在当今制造业中，产品设计与制造过程的复杂性不断提升，如何在早期阶段有效考虑人因因素，成为了提高生产效率、保障工人安全与健康的关键。人因工程仿真旨在将人体因素融入到产品设计与制造规划中，美国劳工部数据显示，企业每周为工人支付的补偿费用高达 10 亿美元💵，这凸显了人因模拟贯穿产品生命周期的重要性。通过人因工程，能够优化工人作业空间、环境及过程，还可对工人进行可视化操作培训；在产品设计时，分析并解决因人的身高、体重等因素导致的操作使用问题，从人机工效角度确保产品设计的合理性与工艺可行性，最终提高生产效率，减少劳动强度，保护工人安全与健康。
二、Process Simulate 人因工程仿真简述
Process Simulate 是西门子公司 Tecnomatix 数字孪生解决方案中的一款仿真软件，其中的 Process Simulate Human 模块，使用户能够结合人物和工作场景模型模拟人类活动，进而分析和优化工作场所的合理性，评估人的疲劳强度、舒适度、可达性等。该模块依据现实人体动作，如抓取位置、放置位置、行走距离和时间等进行模拟设置，以还原现实中人体在特定工作范围内可能存在的安全生产问题。它可以仿真优化工人作业空间、环境及过程，从人机工效层面解决产品设计合理性与工艺可行性问题，助力提高生产效率，降低劳动强度，保障工人安全与健康。
三、功能详解
1.人体模型构建
参数化定制：PS Human 提供业界最准确的人体生物力学模型，支持自定义性别、身高、体重、穿着、国家地区等参数，构建符合不同人群特征的人体模型。例如，在汽车制造行业，针对不同体型的工人，可以创建相应参数的人体模型，用于评估生产线操作的合理性。
姿势库调用：拥有标准人体姿势库，可快速调用常见姿势。同时，还能自定义设置人体姿态，直接操纵手掌、头部、眼睛、肩膀、躯干、骨盆、四肢、脚等身体部位移动，满足多样化的任务模拟需求。比如在电子产品装配仿真中，可根据装配动作设置人体的精确姿态。
2.动作模拟功能
基本动作模拟：提供完整的人物静态 / 动态动作模拟功能，涵盖行走、搬运、放置、安装、作业姿态、坐 / 站立、触碰、施力等基本动作。通过多种动作组合，可形成工人一系列作业动作流程的模拟。以家具制造为例，能够模拟工人搬运板材、安装零部件等连贯动作，分析操作流程的合理性。
3.工作区分析功能
可达性分析：PS Human 提供工作区可达性分析功能，可快速可视化检测工作站设计是否符合人体工程学准则。将区域划分为初级（可达）、次级（基本可达）和第三级（遥不可及），清晰展示人体在工作空间内的可达范围。在飞机维修场景中，利用可达性分析可确定维修工人能否方便地接触到飞机的各个维修部位。
可视性分析：提供工作环境可视性分析功能，可将人物的左、右、双眼的视野视图呈现出来，结合动作模拟检查作业过程中作业对象能否被人看见。例如在物流仓库中，分析叉车司机在不同操作位置对货物和周边环境的可视范围，保障操作安全。
4.人机工程学分析
国际标准支持：PS Human 包含常见的人机工程学国际标准（OWAS/RULA/NIOSH/…），通过多种分析工具建立人因舒适度分析、人因疲劳度分析、人因力量评估、人因工作姿态评估、人因上肢力量、人因静态疲劳强度等分析。在纺织工厂中，运用这些标准和工具评估工人长时间操作纺织设备的疲劳强度和舒适度，以便优化工作流程和设备布局。
5.动作捕捉与虚拟现实
动作捕捉连接：Process Simulate 提供与动作捕捉设备连接的功能（TN70032），支持与市面上主流动作捕捉品牌连接。实现运动跟踪硬件和 PS 虚拟人之间实时连接，评估难以手动定义的复杂移动，用于执行快速实时假设 / 方案评估，实时评估人体工程学应力。在体育装备制造中，通过动作捕捉设备记录运动员的动作，应用到产品设计的人因仿真中，提升产品的适用性。
虚拟现实技术：支持与 HTC VIVE 头戴式 VR 设备进行一键连接，实现沉浸式审查。在 VR 场景中可进行尺寸测量、剖视图、文字注释、画笔标注，创建截图揭示问题点，还能调整模型布局和安装位置，查看产线 / 工位模拟运行。例如在建筑设计中，『设计师』可通过 VR 设备进入虚拟建筑空间，利用 Process Simulate 的人因仿真功能，从使用者的角度评估空间布局的合理性。
四、应用场景
1.装配制造工艺验证：在产品装配环节，利用 Process Simulate 人因工程仿真，可提前验证装配工艺的可行性。模拟工人的装配动作，检查是否存在操作不便、难以触及装配部位等问题，优化装配流程和工装夹具设计。例如在手机制造企业，通过人因仿真优化手机零部件的装配顺序和操作方式，提高装配效率和质量。
2.工装工具设备使用验证：对工装工具设备进行人因仿真，评估工人在使用过程中的舒适度、操作便捷性和安全性。判断工具的尺寸、重量、形状是否符合人体工程学原理，是否会导致工人疲劳或受伤。如在机械加工车间，对新型扳手的设计进行人因仿真验证，确保工人使用时省力且不易疲劳。
3.产品设计评估：在产品设计阶段，借助人因仿真分析产品在使用过程中的人机交互问题。从用户操作的角度出发，分析产品的可视性、可达性、操作舒适度等，优化产品设计，提升用户体验。以汽车内饰设计为例，通过模拟驾驶员和乘客在车内的活动，改进车内控制按钮的布局和座椅的设计。
五、实施价值
1.降低成本
减少设计变更：在生产启动前，通过人因仿真发现设计缺陷，最大限度降低因返工带来的设计变更成本。例如在电子设备制造中，提前发现产品组装过程中的人因问题，避免大规模生产后的设计修改，节省大量成本。
减少物理原型需求：减少对物理原型的依赖，降低设计成本，加快产品上市时间。通过虚拟人因仿真，在计算机中进行多次方案验证和优化，无需制造大量物理样机，缩短产品研发周期。
2.提高生产效率与安全性
优化生产流程：优化工人操作过程，提高生产效率，缩短生产周期。例如在食品加工生产线，通过人因仿真调整工人的操作步骤和设备布局，减少不必要的动作和行走距离，提升整体生产效率。
保障工人安全：确保工人人身安全，降低医疗成本。通过人因分析提前识别潜在的安全风险，采取改进措施，减少工作场所的事故发生率。如在化工企业，对工人在危险环境下的操作进行人因仿真，优化防护设备和操作流程，保障工人安全。
3.全生命周期维护
早期维护考虑：在早期模拟中将维修维护纳入考虑范围，降低全生命周期内的维护成本。例如在航空发动机设计中，利用人因仿真分析维修人员在发动机维护过程中的操作难度和可达性，优化发动机结构设计，便于后期维护。
高效维修手册创建：更好地进行部件的拆卸 / 替换，减少停机时间和成本，同时可重用模拟数据，更高效地创建维护手册。在机械设备维护中，基于人因仿真生成的操作数据，编写详细准确的维护手册，提高维护效率。
