国内外大型游乐设施安全距离要求比对研究

王华杰 吕梦南 孙艺峰 崔明亮

（1．国家市场监管重点实验室（特种设备安全与节能) 北京 100029）

（2．中国特种设备检测研究院 北京 100029）

大型游乐设施安全距离是保障安全运行的重要指标，它是指在游乐设施运行（转）过程中，为防止乘客肢体与周围物体碰撞发生危险而留出的距离[1-2]。但近些年来，随着科学技术的发展和工程技术的成熟，游乐设施向着更高、更快、更复杂、更加新颖的高科技方向发展，其中之一就是运动形式的多样、复杂，通常是升降、旋转、倒挂、悬停、滑翔多种运动的复合[见图1（a)]，另外就是乘坐方式上，由普通的乘坐式向悬挂式、站立式、飞行式、不约束式发展[3]。同时，在游乐设施本体之外，运行环境中增加了黑暗涵洞[见图1（b)]、舞台装置靠近[见图1（c)]、火焰[见图1（d)]等特效装置，安全距离变得难以评估。

图1 游乐设施运动形式和运行环境中的几种特效装置

我国大型游乐设施安全标准始于1987年，现已成为国际三大标准体系之一，给我国游乐设施设计者提供了重要的安全相关方面的设计依据[4]。其中GB 8408是我国游乐设施安全标准的重中之重[5]。相较于旧版本的GB 8408—2008《游乐设施安全规范》，GB 8408—2018《大型游乐设施安全规范》（以下简称国标）提供了应予以考虑的安全距离影响因素，例如乘客高度的限制、乘载系统的形状和尺寸，但缺少具体要求。与此同时，ASTM F2291：21（简称美标）和EN 13814:2019（简称欧标）相继修订完成并出版，其中对安全距离均有不同程度的修订[6-7]，文献[8-10]中仅进行了国内外标准体系的比较，并未开展具体技术条款比较，并未深入分析各自的优缺点。因此，本文通过开展具体技术条款比较，深入研究了美标、欧标中有关安全距离的章节，详细对比了技术要求，分析了各自的优缺点，为国标今后的研究内容和修订方向提出了建议。同时为游乐设施安全距离的设计方法提供了参考。

1 内容与步骤

1.1 国标

国标[2]规定：游乐设施设计时应确定乘客的安全距离，防止运动时乘客与其他物体接触。应考虑以下因素[1]：

1) 乘客高度的限制。

2) 乘载系统的形状和尺寸，包括：（1) 座位、扶手、座位背部和侧部、脚踏等；（2) 考虑设计的束缚装置，如压杠、安全带、肩部束缚装置等；（3) 乘载系统限制乘客伸出装载物的允许范围。

3) 可能接触的物体及接触时的相对速度和方向。

4) 所处区域内的可移动设备或部件。任何侵占安全距离的可移动系统或装置，如上、下客平台，甲板或其他设施。

5) 乘人装置的位置或方向变化的可能性（如角度运动、侧向运动、无约束或无阻尼运动、自由摆动）。

另外，凡乘客身体可伸到座舱以外时，应设有防止乘客在运行中与周围障碍物相碰撞的安全装置，或留出不小于500 mm的安全距离。当全程或局部运行速度不大于1 m／s时，其安全距离可适当减小，但不应小于300 mm。从座席面至上方障碍物的距离应不小于1 400 mm。专供儿童乘坐的游乐设施应不小于1 100 mm。

综上，我国大型游乐设施安全距离的设计步骤与要求如图2所示。

图2 国标安全距离设计步骤与要求

1.2 美标

美国ASTM 2291:21《Standard practice for design of amusement rides and devices》标准是美国试验与材料协会（ASTM）制定的。ASTM是非政府标准制定者之一，现行的美国国家标准（ANSI）中有半数标准来自ASTM。ASTM标准制订是通过所设置的130多个技术委员会进行的。对于游乐设备标准而言，标准制订面向设备制造商代表、使用方代表、消费者代表以及对此标准感兴趣的个人。同时标准制定的投票中要求消费方代表的总票数大于或等于生产商代表总数。因此该标准的条款具有“以人为本”的原则，强调提供设计理念、分析人性化需求。但对于部分条款，执行时常难以量化评定。从安全距离相关的标准要求中，可以看到上述特点。

美标ASTM 2291:21中第6.6节规定，所有的大型游乐设施均应采用如图3所示的安全包络线分析法（Patron Clearance Envelope Analysis）对安全距离进行分析。另外，同国标相比，美标还有以下不同之处：

图3 安全包络线

1）允许存在可控风险，增大了标准的包容性。美标提出，在安全包络线范围内或安全距离范围内允许有可触及的表面或物体时，应采取合理适当的措施，以确保能避免这些表面或物体造成伤害，如碎片、尖锐或急剧倾斜的特征或边缘、突出的物体、夹缝或其他造成挤压的区域。具有上述情况，则应进行风险评估并根据评估结果补充安全措施。

2）提出可测量性要求，为后续验收时安全距离的测量提供指导文件，确保已完成的游乐设施或装置在安装后能够达到预期的安全性。美标提出，设计阶段应考虑安全包络线测量方案和方法，使安全包络线具有可测量性。这些方案包括确认可进行测量的点位，这些点的位置应在制造商提供的安装说明书中以适当的图示说明，或者可以通过游乐设施或设备上的标记来体现测量点，并且测量方案和安全包络线应以图形和数据形式来进行说明。

3）允许有临时侵占安全包络线范围内的装置，如可移动的上、下客平台，站台或其他装置，应具有“故障-安全”设计，防止产生风险。此条目仍是标准包容性的体现。

结合标准原文，美标对大型游乐设施安全距离的设计步骤和要求如图4所示。

图4 美标安全距离设计步骤与要求

1.3 欧标

EN 13814-1: 2019《Safety of amusement rides and amusement devices Part 1: Design and manufacture》是由欧洲标准委员会（CEN）旗下TC152技术委员会修订[10]。CEN是一个协会，它是由欧盟（EU)25个成员国各自的国家标准化组织和欧洲自由贸易联盟的3个成员国组成的。为支持欧盟的技术法规，CEN制定了约13 000项满足技术法规基本要求的技术标准[9]。由此可见，欧标的制定过程较为复杂，同时内容较为严谨和扎实。

EN 13814-1:2019中第5.1.7.1章节提出了由运行线速度、危险源、座舱侧面高度、其他风险来确定安全距离取值的方法。根据风险分析的结果，提出了2种安全包络线的设计准则和基本要求：

1）包络线类型1，是按照EN ISO 13857或其他参考文献提供的人体尺寸或示例，设计乘客肢体可从侧面触及的范围，并确认该触及范围满足表1所规定的最小值。再选取对应的侧向安全距离数值、上方安全距离、下方安全距离围成如图5所示的闭合曲线作为安全包络线。该方法可理解为为了应对低风险、简单类型设备所采取的低成本模式，不必使用CAD工具并生成载入参考数据的人体尺寸模型，只需满足最小值包络范围。

表1 侧向安全距离da（原文Table 11[6]）

图5 最小值包络范围

2）包络线类型2，是指通过CAD绘制数字假人（Examples）与座椅及束缚系统（Seat and Restraint System）形成姿态配合来确定安全包络线，其中数字假人模型可采用由ISO／TS 17929、AS 3533.1 (3.17)、ASTM F2291给出的模型示例或根据ISO 13857、DIN 334081、GOST 12.2.049等已公开发表的人体尺寸标准绘制的2D或3D模型。3D模型一般仅用于复杂或严格的安全距离分析。在建立联合模型后，需分析人体模型的全部可活动范围，再加上76 mm（3 inch）作为安全包络线边界。该方法主要用来应对复杂或非坐姿的设备。如图6所示，包络线类型2由以下步骤逐步完成：（1)选取人体尺寸数值，建立座舱模型、人体尺寸模型，以及两者结合的乘载模型；

图6 欧标安全包络线类型2设计流程示意图

（2)根据人体关节活动范围相关参考资料以及座舱的阻挡能力，模拟并记录人体模型的最大可触及范围；

（3)在模型可触及最大范围形成的包络线外按标准选取向外延伸距离生成安全包络线。

根据欧标原文，欧标对大型游乐设施安全距离的设计步骤和要求如图7所示。

图7 欧标安全距离设计步骤与要求

2 比较分析

2.1 设计流程

国标在设计流程上最为简单，在引入和考虑各项影响因素后，设计者根据速度大小选择相应的局部或全局安全距离数值作为障碍物距离乘人部位内侧边缘的最小距离[11]，对于不满足安全距离的设备，可通过增设防护装置来达到限制的作用。另外，对于滑行车类设备还需设计安全包络线[12]。该流程对于设计者而言较为简单可行。

美标通过安全包络线的型式来规定安全距离，流程较为线性，逐步完成各项标准要求，纵向程序较多，主要是提出了安全距离的测量可行性要求。并提供了对于不满足安全距离要求的情况的处理方式——评估安全性或增加“故障-安全”功能。

欧标则提供了2个途径，在风险评估后，可按需自由选择2种包络线设计准则，相对应的标准也提供了针对2种准则的安全距离最小值要求，从流程上来说一分为二。其中途径二又提供2种建模方式。欧标呈现了树杈状的流程，给予了设计者较多的设计方式选择，包容性较强。

2.2 内容

●2.2.1 设计准则

除了滑行车类设备，在设计国标安全距离时，无须建立人体尺寸模型和安全包络线，而美标则要求必须建立人体尺寸模型以分析人体在座舱中可触及的最大区域。欧标则提供了2种途径。其中之一为介于安全距离和包络线之间的方法，根据各项参数选择各向最小安全距离数值，再根据图示画法围成平面安全包络线，包络线应不小于该范围，对于运行环境或运行路线内存在难以分析安全距离的障碍物，还需进一步按照表2增大安全距离范围；另一则是通过建立人体尺寸模型（3D或2D）分析触及范围再加上76 mm作为保护距离。在第2种方式中，又提供了2种人体模型创建方法——根据标准创建人体模型或参考行业标准人体形态示例。欧标的设计流程体现了多样的选择性。对于第1种方式，易于设计但相对保守，第2种则相反。

表2 危险或因素列表

●2.2.2 检测可操作性

国标在安全距离设计阶段提出了可供参考的因素，但未提出具体方法，设计时可参考性不高；对于检验检测，则提出了具体的数值与测量方法[2]，易于静态测量。另外对于骑乘式等特殊乘坐姿态的设备，也具有较高的可操作性。

美标在设计阶段提出了设计阶段应考虑安全包络线测量方案和方法，使安全包络线具有可测量性，具体为提供图示或设备上的标记以便于检测时进行复测，静态测量可操作性强。

欧标类型1对于非座位式座舱不具有可操作性。欧标在检验检测标准[13]中提到安全距离最小值应是设计、制造、运营过程中最基本的检测要求：主要检测内容是尺寸设计与实际的一致性、间隙距离和尺寸、运动部件的自由运动。

但对于如图1所示的游乐设备，例如穿越涵洞、火焰喷射、存在舞台机械互动等，3部标准都难以做到动态安全距离的测量，因此很难完整地评价全部运行路径上的安全距离是否都能满足设计或标准要求。使用临时搭建的包络线支架测量处于高空的过山车与屋顶的距离（见图8），难度非常大。

图8 利用包络线支架测量过山车高处的安全距离

3 实例分析

为更直观地比对各标准下安全距离的允许范围，本节按照各标准制作了KSC-26C型矿山车与型号为01-D26.9V504H31.2（KH16I)的狂呼的安全距离范围。并采用身高符合GB 10000-88《中国成年人人体尺寸》的99百分位尺寸的男性实验员实测了真实可触及范围作为参考，该轮廓通过量取实验员指尖触及范围与座舱边缘的距离获得。美标需要建立人体尺寸模型，本文按照GB 10000-88的百分位99的男性人体尺寸建立人体模型尺寸如图9所示。

图9 人体尺寸模型

3.1 矿山车实例

该矿山车为A级游乐设施，轨道高度为18.2 m，运行速度为48 km／h（13.3 m／s），座椅侧面高度实测为405 mm，采用压腿式压杠束缚人体活动范围，人体不能离开座椅面，但上身活动范围仅受座舱侧面结构限制。座舱结构见图10。

图10 KSC-26C型矿山车座舱

根据各标准得到包络线并重叠如图11所示。其中红色闭合线为国标安全距离范围，绿色为美标（也是欧标安全包络线类型2），蓝色为欧标安全包络线类型1，紫色为实验员测得的触及范围。

图11 矿山车包络线

由图11可见，对于束缚装置约束能力一般的设备类型，身体肢体可向外伸出，占据较大的空间。各标准安全距离范围对比结果如下：

1)美标与实验员测得范围基本相同，人体尺寸模型可以很好地用来分析安全距离范围，但应分析人体在座舱内的倾斜；

2)欧标类型1较为保守，但均处在实验员触及范围之外，且仅需选取距离进行绘制，本实例按表1选取侧面安全距离为900 mm，下部安全距离不应考虑，标准不够全面；

3)国标在侧面安全距离范围有所不足，有大量区域不能覆盖实验员触及范围。

3.2 狂呼实例

该设备为传统的旋转类设备，高度为31.2 m，转动半径为26.9 m，转速为16.9 m／s，座椅侧面有效高度为360 mm，座椅宽度为400 mm，采用压肩式压杠束缚人体活动范围，肢体受限。设备与座舱结构见图12。

图12 D26.9V504H31.2(KH16I)型狂呼

根据各标准得到包络线并重叠如图13所示。其中红色为国标安全距离范围，绿色为美标（也是欧标安全包络线类型2），蓝色为欧标安全包络线类型1，紫色为实验员测得的触及范围。

图13 狂呼包络线

由图13可见，对于具有限制肢体活动范围的束缚装置，身体无法呈现倾斜。各标准安全距离范围对比结果如下：

1）对于欧标类型1，因本设备采用了压肩并能够限制上身水平活动，因此采用了等同于h＞600 mm的值。因此对于上身，国标与欧标类型1基本等同，但均存在大量区域不能覆盖实验员触及范围，存在一定风险；对于腿部距离，欧标要求距离座椅面1 000 mm的安全距离显得过于保守。

2）美标与实验员测得范围基本相同。

4 建议

经过上述研究，对于今后我国大型游乐设施标准中关于安全距离的制定，建议如下：

1）新标准中，应数据化影响安全距离的考虑因素。通过研究座舱尺寸、束缚型式、运行速度对安全距离的影响，给出明确的最小安全距离要求，以此区分“低风险”和“高风险”安全距离，提高安全性并降低不必要的空间浪费。

2）在设计阶段确定完整的安全距离范围，引导设计者在设计初期排除可能导致安全距离不足的位置。目前在实际检测中发现安全距离不足，有时难以整改。一些学者[14-16]在检验或鉴定时发现了安全距离隐患。

3）在设计阶段提出可检测性要求。应在设计图纸上提出最小安全距离数值及出现位置，便于现场验证。

4）值得借鉴欧标对运行环境和设备路径所产生风险的增大安全距离要求的内容。

5）可参考欧标提供2种安全距离包络线设计模式并提出相应的要求，为设计者提供更多的选择。

5 结论

通过深入分析国内外大型游乐设施对于安全距离要求的差异，得到以下研究结论：

1）从设计准则角度，我国标准较欧标、美标简单易行，并具有更广泛的适用性。

2）美标提出了可测量性要求，有利于实现安全距离的闭环控制。

3）通过建立人体尺寸模型分析人体可触及区域获取的安全包络线范围（美标或欧标类型2）与本文中试验所得触及范围最为接近，该方法有效且经济。

4）欧标提供了2种途径供设计者选择适合的安全包络线设计准则，具有包容性和自由度。

5）通过2个座舱式实例分析，符合欧标类型1以及国标规定的侧向500 mm安全距离难以保障乘客避免触碰危险区域。因此，在修订国家标准时，需要加以改进。当前在设计与检测时应注意该区域是否存在风险。

6）3种标准都存在安全距离检测的可行性问题，尤其是对高速设备，传统的静态测量仪器难以实现对整个运行过程的动态测量，从而无法得知设备是否满足设计和标准要求。即便使用人工架设包络线框支架，也存在安全隐患和弯曲变形造成的测量不准确，部分狭小区域测量难度极高。目前，王华杰等人[17]提出了动态激光测距的方案，但仍需进一步研究。