西门子：2023人因工程仿真应用白皮书（29页）.pdf

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1、未来社会经济是以服务为舞台、以商品为道具的体验经济。制造企业只有不断推陈出新各种体验感强的产品，才能提供更好的服务，成为体验时代的弄潮儿。体验感好的产品，不仅仅指最终用户使用产品时体验好，还包括产品制造、装配、维修时体验好；体验好，最终体现在好用想用等心理感受性指标，而基本的可视、可达、舒适、安全、健康、可制造、可维护等人因工程因素是好用想用的基石。故人因工程是产品全生命周期各阶段都需要关注的因素。数字时代的制造企业不再只有实物产品出来之后才评价人因工程各种指标。在数字孪生空间中，企业可把数字人体模型置身于产品制造、装配、维护、使用的环境中，像真人一样来进行体验，进而评估与分析不同产品或工艺方

2、案下人因工程的各种指标，选择体验感最优的产品或工艺方案。这种基于数字孪生空间的人因工程评估活动，可提前到产品/工艺设计的早期阶段，成为产品/工艺方案设计迭代流程中的一环，加快产品/工艺迭代，降低研制成本。西门子人因工程解决方案套件，基于同一JACK数字人体模型库，为制造企业提供产品全生命周期各个阶段基于数字孪生空间进行人因工程的评估能力。使得众多产品设计(可穿戴设备、医疗设备、交通运输/工程机械等的驾驶舱/客舱/座椅等)、复杂产品的面向制造/维修的设计，及装配维修的工艺设计等业务过程中能全面评估人因功效，设计体验感更好的产品与工艺。而且高逼真的数字人体模型将是构建工业元宇宙关键要素，人因工程仿

3、真技术（特别是相关的VR/AR和运动捕捉技术）将成为工业元宇宙不可或缺的工具和技术手段。本白皮书通过各种应用场景（包括业务背景、实现方式、结果收益等）和案例的方式，让制造企业领导或工程师能透过本文，看到企业引入或强化人因工程到产品研发流程的必要性、可行性和收益，进而对外提供体验感更好的“产品即服务”，对内提供可装配性可维修性的好产品和工艺。愿每位读者能从中受益，为个人技能拓展和企业数字化转型添砖加瓦！引言西门子数字化工业软件2白皮书 人因工程仿真应用1 西门子人因工程助力强体验产品推陈出新1.1 人因工程分析广泛应用是体验时代的必然趋势1.2 人因工程仿真的发展过程与现状1.3 西门子人因工程

4、仿真解决方案1.4 西门子人因工程的优势与收益2 Jack数字人体模型库2.1 Jack人体测量数据库2.2 创建Jack数字人体模型的方法2.3 基于Jack数字人体模型进行人因工程仿真分析3 产品生命周期各阶段人因工程的应用3.1 产品设计阶段的人因工程应用3.1.1 穿戴产品的人机适用性分析3.1.2 交通工具驾驶与乘坐的舒适度分析3.1.3 复杂产品的面向装配设计的人因分析3.1.4 夹具设计可用性分析3.1.5 复杂产品的面向可维护设计的人因分析3.2 异构/大装配协同环境下的人因工程应用3.2.1 Vis Jack人因工程仿真解决方案3.2.2 Vis Jack人因工程仿真与应用流

5、程3.2.3 Vis Jack人因工程仿真分析的价值3.3 制造装配与维修过程中的人因工程应用3.3.1 装配和维护作业可行性分析3.3.2 人工作业工位设计和优化3.3.3 运动捕捉协同人因分析3.4 工业元宇宙与人因工程应用4 西门子人因工程的客户应用案例4.1 Doppelmayr应用案例4.2 General Motors应用案例4.3 B/S/H应用案例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目录西门子数字化工业软件3白皮书 人因工程仿真应用当前，全球制造

6、业正经历着以数字化和智能化为核心的新一代工业革命，随着大数据、物联网、云计算、人工智能及元宇宙等技术的不断发展与深入应用，推动了制造企业在产品设计和制造生产方式上的重大变革，数字化技术和智能制造日益融入产品研发、设计和制造生产的全过程；同时，随着消费者需求提升以及体验经济时代的到来，制造业已开始从规模化批量生产向定制化服务转变，业务模式已从以产品为导向转为以客户为导向。基于上述发展趋势，制造企业要适应时代潮流，推出体验感超强的产品，满足市场的需求，在产品研发设计时就需要考虑及验证使用者的体验感；在产品制造生产时更需要考虑操作工人的体验感、方便性和舒适性等因素，从而更高效更安全地进行生产；在产品

7、维护时需要考虑维护工人的体验感和舒适安全因素，更好地进行维护作业。因此，这就需要以人因工程理论为指导，以人因工程仿真软件工具为手段具体应用到产品生命周期的上述各个阶段，对产品设计和生产制造活动进行全面的仿真验证，研发制造出更好体验感的产品，并达到产品研发上市周期缩短、成本降低等效果。例如，车辆或飞行器在设计阶段都要考虑驾驶员或乘员的操作方便性和乘坐舒适性；使用人因工程仿真工具，设计人员可以把车辆的结构参数，如长宽、离地距离、踏板位置、座椅角度、座椅滑轨参数等，再结合人体模型参数，预测乘员的最佳姿态、判断是否可视、可达、舒适、安全；这样就可以确保设计出的车辆或飞行器不仅安全舒适还具有最佳的操纵体

8、验和乘坐体验。又例如，在产品制造装配或维护过程中的人工作业，需要考虑人工作业的布局、工时节拍、可达性、作业姿态、受力强度等人因工程因素，使用人因工程仿真工具，规划人员可以在可视化环境中对人工作业工位进行布局规划，利用数字人体模型来模拟具体人工的作业过程，并对物料放置位置与距离、工位或生产设施的参数、物料拾取时的姿态、主要身体部位的受力、完成作业过程的时间等进行动态仿真分析，这样就可以提早发现可能出现的问题并解决之，确保人工作业的安全、可靠、便捷和高效。总之，在新时代发展趋势下，人因工程仿真在各行业的产品研发设计和制造维护过程中所发挥的作用越来越重要，其成效也越来越显著。一、西门子人因工程助力强

9、体验产品推陈出新1.1人因工程分析广泛应用是体验时代的必然趋势西门子数字化工业软件4白皮书 人因工程仿真应用众所周知，人因工程学是按照人的特性对人-机-环境系统进行设计和改进的科学。经过一个多世纪的发展，人因工程学已形成了完整的理论体系和应用方法；近些年来，人因工程学更是与快速发展的IT技术相融合，将数字化和仿真技术应用于人体模型建模和人因工程分析,发展形成了人因工程仿真系统和软件工具，广泛应用于众多行业和工业领域。人因工程仿真分析的研究对象是复杂的人-机-环境系统，其中的人体模型是建立在人体测量学、生物力学、运动学等学科上的复合多模型结构，是人因工程仿真系统的关键要素。数字人体模型最早诞生在

10、上世纪60年代,1965 年英国诺丁汉大学开发出数字人体模型SAMMIE系统，它具有简单的骨架和外表,可以模拟开车门到驾车之间的过程；是较早应用于车辆人因工程设计的人体建模软件。80年代以来,一些用于汽车或机械系统人因工程设计的数字三维人体模型系统逐步达到实用阶段,如:ERGOMAN、ANYBODY和ANTHROPOS等；其中最具影响力的是Jack人体建模系统，由美国宾西法尼亚大学利用1.4亿美元高额研究经费历时十年（1986-1996）开发；该模型包括逼真的人体行为动作、贴近真实人体的人体数据参数、启发算法自动避障等功能；广泛应用于汽车、航空航天、船舶、国防等行业进入新世纪以来，人因工程仿真

11、的发展和应用越来越快速和广泛；例如波音公司在计算机上把人的模拟系统和飞机模拟系统结合起来，在飞机设计阶段把可能遇到的装配、使用和维护问题暴露出来并加以解决，减少设计更改、降低设计费用等。通用汽车公司在汽车设计过程中深入应用人因分析，显著改善驾驶员的操控感和车内乘员的舒适性，更好地保护驾驶员和乘员的身心健康和生命安全，提高汽车的宜人性和运动效率。同时，西门子将人因工程仿真分析软件Jack集成到PLM（产品生命周期管理）平台和数字化企业软件套件中，用Jack数字人体模型代替真实人体评估分析产品使用和制造维护过程中的人因工效，成为提高改善产品设计及制造维护过程的重要举措。目前，西门子更是在业界重磅发

12、布了工业元宇宙(Industrial Metaverse)战略，将Jack数字人体模型集成应用到综合数字孪生中，构成交互式、沉浸式和协作共享的虚拟3D平台，在产品生命周期过程中产品设计、同步工程以及制造维护等阶段进行人因工程仿真和分析验证，对实际产品和生产系统进行持续改善优化。1.2人因工程仿真的发展过程与现状西门子数字化工业软件5白皮书 人因工程仿真应用西门子人因工程仿真解决方案套件，采用Jack数字人体模型，提供面向产品设计、异构的协同审查、装配维修等业务的多个人因工程仿真工具来满足制造企业在产品全生命周期过程中各阶段的人因工程需求，提高产品设计的人因工程学性能和产品制造及维修维护过程中的

13、人机交互可行性，从而在产品设计的早期阶段对未来产品的使用进行评估，获取更安全，更符合人体工程学的产品；在产品制造及后期维护过程中对产品的可制造性、可维护性及潜在伤害进行评估，有效保证作业人员的人身安全，提高操作舒适度，优化任务过程。西门子人因工程仿真解决方案套件包括以下三个子解决方案：西门子人因工程仿真解决方案Jack for NX解决方案：又称为NX Human；它内置于NX设计工具，主要专注于产品设计过程中的人机交互分析，优化产品设计。其中特别嵌入了用于车辆设计的舒适性分析工具包（Occupant Packaging tools），包含多种车辆人因工程设计评估分析工具及标准，可与NX的车辆

14、设计模块无缝集成使用。Vis Jack解决方案：内置于西门子Visualiza-tion Mockup数字样机，专注于在轻量化的环境(特别是多CAD异构协作或复杂产品重模型场合需要轻量化)中对产品设计方案进行评审，简单易用，具备可达、间隙、可视等基本功能，也可通过姿态库和调整工具对人体进行姿态调整，对人体的运动过程进行初步分析。Process Simulate Human解决方案：简称为PS Human；它内置于Tecnomatix工艺仿真工具Process Simulate之中，专注于产品制造及维修过程中人机交互分析，具备深度分析能力，优化产品的制造及维护过程。通过在数字化环境中仿真人工作业

15、场景和操作过程，从而对人工作业的具体动作、姿态、工时、劳动强度等进行评估分析，内嵌十多种人因工程学评估标准和工具，并可与VR系统集成进行沉浸式更具体验感的人因工程仿真分析。1.3西门子人因工程仿真解决方案西门子数字化工业软件6白皮书 人因工程仿真应用西门子人因工程仿真解决方案独特的优势在于：更先进、更真实的人体模型：可对人体模型各部分的参数进行调整，皮肤光滑，关节之间连接更真实直观；并可支持多个人体模型之间协同工作；先进的面向任务的仿真构建器，易于对人体动作和姿态进行手动调整，快捷方便地按任务构建仿真进行人体工程学研究.基于JT轻量化模型国际标准，可对大型系统和复杂作业环境进行人因工程研究和仿

16、真分析；与西门子产品生命周期管理平台Teamcen-ter系统紧密集成，可对复杂设计或制造维护环境等构建数字化场景并进行相关人因工程研究；支持基于中国国家标准人体测量数据的人体模型，更好地针对中国人进行人因工程学研究；总之，基于Jack数字人体模型的西门子人因工程仿真解决方案对在产品设计、制造生产、维护等阶段的人体体验进行仿真验证，在早期发现问题并解决之，缩短产品研发时间、提高效率、节约成本。1.4西门子人因工程的优势与收益提高产品设计的体验感和人因功效；改善产品的操作方便性与舒适度；改善产品的可维护性与可维修性改善操作人员的安全工作环境；优化人工作业过程和作业环境；更好更快捷的人员培训；西门

17、子数字化工业软件7白皮书 人因工程仿真应用众所周知，数字人体模型是人因工程仿真的基础；西门子人因工程仿真解决方案套件使用同一Jack数字人体模型，确保人因工程仿真的高效协同和质量。长期以来，西门子人因工程仿真解决方案广泛应用于全球众多行业和制造领域各种业务场景，在一些行业中已成为事实上的人因工程仿真应用标准。Jack最初是由宾夕法尼亚大学的人体模型和模拟中心(Center for Human Modeling and Simula-tion at the University of Pennsylvania)开发；提供业界最准确的人体生物力学模型，该模型基于美国军方人体调查(ANSUR 88)

18、的三维人体测量数据构建。目前Jack是西门子人因工程仿真解决方案的数字人体模型基础。一般地，数字人体模型是由多个关节组成的具有复杂运动机构的三维模型（具体关节的数量取决于所选的人体测量数据库）,其模型精度和准确度依赖背后的人体测量数据库；在这方面，西门子人因工程仿真解决方案内置了多个国家和地区以及行业的人体测量数据库，可以准确地创建这些国家和地区的数字人体模型。Jack内置人体测量数据库包括并不限于：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数字人体模型库2.1Jack人体测量数据库Jack人体模型库西门子数字化工业软件8白皮书 人因工程仿真应用根据需要可以使用不同方法创建Jack数字人体模型：创建Jack人体模型人因工程仿真分析直接创建系统默认的Jack人体模型（男性/女性），模型创建后可调整其性别、年龄(1879)、人体测量数据库、身高体重百分位等参数，可选择头发颜色、眼睛颜色以及T恤和裤子的颜色等，达成高逼真的数字人体模型；基于人体尺寸参数定制所需的Jack人体模型，可调整的参数包括性别、显示类型（衣服、手套和鞋子或基础类）、人

20、体测量数据库、身高百分位、体重百分位、腰臀比例等；借鉴其他人体模型尺寸参数创建人体模型。Jack人体模型具有平滑皮肤和外表、多关节运动自由度高达135DOF，并可进行逆运动学操作；当操纵人体模型时，皮肤会动态更新，提供良好的外观显示。西门子基于Jack数字人体模型的人因工程仿真解决方案可高效地设计和优化由人、机器设备和环境构成的人-机系统。在数字化人-机系统环境中，Jack数字人体模型可以更直观地描述人体与作业环境的关系，可以自动平衡和协调人体与作业环境的互动，并以多种方式定义人体和物体之间的约束关系；譬如创建约束来保持人体模型的背部靠到汽车座椅、右脚踩着油门；当座位移动时，人体模型将遵循这些

21、约束，其关节也会相应移动和调整，从而设计出具有更好体验和更适用的汽车产品。为更好地评估物体的抓握或拾取过程以及作业效率，Jack提供了多种预定义的抓握类型；一旦指定了抓握类型，系统就会自动计算在抓握一个特定物体的时候手是如何闭合抓紧的。2.3基于Jack数字人体模型进行人因工程仿真分析基于Jack数字人体模型的西门子人因工程仿真解决方案支持最为专业的人因工程评价体系标准。通过对虚拟环境下的人体的姿态和受力、疲劳等生理参数的仿真分析，结合业界最为广泛使用的人因工程学标准，对于人工操作或作业进行分析评价，预测人体可能受到的伤害与风险并进行改进优化。2.2创建Jack数字人体模型的方法西门子数字化工

22、业软件9白皮书 人因工程仿真应用气管模式 口鼻模式在产品全生命周期的各阶段，基于不同的人因工程应用场景和业务目标，选择西门子人因工程仿真套件中相应的解决方案，为工程师提供功能强大且易于使用的人因工程仿真工具，提高工作效率，研发出具有更适用更好体验感的产品或更高效安全的人工作业过程和作业环境。本章节呈现了不同阶段的典型应用场景。在产品设计过程中，设计人员可采用NX Human分析产品的可用性。具体使用过程就是在数字化环境中结合产品数模和人体模型，分析产品的操作便利性，包括可见、可达和舒适，并预测最佳的操控姿态或位置，以确保产品操作、安装以及维护工作的顺利进行。以下列举产品设计过程中几种典型的人因

23、工程应用场景。诸如驾驶用头盔、医用呼吸辅助系统等在设计阶段产品设计人员需要对不同参数人体的穿戴舒适性、可用性进行分析验证，以确保产品交付到客户现场后，能够适用于不同年龄、身高和体重的用户。产品设计环境下人因工程基本应用，是在产品数字样机环境下添加不同参数人体模型，对穿戴产品功能进行可视化检查。如上图所示的一款医疗用呼吸机，在使用时有气管和口鼻两种工作模式。虚拟环境下，产品设计人员可以在NX Human中调入不同参数人体模型，通过参数化设计模板调节呼吸机吸头位置，确保在不同呼吸机工作模式下，都可以满足不同年龄和身高、体重病人的可用性要求。通过NX Human的人机检查，在产品设计阶段就可以对穿戴

24、产品针对不同人群的适用性进行验证，从而提高了产品交付的满意度，降低及避免产品的变更和召回成本。三、产品生命周期各阶段人因工程的应用3.1产品设计阶段的人因工程应用3.1.1穿戴产品的人机适用性分析西门子数字化工业软件10白皮书 人因工程仿真应用有人驾驶的车辆或飞行器在设计阶段都要考虑驾驶员的操作方便性、劳保、舒适性，这也是确保车辆或飞行器安全的设计需求。在NX Human中，产品设计人员可基于车辆的结构参数，如长宽，离地距离，踏板位置、座椅角度，座椅滑轨参数等，再结合人体模型参数，预测乘员的最佳姿态。在这个最佳姿态下，驾驶员可以保持身体贴合座椅，同时双手可以操控方向盘，双脚可以触碰制动和油门踏

25、板。也可分析眼睛视野和手活动范围，确保驾驶员在驾驶过程中不留视野盲区，并可在身体保持握紧驾驶方向盘的情况下，通过肘关节和肩关节的转动，可以方便地操作档杆、驻车杆、液晶屏幕、信号灯、温控开关等等。同样在设计阶段，还没有物理样机的情况下，产品设计人员可以通过NX Human在虚拟环境下基于车辆数字样机，对乘员的乘坐体验进行分析验证，并根据分析结果及时对乘坐空间布局进行微调和优化，提早排除一些设计上的盲区和缺陷，避免召回，同时缩短产品上市周期，确保销售后的客户满意度。驾驶员分析3.1.2交通工具驾驶与乘坐的舒适度分析西门子数字化工业软件11白皮书 人因工程仿真应用面向装配设计(Design for

26、assembly,DFA)是对复杂产品进行设计时普遍采用的方法，以确保设计的产品具有良好可装配性：产品装配工序简单、效率高、质量高和成本低；这就需要对装配过程中有关人工操作过程进行人因分析与优化；特别是像发动机、汽车、飞机以及军工装备等复杂产品，更需要在设计阶段提前对可装配性进行分析优化，提升产品可装配性和降低装配成本。如图所示是一个柴油发动机数字样机，其结构比较复杂；装配现场有些操作采用人工手段可能是最经济有效的方式，如结构件、管道、电气件之间的连接等操作。譬如一个拧螺栓的操作，能否有足够的空间让人手或带工具进行操作？操作姿态能方便用力吗？操作效率如何？会有受伤可能吗？这些都是设计人员在设计

27、阶段需要结合人因工程仿真分析来解决的问题。而且工人熟练程度、力量大小及个人习惯不同，实际操作在效率、品产品设计人员在NX Human中通过定位人手模型与产品结构之间的位置关系，可以很快找到连接电气接头的最佳(安全、高效)手工操作姿态。如下图所示，可以把不同参数人手模型添加到柴油发动机数字样机环境中并定位，然后设定手的抓取姿态，如五指抓取，两指抓取、一指抓取，通过可视化检查人手模型与周围零件的间隙情况来判断，该姿态是否可用。本例中最终确定一指抓取方案最佳。总之，产品设计人员通过NX Human在虚拟环境中对复杂产品拆装过程中的人工操作进行各种姿态试验与分析，以确保产品能有足够的可装配性，确保现场

28、工人的操作更高效和安全。3.1.3复杂产品的面向装配设计的人因分析西门子数字化工业软件12白皮书 人因工程仿真应用夹具设计过程中，夹具设计人员需要检查设计是否满足操作要求，比如某些步骤中，操作人员需向前弯腰以使手放到操作位置，同时还需要观察某些特定的区域，或者需要腾出手来拾取工具或抓取物品。夹具设计人员可通过NX Human可视与可达性分析，来验证夹具是否满足可操作性要求。如下图所示，夹具设计人员从库中加载女性人体模型，放置在工作台前；台上的夹具用来固定钣金件；当前操作中，人员需要弯着身体用手抓取钣金件的开口并抬起钣金件，并用眼观察夹具的定位柱区域以使得钣金定位孔顺利穿到夹具柱子上。夹具设计人

29、员可以在NX Human中设定手的方位和参数，使得双手放到钣金的目标抓取位置。接着调整人体模型的眼睛视线方向对着夹具的定位柱方向，人体模型的头、颈、肩、背、腰等会随动，并保持之前设置好的双手姿态。夹具可达性分析夹具使用可达性和可视性分析夹具设计人员可以通过NX Human命令分析调整后的人体姿态下，眼睛视野可看到的范围，以及手通过肩肘关节能触及的空间范围；可提前验证操作人员使用夹具固定零件过程中人员操作的可达性和可视性，确保夹具使用过程中人员的方便性和安全，同时提高生产作业效率。3.1.4夹具设计可用性分析西门子数字化工业软件13白皮书 人因工程仿真应用大型复杂产品如飞机、船舶等使用寿命比较长

30、，使用期间的维修维护是必不可少的作业；面向可维护设计是这类产品在研发过程中必须遵守的设计指南，以确保设计的产品在使用过程中具有良好的可维护性。这就需要在设计阶段考虑某些关键零组件的定期维护，如检查、更换或保养等作业，而此类操作一般都需要人工操作来完成；设计人员在数字样机阶段对这类作业进行人因工程仿真分析验证，则可消除因设计不合理导致维护操作的空间狭窄或其他不良情况。对大型复杂的航空或船舶类产品，如果把这些可维护性验证工作留到产品生产甚至交付阶段，就会增加不可承受的变更成本。大型装备可维护性分析例如，民航飞机起降前都需要由地勤机务人员对全机进行目测检查，一般在50分钟内，机务人员或俯躯、或攀梯、

31、或探身，用肉眼扫过每一寸的机身。每一颗螺丝、每一道叶片，都要保证到位完整。一方面，检查的细致完整关系到飞航安全；另一方面，航空公司也希望检查工作保持高效，使得停机时间最小化，提升航空公司运营效率。设计人员通过NX Human在飞机数字样机环境下放入特定参数的人体模型，设置姿态，或者设置适合该操作的人体参数，如身高，臂长等，通过可视可达性和舒适性分析，寻找最佳位置和姿态，以评估此类维护操作的有效性。如果通过各种尝试，都无法避免令操作人员操作困难甚至危险有害的姿势，则需要修改优化设计。在大型复杂产品设计阶段引入人因工程仿真进行产品的可维护性评估，可确保该产品具备良好的可维护性，从而提高客户满意度、

32、最小化生命周期维护成本。3.1.5复杂产品的面向可维护设计的人因分析西门子数字化工业软件14白皮书 人因工程仿真应用目前制造企业需要面对越来越复杂的产品研发和制造生产环境，特别是大型复杂产品/系统，在研发过程中需要多专业、多学科、多部门以及众多供应商（可能使用不同的CAD）等广泛协同工作才能快速、高效地完成高质量的产品设计；同时这类产品在制造生产或使用过程中与人的交互比较多、关联性强，特别需要人因工程应用与评审。为了进行人因工程分析需要完整的数字样机，但不可能将多个不同CAD格式的三维模型直接装配起来，而且模型巨大装载困难。这就需要采用兼容多CAD格式的轻量化模型来构建该复杂产品/系统的人因分

33、析环境，以便能提前验证产品制造和使用过程中人工作业的可行性，人机交互的可行性和易用性等。Vis Jack就是为这种情形提供的独特人因工程解决方案。Vis Jack是西门子产品生命周期可视化解决方案Visualization Mockup 的附加组件。在协同作业环境中Teamcenter的Visualization Mockup数字样机功能使工程团队可以在单个环境中执行大规模虚拟空间分析和高性能协作。Vis Jack使工程团队能够在西门子PLM平台Teamcenter上实现真正多CAD环境中无缝协同，审查与产品设计相关的人因问题如人体适合度、可达性、间隙和视觉范围等，在产品开发周期早期快速轻松地

34、识别潜在的人因工程问题，避免成本高昂的错误和返工。Vis Jack具有易于使用的界面，工程团队可以从人的可达范围、接触、间隙和可见性等角度对数字样机进行虚拟评估。Vis Jack提供各种尺寸参数的数字人体模型（从最小百分位的女性到最大百分位的男性），能够匹配在现实世界中产品使用、组装或维修的目标人群的物理特征。3.2异构/大装配协同环境下的人因工程应用3.2.1 Vis Jack人因工程仿真解决方案 西门子数字化工业软件15白皮书 人因工程仿真应用在协同作业环境中，基于大装配产品数字样机进行人因工程虚拟评审流程如下：首先在协同工作环境中加载产品设计数字样机模型；确定目标工作人群能否与设计产品进

35、行安全舒适交互从Vis Jack人体库中选择合适的人体类型和大小，根据需要修改调整人体模型尺寸参数，创建精确的人体模型表示特定用户/作业人员；分析人体与产品数模的交互表现，使用视锥进行视野分析；可以第一人称视角窗口来分析视野范围；Vis Jack人因工程仿真工作流程3.2.2 Vis Jack人因工程仿真与应用流程在异构协同作业环境中，基于大装配产品数字样机进行人因工程仿真分析可：解决异构环境的装配问题、消除大装配资源消耗问题；使工程团队能够协同直观地沟通测试可能导致的在产品使用或维护过程中人因工程问题，从而通过优化设计来快速低成本解决问题；3.2.3 Vis Jack人因工程仿真分析的价值设

36、置人体模型的姿势与产品数模交互：人体姿势的设置，可直接调用Vis Jack众多预定义的姿势库；或调整人体特定部位或关节到给定位置。对于复杂作业环境，可对人体的关节单独操纵，以准确地表示所需的人体姿势；分析t手部间隙和干涉研究，可视化手臂可触范围，确定作业可达性；分析优化工作空间设计和布局。西门子数字化工业软件16白皮书 人因工程仿真应用在产品实际生产前，快速检查产品安装和使用过程中的可到达可触及以及视野范围等问题，降低甚至消除因设计不合理而导致昂贵的返工和使用成本；支持以人为中心的设计，研发出更高质量更适用以及更好体验感的产品。西门子人因工程仿真解决方案PS Human将产品制造及维修过程中的

37、工艺规划和人因工程仿真融合在一起，使用具有准确生物力学、人体测量和人因工程学特征的Jack数字人体模型在数字化环境中对人工作业进行仿真验证。Jack数字人体模型的外貌及行为与真实的人体类似，可以模拟人体平衡、行走、抓握以及举升等操作，可以依据任务进行判断是否超出人体生理及力学限制，从而对作业可行性及工伤风险进行仿真验证和分析优化，设计出符合标准、易于操作、普适性强、作业效率高、工伤风险低的人工作业环境和操作工艺。当前，随着企业数字化转型升级以及智能制造技术发展应用，产品制造生产和维修维护过程中一方面对自动化的需求越来越高，使用更多的自动化设备和机器人，另一方面对人工作业的效率、安全以及环境的要

38、求也越来越高，需要提前对人工作业进行仿真验证，及早发现潜在问题并进行解决和优化。3.3制造装配与维修过程中的人因工程应用西门子数字化工业软件17白皮书 人因工程仿真应用在产品研制阶段或制造工程阶段采用PS Human进行装配和维护作业的可行性分析，可将产品数据、资源数据、工艺数据、人体模型等关联起来进行详细的仿真分析，检查装配或维护工序是否可行，在操作中所使用的工具能否对零件实现操作，操作时人体的可达性、可视性、姿态等是否满足操作要求，最终可评估产品制造装配和维修维护等环节作业人员的可操作性，预先发现问题，保证结构件装配维修的可行性及人工作业的舒适度，有效缩短研制周期，降低研制难度，节约研制成

39、本。PS Human系统内置的任务构建器可快速设置人体的任务，以动作单元的方式设置人体动作的关键帧，由系统自动根据关键帧进行过度帧计算，从而实现仿真动作的连贯表达。在PS Human系统计算的过程中，如果出现超出人体的生理范围的操作，系统会报错提醒。人体可视性分析，根据设定人体可视性分析的参数，如左眼、右眼或两眼之间、头部正前等，分析人体的视野，包括视锥的设置，从而获取人体的视野范围。这样就可以验证人工作业是否在自己合适的视野范围内，以便更好地完成操作工艺。人工作业任务仿真过程中，可随时打开查看人体的可达性分析。通过设定人体的姿态，可以模拟人体在不同的工作姿态时的可达性及范围，从而确定装配工艺

40、的可行性及工装、工具的排布空间。3.3.1.1作业可达性分析3.3.1.2作业可视性分析3.3.1 装配和维护作业可行性分析西门子数字化工业软件18白皮书 人因工程仿真应用在对人工作业进行可达性、可视性等分析后，还需要对作业进行人因工程分析，通过模拟分析作业过程中的姿态、受力、疲劳等评估人工作业的难易程度与优劣并进行改善。PS Human提供一系列的人因工程评估分析工具，包括力求解器，EAWS（生物力学负荷超载危害风险评估），能耗分析，手臂力量评估以及一系列用于评估姿态或操作过程的分析工具，这些工具包括NOISH（提升分析）、OWAS（姿态分析）、Fatigue（疲劳分析）、SSP（静态力学预

41、测分析）、LBA（下背部受力分析）、CBL（累积背部载荷）、Ergonomics Metrics（人机工学指标）、Generic（通用）和RULA（快速上肢评估）等。这些人因工程评估指标基于通行的国际和行业标准，分析结果具有很高的可信度及准确度，对人工作业具有较好的指导性。系统还支持企业定制适合自己的标准，并加入到软件中。为进一步提高劳动效率和优化劳动时间，有必要对装配和维护作业的工位设计进行仿真验证与分析优化，通过对PS Human虚拟场景中数字人体的操作过程及可视、可达、姿态分析、操作时间分析等，对工位的布局、物料存放位置、辅助提升设备等进行模拟和优化，减少人员的移动距离，从而提升生产效率

42、，并减少对人体的伤害。3.3.1.3人因工程评估3.3.2 人工作业工位设计和优化西门子数字化工业软件19白皮书 人因工程仿真应用例如在下面的业务场景中，初始的工位设计如下图左侧所示，通过分析可发现操作者的物料搬运距离过长，且物料搬运属于无附加值的劳动时间，因此导致工作效率较低，为了解决此问题将工位设计成流水式的U形工位布局，操作者按照统一的流向在工位的不同位置完成产品的部分零组件装配，最终实现产品的装配过程；在此过程中，可对操作者的物料搬运过程进行受力分析，以衡量徒手搬运的可行性。通过完整的作业操作过程仿真，可生成基于MTM（Method time Measurement）方法时间测量的工时

43、分析报告。通过对比工位布局改进前后的人因工时分析报告，可以发现工位改进后无附加值的劳动时间明显减少。为更逼真更快捷地进行人因工程仿真建模与分析优化，PS Human还支持运动捕捉设备协同人因分析，将数字业务场景与运动捕捉设备（如运动跟踪器和数据手套）结合，通过在现实当中的人体上附加运动捕捉相应的标记，当人体运动时，标记位置会随着运动和时间而被跟踪，跟踪结果映射到虚拟环境中的人体，从而驱动数字人体进行精确运动，详细运动过程及姿态可通过PS Human系统工具进行分析。3.3.3 运动捕捉协同人因分析西门子数字化工业软件20白皮书 人因工程仿真应用如果在分析过程中主要关注手部的具体动作，则可使用数

44、据手套实现对人体手部详细动作的跟踪和分析。在使用运动捕捉系统驱动数字人体时，需要设定相关的跟踪点，其通常映射到实际人体对象的关节中心点。另外，对于其他厂家的运动捕捉系统可以通过Process Simulate 提供的API函数实现对其产品的接口支持。PS Human虚拟现实设备接口动捕捉跟踪点映射 ARTSynertialXSensMotionWerxAXS PS Human提供标准接口与主流运动捕捉和虚拟现实设备连接，支持如下品牌：Motion Analysis from Motion Analysis Corporation Vicon Motion from Oxford Metrics

45、 Group CyberGlove from Immersion Corporation Noitom西门子数字化工业软件21白皮书 人因工程仿真应用近年来元宇宙（Metaverse）概念变得非常流行，相关主题和行业也非常火爆，并快速影响到工业软件领域和制造业。元宇宙是一个虚拟现实空间，由交互式、沉浸式和协作的共享虚拟3D世界/平台组成，用户可以在其中与环境和其他人进行交流和互动。目前元宇宙专注于以客户为中心的解决方案（如音乐会、游戏）等。在工业制造领域，最近西门子发布了其工业元宇宙发展战略，将工业元宇宙描述为在整个产品研发、生产、维护过程（包括产品、机器、PLC和生产线、运行环境）的数字孪生

46、体，并通过来自跨供应链的实时数据进行不断优化。西门子工业元宇宙战略基于工业元宇宙，工程师可以非常方便地以Jack“数字人”进入虚拟设备单元或生产线的内部进行深入洞察，在高度贴近真实环境中的元宇宙虚拟环境中进行调试和试生产；企业管理者可以通过在虚拟环境中仿真运行工厂车间的生产过程，识别和分析如何更高效、更安全地完成工作，而无需进行更多的物理测试。可以预见，工业元宇宙发展应用将极大提升企业运营效率，进一步促进供应链整合与优化。工业元宇宙的关键特征是具有沉浸感可交互的数字孪生，高逼真的Jack数字人体模型将是构建工业元宇宙关键要素“数字人”原型，而且人因工程仿真特别是相关的VR/AR和运动捕捉技术将

47、成为工业元宇宙不可或缺的工具和技术手段。3.4工业元宇宙与人因工程应用西门子数字化工业软件22白皮书 人因工程仿真应用多年来，随着数字化技术的发展，特别是CAX在工业领域的发展应用，人因工程仿真分析在各个行业很多方面得到了广泛应用。以Jack数字人体模型为基础的西门子人因工程仿真解决方案套件，具有完备的人因工程仿真功能，可以代替真实人体实现行走、搬运、抓举、关节运动，视觉范围、调节姿态等活动，评价人工作业的安全姿势、举升与能量消耗、疲劳与体能恢复、静态受力、人体关节移动范围等人因工程性能指标，在产品设计、生产制造与维修维护等领域发挥了极大作用;已经广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶、家电、高

48、科技电子等行业客户中。西门子人因工程仿真解决方案各行业部分客户四、西门子人因工程的客户应用案例下面介绍几个典型行业客户的人因工程仿真应用案例：西门子数字化工业软件23白皮书 人因工程仿真应用Doppelmayr（多贝玛亚集团）是世界领先的索道技术公司，生产滑雪缆车、观光索道等产品，市场占有率达到60%。多贝玛亚采用分布全球的开发团队，需要确保高效的协同；产品具有显著特点：尺寸非常大且装配复杂，安全认证项多且严格，设计周期长。全新一代座舱/升降椅系统开发，需要不断创新。经过几十年的持续改进，传统畅销产品Doppelmayr组合（一种带有可拆卸的座舱和/或椅子吊架的连续移动单体电梯）已经达到原始设

49、计极限。2011年，多贝玛亚管理层决定开始开发全新一代的可拆卸座舱和椅子升降系统D-Line。由于引入了全新的设计理念，D-Line在设计阶段有许多技术问题需要充分验证，同时也对设计团队的协作带来新的挑战。集团通过西门子公司Teamcenter+NX系统的实施，为项目提供了一个共享的数据管理环境，大大提高了设计人员之间的协同效率。西门子独特的数字孪生技术也为D-Line新产品数字样机阶段的设计、建模、仿真分析提供充分支持，保障了项目的高效进行。4.1Doppelmayr应用案例西门子数字化工业软件24白皮书 人因工程仿真应用索道产品属于交通工具，乘员安全是设计的重要考虑。多贝玛亚设计人员在NX

50、 Human中加入人体模型，对索道运转过程中，人员的上下站位进行验证，寻找空间及通道设计中可能存在的安全隐患，及时排除并改进。另外，设计人员也利用NX Human对游客在缆车乘坐时的视野进行分析，极大化观光游览的体验。对缆车运行过程中可能发生的人手误触碰或者儿童好奇触碰引起的安全隐患，设计人员也利用库中的不同参数人体模型，设定乘坐位置，然后分析手的可达范围，以对门窗栓锁尽可能进行优化，或者结合乘坐说明或标示进行警示。通过与西门子的合作，多贝玛亚在D-Line项目上获得了巨大成功，其中由于在虚拟的产品研发过程中采用了NX Human进行人因工程验证，获得了如下收益：在研发早期就可以完成很多人机验

51、证，从而大大缩短产品设计周期;减少不必要的物理样机及真人试验，节约大量成本;通过在虚拟环境中人体可视可达性分析，可以真实模拟乘客体验，从而提高产品竞争力。西门子数字化工业软件25白皮书 人因工程仿真应用General Motors（通用汽车）是世界著名的汽车制造公司，在全球生产和销售包括雪佛兰、别克、GMC、凯迪拉克等一系列品牌车型并提供服务。旗下产品畅销于全球多个国家和地区，包括电动车、微车、重型全尺寸卡车、紧凑型车等。作业人员能否接触到零件；将GM UAW人体工程学指南应用于Jack人体模型；4.2.1可达范围分析4.2.2间隙分析4.2.3视野分析长期以来，通用汽车一直面临着来自全球汽车

52、行业的激烈竞争和汽车产品更新换代越来越快的严酷挑战；需要在供应链全球化时代以最快的时间给客户提供更具体验感更时尚又质优价廉的产品。通用汽车最早将数字化技术应用于产品设计，不断探索和实践以产品全生命周期数据为基础的数字化工厂建设和企业数字化转型，取得了举世公认的经济效益和社会效益。通用汽车实践在数字化环境中，对产品生命周期过程各阶段工程应用进行仿真、评估和优化，降低设计到生产制造之间的不确定性，缩短产品设计到生产的时间，提升产品的可靠性与质量。特别是通用汽车将西门子人因工程仿真解决方案应用于产品研发、同步工程、生产制造等阶段，更 是 成 效 显 著，亮 点 纷 呈；其 中 应 用VisJack人

53、因工程解决方案于同步工程业务过程，实现多部门多供应商在多CAD数据环境下的产品数字样机中进行人因工程分析和虚拟评估，提前验证产品的可制造性和可装配性。评估当前姿势的人因功效以及对姿势进行改善；作业人员操作是否有盲点；确定作业人员是否有清晰视野；若有障碍物，通常会导致完成任务的姿势比较尴尬；通用汽车在产品研发中使用VisJack人因工程仿真解决方案取得了显著的效益：极大提高了产品工程和和制造工程之间同步工程的协同作业效率；及早发现产品设计以及生产制造中可能存在的人因工程问题；提升产品的体验感以及面向制造的产品设计水平；显著减少了后期设计变更。4.2General Motors应用案例作业人员能否

54、手动接触零件；将GM UAW人体测量规范应用于Jack人体模型；评估装配作业过程中碰撞干涉；分析并优化手工抓握西门子数字化工业软件26白皮书 人因工程仿真应用B/S/H（博西家用电器集团）是全球领先、欧洲排名第1位的家电产品制造商,为遍布全球的消费者生产全系家电产品。B/S/H始终以消费者为中心，坚持可持续发展理念，持续进行企业数字化转型。多年以来，B/S/H采用西门子数字化制造解决方案先后完成数字化工厂项目（Digital Factory），并不断进行更新和完善，以实现降低生产成本，提高装配过程效率，同时尽量减少对外部供应商依赖的目标。B/S/H使用西门子数字化工厂解决方案基于数字孪生模型在

55、生产开始前进行详细的工艺规划与仿真验证，提前发现问题解决问题。使用西门子人因工程仿真解决方案，对人工作业工位布局、工时节拍等进行仿真验证与优化；在SOP（Start Of Production）前完成符合人因工程学安全标准的工位设计，既提高了作业效率又保障了作业安全，取得了显著的效益。例如对操作工位的人工作业过程使用PS Human人因工程分析工具进行静力分析和负荷计算，分析评估潜在的风险并进行改善，这样做的益处是严格遵守劳保法律要求；优化工作场所，确保工人健康工作。自动化改造的挑战是一方面需要满足作业节拍时间，另一方面还有应对制造差异和零件灵活性；此外还需要确保程序是可重复执行的，且不会损坏

56、精密部件。为此，B/S/H使用西门子PS Human人因工程仿真运动捕捉解决方案，跟踪捕捉一个有经验的操作员的手工任务，记录作业节拍时间；接着创建PS Human人因工程仿真研究，对作业过程进行仿真验证与优化；首先从人因工程学角度验证该工位改造成自动化作业的合理性，然后再引入机器人进行自动化改造，确保成功和一次就做好；该项目取得了良好效益并积累了知识经验，为推广复制打下了坚实的基础。另外，B/S/H在对传统的工位进行自动化升级改造的过程中，PS Human人因工程仿真解决方案也发挥了巨大作用。例如对一个冰箱套管装配工位成功进行自动化升级改造；改造前这是个手工作业过程，在冰箱NFXX的背面安装加

57、强件螺栓，人工安装过程大约耗时25-34s。4.3B/S/H应用案例西门子数字化工业软件27白皮书 人因工程仿真应用总之，B/S/H使用西门子数字化工厂和人因工程仿真解决方案取得了显著的效益，减少作业节拍时间达40%，显著降低了作业准备时间。同时，B/S/H还将这些成果和经验转化为企业最佳实践，并成功在全球的多个工厂和生产基地推广使用。西门子数字化工业软件28白皮书 人因工程仿真应用西门子数字化工业软件 通过西门子Xcelerator 开放式数字商业平台的软件、硬件和服务，帮助各规模企业实现数字化转型，西门子数字化工业软件和全面的数字李生可助力企业优化设计、工程与制造流程,将创新想法变为可持续的产品，从芯片到系统，从产品到制造，跨越各个行业，创造数字价值。2023 Siemens。可在此处查看相关西门子商标列表。其他商标属于其各自持有方。关注【西门子数字化工业软件】微信公众号 联系我们：400-120-0052(工作时间：9:00-17:30)