工作站設計的綜合方法

在人體工程學中，工作站的設計是一項關鍵任務。 人們普遍認為，在任何工作環境中，無論是藍領還是白領，設計良好的工作站不僅可以促進工人的健康和福祉，還可以提高生產力和產品質量。 相反，設計不當的工作站可能會導致或助長健康問題或慢性職業病的發展，以及將產品質量和生產率保持在規定水平的問題。

對於每一位人體工程學專家來說，上述陳述似乎微不足道。 每個人體工程學專家還認識到，全世界的工作生活不僅充滿了人體工程學的缺點，而且公然違反了人體工程學的基本原則。 很明顯，負責人：生產工程師、主管和經理對工作站設計的重要性普遍缺乏認識。

值得注意的是，在工業工作方面存在一種國際趨勢，這似乎強調了人體工程學因素的重要性：對提高產品質量、靈活性和產品交付精度的需求不斷增加。 這些要求與關於工作和工作場所設計的保守觀點不相容。

雖然在目前的情況下，主要關注的是工作場所設計的物理因素，但應該記住，工作站的物理設計實際上不能與工作組織分開。 這個原則將在下面描述的設計過程中變得明顯。 該過程最終結果的質量取決於三個支持：人體工程學知識、與生產力和質量要求的整合以及參與。 這 實施過程 新工作站的設計必須迎合這種集成，這是本文的主要關注點。

設計注意事項

工作站是用來工作的。 必須認識到，工作站設計過程的出發點是必須實現特定的生產目標。 設計師——通常是生產工程師或其他中層管理人員——在內部製定工作場所願景，並開始通過他或她的規劃媒體實施該願景。 這個過程是迭代的：從粗略的第一次嘗試，解決方案逐漸變得越來越精細。 隨著工作的進展，在每次迭代中都必須考慮人體工程學方面。

應當指出的是， 人機工程學設計 工作站的密切相關 人體工程學評估 工作站。 事實上，這裡要遵循的結構同樣適用於工作站已經存在或處於規劃階段的情況。

在設計過程中，需要一種結構來確保所有相關方面都得到考慮。 處理此問題的傳統方法是使用包含一系列應考慮的變量的清單。 然而，通用檢查表往往體積龐大且難以使用，因為在特定的設計情況下，只有一小部分檢查表可能是相關的。 此外，在實際設計情況下，一些變量比其他變量更重要。 需要一種在設計情況下共同考慮這些因素的方法。 本文將提出這樣一種方法。

工作站設計的建議必須基於一組相關的需求。 應該注意的是，一般來說，考慮單個變量的閾值限制值是不夠的。 一個公認的生產力和保護健康的綜合目標使得有必要比傳統的設計情況更加雄心勃勃。 特別是，肌肉骨骼問題是許多工業環境中的一個主要方面，儘管這一類問題絕不僅限於工業環境。

工作站設計過程

過程中的步驟

在工作站的設計和實施過程中，總是需要在初始階段告知用戶並組織項目，以便讓用戶充分參與，並增加員工對最終結果的全面接受的機會。 對這個目標的處理不在本論文的範圍內，它集中於為工作站的物理設計找到最佳解決方案的問題，但設計過程仍然允許整合這樣一個目標。 在此過程中，應始終考慮以下步驟：

1. 收集用戶指定的需求
2. 需求的優先次序
3. 將需求轉化為 (a) 技術規範和 (b) 用戶術語規範
4. 工作站物理佈局的迭代開發
5. 物理實現
6. 試生產期
7. 全面生產
8. 評估和識別休息問題。

這裡的重點是第一步到第五步。 很多時候，實際上只有所有這些步驟的一個子集包含在工作站的設計中。 這可能有多種原因。 如果工作站是標准設計，例如在某些 VDU 工作情況下，可以適當地排除一些步驟。 但是，在大多數情況下，排除所列的某些步驟會導致工作站的質量低於可以接受的質量。 當經濟或時間限制太嚴重時，或者由於管理層缺乏知識或洞察力而完全被忽視時，就會出現這種情況。

收集用戶指定的需求

必須將工作場所的用戶確定為生產組織的任何成員，他們可能能夠就其設計提出合格的意見。 用戶可能包括，例如，工人、主管、生產計劃員和生產工程師，以及安全管理員。 經驗清楚地表明，這些參與者都有他們獨特的知識，應該在這個過程中加以利用。

用戶指定需求的收集應滿足一些標準：

1. 透明度. 在流程的初始階段不應應用過濾器。 所有的觀點都應該被記錄下來，不要發表批評意見。
2. 不歧視. 在此過程的這個階段，應平等對待來自每個類別的觀點。 應特別考慮到有些人可能比其他人更直言不諱，他們有可能讓其他一些行為者保持沉默。
3. 通過對話發展. 應該有機會通過不同背景的參與者之間的對話來調整和發展需求。 確定優先級應該作為流程的一部分來解決。
4. 多功能性. 收集用戶指定需求的過程應該是相當經濟的，不需要專家顧問的參與或對參與者的大量時間要求。

可以通過使用基於以下的方法來滿足上述一組標準 質量功能展開 (QFD) 根據 Sullivan (1986)。 這裡，用戶需求可以在存在混合參與者組（不超過八到十人）的會話中被收集。 所有參與者都會得到一張可移除的自粘便簽本。 他們被要求寫下他們認為相關的所有工作場所要求，每一項都寫在一張單獨的紙條上。 應包括與工作環境和安全、生產力和質量有關的方面。 只要發現有必要，此活動就可以繼續進行，通常為 XNUMX 到 XNUMX 分鐘。 在這節課之後，一個接一個的參與者被要求讀出他或她的要求，並將筆記貼在房間裡的一塊板上，讓小組中的每個人都能看到。 這些需求被分為自然類別，例如照明、起重輔助設備、生產設備、達到要求和靈活性要求。 一輪結束後，該小組有機會討論和評論一組需求，一次一個類別，關於相關性和優先級。

在上述過程中收集的一組用戶指定的需求構成了開發需求規範的基礎之一。 過程中的附加信息可能由其他類別的參與者產生，例如產品設計師、質量工程師或經濟學家； 然而，重要的是要認識到用戶在這方面可以做出的潛在貢獻。

優先級和需求規範

在規範過程中，必鬚根據不同的重要性來考慮不同類型的需求； 否則，已經考慮到的所有方面都必須並行考慮，這可能會使設計情況變得複雜和難以處理。 這就是為什麼在特定的設計情況下難以管理檢查表的原因，如果要達到目的就需要詳細說明。

可能很難設計出一種優先級方案，它可以同樣很好地服務於所有類型的工作站。 然而，假設手動處理材料、工具或產品是工作站工作的一個重要方面，那麼與肌肉骨骼負荷相關的方面很可能會排在優先級列表的首位。 這個假設的有效性可以在流程的用戶需求收集階段進行檢查。 相關的用戶需求可能例如與肌肉緊張和疲勞、伸手可及、看到或易於操作相關聯。

必須認識到，可能無法將所有用戶指定的需求轉化為技術需求規範。 儘管此類需求可能涉及更微妙的方面，例如舒適度，但它們可能具有很高的相關性，應在此過程中加以考慮。

肌肉骨骼負荷變量

根據上述推理，我們在此應用的觀點是，有一組與肌肉骨骼負荷相關的基本人體工程學變量需要在設計過程中作為優先考慮因素，以消除風險 工作相關的肌肉骨骼疾病 （WRMD）。 這種類型的障礙是一種疼痛綜合症，局限於肌肉骨骼系統，由於對特定身體部位的反复壓力會在很長一段時間內發展（Putz-Anderson 1988）。 基本變量是（例如，Corlett 1988）：

• 肌肉力量需求

• 工作姿勢要求

• 時間需求。

關於 肌肉力量，標准設定可能基於生物力學、生理學和心理因素的組合。 這是一個通過測量輸出力需求來操作的變量，根據處理質量或所需的力，例如，手柄的操作。 此外，可能必須考慮與高動態工作相關的峰值負載。

工作姿勢 需求可以通過以下方式進行評估：(a) 關節結構拉伸超出自然運動範圍的情況，以及 (b) 某些特別尷尬的情況，例如跪下、扭曲或彎腰姿勢，或將手舉過肩膀工作等級。

時間要求 可根據映射 (a) 短週期、重複性工作和 (b) 靜態工作進行評估。 應該注意的是，靜態工作評估可能不僅僅涉及長時間保持工作姿勢或產生恆定的輸出力； 從穩定肌肉的角度來看，尤其是在肩關節，看似動態的工作可能具有靜態特徵。 因此可能有必要考慮長期的聯合動員。

在實踐中，一種情況的可接受性當然是基於對承受最大壓力的身體部位的要求。

重要的是要注意這些變量不應一次單獨考慮，而應綜合考慮。 例如，如果只是偶爾出現，高強度需求可能是可以接受的； 偶爾將手臂舉過肩部水平通常不是危險因素。 但必須考慮這些基本變量之間的組合。 這往往會使標準制定變得困難和復雜。

在 修訂後的 NIOSH 公式，用於設計和評估人工處理任務 （Waters 等人，1993 年），通過設計一個考慮以下中介因素的推薦重量限制方程式解決了這個問題：水平距離、垂直提升高度、提升不對稱性、手柄耦合和提升頻率。 這樣，基於理想條件下的生物力學、生理學和心理標準的 23 千克可接受負載限制可以在考慮到工作情況的具體情況後進行大幅修改。 NIOSH 方程式為評估涉及起重任務的工作和工作場所提供了基礎。 然而，NIOSH 方程的可用性存在嚴重的局限性：例如，只能分析雙手升降機； 分析單手升降機的科學證據仍無定論。 這說明了將科學證據完全用作工作和工作場所設計基礎的問題：在實踐中，科學證據必須與對所考慮的工作類型有直接或間接經驗的人的受過教育的觀點相結合。

立方體模型

考慮到需要考慮的複雜變量集，工作場所的人體工程學評估在很大程度上是一個溝通問題。 基於上述優先討論，開發了一個用於工作場所人體工程學評估的立方體模型（Kadefors 1993）。 這裡的主要目標是開發一種用於交流目的的教學工具，基於這樣的假設，即在絕大多數情況下輸出力、姿勢和時間測量構成相互關聯的、優先的基本變量。

對於每一個基本變量，人們認識到可以根據嚴重程度對需求進行分組。 在這裡，建議可以將這樣的分組分為三類：（1） 低要求（2） 中等要求 或（3） 高要求. 需求水平可以通過使用任何可用的科學證據或通過與一組用戶達成共識的方法來設置。 這兩種選擇當然不是相互排斥的，可能會產生相似的結果，但可能具有不同程度的普遍性。

如上所述，基本變量的組合在很大程度上決定了肌肉骨骼疾病和累積性創傷疾病發展的風險水平。 例如，在對力和姿勢也至少有中等水平要求的情況下，高時間要求可能會使工作情況無法接受。 在工作場所的設計和評估中，必須聯合考慮最重要的變量。 這裡有 立方體模型 出於此類評估目的，建議。 基本變量——力、姿勢和時間——構成了立方體的三個軸。 對於每個需求組合，可以定義一個子多維數據集； 該模型總共包含 27 個這樣的子立方體（見圖 1）。

圖 1. 用於人體工程學評估的“立方體模型”。 每個立方體代表與力、姿勢和時間相關的需求組合。 光：可接受的組合； 灰色：有條件接受； 黑色：不可接受

該模型的一個重要方面是需求組合的可接受程度。 在模型中，針對可接受性提出了三區分類方案：（1）情況是 可接受的, (2) 情況是 有條件地接受 (3) 情況是 不可接受的. 出於教學目的，可以為每個子立方體指定特定的紋理或顏色（例如，綠-黃-紅）。 同樣，評估可以基於用戶或基於科學證據。 有條件的可接受（黃色）區域表示“對於所有或部分相關操作人員而言，存在不可忽視的疾病或傷害風險”（CEN 1994）。

為了開發這種方法，考慮一個案例是有用的：在中等節奏的單手材料處理中評估肩部負荷。 這是一個很好的例子，因為在這種情況下，承受最大壓力的通常是肩部結構。

關於力變量，在這種情況下分類可以基於處理的質量。 這裡， 低力需求 被確定為低於最大自主舉重能力 (MVLC) 的 10%，在最佳工作區相當於約 1.6 公斤。 高力需求 需要超過 30% 的 MVLC，大約 4.8 公斤。 中等力量需求 落在這些限制之間。 低姿勢應變 是上臂靠近胸腔的時候。 高姿勢勞損 當肱骨外展或屈曲超過45°時。 中等姿勢勞損 當外展/屈曲角度在 15° 和 45° 之間時。 時間要求低 是指每個工作日斷斷續續處理時間少於 10 小時，或每天連續處理時間少於 XNUMX 分鐘。 高時間需求 是指每個工作日處理時間超過 30 小時，或連續處理時間超過 XNUMX 分鐘（持續或重複）。 中等時間需求 是當曝光落在這些限制之間時。

在圖 1 中，可接受程度已分配給需求組合。 例如，可以看出，高時間要求可能只與組合的低力和姿勢要求相結合。 從不可接受到可接受的轉變可以通過減少任一維度的需求來實現，但在許多情況下，減少時間需求是最有效的方法。 換句話說，在某些情況下，工作場所的設計應該改變，而在其他情況下，改變工作組織可能更有效。

使用一組用戶的共識小組來定義需求水平和可接受程度的分類可能會大大增強工作站設計過程，如下所述。

附加變量

除了上面考慮的基本變量之外，還必須考慮一組從人體工程學角度表徵工作場所的變量和因素，這取決於要分析的情況的特定條件。 他們包括：

• 減少事故風險的預防措施

• 特定的環境因素，例如噪音、照明和通風

• 暴露於氣候因素

• 暴露於振動（來自手持工具或全身）

• 輕鬆滿足生產力和質量要求。

在很大程度上，一次可以考慮這些因素； 因此清單方法可能有用。 Grandjean (1988) 在他的教科書中涵蓋了在這種情況下通常需要考慮的基本方面。 Konz (1990) 在他的指南中為工作站組織和設計提供了一組主要問題，重點關注製造系統中的工人-機器接口。

在此處遵循的設計過程中，應結合用戶指定的需求來閱讀清單。

工作站設計示例：手工焊接

作為一個說明性（假設的）示例，此處描述了導致手動焊接工作站實施的設計過程（Sundin 等人，1994 年）。 焊接是一項經常結合對肌肉力量的高要求和對手工精度的高要求的活動。 作品具有靜態特徵。 焊工經常專門進行焊接。 焊接工作環境通常是惡劣的，暴露在高噪音水平、焊接煙霧和光輻射中。

任務是設計一個工作場所，用於在車間環境中對中型物體（最大 300 公斤）進行手動 MIG（金屬惰性氣體）焊接。 由於要製造的物體種類繁多，因此工作站必須具有靈活性。 對生產力和質量有很高的要求。

執行 QFD 過程是為了提供一組用戶方面的工作站需求。 焊工、生產工程師和產品設計師都參與其中。 此處未列出的用戶需求涵蓋了廣泛的方面，包括人體工程學、安全性、生產力和質量。

使用立方體模型方法，專家組一致確定了高、中和低負載之間的限制：

1. 強制變量. 小於 1 kg 的處理質量被稱為低負載，而超過 3 kg 被認為是高負載。
2. 姿勢應變變量. 意味著高壓力的工作姿勢是那些涉及高舉手臂、扭曲或深度前屈姿勢和跪姿的姿勢，還包括手腕處於極度屈曲/伸展或偏差狀態的情況。 低應變發生在直立站立或坐著的姿勢以及雙手處於最佳工作區的地方。
3. 時間變量. 不到 10% 的工作時間用於焊接被認為是低需求，而超過 40% 的總工作時間被認為是高需求。 當變量落在上面給出的限制之間，或者情況不明朗時，就會出現中等需求。

從使用立方體模型（圖 1）的評估中可以清楚地看出，如果在力和姿勢應變方面同時存在高或中等需求，則不能接受高時間需求。 為了減少這些需求，機械化的物體處理和工具懸掛被認為是必要的。 圍繞這一結論達成了共識。 使用簡單的計算機輔助設計 (CAD) 程序 (ROOMER)，創建了一個設備庫。 可以很容易地開發和修改各種工作場所佈局，並與用戶密切互動。 與僅僅看計劃相比，這種設計方法具有顯著的優勢。 它使用戶可以立即了解預期工作場所的外觀。

圖 2. 在設計過程中得出的用於手工焊接的工作站的 CAD 版本

圖 2 顯示了使用 CAD 系統到達的焊接工作站。 它是一個減少了力和姿勢需求的工作場所，幾乎滿足了用戶提出的所有剩餘需求。

圖 3. 實施的焊接工作站

根據設計過程第一階段的結果，實施了焊接工作場所（圖 3）。 該工作場所的資產包括：

1. 使用用於焊接物體的計算機化處理設備可以促進優化區域中的工作。 有一個用於運輸目的的高架起重機。 作為替代方案，提供了一個平衡的提升裝置，以便於搬運物體。
2. 焊槍和打磨機被懸掛起來，從而減少了對力的需求。 它們可以放置在焊接對象周圍的任何位置。 提供焊接椅。
3. 所有媒體都來自上方，這意味著地板上沒有電纜。
4. 工作站的照明分為三個層次：一般、工作場所和流程。 工作場所照明來自牆壁元素上方的坡道。 過程照明集成在焊接煙霧通風臂中。
5. 工作站具有三個級別的通風：一般置換通風、使用活動臂的工作場所通風以及 MIG 焊槍中的集成通風。 工作場所通風由焊槍控制。
6. 工作場所的三個側面都有吸音牆元件。 透明的焊接幕布覆蓋著第四面牆。 這使得焊工可以隨時了解車間環境中發生的情況。

在實際設計情況下，由於經濟、空間和其他限制，可能不得不做出各種妥協。 然而，應該指出的是，世界各地的焊接行業都很難獲得有執照的焊工，而且他們是一項相當大的投資。 幾乎沒有焊工作為現役焊工正常退休。 讓熟練的焊工繼續工作對所有相關方都有好處：焊工、公司和社會。 例如，物體處理和定位設備應該成為許多焊接工作場所不可或缺的組成部分，這是有充分理由的。

工作站設計數據

為了能夠正確設計工作場所，可能需要大量的基本信息。 這些信息包括用戶類別的人體測量數據、男性和女性人群的舉重和其他輸出力能力數據、構成最佳工作區域的規範等。 在本文中，給出了一些關鍵論文的參考。

Grandjean (1988) 的教科書對工作和工作站設計的幾乎所有方面進行了最全面的處理。 Pheasant (1986) 介紹了與工作站設計相關的廣泛人體測量方面的信息。 Chaffin 和 Andersson (1984) 提供了大量的生物力學和人體測量數據。 Konz (1990) 提出了工作站設計的實用指南，包括許多有用的經驗法則。 Putz-Anderson (1988) 提出了上肢的評估標準，特別是關於累積性創傷障礙的評估標準。 Sperling 等人給出了使用手動工具工作的評估模型。 (1993)。 關於手動提升，Waters 和同事開發了修訂後的 NIOSH 方程，總結了有關該主題的現有科學知識（Waters 等人，1993 年）。 例如，Rebiffé、Zayana 和 Tarrière (1969) 以及 Das 和 Grady (1983a, 1983b) 提出了功能性人體測量學和最佳工作區的規範。 Mital 和 Karwowski (1991) 編輯了一本有用的書，回顧了與工業工作場所設計相關的各個方面。

考慮到所有相關方面，正確設計工作站所需的大量數據將使生產工程師和其他負責人必須使用現代信息技術。 很可能在不久的將來會提供各種類型的決策支持系統，例如以基於知識的系統或專家系統的形式。 例如，DeGreve 和 Ayoub（1987 年）、Laurig 和 Rombach（1989 年）以及 Pham 和 Onder（1992 年）已經給出了關於此類發展的報告。 然而，設計一個系統使最終用戶能夠輕鬆訪問特定設計情況下所需的所有相關數據是一項極其困難的任務。

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