2005 年全国注册安全工程师应试辅导讲座

科目 3 ：

安全生产技术主讲人：张兴容

上海市劳动保护科学研究所

2005. 7

第四章 安全人机工程

第一节 安全人机工程基本知识 主要内容：安全人机工程的定义，研究内

容，人机系统的类型，机械设计本质安全。 一、安全人机工程的概念、主要研究内容及其分类

( 一 ) 安全人机工程的定义 安全人机工程是研究人机环境系统的安全本质，

并使三者从安全的角度上达到最佳匹配，以确保系统高效、经济运行的一门应用科学。

( 二 ) 安全人机工程的主要研究内容

安全人机工程在所研究的诸多因素中，主要是研究人与机器的关系，主要内容包括如下 4 个方面：

⑴ 分析机械设备及设施在生产过程中存在的不安全因素，并有针对性地进行可靠性设计、维修性设计、安全装置设计、安全启动和安全操作设计及安全维修设计等

⑵ 研究人的生理和心理特性，分析研究人和机器各自的功能特点，进行合理的功能分配，以构成不同类型的最佳人机系统。

⑶ 研究人与机器相互接触、相互联系的人机界面中信息传递的安全问题。

⑷ 分析人机系统的可靠性，建立人机系统可靠性设计原则，据此设计出经济、合理以及可靠性高的人机系统。

在人机系统中人始终起着核心和主导作用，机器起着安全可靠的保证作用。解决安全问题的根本是实现生产过程的机械化和自动化，让工业机器人代替人的部分危险操作，从根本上将人从危险作业环境中彻底解脱出来，实现安全生产。

（三）人机系统的类型

人机系统主要有两类，一类为机械化、半机械化控制的人机系统；一类为全自动化控制的人机系统。

机械化、半机械化控制的人机系统，人机共体，或机为主体，系统的动力源由机器提供，人在系统中主要充当生产过程的操作者与控制者，即控制器主要由人来操作。在控制系统中设置监控装置，如果人操作失误，机器会拒绝执行或提出警告。

在全自动化控制的人机系统中，以机为主体，机器的正常运转完全依赖于闭环系统的机器自身的控制，人只是一个监视者和管理者，监视自动化机器的工作。只有在自动控制系统出现差错时，人才进行干预，采取相应的措施。

二、机器设计本质安全

（一）机械设计本质安全的定义 机械设计本质安全是指机械的设计者，在

设计阶段采取措施来消除安全隐患的一种机械安全方法。包括在设计中排除危险部件，减少或避免在危险区处理工作需求，提供自动反馈设备并使运动的部件处于密封状态之中等。

（二）机械失效安全

机械设计者应该在设计中考虑到当发生故障时不出危险。

这一类装置包括操作限制开关，限制不应该发生的冲击及运动的预设制动装置，设置把手和预防下落的装置，失效安全的限电开关等。

（三）机械部件的定位安全

把机械的部件安置到不可能触及的地点，通过定位达到安全的目的。设计者必须考虑到人在正常情况下不会触及到部件，而在某些情况下可能会接触到，例如登着梯子对机械进行维修等情况。

（四）机器的安全布置

在车间内对机器进行合理的安全布局，可以使事故明显减少，布局时要考虑如下因素：

⑴ 空间：便于操作、管理、维护、调试和清洁。 ⑵ 照明：包括工作场所的通用照明（自然光及

人工照明，但要防止眩目）和为操作机器而需的照明。

⑶ 管、线布置：不要妨碍在机器附近的安全出入、避免磕绊，有足够的上部空间。保证维修时人员的出入安全。

第二节 人的特性

主要内容： 人的生理因素包括：感觉器官（视觉、听觉）、机能特性（反应时间）、形态特性（人体特征参数）、生理节奏、疲劳等；

人的心理因素包括：心理过程（认识与情感意志）、个性心理（能力、性格、气质与需要、动机）

一、人的生理因素与安全的关系 （一）人的感觉与感觉器官

1．视觉 ⑴ 常见的几种视觉现象 ⑵ 视觉损伤与视觉疲劳 ⑶ 视觉的运动规律

2．听觉 听觉的功能有分辨声音的高低和强弱，还可以判断环境中声源的方向和远近。

⑴ 听觉特性 ⑵ 听觉的掩蔽 3．人的感觉反应 人们在操纵机械或观察识别事物时，从开始操纵、观察、识别到采取动作，存在一个感知时间过程，即存在一段反应时间。

⑴ 反应时间

反应时间是指人从机器或外界获得信息，经过大脑加工分析发出指令到运动器官开始执行动作所需的时间。反应时间是从包括感觉反应时间（从信息开始刺激到感觉器官有感觉所用时间）到开始动作所用时间（信息加工、决策、发令开始执行所用时间）的总和。

由于人的生理心理因素的限制，人对刺激的反应速度是有限的。一般条件下，反应时问约为 0.1～ 0.5 s 。对于复杂的选择性反应时间达 1～ 3 s ，要进行复杂判断和认识的反应时间平均达 3～ 5 s ，具体的带有判别的反应时间 t 可用下式求得：

t = k log2 (n+1)

式中， k 为常数； n 为等概率出现的选择对象数； (n+1) 是考虑判明是否出现刺激。

为了保证安全作业，一方面在机器设计中，应使操纵速度低于人的反应速度。另一方面应设法提高人的反应速度。

⑵ 减少反应时间的途径

一般来说，机器设备的情况、信息的强弱和信息状况等外界条件是影响反映时间的重要因素；而机器的外观造型和操纵机构是否适宜于人的操作要求，以及操作者的生物力学特性等，则是直接影响动作时间的重要因素。

① 合理地选择感知类型。比较各类感觉的反应时间，发现听觉和知觉反应时间最短，约 0.1～0.2s ，其次是触觉和视觉。所以在设计各类机器时，应根据操纵控制情况，合理选择感觉通道，尽量选用反应时间短的通道去控制和调节机器。

② 适应人的生理心理要求，按人机工程学原则设计机器。

③ 操作者操作技术的熟练程度直接影响反应速度，应通过训练来提高人的反应速度。

( 二 ) 人体的特性参数

与产品设计和操纵机器有关的人体特性参数很多，归纳起来有如下 4 类：

⑴ 静态参数 静态参数是指人体在静止状态下测得的形态参数，也称

人体的基本尺度，如人体高度及各部分长度尺寸。我国6大区域人体尺寸及体重见表 4—1 。

⑵ 动态参数 动态参数是指在人体运动状态下，人体的动作范围，主

要包括肢体的活动角度和肢体所能达到的距离等两方面的参数。如手臂、腿脚活动时测得的参数。

⑶ 生理学参数 生理学参数主要是指有关的人体各种活动和工作引起的

生理变化，反映人在活动和工作时负荷大小的参数， 包括人体耗氧量、心脏跳动频率、呼吸频率及人体表面积和体积等。

⑷ 生物力学参数 生物力学参数主要指人体各部分（如手掌、前臂、上臂、躯干（包括头、颈）、大腿和小腿、脚等）出力大小的参数，如握力、拉力、推力、推举力、转动惯量等。

( 三 ) 大脑的觉醒水平与生理节奏

1. 大脑的觉醒水平 大脑的觉醒水平划分为 5 个等级。从表中可

以看出，Ⅲ级觉醒水平是最佳觉醒状态 , 工作能力最强 , 但这种状态只能维持 15min 左右。在超常态（Ⅳ级）下 , 由于过度紧张 , 造成精神恐慌 , 失误率也会明显增高。

2. 人体生物节律

人体存在着一个以 23d 为周期的体力盛衰和以 28d 为周期的情绪波动规律，以 33d 为周期的智力波。人处于正半周期为高潮期，这时人的心情舒畅，精力充沛，工作成功率高；负半周期为低潮期 , 这时人的心情不佳 , 容易疲劳、健忘 , 工作成绩低。正弦曲线与横轴交点这一天称为“临界点”。 3 个临界点互不重叠称单临界点 , 两个临界点重叠称双临界点 ,3 个临界点重叠称 3 临界点 ,临界点前后各一天称临界期 , 临界期也包括 3 个周期在负半周的重叠日期。在临界点或临界期 , 体力、情绪和智力极不稳定 , 最易发生事故。

( 四 ) 疲劳

1. 疲劳的定义 疲劳分为肌肉疲劳 ( 或称体力疲劳 ) 和

精神疲劳 ( 或称脑力疲劳 ) 两种。肌肉疲劳是指过度紧张的肌肉局部出现酸痛现象 , 一般只涉及大脑皮层的局部区域。而精神疲劳则与中枢神经活动有关 , 它是一种弥散的、不愿意再作任何活动和懒惰的感觉 , 意味着肌体迫切需要休息。

2.产生疲劳的原因及消除途经

⑴ 疲劳的原因 超过生理负荷的激烈动作和持久的体力或脑力

劳动、作业环境不良、单调乏味的工作、不良的精神因素、肌体状况不良以及长期劳逸安排不当等人的生理、心理因素及管理方面的因素 , 都是造成疲劳的原因。另外 , 机器本身在设计制造时 , 没有按人机工程学理论设计或设计不周 , 也是人体过早出现疲劳的原因。

⑵ 消除疲劳的途径 消除疲劳的途径归纳起来有以下几方面：在进行显

示器和控制器设计时应充分考虑人的生理心理因素； 通过改变操作内容、播放音乐等手段克服单调乏味的作业；改善工作环境 , 科学地安排环境色彩、环境装饰及作业场所布局，合理的温湿度，充足的光照等；避免超负荷的体力或脑力劳动，合理安排作息时间，注意劳逸结合等。

⑶ 疲劳的测定

二、人的心理因素

（一）能力 （二）性格 （三）气质 （四）需要与动机 （五）情绪与情感 （六）意志

第三节机械的安全特性及故障诊断技术

主要内容：机械安全的定义及特性，人机系统常见事故及原因，机械设备故障诊断技术。

一、机械安全的定义及特性 （一）机械安全定义 （二）机械安全的特性

现代机械安全应具有以下几方面的特性 :

1. 系统性 现代机械的安全应建立在心理、信息、控制、可靠性、

失效分析、环境学、劳动卫生、计算机等科学技术基础上 , 并综合与系统地运用这些科学技术。

2. 防护性 通过对机械危险的智能化设计，应使机器在整个寿命

周期内发挥预定功能，包括误操作时 , 其机器和人身均是安全的 , 使人对劳动环境、劳动内容和主动地位的提高得到不断改善。

3. 友善性 机械安全设计涉及到人和人所控制的机器 , 它在人与机器之间建立起一套满足人的生理特性、心理特性 , 充分发挥人的功能的、提高人机系统效率的安全系统 , 在设计中通过减少操作者的紧张和体力来提高安全性 , 并以此改善机器的操作性能和提高其可靠性。

4. 整体性 现代机械的安全设计必须全面、系统地对导致危险的因素

进行定性、定量分析和评价 , 整体寻求降低风险的最优设计方案。

二、人机系统常见的事故及其原因

( 一 ) 常见的事故 1. 卷入和挤压 这种伤害主要来自旋转机械的旋转零部件 ,

即两旋转件之间或旋转件与固定件之间的运动将人体某一部分卷入或挤压。这是造成机械事故的主要原因 , 其发生的频率最高 , 约占机械伤害事故的 47.7% 。

2. 碰撞和撞击 这种伤害主要来自直线运动的零部件和飞来物或坠落

物。例如 , 做往复直线运动的工作台或滑枕等执行件撞击人体；高速旋转的工具、工件及碎片等击中人体；起重作业中起吊物的坠落伤人或人从高层建筑上坠落伤亡等。

3. 接触伤害 接触伤害主要是指人体某一部分接触到运动或静止机械的尖角、棱角、锐边、粗糙表面等发生的划伤或割伤的机械伤害和接触到过冷过热及绝缘不良的导电体而发生冻伤、烫伤及触电等伤害事故。

( 二 ) 事故原因 1. 机械设备存在先天性潜在缺陷

属于这一类的潜在安全隐患涉及面很广 , 从设计到制造诸如零件材料缺陷及材料选择不当、基础设计不当、强度计算不准、结构设计不当、操纵控制机构设计不当、显示装置设置不当、无安全防护装置以及制造中的加工装配不当等等。

2. 设备磨损或恶化 使用过程中由于磨损、老化降低了设备的可靠性而产生新

的潜在危险因素 , 如裂纹、腐蚀等缺陷 , 但由于未被发现而“带病”运转。

3. 人的不安全行为 有的是由于安全意识差而做的有意的行为或错误的行为 ,

有的则是由于人的大脑对信息处理不当而所做的无意行为 , 如误操作或误动作。人的任何一种不安全行为都可能导致事故发生。

绝大多数人机事故是可以采取故障诊断等预先识别技术加以防范的。

三、机械设备故障诊断技术

( 一 ) 机械设备状态监测及故障诊断模型 故障诊断是研究机械设备运行状态变化的信息 ,

进而识别、预测和监视机械运行状态的技术方法。

在设备状态监测和故障诊断中 , 设备的状态向量是设备异常或故障信息的重要载体，是设备故障诊断的客观依据，所以及时而正确地掌握状态向量是进行诊断的先决条件，为此就要用传感器或其他检测手段进行状态信号的监测。

( 二 ) 故障诊断的基本流程及实施步骤

故障诊断包括诊断文档建立和诊断实施两大部分。 诊断实施过程是故障诊断的中心工作，它可以细分为 4 个基本步骤 :

(1) 信号检测。按不同诊断目的选择最能表征设备状态的信号 , 对该类信号进行全面地检测 , 并将其汇集在一起 , 形成一个设备工作状态信号子集 , 该子集称为初始模式向量。

(2) 特征提取 ( 或称信号处理 ) 。将初始模式向量进行维数变换、形式变换 , 去掉冗余信息 , 提取故障特征 , 形成待检模式。

(3) 状态识别。将待检模式与样板模式 ( 故障档案 )对比 , 进行状态分类。

(4) 诊断决策。根据判别结果采取相应的对策。对策主要是指对设备及其工作进行必要的预测和干预。

( 三 ) 故障诊断与状态监测 故障诊断与状态监测是广义故障诊断中不可分割的两个

有机组成部分。严格地讲 , 状态监测和故障诊断是两个不同的概念。状态监测一般由现场操作人员进行。故障诊断则一般由专门人员进行 , 他们只是在确定设备已发生异常的基础上对异常设备进行处理，提取故障特征 , 识别设备状态并提出诊断决策。虽然理论上两者是有根本差异的 , 但实际中由于两者的密切相关性 , 往往把状态监测也划归在故障诊断的研究范畴中 , 统称为设备的故障诊断与监测或简称为故障诊断。由于状态监测是故障诊断的前提 , 因此有时也把状态监测称为故障诊断实施的第一阶段 , 而把狭义故障诊断称为故障诊断实施的 第二阶段。

（四）振动监测与诊断技术 故障诊断与状态监测的技术包括振动监测

与诊断技术等内容。

第四节 机械的可靠性设计与维修性设计

主要内容：机械的可靠性度量指标，可靠性设计，维修设计。

一、可靠性的度量指标 1.可靠度

可靠度数值应根据具体产品的要求来确定 , 一般原则是根据故障发生后导致事故的后果和经济损失而定。

2. 故障率 ( 或失效率 ) 故障率是指工作到 t 时刻尚未发生故障的

产品 , 在该时刻后单位时间内发生故障的概率。故障率也是时间的函数 , 记为 λ（ t ），称为故障率函数。

产品在其整个寿命期间内各个时期的故障率是不同的 , 其故障率随时间变化的曲线称为寿命的曲线 , 也称浴盆曲线。

产品的失效过程可分为 3个阶段： ⑴早期故障期。产品在使用初期，由于材质、设计、制造、

安装及调整等环节造成的缺陷，或检验疏忽等原因存在的固有缺陷陆续暴露出来，此期间故障率较高，但经过不断的调试和排除故障，加之相互配合件之间的磨合，使故障率较快地降下来 , 并逐渐趋于稳定运转。

⑵偶发故障期。这个期间的故障率降到最低，且趋向常数，表示产品处于正常工作状 态。这段时间较长，是产品的最佳工作期。这时发生的故障是随机的，是偶然原因引起应力增加，当应力超过设计规定的额定值时，就可能发生故障。

⑶磨损故障期。这个时期的故障迅速上升 , 因为产品经长期使用后 , 由于磨损和老化 , 大部分零组部件将接近或达到固有寿命期 , 所以故障率较高。

3. 平均寿命 ( 或平均无故障工作时间 )对非维修产品称平均寿命 , 其观测值为产品发生失效前的平均工作时间 , 或所有试验产品都观察到寿命终了时，们寿命的算术平均值 3于维修产品来说 , 称平均无故障工作时间或平均故障问隔时间 , 其观测值等于在使用寿命周期内的某段观察期间累积工作时 间与发生故障次数之比。

4. 维修度 维修度是指维修产品发生故障后 , 在规定条件 ( 备件贮备、维修工具、维修方法及维修技术水平等 ) 和规定时间内能修复的概率 , 它是维修时间 r 的函数 , 用 M （ z ）表示 , 称为维修度函数。

5. 有效度 狭义可靠度 R(t) 与维修度 M (τ ) 的综合称为有效度 ,

也称广义可靠度。其定义是 , 对维修产品 , 在规定的条件下使用 , 在规定维修条件下修理 , 在规定的时间内具有或维持其规定功能处于正常状态的概率。

二、系统或产品的可靠性预计

产品的可靠性预计是根据零组部件的可靠性数据来预算产品的可靠性指标 , 如可靠度、故障率或平均寿命等。

可靠性预计的目的是为可靠性设计选择最佳设计方案提供可靠依据 , 且在产品定型投产之前就可以对新产品的可靠性做出估计 , 若达不到预定指标 , 就可以针对发现的问题及时进行改进设计 , 从而取得事半功倍的效果。

( 一 ) 串联系统的可靠性预计

串联系统的可靠性表示系统中所有单元均正常时 , 系统才能正常工作。 串联系统的可靠性有如下特点 :

⑴ 串联系统中单元数越多 , 则系统的可靠性越低；各单元本身的可靠性越低 , 则系统的可靠性越低。

⑵ 串联系统的可靠性 Rs （ t ） 总是小于系统中可靠度最低单元的可靠性 Rimin, 而且其寿命取决于该单元的寿命。

( 二 ) 并联系统的可靠性预计

并联系统可靠性表示系统中只要有一个单元能正常工作 , 系统就能正常工作。 并联系统的可靠度好像钢丝绳的可靠性 , 只有当所有钢丝绳均断裂 , 钢丝绳才能完全断开。当然 , 当断丝数达到一定数量就得降级使用或报废。钢丝绳的寿命是由寿命最长的那股钢丝决定的 , 故并联系统又称绳索模型。

( 三 ) 串并联系统的可靠性预计

任何一个串—并联系统总可以看成是由一些串联式和并联式子系统组合而成。在进行串一并联系统的可靠性预计时 , 只要用上述方法分别求出各子系统的可靠度 , 就可以使系统可靠性框图逐步简化 , 最后总可以简化成一个简单的串联系统或并联系统 , 于是可求出整个系统的可靠度。

三、机械设备结构可靠性设计要点

（一） 确定零件合理的安全系数安全系数是指零件在理论上计算的承载能力与实际所能承担的负荷之比值。确定安全系数时应考虑以下几个因素 :

1. (1)    环境条件的影响如温度、湿度、冲击、振动等； (2) 使用中发生超负荷或误操作时的后果； (3) 为提高安全系数所付出的经济代价是否合算等。 安全系数的

提高应通过优化结构设计来达到 , 而不是简单地通过增加构件尺寸、增加重量或增加费用等方法来实现。

( 二 ) 贮备设计 ( 冗余设计 )

（三）其他设计

四、维修性设计

( 一 ) 维修及维修性 所谓维修是指使产品保持在正常使用和运行状态 , 以及

为排除故障或缺陷所采取的一切措施 , 包括设备运行过程中的维护保养、设备状态监测与故障诊断以及故障检修、调整和最后的验收试验等直至恢复正常运行等一系列工作。简言之 , 为保持或恢复产品规定功能采取的技术措施叫做维修。

维修性是指对故障产品修复的难易程度 , 即在规定条件和规定时间内 , 完成某种产品维修任务的难易程度。

( 二 ) 产品结构的维修性设计 维修性设计是指产品设计时 , 设计师应从维修

的观点出发 , 保证当产品一旦出故障 , 能容易地发现故障 , 易拆、易检修、易安装 , 即可维修度要高。维修度是产品的固有性质 , 它属于产品固有可靠性的指标之一。维修度的高低直接影响产品的维修工时、维修费用 , 影响产品的利用率。维修性设计中应考虑的主要问题有可达性、零组部件的标准化和互换性等内容。

( 三 ) 可靠性设计与维修性设计的关系 可靠性设计和维修性设计是从不同的角度来保证产品的可靠性。前者着重从保证产品的工作性能出发 , 力求不出故障或少出故障 , 是解决本质安全问题 , 在方案设计和结构设 计阶段就设法消除危险与有害因素；后者则是从维修的角度考虑 , 一旦产品发生故障 , 其本身就能自动及时发现故障 , 并且显示故障或发出警报信号 , 并能自动排除故障或中止故障。

第五节 人机系统 主要内容：人机信息及能量交换系统模型、人机系统人

机功能分配、人机系统可靠性计算、人机系统可靠性设计基本原则。

一、人机信息及能量交换系统模型 人机系统的任何活动实质上是信息及能量的传递和交换。人机之间在进行信息及能量的传递和交换中 , 首先是人的感觉器官 ( 眼、耳等 ) 从显示装置上感受到机器及环境作用 于人的信息 , 经大脑中枢神经的综合、分析、判断做出决策 , 然后命令运动器官 ( 手或脚 ) 向机器的控制器发出控制信息 , 即操纵机器相应的执行机构 ( 手柄或按钮等 ) 完成各种相虚的运动机能 ( 移动或转动 ), 且将控制的效果反映在显示器上 , 构成一个信息及能量传递的闭环系统。到此 , 人机系统完成了一次功能循环。

二、人机系统 在人机系统中 , 人与机器为完成一定功能 , 各自发挥自己的

作用 , 又必须相互联系 , 相互配合 , 二者之间有着相互依存、相互影响、又相互制约的关系 , 而且这些关系随系统自动化程度的变化而变化。

为了取得人机系统的最佳效果 , 对人和机分别提出“人适应于机”、“机适宜于人” 的不同要求 , 即“人适机”“与机宜人”。所谓“机宜人”是指机器作为人从事生产和生活活 动的工具 , 要求设计、制造出来的机器应尽量满足使用者的体格、生理、心理等条件的要求 , 做到显示的信息便于接受、判断 , 控制系统的尺寸、力度、位置、结构、形式等均应适合操作者的生理要求 , 工具、器具及用品等的使用得心应手 , 人所处的作业空间安全舒适 , 达到有利于人的身心健康 , 有利于发挥劳动者的效能和效率。

人适机是指使人去适应机器的要求。机器的结构决定了其客观的运动规律 , 其操作环 a 境也会因各种因素在时间和空间上受到某种限制 , 如经济上的可行性、技术上的可能性、机器本身性能要求的条件以及使用机器时的外界环境条件 ( 如高温、高压作业 ) 等。为了适应机器的这些情况 , 就需要对人的因素予以限制 , 对人进行教育、训练 , 并且尽量发挥人的因素 , 利用有一定可塑性这一特点。

在人机系统中 , 机宜人与人适机是相对的。机适宜于人是以人的因素为条件的 , 而人的因素是比较复杂的 , 而且是变化的 , 有的是随时代的进步而变化 , 有的是因时、因地、因性别、因年龄等不同而变化；人的因素有的可量化 , 有的则难以准确量化。机器本身也在不断发展 , 自动化程度越来越高 , 控制系统智能化 , 所以机适宜于人的程度也在不断提高。 而人适应于机的程度是有限的 , 因为尽管人的因素有一定的可塑性 , 但是毕竟有一定的限度。解决的办法是通过学习和训练 , 提高人的文化和技术素质 , 或采取必要的辅助措施 ( 如使用劳保用品等 ) 去适应机器的要求。

三、人机功能分配

在人机系统中 , 人与机完成各自的功能 , 只有二者合理配合 , 协调一致 , 才能使人机 系统达到最佳效果。为此 , 需要深入了解和研究人机各自的特征 , 进行比较 , 扬长避短 , 充分发挥各自的特长。

( 一 ) 人在人机系统中的主要功能 人在人机系统中主要有 3 种功能 :

(1) 传感功能。通过人体感觉器官的看、听、摸等感知外界环境的剌激信息 , 如物体、事件、机器、显示器、环境或工作过程等 , 将这些刺激信息作为输入传递给人的中枢神经。

(2) 信息处理功能。大脑对感知的信息进行检索、加工、判断、评价 , 然后做出决策。

(3) 操纵功能。将信息处理的结果作为指令 , 指挥人的行动 , 即人对外界的刺激作出反应 , 如操纵控制器、使用工具、处理材料等 , 最后达到人的预期目的 , 如机器被开动运转、零件被加工成形、机器的故障已被排除、缺陷零件已被修复或者更换等。

( 二 ) 人机特性的比较 人体本身就是一部复杂的、特殊的机器。

人与机器的特性包括许多内容 , 但就从人机系统中信息及能量的接受、传递、转换过程来讲 , 我们可以归纳为以下 4 个方面来比较 , 即信息感受、信息处理和决策、操作反应、工作能力等。

（三）人机功能分配原则

四、人机系统可靠性计算

（一）系统中人的可靠性计算 （二）人机系统的可靠性计算 1. 两人监控人机系统的可靠度 (1) 异常状况时，相当于两人并联，可靠

度比一人控制的系统增大了，这时操作者切断电源的可靠度为 RHb( 正确操作的概率 ) ：

RHb =1- （ 1-R1 ） (1-R2)

(2) 正常状况时，相当于两人串联，可靠度比一人控制的系统减小了，即产生误操作的概率增大了，操作者不切断电源的可靠度为 RHc 险 ( 不产生误动作的概率 ):

RHc= R1·R2

从监视的角度考虑，首要问题是避免异常状况时的危险 , 即保证异常状况时切断电源的可靠度 , 而提高正常状况下不误操作的可靠度则是次要的 , 因此这个监控系统是可行的。所以两人监控的人机系统的可靠度 Rsr 为 :

异常情况时 , Rsr' =[1 一 (1-R1)(1-R2)]RM

正常情况时 ,

Rsr" = RHc·RM = R1·R2·RM

2. 多人表决的冗余人机系统可靠度 上述两人监控作业是单纯的并联系统 , 所以正常操作和

误操作两种概率都增加了 , 而由多数人表决的人机系统就可以避免这种情况。若由几个人构成控制系统 , 当其中 f 个人的控制工作同时失误时 , 系统才会失败 , 我们称这样的系统为多数人表决的冗余人机系统。设每个人的可靠度均为 R, 则系统全体人员的操作可靠度 RHn 为 :

r-1

RHn = ∑ Cnｉ（ 1―R ）ｉ R﹙ｎ﹣ 1﹚

i=0

式中 Cnｉ一 n 个人中有 i 个人同意时事件数 ,

Cnｉ = n! / [i! · (n- I)! ], 且规定 Cn =1 。

多数人表决的冗余人机系统可靠度的计算公式为 :

r-1 RHn = [ ∑ Cn

ｉ（ 1―R ）ｉ R﹙ｎ﹣ 1] ] · RM

i=0

3. 控制器监控的冗余人机系统可靠度 设监控器的可靠度为 RMK, 则人机系统的可靠度

Rsk 为 : Rsk = [1-(1-RMK·RH)(1- RH)] · RM 4. 自动控制冗余人机系统可靠度 设自动控制系统的可靠度为 RMz , 则人机系统的

可靠度 Rsz 为 : Rsz = [ 1- (1- RMz · RH)(1- RMz )] · RM

五、人机系统可靠性设计基本原则

1. 系统的整体可靠性原则 从人机系统的整体可靠性出发 , 合理确定人与机器的功能分

配 , 从而设计出经济可靠的人机系统。 一般情况下 , 机器的可靠性高于人的可靠性 , 实现生产的机械化和自动化 , 就可将人从机器的危险点和危险环境中解脱出来 , 从根本上提高了人机系统可靠性。

2. 高可靠性组成单元要素原则 系统要采用经过检验的、高可靠性单元要素来进行设计。 3. 具有安全系数的设计原则 由于负荷条件和环境因素随时间而变化 , 所以可靠性也是随

时间变化的函数 , 并且随时间的增加 , 可靠性在降低。因此 , 设计的可靠性和有关参数应具有一定的安全系数。

4. 高可靠性方式原则

为提高可靠性 , 宜采用冗余设计、故障安全装置、自动保险装置等高可靠度结构组合方式。 (1) 系统“自动保险”装置。自动保险 , 就是即使是

外行不懂业务的人或不熟练的人进行操作 , 也能保证安全 , 不受伤害或不出故障。

这是机器设备设计和装置设计的根本性指导思想 , 是本质安全化追求的目标。要通过不断完善结构 , 尽可能地接近这个目标。

(2) 系统“故障安全”结构。故障安全 , 就是即使个别零部件发生故障或失效 , 系统性能不变 , 仍能可靠工作。

系统安全常常是以正常的准确的完成规定功能为前提。可是 , 由于组成零件产生故障而引起误动作 , 常常导致重大事故发生。为达到功能准确性 , 采用保险结构方法可保证系统的可靠性。

从系统控制的功能方面来看 , 故障安全结构有以下几种 : ①消极被动式。组成单元发生故障时 , 机器变为停止状态。 ②积极主动式。组成单元发生故障时 , 机器一面报警 , 一面还

能短时运转。 ③运行操作式。即使组成单元发生故障 , 机器也能运行到下次

的定期检查。 通常在产业系统中 , 大多为消极被动式结构。

5. 标准化原则 为减少故障环节 , 应尽可能简化结构 , 尽可能采用标准化结构和方式。

6. 高维修度原则 为便于检修故障 , 且在发生故障时易于快速修复 , 同时

为考虑经济性和备用方便 , 应采用零件标准化、部件通用化、设备系列化的产品。

7. 事先进行试验和进行评价的原则 对于缺乏实践考验和实用经验的材料和方法 , 必须事先

进行试验和科学评价 , 然后再根据其可靠性和安全性而选用。

8. 预测和预防的原则 要事先对系统及其组成要素的可靠性和安全性进行预测。对已发现的问题加以必要的改善 , 对易于发生故障或事故的薄弱环节和部位也要事先制定预防措施和应变措施。

9. 人机工程学原则 从正确处理人一机一环境的合理关系出发 , 采用人类易

于使用并且差错较少的方式。 10. 技术经济性原则 不仅要考虑可靠性和安全性 , 还必须考虑系统的质量因

素和输出功能指标。其中还包括技术功能和经济成本。

11. 审查原则既要进行可靠性设计 , 又要对设计进行可靠性审查和其他专业审查 , 也就是要重申和贯彻各专业各行业提出的评价指标。

12.整理准备资料和交流信息原则 13. 信息反馈原则 14. 设立相应的组织机构

第五章 职业性危害控制技术

目前 , 企业中存在的职业性危害因素主要是生产性粉尘、毒物、物理因素等。这些均 来源于生产过程 , 产生于设备、扩散于环境、作用于接触人群。因此对职业性危害因素的控制应从设备、环境、人三个方面考虑。下面分别叙述各种职业性危害因素的特点和控制措施。

第一节 生产性粉尘危害控制技术 主要内容：生产性粉尘的来源、分类、理化性

质，生产性粉尘治理的工程技术措施。

一、生产性粉尘的来源和分类

（一）来源 生产性粉尘来源十分广泛 , 如固体物质的机械加工、粉碎；金属的研磨、切削；矿石的粉碎、筛分、配料或岩石的钻孔、爆破和破碎等；耐火材料、玻璃、水泥和陶瓷等工业中原料加工；皮毛、纺织物等原料处理；化学工业中固体原料加工处理 , 物质加热时产生的蒸气、有机物质的不完全燃烧所产生的烟。此外 , 粉末状物质在混合、过筛、包装和搬运等操作时产生的粉尘 , 以及沉积的粉尘二次扬尘等。

( 二 ) 分类

生产性粉尘分类方法有几种 , 根据生产性粉尘的性质可将其分为 3 类。

1. 无机性粉尘 无机性粉尘包括矿物性粉尘 , 如硅石、石棉、煤等；金属性粉尘 , 如铁、锡、铝等及其化合物；人工无机粉尘 , 如水泥、金刚砂等。

2. 有机性粉尘 有机性粉尘包括植物性粉尘 , 如棉、麻、面粉、木材；动物性粉尘 ,

如皮毛、丝、骨粉尘；人工合成的有机染料、农药、合成树脂、炸药和人造纤维等。

3. 混合性粉尘 混合性粉尘是上述各种粉尘的混合存在 , 一般为两种以上粉尘的混合。生产环境中最常见的就是混合性粉尘。

二、生产性粉尘的理化性质 粉尘对人体的危害程度与其理化性质有关 , 与其生物学

作用及防尘措施等也有密切关系。在卫生学上 , 有意义的粉尘理化性质包括粉尘的化学成分、分散度、溶解度、密度、形状、硬度、荷电性和爆炸性等。

三、生产性粉尘治理的工程技术措施 采用工程技术措施消除和降低粉尘危害 , 是治本的对策 ,

是防止尘肺发生的根本措施。 (1) 改革工艺过程。通过改革工艺流程使生产过程机械化、密闭化、自动化 , 从而消除和降低粉尘危害。

(2) 湿式作业。湿式作业防尘的特点是防尘效果可靠 , 易于管理 , 技资较低。该方法已为厂矿广泛应用 , 如石粉厂的水磨石英和陶瓷厂、玻璃厂的原料水碾、湿法拌料、水力清砂、水爆清砂等。

(3)密闭一抽风一除尘。对不能采取湿式作业的场所应采用该方法。干法生产 ( 粉碎、拌料等 ) 容易造成粉尘飞扬 , 可采取密闭一抽风一除尘的办法 , 但其基础是首先必须对生产过程进行改革 , 理顺生产流程 , 实现机械化生产。在手工生产、流程紊乱的情况下 , 该方法是无法奏效的。密闭一抽风一除尘系统可分为密闭设备、吸尘罩、通风管、除尘器等几个部分。

(4) 个体防护和个人卫生。当防、降尘措施难以使粉尘浓度降至国家标准水平以下时，应佩戴防尘护具并加强个人卫生 , 注意清洗。

另外 , 应加强对员工的教育培训、现场的安全检查以及对防尘的综合管理等。综合防尘措施可概括为“革、水、密、风、护、管、教、查 ” 八字方针。

第二节 生产性毒物危害控制技术

主要内容：生产性毒物的来源、存在形态与进入人体的途径、生产性毒物危害的治理措施。

一、生产性毒物的来源与存在形态 ( 一 ) 来源 在生产过程中 , 生产性毒物主要来源于原料、辅助材料、中间产品、夹杂物、半成品、 成品、废气、废液及废渣 , 有时也可能来自加热分解的产物 , 如聚氯乙烯塑料加热至 160~170 ℃时可分解产生氯化氢。

( 二 )毒物形态 生产性毒物可以固体、液体、气体的形态存在于生产环

境中。 (1) 气体 , 在常温、常压条件下 , 散发于空气中的无定形气体 , 如氯、澳、氨、一氧化碳和甲炕等。

(2) 蒸气固体升华、液体蒸发时形成蒸气 , 如水银蒸气和苯蒸气等。

(3) 雾 , 混悬于空气中的液体微粒 , 如喷洒农药和喷漆时所形成雾滴 , 镀锋和蓄电池充电时逸出的错酸雾和硫酸雾等。

(4) 烟 , 为直径小于 0.1 μm 的悬浮于空气中的固体微粒 , 如熔铜时产生的氧化钵烟尘，熔铺时产生的氧化铺烟尘 , 电焊时产生的电焊烟尘等。

(5) 粉尘 , 能较长时间悬浮于空气中的固体微粒 , 直径大多数为 0.1~10 μm 。固体物质的机械加工、粉碎、筛分、包装等可引起粉尘飞扬。

悬浮于空气中的粉尘、烟和雾等微粒 , 统称为气溶胶。了解生产性毒物的存在形态 , 有助于研究毒物进入机体的途径 , 发病原因 , 且便于采取有效的防护措施 , 以及选择车间空气中有害物采样方法。

生产性毒物进入人体的途径主要是经呼吸道 , 也可经皮肤和消化道进入。

二、生产性毒物危害治理措施

生产过程的密闭化、自动化是解决毒物危害的根本途径。采用无毒、低毒物质代替有毒或高毒物质是从根本上解决毒物危害的首选办法。

常用的生产性毒物控制措施如下。 ( 一 ) 密闭一通风排毒系统 该系统由密闭罩、通风管、净化装置和通风机构成。采用该系统必须注意以下 2 点。

(1) 整个系统必须注意安全、防火、防爆问题； (2) 正确地选择气体的净化和回收利用方法 , 防止二次污染 , 防止环境污染。

( 二 ) 局部排气罩

就地密闭 , 就地排出 , 就地净化 , 是通风防毒工程的一个重要的技术准则。排气罩就是实施毒源控制 , 防止毒物扩散的具体技术装置。局部排气罩按其构造分为 3 种类型。

1. 密闭罩 在工艺条件允许的情况下 , 尽可能将毒源密闭起来 , 然后通过通风

管将含毒空气吸出，送往净化装置 , 净化后排放大气。 2. 开口罩 在生产工艺操作不可能采取密闭罩排气时 , 可按生产设备和操作的特点 , 设计开口式罩排气。按结构形式 , 开口罩分为上口吸罩、侧吸罩和下吸罩。

3. 通风橱 通风橱是密闭罩与侧吸罩相结合的一种特殊排气罩。

可以将产生有害物的操作和设备完全放在通风橱内 , 通风橱上设有开启动的操作小门 , 以便于操作。为防止通风橱内机械设备的扰动、化学反应或热源的热压、室内横向气流的干扰等原因而引起的有害物逸出 , 必须对通风橱实行排气 , 使橱内形成负压状态 , 以防止有害物逸出。

除上述 3 种外，排气罩还包括吸气罩、吹吸式罩等形式。

( 三 ) 排出气体的净化 工业的无害化排放 , 是通风防毒工程必须遵守的重要准

则。根据输送介质特性和生产工艺的不同 , 可采用不同的有害气体净化方法。有害气体净化方法大致分为洗涤法、吸附法、袋滤法、静电法、燃烧法和高空排放法。确定净化方案的原则是 : ①设计前必须确定有害物质的成分、含量和毒性等理化指标。②确定有害物质的净化目标和综合利用方向 , 应符合卫生标准和环境保护标准的规定。③净化设备的工艺特性 , 必须与有害介质的特性相一致。④落实防火、防爆的特殊要求。

( 四 ) 个体防护

第三节 物理因素危害控制技术 主要内容：物理性危害因素的种类，各种物理性危害因

素的控制措施。 作业场所存在的物理性职业危害因素 , 有噪声、振动、辐射和异常气象条件 ( 气温、气 流、气压 ) 等。

一、噪声 （一 ） 生产性噪声的特性、种类、来源及其危害 在生产中 , 由于机器转动、气体排放、工件撞击与摩擦所产生的噪声 , 称为生产性噪声或工业噪声。生产性噪声可归纳为以下 3 类：

(1) 空气动力噪声 , 是由于气体压力变化引起气体扰动 , 气体与其他物体相互作用所致。例如 , 各种风机、空气压缩机、风动工具、喷气发动机和汽轮机等 , 由于压力脉冲和气体排放发出的噪声。

(2) 机械性噪声 , 是由于机械撞击、摩擦或质量不平衡旋转等机械力作用下引起固体部件振动所产生的噪声。例如 , 各种车床、电锯、电刨、球磨机、砂轮机和织布机等发出的噪声。

(3) 电磁性噪声 , 是由于磁场脉冲 , 磁致伸缩引起电气部件振动所致。如电磁式振动台和振荡器、大型电动机、发电机和变压器等产生的噪声。

生产性噪声一般声级较高 , 有的作业地点可高达 120~130dB (A) 。据调查 , 我国生产场所的噪声声级超过 90 dB (A) 者占 32%~42%, 中高频噪声占比例最大。

由于长时间接触噪声导致的听阀升高、不能恢复到原有水平的称为永久性听力阀移 , 临床上称噪声聋。噪声不仅对昕觉系统有影响 , 对非听觉系统如神经系统、心血管系统、内分泌系统、生殖系统及消化系统等都有影响。

( 二 ) 噪声的控制措施

以下是控制生产性噪声 3 项措施。 (1) 消除或降低噪声、振动源 , 如铆接改为焊接、锤击成型改为液压成型等。为防止振动使用隔绝物质 , 如用橡皮、软术和砂石等隔绝噪声。

(2) 消除或减少噪声、振动的传播 , 如吸声、隔声、隔振、阻尼。

(3) 加强个人防护和健康监护。

二、振动

( 一 ) 产生振动的机械 在生产过程中 , 生产设备、工具产生的振动称为生产性振动。产生振动的机械有锻造机、冲压机、压缩机、振动机、送风机和打穷机等。在生产中手臂振动所造成的危害 , 较为明显和严重 , 国家已将手臂振动的局部振动病列为职业病。除局部振动病外，列为职业病的还有全身振动病。

存在手臂振动的生产作业主要有以下几类。①操作锤打工具。如操作凿岩机、空气锤、 筛选机、风铲、捣固机和佛钉机等；②手持转动工具 , 如操作电钻、风钻、喷砂机、金刚砂抛光机和钻孔机等。③使用固定轮转工具 , 如使用砂轮机、抛光机、球磨机和电锯等；④ 驾驶交通运输车辆与使用农业机械 , 如驾驶汽车、使用脱粒机。

( 二 ) 振动的控制措施 (1) 控制振动源。应在设计、制造生产工具和机械时采用减振措施 , 使振动降低到对人体无害水平。

(2) 改革工艺 , 采用减震和隔振等措施。如采用焊接等新工艺代替铆接工艺；采用水力清砂代替风铲清砂；工具的金属部件采用塑料或橡胶材料 , 减少撞击振动。

(3) 限制作业时间和振动强度。 (4) 改善作业环境 , 加强个体防护及健康监护。

三、辐射 电磁辐射广泛存在于宇宙空间和地球上。当一根导线有

交流电通过时 , 导线周围辐射出一种能量 , 这种能量以电场和磁场形式存在 , 并以波动形式向四周传播 , 人们把这种交替变化的 , 以一定速度在空间传播的电场和磁场 , 称为电磁辐射或电磁波。电磁辐射分为射频辐射、红外线、可见光、紫外线、 X 射线及 γ射线等。

各种电磁辐射 , 由于其频率、波长、量子能量不同 , 对人体的危害作用也不同。当量子能量达到 12eV 以上时 , 对物体有电离作用 , 能导致机体的严重损伤 , 这类辐射称为电离辐射。量子能量小于 12eV 的不足以引起生物体电离的电磁辐射 , 称为非电离辐射 , 现将在作业场所中可能接触的几种电磁辐射简述如下：

( 一 ) 非电离辐射的来源与防护

1. 非电离辐射的来源及其危害 (l) 射频辐射。射频辐射称为无线电波 , 量子能

力很小。按波长和频率 , 射频辐射可分成高频电磁场、超高频电磁场和微波 3 个波段。

(2) 红外线辐射。在生产环境中 , 加热金属、熔融玻璃及强发光体等可成为红外线辐射源。炼钢工、铸造工、轧钢工、锻钢工、玻璃熔吹工、烧瓷工及焊接工等可受到红外线辐射。红外线辐射对机体的影响主要是皮肤和眼睛。

(3) 紫外线辐射。生产环境中 , 物体温度达 1200 ℃以上的辐射电磁波谱中即可出现紫外线。随着物体温度的升高 , 辐射的紫外线频率增高 , 波长变短 , 其强度也增大。常见的辐射源有冶炼炉 ( 高炉、平炉、电炉 ) 、电焊、氧乙快气焊、氢弧焊和等离子焊接等。

强烈的紫外线辐射作用可引起皮炎 , 表现为弥漫性红斑 , 有时可出现小水泡和水肿 , 并有发痒、烧灼感。在作业场所比较多见的是紫外线对眼睛的损伤 , 即由电弧光照射所引起的职业病一一电光性眼炎。此外在雪地作业、航空航海作业时，受到大量太阳光中紫外线照射，可引起类似电光性眼炎的角膜、结膜损伤 , 称为太阳光眼炎或雪盲症。

(4) 激光。激光不是天然存在的 , 而是用人工激活某些活性物质 , 在特定条件下受激发光。激光也是电磁波 , 属于非电离辐射。被广泛应用于工业、农业、国防、医疗和科研等领域。在工业生产中主要利用激光辐射能量集中的特点 , 用于焊接、打孔、切割和热处理等。在农业中激光可应用于育种、杀虫。

激光对人体的危害主要是由它的热效应和光化学效应造成的。激光对皮肤损伤的程度取决于激光强度、频率、肤色深浅、组织水分和角质层厚度等。激光能烧伤皮肤。

2. 非电离辐射的控制与防护

高频电磁场的主要防护措施有场源屏蔽、距离防护和合理布局等。对微波辐射的防护 , 是直接减少源的辐射、屏蔽辐射源、采取个人防护及执行安全规则。对红外线辐射的防护 , 重点是对眼睛的保护 , 减少红外线暴露和降低炼钢工人等的热负荷 , 生产操作中应戴有效过滤红外线的防护镜。对紫外线辐射的防护是屏蔽和增大与辐射源的距离 , 佩戴专用的防护用品。对激光的防护 , 应包括激光器、工作室及个体防护 3 方面。激光器要有安全设施 , 在光束可能泄漏处应设置防光封闭罩；工作室围护结构应使用吸光材料 , 色调要暗 , 不能裸眼看光；使用适当个体防护用品并对人员进行安全教育等。我国作业场所激光辐射卫生标准 (GB10435-1989) 有相应规定。

( 二 ) 电离辐射来源与防护 1. 电离辐射来源 凡能引起物质电离的各种辐射称为电离辐射。其中

α 、 β等带电粒子都能直接使物质电离 , 称为直接电离辐射； γ光子、中子等非带电粒子 , 先作用于物质产生高速电子 , 继而由这些高速电子使物质电离 , 称为非直接电离辐射。能产生直接或非直接电离辐射的物质或装置称为电离辐射源 , 如各种天然放射性核素、人工放射性核素和 X 线机等。

随着原子能事业的发展 , 核工业、核设施也迅速发展 , 放射性核素和射线装置在工业、农业、医药卫生和科学研究中已经广泛应用。接触电离辐射的人员也日益增多。

2. 电离辐射的防护

电离辐射的防护 , 主要是控制辐射源的质和量。电离辐射的防护分为外照射防护和内照射防护。外照射防护的基本方法有时间防护、距离防护和屏蔽防护 , 通称“ 外防护 三原则”。内照射防护的基本防护方法有围封隔离、除污保洁和个人防护等综合性防护措施。

四、异常气象条件

( 一 ) 异常气象条件种类 1. 高温作业 生产场所的热源可来自如各种熔炉、锅炉、化

学反应釜 , 以及机械摩擦和转动的产热以及人体散热；空气湿度的影响主要来自各种敞开液面的水分蒸发或蒸汽放散 , 如造纸、印染、绿丝、电镀、潮湿的矿井、隧道以及潜涵等相对湿度大于 80% 的高气湿的作业环境。风速、气压和辐射热都会对生产作业场所的环境产生影响。

2. 高温强热辐射作业

高温强热辐射作业是指工作地点气温在 30 ℃以上或工作地点气温高于夏季室外气温 2 ℃以上 , 并有较强的辐射热作业。如冶金工业的炼钢、炼铁车间， 机械制造工业的铸造、锻造，建材工业的陶瓷、玻璃、搪瓷、砖瓦等窑炉车间 , 火力电厂的锅炉间等。

3. 高温高湿作业

高温高湿作业 , 如印染、缭丝、造纸等工业中，液体加热或蒸煮，车间气温可达 35 ℃以上，相对湿度达 90% 以上。有的煤矿深井井下气温可达 30 ℃, 相对湿度 95% 以上。

4. 其他异常气象条件作业 其他异常气象条件作业，如冬天在寒冷地区或极地从事野外作业、冷库或地窑工作的低温作业；潜水作业和潜涵作业等高气压作业；高空、高原低气压环境中进行运输、勘探、筑路及采矿等低气压作业。

( 二 ) 异常气象条件防护措施

1. 高温作业防护 对于高温作业 , 首先应合理设计工艺流程 , 改进生

产设备和操作方法 , 这是改善高温作业条件的根本措施。如钢水连珠、轧钢及铸造等生产自动化可使工人远离热源；采用开放或半开放式作业 , 利用自然通风 , 尽量在夏季主导风向下风侧对热源隔离等。

2. 隔热 隔热是防止热辐射的重要措施 , 可利用水来进行。

3. 通风降温 通风降温方式有自然通风和机械通风两种方式。 4. 保健措施 供给饮料和补充营养 , 暑季供应含盐的清凉饮料是有特殊意义的保健措施。

5. 个体防护 使用耐热工作服等。低温的防护 , 要防寒和保暖 , 加强个体防护用品使用。

6. 异常气压的预防 可通过采取一些措施预防异常气压：技术革新 , 如采用管柱钻孔法代替沉箱 , 工人不必在水下高压作业；遵守安全操作规程；保健措施 , 高热量、高蛋白饮食等。注意 , 职业禁忌症者不能从事此类工作。

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