维修性评估方法——定性属性分析

1.维修性定性属性评估步骤

维修性定性属性包括维修性产品属性和维修性过程属性。维修性产品属性（以下简称为“产品属性”）与产品本身的结构、形状、材料等有关，是产品与生俱来的维修性要素。产品属性取决于设计，不随产品状态、维修环境、维修手段等因素的变化而改变，对日后维修质量的好坏起着决定性的作用。维修性过程属性（以下简称为“过程属性”）关注的是与实际维修工作相关的产品结构设计，维修性差的产品在维修过程中会出现如下问题：维修操作空间不够导致无法维修；维修时干涉问题导致维修人员处于别扭的姿态下，带来身体的损伤；产品设计有的方面没有顾及其所带来的安全性问题。正是基于这样的考虑，不能只针对产品本身，还需要从维修过程中发现产品存在的维修性问题。过程属性与产品属性一样重要。

2.产品属性评估方法

产品属性在很大程度上决定了维修作业过程的难易，而这类属性作为设计时赋予产品的固有属性，依赖于以往的设计经验。此类指标因素较为主观。对此类属性的评估，需要借助设计评估准则，建立打分标准，由专家或评估人员参照产品结构特点，对每项属性进行对比和打分。

评估步骤如下：

（1）建立产品属性评估准则表。评估准则表应立足于产品结构特点和国家标准，对每个指标属性的设计要求进行细化，形成具体的评判标准，并力求每一项评判标准在使用中，都具有典型性、明确性、简化性、代表性的特点，尽量减少过多的思考和判断，使专家在评估的过程中意见集中，简便易行。

（2）确定合理的打分标准，为准则表中的每一条准则赋分。

（3）从评估准则表中选取适用的准则条目进行评估。评估准则表是基于通用产品制定的，对某一具体产品并非所有条目都适用。针对具体的产品结构，要从准则表中选取该产品适用的评估准则。

（4）划分产品结构单元，把大的产品结构分解为小的结构单元。整个产品关于某一项评估准则的得分，是组成其所有结构单元得分的平均值。

专家在评估过程中，根据评估方案中的产品维修性信息，分析产品的设计特点和维修性特点，对照评估准则，对组成产品的各个结构单元的维修性进行打分。

3.过程属性评估方法

产品属性的评估主要面向产品的设计结构，其相关属性的信息直接来自维修样机的产品设计；而在进行与维修过程相关的属性评估时，如可达性、安全性等，必须借助虚拟现实下的维修任务建模。维修任务建模工作的开展要依托于对人体姿态库、维修工具库等技术内容的研究。

1）可达性评估准则

（1）实体可达。实体可达指的是工具或手能够沿一定路径或方式接近维修部位的程度。实体可达的好坏与人体可达域的大小有关，可以认为可达域是人的手臂形成的最大可触及范围。如果在实际维修作业过程中，操作位置偏离操作人员的可触及范围，甚至在其可达域之外，操作人员很难精准地完成作业，而且物体距离人体越近，操作人员越容易触及，其可达性越好。

利用Jack 软件的可达域分析模块（Advanced Reach Analysis），可以完成实体可达性的分析，可达域分析工具可生成一个区域，这个区域能够为特定尺寸的数字人描绘出其最大可触及范围，如图5-13 所示。在Jack 软件中，针对产品结构的维修步骤，建立维修任务仿真的过程，构造出操作人员可达域包络空间，观察对比维修对象位于操作空间内的位置。

图5-13　Jack 环境下的实体可达性分析

专家可以根据维修对象与手臂包络空间的相对位置，判断可达性的优劣，并对当前操作的可达性进行打分。

（2）视觉可达。维修过程的视觉可达是指在维修的过程中，眼睛能看到以及容易地看到所操作的物体。人眼能看到物体的范围是一个类似锥状的包络区域，也就是人们常说的“视锥”（View Cones）。视锥以人的眼睛为出发点，将眼睛能看到的区域立体地展现出来。根据人因工程学，初始40°的圆锥角是人的最理想的视角范围，当然物体越处于视觉中央的位置，双眼观察效果越好。操作人员进行作业期间，操作位置是否处于操作人员的视锥范围或者最佳视角之内，将会直接影响作业舒适度以及操作效率。

基于人的视觉观察规律，在Jack 软件中，构造操作人员维修过程的视锥模型，如图5-14 所示，并设置不同的视锥角度值，以判断该产品结构的维修是否具备良好的可视性。

图5-14　Jack 环境下不同的视角范围

专家在对维修过程中操作人员的视觉可达性进行评估时，可以依据被维修物体位于操作人员视锥范围内的位置进行打分。

（3）空间可达。产品的维修空间指的是零部件的结构设计是否留有足够的操作空间，主要与产品的结构设计和布局相关。空间可达性可以用作业空间比r 来评估：

式中：V——作业空间；

Vmin——最小作业空间，当操作部位和维修工具确定时，Vmin为定值。

在虚拟环境中对其测量，计算出作业空间大小，根据测量数据，计算出作业空间比r。根据试验统计数据可知，当r ＞1.5 时，可以认为维修部位作业空间比较好，即维修过程中一般不会发生碰撞和干涉。

如果考虑合理布局和充分利用空间的情况，作业空间比也不宜过大，可对作业空间根据具体情况进行调整。

2）安全性评估准则

安全性的评估要从产品维修过程仿真中分析维修作业可能给操作者带来的危害。国军标GJB/Z 91-97 中详细规定了武器装备产品在设计过程中应该注意的安全性设计条目。在研究中结合装甲车辆维修的实际情况，将其总结为危险防护、机械结构、环境因素三个主要方面，并细化为具体的评价准则。

专家在开展产品的安全性评估时，需结合与产品相关的维修作业过程，通过观察产品在虚拟现实环境的维修状态，对照安全性评估准则开展评估。

3）基于立方体模型（Cube Model）的人因分析

疲劳特性的评估是从人因工效的角度对维修过程中操作人员的生理疲劳程度进行考核。疲劳特性评估主要参考人在维修过程中的作业姿态、体力负荷和工作时间。

经过多方面对比和查阅文献发现，立方体模型在评估人体的生物力学疲劳方面具有很好的效果，且应用广泛，因此考虑将该方法应用于维修作业评估。

立方体模型是Kadefors 于1994年提出的一种生物力学评估方法。该模型的建立是以科学的数据为基础，研究者从研究中得出：与工作相关的身体疲劳在很大程度上受到3 个相互关联的因素的影响，即姿势、载荷和持续时间。该方法是目前唯一在实际中应用的三维评估方法和被人们接受的计算机评估模型。

该模型包括3 个因素：姿势变化（姿势）、在推/拉施力或手工作业中的外力作用（载荷）、静态或重复载荷作用时间（时间）。

根据立方体模型的理论，每一种因素都被划分成低等、中等和高等3 种水平，等级越高，越不可以被接受。因此要根据研究问题的实际情况，事先制定一些标准来确定每一种因素的低等、中等和高等水平范围。

从人因工效学评估的角度看，基本因素都是极强相关的。例如，在一个最佳的区域中作业，只要在持续的工作中剧烈情况仅仅发生几次，那么即便高强度的工作也是可以被接受的；但是如果作业动作需要不停地重复，或者在一个很差的工作环境中，即便中等或者低等的类型也是不能被接受的。

因此，在立方体模型中，总共有27 种不同的组合情况，对于每一种因素，都设置了一个可以接受的水准。Kadefors 认为接受度应该是由乘法模型导出的一个变量，在模型中，因素分值1、2、3（低等、中等、高等情况）等级由好到差的分配是递增的。

根据计算的A 的值，被分析的工作状态可以被接受（A≤5），有条件地被接受（5 ＜A≤10），或者不能被接受（A ＞10）。

为实现该算法，需要对装甲车辆维修作业过程中的基本动作进行研究并分类，同时需要对维修作业时间进行估计。上述工作在维修流程建模过程中必须实现，因此将建模与评估二者相结合，具有理论和实际上的可行性。

（1）姿势分类。

对姿势的研究是开展立方体模型分析的基础。全面、系统地总结出维修过程所包含的维修姿态，科学地度量出其舒适等级，对疲劳特性结果的分析有着重要影响。(www.xing528.com)

由于人体是一个复杂的运动系统，完全精准地建立人体运动模型是不可取的，考虑到在维修作业中，主要参与运动的身体部位包括躯干、颈部、上肢和下肢4 个部分，因此可以将人的维修姿态模型简化为4 个主要部位姿势的组合，见表5-6。

表5-6　人体维修姿势描述

续表

将身体4 个部分可能的动作按照上表分类并编码，那么在维修过程中，所有可能的动作都可以看作表中基本动作的组合。因此，每一种作业姿势都可以对应一个4 位编码，其中，第1 位代表颈部的动作，第2 位代表上肢的动作，第3 位代表下肢的动作，第4 位代表躯干的动作。由此理论上上述动作可以组成540 种维修姿势。

对姿势进行归纳之后，需要通过试验对每一种姿势所对应的疲劳度进行测定。关于每种姿势的疲劳度的测定，孔令在2009年做了相关试验，由于某些姿势在实际工作中无法实现，他在研究中测定了其中375 种姿态的疲劳度等级，按照1 ～9 的标度（数值越大，表示越不舒适）得到了试验结果，见表5-7。本书参考了孔令的研究成果。

表5-7　姿势的疲劳度等级

续表

P：表示姿势代码；L：表示疲劳度等级。

在立方体模型中，每一种因素应被划分成3 种等级，因此对上述试验结论进行重新归类，将得分为1 ～3 的姿势归为姿势因素的第一等级，将得分为4 ～6 的姿势归为姿势因素的第二等级，将得分为7 ～9 的姿势归为姿势因素的第三等级，从而得到姿势的疲劳度分类，见表5-8。

表5-8　姿势的疲劳度分类

续表

（2）载荷分类。

在维修作业过程中身体所受载荷来自维修作业任务，与维修对象的质量、操作工具等因素相关。

经过对装甲车辆维修作业的实地考察和测量，分析得出操作人员在维修时，在通常情况下所承担的外界载荷力量不会超过自身体力极限（极其笨重的零部件由天车、千斤顶等维修设备辅助）。基于上述分析，本书参照Laring等人在2005年的研究（在正常的手工物料搬运过程中，对人体所受外力载荷的等级划分），得到表5-9 所示的分类。

表5-9　载荷分类

（3）时间分类。

考虑到评估对象是产品结构单元，对同一结构单元的维修过程必然是连续的，结合对现场作业的考察，并参考Sperling 等人在1993年关于立方体模型基本因素的分类准则，制定出了装甲车辆维修时间分类标准，见表5-10。

表5-10　维修时间分类

4.维修性定性属性评估准则

通过对装甲车辆产品结构特点的分析和对GJB/Z 91-97《维修性设计技术手册》的总结归纳，针对目前的装甲车辆维修性评估指标体系中的定性属性，分别对动力传动辅助系统、行动系统、电气系统形成了较为细化的评估准则，并附以合理的分值，见表5-11 ～表5-13。

对于每项指标的打分原则，参考常用的1-9 标度法，并根据装甲车辆维修性评估指标体系有所调整。在1-9 标度法中，分数从1 开始，以2 为间隔，从而得到1、3、5、7、9 共5 种层次的标准分值。考虑到评估指标项目数量以及与产品属性评估层次统一的原则，将打分层次间隔提升为3，按照1、5、8的形式赋分，分值按照从优到劣的方向依次递增。

表5-11　动力传动辅助系统维修性定性属性评估准则

续表

续表

表5-12　行动系统维修性定属性评估准则

续表

续表

表5-13　电气系统维修性定性属性评估准则

续表