基于人體工程學的艦船集體防護系統設計

方　勇

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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基于人體工程學的艦船集體防護系統設計

方勇

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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

關鍵詞：集體防護；人體工程學；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，必須采取個體防護或集體防護措施。對于個人防護，人員佩戴面具后產生的呼吸阻力和有害空間會使佩戴人出現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，這些都導致人員難以完成核生化環(huán)境下的戰(zhàn)斗和保障任務。而且，人員運動越劇烈，這種不良的生理反應越明顯[1]。相對個人防護而言，集體防護在人體工程學上的優(yōu)勢非常明顯。集防區(qū)的人員不需佩戴面具及防護服，人員的舒適感及工作效能大大提高。但由于集體防護系統的氣密及超壓設計，由此產生的壓力波動、操縱力、CO2濃度等需要從人體工程學的角度特別予以考慮，以使系統設計達到安全、舒適和經濟的目的。

1壓力波動設計

1.1集體防護系統壓力波動的影響因素分析

相關研究表明，人體對于壓力有較強的承受能力，但對于壓力波動卻比較敏感。如果艙室內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、洗消通道開關門、壓力控制設備的PID控制方式及壓力探測設備的測量精度等。

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)及大氣運動等影響，年波動幅度約為2 600～4 000 Pa，日波動幅度可達1 000 Pa。雖然波動幅度不到標準大氣壓的4%，但相對于集防區(qū)的超壓設計值來說，這個波動幅度還是很大的。所以集防區(qū)超壓值的基準點不能采用標準大氣壓，而是采用外界實時的大氣靜壓。雖然外界大氣壓的波動幅度較大，但這種波動變化緩慢，通過人體的自身調節(jié)作用，能夠適應這種變化，不會產生不適感。

人員進出集體防護區(qū)時，為了避免集體防護區(qū)失壓，設有氣閘室。每個氣閘室設有兩道門，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，因此其開關門引起的波動相應較小。

壓力控制設備的PID控制方式、壓力探測設備的布置位置是影響集體防護區(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速矢量相互作用，各處的壓力會有所差別并產生一定的波動，大氣壓力探頭的安裝位置要求盡量避免這種動態(tài)干擾，準確反映外界大氣靜壓的變化。壓力控制設備的調節(jié)動作應平穩(wěn)，其性能曲線盡量接近線性，有效控制集體防護區(qū)的壓力波動。

1.3集體防護系統壓力波動設計值

目前，關于集體防護系統壓力波動對于人體的影響研究較少。但國內外在高速列車、航空航天等領域在這方面有較為深入的研究，成果可以借鑒。日本學者關于新干線高速鐵路氣壓波動對旅客舒適性的影響試驗結果見圖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)標準中因應用領域及環(huán)境不同，對大氣壓波動速率的限制有很大差異。如英國相關標準規(guī)定[4-5]：民航客機在飛行階段的增壓率不大于23 Pa/s，減壓率不大于31 Pa/s；而軍用飛機的座艙壓力變化率可達220 Pa/s；氣密城間列車，一般要求4 s內的壓力波動幅值不超過800 Pa。受到本身或環(huán)境限制，這些領域的壓力波動控制難度更大，如飛機在起降期間或列車高速通過隧道期間，會產生較大的壓力波動。綜合考慮集體防護系統的運行環(huán)境及技術能力，壓力波動可以較好地得到控制，在目前沒有相關標準的情況下，可根據耳感舒適度曲線，并參照航空舒適性標準，取壓力波動率不大于23 Pa/s。

2操縱力設計

集體防護系統運行時需要在集體防護區(qū)建立一定的超壓，從而在集體防護區(qū)的門、梯口蓋兩側形成一定的壓力，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，以門軸為支點形成杠桿，有：

式中：F——門的操縱力，N；

A——門的寬度，m；

T——兩側壓力，N；

Δp——門兩側壓差，Pa；

B——門的高度，m。

以寬650 mm、高1 650 mm的標準門為例，按上式計算，在單手臂操縱力不大于150 N的情況下，門兩側的壓差應不大于280 Pa，否則開門比較費力。由于集體防護區(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狀態(tài)下進出，需要設置緩沖通道，通過壓力梯度的設計，降低門兩側壓差，將開門的操縱力控制在人體工程學允許的范圍內。

3CO2濃度設計

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。

國內外毒理試驗研究表明[7-8]：當人在CO2體積分數為0.5%～0.8%的空氣中長期暴露，尚未發(fā)現人體生理有明顯變化；我國做過在CO2體積分數為1%持續(xù)30 d的密閉環(huán)境試驗，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體積分數為1.5%持續(xù)42天的人體試驗，人員的基礎生理指標無明顯改變，但有輕度呼吸性酸中毒；人在CO2體積分數為3%的空氣中暴露數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CO2濃度對人體影響的可接受程度，也要考慮當前的技術能力下的綜合性能。根據艦船使用條件及任務的不同，將CO2濃度的品質標準分為3種：舒適性標準、工效性標準和生存性標準。

舒適性標準要求艦員在該CO2濃度環(huán)境中長期生活和工作時，不應產生任何刺激效應和遠期危害作用，而且還不應引起精神上的不愉快。這個標準適合平時情況下水面艦船的相關生活及工作艙室。

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

生存性標準是指在環(huán)境條件限制或集體防護系統遭到破壞的情況下，需采取個人防護的措施，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，因此人員實際吸入的CO2濃度更高。

4結束語

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

參考文獻

[1] 王峰.過濾式防毒面具對生理機能的影響與調試[J].解放軍體育學院學報，2003，22(4):76-78.

[2] 吳家林.大氣壓力變化對咽鼓管通氣阻力的影響及耳氣壓傷的預防[J].中華航空航天醫(yī)學雜志，2006，17(1):18-21.

[3] 鈴木浩明.車內壓力波動引起耳鳴的研究[J].國外鐵道車輛，1999(5):15-18.

[4] 肖華軍.大運飛機座艙壓力設計的生理學基礎[C].中國航空學會2007年學術年會，2007，機載航電專題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] 中華人民共和國國家標準.GB/T 14775-1993,操作器一般人類工效學要求[S].北京，中國標準出版社，1994.

[7] 陳根年.密閉環(huán)境中二氧化碳的控制[C].第二界全國人-機-環(huán)境系統工程學術會議論文集，1995:152-157.

[8] 姜磊.載人深潛器二氧化碳清除方式研究[J].中國造船，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

中圖分類號：U674.7

文獻標志碼：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

基金項目：國家部委基金資助項目

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、通風及空氣調節(jié)