方　勇

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

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基于人體工程學(xué)的艦船集體防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

方勇

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

摘要：從人體工程學(xué)的角度分析艦船集體防護(hù)系統(tǒng)由于密閉及超壓設(shè)計產(chǎn)生的壓力波動、操作力、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等問題，綜合考慮人的需求、艦船任務(wù)及環(huán)境的限制，確定合理的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，從而最大限度符合安全、高效及舒適等不同層次的要求。

關(guān)鍵詞：集體防護(hù)；人體工程學(xué)；壓力波動；操縱力；二氧化碳

在核生化環(huán)境中，為了減少或避免化學(xué)毒氣、生物戰(zhàn)劑、沾染物等對人員造成傷害，必須采取個體防護(hù)或集體防護(hù)措施。對于個人防護(hù)，人員佩戴面具后產(chǎn)生的呼吸阻力和有害空間會使佩戴人出現(xiàn)呼吸肌和心肺功能下降、呼吸中樞麻痹、氣體代謝障礙等反應(yīng)，這些都導(dǎo)致人員難以完成核生化環(huán)境下的戰(zhàn)斗和保障任務(wù)。而且，人員運(yùn)動越劇烈，這種不良的生理反應(yīng)越明顯[1]。相對個人防護(hù)而言，集體防護(hù)在人體工程學(xué)上的優(yōu)勢非常明顯。集防區(qū)的人員不需佩戴面具及防護(hù)服，人員的舒適感及工作效能大大提高。但由于集體防護(hù)系統(tǒng)的氣密及超壓設(shè)計，由此產(chǎn)生的壓力波動、操縱力、CO2濃度等需要從人體工程學(xué)的角度特別予以考慮，以使系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到安全、舒適和經(jīng)濟(jì)的目的。

1壓力波動設(shè)計

1.1集體防護(hù)系統(tǒng)壓力波動的影響因素分析

相關(guān)研究表明，人體對于壓力有較強(qiáng)的承受能力，但對于壓力波動卻比較敏感。如果艙室內(nèi)壓力波動幅度及頻率過大，超過人體耐受閾限，可引起人體不適, 甚至聽覺器官損傷。壓力波動對人體的影響主要是由波動的幅度及速率決定的。

集防區(qū)的壓力波動的影響因素有外界大氣壓力波動、洗消通道開關(guān)門、壓力控制設(shè)備的PID控制方式及壓力探測設(shè)備的測量精度等。

其中，外界大氣壓力波動的影響是主要因素，受溫度、濕度、季節(jié)及大氣運(yùn)動等影響，年波動幅度約為2 600～4 000 Pa，日波動幅度可達(dá)1 000 Pa。雖然波動幅度不到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的4%，但相對于集防區(qū)的超壓設(shè)計值來說，這個波動幅度還是很大的。所以集防區(qū)超壓值的基準(zhǔn)點(diǎn)不能采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，而是采用外界實(shí)時的大氣靜壓。雖然外界大氣壓的波動幅度較大，但這種波動變化緩慢，通過人體的自身調(diào)節(jié)作用，能夠適應(yīng)這種變化，不會產(chǎn)生不適感。

人員進(jìn)出集體防護(hù)區(qū)時，為了避免集體防護(hù)區(qū)失壓，設(shè)有氣閘室。每個氣閘室設(shè)有兩道門，分別通往集防區(qū)及非集防區(qū)，兩道門不能同時開啟。氣閘室開關(guān)門引起的壓力波動取決于氣閘室和集防區(qū)的容積比例，由于氣閘室較小，因此其開關(guān)門引起的波動相應(yīng)較小。

壓力控制設(shè)備的PID控制方式、壓力探測設(shè)備的布置位置是影響集體防護(hù)區(qū)壓力波動的重要因素。在艦表面形成的流場中，由于艦船航速及外界風(fēng)速矢量相互作用，各處的壓力會有所差別并產(chǎn)生一定的波動，大氣壓力探頭的安裝位置要求盡量避免這種動態(tài)干擾，準(zhǔn)確反映外界大氣靜壓的變化。壓力控制設(shè)備的調(diào)節(jié)動作應(yīng)平穩(wěn)，其性能曲線盡量接近線性，有效控制集體防護(hù)區(qū)的壓力波動。

1.3集體防護(hù)系統(tǒng)壓力波動設(shè)計值

目前，關(guān)于集體防護(hù)系統(tǒng)壓力波動對于人體的影響研究較少。但國內(nèi)外在高速列車、航空航天等領(lǐng)域在這方面有較為深入的研究，成果可以借鑒。日本學(xué)者關(guān)于新干線高速鐵路氣壓波動對旅客舒適性的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖1[3]。

圖1　日本新干線耳感舒適度變化

不同國家、不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中因應(yīng)用領(lǐng)域及環(huán)境不同，對大氣壓波動速率的限制有很大差異。如英國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4-5]：民航客機(jī)在飛行階段的增壓率不大于23 Pa/s，減壓率不大于31 Pa/s；而軍用飛機(jī)的座艙壓力變化率可達(dá)220 Pa/s；氣密城間列車，一般要求4 s內(nèi)的壓力波動幅值不超過800 Pa。受到本身或環(huán)境限制，這些領(lǐng)域的壓力波動控制難度更大，如飛機(jī)在起降期間或列車高速通過隧道期間，會產(chǎn)生較大的壓力波動。綜合考慮集體防護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境及技術(shù)能力，壓力波動可以較好地得到控制，在目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可根據(jù)耳感舒適度曲線，并參照航空舒適性標(biāo)準(zhǔn)，取壓力波動率不大于23 Pa/s。

2操縱力設(shè)計

集體防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時需要在集體防護(hù)區(qū)建立一定的超壓，從而在集體防護(hù)區(qū)的門、梯口蓋兩側(cè)形成一定的壓力，如果這個壓力過大，會使得門、梯口蓋的開啟變得比較困難。在《操縱器一般人類工效學(xué)要求》(GB/T14775-1993)中，在每班操作不超過5次的情況下，推薦單手臂操縱力不大于150 N[6]。

如圖2所示，以門軸為支點(diǎn)形成杠桿，有：

式中：F——門的操縱力，N；

A——門的寬度，m；

T——兩側(cè)壓力，N；

Δp——門兩側(cè)壓差，Pa；

B——門的高度，m。

以寬650 mm、高1 650 mm的標(biāo)準(zhǔn)門為例，按上式計算，在單手臂操縱力不大于150 N的情況下，門兩側(cè)的壓差應(yīng)不大于280 Pa，否則開門比較費(fèi)力。由于集體防護(hù)區(qū)的超壓大于此值，氣密周界上的氣密門不易開啟。為了保障人員在集體防護(hù)狀態(tài)下進(jìn)出，需要設(shè)置緩沖通道，通過壓力梯度的設(shè)計，降低門兩側(cè)壓差，將開門的操縱力控制在人體工程學(xué)允許的范圍內(nèi)。

3CO2濃度設(shè)計

3.1CO2對人體的影響

在評價CO2對人體的影響時，需綜合考慮CO2濃度及持續(xù)的暴露時間。人體的CO2暴露水平是人體所在環(huán)境中CO2的濃度與持續(xù)作用時間的乘積。

國內(nèi)外毒理試驗(yàn)研究表明[7-8]：當(dāng)人在CO2體積分?jǐn)?shù)為0.5%～0.8%的空氣中長期暴露，尚未發(fā)現(xiàn)人體生理有明顯變化；我國做過在CO2體積分?jǐn)?shù)為1%持續(xù)30 d的密閉環(huán)境試驗(yàn)，人員的一般健康狀態(tài)、血、尿鈣、磷含量及尿pH均無明顯改變，心電圖正常，工作能力無影響；美國做過CO2體積分?jǐn)?shù)為1.5%持續(xù)42天的人體試驗(yàn)，人員的基礎(chǔ)生理指標(biāo)無明顯改變，但有輕度呼吸性酸中毒；人在CO2體積分?jǐn)?shù)為3%的空氣中暴露數(shù)10 h，工作能力、智力活動能力顯著下降。

3.2對CO2濃度的品質(zhì)需求分析

允許CO2濃度隨工作環(huán)境的不同有較大的差異，在規(guī)定該值時，既要考慮工作時間內(nèi)CO2濃度對人體影響的可接受程度，也要考慮當(dāng)前的技術(shù)能力下的綜合性能。根據(jù)艦船使用條件及任務(wù)的不同，將CO2濃度的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分為3種：舒適性標(biāo)準(zhǔn)、工效性標(biāo)準(zhǔn)和生存性標(biāo)準(zhǔn)。

舒適性標(biāo)準(zhǔn)要求艦員在該CO2濃度環(huán)境中長期生活和工作時，不應(yīng)產(chǎn)生任何刺激效應(yīng)和遠(yuǎn)期危害作用，而且還不應(yīng)引起精神上的不愉快。這個標(biāo)準(zhǔn)適合平時情況下水面艦船的相關(guān)生活及工作艙室。

工效性標(biāo)準(zhǔn)要求艦員在該CO2濃度環(huán)境中生活和工作一定的階段內(nèi)，不影響艦員的工作效率，能迅速做出反應(yīng)，準(zhǔn)確做出判斷，完成規(guī)定的任務(wù)，并且對艦員身體不會產(chǎn)生遠(yuǎn)期的危害。集體防護(hù)系統(tǒng)相對平時通風(fēng)系統(tǒng)而言，新風(fēng)量要小很多，但集體防護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行時間一般只有幾天時間，為了減少總體資源的消耗，允許集體防護(hù)狀態(tài)下CO2濃度比平時高些。

生存性標(biāo)準(zhǔn)是指在環(huán)境條件限制或集體防護(hù)系統(tǒng)遭到破壞的情況下，需采取個人防護(hù)的措施，由于佩戴者面部和防毒面具之間不可避免地存在一部分空間，呼氣時呼出的一部分廢氣會累計在該空間里面，吸氣時該部分廢氣同新鮮空氣混合在一起又被吸入肺部，因此人員實(shí)際吸入的CO2濃度更高。

4結(jié)束語

艦船集體防護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)充分考慮人體工程學(xué)的要求，除了溫度、濕度等一般要求外，特別是由于密閉及超壓設(shè)計產(chǎn)生的壓力波動、操作力、CO2濃度等問題，應(yīng)根據(jù)人的需求、艦船任務(wù)及環(huán)境的限制綜合考慮，確定合理的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，從而最大限度符合安全、高效及舒適等不同層次的需要。

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The Human Engineering Design of Collective Protection System for Warships

FANG Yong

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:From the view of human engineering, the problems of pressure fluctuation, manipulation power and CO2 concentration arose by pressurization for the collective protection system of warships are analyzed. Considering the requirements of human, the mission of warship and the restriction of environment comprehensively, the proper design standard is determined, in order to satisfy the different requirements of safe, efficiency and comfort.

Key words:collective protection; human engineering; pressure fluctuation; manipulation power; CO2

中圖分類號：U674.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0001-03

第一作者簡介：方勇(1974-)，男，碩士，高級工程師E-mail:blueseafy@tom.com

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.001

修回日期：2016-01-21

研究方向:供暖、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)