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1安全工程原理定義及其研究對象

1．1安全工程原理定義

安全工程學是一門多學科理論和方法交叉的科學，是研究人、機、環境之間互相聯系的工程技術科學，是研究技術工程中各種因素之間的聯系，以及應用相關的理論、原理和測量方法來達到系統安全的學科［8－9］。安全工程原理是專門研究如何利用各種工程技術的原理和方法來確保實現系統安全功能的科學思想。它以安全學和工程學為理論基礎，以系統工程、人機工程、環境工程和技術設施等為手段，對工程風險進行分析、評價、控制、改進、優化等，以期實現系統及其全過程安全目標的科學準則，是安全科學發展過程中必須遵循的基本原則。安全工程原理是研究安全系統中設備設施的設計、操作應遵循的準則，如何保障人體行為活動的舒適高效安全，作業環境的安全性，機器裝備研發和運行當中應考慮的人體工效機理以及各種物質信息的能量和信息輸入輸出過程中固有的基本原則。

1．2安全工程原理的研究對象

原理是對學科領域的研究內容和研究方法的總結歸納，是學科發展所必須遵循的基本準則和規律，利于人們立于更高的思想高度、更深的層次來掌握所研究的對象，便于人們認識和利用事物的本質規律［10－11］。安全工程原理作為安全工程學的基本準則，有它本身的研究對象，一個安全系統通常包括3個組成部分，即從事安全生產活動的操作人員和管理人員，生產過程中所運用到的機器裝備、儀表設備等物質條件，以及工作人員所處的作業環境等。這3部分構成的人－機－環系統之間的相互影響的作業結果就會對安全系統安全性產生最直接的影響，安全工程原理就是從這3個子系統以及系統之間的關系出發，研究分析如何使用系統的原理和方法，來辨別、分析系統中存在的危險因素，并制定解決這些危險因素和保障安全生產的原則機理。安全工程原理的研究對象主要包括以下幾個方面:1)安全系統工程中人為主體的生理、心理特征因素與安全之間的聯系，以及各種工作方法、規章制度、管理手段是否符合人的特性，是否能更好地發揮人的主觀能動性。研究分析人體在安全工作中的生物能量變化、運動動作和活動空間等各方面的適應標準，以及其對勞動效率和安全行為的影響。2)對安全生產過程中所使用到的各種機器設備的安全性和工效，從設備的材料、形狀、強度、大小、工藝、可靠性等方面來研究其與安全作業的關系，以及其對操作人員的舒適性和工作效率的影響。從人體測量學、工效學、生理心理特征等要求來對儀器和部件的設計提供要求和標準。3)研究人體勞動工作過程中所面臨的作業條件和環境的適宜性，分析各種惡劣環境因素對人體人健康和勞動效率的影響，以及各種職業因素危害的預防方法，其中包括高溫高濕、噪聲、照明不適、振動、粉塵、有毒有害氣體、輻射等因素。

2安全工程原理二級原理及其內涵

安全工程是安全工程與各種工程技術學科相互交叉的學科，它主要研究人、機器設備、環境之間的關系，建立這三者之間的平衡狀態，實現本質安全化即進行實時安全控制的技術和管理方法的工程學科［12－13］。安全工程原理［14］是研究事物安全與危險之間的轉變規律，分析事物安全的本質規律，揭示事物安全的相對應的客觀因素及轉化條件，研究預測、消除和控制事物安全與危險影響因素和轉化條件的理論和思想。基于安全工程原理的定義和研究對象以及一個工程系統的基本特征，筆者提煉出了安全工程原理主要涉及的下屬原理有:①設備設施功能安全原理;②人造物宜人原理;③環境安全原理;④人造物穩固原理;⑤合理空間尺度原理;⑥最小能量原理;⑦輸入輸出暢通原理。

2．1設備設施功能安全原理

設備設施功能安全原理是指機械設備在設計和研發過程中應考慮到能防止危險因素引起的人身傷害，其中危險因素包括設備故障、超載運行、人的誤操作和不安全行為等，能保障人身安全，指導設備設施安全功能的科學設計。設備設施功能安全原理要求設備通過自身的功能、結構來限制或防止機器的某些危險運動，或限制其運動速度、振幅、壓力等危險因素，以防止對人體造成危害或減小危害程度。設備設施功能安全原理的作用是杜絕或減少機械設備在正?；蚬收蠣顟B，甚至在操作者失誤犯規或有不安全行為的情況下發生人身或設備事故，其特征下面舉例加以說明:1)防止機械設備因超限運行而發生事故，機械設備的超限運行是指超速、超溫、超壓、超載、超位等，當設備處于超限運行狀態時，相應的設備安全裝置可以使設備卸載、卸壓、降速或自動停止運行，從避免事故的發生，保證人身和設備的安全。2)防止設備設施因人的誤操作、犯規或不安全動作而引發事故對人體造成傷害，通過設備中相互制約、相互干涉的功能來避免危險的發生。當機器正常運行時，人可能有意或無意地進到設備運行的危險區域，或接觸到危險有害因素，設備的安全功能此時應能阻止人進入危險區，或在危險區令人免遭傷害。3)通過自動監測與診斷系統來排出設備故障產生的危險。通過監測監控儀器及時發現出現的故障，通過自動報警裝置提醒操作者注意危險，并通過診斷系統自動排出產生的故障和危險，避免事故的發生。

2．2人造物宜人原理

人造物宜人原理是指各種人造物包括建筑物、車船飛機、儀器設備，設計的核心都必須是以人為本，設計的最終目的是滿足人體的各種需求，使人的活動舒適高效安全，充分發揮人的主觀能動性。人造物在進行設計研發時，為了使產品更好地滿足人的生理特點，讓人在工作時處于舒適的狀態和適宜的環境之中，就必須在設計中充分考慮到人體各種生理測量參數特征。在設計工作空間、機械、交通運輸裝備時，特別是設計各種運動式機械時，駕駛艙、座位等的相關尺寸時，也是由人體尺寸及其操作姿勢或舒適的動作來確定的。人造物宜人原理要求各種人造物符合人的特點，根據人的生理、心理特點來指導人造物的設計，以人為中心來設計人造物，使物的設計與人的特點更加匹配，達到安全、高效、舒適的目的。人造物宜人原理也指明了在人機系統中，應當以人為主體，機器設備為客體，注重人的主體感覺，要求客體必須符合主體特點，明確了主客體的地位作用。

2．3環境安全原理

安全生產與人所處的作業環境息息相關，環境安全影響著人的生理、心理特征、工效以及設備的運行狀態［15］。安全合理的環境條件不僅可保障人的生理健康和安全作業，還能提高勞動效率和減小失誤率。環境安全原理是指在勞動作業過程中按照相關的環境標準和要求對作業環境進行改善和設計，形成一個安全、健康、舒適、高效的作業環境。不論在室內作業還是室外作業，地面工作還是地下工作，人都面臨著不同的環境因素，其中包括溫度、濕度、噪聲、照度、壓力、風速、光照、輻射、粉塵、有毒有害氣體等。環境安全原理是研究如何保證這些環境條件處于最適宜的狀態，避免惡劣環境因素對人體造成危害，使得勞動人員在作業環境中保持旺盛的精神狀態，減少疲勞感，保持高效率的勞動作業。環境安全原理要求對作業環境因素進行合理的設計和評價，找出存在的問題，采取相應的改善措施，把有害因素轉變為有利因素，采取防治措施降低惡劣環境因素的影響，盡可能地使各項環境指標處于最佳水平，完全符合人的生理心理要求。而在這種無毒無害、無輻射、溫濕度和照明度適宜的環境條件下，人體工作效率提高，可長時間持續作業而不感到疲勞，也避免了各種惡劣環境因素損害人體健康，導致職業病的產生。

2．4人造物穩固原理

人造物穩固原理是指在人在平時工作、生活中所使用和接觸到的建筑物、公路、橋梁、機器設備等設施必須要有良好的穩固性，結構設計及材料強度都符合安全標準，避免垮塌事故的發生，保證人體的生命和財產安全。人造物的穩固性與人造物的設計、材料強度、使用時的承載負荷強度密切聯系，只有嚴格按照國家相關的建筑規范標準設計施工，建立完善的監督管理體系，才能保證人造物的質量水平和穩固性，避免垮塌事故的發生。下面列舉一些人造物穩固性原理的應用例子:1)在設計階段，確定人造物的使用對象群體，根據使用對象的特征來規定設計標準，確保設計參數符合安全標準。2)施工工程中嚴格按照設計標準進行，工序和材料都符合國家標準，嚴禁偷工減料而降低了人造物的質量。3)不定期地進行檢查，發現問題及時進行維護和保養。建立完善的監控管理體系，實時監測人造物的運行狀況和質量水平，預防事故的發生。

2．5合理空間尺度原理

合理空間尺度原理是指人從事各種工作時需要足夠的活動空間，作業空間上的活動范圍設計應該與人體的功能尺寸密切相關，符合人或人群的活動特點，有足夠大的空間來供人施展各種作業姿勢。作業空間設計應當以人為本，結合操作任務的要求進行設計。相關設備設施的布置應當滿足為作業人員提供合理的空間范圍，提供舒適的作業條件，以達到提高人體工作效率、保障作業者安全和減輕作業者精神與體力負擔的目的。合理空間尺度原理在作業空間設計中的作用主要體現在以下幾個方面:1)作業人員的工作位置與設備布置應符合人的生理活動特征，利于作業者迅速而準確地完成動作和使用機器設備。為了合理地提高作業空間利用率，作業中的人流和物流的移動距離應盡可能符合最短距離原則，以擴大作業者的有效活動空間，從而提供作業人員的工作效率。2)合理的作業空間尺度不僅要使作業者在工作期間操作、活動方便，并且當較長時間保持某種作業姿勢時，應盡可能使其少地產生疲勞感，同時還有利于整個作業系統的運行。因此在設計作業空間時，應合理考慮作業群體的人體尺寸、活動極限與作業范圍等。3)合理空間尺度的設計必須考慮到安全性，充分考慮作業空間對作業者的生理和心理影響，作業空間的通道設計必須保證人流的順利通行，設備距離足以避免行人無意碰撞而造成人員受傷或機器的意外觸發。

2．6最小能量原理

最小能量原理是指在生產作業過程中盡量保持勢能、電能、化學能、熱能、生物能等能量的總和達到最低，保持能量密度的最小化。當生產體系處于穩定平衡狀態時，其系統的能量狀態保持為最低水平。因此，在建筑物設計、產品設備研發、勞動作業輪換時應盡量充分利用人力資源，使各種機器設備運行處于穩定平衡狀態，減少能量的消耗，保障安全效率和減少資源的浪費。人體進行運動或作業所消耗的總能量稱為能量代謝量，它的大小與作業類別、勞動強度有著密切的聯系，是評價作業負荷和工作效率的重要指標。最小能量原理體現了能量與安全之間的相互影響，當人體在作業中消耗的能量越小，勞動強度越低，則消耗的體力減少，疲勞度降低，人的勞動效率就會保持在一個很高的水平，從而也減少了安全事故的發生。

2．7輸入輸出暢通原理

輸入輸出暢通原理是指在安全作業空間里必須有物質、信息、能量等的通道并保證人員能夠安全進入和疏散撤離等。物質、信息、能量等由環境向系統的流動就是輸入，而由系統對周圍環境的作用則是輸出。輸入的主要是人所需要的物質和信息源，而輸出則是經過人處理操作后的各種形式的完成品和信息。作業過程中，人在一定場所里使用機器設備和物質材料來完成生產任務的。作業場所的設計不僅要考慮將作業需要的機器設備根據工藝流程、生產任務和操作要求進行合理的布局，給人、物等提供合理的區域和最佳暢通路線，為預防意外事故的發生提供安全措施。作業空間要保證作業者在操作過程中能夠通過聽覺、視覺、觸覺與所控制的設備進行信息交流;其次，應確保在同一作業空間內的相關作業者之間能夠實現語言或視線的溝通交流。在各種機器及生產系統中，人必須準確地獲得機器設備的工作狀態、性能參數、信號參數等信息，并將工作指令舒暢地傳至機器，實現人與機器之間的信息輸入輸出暢通，這樣才能實現人機系統的平衡。

3安全工程原理應用分析

3．1安全工程原理應用機理

安全工程原理的7個二級原理在安全工程整個原理體系中扮演著不同的角色，各級原理相互聯系作為安全工程原理的理論支撐。安全工程原理可以分別從人、物、環境的角度來進行研究分析，而各下屬原理也從不同方向來指導人－物－環系統的發展。人造物宜人原理是從人的角度來對人造物的設計構建提出指導要求;設備設施功能安全原理和人造物穩固原理則是從物的安全角度來對各種設備、建筑物的設計標準、操作制度進行指導;環境安全原理和合理空間尺度原理是環境發展必須遵循的安全原理，保證作業環境的舒適和健康;最小能量原理則分別從人和物的角度來對安全作業中各種能量的消耗降到最低，從而提高能量利用率和工作效率，也從能量方面將人因素與物因素相互聯系起來。輸入輸出暢通原理在人、物、環3方面都得到了體現，物、環境方面的信息根據輸入原理的基本準則傳入至人體，而在人體對外界信息進行識別、處理后通過輸出原理將指令下達至物和環境方面，完成信息在人－物－環系統之間的運轉。

3．2安全工程原理實際應用例子

筆者在設計研發深井受限空間環境與安全人工智能仿真試驗系統裝備時，曾根據安全工程原理對裝備的功能、空間、材料和內部儀器設備進行規劃與布置，使其運用起來達到安全、高效、舒適的效果。深井受限空間與安全人工智能仿真試驗系統是旨在模擬深井作業空間環境，研究人體在特殊作業環境中工作時人體各種生理、心率參數指標的變化規律及其對安全行為和勞動效率的影響。根據設備設施功能安全原理，試驗系統內均采用本質安全性的電氣設備，而且設有專門的人員操作區，人體無需與機器設備近距離接觸，即使出現機器故障或操作失誤也不會對人體造成危害。根據人造物宜人原理，該試驗裝備采用的是全自動化操控模式，人體只需在操作平臺上即可完成對整個試驗系統的各種參數的控制，從而使人的活動舒適高效安全。根據環境安全原理，該試驗裝備從溫度、濕度、噪聲、照度、空氣壓力、風速、粉塵、有毒有害氣體等方面來模擬深井作業環境，目的在于研究惡劣環境對人體生理健康和安全行為的危害，從而預防惡劣環境對人的影響。當然在環境模擬試驗過程中，必須保證各環境因素都在人體忍受極限范圍之類，保障環境的安全性。整個試驗艙采用鋼制材料建造，使其牢固可靠，并且整個艙體內外噴涂具有隔熱、消音、防輻射功能的涂料，可保證艙體放置在室外長時間不受損害，符合人造物穩固原理。試驗艙設計為正方體艙型，，長8.2m，寬2.5m，高2.2m，設置有專門的操作區、試驗區和儲存區，空間充足能供人自由地操作活動，滿足合理空間尺度原理。各環境模擬參數儀器均采取的智能化控制，即當參數水平值低于設定值時，儀器可自動啟動運行，當水平值高于設定值時儀器則自動停止來維持穩定值，從而避免了資源能量的浪費，達到了最小能量原理的標準。整個試驗系統安裝有聲音、圖像的監測監控系統，并艙體4面設有觀察窗，利用內外進行溝通交流，艙體前后都設有安全通道利用人員正常的進入和疏散等，保證了信息、人員、物質的輸入輸出暢通性。

4結論

在研究安全學原理結構體系的基礎上，根據安全工程學的學科特點，就安全工程原理進行了理論探討及應用實踐，得到以下主要結論:1)給出安全工程原理定義，歸納總結了安全工程原理的研究對象和內容。2)提煉和歸納了安全工程原理的7個二級原理，并對各二級原理的概念和內涵進行了研究，完善了安全工程學理論體系。3)從人、物、環境的角度研究了安全工程原理在實際工程中的應用機理，結果表明各二級原理在安全系統工程中人的主觀能動性的發揮、人造物的設計和研發、環境相關標準的制定都有指導性的意義。4)根據安全工程原理的要求，設計研發深井受限空間環境與安全人工智能仿真試驗系統，并介紹了試驗系統中各組成部分與各原理之間的聯系，使得安全工程原理在實際應用中得到了很好的體現。

作者：游波1吳超1任才清1,2工作單位：1中南大學資源與安全工程學院2國防科技大學指揮軍官基礎教育學院