面向城市桩井作业人员的安全救生设备设计

林炳塔 欧阳时莹 吴天 熊伟文 刘泽美

面向城市桩井作业人员的安全救生设备设计

林炳塔 欧阳时莹 吴天 熊伟文 刘泽美

随着经济和现代城市建设的发展，绝大部分行业的管道，电缆通过地下连接，在挖桩和桩井下进行安装、清理，维修施工过程中，有着大量的有毒气体及易燃易爆气体（如：硫化氢、氰化氢、甲烷、一氧化碳、挥发性有机物等）对作业人员造成伤害。针对这些问题，我们本着“以人为本”的设计理念，来解决和帮助井下作业人员顺利的完成井下工作，实现“安全下井，顺利上井”的目标。

以人为本；目标；解决；帮助

一、前言

现代国内一些桩井下的救生设备的设计理论的主要依据是西方数据，在西方国家中如：英国伦敦的城市地下排水系统中，他们前期的城市规划相对完善，救生设备相对齐全，而且地下管道的建设尺寸大小、采用全自动检测设备等要求都很全面。同样在日本的城市地下排水系统中，他们对城市的地下管道的维修、清理等一系列的工作都是采取全自动机器设备，减少工作人员的直接参与。这不但效率高，而且及时的解决桩井下出现的各种问题。

因此，我们要结合国内各大城市桩井下的实际情况，具体问题具体分析，而不能盲目学习西方的设计方法和解决措施。要根据我们自己城市的实际地形的分布情况，做出应对的解决方法和维修措施。

二、桩井下的安全救生设备必要性

（一）发展的趋势

国家的发展和城市的建设息息相关，各方面的基础设施是维系城市正常运营的基石，城市桩井正是保证城市发展不可或缺的一环，桩井下作业人员的工作不仅影响到到人身安全而且关系到社会生命保障体制的完善与否。

桩井工人在井下作业时缺少相应的气体安全检测和救生工具，缺乏救生知识和应急常识，面对突发事件大多束手无策，极易造成群死群伤的重特大安全事故，倘若在危险发生初期及时发现并利用身边工具安全、便捷、高精度、高效率的排除隐患，事故发生时能最大限度的确保人身和国家财产安全，无疑是对自己对家人对社会最直接的感恩，此外桩井工人大多生活在社会的中下层，肩负着养老抚幼的责任，失去一个顶梁柱就会毁掉一个家，从这个角度来看，此项研究若能顺利完成更减轻了社会压力，为社会的平稳发展出一份力。

通过早期的实地走访我们发现，我国在城市桩井下安全检测和救生方面比较薄弱，大多数人的关注点在矿井下的安全救生方面，诚然，矿井下安全救生问题不容忽视，但日益突出的城市桩井安全隐患也要引起格外的关注，所以，在此方面很有研究的必要。

（二）存在问题突出

随着经济和现代城市建设的发展，绝大部分行业的管道、电缆通过地下连接。在挖桩和桩井下进行安装、清理、维修施工过程中，急性中毒事故时有发生。

事故案例：

（1）2011年8月4日，永宁县望远开发区的宁夏泰瑞制药股份有限公司在进行排水管道改造施工时，由于施工人员违规作业，发生硫化氢气体中毒事故，造成3人死亡，3人中毒。

（2）2011年8月22日，中卫市沙坡头世纪花园居民小区物业公司在清理下水道时，由于施工人员在没有采取安全防护措施的情况下擅自下井作业，发生硫化氢气体中毒事故，致2人死亡，1人中毒。

（3）2011年8月25日，青铜峡市第三建筑公司在青铜峡市渭沙物流中心实施宁夏圣花米来生物有限公司污水管道改线施工时，发生硫化氢气体中毒事故，造成5人死亡，2人中毒。

最近一些年的桩井下的事故数据表明：桩井下作业急性混台气体中毒主要分布在建筑、市政工程、邮电通讯及煤气管道等行业，分别为467%、20.%、13.3%和13.3%。

所以从以上案例和数据可以看出，在恶劣工作环境下从事这样的行业的工作人员，承担着高风险高死亡率，因此，这次样本构成分析也是因为发现这样的一个潜在巨大空洞分析空间，对于保障每个人的生命安全及维护城市基础设施建设和可持续发展具有很大作用和意义。

三、设计构思

（一）前期调查

调查中，对现有的安全救生工具的调查，发现了有这样几点安全隐患：

1.在下井时，检测设备的不齐全，导致所测出的安全数据不准确，工作人员盲目下井作业，造成了气体中毒而伤亡。

2.在检测城市桩井下的气体成分时，由于没有进入较深的井内检测，得不到十分准确的数据，需要进入较深的井内检测气体成分，这对下井前的准备工作带来极大的不便和麻烦。

3.在一系列的下井前的准备工作完毕后，安全的下井作业，但对下井后，由于工作人员身体的滚动，引起各气体的反应，从而改变了气体的安全比例和浓度，而引起爆炸伤亡。

4.由于井下恶劣环境，导致救生设备不能正常使用，另外工作人员的身体素质参差不齐，加上缺氧，而发生身体结构的变化，导致身体的不适或死亡。

综合以上几点安全隐患，这让我们对桩井下工作的环境有了更深层次认识和了解，这对我们在对检测设备的设计上有了很大的触动和设计空间。最后综合分析，得出目前最应该及时完善的设计。

（二）遵循设计规则：

为满足现在中国各大城市环境下的城市桩井作业人员的安全救生设备在设计上准确性、高精度性，安全系数等高精密的要求，面向城市桩井作业人员的安全救生设备的设计应注重“安全、准确、精密与创新共进”，包括人对环境保护以及设备对人的人身安全的保障等全方位的设计，这就要求遵循以下设计规则：

1.智能安全性

着重强调桩井下作业人员安全和顺利的进行工作，通过全自动智能检测技术的使用，可以用来检测桩井下环境的各种气体指数，保障随时对桩井下的气体进行跟踪和更新数据，提供标准的安全数据给工作人员参考，随时知道工作坏境下的安全系数，保证了工作人员在第一时间知道井下的状况。

2.人机合理性

用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心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。最后我们设计了一个可以便携式随身带的安全救生设备，这个仪器可以随工作人员到工作地点进行检测，附加一个配戴在工作人员手上的紧急手环，对工作人员并不会产生不便，而是时刻进行井下的气体跟踪和更新。

3.便携、易操作性

检测机器设备由紧急警示手环和可移动智能检测机器人组成。紧急警示手环是针对工作人员在井下走动或滚动时，易引起二次气体反应，从而引发有毒气体浓度的增大。这个时候紧急警示手环便起到了警示突发事件的作用，提醒作业人员及时防范或撤离。而检测机器人即随工作人员下井检测，实现井下环境气体的实时安全检测。它采用了德国Muhiwam II型多种气体测定仪，随时对桩井下的气体进行跟踪和更新数据，提供标准的安全数据给工作人员参考，随时知道工作坏境下的安全系数，保证了工作人员在第一时间知道井下的状况。保障井下环境气体检测的准确性、高精度性，让工作人员安全下井，顺利工作。

所以整个设计应该要重视检测机器的易操作性以及检测机器的便携性，这样才能实现设备服务于人，方便于人，达到环境、机器与人的和睦共处。

（三）设计方案

本设计是一款井下环境气体检测机器设备。专门为城市桩井下作业人员下井前及作业过程中对井下环境气体进行检测的机器设备。在前期调研中发现作业人员在井下工作时，容易吸入有毒气体导致身体中毒，本设计主要针对此问题，来解决和帮助井下作业人员顺利的完成井下工作。

本着“以人为本”的设计理念，实现“安全下井，顺利上井”的目标。检测机器设备由紧急警示手环和可移动智能检测机器人组成。紧急警示手环是针对工作人员在井下走动或滚动时，易引起二次气体反应，从而引发有毒气体浓度的增大。这个时候紧急警示手环便起到了警示突发事件的作用，提醒作业人员及时防范或撤离。而检测机器人即随工作人员下井检测，实现实时实地的井下环境气体安全检测。

1.安全性。检测设备的安全性是保障井下作业人员生命安全的重要环节。因此，要在设计，生产，检验过程中满足产品安全性的要求。从人机工学的角度来看，产品设计要考虑到人体尺寸，人体各部位的运动特性，作业时的姿势等因素，使操作者在作业时感觉舒适。产品舒适性也对产品安全有着重要的影响，如操作者长期保持不舒适的姿势，则容易造成肢体疲劳或不良心理反映，增大误操作的几率从而导致事故发生。同时，长时间保持不舒适操作姿势也会造成身体疾病。考虑到这些因素，加上井下工作环境恶劣，工作劳力大等，我们所设计的检测设备是一款全自动智能的检测设备机器人，他不需要工作人员时刻跟随他，而是机器通过自动控制来实现和帮助工作人员完成任务。如遇到突发事件时，会把紧急信息发至作业人员的紧急警示手环上，第一时间让作业人员知道井下情况。检测设备机器人的基本形体为图1，紧急警示手环的基本形态为图2。

2.形态与色彩。在城市桩井下这样的环境下作业，对检测设备的外观和色彩也有着重要的要求，如：红色代表危险；橙色代表注意的意思。结合这样的环境需求，我们设计的灵感来自一种爬行动物，它是一种是非常奇特的动物，它具备了适于树栖生活的种种特征和行为——变色龙。同时，我们也考虑到了色彩对作业人员的心理接受作用，所有运用了橙色与黑色搭配，给井下环境的工作人员很好的警示和提醒作用外；更多的是影响作业人员的心理和传达某种意义的作用。

图1

图2

3.功能性。在功能设计中运用了自动捕捉摄像头、自动开启走过和滑动的移动功能、接发送信号的终端控制、紧急按键等功能。其检测设备机器人和紧急警示手环的功能设计介绍如图3与图4。

四、结论

图3

图4

检测设备的设计在理念的更新、新技术的应用、智能功能的扩展和延伸等方面，要既能体现国家的文化传统和民族特点，也要实现与现代文化的结合，不断进行设计创新，才能有持久的生命力。然而，像这种高精密检测设备的创新并不是单纯的求新、求异，应该在有利于社会发展、符合社会文化和实际使用需求的基础上，从设备器材的材料、加工工艺、设计手段等方面进行改革和创新。

我们希望通过我们简单的针对目桩井环境下的检测设备机器的设计能让人们认识到科技创新和设计创新在我们日常生活中的作用，这不仅提高了我们工作效率另外也能让我们的城市、我们的生活质量提高到新的层次，设计让生活更简单！

［1］杨静，梁伟臻，孟庆强.城市下水道可燃有毒气体的检测方法［J］.中国给水排水，2005，（1）.

［2］卡兹.空气采样与分析方法［M］.北京:人民卫生出版社，1982.

［3］汪东红，李宗宝.硫化氢中毒及预防［M］.北京：中国石化出版社，2008.

［4］张大群.解决城市下水道安全隐患迫在眉睫［J］.中国经济周刊，2013，（9）.

［5］李代明.城市下水道爆炸的原因及处置措施［J］.消防技术与产品信息，2007，（4）.

［6］李强，高碧华，杨开雄，王勇.钻井作业硫化氢防护［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［责任编辑：程文燕］

林炳塔（1992—），男，江西财经大学艺术学院2012级工业设计专业在读本科生，研究方向为产品设计；欧阳时莹（1995—），女，江西财经大学艺术学院2013级工业设计专业在读本科生，研究方向为产品设计；吴天（1993—），男，江西财经大学艺术学院2013级工业设计专业在读本科生，研究方向为产品设计；熊伟文（1994—），男，江西财经大学艺术学院2013级工业设计专业在读本科生，研究方向为产品设计；刘泽美（1993—），女，江西财经大学艺术学院2013级工业设计专业在读本科生，研究方向为产品设计；指导老师为江西财经大学艺术学院韩吉安讲师（博士）。（江西南昌330032）