第11章安全人機工程學

基本理論的應用

11.1視頻顯示裝置的安全

人機工程學

視頻顯示終端（VisualDisplayTerminals，簡稱VDT）包括計算機、電視機、打印機、游戲機等顯示裝置。11.1.1VDT對人體健康的影響對眼睛的影響——長期在視頻顯示終端屏幕前工作，感覺到視疲勞、視力模糊、調節功能出現障礙、眼角膜損失等癥狀。骨骼肌肉的反應——長期在屏前操作有頸酸、頸痛、肩痛、腰痛、背酸無力、手腕感到過度疲勞等癥狀。對神經行為的影響——長期從事VDT的作業者常感到處在“精神緊張”之中，常伴有頭痛、頭暈、記憶力減退等癥狀發生。11.1.2對操作者健康的

人機因素分析

視頻顯示器本身操作室的環境因素作業姿勢的影響

11.1.3對操作者健康的

防護措施

1.改善VDT操作室的環境2.減少VDT的電磁輻射3.從安全人機工程的角度對VDT操作室進行設計與改造4.作業者應保持合理的作業姿勢11.2汽車運輸作業中的安全

人機工程學

人的方面：駕駛人員和乘坐人員，尤其是主要駕駛人員的心理、生理狀態對運輸作業系統的影響。

運輸工具方面：操縱裝置、顯示裝置、駕駛空間、坐席、視界及作業環境的微氣候等。環境方面：天氣的影響、道路設施、交通標志、交通噪聲、照明條件等。11.2.1汽車事故與人的作業研究

汽車交通事故是當前世界各國所面臨的嚴重問題。據統計：自1885年發明汽車以來，已有2000多萬人死于車禍，全世界每年平均有30萬人死于交通事故，傷殘者就更不計其數。影響駕駛疲勞的因素

1.駕駛人員生活上的因素——如家庭生活環境、勞累程度、生活條件等。2.駕駛過程中的因素——如駕駛室內的溫度以及濕度是否適宜、車內噪聲情況、車內振動情況、坐席的舒適程度等。影響駕駛疲勞的因素3.駕駛員的條件——如體力、視力、身體健康狀況、年齡、經驗以及性格等。4.駕駛的連續時間，它是造成司機疲勞的主要原因之一。

11.2.2汽車的人機系統設計

1．汽車坐椅設計2．汽車的控制系統設計3．駕駛室的空間設計4．汽車的視野設計駕駛坐椅主要幾何參數

方向盤與操縱器的綜合

設計布局

小汽車駕駛室腳踏板的空間布置

11.2.3交通管理與設施系統的改善

①節約能源；②防止噪聲、振動、廢氣等公害；③道路的專用化、現代化；④交通系統管理的自動化；⑤汽車小型化、輕量化等等。11.2.4駕駛可靠性的定量分析方法

在駕駛中，對人的可靠性分析多引進PS主因子（KeyPerformanceShapingFactor，簡稱PS主因子）。基本失誤率與差錯狀態恢復度

FS、FO、FR分別代表感知基本失誤率、判斷基本失誤率以及動作基本失誤率RS、RO與RR分別代表理論上感知、判斷決策和動作的基本可靠度

引進駕駛差錯狀態恢復度C，對于感知、判斷決策與動作階段其相應的CS,CO,CR表達式為：

式中KS，KO與KR分別表示感知、判斷決策與動作階段駕駛差錯狀態恢復能力的權重系數。駕駛可靠性模型I

理論上駕駛可靠度R可表示為三個行為階段的可靠度乘積，即：R＝RS·RO·RR＝(1－FS)·(1－FO)·(1－FR)（11-5）式中RS、RO與RR分別為理論上感知、判斷決策與動作的基本可靠度，而FS、FO與FR分別為理論上感知、判斷決策與動作的基本失誤率。

駕駛員在行車時，由于PS主因子的制約導致理論上駕駛可靠度與實際的駕駛可靠度有了偏差，因此（11－5）式便修改為：

考慮自適應性的駕駛可靠性模型II

即考慮自適應性的駕駛可靠性模型II

針對上圖所示的駕駛可靠性模型II，這時實際駕駛的可靠度R*為

11.3航天人－機－環境系統中的

安全人機工程學問題

11.3.1航天人－機－環境系統的研究對象與任務人的特點航天員除了合適的身高和體重、良好的心理素質和綜合素質之外，還要求具有良好的抗超重耐力、有較好的缺氧耐力、有良好的心血管功能和前庭功能等。機的特點機為載人航天器，尤其是再入大氣層時氣動熱十分嚴重、環境十分惡劣，因此對飛行器的安全行、可靠性以及可維修性有很高的要求。基本任務美國將人在航天中工作能力的增長大致劃分為三個階段：第一階段（1990年前），主要實現人安全容易地進入空間并返回地面；在這個階段中，航天員的作用是乘客、操作者、觀察者及實驗者；第二階段（1990～2000年），主要實現人在近地球軌道空間永久性居住，航天員的作用主要是科學家、維修者、探索者；第三階段（2000年以后），實現人在空間中有限的自給自足，人的作用是服務人員、工人、建造者、生產者及月球居民。

如何在航天特殊環境下將航天員、航天飛行器以及航天環境有機結合起來以確保載人航天工程的順利進行，這正是航天人－機－環境系統的工作者所肩負的任務。11.3.2航天特殊環境下所面臨的

安全人機工程學問題

壓力制度超重與失重低壓與缺氧問題空間孤獨以及相容性問題壓力制度壓力制度是指飛行員與航天員居住的增壓密閉艙和穿著的防護服的內環境所采用的何種氣體和多高的工作壓力。壓力制度基本要求1確保航天員的安全與健康，即防低壓、又防缺氧對人體的傷害；2艙壓和航天服壓力的合理匹配，既能減少座艙意外減壓對人體的影響，又便于出艙活動；3要有利于座艙環境的控制系統和航天服系統的工程實現，并且具有高度的可靠性；4環境控制系統的諸參數應該匹配合理，有利于實現“安全、高效、經濟”的總體目標。超重與失重令為地球對物體的引力，為物體運動的加速度，因此有

早期飛船發射時，超重曲線峰值時的G值為6～8，作用時間每級100～200S左右；返回時峰值的G值為8～10，持續時間200S左右。隨著火箭技術和再入大氣層技術的不斷完善與改進，飛船起飛時的G值大約在4～5左右，返回時大約為5～7；對于航天飛機已實現了滑翔回收，減速過載的G值已降到2以下。常用加速度術語及矢量符號

失重環境下人體的主要生理反應神經前庭系統——主要癥狀是眩暈、惡心，有時發生嘔吐和產生錯覺，全身感到不舒服，無法工作，影響了航天員的效率。心血管系統——航天員處于失重環境后數天便可出現心血管功能下降，主要表現在有的航天員心電圖心律不齊等現象。血液和電解質——航天飛行后，許多航天員都出現了紅細胞容積減少，骨骼與肌肉系統——航天員在太空停留會發生骨質喪失、骨質疏松和骨骼肌萎縮的現象。空間孤獨以及相容性問題思鄉病與恐懼癥——在狹小的艙室中居住的航天員會產生抑制不住的孤獨感、煩悶感和恐懼感。人際關系——長期的太空飛行還會造成航天員的一些心理障礙，例如乘員之間相互不協調、不滿意對方，甚至與地面工作人員產生對抗情緒。11.4車輛人－機－環境系統中

乘員熱舒適性的數值計算11.4.1人體皮膚溫度的確定11.4.2人體熱舒適性的計算11.4.3典型算例與分析車室內人體熱舒適性計算的總框圖車室內三維流場和溫度的計算三維、湍流、雷諾平均Navier-Stokes方程瞬態時方程組的形式為連續方程：（11－15）

動力學方程：（11－16）

或者

（11－17）

能量方程：（11－18）或者（11－19）式中，，，，，e與分別表示瞬態時的密度、壓強、速度、粘性應力張量、應力張量、單位體積所具有的廣義內能與由于傳熱而導致的熱流矢；為熱傳導系數。

在直角坐標系下（11－15）、（11－17）與（11－19）式可寫為：

邊界條件（以定常流動為例）進口邊界條件（即車的進風口）：給進口的總壓、總溫、進口馬赫數等；出口邊界條件（即車的出風口）：認為沿z向出氣時

車室的內壁面邊界條件：速度給無滑移條件；壁面溫度給出溫度的分布；認為物面滿足非穿透邊界條件，物面的壓強值由法向動量方程決定。人體表面的邊界條件：速度給無滑移條件；給定人體表面皮膚溫度的分布；人體表面的壓強值也由法向動量方程決定。車室的簡化幾何形狀

有駕駛員與乘員的車室圖

人體生物熱方程的計算

將人體劃分為15個不同的節段，即頭、頸、軀干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和腳，如圖11.9所示。在人體節段的模型中又將每一個節段進一步分為四個不同的層即核心層、肌肉層、脂肪層和皮膚層如圖11.10所示。圖11.9人體節段劃分示意圖

圖11.10節段分層示意圖

對于人體的某個節段而言，一般的熱平衡方程為：

（11－19）邊界條件

徑向滿足：周向滿足：在不同層的界面處：

式中R0為所考慮的人體節段的半徑，qc為體表與環境間的對流換熱，qr為體表與環境間的輻射換熱，qe為人體蒸發散熱，qs為太陽對人體的輻射換熱。應指出的是，這里qe應該包括皮膚有感蒸發、無感蒸發與呼吸換熱三部分。很顯然，有感蒸發項可以通過人體熱調節系統中的控制分系統得到。

生物熱方程（11－19）式的求解可采用有限差分法進行離散，用時間推進法進行求解以獲得皮膚溫度與核心溫度。11.4.2人體熱舒適性的計算

采用EQT指標評定，其表達式為：

式中(Teq)i為第i節段的當量溫度；(Ts)i為第i節段的表面溫度；(vair)i為第i節段周圍的空氣速度，Si為第i節段的表面積，(hcal)i為在標準環境下感受器標定時的對流換熱系數，σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數；εi為第i節段的發射率，（fi，n）為第i節段對座艙的n表面而言的角系數；(TS)i為第i節段的皮膚溫度，Tn為座艙n表面處的溫度，Qsol為人體得到的太陽輻射。冬季情況下人體的熱舒適范圍

夏季情況下人體的熱舒適范圍

11.4.3典型算例與分析

1、車室的主要幾何參數以及相關輸入參數2、關于流場計算的幾個典型算例3、關于人體生物熱方程求解的典型算例4、人體熱舒適性的EQT評價及算例二維無人車室內氣流速度場的等值線

二維載人車室內氣流速度場的等值線