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藉助人因工程 預防職業災害發生
2016/09/19-DIGITIMES企劃  

歷經產官學各界倡議,現今不少人對工業4.0已經耳熟能詳,且明白工業4.0並非意在打造無人工廠,而是智慧工廠;在智慧工廠裡頭,除了有自動化設備外,「人」更是不容或缺的重要一環,因此工業4.0相當重視人因工程的改善,連帶有助強化職災預防。

距今80多年前,被後世喻為美國職業安全理論先驅的Heinrich,提出一套骨牌理論,強調所有的意外絕非偶然,而是由一連串的事件在一定的秩序中發生的,其間歷經了先天因素及社會環境、人為過失、不安全的行為及機械或實體危害、意外事故發生,以及體傷或財物損失等五大環節。

透過人因評估之虛擬場景設計,可預先模擬人與場景物件之間的複雜互動關係,檢視人員作業場域的所有環節是否安全無虞。來源:The High Value Manufacturing (HVM) Catapult
而在上述五個環節裡頭,Heinrich認為最容易解決的一環便是「不安全的行為及機械或實體危害」,此乃由於,之所以發生不安全的行為,往往肇因於設計不良的及機械或實體之誘導所致,由此觀之,針對骨牌理論五個環節中的「不安全的行為及機械或實體危害」來改善,應可稱之為最有效率的危害消除方式。

只不過,若沿用傳統的職業災害分析方法,並無法產生足以消除這個環節的解決之道。所幸隨著設備自動化、工廠自動化,一路推進到現今講求智動化的工業4.0時代,人因工程的底蘊愈趨深厚,已足以提供較從前更有效的系統性解決方案,來消除職災當中的「不安全的行為及機械或實體危害」因子。

工業4.0智慧工廠  亦強調人因工程學

所謂人因工程,是一門「從瞭解人的性質、能力與限制,並將它們應用於器物、系統、環境與工作的設計,以達到舒適、安全與效率」的學科,經常被應用於如肌肉骨骼傷害等職業傷害的工作現場人機介面改善,或者手工具與機械等產品的設計與改善,歐洲稱這門學問為工效學,日本稱之為人間工學;至於箇中所提到的改善,經常是透過標準、指令及檢核表(Checklist)來完成,也就是說,必須設法發現可能的人機介面設計不良因子,據以納入人因檢核表的素材,藉此預防職業災害的發生。

依工業4.0而論,其目標並非創造新的工業技術,而是統合所有工業相關的技術、銷售與產品體驗,進而建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠;藉由這段描述,便不難看出人因工程之於工業4.0的重要性。

享譽CAD/CAM/CAE領域的Autodesk,近年推出了極具創新意涵的Fusion 360產品創新平台,除了強調基於雲端提供CAD、CAM及CAE功能外,另訴求將模擬、設計及工程作業流程完全整合,且增強團隊合作機制,提供即時多用戶協同設計、跨系統與跨平台轉移專案等實用功能。

在製造業界,多數人都心知肚明,由於自動化生產線中設備排佈交錯,並不容易藉由2D布局方式來適切表達,但儘管如此,不少企業仍對簡單易用的2D技術情有獨鐘,依然慣用2D來進行產線布局,現今比例甚至超過7成。

然而不可諱言,若僅採用2D布局,是有其後遺症的。首先,藉由2D技術推動工廠設計,可能忽略掉許多問題,譬如干涉或衝突等等現象;其次,傳統2D的提案方式相對落伍,只憑藉它來與對手正面交鋒,勝算愈來愈低;再者,如同前述2D工廠設計往往漏失諸多環節,很容易形成規劃與實作兩者之間的落差,繼而衍生相對高昂的設計變更成本,絕非業主樂見之事。

意欲解決前述盲點,別無他法,唯有揚棄傳統2D布局、轉向3D布局模式,俾使業主、主管或施工人員等協同成員,皆可清楚生產線的整體規劃走向,不像2D布局需要額外的說明溝通。數位化產線,其擬真的效果,就好比拿著攝影機在現場拍攝,可以預見未來產線。

而Autodesk也悉心提供頗為簡化的路徑,幫助用戶儘速邁向3D布局,只需規劃好廠房,包括其內部的牆、柱、門、窗、地板…等等細節,再透過積木方式排佈機台設備、規劃生產線,最終將數位工廠建置完成,接著進廠虛擬參觀,證實一切無誤,此時便大功告成。

難免有人好奇提問,3D布局與人因工程、乃至職災防護之間的關聯性,究竟為何?此處仍延續Autodesk解決方案之例,該方案所訴求的主要功能項目當中,第一項便是產線平衡分析與自動建模,企業可導入已經規劃好,且帶有製程、工時等資料的Excel表格,接著按照既定的製程規劃,把生產設備指定到各個工站,然後藉由產線平衡分析模擬,預先找出生產瓶頸,進而將產線規劃導入到該解決方案,進行場地配置,系統就會自動同步成為3D數位產線。
第二項重要功能,乃是積木式3D設備模型排佈。企業可以利用既有的2D布局作為底稿,用以排佈3D設備,透過系統進行智慧型設備排佈,進行自動貼附、自動延伸,接著用戶再直接採用Pro/E、SWX或UGNX所建立的設備模型,讓設備之間交互參考對齊,然後以拖曳方式重新排佈設備群組,便完成此階段任務。

透過人因作業研究 檢視工作場域是否安全

至於第三項關鍵功能項目,便是人因工程模擬與作業研究。據悉,人因工程模擬與作業研究對於生產效率的提升,可謂至為重要,因為企業透過系統畫面,針對可動的人偶進行細微動作調整,即可掌握到模擬作業時的視野範圍,甚至進一步研究工作擺放與施力位置,是否安全無虞,如此一來,便可以在提高工作效率之餘,同時也減少工安意外事件。

另值得留意的,伴隨產品精密度愈趨提高,產品的良率高低,往往取決於與生產環境因素之間的配合,比方說工廠內部需要保持恆溫,此外業主亦需顧及不斷抬頭的工安意識,有責任為現場作業人員提供更加順暢、明確的逃生動線,而在動線的設計上,也不宜完全憑藉經驗法則,此時即可藉由數位工廠模擬功能,可預先模擬煙霧瀰漫,以便精確設計出安全等級最高、最能快速疏散所有工作者的逃生路徑,單單做好這件事情,對於減少工傷意外事故,即可望產生巨大貢獻與價值。

而緊接在人因工程與作業研究之後的另外兩項重大功能,依序是逆向建構既有已竣工產線,以及擬真的作業過程渲染動畫。

持平而論,過去已有不少學者專家,探討如何使用含有人模的虛擬場景輔助產品設計,藉以評估工業安全、生產績效等效果,其中有關人因評估之虛擬場景設計,已逐漸從單純採用靜止姿勢、或及時驅動的人模(註:前者旨在研究與關節角度負載相關之人因評估,後者則評估時間績效),擴散到人與場景物件(包括機器、環境)之間的複雜互動,藉由軟體在硬體設備裡頭進行人人交互、人機交互的研究設計。

以對岸為例,便相當熱衷於人因工程,只因當地多數專家深信,如果未能審慎考慮人的因素,不但會使系統效能折損或喪失,而且可能導致人員健康問題、甚至傷亡;所以說人因工程是工業4.0的靈魂,一點也不為過。

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關鍵字 
自動化設備工業4.0(Industry 4.0)智慧工廠(Smart Factory)
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