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1、未來社會經濟是以服務為舞臺、以商品為道具的體驗經濟。制造企業只有不斷推陳出新各種體驗感強的產品，才能提供更好的服務，成為體驗時代的弄潮兒。體驗感好的產品，不僅僅指最終用戶使用產品時體驗好，還包括產品制造、裝配、維修時體驗好；體驗好，最終體現在好用想用等心理感受性指標，而基本的可視、可達、舒適、安全、健康、可制造、可維護等人因工程因素是好用想用的基石。故人因工程是產品全生命周期各階段都需要關注的因素。數字時代的制造企業不再只有實物產品出來之后才評價人因工程各種指標。在數字孿生空間中，企業可把數字人體模型置身于產品制造、裝配、維護、使用的環境中，像真人一樣來進行體驗，進而評估與分析不同產品或工藝方

2、案下人因工程的各種指標，選擇體驗感最優的產品或工藝方案。這種基于數字孿生空間的人因工程評估活動，可提前到產品/工藝設計的早期階段，成為產品/工藝方案設計迭代流程中的一環，加快產品/工藝迭代，降低研制成本。西門子人因工程解決方案套件，基于同一JACK數字人體模型庫，為制造企業提供產品全生命周期各個階段基于數字孿生空間進行人因工程的評估能力。使得眾多產品設計(可穿戴設備、醫療設備、交通運輸/工程機械等的駕駛艙/客艙/座椅等)、復雜產品的面向制造/維修的設計，及裝配維修的工藝設計等業務過程中能全面評估人因功效，設計體驗感更好的產品與工藝。而且高逼真的數字人體模型將是構建工業元宇宙關鍵要素，人因工程仿

3、真技術（特別是相關的VR/AR和運動捕捉技術）將成為工業元宇宙不可或缺的工具和技術手段。本白皮書通過各種應用場景（包括業務背景、實現方式、結果收益等）和案例的方式，讓制造企業領導或工程師能透過本文，看到企業引入或強化人因工程到產品研發流程的必要性、可行性和收益，進而對外提供體驗感更好的“產品即服務”，對內提供可裝配性可維修性的好產品和工藝。愿每位讀者能從中受益，為個人技能拓展和企業數字化轉型添磚加瓦！引言西門子數字化工業軟件2白皮書 人因工程仿真應用1 西門子人因工程助力強體驗產品推陳出新1.1 人因工程分析廣泛應用是體驗時代的必然趨勢1.2 人因工程仿真的發展過程與現狀1.3 西門子人因工程

4、仿真解決方案1.4 西門子人因工程的優勢與收益2 Jack數字人體模型庫2.1 Jack人體測量數據庫2.2 創建Jack數字人體模型的方法2.3 基于Jack數字人體模型進行人因工程仿真分析3 產品生命周期各階段人因工程的應用3.1 產品設計階段的人因工程應用3.1.1 穿戴產品的人機適用性分析3.1.2 交通工具駕駛與乘坐的舒適度分析3.1.3 復雜產品的面向裝配設計的人因分析3.1.4 夾具設計可用性分析3.1.5 復雜產品的面向可維護設計的人因分析3.2 異構/大裝配協同環境下的人因工程應用3.2.1 Vis Jack人因工程仿真解決方案3.2.2 Vis Jack人因工程仿真與應用流

5、程3.2.3 Vis Jack人因工程仿真分析的價值3.3 制造裝配與維修過程中的人因工程應用3.3.1 裝配和維護作業可行性分析3.3.2 人工作業工位設計和優化3.3.3 運動捕捉協同人因分析3.4 工業元宇宙與人因工程應用4 西門子人因工程的客戶應用案例4.1 Doppelmayr應用案例4.2 General Motors應用案例4.3 B/S/H應用案例44 5 6 7 8 9 9 9 10 10 10 11 12 13 14 15 15 16 16 17 18 19 21 22 23 24.25 26.27 27.28目錄西門子數字化工業軟件3白皮書 人因工程仿真應用當前，全球制造

6、業正經歷著以數字化和智能化為核心的新一代工業革命，隨著大數據、物聯網、云計算、人工智能及元宇宙等技術的不斷發展與深入應用，推動了制造企業在產品設計和制造生產方式上的重大變革，數字化技術和智能制造日益融入產品研發、設計和制造生產的全過程；同時，隨著消費者需求提升以及體驗經濟時代的到來，制造業已開始從規?；可a向定制化服務轉變，業務模式已從以產品為導向轉為以客戶為導向?；谏鲜霭l展趨勢，制造企業要適應時代潮流，推出體驗感超強的產品，滿足市場的需求，在產品研發設計時就需要考慮及驗證使用者的體驗感；在產品制造生產時更需要考慮操作工人的體驗感、方便性和舒適性等因素，從而更高效更安全地進行生產；在產品

7、維護時需要考慮維護工人的體驗感和舒適安全因素，更好地進行維護作業。因此，這就需要以人因工程理論為指導，以人因工程仿真軟件工具為手段具體應用到產品生命周期的上述各個階段，對產品設計和生產制造活動進行全面的仿真驗證，研發制造出更好體驗感的產品，并達到產品研發上市周期縮短、成本降低等效果。例如，車輛或飛行器在設計階段都要考慮駕駛員或乘員的操作方便性和乘坐舒適性；使用人因工程仿真工具，設計人員可以把車輛的結構參數，如長寬、離地距離、踏板位置、座椅角度、座椅滑軌參數等，再結合人體模型參數，預測乘員的最佳姿態、判斷是否可視、可達、舒適、安全；這樣就可以確保設計出的車輛或飛行器不僅安全舒適還具有最佳的操縱體

8、驗和乘坐體驗。又例如，在產品制造裝配或維護過程中的人工作業，需要考慮人工作業的布局、工時節拍、可達性、作業姿態、受力強度等人因工程因素，使用人因工程仿真工具，規劃人員可以在可視化環境中對人工作業工位進行布局規劃，利用數字人體模型來模擬具體人工的作業過程，并對物料放置位置與距離、工位或生產設施的參數、物料拾取時的姿態、主要身體部位的受力、完成作業過程的時間等進行動態仿真分析，這樣就可以提早發現可能出現的問題并解決之，確保人工作業的安全、可靠、便捷和高效?？傊?，在新時代發展趨勢下，人因工程仿真在各行業的產品研發設計和制造維護過程中所發揮的作用越來越重要，其成效也越來越顯著。一、西門子人因工程助力強

9、體驗產品推陳出新1.1人因工程分析廣泛應用是體驗時代的必然趨勢西門子數字化工業軟件4白皮書 人因工程仿真應用眾所周知，人因工程學是按照人的特性對人-機-環境系統進行設計和改進的科學。經過一個多世紀的發展，人因工程學已形成了完整的理論體系和應用方法；近些年來，人因工程學更是與快速發展的IT技術相融合，將數字化和仿真技術應用于人體模型建模和人因工程分析,發展形成了人因工程仿真系統和軟件工具，廣泛應用于眾多行業和工業領域。人因工程仿真分析的研究對象是復雜的人-機-環境系統，其中的人體模型是建立在人體測量學、生物力學、運動學等學科上的復合多模型結構，是人因工程仿真系統的關鍵要素。數字人體模型最早誕生在

10、上世紀60年代,1965 年英國諾丁漢大學開發出數字人體模型SAMMIE系統，它具有簡單的骨架和外表,可以模擬開車門到駕車之間的過程；是較早應用于車輛人因工程設計的人體建模軟件。80年代以來,一些用于汽車或機械系統人因工程設計的數字三維人體模型系統逐步達到實用階段,如:ERGOMAN、ANYBODY和ANTHROPOS等；其中最具影響力的是Jack人體建模系統，由美國賓西法尼亞大學利用1.4億美元高額研究經費歷時十年（1986-1996）開發；該模型包括逼真的人體行為動作、貼近真實人體的人體數據參數、啟發算法自動避障等功能；廣泛應用于汽車、航空航天、船舶、國防等行業進入新世紀以來，人因工程仿真

11、的發展和應用越來越快速和廣泛；例如波音公司在計算機上把人的模擬系統和飛機模擬系統結合起來，在飛機設計階段把可能遇到的裝配、使用和維護問題暴露出來并加以解決，減少設計更改、降低設計費用等。通用汽車公司在汽車設計過程中深入應用人因分析，顯著改善駕駛員的操控感和車內乘員的舒適性，更好地保護駕駛員和乘員的身心健康和生命安全，提高汽車的宜人性和運動效率。同時，西門子將人因工程仿真分析軟件Jack集成到PLM（產品生命周期管理）平臺和數字化企業軟件套件中，用Jack數字人體模型代替真實人體評估分析產品使用和制造維護過程中的人因工效，成為提高改善產品設計及制造維護過程的重要舉措。目前，西門子更是在業界重磅發

12、布了工業元宇宙(Industrial Metaverse)戰略，將Jack數字人體模型集成應用到綜合數字孿生中，構成交互式、沉浸式和協作共享的虛擬3D平臺，在產品生命周期過程中產品設計、同步工程以及制造維護等階段進行人因工程仿真和分析驗證，對實際產品和生產系統進行持續改善優化。1.2人因工程仿真的發展過程與現狀西門子數字化工業軟件5白皮書 人因工程仿真應用西門子人因工程仿真解決方案套件，采用Jack數字人體模型，提供面向產品設計、異構的協同審查、裝配維修等業務的多個人因工程仿真工具來滿足制造企業在產品全生命周期過程中各階段的人因工程需求，提高產品設計的人因工程學性能和產品制造及維修維護過程中的

13、人機交互可行性，從而在產品設計的早期階段對未來產品的使用進行評估，獲取更安全，更符合人體工程學的產品；在產品制造及后期維護過程中對產品的可制造性、可維護性及潛在傷害進行評估，有效保證作業人員的人身安全，提高操作舒適度，優化任務過程。西門子人因工程仿真解決方案套件包括以下三個子解決方案：西門子人因工程仿真解決方案Jack for NX解決方案：又稱為NX Human；它內置于NX設計工具，主要專注于產品設計過程中的人機交互分析，優化產品設計。其中特別嵌入了用于車輛設計的舒適性分析工具包（Occupant Packaging tools），包含多種車輛人因工程設計評估分析工具及標準，可與NX的車輛

14、設計模塊無縫集成使用。Vis Jack解決方案：內置于西門子Visualiza-tion Mockup數字樣機，專注于在輕量化的環境(特別是多CAD異構協作或復雜產品重模型場合需要輕量化)中對產品設計方案進行評審，簡單易用，具備可達、間隙、可視等基本功能，也可通過姿態庫和調整工具對人體進行姿態調整，對人體的運動過程進行初步分析。Process Simulate Human解決方案：簡稱為PS Human；它內置于Tecnomatix工藝仿真工具Process Simulate之中，專注于產品制造及維修過程中人機交互分析，具備深度分析能力，優化產品的制造及維護過程。通過在數字化環境中仿真人工作業

15、場景和操作過程，從而對人工作業的具體動作、姿態、工時、勞動強度等進行評估分析，內嵌十多種人因工程學評估標準和工具，并可與VR系統集成進行沉浸式更具體驗感的人因工程仿真分析。1.3西門子人因工程仿真解決方案西門子數字化工業軟件6白皮書 人因工程仿真應用西門子人因工程仿真解決方案獨特的優勢在于：更先進、更真實的人體模型：可對人體模型各部分的參數進行調整，皮膚光滑，關節之間連接更真實直觀；并可支持多個人體模型之間協同工作；先進的面向任務的仿真構建器，易于對人體動作和姿態進行手動調整，快捷方便地按任務構建仿真進行人體工程學研究.基于JT輕量化模型國際標準，可對大型系統和復雜作業環境進行人因工程研究和仿

16、真分析；與西門子產品生命周期管理平臺Teamcen-ter系統緊密集成，可對復雜設計或制造維護環境等構建數字化場景并進行相關人因工程研究；支持基于中國國家標準人體測量數據的人體模型，更好地針對中國人進行人因工程學研究；總之，基于Jack數字人體模型的西門子人因工程仿真解決方案對在產品設計、制造生產、維護等階段的人體體驗進行仿真驗證，在早期發現問題并解決之，縮短產品研發時間、提高效率、節約成本。1.4西門子人因工程的優勢與收益提高產品設計的體驗感和人因功效；改善產品的操作方便性與舒適度；改善產品的可維護性與可維修性改善操作人員的安全工作環境；優化人工作業過程和作業環境；更好更快捷的人員培訓；西門

17、子數字化工業軟件7白皮書 人因工程仿真應用眾所周知，數字人體模型是人因工程仿真的基礎；西門子人因工程仿真解決方案套件使用同一Jack數字人體模型，確保人因工程仿真的高效協同和質量。長期以來，西門子人因工程仿真解決方案廣泛應用于全球眾多行業和制造領域各種業務場景，在一些行業中已成為事實上的人因工程仿真應用標準。Jack最初是由賓夕法尼亞大學的人體模型和模擬中心(Center for Human Modeling and Simula-tion at the University of Pennsylvania)開發；提供業界最準確的人體生物力學模型，該模型基于美國軍方人體調查(ANSUR 88)

18、的三維人體測量數據構建。目前Jack是西門子人因工程仿真解決方案的數字人體模型基礎。一般地，數字人體模型是由多個關節組成的具有復雜運動機構的三維模型（具體關節的數量取決于所選的人體測量數據庫）,其模型精度和準確度依賴背后的人體測量數據庫；在這方面，西門子人因工程仿真解決方案內置了多個國家和地區以及行業的人體測量數據庫，可以準確地創建這些國家和地區的數字人體模型。Jack內置人體測量數據庫包括并不限于：ANSUR(1988)Nhanes III(1994)North American Auto(2006-2007)Canadian Land Forces(1997)Asian Indian(19

19、97)German(2008)Chinese:(1989)JapaneseKorean二、Jack數字人體模型庫2.1Jack人體測量數據庫Jack人體模型庫西門子數字化工業軟件8白皮書 人因工程仿真應用根據需要可以使用不同方法創建Jack數字人體模型：創建Jack人體模型人因工程仿真分析直接創建系統默認的Jack人體模型（男性/女性），模型創建后可調整其性別、年齡(1879)、人體測量數據庫、身高體重百分位等參數，可選擇頭發顏色、眼睛顏色以及T恤和褲子的顏色等，達成高逼真的數字人體模型；基于人體尺寸參數定制所需的Jack人體模型，可調整的參數包括性別、顯示類型（衣服、手套和鞋子或基礎類）、人

20、體測量數據庫、身高百分位、體重百分位、腰臀比例等；借鑒其他人體模型尺寸參數創建人體模型。Jack人體模型具有平滑皮膚和外表、多關節運動自由度高達135DOF，并可進行逆運動學操作；當操縱人體模型時，皮膚會動態更新，提供良好的外觀顯示。西門子基于Jack數字人體模型的人因工程仿真解決方案可高效地設計和優化由人、機器設備和環境構成的人-機系統。在數字化人-機系統環境中，Jack數字人體模型可以更直觀地描述人體與作業環境的關系，可以自動平衡和協調人體與作業環境的互動，并以多種方式定義人體和物體之間的約束關系；譬如創建約束來保持人體模型的背部靠到汽車座椅、右腳踩著油門；當座位移動時，人體模型將遵循這些

21、約束，其關節也會相應移動和調整，從而設計出具有更好體驗和更適用的汽車產品。為更好地評估物體的抓握或拾取過程以及作業效率，Jack提供了多種預定義的抓握類型；一旦指定了抓握類型，系統就會自動計算在抓握一個特定物體的時候手是如何閉合抓緊的。2.3基于Jack數字人體模型進行人因工程仿真分析基于Jack數字人體模型的西門子人因工程仿真解決方案支持最為專業的人因工程評價體系標準。通過對虛擬環境下的人體的姿態和受力、疲勞等生理參數的仿真分析，結合業界最為廣泛使用的人因工程學標準，對于人工操作或作業進行分析評價，預測人體可能受到的傷害與風險并進行改進優化。2.2創建Jack數字人體模型的方法西門子數字化工

22、業軟件9白皮書 人因工程仿真應用氣管模式 口鼻模式在產品全生命周期的各階段，基于不同的人因工程應用場景和業務目標，選擇西門子人因工程仿真套件中相應的解決方案，為工程師提供功能強大且易于使用的人因工程仿真工具，提高工作效率，研發出具有更適用更好體驗感的產品或更高效安全的人工作業過程和作業環境。本章節呈現了不同階段的典型應用場景。在產品設計過程中，設計人員可采用NX Human分析產品的可用性。具體使用過程就是在數字化環境中結合產品數模和人體模型，分析產品的操作便利性，包括可見、可達和舒適，并預測最佳的操控姿態或位置，以確保產品操作、安裝以及維護工作的順利進行。以下列舉產品設計過程中幾種典型的人因

23、工程應用場景。諸如駕駛用頭盔、醫用呼吸輔助系統等在設計階段產品設計人員需要對不同參數人體的穿戴舒適性、可用性進行分析驗證，以確保產品交付到客戶現場后，能夠適用于不同年齡、身高和體重的用戶。產品設計環境下人因工程基本應用，是在產品數字樣機環境下添加不同參數人體模型，對穿戴產品功能進行可視化檢查。如上圖所示的一款醫療用呼吸機，在使用時有氣管和口鼻兩種工作模式。虛擬環境下，產品設計人員可以在NX Human中調入不同參數人體模型，通過參數化設計模板調節呼吸機吸頭位置，確保在不同呼吸機工作模式下，都可以滿足不同年齡和身高、體重病人的可用性要求。通過NX Human的人機檢查，在產品設計階段就可以對穿戴

24、產品針對不同人群的適用性進行驗證，從而提高了產品交付的滿意度，降低及避免產品的變更和召回成本。三、產品生命周期各階段人因工程的應用3.1產品設計階段的人因工程應用3.1.1穿戴產品的人機適用性分析西門子數字化工業軟件10白皮書 人因工程仿真應用有人駕駛的車輛或飛行器在設計階段都要考慮駕駛員的操作方便性、勞保、舒適性，這也是確保車輛或飛行器安全的設計需求。在NX Human中，產品設計人員可基于車輛的結構參數，如長寬，離地距離，踏板位置、座椅角度，座椅滑軌參數等，再結合人體模型參數，預測乘員的最佳姿態。在這個最佳姿態下，駕駛員可以保持身體貼合座椅，同時雙手可以操控方向盤，雙腳可以觸碰制動和油門踏

25、板。也可分析眼睛視野和手活動范圍，確保駕駛員在駕駛過程中不留視野盲區，并可在身體保持握緊駕駛方向盤的情況下，通過肘關節和肩關節的轉動，可以方便地操作檔桿、駐車桿、液晶屏幕、信號燈、溫控開關等等。同樣在設計階段，還沒有物理樣機的情況下，產品設計人員可以通過NX Human在虛擬環境下基于車輛數字樣機，對乘員的乘坐體驗進行分析驗證，并根據分析結果及時對乘坐空間布局進行微調和優化，提早排除一些設計上的盲區和缺陷，避免召回，同時縮短產品上市周期，確保銷售后的客戶滿意度。駕駛員分析3.1.2交通工具駕駛與乘坐的舒適度分析西門子數字化工業軟件11白皮書 人因工程仿真應用面向裝配設計(Design for

26、assembly,DFA)是對復雜產品進行設計時普遍采用的方法，以確保設計的產品具有良好可裝配性：產品裝配工序簡單、效率高、質量高和成本低；這就需要對裝配過程中有關人工操作過程進行人因分析與優化；特別是像發動機、汽車、飛機以及軍工裝備等復雜產品，更需要在設計階段提前對可裝配性進行分析優化，提升產品可裝配性和降低裝配成本。如圖所示是一個柴油發動機數字樣機，其結構比較復雜；裝配現場有些操作采用人工手段可能是最經濟有效的方式，如結構件、管道、電氣件之間的連接等操作。譬如一個擰螺栓的操作，能否有足夠的空間讓人手或帶工具進行操作？操作姿態能方便用力嗎？操作效率如何？會有受傷可能嗎？這些都是設計人員在設計

27、階段需要結合人因工程仿真分析來解決的問題。而且工人熟練程度、力量大小及個人習慣不同，實際操作在效率、品產品設計人員在NX Human中通過定位人手模型與產品結構之間的位置關系，可以很快找到連接電氣接頭的最佳(安全、高效)手工操作姿態。如下圖所示，可以把不同參數人手模型添加到柴油發動機數字樣機環境中并定位，然后設定手的抓取姿態，如五指抓取，兩指抓取、一指抓取，通過可視化檢查人手模型與周圍零件的間隙情況來判斷，該姿態是否可用。本例中最終確定一指抓取方案最佳?？傊?，產品設計人員通過NX Human在虛擬環境中對復雜產品拆裝過程中的人工操作進行各種姿態試驗與分析，以確保產品能有足夠的可裝配性，確?，F場

28、工人的操作更高效和安全。3.1.3復雜產品的面向裝配設計的人因分析西門子數字化工業軟件12白皮書 人因工程仿真應用夾具設計過程中，夾具設計人員需要檢查設計是否滿足操作要求，比如某些步驟中，操作人員需向前彎腰以使手放到操作位置，同時還需要觀察某些特定的區域，或者需要騰出手來拾取工具或抓取物品。夾具設計人員可通過NX Human可視與可達性分析，來驗證夾具是否滿足可操作性要求。如下圖所示，夾具設計人員從庫中加載女性人體模型，放置在工作臺前；臺上的夾具用來固定鈑金件；當前操作中，人員需要彎著身體用手抓取鈑金件的開口并抬起鈑金件，并用眼觀察夾具的定位柱區域以使得鈑金定位孔順利穿到夾具柱子上。夾具設計人

29、員可以在NX Human中設定手的方位和參數，使得雙手放到鈑金的目標抓取位置。接著調整人體模型的眼睛視線方向對著夾具的定位柱方向，人體模型的頭、頸、肩、背、腰等會隨動，并保持之前設置好的雙手姿態。夾具可達性分析夾具使用可達性和可視性分析夾具設計人員可以通過NX Human命令分析調整后的人體姿態下，眼睛視野可看到的范圍，以及手通過肩肘關節能觸及的空間范圍；可提前驗證操作人員使用夾具固定零件過程中人員操作的可達性和可視性，確保夾具使用過程中人員的方便性和安全，同時提高生產作業效率。3.1.4夾具設計可用性分析西門子數字化工業軟件13白皮書 人因工程仿真應用大型復雜產品如飛機、船舶等使用壽命比較長

30、，使用期間的維修維護是必不可少的作業；面向可維護設計是這類產品在研發過程中必須遵守的設計指南，以確保設計的產品在使用過程中具有良好的可維護性。這就需要在設計階段考慮某些關鍵零組件的定期維護，如檢查、更換或保養等作業，而此類操作一般都需要人工操作來完成；設計人員在數字樣機階段對這類作業進行人因工程仿真分析驗證，則可消除因設計不合理導致維護操作的空間狹窄或其他不良情況。對大型復雜的航空或船舶類產品，如果把這些可維護性驗證工作留到產品生產甚至交付階段，就會增加不可承受的變更成本。大型裝備可維護性分析例如，民航飛機起降前都需要由地勤機務人員對全機進行目測檢查，一般在50分鐘內，機務人員或俯軀、或攀梯、

31、或探身，用肉眼掃過每一寸的機身。每一顆螺絲、每一道葉片，都要保證到位完整。一方面，檢查的細致完整關系到飛航安全；另一方面，航空公司也希望檢查工作保持高效，使得停機時間最小化，提升航空公司運營效率。設計人員通過NX Human在飛機數字樣機環境下放入特定參數的人體模型，設置姿態，或者設置適合該操作的人體參數，如身高，臂長等，通過可視可達性和舒適性分析，尋找最佳位置和姿態，以評估此類維護操作的有效性。如果通過各種嘗試，都無法避免令操作人員操作困難甚至危險有害的姿勢，則需要修改優化設計。在大型復雜產品設計階段引入人因工程仿真進行產品的可維護性評估，可確保該產品具備良好的可維護性，從而提高客戶滿意度、

32、最小化生命周期維護成本。3.1.5復雜產品的面向可維護設計的人因分析西門子數字化工業軟件14白皮書 人因工程仿真應用目前制造企業需要面對越來越復雜的產品研發和制造生產環境，特別是大型復雜產品/系統，在研發過程中需要多專業、多學科、多部門以及眾多供應商（可能使用不同的CAD）等廣泛協同工作才能快速、高效地完成高質量的產品設計；同時這類產品在制造生產或使用過程中與人的交互比較多、關聯性強，特別需要人因工程應用與評審。為了進行人因工程分析需要完整的數字樣機，但不可能將多個不同CAD格式的三維模型直接裝配起來，而且模型巨大裝載困難。這就需要采用兼容多CAD格式的輕量化模型來構建該復雜產品/系統的人因分

33、析環境，以便能提前驗證產品制造和使用過程中人工作業的可行性，人機交互的可行性和易用性等。Vis Jack就是為這種情形提供的獨特人因工程解決方案。Vis Jack是西門子產品生命周期可視化解決方案Visualization Mockup 的附加組件。在協同作業環境中Teamcenter的Visualization Mockup數字樣機功能使工程團隊可以在單個環境中執行大規模虛擬空間分析和高性能協作。Vis Jack使工程團隊能夠在西門子PLM平臺Teamcenter上實現真正多CAD環境中無縫協同，審查與產品設計相關的人因問題如人體適合度、可達性、間隙和視覺范圍等，在產品開發周期早期快速輕松地

34、識別潛在的人因工程問題，避免成本高昂的錯誤和返工。Vis Jack具有易于使用的界面，工程團隊可以從人的可達范圍、接觸、間隙和可見性等角度對數字樣機進行虛擬評估。Vis Jack提供各種尺寸參數的數字人體模型（從最小百分位的女性到最大百分位的男性），能夠匹配在現實世界中產品使用、組裝或維修的目標人群的物理特征。3.2異構/大裝配協同環境下的人因工程應用3.2.1 Vis Jack人因工程仿真解決方案 西門子數字化工業軟件15白皮書 人因工程仿真應用在協同作業環境中，基于大裝配產品數字樣機進行人因工程虛擬評審流程如下：首先在協同工作環境中加載產品設計數字樣機模型；確定目標工作人群能否與設計產品進

35、行安全舒適交互從Vis Jack人體庫中選擇合適的人體類型和大小，根據需要修改調整人體模型尺寸參數，創建精確的人體模型表示特定用戶/作業人員；分析人體與產品數模的交互表現，使用視錐進行視野分析；可以第一人稱視角窗口來分析視野范圍；Vis Jack人因工程仿真工作流程3.2.2 Vis Jack人因工程仿真與應用流程在異構協同作業環境中，基于大裝配產品數字樣機進行人因工程仿真分析可：解決異構環境的裝配問題、消除大裝配資源消耗問題；使工程團隊能夠協同直觀地溝通測試可能導致的在產品使用或維護過程中人因工程問題，從而通過優化設計來快速低成本解決問題；3.2.3 Vis Jack人因工程仿真分析的價值設

36、置人體模型的姿勢與產品數模交互：人體姿勢的設置，可直接調用Vis Jack眾多預定義的姿勢庫；或調整人體特定部位或關節到給定位置。對于復雜作業環境，可對人體的關節單獨操縱，以準確地表示所需的人體姿勢；分析t手部間隙和干涉研究，可視化手臂可觸范圍，確定作業可達性；分析優化工作空間設計和布局。西門子數字化工業軟件16白皮書 人因工程仿真應用在產品實際生產前，快速檢查產品安裝和使用過程中的可到達可觸及以及視野范圍等問題，降低甚至消除因設計不合理而導致昂貴的返工和使用成本；支持以人為中心的設計，研發出更高質量更適用以及更好體驗感的產品。西門子人因工程仿真解決方案PS Human將產品制造及維修過程中的

37、工藝規劃和人因工程仿真融合在一起，使用具有準確生物力學、人體測量和人因工程學特征的Jack數字人體模型在數字化環境中對人工作業進行仿真驗證。Jack數字人體模型的外貌及行為與真實的人體類似，可以模擬人體平衡、行走、抓握以及舉升等操作，可以依據任務進行判斷是否超出人體生理及力學限制，從而對作業可行性及工傷風險進行仿真驗證和分析優化，設計出符合標準、易于操作、普適性強、作業效率高、工傷風險低的人工作業環境和操作工藝。當前，隨著企業數字化轉型升級以及智能制造技術發展應用，產品制造生產和維修維護過程中一方面對自動化的需求越來越高，使用更多的自動化設備和機器人，另一方面對人工作業的效率、安全以及環境的要

38、求也越來越高，需要提前對人工作業進行仿真驗證，及早發現潛在問題并進行解決和優化。3.3制造裝配與維修過程中的人因工程應用西門子數字化工業軟件17白皮書 人因工程仿真應用在產品研制階段或制造工程階段采用PS Human進行裝配和維護作業的可行性分析，可將產品數據、資源數據、工藝數據、人體模型等關聯起來進行詳細的仿真分析，檢查裝配或維護工序是否可行，在操作中所使用的工具能否對零件實現操作，操作時人體的可達性、可視性、姿態等是否滿足操作要求，最終可評估產品制造裝配和維修維護等環節作業人員的可操作性，預先發現問題，保證結構件裝配維修的可行性及人工作業的舒適度，有效縮短研制周期，降低研制難度，節約研制成

39、本。PS Human系統內置的任務構建器可快速設置人體的任務，以動作單元的方式設置人體動作的關鍵幀，由系統自動根據關鍵幀進行過度幀計算，從而實現仿真動作的連貫表達。在PS Human系統計算的過程中，如果出現超出人體的生理范圍的操作，系統會報錯提醒。人體可視性分析，根據設定人體可視性分析的參數，如左眼、右眼或兩眼之間、頭部正前等，分析人體的視野，包括視錐的設置，從而獲取人體的視野范圍。這樣就可以驗證人工作業是否在自己合適的視野范圍內，以便更好地完成操作工藝。人工作業任務仿真過程中，可隨時打開查看人體的可達性分析。通過設定人體的姿態，可以模擬人體在不同的工作姿態時的可達性及范圍，從而確定裝配工藝

40、的可行性及工裝、工具的排布空間。3.3.1.1作業可達性分析3.3.1.2作業可視性分析3.3.1 裝配和維護作業可行性分析西門子數字化工業軟件18白皮書 人因工程仿真應用在對人工作業進行可達性、可視性等分析后，還需要對作業進行人因工程分析，通過模擬分析作業過程中的姿態、受力、疲勞等評估人工作業的難易程度與優劣并進行改善。PS Human提供一系列的人因工程評估分析工具，包括力求解器，EAWS（生物力學負荷超載危害風險評估），能耗分析，手臂力量評估以及一系列用于評估姿態或操作過程的分析工具，這些工具包括NOISH（提升分析）、OWAS（姿態分析）、Fatigue（疲勞分析）、SSP（靜態力學預

41、測分析）、LBA（下背部受力分析）、CBL（累積背部載荷）、Ergonomics Metrics（人機工學指標）、Generic（通用）和RULA（快速上肢評估）等。這些人因工程評估指標基于通行的國際和行業標準，分析結果具有很高的可信度及準確度，對人工作業具有較好的指導性。系統還支持企業定制適合自己的標準，并加入到軟件中。為進一步提高勞動效率和優化勞動時間，有必要對裝配和維護作業的工位設計進行仿真驗證與分析優化，通過對PS Human虛擬場景中數字人體的操作過程及可視、可達、姿態分析、操作時間分析等，對工位的布局、物料存放位置、輔助提升設備等進行模擬和優化，減少人員的移動距離，從而提升生產效率

42、，并減少對人體的傷害。3.3.1.3人因工程評估3.3.2 人工作業工位設計和優化西門子數字化工業軟件19白皮書 人因工程仿真應用例如在下面的業務場景中，初始的工位設計如下圖左側所示，通過分析可發現操作者的物料搬運距離過長，且物料搬運屬于無附加值的勞動時間，因此導致工作效率較低，為了解決此問題將工位設計成流水式的U形工位布局，操作者按照統一的流向在工位的不同位置完成產品的部分零組件裝配，最終實現產品的裝配過程；在此過程中，可對操作者的物料搬運過程進行受力分析，以衡量徒手搬運的可行性。通過完整的作業操作過程仿真，可生成基于MTM（Method time Measurement）方法時間測量的工時

43、分析報告。通過對比工位布局改進前后的人因工時分析報告，可以發現工位改進后無附加值的勞動時間明顯減少。為更逼真更快捷地進行人因工程仿真建模與分析優化，PS Human還支持運動捕捉設備協同人因分析，將數字業務場景與運動捕捉設備（如運動跟蹤器和數據手套）結合，通過在現實當中的人體上附加運動捕捉相應的標記，當人體運動時，標記位置會隨著運動和時間而被跟蹤，跟蹤結果映射到虛擬環境中的人體，從而驅動數字人體進行精確運動，詳細運動過程及姿態可通過PS Human系統工具進行分析。3.3.3 運動捕捉協同人因分析西門子數字化工業軟件20白皮書 人因工程仿真應用如果在分析過程中主要關注手部的具體動作，則可使用數

44、據手套實現對人體手部詳細動作的跟蹤和分析。在使用運動捕捉系統驅動數字人體時，需要設定相關的跟蹤點，其通常映射到實際人體對象的關節中心點。另外，對于其他廠家的運動捕捉系統可以通過Process Simulate 提供的API函數實現對其產品的接口支持。PS Human虛擬現實設備接口動捕捉跟蹤點映射 ARTSynertialXSensMotionWerxAXS PS Human提供標準接口與主流運動捕捉和虛擬現實設備連接，支持如下品牌：Motion Analysis from Motion Analysis Corporation Vicon Motion from Oxford Metrics

45、 Group CyberGlove from Immersion Corporation Noitom西門子數字化工業軟件21白皮書 人因工程仿真應用近年來元宇宙（Metaverse）概念變得非常流行，相關主題和行業也非?；鸨?，并快速影響到工業軟件領域和制造業。元宇宙是一個虛擬現實空間，由交互式、沉浸式和協作的共享虛擬3D世界/平臺組成，用戶可以在其中與環境和其他人進行交流和互動。目前元宇宙專注于以客戶為中心的解決方案（如音樂會、游戲）等。在工業制造領域，最近西門子發布了其工業元宇宙發展戰略，將工業元宇宙描述為在整個產品研發、生產、維護過程（包括產品、機器、PLC和生產線、運行環境）的數字孿生

46、體，并通過來自跨供應鏈的實時數據進行不斷優化。西門子工業元宇宙戰略基于工業元宇宙，工程師可以非常方便地以Jack“數字人”進入虛擬設備單元或生產線的內部進行深入洞察，在高度貼近真實環境中的元宇宙虛擬環境中進行調試和試生產；企業管理者可以通過在虛擬環境中仿真運行工廠車間的生產過程，識別和分析如何更高效、更安全地完成工作，而無需進行更多的物理測試?？梢灶A見，工業元宇宙發展應用將極大提升企業運營效率，進一步促進供應鏈整合與優化。工業元宇宙的關鍵特征是具有沉浸感可交互的數字孿生，高逼真的Jack數字人體模型將是構建工業元宇宙關鍵要素“數字人”原型，而且人因工程仿真特別是相關的VR/AR和運動捕捉技術將

47、成為工業元宇宙不可或缺的工具和技術手段。3.4工業元宇宙與人因工程應用西門子數字化工業軟件22白皮書 人因工程仿真應用多年來，隨著數字化技術的發展，特別是CAX在工業領域的發展應用，人因工程仿真分析在各個行業很多方面得到了廣泛應用。以Jack數字人體模型為基礎的西門子人因工程仿真解決方案套件，具有完備的人因工程仿真功能，可以代替真實人體實現行走、搬運、抓舉、關節運動，視覺范圍、調節姿態等活動，評價人工作業的安全姿勢、舉升與能量消耗、疲勞與體能恢復、靜態受力、人體關節移動范圍等人因工程性能指標，在產品設計、生產制造與維修維護等領域發揮了極大作用;已經廣泛應用于航空航天、國防、汽車、船舶、家電、高

48、科技電子等行業客戶中。西門子人因工程仿真解決方案各行業部分客戶四、西門子人因工程的客戶應用案例下面介紹幾個典型行業客戶的人因工程仿真應用案例：西門子數字化工業軟件23白皮書 人因工程仿真應用Doppelmayr（多貝瑪亞集團）是世界領先的索道技術公司，生產滑雪纜車、觀光索道等產品，市場占有率達到60%。多貝瑪亞采用分布全球的開發團隊，需要確保高效的協同；產品具有顯著特點：尺寸非常大且裝配復雜，安全認證項多且嚴格，設計周期長。全新一代座艙/升降椅系統開發，需要不斷創新。經過幾十年的持續改進，傳統暢銷產品Doppelmayr組合（一種帶有可拆卸的座艙和/或椅子吊架的連續移動單體電梯）已經達到原始設

49、計極限。2011年，多貝瑪亞管理層決定開始開發全新一代的可拆卸座艙和椅子升降系統D-Line。由于引入了全新的設計理念，D-Line在設計階段有許多技術問題需要充分驗證，同時也對設計團隊的協作帶來新的挑戰。集團通過西門子公司Teamcenter+NX系統的實施，為項目提供了一個共享的數據管理環境，大大提高了設計人員之間的協同效率。西門子獨特的數字孿生技術也為D-Line新產品數字樣機階段的設計、建模、仿真分析提供充分支持，保障了項目的高效進行。4.1Doppelmayr應用案例西門子數字化工業軟件24白皮書 人因工程仿真應用索道產品屬于交通工具，乘員安全是設計的重要考慮。多貝瑪亞設計人員在NX

50、 Human中加入人體模型，對索道運轉過程中，人員的上下站位進行驗證，尋找空間及通道設計中可能存在的安全隱患，及時排除并改進。另外，設計人員也利用NX Human對游客在纜車乘坐時的視野進行分析，極大化觀光游覽的體驗。對纜車運行過程中可能發生的人手誤觸碰或者兒童好奇觸碰引起的安全隱患，設計人員也利用庫中的不同參數人體模型，設定乘坐位置，然后分析手的可達范圍，以對門窗栓鎖盡可能進行優化，或者結合乘坐說明或標示進行警示。通過與西門子的合作，多貝瑪亞在D-Line項目上獲得了巨大成功，其中由于在虛擬的產品研發過程中采用了NX Human進行人因工程驗證，獲得了如下收益：在研發早期就可以完成很多人機驗

51、證，從而大大縮短產品設計周期;減少不必要的物理樣機及真人試驗，節約大量成本;通過在虛擬環境中人體可視可達性分析，可以真實模擬乘客體驗，從而提高產品競爭力。西門子數字化工業軟件25白皮書 人因工程仿真應用General Motors（通用汽車）是世界著名的汽車制造公司，在全球生產和銷售包括雪佛蘭、別克、GMC、凱迪拉克等一系列品牌車型并提供服務。旗下產品暢銷于全球多個國家和地區，包括電動車、微車、重型全尺寸卡車、緊湊型車等。作業人員能否接觸到零件；將GM UAW人體工程學指南應用于Jack人體模型；4.2.1可達范圍分析4.2.2間隙分析4.2.3視野分析長期以來，通用汽車一直面臨著來自全球汽車

52、行業的激烈競爭和汽車產品更新換代越來越快的嚴酷挑戰；需要在供應鏈全球化時代以最快的時間給客戶提供更具體驗感更時尚又質優價廉的產品。通用汽車最早將數字化技術應用于產品設計，不斷探索和實踐以產品全生命周期數據為基礎的數字化工廠建設和企業數字化轉型，取得了舉世公認的經濟效益和社會效益。通用汽車實踐在數字化環境中，對產品生命周期過程各階段工程應用進行仿真、評估和優化，降低設計到生產制造之間的不確定性，縮短產品設計到生產的時間，提升產品的可靠性與質量。特別是通用汽車將西門子人因工程仿真解決方案應用于產品研發、同步工程、生產制造等階段，更 是 成 效 顯 著，亮 點 紛 呈；其 中 應 用VisJack人

53、因工程解決方案于同步工程業務過程，實現多部門多供應商在多CAD數據環境下的產品數字樣機中進行人因工程分析和虛擬評估，提前驗證產品的可制造性和可裝配性。評估當前姿勢的人因功效以及對姿勢進行改善；作業人員操作是否有盲點；確定作業人員是否有清晰視野；若有障礙物，通常會導致完成任務的姿勢比較尷尬；通用汽車在產品研發中使用VisJack人因工程仿真解決方案取得了顯著的效益：極大提高了產品工程和和制造工程之間同步工程的協同作業效率；及早發現產品設計以及生產制造中可能存在的人因工程問題；提升產品的體驗感以及面向制造的產品設計水平；顯著減少了后期設計變更。4.2General Motors應用案例作業人員能否

54、手動接觸零件；將GM UAW人體測量規范應用于Jack人體模型；評估裝配作業過程中碰撞干涉；分析并優化手工抓握西門子數字化工業軟件26白皮書 人因工程仿真應用B/S/H（博西家用電器集團）是全球領先、歐洲排名第1位的家電產品制造商,為遍布全球的消費者生產全系家電產品。B/S/H始終以消費者為中心，堅持可持續發展理念，持續進行企業數字化轉型。多年以來，B/S/H采用西門子數字化制造解決方案先后完成數字化工廠項目（Digital Factory），并不斷進行更新和完善，以實現降低生產成本，提高裝配過程效率，同時盡量減少對外部供應商依賴的目標。B/S/H使用西門子數字化工廠解決方案基于數字孿生模型在

55、生產開始前進行詳細的工藝規劃與仿真驗證，提前發現問題解決問題。使用西門子人因工程仿真解決方案，對人工作業工位布局、工時節拍等進行仿真驗證與優化；在SOP（Start Of Production）前完成符合人因工程學安全標準的工位設計，既提高了作業效率又保障了作業安全，取得了顯著的效益。例如對操作工位的人工作業過程使用PS Human人因工程分析工具進行靜力分析和負荷計算，分析評估潛在的風險并進行改善，這樣做的益處是嚴格遵守勞保法律要求；優化工作場所，確保工人健康工作。自動化改造的挑戰是一方面需要滿足作業節拍時間，另一方面還有應對制造差異和零件靈活性；此外還需要確保程序是可重復執行的，且不會損壞

56、精密部件。為此，B/S/H使用西門子PS Human人因工程仿真運動捕捉解決方案，跟蹤捕捉一個有經驗的操作員的手工任務，記錄作業節拍時間；接著創建PS Human人因工程仿真研究，對作業過程進行仿真驗證與優化；首先從人因工程學角度驗證該工位改造成自動化作業的合理性，然后再引入機器人進行自動化改造，確保成功和一次就做好；該項目取得了良好效益并積累了知識經驗，為推廣復制打下了堅實的基礎。另外，B/S/H在對傳統的工位進行自動化升級改造的過程中，PS Human人因工程仿真解決方案也發揮了巨大作用。例如對一個冰箱套管裝配工位成功進行自動化升級改造；改造前這是個手工作業過程，在冰箱NFXX的背面安裝加

57、強件螺栓，人工安裝過程大約耗時25-34s。4.3B/S/H應用案例西門子數字化工業軟件27白皮書 人因工程仿真應用總之，B/S/H使用西門子數字化工廠和人因工程仿真解決方案取得了顯著的效益，減少作業節拍時間達40%，顯著降低了作業準備時間。同時，B/S/H還將這些成果和經驗轉化為企業最佳實踐，并成功在全球的多個工廠和生產基地推廣使用。西門子數字化工業軟件28白皮書 人因工程仿真應用西門子數字化工業軟件 通過西門子Xcelerator 開放式數字商業平臺的軟件、硬件和服務，幫助各規模企業實現數字化轉型，西門子數字化工業軟件和全面的數字李生可助力企業優化設計、工程與制造流程,將創新想法變為可持續的產品，從芯片到系統，從產品到制造，跨越各個行業，創造數字價值。2023 Siemens?？稍诖颂幉榭聪嚓P西門子商標列表。其他商標屬于其各自持有方。關注【西門子數字化工業軟件】微信公眾號 聯系我們：400-120-0052(工作時間：9:00-17:30)