第一节能 安全人机工程基本知识
1、安全人机工程的定义
安全人机工程是研究人机环境系统的安全本质，并使三者从安全的角度上达到最佳匹配，以确保系统高效、经济运行的一门应用科学。
【例题】 安全人机工程是研究（ ）系统的安全本质，并使三者从安全的角度上达到最佳匹配，以确保系统高效、经济运行的一门应用科学。
A. 人 B. 机 C. 安全 D. 环境 E. 工程 〖答案〗 ABD
2、安全人机工程的主要研究内容
安全人机工程在所研究的诸多因素中，主要是研究人与机器的关系，主要内容包括如下4个方面：
(1)、分析机械设备及设施在生产过程中存在的不安全因素，并有针对性地进行可靠性设计、维修性设计、安全装置设计、安全启动和安全操作设计及安全维修设计等。
(2)、研究人的生理和心理特性，分析研究人和机器各自的功能特点，进行合理的功能分配，以构成不同类型的最佳人机系统。
(3)、研究人与机器相互接触、相互联系的人机界面中信息传递的安全问题。
(4)、分析人机系统的可靠性，建立人机系统可靠性设计原则，据此设计出经济、合理以及可靠性高的人机系统。
在人机系统中人始终起着核心和主导作用，机器起着安全可靠的保证作用。解决安全问题的根本是实现生产过程的机械化和自动化，让工业机器人代替人的部分危险操作，从根本上将人从危险作业环境中彻底解脱出来，实现安全生产。
【例题】在人机系统中，人始终起着（ ）作用。
A. 辅助 B. 主导 C. 安全 D. 核心 E. 保证 〖答案〗 BD
15.1.2 人机系统的类型
人机系统主要有两类，一类为机械化、半机械化控制的人机系统；一类为全自动化控制的人机系统。
机械化、半机械化控制的人机系统，人机共体，或机为主体，系统的动力源由机器提供，人在系统中主要充当生产过程的操作者与控制者，即控制器主要由人来操作。在控制系统中设置监控装置，如果人操作失误，机器会拒绝执行或提出警告，其结构如图4一l所示．这是现代生产中应用最多的人机系统。系统的安全性主要取决于人机功能分配的合理性，机器的本质安全性及人为失误。
在全自动化控制的人机系统中，以机为主体，机器的正常运转完全依赖于闭环系统的机器自身的控制，人只是一个监视者和管理者，监视自动化机器的工作。只有在自动控制系统出现差错时，人才进行干预，采取相应的措施。其结构框图如图4—2所示。系统的安全性主要取决于机器的本质安全性、机器的冗余系统失灵以及人处于低负荷时应急反应变差等。
【例题】 在机械化、半机械化控制的人机系统中，系统的安全性主要取决于（ ）。
A. 人机功能分配的合理性 B. 机器的冗余系统失灵 C. 机器的本质安全性
D. 人处于低负荷时应急反应变差 E. 人为失误 〖答案〗 ACE
15.2 机械设计本质安全的定义
1、机械设计本质安全的定义
机械设计本质安全是指机械的设计者，在设计阶段采取措施来消除安全隐患的一种机械安全方法。包括在设计中排除危险部件，减少或避免在危险区处理工作需求，提供自动反馈设备并使运动的部件处于密封状态之中等。
2、机械设计本质安全的类型
1)、、机械失效安全
机械设计者应该在设计中考虑到当发生故障时不出危险。
这一类装置包括操作限制开关，限制不应该发生的冲击及运动的预设制动装置，设置把手和预防下落的装置，失效安全的限电开关等。
2)、、机械部件的定位安全
把机械的部件安置到不可能触及的地点，通过定位达到安全的目的。设计者必须考虑到人在正常情况下不会触及到部件，而在某些情况下可能会接触到，例如登着梯子对机械进行维修等情况。
3)、、机器的安全布置
在车间内对机器进行合理的安全布局，可以使事故明显减少，布局时要考虑如下因素：
(1)、空间：便于操作、管理、维护、调试和清洁。
(2)、照明：包括工作场所的通用照明（自然光及人工照明，但要防止炫目）和为操作机器而需的照明。
(3)、管、线布置：不要妨碍在机器附近的安全出入，避免磕绊，有足够的上部空间。保证维修时人员的出入安全。
【例题】 机械设计本质安全的类型包括（ ）。
A. 失效安全 B. 定位安全 C. 定时安全 D. 安全布置 E. 照明安全 〖答案〗 ABD
第二节能 人的特性
一、人的生理因素与安全的关系
(一)、人的感觉与感觉器官
l.视觉
1)、常见的几种视觉现象
①暗适应与明适应能力。人眼对光亮度变化的顺应性，称为适应，适应有明适应和暗适应两种。暗适应是指人从光亮处进入黑暗处，开始时一切都看不见，需要经过一定时间以后才能逐渐看清被视物的轮廓。暗适应的过渡时间较长，约需要30min才能完全适应。
明适应是指人从暗处进入亮处时，能够看清视物的适应过程，这个过渡时间很短，约需1min，明适应过程即趋于完成。
人在明暗急剧变化的环境中工作，会因受适应性的限制，使视力出现短暂的下降，若频繁地出现这种情况，会产生视觉疲劳，井容易引起事故发生。为此，在需要频繁改变光亮度的场所，应采用缓和照明，避免光亮度的急剧变化。
2眩光。当人的视野中有极强的亮度对比时，由光源直射或由光滑表面的反射出的刺激或耀眼的强烈光线，称为眩光。眩光可使人眼感到不舒服，使可见度下降，并引起视力的明显下降。
眩光造成的有害影响主要有，使暗适应破坏，产生视觉后像；降低视网膜上的照度；减弱观察物体与背景的对比度；观察物体时产生模糊感觉等，这些都将影响操作者的正常作业。
3视错觉。人在观察物体时，由于视网膜受到光线的刺激，光线不仅使神经系统产生反应，而且会在横向产生扩大范围的影响，使得视觉印象与物体的实际大小、形状存在差异，这种现象称为视错觉。视错觉是普遍存在的现象，其主要类型有形状错觉、色彩错觉及物体运动错觉等。其中常见的形状错觉有长短错觉、方向错觉、对比错觉、大小错觉、远近错觉及透视错觉等。色彩错觉有对比错觉、大小错觉、温度错觉、距离错觉及疲劳错觉等。
在工程设计时，为使设计达到预期的效果，应考虑视错觉的影响。
2)、视觉损伤与视觉疲劳
①视觉损伤。在生产过程中，除切屑颗粒、火花、飞沫、热气流、烟雾、化学物质等有形物质会造成对眼的伤害之外，强光或有害光也会造成对眼的伤害。
眼睛能承受的可见光的最大亮度值约为106cd／m2。如越过此值，人眼视网膜就会受到损伤。300m以下的短波紫外线可引起紫外线眼炎。紫外线照射4～5h后眼睛便会充血，l0～12h后会使眼睛剧痛而不能睁眼，这一般是暂时性症状，大多可以治愈。常受红外线照射可引起白内障。直视高亮度光源(如激光、太阳光等)、，会引起黄斑烧伤，有可能造成无法恢复的视力减退。低照度或低质量的光环境，会引起各种眼的折光缺陷或提早形成老花。眩光或照度剧烈而频繁变化的光可引起视觉机能的降低。
②视觉疲劳。长期从事近距离工作和精细作业的工作者，由于长时间看近物或细小物体，睫状肌必须持续地收缩以增加晶状体的白度。这将引起视觉疲劳，甚至导致睫状肌萎缩，使其调节能力降低。
长期在劣质光照环境下工作，会引起眼睛局部疲劳和全身性疲劳。全身性疲劳表现为疲倦、食欲下降、肩上肌肉僵硬发麻等自律神经失调症状；眼部疲劳表现为眼痛、头痛、视力下降等症状。此外，作为眼睛调节筋的睫状肌的疲劳，还可能形成近视。
3)、视觉的运动规律
人们在观察物体时，视线的移动对看清和看准物体有一定规律。掌握这些规律，有利于在工程设计中满足人机工程学的设计要求。
①眼睛的水平运动比垂直运动快，即先看到水平方向的东西，后看到垂直方向的东西。所以，一般机器的外形常设计成横向长方形。
②视线运动的顺序习惯于从左到右，从上到下，顺时针进行。
○3对物体尺寸和比例的估计，水平方向比垂直方向准确、迅速，且不易疲劳。
○4当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相同的情况下，观察率优先的顺序是左上、右上、左下、右下。
⑤在视线突然转移的过程中，约有3％的视觉能看清目标，其余97％的视觉都是不真实的，所以在工作时，不应有突然转移视线的要求，否则会降低视觉的准确性。如需要人的视线突然转动时，也应要求慢一些才能引起视觉注意。为此，应给出一定标志，如利用箭头或颜色预先引起人的注意，以便把视线转移放慢。或者采用有节奏的结构。
○6对于运动的目标，只有当角速度大于l°／s～2°／s时，且双眼的焦点同时集中在同一个目标上，才能鉴别出其运动状态。
⑦人眼看—个目标要得到视觉印象，最短的注视时间为0.07～0.3s，这里与照明的亮度有关。人眼视觉的暂停时间平均需要0．17s。
2．听觉
听觉的功能有分辨声音的高低和强弱，还可以判断环境中声源的方向和远近。
1)、听觉特性
(1)、听觉绝对阈限。听觉的绝对阈限是人的听觉系统感受到最弱声音和痛觉声音的强度。它与频率和声压有关。在阈限以外的声音，人耳感受性降低，以至不能产生听觉。声波刺激作用的时间对听觉阈值有重要的影响，一般识别声音所需要的最短持续时间为20～50 ms。
听觉的绝对阈限包括频率阈限、声压阈限和声强阈限。声强是指在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的平均声能，单位为W／m2。频率为20Hz、声压为2×10-5Pa、声强为10-12w／m2的为听阈。低于这些值的声音不能产生听觉。
(2)、听觉的辨别阈限。入耳具有区分不同频率和不同强度声音的能力。辨别阈限是指听觉系统能分辨出两个声音的最小差异。辨别阈限与声音的频率和强度都有关系。入耳对频率的感觉最灵敏，常常能感觉出频率微小的变化，而对强度的感觉次之，不如对频率的感觉灵敏。不过二者都是在低频、低强度时，辨别阈值较高。
(3)、辨别声音的方向和距离。在正常情况下，人的两耳的听力是一致的。因此，根据声音到达两耳的强度和时间先后之差可以判断声源的方向。例如，声源在右侧时，距左耳稍远，声波到达左耳所需时间就稍长。声源与两耳间的距离每相差1cm，传播时间就相差0．029ms。这个时间差足以给判断声源的方位提供有效的信息。另外，由于头部的屏蔽作用及距离之差会使两耳感受到声强的差别，因此，同样可以判断声源的方位。以上这两种判断方法，只有声源恰好在听者的左方或右方时，才能确切判断声源的方位。如果声源在听者的上、下方或前、后方，就较难确定其方位。这时通过转达头部，以获得较明显的时差及声强差，加之头部转过的角度可判断其方位，在危险情况下，除了听到警戒声之外，如能识别出声源的方向，往往会避免事故的发生。判断声源的距离主要依靠声压和主观经验。一般在自由空间，距离每增加一倍，声压级将减少6ｄB。
2)、听觉的掩蔽
当几种声强不同的声音传到入耳时，只能听到最强的声音，而较弱的声音就听不到了，即弱声被掩盖了。一个声音被其他声音的干扰而听觉发生困难，只有提高该声音的强度才能产生听觉．这种现象称为听觉的掩蔽。被掩蔽声音的听阈提高的现象，称为掩蔽效应。
3.人的感觉反应
人们在操纵机械或观察识别事物时，从开始操纵、观察、识别到采取动作，存在一个感知时间过程，即存在一段反应时间。
1)、反应时间
反应时间是指人从机器或外界获得信息，经过大脑加工分析发出指令到运动器官开始执行动作所需的时间。反应时间是从包括感觉反应时间(从信息开始刺激到感觉器官有感觉所用时间)、到开始动作所用时间(信息加工、决策、发令开始执行所用时间)、的总和。
由于人的生理心理因素的限制，人对刺激的反应速度是有限的。一般条件下，反应时间约为0．1～0．5s。对于复杂的选择性反应时间达l～3s，要进行复杂判断和认识的反应时间平均达3～5s，具体的带有判别的反应时间t可用下式求得：
t=klog2(n+1)、 (4—1)、
式中，k为常数；n为等概率出现的选择对象数；(n十1)、是考虑判明是否出现刺激。为了保证安全作业，一方面在机器设计中，应使操纵速度低于人的反应速度。另一方面应设法提高人的反应速度。
2)、减少反应时间的途径
—般来说，机器设备的情况、信息的强弱和信息状况等外界条件是影响反映时间的重要因素；而机器的外观造型和操纵机构是否适宜于人的操作要求，以及操作者的生物力学特性等，则是直接影响动作时间的重要因素。
(1)、合理地选择感知类型。比较各类感觉的反应时间，发现听觉和知觉反应时间最短，约0．1～0．2s，其次是触觉和视觉。所以在设计各类机器时，应根据操纵控制情况，合理选择感觉通道，尽量选用反应时间短的通道去控制和调节机器。
(2)、适应人的生理心理要求，按人机工程学原则设计机器。
(3)、操作者操作技术的熟练程度直接影响反应速度，应通过训练来提高入的反应速度。
(二)、人体的特性参数
1、人体特性参数
与产品设计和操纵机器有关的人体特性参数很多，归纳起来有如下4类：
1)、静态参数
静态参数是指人体在静止状态下测得的形态参数，也称人体的基本尺度，如人体高度及各部分长度尺寸。我国6大区域人体尺寸及体重见表4—1。
2)、报考参数
表4—1 我国6大区域人体尺寸及体重 注：人的年龄为18～60岁。
报考参数是指在人体运动状态下，人体的动作范围，主要包括肢体的活动角度和肢体所能达到的距离等两方面的参数。如手臂、腿脚活动时测得的参数。
3)、生理学参数
生理学参数主要是指有关的人体各种活动和工作引起的生理变化，反映人在活动和工作时负荷大小的参数，包括人体耗氧量、心脏跳动频率、呼吸频率及人体表面积和体积等。
4)、生物力学参数
生物力学参数主要指人体各部分(如手掌、前臂、上臂、躯干(包括头、颈)、、大腿和小腿、脚等)、出力大小的参数，如握力、拉力、推力、推举力、转动惯量等。
2、人体劳动强度参数。
a.能量代谢率。
能量代谢率=劳动代谢率／基础代谢率
所谓基础代谢率是指劳动者在绝对安静横卧状态下，为维持生命，在单位时间内所需的最低能量消耗量。
劳动代谢率是指劳动者在劳动时的能量消耗量与安静时的能量消耗量之差除以劳动时间。安静时的能量消耗量大体为基础代谢量的120％。能量消耗量可通过测定劳动时呼出气中的O2及CO2的比例，算出劳动者O2的消耗量折算得到。能量代谢率RMR的经验计算公式为：
LogRMR＝0．0945x-O．53794 (4—4)、
log(13．26-RMR)、=1．1648-0．0125x (4—5)、
式中 X--—每平方米体表面积每分钟呼气量，即x＝每分钟呼气量／每平方米体表面积。按上式分别求出各项劳动与休息时的能量代谢率，分别乘以相应的累积时间，最后得出一个工作日各种活动和休息时的能量消耗值，再把各项能量消耗值总计除以工作日总工时，即得出工作日平均能量代谢谢率。
b．耗氧量(单位L／min)、。
人在作业时因耗能量增加，需氧量也必增多，每分钟的需氧量称为耗氧需。人体每分钟内能供应的最大氧量称为最大耗氧量，正常成人一般不超过3L，常锻炼者可达到4L以上。人的最大耗氧量为：
Omax=(56．592-0．398 A)、W×10-5 (4—6)、
Omax可作为允许最大体力消耗的标志。
c.心率F(单位min-1)、。
在其他条件相同时，有时也用心率的变化来评价劳动强度，人的最大心跳速率为：
Fmax=209．2—0．94A3： (4一7)、
d．劳动强度指数I 。
劳动强度指数I是区分体力劳动强度等级的指标，指数大反映劳动强度大，指数小反映劳动强度小。体力劳动强度按I大小分为4级：
Ⅰ级(I≤15)、为轻劳动；
Ⅱ级(I＝15～20)、为中等强度劳动；
Ⅲ级(I＝20～25)、为重强度劳动；
Ⅳ级(I>25)、为“很重”体力劳动。
I的经验计算公式为：
I＝3T+7M (4—8)、
式中 T——劳动时间率＝工作日净劳动时间(min)、／工作日总工时(min)、，％；
M——8h工作日能量代谢率；
3——劳动时间的计算系数；
7——能量代谢率的计算系数。
通过以上经验公式计算的I，基本上能正确反映生理负荷大小。
能量代谢率、耗氧量、心率及劳动强度指数分级标准见表4—20
表4——2 劳动强度分级
|
分级 |
能量消耗(大于基础 代谢频率倍数)、 |
耗氧量／ (L·min-1)、 |
相当于Omax 的百分率／％ |
心 率／ (L·min-D |
劳动强度指标I |
|
轻 |
<3 |
<1．0 |
<25 |
<100 |
≤15 |
|
中 |
3～4．5 |
1．0～1．4 |
～50 |
～124 |
～20 |
|
重 |
4．6～7．0 |
1．5～2．0 |
～75 |
～150 |
～25 |
|
很重 |
>7．0 |
>2．0 |
>75 |
>150 |
>25 |
1．疲劳的定义
疲劳分为肌肉疲劳(或称体力疲劳)、和精神疲劳(或称脑力疲劳)、两种。肌肉疲劳是指过度紧张的肌肉局部出现酸痛现象，一般只涉及大脑皮层的局部区域。而精神疲劳则与中枢神经活动有关．它是一种弥散的、不愿意再作任何活动和懒惰的感觉，意味着肌体迫切需要休息。
2．产生疲劳的原因及消除途经
1)、疲劳的原因
超过生理负荷的激烈动作和持久的体力或脑力劳动、作业环境不良、单调乏味的工作、不良的精神因素、肌体状况不良以及长期劳逸安排不当等人的生理、心理因素及管理方面的因素，都是造成疲劳的原因。另外，机器本身在设计制造时，没有按人机工程学理论设汁或设计不周，也是人体过早出现疲劳的原因。
2)、消除疲劳的途径
消除疲劳的途径归纳起来有以下几方面；在进行显示器和控制器设计时应充分考虑人的生理心理因素；通过改变操作内容、播放音乐等手段克服单调乏味的作业；改善工作环境，科学地安排环境色彩、环境装饰及作业场所布局，合理的温湿度，充足的光照等；避免超负荷的体力或脑力劳动，合理安排作息时间，注意劳逸结合等。
环球职业教育在线 蔡瑞申主讲
3)、疲劳的测定
①主观感觉调查表法。列一个由若干两种截然相反状态组成的表，让劳动者作出回答记号以表明他在特定瞬间的主观感觉。
②分析脑电图。利用脑电图仪观测并记录大脑部分脑电波(α，β，γ，δ和θ等5种波形)、的周期(波率)、、振幅<波幅)、和相位，以及波形分布、对称性、节率性等，可以判断劳动者肌体处于何种机能状态。通常把α波、θ波增加，β波减少，作为疲劳和思睡的指标。这种脑电图分析法，目前，由于遥控和遥测技术的发展，脑电图已能用于现场调查，并以成功地用于追踪坐姿操作，如对车辆驾驶人员的疲劳研究。
○3测定闪频值(CFF)、。对于工作期间精神一直处于高度紧张状态的工种(如电话员、机场调度员等)、、视力高度紧张的工种以及枯燥无味单调重复的工种，其工作前后的闪频值有不同程度的变化，一般可达0.5—6HZ。故可以此来判断一个人的疲劳程度。
④智能测验。智能测验包括理解能力、判断能力和运动反应等功能测验。例如通过测量劳动者的简单反应时间或复杂反应时间的变化，决定他是否出现疲劳。若出现疲劳，则反应时间会增加。再如测量握力和肌耐力，可以衡量运动反应功能，若全身乏力、疲倦，则握力和肌耐力则有所下降。
○5精神测验。这项测验主要是测定劳动者的精神集中程度(即大脑皮层所处的机能状态)、、视觉感知的准确性和运动反应的速度等。例如让劳动者计算一定难度的数学题，观察并比较劳动前后其完成的时间和正确率；测验劳动者记忆力的变化；测定其联想，即思维能力的变化，当疲劳时，思维能力也随之降低。
○6连续拍摄人体动作的变化。在人的肢体上固定一个发光物体，将人在劳动中的动作连续拍摄下来，实验发现随着疲劳的增长，人的多余动作增多，动作速度变慢，动作幅度减小，动作周期性的准确程度降低。用此法可以对各种不同疲劳程度进行准确的测定。现已有由机器控制的测算人的动作速度的专用设备。将一台摄像机连接在上面，由计算机系统自动打印出该动作时间内动作速度偏离标准的数值，根据动作速度的变化情况来确定疲劳的程度。
【例题】 根据人的生理因素特点，安全的生产措施有（ ）。
A. 在需要频繁改变光亮度的场所，应采用缓和照明
B. 一般机器的外形常设计成竖向长方形
C. 一方面在机器设计中，应使操纵速度低于人的反应速度
D. 工人在生产岗位上操作，要避开节律转折点的日子
E. 在进行单调乏味的作业时，可以播放音乐
〖答案〗 ACDE
