安全人机工程学-作业环境与作业空间

7.1作业环境7.2作业空间安全性设计作业环境与作业空间

7.1作业环境

7.1.1温度环境

环境的温度与人体健康密切相关，过热或者过冷都会对人体引起不良的生理反应，不利于正常作业。根据作业特性和劳动强度的不同，要求工厂车间内作业区的空气温度和湿度必须满足相应的标准，如表7-1所示。

1.高温

1)高温作业环境界定

(1)在有热源的生产场所中，热源的散热率大于83736J/(m3·h)；

(2)作业环境的温度在寒冷地区高于32℃，在炎热地区高于35℃；

(3)作业环境的热辐射强度超过4.186J/(cm2·min)；

(4)作业环境的温度高于30℃，相对湿度(RH)大于80%。

2)高温环境人的生理反应

高温环境下进行作业会导致一系列的生理变化和心理变化，比如大量出汗、增加心脏负荷以及人体对环境应激的耐力降低。此时人体的热平衡会遭到破坏，高温对人体的这种负面作用会随着环境中热负荷的加重更加强烈，通常会经历代偿、耐受和病理损伤三个阶段。图7-1机体在高温环境下的生理反应

3)高温环境的影响

人在高温环境中作业时体温会升高，心情容易烦躁不安，由此引起的各种不舒适会影响机体的脑力劳动、信息处理、记忆力等部位的正常功能发挥。以空气温度为33℃、相对湿度为50%、穿薄衣服进行作业时所处环境的温度为有效温度。图7-2不降低脑力劳动效率的温度与暴露时间的关系图7-3温度对劳动效率的影响

4)高温的控制措施

高温作业环境的设计应该遵循国家标准的要求(《高温作业分级》GB/T4200—2008)，如表7-2所示。

2.低温

1)低温作业环境界定

《低温作业分级》(GB/T14440—1993)规定：在生产劳动过程中，其工作地点平均气温不高于5℃的作业称为低温作业。常见的低温作业有高山高原工作、潜水员水下工作、现代化工厂的低温车间以及寒冷气候下的野外作业等。

2)低温环境人的生理反应

与高温环境下类似，在低温环境下进行作业时，人体也会经历代偿、耐受和病理损伤三个阶段。

3)低温环境的影响

在认知能力方面，低温环境对简单的脑力劳动影响不明显。Horvath和Freedman以一群在-29℃的气候室内居住了14天的士兵作为研究对象，研究结果表明，他们的视觉分辨反应时间与在中等热环境下比较相似。但是，冷风会分散人的注意力，所以会延长人的反应时间。图7-4军火工厂相对事故发生率与环境温度的关系

4)低温的控制措施

对于低温的主要防护措施包括对低温环境的人工调节和对个人的防护。通过暖气、隔冷和炉火等方法进行人工调节，使室内气温保持在人体可耐的范围内。个体的防护可以穿用符合标准的防寒服装，冬季应有防寒、采暖设施，露天作业要有取暖棚。尽量保持车间、个人衣着干燥，进行耐寒锻炼，提供高热饮食。合理安排工作时间与休息时间。7.1.2照明环境

1.照明环境

美国照明工程学会(IlluminatingEngineeringSocietyofNorthAmerica，IES)指出，光照是一种能够使视网膜兴奋，并产生视觉感的辐射能。

2.照明的影响

良好的照明可改善人的视觉条件(生理因素)和视觉环境(心理因素)。使人易于识别物体，可减轻视觉疲劳。良好的照明条件对于提高生产效率，降低事故发生率，也都有重要的作用。它有利于提高工作精度和效率，增加产量，减少差错。相反，照明不当，难以估准物体的相对位置，引起工作失误；照度太低，识别物体的时间长，效率低。照明还影响人的情绪，明亮的房间令人愉快，阴暗的地方使人烦躁。图7-5照明的积极作用图7-6照明与安全状况的关系(a)照明与事故次数关系；(b)安全状况示意图

3.作业场所的照明设计

1)适宜的照明方式

自然采光和人工照明是作业场所光环境的主要组成部分，大部分采用两者兼用的方式。

如果考虑到灯光的照射范围和效果，工业企业的建筑物通常采用的人工照明方式又可分为一般照明、局部照明、混合照明和分区一般照明。选择合理的照明方式，必须要同时考虑照明质量和相应的费用支出问题。

2)光源选择

太阳光是最环保而且取之不尽的能源，人工照明则只是对作业场所光环境的完善，在设计作业场所的照明时应充分利用自然采光。选择人工光源时，应优先选择接近自然光的光源，还应根据生产工艺的特点和要求选择。通常，荧光灯的光谱近似太阳光，发热量较小，发光率高，光线柔和，视野范围内的照度比较均匀，而且经济性较好，是一种较为理想的光源。

3)照度分布

任何一个工作场所，除了需要满足标准中规定的照度值要求以外，对于在其内的工作面，最好能保证照度分布的比较均匀。所谓照度均匀度，是指规定表面上的最小照度与平均照度之比。均匀的照度分布是视觉感受舒服的重要条件，照度均匀度越接近1越好；反之，该值越小越增加视觉疲劳。

4)亮度分布

作业环境亮度差异过大易导致眼疲劳，但也不必达到完全均匀的程度。若工作周围存在明暗环境的对比或者阴影，则不容易产生单调的感觉。室内亮度比最大允许值如表7-6所示。

5)眩光控制

眩光是一种视觉条件。这种条件的形成是由于视野中的亮度分布不适宜或者亮度变化的幅度太大，或者在空间或时间上存在极端的对比，从而引起视觉的不舒适感和视觉功能下降。眩光有3种：直接眩光、反射眩光和对比眩光。直接眩光是指由高亮度光源的光线直接进入人眼内所引起的眩光，它与光源位置有关，如图7-7所示。图7-7光源位置的眩光效应7.1.3色彩环境

1.色彩的心理效应

色彩的辨别力、明视性等会对人的心理产生不同的影响，并由于性别、年龄、个性、生理状况、心情、生活环境、风俗习惯的不同而产生不同的个别或群体的差异。总体包含以下几种心理效应。

1)温度感

2)轻重感

3)硬度感

4)胀缩感

5)远近感

6)情绪感

2.色彩设计

1)色彩设计分类

(1)环境色彩。

(2)物品配色。

(3)标志管理用色。

2)色彩设计的方法与步骤

(1)色彩设计方法：可用计算机色彩模拟来分析配色。

(2)色彩设计步骤：

①根据造型、用途确定色彩设计原则。

②按以上原则指出各种设计方案。

③进行模拟。

④制定评价标准，确定理想配色的条件，分析、评价所提出的各种设计方案，从中选出最佳方案。

3.色彩调节及应用

1)色彩调节的概念

选择适当的色彩，利用色彩的效果，可以在一定程度上对环境因素起到调节作用，称为色彩调节。

2)色彩调节的目的

色彩调节的目的就是使环境色彩的选择更加适合于人在该环境中所进行的特定活动。色彩调节的目的可分为三大类：

(1)提高作业者作业愿望和作业效率。

(2)改善作业环境、减轻或延缓作业疲劳。

(3)提高生产的安全性，降低事故率。

3)色彩调节的应用

色彩调节在作业空间设计和工业设备的施色等各方面具有广泛的应用，可以改善生产现场的氛围，创造良好的工作环境以提高工效，减少疲劳，提高生产的安全性、经济性，降低废品率。对于车间厂房的施色可分为两部分：一部分是车间、厂房建筑的空间构件；另一部分是设置其中的机械、设备及其各种管线。对它们实施色彩调节的施色可分为三类：安全色、对比色和环境色。使用安全色必须有很高的打动知觉的能力与很高的视认性，所表示的含义必须能被明确、迅速地区分与认知。因此，使用安全色必须考虑以下三方面：

①危险的紧迫性越高，越应该使用打动知觉程度高的色彩。

②危险可能波及范围越广，越应使用视认性高的色彩。

③应该制定约定俗成的色彩作为安全色标准，以防止安全色含义的错误理解。7.1.4有毒环境

1.毒物环境

有毒气体是指常温、常压下呈气态的有害物质。

2.毒物的危害

不同的毒物会对人体的不同部位或者生理机能造成损害，例如有害气体或蒸气会引发职业中毒。粉尘会诱发职业性呼吸系统疾患，例如尘肺病、职业性过敏性肺炎等。常见的毒物损害有以下几方面：

1)神经系统

2)呼吸系统

3)血液和心血管系统

4)消化系统

5)泌尿系统

6)皮肤损伤

7)眼睛的危害

8)致突变、致癌、致畸物

9)对生殖功能的影响

3.毒物环境的改善措施

为了使毒物环境符合标准规范的要求，保障作业人员的人身健康及安全，可以采取以下几种措施加以改善：

(1)以无毒或毒性小的原材料代替有毒或毒性大的原材料。

(2)改变操作方法。

(3)隔离或密闭法。

(4)湿式作业。

(5)通风。

(6)合理的厂区规划。

(7)作业场所的合理布置。

(8)个体防护措施。

(9)包装及容器要有一定强度，经得起运输过程中正常的冲撞、振动、挤压和摩擦，以防毒物外泄，封口要严，且不易松脱。

(10)加强厂区的绿化建设。7.1.5噪声环境

1.噪声环境

根据来源的不同，可将噪声分类为

(1)工业噪声：

(2)交通噪声：

(3)社会噪声：

(4)建筑施工噪声：按噪声随时间变化的规律，可以分类为：

(1)稳态噪声：

(2)非稳态噪声：

(3)脉冲噪声：根据上述标准，结合考虑区域的使用功能特点和环境质量要求，将声环境功能区分为以下5种类型：

0类声环境功能区：

1类声环境功能区：

2类声环境功能区：

3类声环境功能区：

4类声环境功能区：

2.噪声的影响

1)影响噪声对人体作用的因素

(1)噪声的强度。

(2)接触时间。

(3)噪声的频率及频谱。

(4)个体差异。

(5)噪声类型和接触方式。

(6)其他因素。

2)噪声的影响

(1)噪声的生理影响。

①听觉疲劳。

②噪声性耳聋。

③爆发性耳聋。

噪声还会对其他的生理机能产生影响，具体表现为：

①对消化系统的影响。

②对心血管系统的影响。

③对内分泌系统的影响。

④对神经系统的影响。

(2)噪声的心理影响。

3)噪声对信息传递的影响

由于噪声对听觉信号有掩蔽作用，作业者不易觉察或者分辨一些听觉信号，导致他们无法进行充分、有效的语言沟通，甚至无法进行语言沟通，很容易造成事故和工伤。500～2000Hz的噪声对语言的干扰最大，噪声过强，声音信号就只能传递非常有限的信息。在这种情况下，作业者往往需要借助手势动作配合声音信号来完成彼此之间的交流。

4)噪声对作业能力和工作效率的影响

噪声对体力劳动的影响不大，但是会极大地干扰人的思维活动，尤其对一些长时间内需要保持紧张注意的作业影响更甚，例如检查作业、监视控制作业等。在噪声环境里，人们心情烦躁，工作容易疲劳，反应迟钝，注意力不易集中等，都会直接影响作业能力与工作效率。

3.噪声环境的改善措施

1)控制噪声源

生产现场的噪声主要来自机器设备本身的振动和噪声。工作噪声主要包括机械噪声和空气动力噪声两部分。控制噪声源，最好选择低噪声的设备，改革生产加工工艺，提高机械设备的精度等，使发声物体的发声强度降至最小。

2)控制噪声传播

控制噪声的传播，可以从以下几方面着手：

(1)总体设计的布局要合理。

(2)利用天然地形，如山岗土坡、树丛草坪和已有建筑屏障等，阻断或屏蔽一部分噪声向接收者传播。

(3)利用声源的指向性控制噪声。

(4)在声源周围采用消声、隔声、吸声、隔振、阻尼等局部措施。图7-8控制噪声传播的措施(a)公路隔音板；(b)消声器；(c)隔音室

3)个人防护

如果无法从噪声源和噪声控制两方面有效改善噪声环境，就必须使用个人防护用具减少噪声对接收者产生不良的影响。常用的防护用具有橡胶或塑料制的耳塞、耳罩、防噪声帽以及塞入耳孔内的防声棉(加上蜡或凡士林)等。

4)音乐调节

音乐调节是指利用听觉掩蔽效应，在工作场所创造良好的音乐环境，以掩蔽噪声。最终可以缓解噪声对人心理的影响，使作业者减少不必要的精神紧张，推迟疲劳的出现，提高作业能力。

5)其他

通过调整班次，增加休息次数，轮换作业等也是很好的防护方法。7.1.6振动环境

1.振动环境及人体的振动特性

振动是指一个质点或物体在外力作用下沿直线或弧线围绕平衡位置来回重复的运动。人体对振动刺激的3种不同感觉界限，包括：

(1)疲劳-效率降低界限。

(2)健康界限。

(3)舒适性降低界限。

图7-9疲劳-效率降低界限

2.振动的影响

1)影响振动对人体作用的因素

振动对人体的影响与振动的频率、振幅或加速度、受振动作用的时间以及人的体位等方面的因素有关。

(1)振动的频率对人体的影响。

(2)振动的振幅或加速度对人体的影响。

(3)振动时间对人体的影响。

(4)振动对不同体位人体的影响。

2)振动对作业者的影响

振动对其他生理机能的影响还表现在以下几个方面：

(1)对神经系统的影响。

(2)对心血管系统的影响。

(3)对骨质的影响。

(4)对听觉的影响。

3)振动对工效的影响

人体没有特定的振动感受器，因此，振动对工效的影响一般是通过对视觉、触觉和本体感觉、情绪或操纵动作的影响而呈现出来的。振动对视觉绩效的影响主要有两种情形：

(1)视觉对象处在振动环境中；

(2)观察者处于振动环境中。图7-10垂直振动时人的手眼协调的平均动作时间图7-11人受到横向水平振动时的选择反应时间图7-12振动对操作能力的影响

3.振动环境的改善措施

虽然振动很难完全消除，但是可以采取一定的措施加以改善，减少对作业者的损害。图7-13所示为几种减振措施。图7-13常见的减振方法(a)多组弹簧减振器；(b)液压阻尼器；(c)减振垫层

1)减少和消除振源

减少和消除振源是减少振动最根本的措施。通常采取以下方法：

(1)隔离振源。

(2)改进生产工艺。

(3)增加设备的阻尼，能抑制振动物体产生共振，降低振动物体在共振频率区的振幅。

(4)采取隔振、吸振、阻尼等措施来消除或减小振动，阻止振动的传播，最大限度地减少振动对人体的不良影响。

(5)采用钢丝弹簧类、橡胶类、软木类、毡板和空气弹簧等多种形式的减振器。

(6)降低设备减振系统的共振频率。

2)个体防护

使用防振手套，在全身振动时使用防振鞋等。由于防振鞋内有由微孔橡胶作成鞋垫，利用其弹性使全身减振。对于坐姿作业人员，可使用减振座椅、弹性垫，以缓冲振动对人的影响。

3)限制接触振动时间

建立合理的劳动制度，执行合理的工间休息以及轮流作业制度，促进短时间振动反应的迅速恢复。注意保持作业场所的环境温度在16℃以上。

4)其他

做好定期检查，尽早发现受振动损伤的作业人员，及时采取措施进行预防及治疗。严格限制有相应职业禁忌的人员从事振动作业，对于正在进行振动作业的人员应加强技术训练，减少静力作业。

7.2作业空间安全性设计

7.2.1作业空间安全性设计的基本原则

1.作业空间的类型

人与机器设备等互相配合完成工作任务是在一定的空间范围内进行的。

1)近身作业空间

2)个体作业场所

3)总体作业空间

2.作业空间设计的步骤

(1)前期调研。

(2)确定初步设计方案。

(3)空间模型。

(4)讨论并修正设计方案。

(5)撰写设计报告。

3.作业空间设计应遵循的原则

(1)正确协调总体设计与局部设计相互之间的关系。

(2)工作空间的设计要以人为中心，以设备为切入点。

7.2.2作业场所空间布置

1.作业场所布置的原则

(1)重要性原则。

(2)使用顺序和频率原则。

(3)功能原则。

(4)组织原则。

2.主要工作岗位的空间尺寸

1)工作间

工作间是操作者的主要活动场所，为了使操作人员活动

自如，避免产生心理障碍和身体损伤，要求工作地面积大于

8m2，每个操作者的活动面积应大于1.5m2，且自由活动场地的宽度大于1m。最优活动面积为4m2。不同作业姿势的操作者所需要的工作空间尺寸也不同，如表7-16所示。

2)机器设备与设施间的布局尺寸

作业场所中多台机器协同作业时，机器设备与设施间要保持足够的空间距离。按照各活动机件处于正常作业时能达到的最大范围计算，所需要的最小间距如表7-17所示。另外，如果是高于2m的运输线，需有附加牢固护罩。

3)办公室管理岗位和设计工作岗位

多人共同作业的办公区域，空间太小会使人肢体难以伸展，过于收缩会带来身体的不适感。而从心理方面考虑，空间太小会使作业者缺乏私密空间，容易感到拘谨，不利于工作的进行。因此，办公室管理岗位和设计工作岗位的空间设计，应同时从生理和心理的角度考虑。办公室人员的空间尺寸如表7-18所示。

3.辅助性工作场地的空间设计

工作场所的出入口、通行道、楼梯、扶梯和斜坡道等。这些辅助性的工作场地又称为为公共工作位置或公共活动区域，也是作业空间重要组成部分。因此，除了主要工作岗位的空间尺寸以外，还必须考虑这些辅助的工作场地尺寸。

1)出入口

对于一些封闭的工作区域，往往必须要考虑设置一些常规出入口供日常通行，允许预期的人员、车辆和货物不受限制地通过。出入口的位置不应使进、出人员意外地启动控制器或堵塞通往控制器的通道。应急出口还必须能用手或者脚一触即开，若采用把手或者按钮打开方式，操纵力应小于220N。

2)通道和走廊

工作区域经常存在一条或几条通道和走廊，在设计它们的高度、宽度和位置时，都应考虑该区域预定的人流和物流的大小和方向。图7-14各种通道的尺寸图7-15通道和走廊的最小空隙(a)主道与旁道；(b)二人通行；(c)三人并肩；(d)双轮手推车；(e)货车两侧留间隙；(f)两辆货车通行间隙

3)楼梯、扶梯和斜坡道

现代企业一般都有高大的设备或厂房，许多人的工作位置离地面都有一定的高度，为了最快、最有效地进入或通过这些工作区域，应该设置楼梯、扶梯和斜坡道。

4)平台和护栏

(1)平台。在生产中，常要求作业人员升至设备的最佳(或至少可以忍受)操作距离之内进行作业，就需要采用平台围绕工作区域或在工作区域相关部分之间提供连续的工作面。

(2)护栏。当护栏或走廊高度高出地面200mm时，为防止作业人员从高处工作位置或地板开口掉下去，在所有敞开侧都必须装设护拦。护拦的扶手高度应根据第95百分位的人体垂心高度和可能携带的最大负荷量对重心高度的影响确定，其数值应大于1050mm。护拦可采用网状结构。当采用非网状结构形式时，护拦的立柱间距应小于1000mm，横杆间距应小于380mm。图7-16栏杆与防护物的间距关系

4.工位器具的设计

1)工位器具的选用

工位器具按其用途可分为通用和专用两种：通用的工位器具一般适用于单件小批生产；专用的工位器具一般适用于成批生产。

2)工件器具设计要求

3)工位器具的使用和布置要求7.2.3作业姿势与作业空间布置

1.坐姿

1)适合坐姿的作业

(1)持续时间较长的静态作业。

(2)精密度要求高而又要求仔细的作业。

(3)需要手足并用，并对一个以上踏板进行控制的作业。

2)坐姿作业设计的因素

坐姿作业通常是在作业面上进行的，作业范围为操作者手和脚可伸及的一定范围的三维空间。空间布置时需要考虑的因素主要包括工作台、作业范围、人体活动余隙和工作座椅等的尺寸和布局等。

(1)坐姿工作面的高度。

图7-17坐姿作业面的高度图7-18工作面高度与身高和工作性质的关系

(2)工作面宽度。工作面的宽度根据使用功能不同具体设定，如表7-22所示。

(3)坐姿作业范围：

①水平面作业范围。

②垂直面作业范围。图7-19水平作业面的范围图7-20垂直作业面的范围

(4)容膝空间。采用坐姿完成作业时，腿和脚在工作台下的充分活动空间称为容膝空间，如图7-21所示。在设计坐姿用工作台时，一般需要参考脚的可达到区布置容膝空间，相关尺寸如表7-23所示。图7-21容膝空间

3)座椅的设计

(1)座椅设计原则：

①座椅的尺寸应主要依据人体的测量数据设计，使其与使用者的人体尺寸相适应，并尽可能使就坐者保持自然的或接近自然的姿势，能够稳定准确地进行控制和操作。

②座椅的设计应符合人体的生物力学特征。座椅的构造应能将人体重力合理分布，有助于减少背部和脊柱的疲劳与变形。

③座椅的可调部分，如座高和腰靠高，应易于调节，保证已调节好的位置不会在正常使用过程中发生松动。

④座椅各部件的外露部分应避免设计成尖锐形状，各部分不得存在挤压、剪钳伤人的潜在危险。

⑤座椅的设计材料和装饰材料应耐用、无毒，具有阻燃性。用于腰靠、坐垫部分的材料及外包层应采用不导电材料，柔软防滑，有好的透气性。

(2)座椅设计的主要参数：

①座面高度应根据坐姿腘窝高和坐姿时高的第95百分位设计，矮身材人可通过脚踏板(脚垫)调整。

②座深一般按350～400mm选取。

③座宽一般取400～500mm，满足臀部就坐所需要的尺度，使人能自如地调整坐姿。

④人在工作时身体会前倾，若倾角过大，会因为身体前倾而使脊椎拉直，破坏正常的腰椎曲线，所以座椅座面倾角一般小于3°。

⑤靠背可以保持脊椎处于自然形状的放松姿势，分为腰靠和肩靠。作业场所的座椅大部分属于腰靠。

⑥靠背与座面夹角一般可取95°～105°，若小于90°，腹部会受压迫；夹角太大会降低人的警觉状态。

⑦一般坐垫的高度是25mm。太软、太高的坐垫，易造成身体不稳，反易产生疲劳。

⑧扶手高度适宜时不致引起肩部酸痛。休息扶手高度一般取200～230mm，两扶手的间距可取500～600mm，运输工具中两扶手间距可取400～500mm。

4)脚活动空间

对于脚踏板、脚踏按钮这类控制器，需要用脚完成操作。脚的操作力比手大，但操作精度低，活动范围较小。脚的活动范围分布在身体前侧座面