FXN3机车司机室操纵台作业域人机仿真分析

赵瑞山

（中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116021）

摘要：司机在列车驾驶过程需要对操纵台上的司控器、按键、开关等器件进行操作。在长时间的运行过程中，如何能有效减少乘务员上肢的工作负荷、提高作业效率是在设计司机室操纵界面时必须考虑的问题。本文介绍了FXN3机车操纵台作业区域人机仿真分析过程，确保操纵台的合理布局。

关键词：司机室 人机工程 操纵台 JACK人因分析

FXN3机车操纵台仪表台主要由制动显示屏、风表、机车速度表、监控显示屏、微机显示屏等部件组成；台面主要由制动控制器、司控器、各种按钮、扳键开关组等部件组成。机车司机驾驶时，其作业范围是一个三维空间，随着作业面高度不同，手偏离身体中心线的距离以及手举高度的不同，其作业范围也在发生变化。列车司机通常为男性，一般采用正直坐姿进行操作，因此本文在确定驾驶作业上肢可及区域时，采用第5百分位数男子人体模型在正直坐姿情况下确定。

1 矢状面内坐姿时手部功能可及范围

在操纵台台面上方手功能可及范围取决于臂长。当肘关节为180°，以肩关节为旋转中心，手臂上下方向运动范围。

1.1坐姿时手部功能可及范围

矢状面内坐姿时手部（抓捏）功能可及范围（用三个手指抓捏控制器）尺寸，用第5百分位数男子人体模板确定。本文用作图法近似地确定，如图1所示。在此，手-臂系统被简化为一个二杆系统。

1. 坐姿肩关节中心高（相对于坐椅面）：530 mm；

2. 躯干线距控制台台面前缘：100 mm；

3. 臂（手）功能最大旋转半径r_A：610 mm；

4. 前臂（手）功能最大旋转半径r_UA：350 mm。

图 1矢状面内坐姿手部功能可及范围

1.2坐姿时手部功能可及范围的延伸

当躯体向前弯曲时，肩关节中心前移，第5百分位男子手功能可及范围可向前延伸150mm~200mm。

2 水平面内坐姿时手部功能可及范围

2.1坐姿时手部功能可及范围

作图法近似地确定水平面内正直坐姿时手部功能可及范围。图2所示。

1. 肩关节中心间距：330 mm（即SDP_R与SDP_L的间距）；

2. EDP_M：肩关节水平面内，位于正中矢状面上的肘关节中心；

3. EDP’_M：手在操纵台台面上时，位于正中矢状面的肘关节中心。

肩关节水平面内，手功能可及范围是以EDP_M为中心、r_UA为半径的圆弧与以SDP_R或SDP_L为中心、r_A为半径的圆弧相切处连接所构成。其上臂转动角度为臂内侧36°至外侧106°。

操纵台台面上手功能可及范围，它是以EDP’_M为中心、r’_UA为半径的圆弧与以SDP_R或SDP_L为中心、r’_A为半径的圆弧相切处连接所构成。

控制台台面上手功能可及范围的r’_A和r’_UA，取决于控制台与椅面的高度差h，其值可由图 1推算而得。若座位参考面高度为420mm，对于控制台台面高度为770mm或700mm，r’_A和r’_UA尺寸如表1所示。

表1 r’_A和r’_UA的计算值

2.2坐姿时手部功能可及范围的延伸

当人的躯干短时间向前、向左或向右倾斜弯曲时，可使手功能可及范围在一定范围内延伸。

延伸的手功能可及范围是：SDP_RE以150mm—200 mm为半径，围绕SDP_R转动，并在手臂伸直状态下，围绕SDP_RE所画圆弧的包络线。

肩关节水平面内：r_AE=r_A+（150 mm~200 mm）

控制台台面上：r'_AE =r'_A +（150 mm~200 mm）

图 2坐姿时手部功能可及范围俯视图

3 控制台台面上坐姿时手部操作区划分

操纵台台面上手的操作区一般可划分为三个部分：即I舒适操作区、II有效操作区和III可扩展操作区。一般情况下，坐姿操作时，操纵台台面上的操作区划分如图3所示。

图3 控制台台面上手操作区的划分（单位：mm）

4 分析结果

采用Jack人因分析软件，第5百分位人体调整为正直坐姿，并根据需求将其向前移动至操纵台前沿，确保其两肩点与操纵台前沿的水平距离为100mm左右。对FXN3交流传动内燃机车司机操作司机室内操纵台器件进行操作区域的划分，分析结果如图4所示。

图4 司机操作区域

可知，司机控制器与制动机手柄均位于舒适操作区（最佳操作区）内，其余操纵台台面上的器件均位于有效操作区（正常操作区内），剩余显示面板上的器件均位于可扩展操作区（最大操作区内）。ISO 11064中规定：重要及操作频繁的器件应置于人的最佳手部操作区域内，即舒适操作区域；其它器件应置于手功能可及区域内，即有效操作区域与可扩展操作区域，FXN3交流传动内燃机车司机室操纵台器件均满足要求。

5 结束语

操纵台是司机获取信息并进行正确、安全驾驶的工作场所，设计的合理性直接影响机车的行驶安全。随着时代的发展，对机车舒适性，安全性要求越来越高，操纵台在设计时，要充分验证其设备布局的合理性。而利用人机工程学的理论对操纵台设备布局进行分析，是一种行之有效的手段。

参考文献

[1]丁玉兰．人机工程学[M]．北京：北京理工大学出版社，2007．

[2]国际铁路联盟标准UIC651—2002 机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计[S]．