基于安全體驗的礦用頭盔創(chuàng)新設(shè)計研究

摘要：

研究現(xiàn)有礦用安全頭盔的合理性。對礦工進(jìn)行用戶調(diào)研分析，運用統(tǒng)計學(xué)的數(shù)據(jù)分析礦工在使用現(xiàn)有礦用安全頭盔過程中存在的問題；研究安全頭盔對礦工的心理以及安全方面的影響；對安全頭盔以及與其相關(guān)的礦工個人防護(hù)裝備分別進(jìn)行功能的解構(gòu)分析與重組設(shè)計，研究安全頭盔的使用過程對礦工的影響；研究物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對礦工安全頭盔設(shè)計的影響?？偨Y(jié)出了一些礦用安全頭盔的設(shè)計方法，并研究更為合理的礦用安全頭盔解決方案。

關(guān)鍵詞：

安全頭盔 用戶體驗 物聯(lián)網(wǎng) 設(shè)計研究

中圖分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）06-0124-03

礦用安全頭盔屬于礦工的個人防護(hù)裝備，用來保護(hù)頭部。礦山裝備及設(shè)備隨著科技的進(jìn)步朝著機械化、智能化的方向發(fā)展。然而，安全頭盔以及礦工個人裝備并未進(jìn)行創(chuàng)新及改變?，F(xiàn)有安全頭盔與其他礦工個人防護(hù)裝備使用時存在操作復(fù)雜、使用不協(xié)調(diào)等問題，難以適應(yīng)高效率的生產(chǎn)節(jié)奏、保障礦工安全。

一 現(xiàn)有礦用安全頭盔分析

安全頭盔是用來防護(hù)頭部的裝備，帽殼大都為球形，材質(zhì)非常堅固，有一定彈性，帽殼主要承受突然而來的沖擊力。帽殼與帽襯中間有一段空間，起到緩沖作用。然而，在實際的使用過程中，現(xiàn)有安全頭盔還存在以下幾點問題。

（1）與頭燈結(jié)合方式

現(xiàn)有安全頭盔可分為帶礦燈與不帶礦燈兩種。帶礦燈的安全頭盔中包含礦燈，在使用過中，蓄電池置于安全頭盔內(nèi)，增加了安全頭盔重量；不帶礦燈的安全頭盔設(shè)置有礦燈插槽，礦燈通過電纜與礦工身上的蓄電池連接，電纜的使用使得礦工在轉(zhuǎn)頭時頭部受電纜影響。

（2）對面部、脖頸處遮擋效果差

井下多煤塵、煤渣，由于現(xiàn)有安全頭盔沒有對面部、脖頸處遮擋，黏性的煤塵對面部造成虧染以及煤渣隨著脖頸處掉進(jìn)衣服內(nèi)，給工人帶來不便。

（3）與其他礦工個人裝備結(jié)合使用過程復(fù)雜

與安全頭盔相關(guān)的主要礦工個人裝備有護(hù)目鏡、防塵口罩、耳塞以及自救器等。安全頭盔、護(hù)目鏡和防塵口罩均是通過系帶固定在腦部，多重系帶的交錯，使礦工的穿戴過程較為復(fù)雜，且對腦部形成一定壓力。與自救器的配合使用過程中，佩戴自救器需要在規(guī)定的30秒時間內(nèi)完成，但還需增加安全頭盔、除塵口罩以及護(hù)目鏡的穿戴過程所耗時間，給自救器的使用添加了很大的麻煩。

（4）配色不合理

目前礦用安全頭盔的顏色大都為單色，按照工種分為紅藍(lán)黑黃4種顏色，且井下大部分礦工都使用黑色頭盔，在礦井照度低、灰塵大的環(huán)境下，造成礦工在井下不易被發(fā)現(xiàn)，容易引發(fā)事故。

二 礦工安全體驗認(rèn)知分析

礦工安全體驗認(rèn)知過程是礦工對產(chǎn)品、環(huán)境所傳遞信息的接收、加工、貯存以及反饋的過程，包括對心理、情緒、注意、思維等的研究。根據(jù)礦工認(rèn)知心理特征構(gòu)建礦工安全體驗認(rèn)知一般過程，見圖1：

（1）安全體驗的人為因素

安全體驗要素中最核心的是礦工，產(chǎn)品與環(huán)境會對礦工安全體驗的認(rèn)知過程產(chǎn)生影響，然而最終結(jié)果是由礦工決定。因此，對礦工安全體驗認(rèn)知過程的研究重點應(yīng)放在礦工的情緒、注意力等方面。

（2）安全體驗的產(chǎn)品因素

產(chǎn)品是礦工安全體驗認(rèn)知過程中的客體部分，產(chǎn)品包含形態(tài)、功能以及色彩等屬性。當(dāng)?shù)V工處在礦井黑暗、煤塵等環(huán)境中，礦工會感到緊張焦慮，影響礦工對安全體驗的認(rèn)知，此時礦工的心理負(fù)擔(dān)需要得到釋放。好的產(chǎn)品，其屬性能夠解決用戶心理上潛在的不安全感，用戶就會覺得該產(chǎn)品就是“安全”的，從而減弱或消除礦工的緊張焦慮與不愉快感。

（3）安全體驗的環(huán)境因素

環(huán)境要素主要包含氣候、照度、色彩以及粉塵等，統(tǒng)稱為自然環(huán)境。自然環(huán)境會對礦工的安全心理產(chǎn)生一定效果，影響礦工的認(rèn)知水平和工作效率。因此，產(chǎn)品的設(shè)計要能滿足礦工所處的環(huán)境需求，且設(shè)計的定位要更加突出安全體驗。

（4）礦工安全體驗認(rèn)知過程模型

結(jié)合礦工安全體驗認(rèn)知過程的三要素，以用戶安全體驗要素為研究對象構(gòu)建用戶安全體驗認(rèn)知過程模型，見圖2：

經(jīng)過研究可以得出，在礦工安全體驗過程中，照度、色彩、聲音、震動等環(huán)境因素會對安全體驗產(chǎn)生影響，礦工通過感知、思維、認(rèn)知的過程，對環(huán)境因素產(chǎn)生反饋。由于礦井低照度、高噪音等環(huán)境因素，會給礦工造成不安全感，為了減弱或消除不安全感，可以對礦工的個人裝備中的產(chǎn)品屬性進(jìn)行調(diào)整，以此來改善礦工的安全體驗過程，使礦工的不安全感可以得到有效釋放。

三 頭盔以及相關(guān)礦工個人裝備安全心理因素分析

（1）與頭盔相關(guān)的礦工個人裝備概述

安全頭盔主要起到保護(hù)頭部確保安全的作用，與其相關(guān)的主要礦工個人裝備有護(hù)目鏡、防塵口罩、耳塞以及自救器等。

（2）佩戴舒適性對安全心理的影響研究

現(xiàn)有安全頭盔、護(hù)目鏡與除塵口罩通過系帶來固定，系帶會對腦部產(chǎn)生一定的壓力。對腦部壓力刺激時間的增加會減弱人的注意力，形成煩躁情緒。在此狀態(tài)下，礦工操作準(zhǔn)確度會降低至正常時50%以下的準(zhǔn)確度，給安全生產(chǎn)帶來影響。礦工情緒變化與安全操作水平關(guān)系見圖3。

（3）頭盔及相關(guān)的礦工個人裝備重量對安全心理的影響研究

人的頭部在短時間內(nèi)承受重量約為1KG至1.5KG，當(dāng)安全頭盔以及護(hù)目鏡等的總質(zhì)量超過這個范圍，會影響安全頭盔的舒適度，降低礦工的工作效率。故頭盔整體的設(shè)計應(yīng)盡量與頭部盡可能貼合，以此來保證頭盔的舒適度。

（4）個人裝備操作協(xié)調(diào)性對安全心理的影響研究

礦工個人裝備協(xié)調(diào)性主要體現(xiàn)在災(zāi)害發(fā)生時自救器的使用過程。由于自救器使用時要求時間短、操作過程復(fù)雜。突發(fā)狀況下，裝備操作的不協(xié)調(diào)會給礦工帶來應(yīng)激反應(yīng)。應(yīng)激反應(yīng)下，人可能出現(xiàn)呆滯、陷入混亂等狀況，給礦工逃生過程帶來很大影響。

四 礦用安全頭盔設(shè)計實踐

通過對礦工安全體驗的分析，總結(jié)礦工工作所需頭盔特點，進(jìn)行了設(shè)計，見圖4：

頭盔主要采用了紅色、黃色與黑色相結(jié)合的配色。紅色起警示作用，黃色較亮，且波長較長，粉塵條件下穿透性強。功能方面：頭頂黑色部分為內(nèi)置礦燈；除塵口罩與自救器結(jié)合，口罩分為除塵與自救器功能兩個工作模式，前部為除塵口罩，口罩側(cè)方設(shè)置有導(dǎo)管，與自救器通過導(dǎo)管連接，在災(zāi)害情況下，拍打口罩前部實現(xiàn)除塵與自救器功能間的切換；左右兩側(cè)黃色部分內(nèi)安裝定位裝置、便攜式瓦斯監(jiān)測儀等；護(hù)目鏡與頭盔結(jié)合，去掉了原有護(hù)目鏡的系帶，護(hù)目鏡可顯示井下數(shù)據(jù)等信息。

（1）配色設(shè)計實踐

由于井下環(huán)境較暗且灰塵較大，故可以選用紅色、黃色的顏色，紅色與黃色明視覺好，可喚起周圍礦工的注意；黑色部分使頭盔顏色設(shè)計較為沉穩(wěn)；此外，飽和度高、明度低的紅色、黃色的運用，還在某種程度上減輕空氣中粉塵污染的不良感覺。

（2）功能整合設(shè)計實踐

通過對安全頭盔以及與安全頭盔相關(guān)的礦工個人裝備進(jìn)行功能的分析，得出這些裝備的主要功能有：安全頭盔防護(hù)功能、照明功能、護(hù)目功能、口罩除塵功能以及自救器功能。研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有安全頭盔主要存在：與礦燈結(jié)合方式，對面部、脖頸無有效遮擋問題以及與其他裝備的使用過程復(fù)雜的問題。綜合考慮安全頭盔以及相關(guān)個人裝備所要達(dá)到的功能作用，對安全頭盔再設(shè)計。

1）與礦燈的結(jié)合方式

考慮安全頭盔以及蓄電池的重量，將蓄電池置于礦工身上而不是礦燈內(nèi)部，以減輕頭盔重量。選擇合理的電纜連接方式，將頭盔上電纜與蓄電池電纜連接點設(shè)置在頭盔尾部，最大程度減小對礦工轉(zhuǎn)頭等的影響。

2）對面部、脖頸處遮擋問題

現(xiàn)有裝備中，在面部主要佩戴護(hù)目鏡以及除塵口罩，只對眼睛及鼻子進(jìn)行了部分遮擋，臉部大部分區(qū)域仍直接與外界接觸?？紤]到護(hù)目鏡佩戴過程中系帶的不舒適性，可將護(hù)目鏡與安全頭盔整體結(jié)合，有效解決面部遮擋問題以及護(hù)目鏡佩戴舒適性問題。

脖頸遮擋問題主要針對煤渣從脖頸處掉入衣服內(nèi)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分礦工在安全頭盔后部縫上了軟質(zhì)遮擋物來防止煤渣掉入。因此可在礦工安全頭盔尾部設(shè)置遮擋檐，同時安裝連接裝置，連接用以防止煤渣掉入的軟質(zhì)材料。

3）與其他裝備的使用過程復(fù)雜問題

此問題主要針對護(hù)目鏡、除塵口罩的系帶以及自救器的使用過程。護(hù)目鏡通過與安全頭盔結(jié)合，可解決系帶不舒適問題。

自救器的使用過程非常復(fù)雜，實際使用時，不僅需要30秒內(nèi)完成自救器的佩戴，而且需要完成安全頭盔、護(hù)目鏡和除塵口罩的穿戴，操作非常復(fù)雜。一旦發(fā)生事故，不僅需要佩戴自救器，還需要急速跑到安全躲避地點，給自救器的穿戴帶來了極大不便。

通過對自救器與除塵口罩的分析，可將除塵口罩與自救器看作井下礦工的呼吸裝置，它們是在不同情況下的不同呼吸模式，原有除塵口罩與自救器的更換過程可以簡化為不同呼吸模式的轉(zhuǎn)換過程，見圖5，6：

（3）礦山物聯(lián)網(wǎng)對安全頭盔及相關(guān)裝備設(shè)計的影響

礦山物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主要分為通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化傳感器。在物聯(lián)網(wǎng)的條件下，通信網(wǎng)絡(luò)具有的主要特征表現(xiàn)在泛在化。礦井相對而言是一個局部空間。到目前為止，工作面、掘進(jìn)面等主要場所有能力全覆蓋有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，由于傳輸數(shù)據(jù)的提升，可以實現(xiàn)更多的功能。

網(wǎng)絡(luò)化傳感器為便攜式儀器移動監(jiān)測井下數(shù)據(jù)提供了可能，礦井作業(yè)具有流動性特以及危險源位置分布不均的特點。因此，移動監(jiān)測非常重要，便攜式裝備隨身攜帶，與監(jiān)測所需要的礦工作業(yè)區(qū)域完全符合，能滿足流動性監(jiān)測的要求。據(jù)此，我們可以以安全頭盔為載體，將便攜式監(jiān)測儀以及通訊功能置于安全頭盔內(nèi)部。不僅可以將測得數(shù)據(jù)與地面監(jiān)控主站交換，更可實現(xiàn)礦工自身對監(jiān)測數(shù)據(jù)的觀察，實時了解自己所處環(huán)境、位置的數(shù)據(jù)，使工人更加放心，提升安全體驗。

在災(zāi)害發(fā)生時，礦山物聯(lián)網(wǎng)具有的高可靠性、高抗毀性可為礦工的逃生提供位置信息、避難信息以及救援信息，減輕災(zāi)害發(fā)生時礦工的恐懼感，增加逃生的可能性。

五 總結(jié)

通過研究礦工井下環(huán)境以及個人裝備對礦工安全體驗的影響，研究礦工安全體驗認(rèn)知過程，研究新型技術(shù)對礦工安全頭盔設(shè)計的運用可能性，為安全頭盔設(shè)計提供一定的理論借鑒，從而提升安全頭盔功能、結(jié)構(gòu)等的合理性，為安全頭盔的設(shè)計提供方向。