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摘要：汽车制造企业工人工效负荷是影响工人身体健康状况和员工企业忠诚度的重要指标，为提升汽车制造领域人性化操作水平，本研究以汽车整车厂操作为研究主体，创新开发了一整套汽车整车制造领域人机工程体系。通过建立覆盖新车型研发和量产全生命周期的汽车人机工程流程体系，制定了整车新项目、新工厂和运行原有工厂等多维度的人机工作方法，基于大数据平台搭建了汽车制造的人机工程数据库。通过主动人机工程，完成新汽车项目开发全过程的人机评估和优化改进，实现了所有操作的人性化设计;通过被动人机工程，进一步优化汽车量产后的现场人机状态，提升现场员工的人机安全感和满意度。创新开发的汽车制造领域人机工程体系，在产品设计源头消除了人机问题隐患，最大限度改善了现场员工的人机环境，在汽车制造领域实现了“以人为本，安全生产”的理念，为汽车整车开发流程改善提供了重要基石。
关键词：主动人机工程;被动人机工程;人机工程体系;汽车制造;创新开发
中图分类号：U 121;TB 18文献标识码：A文章编号：1672-7312（2019）02-0203-05
0引言
汽车制造业是一种典型的劳动密集型产业，负荷高、节奏快、体位差等不良姿势广泛存在。因此，汽车产业职业健康亟待以人为中心的设计理念[1]，而人机工程学研究正是以人为中心，强调人的健康性、舒适性和作业的安全性、有效性[2]。企业可以依据汽车生产线工艺特点和作业环境，运用ECRS（取消、合并、调整、简化）四原则分析存在的不良工效学问题，改善汽车产业工人的工作环境和工作条件。
国际人类工效学学会对人机工程学定义：人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中如何统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科 [3]。
人机工程学是实现以人为中心的设计思想的重要理论基础，也是衡量当代产品设计的重要指标。人机工程在汽车仪表设计[4-5]、汽车前窗刮雨器[6]、汽车制动与加速踏板[7]、军用车辆驾驶室照明[8]、校车内设施[9]、指路标志[10]、生产线包装岗位[11]、汽车组装流水线[12-13]、工程机械[14]、汽车车身零件翻包作业[15]等多个领域获得应用，特别是汽车制造领域目前仍属于劳动密集型行业，汽车工人的工效学负荷与工作相关肌肉骨骼损伤的相关性研究引起了广泛关注[16-21]，因此，人机工程已经成为我国实现工业4.0和“中国制造2025”战略目标的重要提手[22]。以上海通用汽车制造公司为例，详细阐述人机工程体系在汽车制造过程中的创新及应用。
开发了一整套应用于新车型设计开发和量产后工厂正常运行生产的制造领域人机工程体系[23]。在国内车企率先创建贯穿整车开发全过程以及量产后稳定生产全过程的整车制造领域“4+1”人机工程体系（如图1所示）。所谓的“4”是指新车型设计开发阶段的主动人机工程：产品设计人机评审、现场设备人机评审、生产线高度人机评审和料箱/料架人机评审;所谓的“1”是指量产后的被动人机工程：运行工厂人机工程评价[24]。
通过新车型开发阶段产品和工艺设计的人机优化，以及稳定运行工厂的一系列人机改进，增强操作人员对工作的满意度和舒适度;保证高质量生产的同时，具有较高的工作效率，为整车产品制造中操作员工的人性化生产提供了保障[25]。
1.1主动人机工程
新车型开发包含产品开发和工艺开发2大系统，先后经历虚拟造车和实物造车2大阶段。主动人机工程是指正式批量投产节点前新车型开发全过程中所有人机工程工作。主动意味着在设计阶段发现的人机问题，可以尽早主动解决。譬如可以通过在数模中的虚拟造车发现可达性或通过性类型人机问题，在数模状态下进行模拟、优化和改进，将问题解决，实现开发成本最小化。研究团队在实物造车过程中发现与安装力、力矩相关的人机问题，通过材质或过盈量等的优化达到满足人机标准要求。在新车型开发阶段，进行细致深入的主动人机工程工作，对量产后运行工厂人机状态会起到至关紧要的作用。
1.2被动人机工程
新车型开发结束进入正式批量生产阶段，进入量产后，产品性能和工艺布局基本固定，若在不影响生产情况下，进行人机改进是比较困难和被动的，因此量产后人机工作定义为被动人机工程工作。量产后在尽可能的情况下进行优化改善和组织员工轮岗来缓解体力疲劳，提高现场操作人员工作满意度。
2制造人机工程体系在整车产品开发中的应用基于整车设计开发流程，在国内没有可借鉴的新车型开发阶段人机工程体系背景下，研究团队自主开发覆盖新车型虚拟造车和实物造车2大阶段的人机工程流程体系，包括整车产品设计人机评审、设备人机评审、料箱料架人机评审、生产线高度人机评审。
在产品开发阶段利用计算机仿真软件进行人因分析已然成为主流趋势，各种人因仿真软件应运而生，JACK软件正是其中的佼佼者[26]。在新车型产品设计人机评审中，研究团队在每个数模发布关键节点，在国内车企中率先导入西门子开发的3D仿真软件JACK（如图2所示），进行同步人机工程评估。该仿真软件搭载整车环境、工厂设备参数，对操作空间，操作可达性/通过性和盲装等多方面，精准地进行人机状态评估。对人机有问题的设计，直接向工程部和设计部提出改进建议，做到量化和細化[27]。
研究团队开展了3D仿真分析的人机改进案例（如图3所示）。通过原先设计方口的评估结果显示，手部通过方口进行操作时发生干涉。研究团队向设计部门提出改进建议：根据手部运动的轨迹，将开孔的上边缘更改为圆弧形。此建议通过静态仿真和手工样件动态模拟的结合，完成最终新方案的评估，并且在之后的实物造车中得到验证。仿真分析成功改善了手部的操作空间，避免了修改磨具开发成本的增加。
本研究团队从人机风险要素：力量、姿态、重复性、环境等方面着眼，自主开发虚拟造车和实物造车阶段人机确认清单，该清单，有效地实现了人机问题全面、高效的评审。团队自主开发《SAICGM自制钣金零件朝向确认人机工程确认流程》，从源头上解决了冲压模具出来的钣金件上料架朝向和车身取料上工装朝向要求相反的人机问题（如图4所示），改善了现场人机状态，消除了后期料架更改需要增加的成本。
新设备和料箱料架开发和样件试做阶段，应有明确的人机要求，发给相关的设备和料箱料架供应商标书中，也要列有相关人机评估标准和评估流程，要求供应商依据相关人机标准进行设计，从根本上确保进入企业的设备和料箱料架人性化设计水平。
3制造人机工程体系在新建整车厂中的应用过去十年间全国各家车企都在建新厂，扩大产能，本研究团队在新工厂从图纸规划到正式投产创新建立了一整套人机工程工作方法。
利用大数据平台，总结以往工厂曾经发生的人机问题，创新制定人机工程数据库，包含人机Lessons Learned和Best Practice。冲压车间、车身车间、油漆车间和总装车间以及PT动力总成在新工厂规划阶段就对人机数据库的各类问题制定策略，同时借鉴采用其它工厂的人机亮点融入到本区域规划中。比如内饰线规划成高度可调生产线;底盘线、门线设计同步随行带，机器人取代人工焊接、人工涂胶以及人工搬运。
下面是新工厂规划阶段底盘线人机优化设计案例。底盘线驾驶舱脚踏板附近某关键零件的安装操作，操作点偏车前且偏车中央，员工要深度弯腰才能完成操作。
利用西门子JACK软件进行仿真分析前，先确定吊臂横梁距离地面高度和吊臂横梁间距2个因子（如图5所示），决定操作的弯腰幅度和可达性[28]。搭建如下数学模型。
1）吊臂横梁距离地面高度50 cm时，弯腰幅度最大即探身幅度最大，满足可达性前提下，常规设计吊臂横梁间距2 180 cm就可以实现操作，但弯腰幅度最大，人机状态不佳。
2）吊臂横梁距离地面高度70 cm时，弯腰幅度有缓解，满足可达性前提下，吊臂横梁间距2 080 cm就可以实现操作。
3）吊臂横梁距离地面高度95 cm时，弯腰幅度最小，探身幅度也最小，满足可达性前提下，吊臂横梁间距1 950 cm才可以实现操作。因为车型的宽度，吊臂横梁间距缩小到1 950 cm有很大难度。但这个数模状态下，员工弯腰幅度最小，人机状态最佳。
新工厂规划早期，研究团队提出如上的仿真分析结果，新工厂项目组经过多次研讨，最终采取将底盘吊具横梁（L型）优化至车身底盘下方。吊臂横梁间距从2 180 cm，缩小到1 950 cm.这样员工就可以身体紧贴整车裙边，无需深度弯腰就可以完成操作，人机状态得到很好的改进。
新工厂规划阶段的人性化策略的制定，为破土动工打造了人性化生产线奠定了坚实的基础，最大程度降低了新工厂的投入成本，同时最大的收益者是流水线上操作人员。
4制造人机工程体系在运行工厂中的应用
新车型正式量产后，运行工厂实施的多角度创新人机工程工作方法，在公司各基地工厂的全面实施，从根本上改善现场人机环境。譬如：对所有操作岗位进行最适合身高和最不适合身高人机评估和全覆盖人机满意度调查等。通过这些创新人机工作的开展，提升了现场员工的操作满意度，提高了生产效率，降低了公司的运营成本。
为了操作员工更顺畅完成操作，对所有操作岗位进行员工适合身高评估，实现适才适用，对岗位身高要求170 cm以下和180 cm以上岗位重点关注避免员工高个子弯腰操作和小个子员工翘脚操作（如图6所示）。图6汽车制造不同工位操作员工适合身高
整车出厂前需要拓印落水槽下面的钢号。员工需要隔着前保险杠深度弯腰完成操作，每张拓印需要25 s时间。作为人机攻关课题，研究团队借鉴电动剃须刀3个旋转头的结构，开发了电动拓印枪（如图7所示），重量仅有0.5 kg，单手操作轻松简便，可高速运转。改进后拓印单张纸只需15 s的操作时间，每张节约10 s时间，一台车拓印2次，合计减少20 s弯腰操作时间，人机状态得到很好改善，操作员工的工作效率和舒适性得到提升。
5结论和展望
通过人机工程学分析方法，开发了贯穿整车开发全过程以及量产后稳定生产全过程的制造领域人机工程体系。通过虚拟数模阶段发现人机问题，优化设计数学模型，大幅降低地了模具开模后变更带来的成本增加。通过项目阶段多角度的人机评审，确保量产后流水线上员工的人性化操作。通过建立覆盖新车型研发和量产全生命周期的汽车人机工程流程体系，制定整车新项目、新工厂和运行原有工厂等多维度的人机工作方法，搭建汽车制造的人机工程大数据平台。借助主动人机工程方法完成新汽车项目开发全过程的人机评估和优化改进，实现所有操作的人性化设计;借助被动人机工程方法进一步优化汽车量产后的现场人机状态，提升现场员工的人机安全感和满意度。因此，基于搭建汽车制造领域全覆盖的人机评估体系，最大限度改善现场员工的人机环境，实现了“以人为本”的工效学理念。在未来研究中，将逐步把本研究提出的人机工程体系逐步落实到全过程、全员、全领域的细微之处，开展基础人机工效的改善实验，鼓励员工深度参与人机工程体系的深化与细化。
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