人因工程的核心目标是在系统中实现人、机、环境的最佳匹配。常用的方法是对人机系统进行人因工效分析，即判断人机系统是否符合使用者的生理、心理特性^[1-4]。传统的人因工效分析是通过观察真实的实验人员对现实的工作或者产品进行操作来分析。这种分析方法虽然真实可靠，但是需要消耗大量的资金和时间。自20世纪80年代计算机仿真运用于生产行业以来，虚拟仿真的思想逐渐深入到各个专业领域，利用计算机仿真软件进行人因分析逐渐成为主流趋势，Jack软件就是一款非常有代表性的人体仿真与工效分析软件。利用人因仿真分析软件不仅可以节约50%以上产品分析的时间和金钱，而且利用该技术分析得出的结果与实物分析结果相似性很高。

由于Jack的分析模块数量较多，很多模块彼此之间在评估方向上存在交叉，如果不遵循一定的分析流程，在使用中会做许多重复性的工作，效率低下。查阅文献可知^[5-10]，在我国Jack虽然已被广泛应用于航空航天、军事、交通等领域，但是缺少对人因工效分析流程的理论探讨。因此，本文提出Jack人因工效分析的思路和技巧，并以哈尔滨商业大学学生寝室双层床的优化设计为研究对象，进行实证分析。本文的研究成果可以使人机系统的工效分析更加简便、准确、灵活、高效，具有一定的理论意义和应用价值。

1 人因工效分析及Jack实现的关键

人因工效分析在工业产品以及工业流程中有着举足轻重的地位。通过在数字三维环境中对产品或者流程的模型进行分析，可以减少研发设计成本、缩短工期、提高效率。

Jack软件基于人因工程的思想，集三维仿真、数字人体建模、人因工效分析为一体。它能够创建仿真环境、引入具有生物力学特性的三维人体模型、给数字人指派任务、对环境和产品进行人因评估，判断产品是否符合用户需求和人因规律。Jack包含了基础人体测量数据、关节的柔韧性、人的健康状况、劳累程度和视力限制等医学及生理学参数。

导入外部CAD三维实体模型和创建用户自定义尺寸的数字人是实现三维仿真环境的关键技术；可控性的数字人，以及实体和场景的移动则是创建静态和动态仿真任务的基础^[11]。

2 仿真及工效分析的基本流程

以任意类型的人机系统为研究对象进行虚拟仿真及人因工效分析的基本流程如图1所示。

2.1 建模过程

Jack可以创建满足用户不同需求的三维仿真环境，导入由UG、CAD、3D-MAX、Pro-E等建模软件绘制的三维实体模型，通过定义数字人和实体在三维仿真环境中的任务实现静态及动态的仿真。

1) 数据采集。

用人体测量专用仪器，如人体测高仪、测量用直脚规和弯脚规测量使用者的人体尺寸，用软尺测量相关设施的基本尺寸。

2) 定义人－机要素。

定义数字人(human)和实体(object)。Jack提供了美国、加拿大、中国、印度、德国、日本、韩国等多个国家的三维人体模型数据库，可以根据人体尺寸对应的百分位数直接调用相关数据，也可以根据实测的人体数据进行数字人定制。通过精确定义，用户可以修改人体的26个部位的尺寸，以及25个关节的自由度，以创建出合适的三维人体模型^[11]。

Jack自身提供了实体数据库，但数量有限，为满足用户多样化的需要，Jack提供了CAD三维实体模型导入的功能^[11]。

3) 定义虚拟仿真作业任务。

这里指的是给数字人分配作业任务。Jack可实现静态仿真和动态仿真，静态仿真适用于产品设计的宜人性分析，动态仿真适用于作业全过程的工效学评估。

2.2 工效分析

Jack软件具有很多的分析模块，详见表1。对人机系统进行工效分析时，不必应用所有的模块，可以根据人机系统和分析模块的特点进行选择。

2.3 结果分析与反馈

Jack的工效分析模块以报告和图表的形式提供工效评估结果，对不符合人体生物力学的作业姿势、受力等给予警示，有些模块甚至能够提出纠正意见。依据工效分析的结果，进行人机系统的优化设计，改善后再次进行仿真分析、评价，如此循环，直至人机系统的人因缺陷得到改善。

3 实证分析

哈尔滨商业大学共有全日制在校生24 946人，宿舍26栋，其中有18栋宿舍的寝室里分布着上下铺形式的铁架子床，又称“双层床”，床尾侧有一个爬梯与上铺相连并直达地面。笔者针对双层床的使用满意度进行了调研，反映的问题集中在两个方面：一是上铺活动空间不足，坐着时上肢无法完全伸展；二是爬梯子时感觉不舒适。接下来，在Jack中建立仿真模型。建立虚拟作业仿真任务时，分别以“坐”、“爬”两种姿势进行建模。建立坐姿静态仿真模型可以帮助我们判断上、下铺位的空间设计是否合理；爬姿静态仿真模型可以帮助我们判断爬梯的设计是否合理。

3.1 坐姿仿真模型的建立与工效分析

1) 建立人机系统模型。

床铺长1 900 mm，宽900 mm。上铺床面高1 750 mm，下铺床面高300 mm，上、下铺间距为1 450 mm。爬梯整体高度与上铺相当，分为四级踏板，踏板间距为350 mm，宽度为440 mm。床头、床尾护栏高310 mm，上铺中间护栏高270 mm。地面与天棚间距3 000 mm。

由于男性身体平均尺寸大于女性身体平均尺寸，床铺空间如果能够满足男性使用要求，同样也能满足女性使用要求。经调研，哈尔滨商业大学男生平均身高1 730 mm，体重70 kg，以此作为数字人的建模依据。本文使用的仿真软件版本为Jack8.3。

床铺模型借助UG软件自创，并导入Jack8.3当中^[12]。数字人直接在Jack8.3中生成。完整的坐姿静态仿真模型如图2所示。

2) 人因工效分析。

由于整体空间限制，不可能给上铺留出直立空间，只能力争其坐姿空间足够大，所以只要分析上铺的人坐于床上伸手时所能触及到的最大范围是否满足使用要求即可。选择可达域(reach zones)分析模块。可达域的分析结果如图3所示。

可达域作为Jack的一个分析模块，可以生成一个区域，这个区域能够为特定尺寸的数字人描绘出其手部最大可触及范围。同时选择精准标尺(advance ruler)对手的可达域进行测量。精准标尺是Jack的一个快速测量工具，可以快速地创建标尺，方便对物体表面尺寸及手的可达域进行测量。

3) 结果讨论。

由图3可以看出，上、下铺的可达域为1 360 mm。前文指出，上、下铺之间的实际距离为1 450 mm，上铺与棚顶间距为1 250 mm，所以必然会出现下铺同学上肢活动空间特别大，而上铺同学的上肢活动范围严重受限的情形。

3.2 爬姿仿真模型的建立与工效分析

1) 建立人机系统模型。

测量数据、模型的创建方法参见2.1。爬姿静态仿真模型如图4所示。

2) 人因工效分析。

因为要分析人在使用爬梯过程中的舒适性，所以选择舒适度分析(comfort assessment)模块。数字人爬姿的舒适度分析如图5所示。

舒适度分析模块可以判断Jack数字人在给定的姿势下某个关节以及整体姿势的舒适程度，以特定姿势下关节的弯曲程度是否超过了规定范围作为判断依据^[13-15]。该模块的分析结果以图表形式呈现，数据条处有关节的名称，数据条的长度代表弯曲与标准角度之间的差异。深灰色的数据条代表弯曲的角度在合理范围之内，如果超出合理范围，数据条就会变成浅灰色。

3) 结果讨论。

图5的舒适度分析结果显示：数字人在手臂，大腿，膝盖，脚踝部位的舒适度数据条为浅灰色，说明在这几个部位的关节弯曲角度都明显超出合理范围。其中大腿根部和脚踝的转动角度最大，表明数字人爬梯过程中这些部位较为吃力。这意味着爬梯的设计存在一定程度的人因缺陷，数字人的爬梯姿势需要借助爬梯的优化设计加以改善。

3.3 双层床的优化设计

将上铺高度改为1 650 mm，这样上、下铺之间的距离变为1 350 mm，上铺到棚顶的距离也变为1 350 mm，在较好地满足下铺同学的可达域要求的前提下，上铺学生的上肢活动空间明显变大，视野更为开阔。改善后，对数字人进行上肢可达域分析，结果如图6所示。

爬梯高度也由1 750 mm改为1 650 mm，踏板间距由原来的350 mm变为330 mm。改善后，对数字人的爬姿进行舒适度分析，结果如图7所示。

图7的舒适度分析结果显示：虽然数字人的手臂、大腿、膝盖、脚踝部位的舒适度数据条仍为浅灰色，但较之前已有明显改善。尤其是大腿根部和脚踝的转动角度降幅较大，意味着改善后的爬梯设计更具宜人性，令使用者更加舒适。

4 讨论

实证分析结果表明，本文提出的基于Jack的仿真与人因工效分析流程具有较强的可操作性。与相关参考文献的研究成果不同，本文虽然也进行了人机系统优化的实证分析，但侧重阐述应用Jack8.3进行人因工效分析的思路和技巧，所以在实证分析中仅以男性使用者为数字人仿真对象，没有对女生进行仿真建模。因为分析流程具有普遍适用性，所以此种思路和方法对女性使用者也同样适用。

5 结论

在人机系统优化过程中，充分利用虚拟仿真技术发现问题并确定优化方向，借助工效评估模块针对人体生理指标进行量化评价，可降低设计与制造成本，提高人因工效分析的效率和可靠性。基于Jack的人因工效分析，难点在于工效分析模块的准确选取，以及人因工效分析结果的讨论。为解决该问题，建议在实际应用中，先采用主观访谈法获取产品使用者的主观感受意见，以确定人因缺陷可能存在的范围，然后再根据Jack工效分析模块的特点，有针对性地进行选取；而对于人因工效分析结果的讨论，一定要全面，并且要进行多种条件下的对比分析。本文提出的分析思路既可用于人因工程领域的基础理论研究，也可广泛应用于工程实践。