《安全人机工程学》教案.docx

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《安全人机工程学》教案

《安全人机工程学》课程教案

学院：

工控学院

专业：

安全工程专业

年级：

2004级

任课教师：

甄亮

时间：

2006——2007学年度第1学期

学时数：

32学时

课程性质：

必修

2006年9月

安全人机工程学

使用教材：

《安全人机工程》，谢庆森，王秉权主编，天津大学出版社，1999

《安全人机工程学》，高等院校安全工程专业指导委员会编，煤炭工业出版社，2002

《人机工程设计》，郭青山，汪元辉编，天津大学出版社，1994

《人机工程学》（修订版），丁玉兰主编，北京理工大学出版社，2000

课程性质、时间、讲授方法

⏹《安全人机工程学》课程性质属于学科基础课

⏹《安全人机工程学》课程时间32学时

⏹《安全人机工程学》课程讲授方法是讲授与自学相结合

第一章概述

第一节人机工程学

1.历史回顾

1949年英国人莫瑞尔首先提出“Ergonomics”

美国称为人类工程学“HumanEngineering”或人因工程学“HumanFactorsEngineering”

日本称为人间工学

在我国也称为人体工程学，人类工效学，工业心理学等

基本名词解释

Ergonomics:

theappliedscienceofequipmentdesign,asfortheworkplace,intendedtomaximizeproductivitybyreducingoperatorfatigueanddiscomfort;designfactors,asfortheworkplace,intendedtomaximizeproductivitybyminimizingoperatorfatigueanddiscomfort.

Security:

freedomfromriskordanger;Safety;Measuresadoptedbyagovernmenttopreventespionage,sabotage,orattack;Measuresadopted,asbyabusinessorhomeowner,topreventacrimesuchasburglaryorassault;Theleveltowhichaprogramordeviceissafefromunauthorizeduse.

Safety:

theconditionofbeingsafe;Freedomfromdanger,risk,orinjury;Adevicedesignedtopreventaccidents,asalockonafirearmpreventingaccidentalfiring.

2.发展历史

经验人机工程：

着眼于力学、电学、热力学等工程技术，人机关系上以选择和培训操作者为主，使人适应机器。

（20世纪40年代前）

科学人机工程：

溶合了心理学、生理学、工程技术，重视“人的因素”，力求机器适合人。

（20世纪40年代到60年代）

现代人机工程：

涉及更多专业，要求机器操作不超越人类能力界限，最终实现人-机-环境的协调，达到最高的综合效率。

（20世纪60年代后）

3.人机工程在世界各国的发展

1950年英国成立人机学研究会，1957年开始发行会刊《Ergonomics》

美国是人机学最发达国家，1957年成立美国人因协会（HumanFactorSociety）

1960年成立国际人机协会（InternationalErgonomicsAssociation,IEA）

4.人机工程在中国

20世纪80年代才开始相关研究

1989年成立中国人类工效学会（ChineseErgonomicsSociety）

5.人机工程定义

美国学者伍德（Wood）：

设备设计适合人的各方面因素，以便在操作上用最小的代价取得最高的效率。

1979年版《辞海》：

运用人体测量学，生理学，心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构，功能，心理及力学等问题研究的学科，用以设计使操作者能发挥最大效能的机械，仪器和控制装置，并研究控制台上各仪表的最合适位置。

IEA定义：

研究各种工作环境中人的因素，研究人和机器以及环境的相互作用，研究人在工作、生活中如何统一考虑工作效率，人的健康、安全和舒适等问题的科学。

6.人机工程与工业设计的关系

为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数

为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据

为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则

为进行人-机-环境系统设计提供理论依据

为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序

7.人机工程与其他学科的关系

第二节安全人机工程

1.人-机-环境系统（Man-Machine-Media系统）

2.人机系统类型：

按自动化程度分：

人工，半自动和自动化

按信息反馈与否分：

开环系统和闭环系统

3.人机特性比较与功能分配

人在检测，图像识别，灵活性，预测，归纳推理和判断方面优于机器

机器在速度，出力，反应精确度，重复性，短期记忆，演绎推理，多通道性能，环境恶劣情况下优于人

4.安全人机工程的定义、研究对象、内容

定义：

利用人机工程的思想，方法，原理去解决人机结合面的安全问题的一门学科，使人机工程的一个分支。

研究对象：

人，机器，人机结合面，环境

内容：

Ø人机系统总体设计

Ø人体特性研究

Ø工作场所和信息传递设计

Ø环境控制于安全保护设计

安全人机工程定义：

从安全目标出发，应用人机学基本理论、观点和方法对安全生产，事故以及作业环境进行分析，并从人-机关系入手找到预防事故的方法和措施。

安全人机工程的主要任务：

建立合理可行的方案，更好地在人-机系统中合理分配功能，使人-机系统更有效地结合，更好地发挥人的作用，并为操作人员提供舒适、安全、卫生的环境，从而达到保障劳动者安全、健康劳动，提高工作效率的目的。

5.安全人机工程的研究范围

1）工作负荷研究

2）工作环境研究

3）工作场地，工作空间，工具装备研究

4）信息显示的人机学问题

5）安全管理的人机学问题

6）工作成效的测量与评价

6.安全人机工程的研究方法

1）观察法

2）实测法

3）实验法

4）Honeywell法

5）模拟和模型实验法

6）计算机数值仿真法

7）分析法

8）调查研究法

第二章人-机系统中人的因素

第一节人体静态参数测量

1人体测量基本知识

定义：

人体测量是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用来研究人的形态特征，从而为工业设计和工程设计提供人体测量尺寸。

分类：

人体构造尺寸（静态尺寸）和功能尺寸（动态尺寸）

人体测量术语：

，被测者姿势：

立姿、坐姿；测量基准面：

矢状面，正中矢状面，冠状面，水平面，眼耳平面；测量方向：

头侧端、足侧端，内侧、外侧，近位、远位，挠侧、尺侧，胫侧、腓侧；支承面和衣着；基本侧点及测量项目。

（具体定义参见GB3975-1983和GB5703-1985有关规定）

测量主要工具：

人体测高仪，直角规，弯脚规

统计函数：

均值，方差，标准差，抽样误差，百分位数

2.人体尺寸测量

有关数据参见GB10000-1988《中国成年人人体尺寸》

3.中国成年人体功能尺寸（具体数据参见GB10000-1988和GB/T13547-1992）

立姿

坐姿

单腿跪姿

仰卧

4.用经验公式计算人体参数

用身高计算人体各部位尺寸

用体重计算人体的体积和表面积

人的密度：

a=W/V

人的体积：

V=1.015W-4.937

人的表面积：

A=0.0016H+0.0128W-0.1529

人的生物力学参数

最大耗氧量

最大心跳速率

最大心脏排血量

5.人体测量尺寸的应用

应用原则：

注意选择应用条件，百分位的选择和一些注意事项

应用方法：

确定所设计产品的类型

选择人体尺寸百分位

确定功能修正量

确定心理修正量

产品功能尺寸的设定

人体测量数据的应用准则

最大，最小准则

可调节准则

平均准则

选择最新准则

地域性准则

功能修正与心理修正准则

标准化准则

姿势与身材相关联准则

合理选择百分位和适用度准则

6.设计用人体模板

坐姿人体模板（GB/T14779-1993）

人体外形模板（GB/T15759-1995）

人体模板的应用

适用范围

使用要求

百分位选择

应用实例

第二节人体动态测量尺寸

人的肢体活动范围

头、肩胛骨、手、臂、大腿、小腿、足等各有相应的活动范围。

肢体的出力范围

立姿时手臂的操作力

坐姿时手臂的操作力（一般右手强于左手，向上力大于向下力，向内用力大于向外用力）

双臂的扭力

坐姿时的足蹬力（一般右足大于左足，男大于女）

3.人体动作的灵活性与准确性

人体动作的灵活性（包括动作速度和动作频率）

人体动作的准确性（主要从动作形式（包括方向和动作量），速度和力量三个方面）

基本规律如下：

手臂伸出和收回动作的准确性：

短距离（100mm内）有运动过多趋势，误差大，对较长距离（100-100mm）有动作过小趋势，误差显著减少。

向外伸出比向内收回准确。

动作方向最准确是正前方手臂部水平下侧，最部准确在侧面；右侧比左侧准确，下部比中部准确，上部最不准确；双手同时均匀地操作时，双手直接在身前活动的准确性最高。

第三节人的感知特性

概述

感觉：

人脑对于直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映。

（最简单，最基本的心理过程）

知觉：

人脑直接作用于感觉器官的客观事物和主观状况整体的反映。

感觉反映客观事物的个别属性，知觉反映客观事物的整体。

人以知觉的形式直接反映事物，而感觉只作为知觉的组成部分而存在于知觉中。

感觉的基本特性

适应刺激（刺激形式和感觉反应表）

感觉阈值（感觉阈上限，感觉阈下限）

感觉的适应性（如嗅觉适应）

感觉的相互作用性（互相作用，互相影响）

感觉的对比性（同时对比，继时对比）

感觉的余觉

知觉的基本特性

整体性（由许多部分或多种属性组成的对象具有一定结构的统一性）

影响因素：

接近性，相似性，封闭性，连续性，审美性

选择性（决定条件：

对象与背景的差别，对象的运动和主观因素）

理解性

恒常性（主要包括：

大小恒常，形状恒常，明度恒常，颜色恒常）

错觉

2.视觉特性

视觉刺激：

人眼能感觉到的波长范围是380nm到780nm（接受信息的最主要方式）

视觉系统（眼睛的解剖结构）

视觉机能

视角：

被观察物体两端光线进入眼球的夹角

视力：

人眼对物体细部的分辨能力

静视野：

人的头部和眼球固定时能看到的空间范围

动视野：

人的头部固定，眼球自由转动能看到的空间范围

视距：

人眼观察操作装置的正常距离

几种常见的视觉现象

明暗适应：

暗适应是人从明亮处突然进入黑暗处，经过5~7分才能看见物体，30分后才完全看清。

明适应与暗适应情况相反，适应时间约1分钟。

人眼还存在色彩适应。

眩光是所有耀眼和刺眼的强烈光线。

它会使人视力下降，注意力分散，干扰视线，可见度降低，使眼睛疲劳、不舒服。

一般应尽量限制和避免眩光。

视错觉是人观察外界物体形象或图形所得到的印象与实际形状或图形不一致。

主要由生理和心理原因导致。

一般应避免，但运用得当也会取得满意的效果。

视觉运动规律

眼睛水平运动比垂直运动快

视线习惯从左到右和从上到下运动，看圆形内物体总是沿顺时针方向看

眼睛垂直运动比水平运动容易疲劳

眼睛观察左上最好，其次右上，再次左下，最差右下

眼睛有惰性，容易接受简单直线轮廓，看单纯的形态比看复杂形态顺眼和舒适

两眼协调、同步运动

眼睛对颜色分辨依次是：

红-绿-黄-白

3.听觉特征

听觉刺激：

人耳能听到的声音频率一般为20-20000Hz（接受信息仅次于视觉）

听觉系统

听觉特性

绝对阈值与可听范围

能辨别声音的方向和距离（双耳接受刺激的时间差，强度差以及经验）

听觉的适应与听觉疲劳或残留（适应时间比视觉适应时间短得多，疲劳后的恢复时间较长）

听觉的掩蔽效应（两个强度相差很大的声音同时作用人耳时，其中的一个被淹没）

4.肤觉、嗅觉和味觉

肤觉是由物质的物理或化学作用到达皮肤表面引起的。

它分为触压觉，痛觉和温度觉。

肤觉仅次于听觉，对盲人有重要意义。

嗅觉（适应性快，温度有助于嗅觉感受）

味觉（味觉感受器主要分布在舌表面）

5.本体感觉：

人在进行操作时能给出身体及四肢所在位置的信息。

第四节人的信息传递与处理

人的神经系统

中枢神经系统（包括脑和脊髓）

周围神经系统（中枢神经系统以外全部神经系统的总称）

大脑

大脑皮质功能定位（躯体感觉区，躯体运动区，其他功能区）

大脑皮质联络区

神经系统活动方式（反射弧，信息键）

3.人的信息处理模型

4.人体接受信息的途径与能力

人体接受信息的途径：

通过“感觉——判断——行为”构成人体信息处理系统（感觉器官接受外界条件刺激，大脑进行分析，判断和决策，运动系统进行动作）

人体接受信息的能力（信息处理的核心是判断，判断既是利用已有知识与经验的过程，也是积累和增加新的知识与经验的过程。

人脑的信息容量大得惊人，但存在遗忘现象）

5.影响人体信息接受、处理的主要因素

无关信息的干扰

信息维量数的影响（信号的每一个特性为一个维量）一般多维量信号的传递率高于单维信号，但小于组成该多维信号的单一维量信号传递之和

分时的影响（信号输出最好分先后，尽可能利用两个或多个感觉通道接受同一信息，视觉有相对优先权，听觉的抗干扰性好）

刺激-反应之间的一致性（如红色代表危险，绿色代表安全）

大脑意识水平（大脑意识水平分五个阶段，其中第III阶段最佳）

第五节人的心理特性

个性

人的气质：

多血质，胆汁质，粘液质，抑郁质

性格：

人对事物的态度和形成个性习性的行为方式，是个人稳定的个性心理特征

情绪与安全

情绪：

由客观事物与人的需要（自然的，社会的，物质的，精神的）是否符合而产生的心理反应

3.社会心理与安全生产

需要和动机

群体的心理因素

不安全心理状态：

侥幸心理，省能心理，逆反心理，凑兴心理，从众心理

4.注意与不注意

5.个性心理特征的运用

下面12种个人心理特征可在防止伤亡事故中充分加以利用：

自卫心，人道感，荣誉感，责任感，自尊心，喜牵头，随众性，竞争性，逻辑思考力，获奖心，好奇心，恐惧心

第六节劳动强度及分级

劳动强度

静力作业：

身体和四肢关节保持不动时所进行的作业，特点是能耗水平不高，但却容易疲劳

动力作业：

靠肌肉伸缩来完成作业（体力劳动）

劳动强度分级

国际劳工局分级标准

日本劳动研究所分级标准

中国劳动强度分级（GB3896-1983）

第七节作业疲劳

疲劳的特点和分类

定义：

作业过程中作业能力下降，或由于厌倦而不愿意继续工作的状态（乳酸的积累）

特点：

生理，心理，环境等多种因素影响

疲劳分类：

•按原因分类：

生理性疲劳、心理疲劳

•按发生部位分类：

精神疲劳、肌肉疲劳、神经疲劳

•按程度分类：

一般疲劳、过度疲劳、重度疲劳

•按时间长短分类：

急性疲劳、慢性疲劳

•按作业方式分类：

动态作业疲劳、静态作业疲劳

•按器官类型分类：

中心性疲劳、外周性疲劳

2.作业疲劳的调查与测定

疲劳的问卷调查

疲劳的测定

3.引起疲劳的原因

超生理负荷的激烈运动和持久的体力或脑力劳动

工作单调

环境不良

精神因素

身体状况不佳

人机工程设计不合理

4.作业疲劳的一些规律

疲劳可以恢复，且青年人比老年人恢复快

积累效应

适应性

生理周期的影响

环境因素的影响

工作单调

5.降低作业疲劳的措施

提高作业的自动化水平，改善劳动条件，降低劳动强度，缩短劳动时间

选择正确的作业姿势和体位：

立姿，坐姿，坐立交替

合理设计作业中的用力方式：

合理安排施力方式与负荷；按照生物力学原理作业；利用人体活动特点用力；利用人体动作的经济原则；节约动作能级

改善作业内容，避免单调重复性作业：

使操作适当复杂化，交换操作内容或作业岗位

合理设计作业空间与环境

生产设备的本质化安全

第八节人为差错

概述

定义：

人为差错是指操作者实际完成职能与该工作所要求完成职能之间的偏差，也称人的失误。

人为差错的五种情况：

未执行分配的任务

错误地执行分配的职能

执行了未赋予的额外职能

按错误程序或在错误时间执行了职能

执行职能不全面

2.出现人为差错的原因

感觉认识上的人为差错

信息量过大，强度过大或过小，或过于复杂

信息传递速度过快

信息显示不够完善

感觉通道间的知觉重叠

输入信息混乱，又噪声干扰

感觉器官有缺陷

疾病、疲劳的影响，或错觉

联络信息的方式方法不完善

错误领会信息

在先入感的强烈影响下发生错觉

2）判断过程中的人为差错

知识或能力不足

缺乏经验或训练不足

遗忘

疲劳或其他原因造成的意识水平低下

本身有不良性格或习惯

3）异常状态下发生的人为差错

大脑意识水平低下

由于条件反射和躲避等行为带来的危险

人体生物节律处于临界期（低潮期）

4）行为过程中的人为差错

精神不集中，思想开小差

工作不熟练

意识水平低下

输出时的程序混乱，行为缺乏准则

单调作业引起瞌睡，失神

操作工具形状、布置等缺陷

记错操作对象的位置，方向感混乱

体力不佳

训练不足

忽视规则，程序的不良习惯

随波逐流或逞能好强

3.防止人为差错的措施

避免注意力不集中或疲劳

突出重要信息的显示

加强控制的精确性

确保按正确顺序接通各装置，关键部位设置联锁装置

尽量减少仪表的读数误差，防止读数错误

减少振动，降低噪声

设计合理的操作程序，并严格执行

减轻操作者生理和心理的压力

第三章人机系统的显示装置

第一节概述

1视觉显示器的类型和功能

按照显示形式分：

模拟显示：

以刻度，指针来显示。

特点：

能给出变化趋势，可靠性高，稳定，缺点：

显示速度慢，易受振动影响，过载能力差，质量难控制

数字显示：

以数字直接显示。

特点：

简单，直观，准确性高，读数速度快，不易疲劳，缺点：

显示会跳动闪烁

按照显示功能分类

读数用仪表：

提供准确读数，用于精确测量值

检查用仪表：

显示是否偏离正常值

警戒用仪表：

显示是否处于正常范围

追踪用仪表：

通过人的控制，使机器按人的要求工作，或按某种客观环境工作

调节用仪表：

指示操纵装置调节的值

定量显示仪表：

准确显示数值

定性显示仪表：

注重情况和程度的比较

2.其他类型显示器

听觉显示器：

特点：

反应快，无方向限制，强迫注意

嗅觉显示器：

用于特殊场合，灵敏度高，但很容易受到干扰

触觉显示器：

电刺激，机械振动，喷气振动

3.显示方式的选择

原则和方法：

显示类型的选择取决于显示目的和被显示内容的性质

选择原则：

尽量简单，直接；精度要求一致；显示与操作能力及习惯相适应；显示的变化速度与操作者反应相适应

定量显示方式的选择：

静态下，数字显示优于指针显示，显示变化较快场合下，指针显示的读数更准确，预测性显示方面指针显示优于数字显示

定性显示：

标志显示（直观，易于认读），形象化显示，音响显示（常与光信号结合使用）

4.设计中的人机因素和设计准则

设计中的人机工程因素：

人接受信息的特点、人的信息传递能力，仪表显示与人的反应相协调，作业环境因素

显示装置设计基本准则

以视觉特征为根据，保证迅速，正确获得信息

显示信息的数量和种类不要太多

仪表的指针、刻度、标记、字符等在颜色形状，亮度等方面保持合适对比关系，以使目标清晰可辨

仪表显示在空间关系，运动关系和概念上与系统其他显示装置兼容。

第二节显示仪表的选择设计

模拟显示仪表选择设计

刻度盘

形状：

主要有开窗式，圆形，半圆形，偏心性，水平直线式与垂直直线式，其中开窗式读数效果较好

大小：

25--35mm，直径增加，读数准确性下降；30—70mm，读数稳定，大于70mm后，直径增加，读数准确性下降

刻度

间距，刻度标记，刻度方向，刻度单位，刻度标数和数字立位

字符设计

形状（简明，易读，醒目），大小

指针设计

形状（简洁明快，无任何装饰），宽度与长度，指针与刻度盘的关系

仪表的色彩设计

颜色搭配（达到读数清晰醒目，不易疲劳）

2.数字显示仪表选择设计

机械式数字显示仪表：

依靠机械装置视线数字显示。

优点：

结构简单，使用方便；缺点：

显示数字可能不全而引起读数错误，还容易出现卡阻现象。

数字形状与读数准确性有显著关系

数字的尺寸

字体与背景和照明的关系

电子式数字显示仪表：

使用液晶显示和发光二极管显示两种

优点：

方便，可靠地和计算机系统连接，具有较好的可控性

数字结构有直线型和点阵型

字体设计

字体形状

字体大小

背景与照明

第三节屏幕显示选择设计

屏幕的显示特征

显示空间小，显示格式灵活可变（图形、符号、信号、文字等），且具备综合显示多种信息的能力，既能作追踪显示，又能显示动态画面

屏幕显示的目标、呈现时间和余辉

目标：

荧光屏上显示的视觉信息载体，目标亮度越大，越容易察觉，但超过34cd/㎡后，视敏性没有大的改善

呈现时间：

2~3秒最有利

余辉：

目标呈现结束后残留在屏幕上的亮点，特点：

最初亮度下降快，而后下降慢

3.目标的运动速度：

运动的目标比静止目标更容易察觉，但难于看清楚，运动速度越快，越不好辨认

4.目标的形状、大小和颜色

形状：

一般的辨认优劣顺序为：

三角形最优，圆形，梯形，方形，长方形，椭圆形，十字形最差；当干扰光点强度较大，方形好于圆形

大小：

目标越大越易辨认，但目标过大占用面积也大，所以大小应适宜

颜色：

红色和绿色辨别率与白色相似；但红色刺激性强，易引起疲劳；一般以绿色为目标较好；采用蓝色，视觉辨认率稍差

5.目标与背景的关系

目标亮度必须达到视觉的阈值才能被看见

目标受干扰光点影响很大

屏幕以外的照明称为环境照明，当屏幕亮度与环境照明一致时，目标察觉、识别和追踪效果最好

6.屏幕设计

屏幕形状：

分方形和圆形，一般认为方形屏幕的目标观察和工作效率较高

屏幕的大小和位置：

一般视距范围为500mm到700mm，垂直和水平视角不小于30°为宜

7.屏幕显示终端作业的人机关系

作业情况：

按作业情况一般分四种作业：

文字处理，数据输入，资料查询，随机对话

屏幕显示终端设备与作业体位

键盘：

统一的标准便于操作、记忆，目前已经出现新型键盘

鼠标：

功能键少，操作简单；如何分配各指头的操作

屏幕和资料的位置：

屏幕位置最好垂直于操作者的视线；屏幕中心连线在视水平线15~20°之间为宜，资料宜放在操作者正前方，视距在350~700mm内较好

座椅：

应易于移动，且高度可调

8.视频显示器应用新技术

多媒体技术：

以Windows为代表的操作系统将形象生动的图文信息。

主要途径：

视觉，听觉，触觉，嗅