基于人体工程学的舰船集体防护系统设计

方　勇

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



基于人体工程学的舰船集体防护系统设计

方勇

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：从人体工程学的角度分析舰船集体防护系统由于密闭及超压设计产生的压力波动、操作力、二氧化碳体积分数等问题，综合考虑人的需求、舰船任务及环境的限制，确定合理的设计标准，从而最大限度符合安全、高效及舒适等不同层次的要求。

关键词：集体防护；人体工程学；压力波动；操纵力；二氧化碳

在核生化环境中，为了减少或避免化学毒气、生物战剂、沾染物等对人员造成伤害，必须采取个体防护或集体防护措施。对于个人防护，人员佩戴面具后产生的呼吸阻力和有害空间会使佩戴人出现呼吸肌和心肺功能下降、呼吸中枢麻痹、气体代谢障碍等反应，这些都导致人员难以完成核生化环境下的战斗和保障任务。而且，人员运动越剧烈，这种不良的生理反应越明显[1]。相对个人防护而言，集体防护在人体工程学上的优势非常明显。集防区的人员不需佩戴面具及防护服，人员的舒适感及工作效能大大提高。但由于集体防护系统的气密及超压设计，由此产生的压力波动、操纵力、CO2浓度等需要从人体工程学的角度特别予以考虑，以使系统设计达到安全、舒适和经济的目的。

1压力波动设计

1.1集体防护系统压力波动的影响因素分析

相关研究表明，人体对于压力有较强的承受能力，但对于压力波动却比较敏感。如果舱室内压力波动幅度及频率过大，超过人体耐受阈限，可引起人体不适, 甚至听觉器官损伤。压力波动对人体的影响主要是由波动的幅度及速率决定的。

集防区的压力波动的影响因素有外界大气压力波动、洗消通道开关门、压力控制设备的PID控制方式及压力探测设备的测量精度等。

其中，外界大气压力波动的影响是主要因素，受温度、湿度、季节及大气运动等影响，年波动幅度约为2 600～4 000 Pa，日波动幅度可达1 000 Pa。虽然波动幅度不到标准大气压的4%，但相对于集防区的超压设计值来说，这个波动幅度还是很大的。所以集防区超压值的基准点不能采用标准大气压，而是采用外界实时的大气静压。虽然外界大气压的波动幅度较大，但这种波动变化缓慢，通过人体的自身调节作用，能够适应这种变化，不会产生不适感。

人员进出集体防护区时，为了避免集体防护区失压，设有气闸室。每个气闸室设有两道门，分别通往集防区及非集防区，两道门不能同时开启。气闸室开关门引起的压力波动取决于气闸室和集防区的容积比例，由于气闸室较小，因此其开关门引起的波动相应较小。

压力控制设备的PID控制方式、压力探测设备的布置位置是影响集体防护区压力波动的重要因素。在舰表面形成的流场中，由于舰船航速及外界风速矢量相互作用，各处的压力会有所差别并产生一定的波动，大气压力探头的安装位置要求尽量避免这种动态干扰，准确反映外界大气静压的变化。压力控制设备的调节动作应平稳，其性能曲线尽量接近线性，有效控制集体防护区的压力波动。

1.3集体防护系统压力波动设计值

目前，关于集体防护系统压力波动对于人体的影响研究较少。但国内外在高速列车、航空航天等领域在这方面有较为深入的研究，成果可以借鉴。日本学者关于新干线高速铁路气压波动对旅客舒适性的影响试验结果见图1[3]。

图1　日本新干线耳感舒适度变化

不同国家、不同行业标准中因应用领域及环境不同，对大气压波动速率的限制有很大差异。如英国相关标准规定[4-5]：民航客机在飞行阶段的增压率不大于23 Pa/s，减压率不大于31 Pa/s；而军用飞机的座舱压力变化率可达220 Pa/s；气密城间列车，一般要求4 s内的压力波动幅值不超过800 Pa。受到本身或环境限制，这些领域的压力波动控制难度更大，如飞机在起降期间或列车高速通过隧道期间，会产生较大的压力波动。综合考虑集体防护系统的运行环境及技术能力，压力波动可以较好地得到控制，在目前没有相关标准的情况下，可根据耳感舒适度曲线，并参照航空舒适性标准，取压力波动率不大于23 Pa/s。

2操纵力设计

集体防护系统运行时需要在集体防护区建立一定的超压，从而在集体防护区的门、梯口盖两侧形成一定的压力，如果这个压力过大，会使得门、梯口盖的开启变得比较困难。在《操纵器一般人类工效学要求》(GB/T14775-1993)中，在每班操作不超过5次的情况下，推荐单手臂操纵力不大于150 N[6]。

如图2所示，以门轴为支点形成杠杆，有：

式中：F——门的操纵力，N；

A——门的宽度，m；

T——两侧压力，N；

Δp——门两侧压差，Pa；

B——门的高度，m。

以宽650 mm、高1 650 mm的标准门为例，按上式计算，在单手臂操纵力不大于150 N的情况下，门两侧的压差应不大于280 Pa，否则开门比较费力。由于集体防护区的超压大于此值，气密周界上的气密门不易开启。为了保障人员在集体防护状态下进出，需要设置缓冲通道，通过压力梯度的设计，降低门两侧压差，将开门的操纵力控制在人体工程学允许的范围内。

3CO2浓度设计

3.1CO2对人体的影响

在评价CO2对人体的影响时，需综合考虑CO2浓度及持续的暴露时间。人体的CO2暴露水平是人体所在环境中CO2的浓度与持续作用时间的乘积。

国内外毒理试验研究表明[7-8]：当人在CO2体积分数为0.5%～0.8%的空气中长期暴露，尚未发现人体生理有明显变化；我国做过在CO2体积分数为1%持续30 d的密闭环境试验，人员的一般健康状态、血、尿钙、磷含量及尿pH均无明显改变，心电图正常，工作能力无影响；美国做过CO2体积分数为1.5%持续42天的人体试验，人员的基础生理指标无明显改变，但有轻度呼吸性酸中毒；人在CO2体积分数为3%的空气中暴露数10 h，工作能力、智力活动能力显著下降。

3.2对CO2浓度的品质需求分析

允许CO2浓度随工作环境的不同有较大的差异，在规定该值时，既要考虑工作时间内CO2浓度对人体影响的可接受程度，也要考虑当前的技术能力下的综合性能。根据舰船使用条件及任务的不同，将CO2浓度的品质标准分为3种：舒适性标准、工效性标准和生存性标准。

舒适性标准要求舰员在该CO2浓度环境中长期生活和工作时，不应产生任何刺激效应和远期危害作用，而且还不应引起精神上的不愉快。这个标准适合平时情况下水面舰船的相关生活及工作舱室。

工效性标准要求舰员在该CO2浓度环境中生活和工作一定的阶段内，不影响舰员的工作效率，能迅速做出反应，准确做出判断，完成规定的任务，并且对舰员身体不会产生远期的危害。集体防护系统相对平时通风系统而言，新风量要小很多，但集体防护系统的运行时间一般只有几天时间，为了减少总体资源的消耗，允许集体防护状态下CO2浓度比平时高些。

生存性标准是指在环境条件限制或集体防护系统遭到破坏的情况下，需采取个人防护的措施，由于佩戴者面部和防毒面具之间不可避免地存在一部分空间，呼气时呼出的一部分废气会累计在该空间里面，吸气时该部分废气同新鲜空气混合在一起又被吸入肺部，因此人员实际吸入的CO2浓度更高。

4结束语

舰船集体防护系统在设计时应充分考虑人体工程学的要求，除了温度、湿度等一般要求外，特别是由于密闭及超压设计产生的压力波动、操作力、CO2浓度等问题，应根据人的需求、舰船任务及环境的限制综合考虑，确定合理的设计标准，从而最大限度符合安全、高效及舒适等不同层次的需要。

参考文献

[1] 王峰.过滤式防毒面具对生理机能的影响与调试[J].解放军体育学院学报，2003，22(4):76-78.

[2] 吴家林.大气压力变化对咽鼓管通气阻力的影响及耳气压伤的预防[J].中华航空航天医学杂志，2006，17(1):18-21.

[3] 铃木浩明.车内压力波动引起耳鸣的研究[J].国外铁道车辆，1999(5):15-18.

[4] 肖华军.大运飞机座舱压力设计的生理学基础[C].中国航空学会2007年学术年会，2007，机载航电专题75:1-5.

[5] KLAVER E C，KASSIES E. Dimensioning of tunnels for passenger comfort in Netherlands. Proc. 10th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels[J]. Cranfield U K：BHR Group，2000(19):737-755.

[6] 中华人民共和国国家标准.GB/T 14775-1993,操作器一般人类工效学要求[S].北京，中国标准出版社，1994.

[7] 陈根年.密闭环境中二氧化碳的控制[C].第二界全国人-机-环境系统工程学术会议论文集，1995:152-157.

[8] 姜磊.载人深潜器二氧化碳清除方式研究[J].中国造船，2010，51(3):169-176.

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

中图分类号：U674.7

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0001-03

第一作者简介：方勇(1974-)，男，硕士，高级工程师E-mail:blueseafy@tom.com

基金项目：国家部委基金资助项目

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、通风及空气调节