随着远程监控技术的发展及在企业的应用，其所占的位置也越来越重要，它能够实时监控企业的生产运作模式，为生产提供安全保障。在提高监控系统性能的同时，操作员工作的舒适性显然也是一个不容忽视的问题，因为它直接影响系统效率。操作员需要长期与电脑接触，若在此过程中，始终保持一种姿势，极易产生疲劳，甚至可能会出现各种疾病，例如颈椎病、腰椎病、肩周炎和腰肌劳损等。在工业化国家，约有70%~80%的人群正经受下腰痛(low back pain，LBP)的困扰，这对于操作员的健康造成极为严重的危害，同时，对操作员的工作效率也会有较大影响^[1]。

近年来，国内外有诸多学者对此进行了相关研究，已跻身科学前列。这些学者通过实验和理论结合，研究出了很多有价值的成果。Gunde等^[2]应用JACK5.1软件，并结合人体工程学原理对数字人在铸造房屋工作站时的工作状态进行仿真分析，得出了符合人体工程学的工作制度。王海燕等^[3]基于Jack软件、OWAS和RULP分析工具，对生产线中的手工作业进行工效学分析，利用仿真分析方法，找出员工在操作过程中的人因缺陷，再结合人因学的改善原则，从而设计出能够改善员工操作的方案，结果显示，改善方案明显减轻了操作者的劳动损伤，降低其疲劳度。Shafti等^[4]在医学上，依据人体工程学原理对临床工作环境的舒适性进行评估分析，得出博格量表，进而能够发现巨大的变化，但是在微小的变化中却没有定论。徐慧泽等^[5]分析了有关船舶舾装工艺的人因工程因素，并且采用了仿真模拟，总结出了一种评估方法，对船舶舾装工艺的人因工程进行了客观的评判，有助于工人们的舾装件装配水平得到提高。为减轻驾驶员操作疲劳和提高操作舒适性，尹航^[6]以Jack软件为工具，对装载机的设计过程进行改进设计，有效提高了驾驶舱的工效。为了提高人机系统优化的效率和可靠性，兰爽^[7]以Jack仿真软件为研究工具，采用实证分析的方法，对哈尔滨商业大学学生宿舍的双层床铺进行了优化设计，且优化效果明显。并在此基础上，总结了运用Jack进行人因工效分析的难点，给出了相应的解决方法，提出的人因工效分析的方法和思路拥有很强的可操作性，能够广泛用在各种人机系统的分析、设计和评价。

通过上述的文献梳理，可以发现，到目前为止，针对工效学所作的分析大多集中在生产、飞机、医学、工作站、汽车等领域，在对利用远程监控体统来改善工效学方面研究的比较少，尤其是在之前的研究中，缺少对人的因素方面的考虑。由于远程监控这门技术愈来愈广泛地应用在企业中，为了让远程操作员的工作更加舒适，将人的因素融入其中显然是十分必要的。但对于远程监控系统工效学的研究不同于对医学、生产、汽车、飞机、工作站等操控系统的研究，其更偏向于静态工效学的研究，且主要侧重于人机界面的交互设计；而医学、生产、汽车、飞机、工作站等操控系统的工效学研究涉及静态和动态两种工作状态下的工效学研究。鉴于此，本文以工效学原理为依据，从设计的角度出发，融合了以人为本的理念，利用Jack仿真软件，对远程监控操作台进行工效学分析，从而为远程监控的操作台工效学的设计提供参考依据。

1 Jack软件

Siemens Jack 8.2(简称Jack)是由西门子工业软件有限公司开发的一款人机工效学分析软件^[8]。Jack软件于1995年被宾夕法尼亚大学研发，之后西门子公司对其进行了商业化的运作。研究了十多年之后，Jack软件已然成为了一款具有人机工效分析、数字人体建模、三维仿真等多种功能的高端仿真类软件^[9]。

2 基于Jack远程监控操作台的建模仿真分析 2.1 三维实体图的建立

DK公司的远程监控中心是公司日常生产运营的综合管控中心，具有计划、监控、指挥、应急四大功能。表1为实际测量尺寸数据，图1为三维实体建模。在表1中，三排桌子分别用“桌1”、“桌2”和“桌3”代表。

在图1中，操作员的操作工位是第1排的桌子，用于参观和召开远程会议的观众席位在后2排。表2表示各个操作员工作的内容。从表2中可以看出，第5个操作员，也就是在中间位置的操作员的工作符合是最大的，并且他的工作内容具有很强的代表性。本文选择他作为仿真对象，对其工作状态进行分析评价。表2中的不同字母分别代表不同的作业人员，相同字母为同一作业人员。

2.2 数字人的建立

DK公司的员工都是中国人，所以，本文数字人选取对象都是中国人。结合对DK公司9位男性操作员的调查报告可以看出，他们的身高和体重分别在175~177 cm和75~80 kg之间，范围与女性第95百分位的数字人的尺寸相符。为了让仿真的说服力更加具有普遍性，建立女性的第5百分位数字人及男性的第95百分位数字人，如图2、图3所示。

2.3 工作舒适性的分析

工作方式舒适有助于提升员工的工作效率和满意度，减少职业病。Comfort Assessment是一种舒适度分析的工具，它通过对舒适度的研究，来评估如何设计操作台才可以让员工更舒适地工作^[10]。本文选取了一种多关节舒适度分析的Krist数据源，给出一个在0~80之间的数字当作舒适度的评分，评分越小表示舒适度越高。对女性第5百分位数字人及男性第95百分位数字人作舒适度的检测，检测结果见图4、图5。

从图4可以看到，女性第5百分位数字人臀部的不舒适度最高，达50.0；其次，肩部的不舒适感为42.0，颈部的不舒适感为32.8。原因是女性第5百分位的数字人在这个高度的座椅中头部得不到支撑，肩部也因为靠背的支撑位置不合适而感到不舒服。同时，数字人在操作中，胳膊与肘关节未在同一高度，对肩部的舒适感也会造成较大影响^[11]。此时疲劳度较高，为60.2。总体的不舒适度同样较高，为70.7。

从图5可以看出，男性第95百分位的数字人的臀部的不舒适度为56.0，同样也是最不舒适的；其次是肩部的45.0和颈部的38.4。其原因是靠背不够高，颈部和肩部基本是由靠背的顶部支撑，从而使颈部和肩部产生了很大的压力。在数字人操作时，肘关节和胳膊同样不在同一高度，因此颈部和肩部的舒适度同样很低，疲劳度也较高，为66.5。总体的不舒适感也比较强，为79.9。很明显在这种情况下，2个数字人的不舒适感都很强。

2.4 下背部受力分析

下背部受力分析(lower back analysis)是利用先进并且复杂的生理学下背部模型，计算出L4和L5脊椎处的压力，计算结果能够体现出数字人在当前姿态下，L4和L5处脊椎所承受的压力。如果该状态下的舒适性差，图中就会产生黄色甚至红色的直方图；如果直方图是绿色的，则表示在此状态下是合理的，并将这个压力和美国国家职业安全与健康研究所(NIOSH)搬运受力分析(lifting analysis tool)的推荐压力及极限压力进行比较，来判断仿真结果是否符合NIOSH标准，从而分析出是否可能导致受伤，然后提出改善意见^[12]。本文利用此工具分析出了在远程监控工作中的操作员的下背部的受力情况，分析结果如图6、图7所示。

由图6、图7的分析结果可知，女性第5百分位和男性第95百分位的数字人在当前状态下的腰部压缩力为387 N，背部压缩力为862 N，两者均远远低于NIOSH的极限值3 400 N。所以，在此工作姿势下，操作员的下背部受力是合理的。

3 人机工效学改善及舒适度检验 3.1 人机工效学改善

为提高数字人的舒适度，可以调整数字人的姿势。为了使数字人的肩部放松，使数字人手的操作位置更加合理，对数字人肩部的提升(elevate)、向前/向后(anterior/posterior)、肱骨/旋转(humeral/rotation)属性值和肘部在Y方向的弯曲/伸展(flexion/extension)属性值都做作了调整。与此同时，为增加数字人臀部以及颈部的舒适度，分别将数字人臀部在X方向的属性值以及颈部在Y方向的属性值作了调整，具体调整的尺寸见表3。根据表3中数字人姿势的尺寸调整，并且为了增加数字人肩部和颈部的舒适度，最终将座椅靠背的宽度增加4.8 cm，高度增加27.51 cm，给数字人留出了更多转换姿势的空间。为了方便数字人颈部的休息，增加数字人颈部的舒适感，在座椅靠背的顶端安装了颈部的靠垫。由于座面高度较高，且女性第5百分位数字人身材较小，在这里需要为数字人添加高度为27.75 cm的脚垫板，使数字人的脚不悬空。改善后的系统正视图及侧视图如图8、图9所示。

3.2 舒适度检验

经过上述改善后，重新对数字人的舒适度进行检验，见图10、图11。由此可知，女性第5百分位数字人和男性第95百分位数字人的整体舒适性均有较大变化。各部位舒适性属性值的具体变动见表4、表5。

由表4可知，对于女性第5百分位数字人而言，最初最不舒适的肩部、颈部和臀部的的属性都得到很大的改善，分别从初始的42.0、32.8、50.0降低至4.7、0.0、20.5，舒适度分别提高了53.57%、100%和59%。其他部位的不舒适度也有了明显的改善，变化最为明显的是颈部、臀部、肩部和腿部。整体的舒适度由初始的70.7降低至25.5，疲劳度由初始的60.2降低至27.5，分别提高了54.32%和64.03%。对比舒适度分析(comfort assessment)要求可知，调整后的女性第5百分位数字人的舒适性是在可接受范围内。

同样的，从表5中可以看出，调整之后，男性第95百分位数字人的舒适性变化显著，最初最不舒适的肩部、臀部和颈部的不舒适属性从开始的45.0、56.0、38.4降低到了13.3、8.5和0.0，舒适度也依次提高了70.44%、84.82%和100%，其他身体部位如手臂、背部和颈部舒适度提高了100%。整体的舒适度和疲劳度由初始的79.9、66.5降低至6.9、14.9，分别提高了91.36%和77.59%，改善效果显著。参照舒适度分析要求可知，调整后男性第95百分位数字人的舒适度可接受。

3.3 下背部受力检验

改善后，还需对数字人的下背部受力进行分析，其结果如图12、图13所示。

分析结果表明，女性第5百分位数字人和男性第95百分位数字人工作姿势“纠正需要”等级都是级别1，代表该数字人手臂、背部的评分以及腿部的位置和负荷的要求均合理，表明该姿势正常。从数字人下背部的受力分析结果可以看出，女性第5百分位的数字人腰背的压缩力是319 N，男性第95百分位数字人的腰背压缩力是887 N，均远低于NIOSH的极限值3 400 N。因此，操作员在该姿势下背部的受力是在可接受范围内的，说明该改善合理。

4 结论

在飞速发展的经济下，安全和健康问题被越来越多的人所关注。本文从工效学设计的角度，运用工效学理论以及Jack软件，对远程监控操作台进行人机工效学仿真分析，依据工效学原理对分析结果中发现的问题提出改善建议，把Jack软件作为工具来验证改善是否合理。本文主要是通过对数字人作工作舒适性和下背部的仿真分析来进行改善，对座椅部分尺寸和数字人工作姿势进行调整，从而使操作员的舒适度满足需求。经过改善，操作员的工作舒适性得到了明显的提升。但是由于篇幅限制，仅仅对操作台座椅的设计进行改善，这并不影响操作员在操作台工作时的舒适度对比。