安全人机工程学-安全人机工程的应用

10.1安全人机工程学在汽车设计中的应用10.2安全人机工程学在矿业安全中的应用10.3安全人机工程学在桥式起重机系统设计中的应用10.4安全人机工程学在视觉显示终端工作站设计中的应用安全人机工程的应用10.1安全人机工程学在汽车设计中的应用

汽车是现代载客运货的主要交通工具，其内部布置应首先考虑人的因素，既要保证安全，又要考虑舒适性。因此，安全人机工程学知识在汽车设计中应用十分广泛。10.1.1

汽车显示-控制系统的设计

1.汽车控制装置的设计

1)手控制装置设计

方向盘的设计合理与否直接影响汽车在行驶中的安全。方向盘的形状、大小、布置、操纵力和运动方向等要素的确定均应符合人机工程学。

(1)形状：

(2)大小：

(3)布置：

(4)操纵力：

(5)运动方向：图10-1方向盘及各种手操纵器的综合设计

2)脚控制装置设计

汽车中刹车踏板、离合器踏板等脚控制装置，在空间的位置直接影响脚的施力和操纵效率。合理的空间布局会给操作带来极大的方便，使得操纵快速、准确。汽车刹车踏板一般为脚悬空式，形状多采用矩形或椭圆形平面板，应布置在右脚操纵区域，以满足操纵力大、速度快和准确性高的操作要求。图10-2小汽车脚控制器的空间布局

2.汽车显示装置的设计

汽车上使用最普遍的显示装置是视觉显示装置，它主要有各种仪表和信号指示器。通常，汽车上各种仪表和信号指示器组装在一块仪表板上。仪表板的空间位置最好应使驾驶员不必运动头部和眼睛就能看清全部仪表，或至少应在头和眼的自动转动范围内，便于迅速认读。10.1.2

汽车座椅设计

汽车中的座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施，而驾驶员的座椅就更为重要。舒适而操作方便的驾驶座椅，可以减少驾驶员疲劳程度，降低故障的发生率。

1.座椅靠背角

保证腰曲弧线接近正常的生理腰曲弧线是舒适坐姿的前提，座椅靠背角是座椅设计参数中与腰曲弧线的关系最密切的参数之一。靠背角能调节的座椅，其调节范围以在95°～135°为宜。靠背角不能调节的汽车座椅以115°左右为宜。汽车座椅靠背角比阅读座椅或休息座椅的靠背角大些，因为汽车驾驶员或乘客的视线射向行车前方的时间最长，靠背角大些适宜平视的体姿，且不易造成颈部疲劳。

2.靠背两点支撑

与舒适坐姿密切相关的第二个座椅结构参数是人体背部和腰部的合理支撑。汽车座椅设计时应提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑部位位于人体第5～6胸椎之间的高度上，作为肩靠；第二支撑设置在腰曲部位，作为腰靠。肩靠能减轻颈曲变形，腰靠能保证在乘坐姿势下的近似于正常的腰弧曲线。图10-3(a)、(b)分别表示相同参数的两把汽车驾驶员座椅。图10-3腰靠对腰曲弧线的影响(a)无腰靠座椅；(b)有腰靠座椅

3.座垫体压分布

影响坐姿舒适性的第三个结构因素是体压分布。图10-4所示是雷皮弗(P.R.Rebiffe)提出的座垫体压分布图。图10-4座垫体压分布图10.1.3

驾驶室的空间区域设计

驾驶室空间区域设计是保证驾驶员舒适驾驶汽车的重要条件之一。舒适的驾驶空间可以减轻驾驶员的紧张和疲劳，有利于汽车的安全行使。10.1.4

汽车驾驶室内环境设计

驾驶室是驾驶员的作业场所，也是驾驶员在行车过程中直接接触到的环境。汽车驾驶室内的环境主要是指温度、湿度、噪声、振动以及色彩等。10.1.5

汽车的视野设计

汽车的视野是驾驶员在汽车行驶中，观察地面上的可见程度。宽阔和方便的视野，有利于驾驶员观察汽车周围的各种情况，感知车外的各种信息，并能方便地根据路面上行人、其他车辆采取相应的措施。反之，如果汽车的视野狭窄，驾驶员观察路面的死角很多，不能及时、方便地了解车外各种情况，势必会影响驾驶员对汽车行驶中各种信息的掌握能力，从而增加了交通事故发生概率。图10-5汽车驾驶员眼椭圆

图10-6眼椭圆在车身视图上的位置

1．直接视野设计

1)前方视野设计

前方视野是从前风挡玻璃所能看到的可见范围及车厢内部的仪表板部分。图10-7汽车风窗玻璃透明区及刮净要求

2)侧方视野设计

侧方视野是指驾驶员通过侧门风窗等直接可见的视野范围。由于大客车、货车的驾驶员的眼睛位置即视点高，侧方视野显得比轿车更重要。大客车增加侧方视野主要靠右侧(左置方向盘时)向下加大风窗面积。货车靠在右侧门窗玻璃下增设下窥窗，增大侧方视野的下视角。

2．间接视野设计

间接视野又称后方视野，是指汽车驾驶员借助汽车后视镜间接看到的区域。间接视野的优劣主要取决于后视镜的尺寸和布置位置。10.1.6汽车安全性设计

1.主动安全性设计

主动安全性是指汽车防止事故的能力。车身的主动安全性能包括照明灯、信号灯的性能，汽车的前、后方视野性能，实现操纵稳定性及制动性的能力等。

2.被动安全性设计

被动安全性是指事故发生时，汽车保护乘员的能力。除了使用安全带、安全气囊、能量吸收转向柱(二次伸缩式方向盘)和膝垫之外，为保证碰撞发生时乘员的安全，车身前部设计还必须满足以下两点：

(1)尽量缓解乘员受到的冲击，尽可能地吸收车辆及乘员的运动能量。

(2)确保乘员的有效生存空间，并保证碰撞后乘员易于逃脱和进行车外救护。10.2安全人机工程学在矿业安全中的应用

10.2.1采矿人机系统的基本模型

如图10-8所示，矿工操纵机械作用于工作环境进行采矿工作。开采活动引起环境的变化包括：

(1)采动支承压力导致顶板塌落。

(2)大量有害气体涌入工作空间。

(3)矿尘浓度加大、地下水、产生噪音。

(4)地热、机电设备、地下水等热源和湿源增加了井下空气的温度和湿度。图10-8一个现代化采矿人—机—环境系统的相互关系10.2.2矿井正常通风与灾变防治系统

人们常常认为矿井通风是一个以提高矿工劳动效率为目的的矿业生产中的辅助部门。其实，它也是矿业安全工程中最重要的技术手段之一，旨在满足矿工生产活动中(占其生活时间的1/3)对工作的安全、卫生和舒适性的迫切要求。现在愈来愈多的人宁愿选择工资偏低而工作条件较好的职业，却不愿选择工资高而不安全、健康条件较差的职业。图10-9所示系统是根据安全人机工程学原理，通过对矿井正常通风和灾变控制系统中人机结合面的分析并结合人机功能特性差异，综合应用电子技术、计算机、专家系统等新技术来设计的。图10-9一个完整的矿井通风、救灾系统

1.井下环境变化状况

安全人机工程学分析了人机系统在与环境进行信息交换时的功能特性差异并进行人机功能分配。人具有通过嗅觉、视觉、听觉和触觉直接了解环境信息的功能。

2.系统的环境调节(控制)决策功能

了解井下环境变化的目的是为了改变恶化环境，从而创造一个安全、卫生和舒适的工作环境，为提高劳动效率创造必要条件，这是井下环境调节和灾变状态控制的任务，也是矿井通风人员的主要职责之一。

3.决策方案的实施

安全人机工程学提出了人机功能分配原则，即系统效能、可靠性和经济性。环境遥控装置的购置、安装和维修花费甚巨，应结合矿井正常通风调节系统与灾变控制系统的需要来

考虑。

10.3安全人机工程学在桥式起重

机系统设计中的应用

造成操纵工和吊车司机不良劳动条件的主要原因是控制室和吊车位置安排不当(靠近散热源)，以及缺乏必要的隔热、隔音和防毒气装置等。10.3.1桥式起重机人机系统运行特点

常用的桥式起重机一般是在特定环境的固定轨道上运行的大型超重运输设备。它具有能在三维空间搬运货物的功能。图10-10普通桥式起重机人机系统信息传递和控制图

1．系统组合复杂

普通桥式起重机运行，是司索指挥将信息输入给司机，司机操纵机器运行。在运行中，司机再从指挥人员、机器和周围环境获得反馈信息，对起重机做反复调整控制，逐步使输出达到目标值。其简图如图10-11所示。图10-11桥式起重机人机系统功能简图

2．机械运动形成复杂

桥式起重机吊运的物体可能在水平面内移动，可能做垂直上、下运动，有时是等速的，有时是变速的，整个机械系统具有较大的动能和势能。

3．环境因素复杂

普通桥式起重机常用于跨度大的重型车间，车间里一般噪声较大，光照不均匀，温度、湿度随着季节和设备情况不同也有较大的变化。而且往往作业空间受限，障碍物较多，特别是人员来往频繁，稍不注意就可能进入起重机作业危险区。另外，有的工种作业时，还会产生粉尘、毒气等弥漫于车间，影响视线和人体健康。作业环境的多种因素都影响着运行系统高效、安全地工作。

4．信息传递复杂

起重机司机在操作中，是在不利环境因素的条件下，调用多种感知器官，交叉地进行各种信息传递和处理的。司机的眼睛既要看着指挥人员的指挥信号，又要观察机器仪表盘上的各种仪表、指示灯，还要注意机器与吊物的运行状况以及周围环境情况的变化。10.3.2桥式起重机人机系统安全运行的基本条件

1．起重机司机和作业指挥人员应具备安全作业素质

虽然就人脑而言，其可靠性和自动结合能力都远远超过机器，但由于技术高低、生理素质、性格特征、心理状态、文化修养、工作制度、社会因素等对人的可靠性都有影响，实际上因人的失误而引起的事故比较多。所以对于操作控制比较困难，而且容易发生事故的桥式起重机司机就应该从选择、培训，到上机操作有严格要求。一般来说，起重机司机应具有强健的体质、灵敏的反应速度、准确的判断能力、熟练的操作技术和良好的工作情绪，同时做到“四勤”：

(1)脑勤

(2)眼勤

(3)手勤

(4)嘴勤

2．起重机应具备安全使用的基本条件

在桥式起重机人机系统中，起重机是完成吊运工作的关键因素。

因而起重机除应具有良好的工作性能外，还应保证：

(1)结构可靠。

(2)动力传动部分安全。

(3)安全保护装置完善、有效。

(4)人机结合面合理。

(5)定期检查、维修。(6)做到“十不吊”：

①超负荷不吊；

②吊运物上有人不吊；

③指挥信号不清或无人指挥不吊；

④工件埋在地下不吊；

⑤有缺口的重物未加衬垫不吊；

⑥斜拉工件不吊；

⑦易燃易爆、受压容器不吊；

⑧捆扎不牢不吊；

⑨光线阴暗看不清工件不吊；

⑩铁水过满不吊。

3．应保证作业环境的安全条件

作业环境直接或间接地影响着人们的工作，轻则降低工件效率，重则危害人体健康、影响系统安全。旧式吊车司机室存在的问题有：

(1)各种控制杆往往被安排在吊车司机的正前方，吊车司机不得不站着工作，有时还要把头伸出司机室。

(2)吊车司机室的侧壁往往由钢板构成，从而进一步限制了吊车司机的视线。

(3)很少有座位，即使有也不适用。

(4)操纵杆太笨重。

(5)吊车司机往往受车间内吊车行经路线上的某些物理因素(如高温、热辐射、粉尘、烟雾和噪声等)影响而没有安全保障。有时吊车司机室内、外温度有很大的差别。

10.4安全人机工程学在视觉显示

终端工作站设计中的应用

视觉显示终端(VDT)工作站是现代控制中心的主要设备，是人机界面各要素的集成，是人监视和控制系统运行工况的主要工作岗位。10.4.1VDT工作站人—机—环境因素分析

1.人的因素分析

(1)对眼睛的影响。

(2)骨骼肌肉的反应。

(3)神经的行为反应。

2. VDT因素分析

诸多信息设备中有多种的能源，但大多为电磁辐射。计算机的终端显示则可产生电磁辐射。

3.作业环境因素分析

国内外许多研究者对VDT工作站的作业环境微气候进行了调查，测定了空气物理、化学等方面的环境因素，结果比较统一，发现VDT工作站室内、外温差较大，空气负离子减少，噪声强度增加，如表10-3所示。10.4.2VDT工作站安全设计总体要求

1.改善VDT操作室的环境

适宜的室内微小气候，符合要求的清洁空气，空气中有合适的阴、阳离子浓度和臭氧浓度。限制闲杂人员入内，禁止有呼吸道疾病的患者进入。人工采光照明要有足够的照度，所有照明灯光照度要求显色性强，不能产生阴影和眩光，更应避免频闪现象。VDT操作室使用负离子发生器，不仅增加负离子浓度，而且能提高一定的臭氧浓度。

2.减少VDT的电磁辐射

尽管VDT的电磁辐射量多在卫生标准之内，但从安全的角度出发，建议孕妇在怀孕最初的3个月内不参加VDT工作，并不宜以某种固定姿势长时间操作。

3.从安全人机工程的角度对VDT工作站进行设计或改造

(1)根据安全人机工程的宜人原理设计工作台椅，使视频显示器的位置、键盘位置以及椅子高度(包括靠背)可调，放置显示器的部分桌面应低于整个桌面，低于左手的支撑点，使键盘与整个桌面平齐，这样手可以不离开桌面的支撑而自由按动键钮，桌下应有足够的空间((1/3)H，H为身高，下同)使操作者的双脚能自由活动，桌子的高度应为身高的l0/19(即(10/19)H)，配有可调节高度的椅子((3/13)H)。

(2)设计师应按安全人机工程原理设计显示屏：

①要求显示屏显示质量好，字符显示稳定，字体清晰，大小适宜。

②显示屏应能移动，使它离操作者600～1000mm，也能垂直移动，使其顶端和眼睛大致相平，且后倾一个5°～20°的视角，键盘和显示屏或计算机分开在一个可移动的平台上，以使操作者在按键时前臂和平台平行。

(3)设计腕托、脚踏和文件支架。

(4)设计合理的照明。显示屏应安放在与室内窗户成直角的地方，灯具应装灯罩以漫射光亮，防止反射、眩光的产生。

(5)针对视频工作人员骨骼肌紧张，可设计放松和伸展肌肉的工间操。

4.作业者保持合理的作业姿势

头向前倾应小于30°，不得过分前弯；前臂与水平面夹角为-5°～+10°，使前臂肌肉负荷较低；上臂与前臂不能成直角，前臂抬高5°～30°，增加手臂休息频率，可减少手臂不适引起的劳损，也有利于降低颈、肩、手腕疼痛的发生率；座高调至大腿与小腿呈直角，使脚能够随意地踏在地板或踏板上，不形成大腿背侧受压或悬空，避免下肢疼痛麻木；腰背有靠，以降低腰背肌肉紧张，减少疲劳。

5.对屏前工作者进行从业前的职业检查及工作中的视力检查

斜视、单眼失明、青光眼、高眼压者应避免从事屏前工作，屈光不正或老花眼应配戴合适的眼镜。10.4.3VDT工作站安全人机系统设计

1.视觉显示器的设计

(1)设计视距。

(2)视线入射角。图10-12视线入射角

(3)字体。

(4)字符高度。

(5)字符高宽比。

(6)笔划宽度。

(7)字符大小均匀度。

(8)字符间距。

(9)字间距。

(10)行间距。

(11)图像的线性度和稳定性。显示的图像在视觉上应当稳定，并且无几何变形。

①线性度。

②正交性。在线性度要求的范围之内，行和列应各自平行、并相互正交，这可以表示为

③符号变形。显示屏任一位置上特定符号的大小变化不宜大于10%，不管其位置是否位于图像区域。其表示如下：

(10-1)

④几何稳定性(晃动)。在一秒钟内，图像几何位置的变化应小于或等于视距的0.0002。这可以表示为

(10-2)图10-13几何稳定性

(12)亮度。

(13)亮度对比。字符亮度调制Cm应大于或等于0.5(对比度CR≥3∶1)，最好大于0.75(对比度CR≥7:1)。

注：

亮度调制

(10-3)对比度

(10-4)

对比

(10-5)

(14)图像极性。

(15)亮度均匀度。

(16)亮度编码。

(17)闪光编码。

(18)颜色编码。

(19)闪烁。

(20)控制器。

2.工作台及座椅设计

1)一般原则

(1)将VDT、工作台、座椅以及工作环境作为一个整体系统来考虑。

(2)根据人体测量数据及现有工作惯例制订各项建议。

(3)各推荐值都是针对坐姿使用VDT人员规定的，用以适应从第5百分位数的女子身材、直到第95百分位数男子身材。

(4)所列人机工程学要求一般与桌椅制造工艺技术无关。

2)工作台面下的容膝空间

如果工作台面高度是不可调节的，容膝空间按男子第95百分位数尺寸确定，如图10-14所示。如果工作台面高度是可调节的，则其容膝高度的调节范围为520～640mm。图10-14容膝空间最小范围

3)键盘及显示器的支撑面

(1)键盘的支撑面。键盘支撑面的高度应允许坐姿操作者采取前臂处于(70+Y/2)°～(90+Y/2)°之间的姿势，如图10-15所示。

(2)显示器的支撑面。

图10-15键盘支撑面的高度

图10-16显示器支撑面的高度

4)工作台面的宽度及深度

工作台面的宽度及深度取决于VDT硬件、作业情况、硬拷贝(如文件、资料)、以及台面下的容膝空间。必须进行作业分析，以确定空间需求。工作台面的面积应足以容纳完成作业所需的一切物件，还应考虑与室内其他工作台、座椅的协调性。

5)座椅

(1)座椅高度。座椅高度应让人的双脚可靠地放在支撑面上，以支撑小腿并使坐姿稳定。因此，座椅高度由下述因素决定：第5百分位数女子到第95百分位数男子的腘高、鞋跟高，由座椅所支撑的小腿的角度，以及脚部支撑物(如搁脚板)的高度和类型。

座椅高度的最小调节范围取360～480mm，如图10-17

所示。图10-17座椅高度的调节范围

(2)座椅深度。座椅的最大深度应使腰部区域能靠在座椅靠背上，并避免小腿后侧受压力。由于高大身材男子和矮小身材女子臀部—腘长度的变化很大，适合于矮小身材女子的座椅深度不可能给高大身材的男子提供合适的支撑。因此，宜采取折中办法，使座椅深度为使用者群体的大多数所接受。图10-18座椅深度

(3)座椅宽度。座椅的最小宽度应为大身材人坐姿的两大腿宽度(约等于坐姿臀宽)，如图10-19所示。座椅边缘(不是蒙布边缘)间的宽度取370～420mm(推荐值400mm)。图10-19座椅宽度

(4)座面倾角。对于那些要求使用者将脚平放在地面上或脚部支撑物上以调整其腘高的座椅，其座面倾角的设计应保证当小腿垂直于地面时，大腿与小腿间的夹角在60°～100°之间，如图10-20所示。图10-20座椅底盘角度

(5)座椅靠背与座面之间的角度。座椅靠背和座面之间的夹角，应让使用者能采取驱干—大腿间夹角不小于90°的工作姿势；否则，坐的时间长了会导致疲劳和不适。座面前倾的座椅应不致迫使上体处于前倾状态。具有固定靠背的座椅，其靠背与座面之间的夹角α宜在90°～105°的范围内，如图10-21所示。图10-21靠背与座面之间

(6)靠背：

①靠背高度。

②腰靠。

③座椅靠背的宽度。座椅靠背在人腰部的宽度至少为

320mm。

(7)扶手。两扶手内缘间的水平距离应为460～500mm。扶手应不妨碍使用者进行作业，不限制其工作姿势。图10-22腰靠

6)座椅脚轮

对于大多数工作站的布局，座椅都需安装脚轮，因为脚轮可便于使用者在工作站内移动而不离开座椅。应根据地面的类型来选择脚轮。对于硬质地面不宜用摩擦系数很小的脚轮。

7)转椅

座面能旋转的转椅，能让使用者轻松而安全地转换身体方向，而不必扭动腰身。

8)搁脚板

当座椅或工作台面的高度调节范围不能使使用者的双脚平放在地面上时，就应提供适当高度的搁脚板。

9)辅助用具

VDT使用者可据需要与爱好选用多种辅助用具，以有助于改善工作站作业的舒适性。

辅助用具包括(但并不限于)：

(1)手垫：手和前臂在键盘上的支撑物。

(2)文件夹：用于数据输入和文本处理作业。

(3)作业照明：为特定区域提供更合适的照度。

(4)万向键盘托架：为分立的键盘提供调节高度(及其他安排)的便利。

3.工作