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1、第第11章章 安全人机工程学安全人机工程学基本理论的应用基本理论的应用 11.1 视频显示装置的安全视频显示装置的安全 人机工程学人机工程学l视频显示终端（视频显示终端（Visual Display Terminals，简称，简称VDT）包括计算）包括计算机、电视机、打印机、游戏机等显机、电视机、打印机、游戏机等显示装置。示装置。11.1.1 VDT对人体健康的影响对人体健康的影响l对对眼睛眼睛的影响的影响长期在视频显示终端屏幕前长期在视频显示终端屏幕前工作，感觉到视疲劳、视力模糊、调节功能出工作，感觉到视疲劳、视力模糊、调节功能出现障碍、眼角膜损失等症状。现障碍、眼角膜损失等症状。l骨骼肌肉
2、骨骼肌肉的反应的反应长期在屏前操作有颈酸、长期在屏前操作有颈酸、颈痛、肩痛、腰痛、背酸无力、手腕感到过度颈痛、肩痛、腰痛、背酸无力、手腕感到过度疲劳等症状。疲劳等症状。l对对神经行为神经行为的影响的影响长期从事长期从事VDT的作业者的作业者常感到处在常感到处在“精神紧张精神紧张”之中，常伴有头痛、之中，常伴有头痛、头晕、记忆力减退等症状发生头晕、记忆力减退等症状发生。11.1.2 对操作者健康的对操作者健康的 人机因素分析人机因素分析l视频显示器本身视频显示器本身l操作室的环境因素操作室的环境因素 l作业姿势的影响作业姿势的影响 11.1.3 对操作者健康的对操作者健康的 防护措施防护措施l1
3、.改善改善VDT操作室的环境操作室的环境 l2.减少减少VDT的电磁辐射的电磁辐射 l3.从安全人机工程的角度对从安全人机工程的角度对VDT操作室进操作室进行设计与改造行设计与改造 l4.作业者应保持合理的作业姿势作业者应保持合理的作业姿势 11.2 汽车运输作业中的安全汽车运输作业中的安全 人机工程学人机工程学 人的方面人的方面：驾驶人员和乘坐人员，尤其：驾驶人员和乘坐人员，尤其是主要驾驶人员的心理、生理状态对运是主要驾驶人员的心理、生理状态对运输作业系统的影响。输作业系统的影响。运输工具方面运输工具方面：操纵装置、显示装置、：操纵装置、显示装置、驾驶空间、坐席、视界及作业环境的驾驶空间、坐
4、席、视界及作业环境的微气候等。微气候等。环境方面环境方面：天气的影响、道路设施、：天气的影响、道路设施、交通标志、交通噪声、照明条件等。交通标志、交通噪声、照明条件等。11.2.1 汽车事故与人的作业研究汽车事故与人的作业研究l汽车交通事故是当前世界各国所面临的汽车交通事故是当前世界各国所面临的严重问题。据统计：自严重问题。据统计：自1885年发明汽车年发明汽车以来，已有以来，已有2000多万人死于车祸，全世多万人死于车祸，全世界每年平均有界每年平均有30万人死于交通事故，伤万人死于交通事故，伤残者就更不计其数。残者就更不计其数。影响驾驶疲劳的因素影响驾驶疲劳的因素 l1.驾驶人员生活上的因素
5、驾驶人员生活上的因素如家庭生活如家庭生活环境、劳累程度、生活条件等。环境、劳累程度、生活条件等。l2.驾驶过程中的因素驾驶过程中的因素如驾驶室内的温如驾驶室内的温度以及湿度是否适宜、车内噪声情况、车度以及湿度是否适宜、车内噪声情况、车内振动情况、坐席的舒适程度等。内振动情况、坐席的舒适程度等。影响驾驶疲劳的因素影响驾驶疲劳的因素l3.驾驶员的条件驾驶员的条件如体力、视力、身体如体力、视力、身体健康状况、年龄、经验以及性格等。健康状况、年龄、经验以及性格等。l4.驾驶的连续时间，它是造成司机疲劳的驾驶的连续时间，它是造成司机疲劳的主要原因之一。主要原因之一。11.2.2 汽车的人机系统设计汽车的
6、人机系统设计l1汽车坐椅设计汽车坐椅设计l2汽车的控制系统设计汽车的控制系统设计l3驾驶室的空间设计驾驶室的空间设计l4汽车的视野设计汽车的视野设计驾驶坐椅主要几何参数驾驶坐椅主要几何参数 方向盘与操纵器的综合方向盘与操纵器的综合设计布局设计布局 小汽车驾驶室脚踏板的空间布置小汽车驾驶室脚踏板的空间布置 11.2.3 交通管理与设施系统的改善交通管理与设施系统的改善l节约能源；节约能源；l防止噪声、振动、废气等公害；防止噪声、振动、废气等公害；l道路的专用化、现代化；道路的专用化、现代化；l交通系统管理的自动化；交通系统管理的自动化；l汽车小型化、轻量化等等。汽车小型化、轻量化等等。11.2.
7、4 驾驶可靠性的定量分析方法驾驶可靠性的定量分析方法l在驾驶中，对人的可靠性分析多引进在驾驶中，对人的可靠性分析多引进PS主因子（主因子（Key Performance Shaping Factor，简称，简称PS主因子）。主因子）。基本失误率与差错状态恢复度基本失误率与差错状态恢复度 FS、FO、FR分别代表感知基本失误率、判分别代表感知基本失误率、判断基本失误率以及动作基本失误率断基本失误率以及动作基本失误率 RS、RO与与RR分别代表理论上感知、判断决分别代表理论上感知、判断决策和动作的基本可靠度策和动作的基本可靠度 l引进驾驶差错状态恢复度引进驾驶差错状态恢复度C，对于感知、，对于感知
8、、判断决策与动作阶段其相应的判断决策与动作阶段其相应的CS,CO,CR表达式为：表达式为：l式中式中KS，KO与与KR分别表示感知、判断分别表示感知、判断决策与动作阶段驾驶差错状态恢复能力决策与动作阶段驾驶差错状态恢复能力的权重系数。的权重系数。驾驶可靠性模型驾驶可靠性模型I l理论上驾驶可靠度理论上驾驶可靠度R可表示为三个行为阶段可表示为三个行为阶段的可靠度乘积，即：的可靠度乘积，即：RRSRORR(1FS)(1FO)(1FR)（11-5）式中式中RS、RO与与RR分别为理论上感知、判断分别为理论上感知、判断决策与动作的基本可靠度，而决策与动作的基本可靠度，而FS、FO与与FR分别为理论上感
9、知、判断决策与动作的基本分别为理论上感知、判断决策与动作的基本失误率。失误率。l驾驶员在行车时，由于驾驶员在行车时，由于PS主因子的制约主因子的制约导致理论上驾驶可靠度与实际的驾驶可导致理论上驾驶可靠度与实际的驾驶可靠度有了偏差，因此（靠度有了偏差，因此（115）式便修改）式便修改为：为：考虑自适应性的驾驶可靠性模型考虑自适应性的驾驶可靠性模型II l即考虑自适应性的驾驶可靠性模型考虑自适应性的驾驶可靠性模型II l针对上图所示的驾驶可靠性模型针对上图所示的驾驶可靠性模型II，这时实际驾驶的可靠度，这时实际驾驶的可靠度R*为为11.3 航天人机环境系统中的航天人机环境系统中的 安全人机工程学问
10、题安全人机工程学问题l11.3.1 航天人机环境系统的航天人机环境系统的 研究对象与任务研究对象与任务 人的特点人的特点l航天员除了合适的身高和体重、良好的航天员除了合适的身高和体重、良好的心理素质和综合素质之外，还要求具有心理素质和综合素质之外，还要求具有良好的抗超重耐力、有较好的缺氧耐力、良好的抗超重耐力、有较好的缺氧耐力、有良好的心血管功能和前庭功能等。有良好的心血管功能和前庭功能等。机的特点机的特点l机为载人航天器，尤其是再入大气层时机为载人航天器，尤其是再入大气层时气动热十分严重、环境十分恶劣，因此气动热十分严重、环境十分恶劣，因此对飞行器的安全行、可靠性以及可维修对飞行器的安全行、
11、可靠性以及可维修性有很高的要求。性有很高的要求。基本任务基本任务l美国将人在航天中工作能力的增长大致划分为三个阶美国将人在航天中工作能力的增长大致划分为三个阶段：段：l第一阶段（第一阶段（1990年前），主要实现人安全容易地进入年前），主要实现人安全容易地进入空间并返回地面；在这个阶段中，航天员的作用是乘空间并返回地面；在这个阶段中，航天员的作用是乘客、操作者、观察者及实验者；客、操作者、观察者及实验者；l第二阶段（第二阶段（19902000年），主要实现人在近地球年），主要实现人在近地球轨道空间永久性居住，航天员的作用主要是科学家、轨道空间永久性居住，航天员的作用主要是科学家、维修者、探索者
12、；维修者、探索者；l第三阶段（第三阶段（2000年以后），实现人在空间中有限的自年以后），实现人在空间中有限的自给自足，人的作用是服务人员、工人、建造者、生产给自足，人的作用是服务人员、工人、建造者、生产者及月球居民。者及月球居民。l如何在航天特殊环境下将航天员、如何在航天特殊环境下将航天员、航天飞行器以及航天环境有机结合航天飞行器以及航天环境有机结合起来以确保载人航天工程的顺利进起来以确保载人航天工程的顺利进行，这正是航天人机环境系统行，这正是航天人机环境系统的工作者所肩负的任务。的工作者所肩负的任务。11.3.2 航天特殊环境下所面临的航天特殊环境下所面临的 安全人机工程学问题安全人机工程
13、学问题l压力制度压力制度l超重与失重超重与失重l低压与缺氧问题低压与缺氧问题l空间孤独以及相容性问题空间孤独以及相容性问题压力制度压力制度l压力制度是指飞行员与航天员居住压力制度是指飞行员与航天员居住的增压密闭舱和穿着的防护服的内的增压密闭舱和穿着的防护服的内环境所采用的何种气体和多高的工环境所采用的何种气体和多高的工作压力。作压力。压力制度基本要求压力制度基本要求l1 确保航天员的安全与健康，即防低压、又防缺氧对确保航天员的安全与健康，即防低压、又防缺氧对人体的伤害；人体的伤害；l2 舱压和航天服压力的合理匹配，既能减少座舱意外舱压和航天服压力的合理匹配，既能减少座舱意外减压对人体的影响，又
14、便于出舱活动；减压对人体的影响，又便于出舱活动；l3 要有利于座舱环境的控制系统和航天服系统的工程要有利于座舱环境的控制系统和航天服系统的工程实现，并且具有高度的可靠性；实现，并且具有高度的可靠性；l4 环境控制系统的诸参数应该匹配合理，有利于实现环境控制系统的诸参数应该匹配合理，有利于实现“安全、高效、经济安全、高效、经济”的总体目标。的总体目标。超重与失重超重与失重l令为地球对物体的引力，为物体运动的加速度，令为地球对物体的引力，为物体运动的加速度，因此有因此有 l早期飞船发射时，超重曲线峰值时的早期飞船发射时，超重曲线峰值时的G值为值为68，作用时间每级，作用时间每级100200S左右；
15、返回时左右；返回时峰值的峰值的G值为值为810，持续时间，持续时间200S左右。随左右。随着火箭技术和再入大气层技术的不断完善与改着火箭技术和再入大气层技术的不断完善与改进，飞船起飞时的进，飞船起飞时的G值大约在值大约在45左右，返回左右，返回时大约为时大约为57；对于航天飞机已实现了滑翔回；对于航天飞机已实现了滑翔回收，减速过载的收，减速过载的G值已降到值已降到2以下。以下。常用加速度术语及矢量符号常用加速度术语及矢量符号 失重环境下人体的主要生理反应失重环境下人体的主要生理反应l神经前庭系统神经前庭系统主要症状是眩晕、恶心，有时发生主要症状是眩晕、恶心，有时发生呕吐和产生错觉，全身感到不舒
16、服，无法工作，影响呕吐和产生错觉，全身感到不舒服，无法工作，影响了航天员的效率。了航天员的效率。l心血管系统心血管系统航天员处于失重环境后数天便可出现航天员处于失重环境后数天便可出现心血管功能下降，主要表现在有的航天员心电图心律心血管功能下降，主要表现在有的航天员心电图心律不齐等现象。不齐等现象。l血液和电解质血液和电解质航天飞行后，许多航天员都出现了航天飞行后，许多航天员都出现了红细胞容积减少，红细胞容积减少，l骨骼与肌肉系统骨骼与肌肉系统航天员在太空停留会发生骨质丧航天员在太空停留会发生骨质丧失、骨质疏松和骨骼肌萎缩的现象。失、骨质疏松和骨骼肌萎缩的现象。空间孤独以及相容性问题空间孤独以及
17、相容性问题l思乡病与恐惧症思乡病与恐惧症在狭小的舱室中居在狭小的舱室中居住的航天员会产生抑制不住的孤独感、住的航天员会产生抑制不住的孤独感、烦闷感和恐惧感。烦闷感和恐惧感。l人际关系人际关系长期的太空飞行还会造成长期的太空飞行还会造成航天员的一些心理障碍，例如乘员之间航天员的一些心理障碍，例如乘员之间相互不协调、不满意对方，甚至与地面相互不协调、不满意对方，甚至与地面工作人员产生对抗情绪。工作人员产生对抗情绪。11.4 车辆人机环境系统中车辆人机环境系统中 乘员热舒适性的数值计算乘员热舒适性的数值计算 11.4.1 人体皮肤温度的确定人体皮肤温度的确定 11.4.2 人体热舒适性的计算人体热舒
18、适性的计算 11.4.3 典型算例与分析典型算例与分析车室内人体热舒适性计算的总框图车室内人体热舒适性计算的总框图 车室内三维流场和温度的计算车室内三维流场和温度的计算l三维、湍流、雷诺平均三维、湍流、雷诺平均Navier-Stokes方程瞬态时方程瞬态时方程组的形式为方程组的形式为l连续方程：连续方程：（1115）l动力学方程：动力学方程：（1116）l或者或者 （1117）l能量方程：能量方程：（1118）l或者或者 （1119）l式中式中 ，e与分别表示瞬态时的密度、与分别表示瞬态时的密度、压强、速度、粘性应力张量、应力张量、单位体积所具压强、速度、粘性应力张量、应力张量、单位体积所具有
19、的广义内能与由于传热而导致的热流矢；有的广义内能与由于传热而导致的热流矢；为热传为热传导系数。导系数。在直角坐标系下（在直角坐标系下（1115）、（）、（1117）与）与（1119）式可写为）式可写为：边界条件（以定常流动为例）边界条件（以定常流动为例）l进口边界条件（即车的进风口）：给进口的总进口边界条件（即车的进风口）：给进口的总压、总温、进口马赫数等；压、总温、进口马赫数等；l出口边界条件（即车的出风口）：认为沿出口边界条件（即车的出风口）：认为沿z向向出气时出气时 l车室的内壁面边界条件：速度给无滑移车室的内壁面边界条件：速度给无滑移条件；壁面温度给出温度的分布；认为条件；壁面温度给出
20、温度的分布；认为物面满足非穿透边界条件，物面的压强物面满足非穿透边界条件，物面的压强值由法向动量方程决定。值由法向动量方程决定。l人体表面的边界条件：速度给无滑移条人体表面的边界条件：速度给无滑移条件；给定人体表面皮肤温度的分布；人件；给定人体表面皮肤温度的分布；人体表面的压强值也由法向动量方程决定。体表面的压强值也由法向动量方程决定。车室的简化几何形状车室的简化几何形状 有驾驶员与乘员的车室图有驾驶员与乘员的车室图 人体生物热方程的计算人体生物热方程的计算 l将人体划分为将人体划分为15个不同的节段，即头、颈、躯个不同的节段，即头、颈、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和脚，如图干、上臂、前臂
21、、手、大腿、小腿和脚，如图11.9所示。所示。l在人体节段的模型中又将每一个节段进一步分在人体节段的模型中又将每一个节段进一步分为四个不同的层即核心层、肌肉层、脂肪层和为四个不同的层即核心层、肌肉层、脂肪层和皮肤层如图皮肤层如图11.10所示所示。图图11.9人体节段划分示意图人体节段划分示意图 图图11.10节段分层示意图节段分层示意图 l对于人体的某个节段而言，一般的热平对于人体的某个节段而言，一般的热平衡方程为：衡方程为：（1119）边界条件边界条件 l径向满足：径向满足：l周向满足：周向满足：l在不同层的界面处在不同层的界面处：l式中式中R0为所考虑的人体节段的半径，为所考虑的人体节段
22、的半径，qc为体表为体表与环境间的对流换热，与环境间的对流换热，qr为体表与环境间的辐射为体表与环境间的辐射换热，换热，qe为人体蒸发散热，为人体蒸发散热，qs为太阳对人体的为太阳对人体的辐射换热。应指出的是，这里辐射换热。应指出的是，这里qe应该包括皮肤有应该包括皮肤有感蒸发、无感蒸发与呼吸换热三部分。很显然，感蒸发、无感蒸发与呼吸换热三部分。很显然，有感蒸发项可以通过人体热调节系统中的控制分有感蒸发项可以通过人体热调节系统中的控制分系统得到。系统得到。l生物热方程（生物热方程（1119）式的求解可采用）式的求解可采用有限差分法进行离散，用时间推进法进有限差分法进行离散，用时间推进法进行求解
23、以获得皮肤温度与核心温度。行求解以获得皮肤温度与核心温度。11.4.2 人体热舒适性的计算人体热舒适性的计算l采用采用EQT指标评定，其表达式为指标评定，其表达式为：l式中式中(Teq)i为第为第i节段的当量温度；节段的当量温度；(Ts)i为第为第i节节段的表面温度；段的表面温度；(vair)i为第为第i节段周围的空气速节段周围的空气速度，度，Si为第为第i节段的表面积，节段的表面积，(hcal)i为在标准环为在标准环境下感受器标定时的对流换热系数，境下感受器标定时的对流换热系数，为斯蒂为斯蒂芬波尔兹曼常数；芬波尔兹曼常数；i为第为第i节段的发射率，节段的发射率，（fi，n）为第）为第i节段对
24、座舱的节段对座舱的n表面而言的角系表面而言的角系数；数；(TS)i为第为第i节段的皮肤温度，节段的皮肤温度，Tn为座舱为座舱n表面处的温度，表面处的温度，Qsol为人体得到的太阳辐射。为人体得到的太阳辐射。冬季情况下人体的热舒适范围冬季情况下人体的热舒适范围 夏季情况下人体的热舒适范围夏季情况下人体的热舒适范围 11.4.3 典型算例与分析典型算例与分析1、车室的主要几何参数以及相关输入参数车室的主要几何参数以及相关输入参数2、关于流场计算的几个典型算例、关于流场计算的几个典型算例3、关于人体生物热方程求解的典型算例、关于人体生物热方程求解的典型算例4、人体热舒适性的、人体热舒适性的EQT评价
25、及算例评价及算例二维无人车室内气流速度场的等值线二维无人车室内气流速度场的等值线 二维载人车室内气流速度场的等值线二维载人车室内气流速度场的等值线 载人车室三维计算载人车室三维计算 Y0.0mm处的速处的速度场等值线（含右胳膊）度场等值线（含右胳膊）载人车室三维计算载人车室三维计算 Y230mm处的速处的速度场等值线（含躯体）度场等值线（含躯体）载人车室三维计算载人车室三维计算Y 460mm处的速处的速度场等值线（含左胳膊）度场等值线（含左胳膊）载人车室三维计算载人车室三维计算Y230mm处的温处的温度场等值线（含躯体）度场等值线（含躯体）人体各节段皮肤表面温度的分布人体各节段皮肤表面温度的分布程序初始化菜单程序初始化菜单 人体热舒适性的人体热舒适性的EQT评价及算例评价及算例 图中两条粗实线为文献图中两条粗实线为文献520给出的热给出的热舒适边界线，图中黑点和圆圈为我们舒适边界线，图中黑点和圆圈为我们计算的结果，其中圆圈代表驾驶员身计算的结果，其中圆圈代表驾驶员身体的右侧值，黑点代表身体左侧的值。体的右侧值，黑点代表身体左侧的值。算例中司机的热舒适状况图算例中司机的热舒适状况图