH對Taylor提出了工業操作效率研究分析（Time and Motion Study），用于優化作業中的步驟并消除一些多余的動作。王玉華[2]等通過建立多因素模型對駕駛作業的疲勞程度進行了總體評價，提出了評價、預防和減輕駕駛疲勞的方法。程東東[3]等結合廣義功率理論計算方法與安全可靠性理論，提出安全人機工程學的研究發展方向和安全人機工程學主動設計方法。劉杜明[4]等應用人機功效學原理對駕駛艙進行設計并使用JACK軟件對艙內布局設計進行仿真，對舒適性、可達域、可視域等工效進行了評價，并提出修改意見。JA Ross[5]等通過討論化學、熱暴露和體力勞動對工作能力、工傷和健康的影響，進而評估這些因素與風險之間的關系以及對人的神經、肌肉和骨骼系統造成的影響并提出預防措施。André Lusí Tortato Novae[6]等通過以養殖和收獲作業的姿態風險分析為例，進行了作業姿勢分析，并對如何預防工人肌肉骨骼疾病的方法進行了探討。蘇勝[7]等基于JACK軟件對火箭炮乘員艙進行設計仿真與人機工程分析，改善了火箭炮的人機效能。

以上研究促進了對于人機交互的理解，且表明計算機輔助人機仿真人機評價方法已廣泛的應用于人機工程評價中來。但是將此技術應用到完整的工藝和崗位進行的研究卻很少。為此，筆者利用JACK軟件對烘焙崗位進行人機系統安全性模擬仿真，同時采用工效學分析工具對人員動作進行詳細的分析，并結合人機交互的相關數據提出相應改進措施。

1 烘焙工序分析的基本流程

烘焙工序人機工程仿真分析，首先需要構建虛擬仿真分析的基礎模型，其次利用JACK軟件對虛擬仿真模型進行下背部脊柱分析、靜態強度預測、工作姿勢分析和快速上肢評估，得到現有烘焙工序中的不足，最后對烘焙工序進行改進設計，得到分析流程如圖1所示。

2 烘焙工序人機工程虛擬仿真分析

2.1 虛擬作業人員模型構建

JACK通過標準數字人或精準尺寸創建數字人模型，該模型由運動學算法和生物力學算法結合而成[8-10]，能傳達給研究人員自己所見到和所接觸到的物體，是否感覺舒適、是否會受到傷害、疲勞感受和很多其他的關鍵人因工程學信息。根據烘焙崗位操作人員的基本情況，本次仿真以GB10000—1988提供的中國成年男性5%～95%百分位數人體尺寸數據為參考[11]。創建身高176 cm、體重77.5 kg腰臀比為0.87的成年男性作為人體研究對象。建立烘焙崗位的操作人員如圖2和圖3所示。

2.2 虛擬作業環境模型構建

烘焙崗位主要涉及到的工具有烤箱、推車及工作臺。利用JACK三維仿真功能模擬烘焙崗位各工具與人體之間的空間位置關系，得到烘焙崗位人機工程虛擬仿真模型如圖4所示。

將研究工藝的步驟以動作為單位進行劃分，并通過現場了解得到各動作持續時間和負載的數據，見表1。

2.3 JACK任務分析

2.3.1 下背部脊柱分析

下背部脊柱分析工具[12-13]（The Lower Back

Analysis Tool）用來評估在任何姿勢和負載條件下，脊髓力作用于虛擬人下背部的情況。通過該工具可以評估并幫助減少工人下背部脊柱的壓力，降低損傷風險。通過提供給研究者作用在L4/L5椎體關節上的壓縮和剪切力，矢狀、外側和軸向脊柱反應力矩和軀干肌肉活動水平等信息，使研究者充分了解研究對象下背部的受力情況。并將此壓力和NIOSH（National Institute for Occupational Safety and Healty）推薦壓力極限（3 400 N）進行比較，看是否超出推薦壓力極限。

仿真分析烘焙崗位工作人員將發酵好的面包放進烤爐烘焙時背部和脊椎的受力情況如圖5和圖6所示，脊椎受力為1 000 N，遠小于NIOSH標準的推薦壓力極限3 400 N（超過3 400 N意味著該動作會增大少部分工作人員的受傷風險），工作人員脊椎受力健康;工作人員韌帶受力、肌肉受力和骨間受力在正常范圍內，工作人員下背部受力仿真處于健康狀態。

2.3.2 靜態強度預測

靜態強度預測工具[14-15]（Static Strength Prediction Tool）運用人體測量學去評估有多少百分比的人能夠保持某種姿勢的狀態去執行任務。使用靜態強度預測工具對烘焙崗位按開關的動作進行靜態強度預測，結果如圖7所示，Percent Capables表示在這個姿勢的強度下能夠完成工作的人數百分比為：Wrist（手腕）100%、Elbow（肘部）100%、Shoulder（肩膀）100%、Knee（膝蓋）100%、Torso（軀干）100%、Ankle（腳踝）100%，而Hip（臀部）在這種姿勢下能做到的人數百分比沒有達到100%。

所有圖表分析如圖8所示。在這種姿勢強度下100%的作業人員能完成15項動作，8項有少部分人不能完成：角度值（關節角度）全部都在-180°～180°之間，處于正常范圍，其中最大值是膝蓋彎曲的角度值，為170°，其他值均小于170°;轉矩值（關節轉矩）全部在-100～100 N·m之間，處于正常范圍，其中肱骨彎曲值較大接近-100 N·m;平均強度圖中軀干彎曲值超過400 N·m，表明在這種姿勢下軀干處于不健康的狀態。

2.3.3 工作姿勢分析

工作姿勢分析工具[16-17]（Ovako Working Posture Analysis Tool）可以快速查看工作姿勢的舒適性，幫助查找并糾正工作姿勢中易引起工作人員背部、手臂和腿部不適的因素。

通過工作姿勢分析工具，分別對烘焙崗位中的按開關動作和取出面包放在推車上的動作進行姿勢評估，評估等級如圖9所示，按開關動作和取面包動作評估等級分別為二級和三級。等級二代表該姿勢可能會產生有害的影響，但沒有必要立即采取糾正措施;等級三代表該姿勢有不良影響，必須盡快采取糾正措施。

2.3.4 快速上肢評估

快速上肢評估工具[18-20]（The Rapid Upper Limb Assessment Tool）旨在評估特定姿勢或手工作業任務下，工作人員暴露于上肢疾病的風險，評估工作主要包括姿勢、肌肉的使用、負載的重量、任務的持續時間和頻率。結果表明拿取面包和按開關這兩個動作在操作時均會造成工作人員的不適，需要盡快調查改變，見表2。由于按開關動作和拿取面包動作不可避免，所以需要對開關位置和推車設計上進行改進。

3 根據仿真結果給出優化建議

3.1 烘焙崗位布置改進

依據相關作業空間設計基本要求和標準，針對烘焙崗位的分析結果，對烘焙崗位布置進行改進設計，主要改進包括

1）工作姿勢分析結果表示在推車上放面包這個姿勢對人體有不良影響，結合現有人機工程學標準，要求貨架最低層規定高度大于等于350 mm，實際上的推車高度為200 mm，需要適當提高推車最低層高度，減少工作人員彎腰程度，在一定程度上可以避免對人的損傷。

2）由于烘焙崗位開關動作頻繁，所以著重使用工效學分析工具分析了開關工作。研究結果表明，由于開關位置的不合理對工作人員造成了一定損傷。結合實際情況通過對開關位置進行重新設計，使所有開關集中在烤箱的一側，并通過適當提高開關高度，可降低工作人員受到損傷的概率。

3）對烘焙崗位操作工藝進行逐個分析，并結合實際調查情況發現給成型的面包涂抹醬料時，由于醬料桶缺少把手，需要工作人員頻繁彎腰并且容易滑落，所以通過在醬料桶處設置把手，可提升了工作人員手持高度，減少工作人員的操作不便和彎腰程度，在一定程度上避免人體損傷。

4）根據現場詢問調查發現，烘焙崗位工作人員在烤箱里面拿取面包時，由于所戴手套太短，導致胳膊接觸烤爐內壁而燙傷。在改進過程中，可通過增長手套長度，降低燙傷事故的發生概率。

依據改進后的烘焙崗位進行建模，如圖10所示。

3.2 改進后人機工程驗證

對改進后的烘焙崗位進行人機工程仿真驗證，得到結果見表3。結果表明改進設計后的推車、烤箱等的舒適度和易操作性在一定程度上都得到了改善。

4 結論

1）烘焙崗位確實存在人機交互上的問題，如貨架的高度和開關的位置不合理造成人員在工作中的身體疲勞和損傷。

2）烘培工序中存在醬料桶容易滑落、使用的手套不合理的問題。建議更換成帶把手的醬料桶和長手套，能很大程度上減少對人員的傷害，提高工作效率。

3）改進后的結果顯示，此次改進對崗位人機系統安全性的改善效果顯著。工效分析報告表明，各個危險指標均有所下降。所得結論可為相關行業、產品或工藝在類似問題的解決方法上提供相應的技術指導。

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（責任編輯：張 江）

收稿日期：

2020-12-12

基金項目：

國家自然科學基金 （51674193）;陜西省自然科學基礎研究計劃聯合基金項目（2019JLM-9）;中國博士后科學基金面上項目（2019M663780）

作者簡介：

王 欣（1995—），女，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事可燃性氣體粉塵爆炸防控方面的研究工作。