安全人机工程学课程设计.docx

【摘要】 火车是人们出行必不可少的交通工具之一。2007年第六次铁路大提速以及大量高速铁路的通车运营，动车组列车成为铁路客运的重要组成部分，而受限与铁路线路和我国国情，普速列车在未来十几年内仍旧是我国铁路的客运主力。随着科技和生产力的发展，人们对生活、休息和出行质量的要求不断提高，对火车的舒适性也提出了更高的要求。然而我国各型旅客列车硬卧车厢设计都有很多不合理之处，尤其是上铺的狭小，使人们在旅途中的舒适感大打折扣。在新闻报道中，也常见乘客因车厢设计不合理而受伤的案例。一些车厢内的灯光、空调的布置及色彩搭配的不合理，不利于缓解乘客长途旅行的疲劳，甚至还可能影响到旅客的休息。为了让乘客在在旅途中获得更舒适满意的体验，有必要从人机工程学的角度对列车卧铺车厢内部设施的设计和布置进行一定的讨论和研究。本次课程设计的首要任务是满足安全性的要求，结合我国普通列车硬卧车厢的实际情况，根据人体学尺寸、生理心理以及生理力学特性，对硬卧车厢内的设施进行安全人机设计与优化。主要包括车厢内设施的安全性分析，车厢内部设施的安全性设计，以及车厢内的色彩环境、光环境、声环境等方面的分析与优化。其中，从安全人机工程学的角度着重对硬卧车厢内的舒适性和安全性进行研究。在前期调查过程中，发现的主要问题有：上铺空间较小乘客活动不便；车厢内照明灯光的布置及选择不合理，影响乘客休息；厕所门设计不合理，存在安全隐患等。【关键词】 人机工程学、铁路运输、硬卧车厢、设计目录第一章 绪论11.1 设计的背景及意义11.2 设计的主要内容11.3 目前我国铁路硬卧车概况2第二章 车厢内部设施的安全性分析3第三章 车厢内部设施的安全性设计53.1 人体尺寸53.1.1 人体静态尺寸53.1.2 人体动态尺寸53.2 铺位的优化设计63.3 过道及行李架的设计83.4 厕所门的安全性设计10第四章 车厢内部环境的分析与优化114.1 车厢内光环境的优化、照明设施的布置114.2 车厢内色彩环境的优化114.3 车厢内噪声的分析与优化13第五章 结束语14参考文献16第一章 绪论1.1 设计的背景及意义人机工程学是一门专门研究人与系统其他元素之间的相互作用的技术学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破各学科之间的界限，并有机地融合各相关学科的理论，不断的完善自身的基本概念、基础理论、研究方法、技术标准和操作规范。人机工程学是应用人体测量学、生理学、人体力学、卫生学、医学、心理学、系统科学、社会学、管理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数。还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性，分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。安全人机工程学则是从安全的角度出发，运用人机工程学的基本原理和方法去解决系统中可能出现的的安全问题的一门新兴学科。2015年春运，全国铁路旅客运输量突破28亿人次，可见铁路运输仍是我国最重要的交通运输方式之一。随着社会的进步，人们对生活、休息和出行质量的要求不断提高，对火车的舒适性也提出了更高的要求。截至2014年底，全国铁路运营总里程已突破11万公里，虽然动车组列车的加入增加了人们出行的方式，但普速旅客列车在很长一段时间内依旧是我国铁路客运市场的主力。在长距离、长时间的旅行中，硬卧车以其价格低廉、相对舒适的优点成为了大部分旅客的首选。然而，卧铺车厢一些设计不合理之处，不但给乘客带来不不便，使乘坐舒适度大打折扣，还带来了一些安全隐患，很容易给旅客带来人身伤害。1.2 设计的主要内容本次课程设计中，作者结合我国普通旅客列车硬卧车厢的实际情况，根据人体学尺寸、生理心理以及生理力学特性，对硬卧车厢内的设施进行安全人机设计与优化。主要包括车厢内设施的安全性分析，车厢内部设施的安全性设计，以及车厢内的色彩环境、光环境、声环境等方面的分析与优化。其中，从安全人机工程学的角度着重对硬卧车厢内的舒适性和安全性进行研究。1.3 目前我国铁路硬卧车概况目前，我国国内广泛使用的硬卧车主要有YW25G型、YW25K型、YW25T型。车体高度4433mm，车辆阔度3105mm，车辆长度25500mm(25G、25K型)/26600mm（25T型），共有11或10个开敞式或半包式间隔，每间隔左右两边有上中下三个铺位，定员66或60人。根据查阅资料知，各型车内部设施的结构尺寸：地板到车顶高度为3150mm，下铺到地板的距离为315mm，下铺到中铺的距离为900mm，上铺到中铺的距离为685mm，上铺到车顶的距离为670mm，床长1600mm，床宽700mm，行李架高度2000mm。数据整理如下表1-1。表1-1 目前我国普通旅客列车硬卧车厢内部设施结构尺寸项目尺寸(mm)地板到车顶高度3150下铺到地板的距离315下铺到中铺的距离900上铺到中铺的距离685上铺到车顶的距离670相邻两铺位距离500床长1970（下铺）/1990（中、上铺）床宽585包厢宽度1950行李架高度2000第二章 车厢内部设施的安全性分析火车车厢内部空间是一个封闭的空间，我们的研究目标就是在这个特定的空间里，如何在保证每个乘客安全舒适的到达目的地。在乘客这个群体中，又可分为普通群体、弱势群体和特殊群体，弱势群体是指老弱病残孕等能自己乘车但需要更加安全和舒适的乘坐环境的群体，特殊群体是指坐轮椅的残疾人和坐婴儿车的婴儿，普通群体是指身体健康活动自由的般人。在这些群体中，普通群体是占比例最大的一个群体，弱势群体和特殊群体所占比例很少。火车作为一种公共交通工具，其承载对象是人，因此其内部设施必须考虑到人的不同需求。由于车内所有设施均和乘客直接接触，因此在设计上应体现出人性化，安全、舒适性成为重要的设计原则。由于人员流动性大，因此内部空间和设施设计应该体现出简洁、坚固、耐用的特点。车厢内空间作为乘客活动的重要空间，它对乘客的心理及生理同样发挥重要的作用，在这里，色彩就显得非常的重要。不同的色彩组合构成了车厢内部设施的整体色调。车厢内部设施饰的色彩必须与使用的环境相适应。火车车厢的作用主要是用于载人，内饰色彩设计必须以宜人性为主要目标，总体要求美观、亲和、使人感到舒适、无刺激，减轻烦闷和疲劳，因此要求内饰的色彩设计要整体协调。根据不同的情况，应采用不同的色调。对目前主要几个硬卧车型内部设施进行分析，其主要存在一下几个问题：1.中铺和上铺的安全防护措施不足。在列车紧急制动时由于惯性的作用，或在发生特殊情况时，铺位上休息的人员尤其是年龄较大的乘客很有可能跌落。曾经也有关于上铺乘客跌落摔伤的新闻报道。而放置在铺位边的手机等物品也可能掉落砸伤下方的乘客，带来不必要的麻烦。2.上铺的活动空间较小。上铺的活动空间较小，进入铺位比较困难。一般距离车顶部的高度只有670mm，弯腰、起身都有撞到车顶甚至扭伤脖子的危险。车顶过低，会使旅客心理产生压抑感，不利于长途旅行缓解疲劳，而旅客想要坐在床上更是不可能实现。3. 车厢过道设计的改进。过道是列车车厢中乘客通行的走廊，旅客上下车必经的地方。在运行的列车中，过道设计的不合理，也很容易造成伤害。尤其是在列车加速、制动时的突然抖动或过弯道超高时车体倾斜，很容易使行走中的乘客摔倒。4.厕所门设计不合理，存在安全隐患。对火车厕所门伤人的事想必很多人都知道，新闻媒体也经常曝光这类事件。火车厕所门使用铰链连接，开门时，连接一侧会出现较宽的缝隙，由于空间相对狭小，在外等候的人很容易将手指伸入缝内，关门时导致手指被夹伤。厕所内部空间也较小，人在内开关门时也很不方便。5.车厢内灯光照明设计不合理。大多数车厢内部采用荧光灯照明，照明设施布置在相邻两上铺之间的车顶上，灯光直射上铺休息的乘客，不利于休息。同时，统一的灯光开闭，对不同乘客的作息造成影响。夜间关灯，对晚上10点之后上车的旅客存放行李、上床休息均造成不便。6.车厢内的色彩搭配及声环境做相应优化。设计中将从安全的角度出发，运用人机工程学的原理和方法对火车硬座车厢进行设计，并着重解决以上几个问题。第三章 车厢内部设施的安全性设计3.1 人体尺寸各种设备和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是适合人的形态和功能范围的限度。研究人体尺寸模型，用人体模型描述人体尺度是非常有必要的。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体结构尺寸（静态尺寸）和人体功能尺寸（动态尺寸）。3.1.1 人体静态尺寸人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，比如身高、体重、腿臂长度等，是建立人体尺寸模型的基础。国家标准GB 10000-1988中国成年人人体尺寸按照人机工程学的要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据。标准中共给出了7类47项人体尺寸基本数据。人体的主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长等6项。根据有关统计数据，我国人体基本尺寸见表3-1。表3-1 我国人体基本尺寸尺寸名称尺寸数值（mm）尺寸名称尺寸数值(mm)男女男女身长16881586肩窄宽426392眼高15851480臀宽334395肩高14211320下肢前伸长1016977坐姿身高897849大腿长422409坐姿眼高794743小腿长401369肘到坐平面距离245239足高7166上肢前伸长731689膝臀间距551525大臂长269261大腿平长433432小臂长247226膝上到足底距离515480手长193179膝弯到足底距离406383前伸长7316893.1.2 人体动态尺寸与安全有关的各种操作、空间、环境设计以及各种着装设计，不仅要考虑人体的静态结构和形体参数，而且还要保证使人的工作、活动时，有足够的活动度、活动空间和合理的活动方向。人体活动动态尺寸是相对于人体静态尺寸而言的。人体静态尺寸，着眼于人体天然结构，而不考虑人的姿态与活动。人体活动空间尺寸，指人体肢体末端能够达到的三维空间范围，着眼于人的日常姿态与活动需要。人体静态尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体的手、脚能活动的范围。人体动态尺寸是操作、空间、环境设计以及各种着装设计及各种着装设计的必要人体测量参数。GB/T13547-1992工作空间人体尺寸提供了我国成年人立、坐、跪、卧、爬等常取姿势功能尺寸数据。3.2 铺位的优化设计铺位是硬卧车厢的主体，也是乘客的主要休息区域。长途旅行中，乘客的大部分时间都在铺位上渡过，因此，铺位的舒适与安全尤为重要。有限的空间内，在保证空间利用率的同时，铺位要尽可能宽敞，方便乘客活动，而相应的安全保护措施也非常重要。在之前的研究中发现目前使用的硬卧车厢铺位有一些不合理之处，如上铺的活动空间较小，中铺和上铺的安全保护措施不足等，在此加以改进。火车硬卧车厢的服务人群几乎是我国的所有人群，研究中，选用1860岁这一年龄阶段的人体尺寸进行设计。根据GB100001988中国成年人尺寸以及GB/T13547-1992工作空间人体尺寸，设计中所用到的人体静态尺寸如表3-2所示，计中所用到的人体动态尺寸如表3-3所示。表3-2 设计中使用的人体静态尺寸数据类型尺寸名称百分位数(P)尺寸数值(mm)身高991814坐高99979最大肩宽99486小腿加足高50413胸厚99261数据类型表3-3设计中使用的人体动态尺寸尺寸名称百分位数(P)尺寸数值(mm)双肘展开宽99966爬姿体长991412爬姿体高99851有关国家标准公布的人体数据是在裸体或穿单薄内衣的条件下测得的。而设计中所涉及的人体尺寸是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸。因此，考虑有关人体尺寸时，应增加相应的功能修正量。另外，为了克服人们心理上产生的“空间压抑感”“高度恐惧感”等心理感受，应在产品最小功能尺寸附加一项心理修正量。本次设计中，由于空间十分有限，加之衣物等对相关功能影响微乎其微，故除小腿加足高尺寸外，不考虑功能修正量对人体数据的影响。1.人体身高尺寸第99百分位数为1814mm，人头顶无压迫感的最小高度（心理修正量）为115mm，取床的长度为1950mm。2.由于硬卧车包厢宽度有限，床宽不可能根据理想情况设计。人体最大肩宽第99百分位数为486mm，双肘展开宽第99百分位数为966mm，取床宽为970mm。3.由于床宽的增加，而车体长度固定不变，包厢数量必然减少。原硬卧包厢总长度为21450mm，取相邻两铺位间距为440mm，单个包厢宽度为2380，总包厢数减少为9个，列车定员减少为54人。4.小腿加足高尺寸第50百分位数为413mm，相关功能修正量取25mm，故下铺与车厢地面的距离取440mm。5.坐高第99百分位数为979mm，人头顶无压迫感的最小高度（心理修正量）为115mm，但由于车厢内空间有限，不能满足百分位数的要求，故取下铺到中铺的距离为1000mm。6.爬姿体高第99百分位数为851mm，坐高第99百分位数为979mm，为尽量增大人体活动空间，但受限于固定空间内，故取中铺距上铺、上铺距车顶距离为900mm。7.根据GB146.1-83标准轨距铁路机车车辆限界，车辆上部界限为4800mm。车体地板距轨面高度为1283mm，床板厚度取50mm，车顶部预留80mm，故车体高度取4750mm，符合国家标准规定的要求。8.为防止乘客跌落或物品坠落伤人，在中铺和上铺外侧设置一块挡板。胸厚第99百分位数为261mm，取挡板高度为200mm。只要人体平躺时重心在挡板边缘以下时，就不会跌落。最大肩宽第99百分位数为486mm，挡板在外部缩短500mm方便乘客上下。9.为了方便乘客在床上能放置笔记本电脑等物品，在中铺和上铺加装一个可向上翻起的桌子。根据胸厚第99百分位数为261mm，坐姿肘高第50百分位数为263mm，取桌面位于距床面300mm的位置。有关硬卧铺位设计的相关尺寸汇总如表3-4，设计图见图3-1、图3-2。表3-4 硬卧车厢铺位设计的相关尺寸汇总项目原尺寸（mm）尺寸(mm)地板到内部车顶高度31503390下铺到地板的距离315440下铺到中铺的距离9001000上铺到中铺的距离685900上铺到车顶的距离670900相邻两铺位距离500440床长1970(下铺)/1990（中、上铺）1950床宽585970挡板高度200包厢宽度19502380 图3-1 硬卧车厢铺位设计左视图3.3 过道及行李架的设计过道是列车车厢中乘客通行的走廊，旅客上下车必经的地方。在运行的列车中，过道设计的不合理，也很容易造成伤害。尤其是在列车加速、制动时的突然抖动或过弯道超高时车体倾斜，很容易导致行走中的乘客摔倒。如果一些乘客拿着热水或泡面，则更加危险。而行李架则是放行李的地方，如果设计不合理，会给乘客放置行李带来不便。在本次设计中，行李架仍旧设置在过道上方。根据GB100001988中国成年人尺寸以及GB/T13547-1992工作空间人体尺寸，设计中所用到的人体静态尺寸如表3-5所示，设计中所用到的人体动态尺寸如表3-6所示。图3-2 硬卧车厢铺位设计主视图数据类型 表3-5 设计中使用的人体静态尺寸尺寸名称百分位数(P)尺寸数值(mm)身高991814手功能高99828数据类型表3-6设计中使用的人体动态尺寸尺寸名称百分位数(P)尺寸数值(mm)双肘展开宽99966双臂功能上举高502003根据双肘展开宽第99百分位数为966mm，取过道宽1035mm。为了防止在行走过程中摔倒，在过道边设置扶手。手功能高第99百分位数为828mm，取功能修正量25mm,故扶手中心高度为853mm。双臂功能上举高第50百分位数为2003mm，身高第99百分位数为1814mm，功能修正量取25mm，人头顶无压迫感的最小高度即心理修正量为115mm，行李架高度取2000mm。28寸行李箱宽度为510mm，所以将行李架宽度设计为510mm。有关过道及行李架设计的相关尺寸汇总如表3-7，设计图见图3-3。表3-7 硬卧车过道及行李架设计的相关尺寸汇总项目原尺寸（mm）优化后尺寸(mm)过道宽度1035扶手中心高853行李架高度20002000行李架宽度510图3-3 硬卧车过道及行李架设计3.4 厕所门的安全性设计在长途旅行中，人们免不了要使用火车上的厕所。目前所有车型所使用的厕所门设计的均不合理，存在安全隐患。火车厕所门使用铰链连接，开门时，连接一侧会出现较宽的缝隙，由于空间相对狭小，在外等候的人很容易将手指伸入缝内，关门时导致手指被夹伤。而厕所内部空间也较小，人在内开关门时也很不方便。事故的发生往往是由于人的不安全行为和物的不安全状态造成的。因此，为了防止事故的发生，主要应当防止出现人的不安全行为和物的不安全状态，在此基础上充分考虑人和机的特点，使之在工作中相互匹配，对防止事故的发生十分有益。为了消除物的不安全状态，应该把落脚点放在提高技术装备的安全化水平上。技术装备安全化水平的提高也有助于改善安全管理和防止人的不安全行为。我国成年人1860岁年龄段肘高第99百分位数为1128mm，手功能高第99百分位数为828mm。对于儿童，这些数值则会更低。为避免开门时连接处缝隙夹手，最好改变门的打开方式。本次设计中，选用推拉门。这样，还很好的解决了平开门打开时占用空间较大的问题。1860年龄段人体身高第99百分位数为1814mm，功能修正量取25mm，人头顶无压迫感的最小高度即心理修正量为115mm，厕所门高设计为2000mm。1860年龄段人体最大肩宽第99百分位数为486mm，功能修正量取20mm，心理修正量取34mm，确定门宽为540mm。第四章 车厢内部环境的分析与优化人机系统与它所处的作业环境息息相关，相互影响。环境常影响着人们的生理、心理特性和机器的状态，而人和机器的状态又会影响环境。4.1 车厢内光环境的优化、照明设施的布置环境照明设计在任何时候都应遵循人机工程学原则。自然光是任何人工光源所不能比拟的，在设计时应最大限度的利用自然光，尽量防止眩光，增加照度的稳定性和分布的均匀性、协调性等。选择人工光源时，应注意其光谱成分，使其尽可能接近自然光。在人工照明中，荧光灯的光谱近似日光，而且与普通白炽灯相比，具有发光率高，光线柔和、亮度分布均匀及热辐射量小等优点。本次设计中，针对目前硬卧车照明设施布置在相邻两上铺之间的车顶上，灯光直射上铺休息的乘客，不利于休息的问题进行研究。而且车厢内部统一的灯光开闭，对不同乘客的作息造成影响。夜间关灯，对晚上10点之后上车的旅客存放行李、上床休息均造成不便。车厢的过道采用荧光灯照明，荧光灯连续布置在行李架下方。为了上铺旅客能获得更好的休息环境，取消车顶原有的荧光灯，分别在上、中、下铺靠近车窗一侧布置一个可以调节亮度的LED照明灯，这样一来，即避免了对其他旅客的影响，在夜间如果要上下车，也能自己开灯照明了。照明灯位置的布置如图4-1所示。LED灯荧光灯 图4-1 车厢内照明灯位置的布置4.2 车厢内色彩环境的优化对于环境配色，首先要确定总体色调，以达到给人庄重或活泼热闹或沉静的感觉，其次要根据不同的要求，不同的使用目的，对重点配色、平衡配色、渐变配色、对比配色、调和配色、背景与图形进行选择。除了色彩具有一定代表意义外，还要考虑光线的反衬，提高照明的效果。室内以白、乳白、浅黄、天蓝为主色调较好。这样的色彩环境给人宁静、舒适的感觉。选择适当的色彩，利用色彩的效果，以构成良好的色彩环境。配色尽可能不要色调单一，否则会加速视觉疲劳或引起单调感。配色的明度不应太高和相差悬殊，否则也会因为视觉适应性而促使视觉疲劳。配色的饱和度不应过高，不然也容易加速视觉疲劳。在火车车厢的设计中，应采用给人以安静、安详、轻松、温暖、柔和的色调。下表4-1为部分颜色对人的心理作用。表4-1 部分颜色的心理作用颜色引起心理作用和感觉的联想兴奋安静热情爽快轻松遥远接近温暖寒冷柔和希望安详黄黄绿绿绿蓝天蓝浅蓝白浅灰 车顶采用浅蓝色，由于上铺空间狭窄，浅蓝色能给人带来遥远感，同时让人干到轻松、安静，有利于乘客休息。车体内壁采用浅灰色，浅灰色使人感到轻松，同时让整个车厢显得更加明亮，有利于缓解疲劳。而浅灰色比白色耐脏，也是选这浅灰色的一大原因。地板设计为蓝绿色，给人以安静、遥远、轻松感。窗帘及卧具采用浅黄绿色，使人感到安静、温馨。硬卧车厢个部位的色彩选用汇总如表4-2所示。表4-2 硬卧车厢个部位的色彩选用项目颜色项目颜色车顶浅蓝色地板蓝绿色车体内壁浅灰色窗帘浅黄绿色卧具浅黄绿色4.3 车厢内噪声的分析与优化噪声可使人产生听觉疲劳，在强噪声环境中如不采取保护措施，听觉疲劳继续发展，可导致听力下降或永久听力损失。噪声除影响听觉系统外，还影响神经系统、心血管系统、消化系统、内分泌及免疫系统等，造成植物性神经系统功能紊乱、血压不稳、肠胃功能紊乱等。噪声控制的主要方法有：控制声源，包括降低机械噪声和降低空气动力性噪声和控制噪声的传播等。由于列车处于运行过程中，转向架及轮对与车体、钢轨摩擦，再加上运行速度高，势必会产生大量噪声。想要完全消除噪声几乎是不可能的任务，只能设法降低噪声。降低噪声，可采取措施增强车体材料的隔音效果。减少各运动部件及连接部位之间的振动、摩擦、撞击，选用产生噪声小的材料，尽量采用噪声小的传动装置以达到降噪的目的。第五章 结束语铁路是我国的重要基础设施，是大众化的交通工具。具有大运力、低成本、占地少、能耗低、污染少的优势。因此，铁路在综合交通体系中占有重要地位，为经济和社会的全面、协调、可持续发展，发挥着促进作用。随着我国城市化进程的加快，预计未来5-10年中流动人口数量将以平均每年500万的速度增长。到2020年，铁路旅客发送量将达40亿人次左右。在选择交通工具时，有59%的旅客首先考虑安全性，而在从安全性出发选择交通工具时，就有近72%的旅客选择火车，说明与其他运输方式相比，在安全性方面铁路占有绝对优势。2014年底，中国铁路营业总里程为11.2万公里，其中高速铁路占1.6万公里。这也意味着国内还有近86%的铁路在运行普速列车，普速列车仍然是铁路客运的