安全工程師考試講義：人機作業環境

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　人機作業環境、人機系統

【考試大綱要求】：

1、瞭解人機信息與能量交換系統模型，人的可靠性分析。

2、熟悉人機系統、人機功能分配。

3、掌握人機系統可靠性設計原則

【教材內容】：

　第十節 人機作業環境

一、光環境

(一)光的度量

1. 光通量

光通量是最基本的光度量，它可定義為單位時間內通過的光量，是用國際照明組織規定的標準人眼視覺特性(光譜光效率函數)來評價的輻射通量，單位為流明(1m)。利用光電管可測量光通量。

2.發光強度

發光強度簡稱光強，是指光源發出幷包含在給定方向上單位立體角內的光通量，常用來描述點光源的發光特性。光強與光通量之間的關係由下式表示：

I=Φ/ Ω (1—17)

式中I——光強，單位為坎德拉，cd;

Φ——光通量，Lm;

Ω——立體角，球向度，Sr。

3.亮度

指發光面在指定方向的發光強度與發光面在垂直於所取方向的平面上的投影面積之比，亮度的單位為坎德拉每平方米(cd/m2)，亮度的定義式為：

L=I/Scosθ(1—18)

式中L——亮度，cd/m。;

S——發光面面積，m。;

I——取定方向光強, cd;

θ——取定方向與發光面法線方向的夾角。

亮度表示發光面的明亮程度。如果在取定方向上的發光強度越大，而在該方向看到的發光面積越小，則看到的明亮程度越高，即亮度越大。這裏的發光面可以是直接輻射的面光源，也可以是被光照射的反射面或透射面。亮度可用亮度計直接測量。

4.照度

照度是被照面單位面積上所接受的光通量。單位為勒克司(lx)。照度的定義式為：

E=Q/S(1--19)

式中E——照度，lx;

Q——光通量，1m;

S——受照物體表面面積，m。。

測定工作場所的照度，可以使用光電池照度計。工作場所內部空間的照度受人工照明、自然採光以及設備佈置、反射係數等多方面因素的影響，因此應該考慮選擇什麼地方作為測定位置。一般站立工作的場所取地面上方85cm，坐位工作時取40cm處進行測定。

(二)照明對作業的影響

1照明與疲勞

合適的照明，能提高近視力和遠視力。因為在亮光下，瞳孔縮小，視網膜上成像更為清晰，視物清楚。當照明不良時，因反覆努力辨認。易使視覺疲勞，工作不能持久。眼睛，疲勞的自覺症狀有：眼球乾澀、怕光、眼病、視力模糊、眼充血、出眼屎、流淚等。視覺}疲勞還會引起視力下降、眼球發脹、頭痛以及其他疾病而影響健康，並會引起工作失誤和i逝成工傷。視覺疲勞可通過閃光融合頻率和反應時間等方法來測定。

2.照明與事故

事故的數量與工作環境的照明條件有密切的關係。事故統計資料表明，事故產生的原因雖然是多方面的，但照度不足則是重要的影響因素。如美國研究者對某企業因照明不良引起事故的調查表明，該企業照明條件差而事故頻繁發生，改善了照明條件後事故率減少了16.5%。

視覺疲勞是產生事故和影響工效的主要原因。人眼在亮度對比過大或物體及其周圍背景發出刺目和耀眼光線時，即在眩光狀況下，會因瞳孔縮小而降低視網膜上的照度，並在大腦皮層細胞間產生相互作用，使視覺模糊。眩光在眼球介質內散射，也會減弱物體與背景間的對比，造成不舒適的視覺條件，進而導致視覺疲勞。

二、色彩環境

(一)顏色的特性

顏色的特性顏色具有色調、明度、彩度三個基本特性。

1. 色調。色調是指顏色所具有的搜此相互區別的特性，即色彩的相貌，是物體顏色在質方面的特徵。人眼能分辨出大約160種色調。

2.明度。明度指顏色的明暗程度，藉此區別顏色的明暗與深淺，是物體顏色在量方面的特徵。這種感覺由於光線強度不同而引起視覺對反射光的反應程度也不同。白色明度大，純白色反射100%的光;黑色明度小，純黑色反射0%的光。各種染料，加入白色，可提高明度;加入黑色可降低明度。

3.彩度。彩度也叫飽和度、純潔度，是指顏色的鮮明程度。波長越單一，顏色也就越純和、越鮮豔。光的顏色完全飽和很少見到，只有純光譜的各種顏色彩度最大。

(二)色彩對人的影響

色彩可以引起人的情緒性反應，也影響人的行為。產生這種反應的原因，一是人的先天因素;二是人體過去經驗的潛意識作用。

1.色彩對生理的影響

色彩的生理作用主要表現在對視覺疲勞的影響。由於人眼對明度和彩度的分辨力差，在選擇色彩對比時，常以色調對比為主。對引起眼睛疲勞而言，藍、紫色最甚，紅、橙色次之，黃綠、綠、綠藍等色調不易引起視覺疲勞且認讀速度快、準確度高。色彩對人體其他機能和生理過程也有影響。例如，紅色色調會使人的各種器官機能興奮和不穩定，有促使血壓升高及脈搏加快的作用;而藍色色調則會抑制各種器官的興奮使機能穩定，起降低血壓及減緩脈搏的作用。

2.色彩對心理的影響

人類在漫長的生活實踐中獲得和形成了大量有關色彩的感受和聯想，並賦予不同的情感和象徵。它們雖因人的年齡、性別、經歷、民族和習慣等有所差異，但共同的社會條件和生活環境也必然使其具有一般的共性。在色視覺傳達設計中，應根據一般人對色彩感知的感情效果去選擇和運用色彩。色彩感情主要表現在以下幾個方面。

(1)色彩的冷暖感。色彩本身沒有冷暖的性質，但由於人們從自然現象中得到的啟迪和聯想，便對色彩產生了“冷”與“暖”的感覺。如對紅、橙、黃系列的顏色感覺温暖，稱它們為暖色;對藍、綠、紫系列的顏色感覺寒冷，稱它們為冷色。

(2)色彩的輕重感。色彩的輕重感主要取決於顏色的明度，明度高的色(淺色)顯

得輕，而明度低的色(深色)則感覺重。色視覺傳達設計中可利用色彩的輕重感來達到視覺平衡與穩定的需要，也可用來表現性格的需要，如輕飄、莊重等。

(3)色彩的尺度感。色彩在人的色視過程中，由於生理上的原因，明度高的色和瞪色有擴散作用，使物像輪廓給人以脹大的感覺;而明度低盼色和冷色有內聚作用，使物像輪廓給人以縮小的感覺。這種色彩輪廓脹縮的感覺是通過色彩的對比作用顯示出來的。

(4)色彩的距離感。不同顏色在不同背景對比作用下，可使人對色彩的感覺產生距離上的變化，造成人對物體有進、退、凸、凹、遠、近的不同感受。一般情況下高明度和暖色系的顏色具有前進、凸出、接近的感覺，而低明度和冷色系顏色有後退、凹陷、遠離的感覺。但這種關係並不絕對，視其背景的變化而變化。一般主體色與背景色明度對比大時有進的感覺，反之則有退的感覺;主體色與背景色色相相近時有退的感覺，反之則有進的感覺。

(5)色彩的軟硬感。物體的質地是通過表面的色彩和表面的組織構造來表現的，因此，色彩與物體質地表現的軟硬密切相關，有的色給人以柔軟感，有的色給人以堅固感。色彩的軟硬感取決於色彩的明度和純度，明色感軟，暗色感硬;中等純度的色感較高純度或低純度色感硬;黑與白是堅固色，灰色是乘軟色。。

(6)色彩的情緒感。色彩不僅會使人產生冷暖、輕重、距離、尺度等物理感受，而且能引起人的情緒的變化。不同的顏色對人體產生的影響不同，悦目的色彩對神經系統會產生良好的刺激，使人保持朝氣蓬勃的精神狀態}反之，雜亂而刺目的色彩會損傷人的健康和正常的心理情緒。因此，在色視覺傳達設計中，要合理地應用色彩的情緒感，營造適應人的情緒要求的色彩氣氛。

　　三、微氣候環境

(一)構成微氣候的要素及相互聯繫

1.空氣温度

空氣温度是評價熱環境的主要指標，它分為舒適温度和允許温度。

舒適温度是指人的主觀感覺舒適的温度或指人體生理上的適宜温度。常用的是以人主觀感覺到舒適的温度作為舒適温度。生理學上對舒適温度規定為，人坐着休息、穿薄衣、無強迫熱對流，在通常地球引力和海平面的氣壓條件下，未經熱習服(也稱為熱適應，指人長期在高温下生活和T作，相應習慣熱環境)的人所感到的舒適温度。按照這一規定，舒適温度應在(21±3)℃範圍內。

允許温度通常是指基本上不影響人的工作效率、身心健康和安全的温度範圍。其温度範圍一般是舒適温度±(3—5)℃。對人的工作效率有影響的低温，通常是在10℃以下。

低温對人體最普遍的傷害是凍傷。除此之外，人體還會出現一系列的低温症狀。首先出現的是心跳加快、顫抖等現象，接着出現頭痛等不適反應。當人體的深部温度降到27℃以下時，人即瀕臨死亡。在低温下工作所消耗的體力，通常比在常温環境下要高。工作效率在人體不能保持體温時才起變化。低温對人的工作效率的影響最敏感的是手指的精細操作。

2空氣濕度

空氣的乾濕程度即空氣濕度。濕度有絕對濕度和相對濕度兩種。作業環境的温度通常採用相對濕度來表示。相對濕度在80%以上稱為高氣濕，低於30%稱為低氣濕。空氣相對濕度對人體的熱平衡和温熱感有重大作用，特別是在高温或低温的條件下，高氣濕對人體的作用就更明顯。高温高濕時，人體散熱更加困難;低温高濕下人會感到更加陰冷。一般情況下，相對濕度在30%一70%時感到舒適。

3氣流速度

氣流主要是在温度差形成的熱壓力作用下產生的。氣流速度通常以米每秒錶示。據測定，在室外的舒適温度範圍內，一般氣流速度為0.15 m/s時，人即可感到空氣新鮮。在室內。即使温度適宜，由於空氣流動速度小，也會有沉悶感。

4熱輻射

熱輻射包括太陽輻射和人體與其周圍環境之間的輻射。任何兩種不同温度的物體之間都有熱輻射存在，它不受空氣影響，直至兩物體的温度相平衡為止。當物體温度高於人體皮膚温度時，熱量從物體向人體輻射而使人體受熱，稱為正輻射;相反。熱量從人體向物體輻射時，稱為負輻射。人體對負輻射不很敏感，往往一時感覺不到，會因負輻射散失大量熱量而受涼。但負輻射有利於人體散熱，在防暑降温上有一定意義。

温度、濕度、風速和熱輻射對人體的影響有時可以相互替代，某一條件的變化對人體的影響，可由另一條件的變化所補償。例如，人體受熱輻射所獲得的熱量可以被低氣温抵消，當氣温增高時，若氣流速度加大，會使人體散熱增加，從而使人並不感到酷熱難耐。

低温、高濕使人體散熱增加，導致凍傷;高温、高濕使人體喪失蒸發散熱機能，導致熱疲勞乃至中暑。微氣候對人的影響是由其構成因素共同作用而產生的，所以，實踐中必須綜合評價微氣候的這些種類的條件。

(二)人體對微氣候環境的感受與評價

1人體的熱交換與平衡

儘管人所處的環境是千變萬化的，可是人的體温卻波動很小，為了維持生命，人體要經常圍繞36.5℃的體温目標值進行自動調節。人體通過新陳代謝不斷地從攝取的食物中製造能量，這些能量除用於生理活動和肌肉做功外，其餘均轉換為熱能。人要保持體温，體內的產熱量應與對環境的散熱量及吸熱量相平衡。如果不能實現這種平衡，則要隨着散熱量小於或大於產熱量的變化，體温出現上升或下降，使人感到不舒適甚至生病。人體的熱平衡方程式為：

S=M一W一H (1——20)

式中S——人體單位時間儲熱量;

M——人體單位時間能量代謝量;

W——人體單位時間所做的功;

H——人體單位時間向體外散發的熱量。，

當M>W+H時，人感到熱;當M　　(1)人體單位時間輻射熱交換案，取決於熱輻射強度、面積、服裝熱阻值、反射率、平均環境温度和皮膚温度等。

(2)人體單位時間對流熱交換量，取決於氣流速度、皮膚表面積、對流傳熱係數、服裝熱阻值、氣温及皮膚温度等。

(3)人體單位時間蒸發熱交換量，取決於皮膚表面積、服裝熱阻值、蒸發散熱係數及相對濕度等。蒸發散熱主要是指從皮膚表面出汗和由肺部排出水分的`蒸發作用帶走熱量。

在熱環境中，增加氣流速度，降低濕度，可加快汗水蒸發，達到散熱目的。

(4)人體單位時間傳導熱交換量取決於皮膚與物體温差和接觸面積的大小及傳導係數。不知不覺的散熱可能對人體產生有害影響。因此需要用適當的材料構成人與物接觸點(桌面、椅面、控制器、地板等)。

2人體對微氣候環境的主觀感覺

衡量微氣候環境的舒適程度是相當困難的，不同的人有不同的估價。一般認為，“舒適”有兩種含義，一種是指主觀感到的舒適;另一種是指人體生理上的適宜度。比較常用的是以人的主觀感覺作為標準的舒適度。人的工作效率與所處環境舒適度感受通常為正相關。

(1)舒適的温度。人主觀感到舒適的温度與許多因素有關，從客觀環境來看，濕度越大，風速越小，則舒適温度偏低;反之則偏高。從主觀條件看，體質、年齡、性別、服裝、勞動強度、熱習服等均對舒適温度有重要影響。

(2)舒適的濕度。舒適的濕度一般為40%一60%。濕度在70%以上為高氣濕，在

30%以F為低氣濕。在不同的空氣濕度下，人的感覺不同，温度越高。高濕度的空氣對人的感覺和工作效率的消極影響越大。據舒伯特和希爾經過大量的研究證明，室內空氣濕度φ(%)與室內氣温t (℃)的關係為：

φ=188—7.2t(12.2　　例如室温t =20℃時，濕度最好是φ=188—7.2×20=44，即44%。

(3)舒適的風速。在工作人數不多的房間裏，空氣的最佳速度為0.3 m/s;而在擁擠的房間裏為0.4 m/s。室內温度和濕度很高時，空氣流速最好是l一2m/s。

3.微氣候環境的綜合評價

研究微氣候環境對人體的影響，不能僅考慮其中某個因素，因為人進入作業場所時，要受温度、濕度、風速和熱輻射等多種因素的綜合影響。因此，要綜合評價徽氣候環境。

目前，評價微氣候環境有四種方法或指標。

(1)有效温度(感覺温度)。它是美國採暖通風工程師協會研究提出的，是根據人的主訴温度感受所制定的經驗性温度指標。已知乾球温度、濕球温度和氣流速度，就可求出有效温度。圖4—6為穿正常衣服進行輕勞動時的有效温度圖。如求乾球温度為30℃、濕球温度為25℃、風速為0.5 m/s的環境從事輕勞動的有效温度，可在圖l一10上分別找出乾球温度30~C和濕球温度25℃，通過連接兩點間虛線與風速為0 5 m/s曲線交點，即可求出有效温度26.6℃。圖中央部分表示使人感到舒適的温度帶，冬季偏下，夏季偏上。如其有效温度在舒適帶內，則為良好狀態，反之則為不良，應對該處諸因素進行綜合改進。有效温度高時人的判斷力減退，當有效温度超過32℃時，作業者讀取誤差增加，到35℃左右時，誤差會增加4倍以上。

主訴温度感受所制定的經驗性温度指標。已知乾球温度、濕球温度和氣流速度，就可求出有效温度。圖4—6為穿正常衣服進行輕勞動時的有效温度圖。如求乾球温度為30℃、濕球温度為25℃、風速為0.5 m/s的環境從事輕勞動的有效温度，可在圖l一10上分別找出乾球温度30℃和濕球温度25℃，通過連接兩點間虛線與風速為0. 5 m/s曲線交點，即可求出有效温度26.6℃。圖中央部分表示使人感到舒適的温度帶，冬季偏下，夏季偏上。如其有效温度在舒適帶內，則為良好狀態，反之則為不良，應對該處諸因素進行綜合改進。有效温度高時人的判斷力減退，當有效温度超過32℃時，作業者讀取誤差增加，到35℃左右時，誤差會增加4倍以上。

(2)不適指數。不適指數是由紐約氣象局1959年發表的一項評價氣候舒適程度的指標，它綜合了氣温和濕度兩個因索。不適指數可由式1—22求出：

DI=( td+tw)×0.72+40.6(1—22)

式中DI——不適指數;

td——乾球温度，℃;

tw——濕球温度，℃。

(3)三球温度指數(WBGT)。它是指用幹球、温球和黑球三種温度綜合評價允許接觸高温的閾值指標。當氣流速度小於l.5 m/s的非人工通風條件時，採用式1—23計算：

WBGT=0.7WB+0.2GT+0.1DBT(1一23)

當氣流速度大於1.5 m/s的人工通風條件時，採用式1—24計算：

WBGT=0.63WB+0.2GT+0. l7 DBT(1—24)

式中WB——濕球温度，℃;

GT——黑球温度，℃;

DBTL——乾球温度，℃。

(4)卡他度。卡他温度計是一種測定氣温、濕度和風速三者綜合作用的儀器。卡他度一般用來評價勞動條件舒適程度。卡他度H可通過測定卡他温度計的液柱由38℃降到35℃時所經過的時間(T)而求得。

H=F/T (1—25)

式中H——卡他度;

F——卡他計常數;

T——由38℃降至35℃所經過的時間(s)。

卡他度分為千卡他度和濕卡他度兩種。千卡他度包括對流和輻射的散熱效應。濕卡他度則包括對流、輻射和蒸發三者綜合的散熱效果。一般H值越大，散熱條件越好。

(三)微氣候環境對人體的影響

1.高温作業環境對人體的影響

一般將熱源散熱量大於84kJ/(m2?h)的環境叫高温作業環境。高温作業環境有三種類型：高温、強熱輻射作業，特點為氣温高，熱輻射強度大，相對濕度較低;高温、高濕作業，特點為氣温高、濕度大，如果通風不良就會形成濕熱環境;夏季露天作業。如農民田間勞動、建築施工等露天作業。高温作業環境對人的影響包括以下幾個方面。

(1)高温環境使人心率和呼吸加快。人在高温環境下為了實現體温調節，必須增加血輸出量，使心臟負擔加重，脈搏加速，因此心率可以做為衡量熱負荷的簡便指標。另據研究，長期接觸高温的工人，其血壓比一般高温作業及非高温作業的工人高。

(2)濕熱環境對中樞神經系統具有抑制作用。濕熱環境下大腦皮層興奮性降低，條件反射潛伏期延長，注意力不易集中。嚴重時會出現頭暈、頭痛、噁心、疲勞乃至虛脱等症狀。

(3)高温環境下，人的水分和鹽分大量喪失。在高温下進行重體力勞動時，平均每小時出汗量為0.75—2.0L，一個工作日可達5一10 L 。高温工作影響效率，人在27—32℃下工作，其肌部用力的工作效率下降，並且促使用力工作的疲勞加速。當温度高達32℃以上時，需要較大注意力的工作及精密工作的效率也開始受影響。另外，事故發生率與温度有關。據研究，意外事故率最低的温度為20℃左右;温度高於28℃或降到10℃以下時，意外事故增加30%。

2.低温環境對人體的影響

人體在低温下，皮膚血管收縮，體表温度降低，使輻射和對流散熱達到最小程度。在嚴重的冷暴露中，皮膚血管處於極度的收縮狀態，流至體表的血流量顯著下降或完全停滯，當局部温度降至組織冰點(-5℃)以下時，組織就發生凍結，造成局部凍傷。

此外，最常見的是肢體麻木，特別是會影響手的精細運動靈巧度和雙手的協調動作。手的操作效率和手温及手部皮膚温度密切相關。手的觸覺敏感性臨界皮温是10℃左右.

操作靈巧度的臨界皮膚温度在12～16℃之間，長時間暴露於10℃以下，手的操作效率會顯著降低。