安全科学中的安全工程论文

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1安全工程原理定义及其研究对象

1．1安全工程原理定义

安全工程学是一门多学科理论和方法交叉的科学，是研究人、机、环境之间互相联系的工程技术科学，是研究技术工程中各种因素之间的联系，以及应用相关的理论、原理和测量方法来达到系统安全的学科［8－9］。安全工程原理是专门研究如何利用各种工程技术的原理和方法来确保实现系统安全功能的科学思想。它以安全学和工程学为理论基础，以系统工程、人机工程、环境工程和技术设施等为手段，对工程风险进行分析、评价、控制、改进、优化等，以期实现系统及其全过程安全目标的科学准则，是安全科学发展过程中必须遵循的基本原则。安全工程原理是研究安全系统中设备设施的设计、操作应遵循的准则，如何保障人体行为活动的舒适高效安全，作业环境的安全性，机器装备研发和运行当中应考虑的人体工效机理以及各种物质信息的能量和信息输入输出过程中固有的基本原则。

1．2安全工程原理的研究对象

原理是对学科领域的研究内容和研究方法的总结归纳，是学科发展所必须遵循的基本准则和规律，利于人们立于更高的思想高度、更深的层次来掌握所研究的对象，便于人们认识和利用事物的本质规律［10－11］。安全工程原理作为安全工程学的基本准则，有它本身的研究对象，一个安全系统通常包括3个组成部分，即从事安全生产活动的操作人员和管理人员，生产过程中所运用到的机器装备、仪表设备等物质条件，以及工作人员所处的作业环境等。这3部分构成的人－机－环系统之间的相互影响的作业结果就会对安全系统安全性产生最直接的影响，安全工程原理就是从这3个子系统以及系统之间的关系出发，研究分析如何使用系统的原理和方法，来辨别、分析系统中存在的危险因素，并制定解决这些危险因素和保障安全生产的原则机理。安全工程原理的研究对象主要包括以下几个方面:1)安全系统工程中人为主体的生理、心理特征因素与安全之间的联系，以及各种工作方法、规章制度、管理手段是否符合人的特性，是否能更好地发挥人的主观能动性。研究分析人体在安全工作中的生物能量变化、运动动作和活动空间等各方面的适应标准，以及其对劳动效率和安全行为的影响。2)对安全生产过程中所使用到的各种机器设备的安全性和工效，从设备的材料、形状、强度、大小、工艺、可靠性等方面来研究其与安全作业的关系，以及其对操作人员的舒适性和工作效率的影响。从人体测量学、工效学、生理心理特征等要求来对仪器和部件的设计提供要求和标准。3)研究人体劳动工作过程中所面临的作业条件和环境的适宜性，分析各种恶劣环境因素对人体人健康和劳动效率的影响，以及各种职业因素危害的预防方法，其中包括高温高湿、噪声、照明不适、振动、粉尘、有毒有害气体、辐射等因素。

2安全工程原理二级原理及其内涵

安全工程是安全工程与各种工程技术学科相互交叉的学科，它主要研究人、机器设备、环境之间的关系，建立这三者之间的平衡状态，实现本质安全化即进行实时安全控制的技术和管理方法的工程学科［12－13］。安全工程原理［14］是研究事物安全与危险之间的转变规律，分析事物安全的本质规律，揭示事物安全的相对应的客观因素及转化条件，研究预测、消除和控制事物安全与危险影响因素和转化条件的理论和思想。基于安全工程原理的定义和研究对象以及一个工程系统的基本特征，笔者提炼出了安全工程原理主要涉及的下属原理有:①设备设施功能安全原理;②人造物宜人原理;③环境安全原理;④人造物稳固原理;⑤合理空间尺度原理;⑥最小能量原理;⑦输入输出畅通原理。

2．1设备设施功能安全原理

设备设施功能安全原理是指机械设备在设计和研发过程中应考虑到能防止危险因素引起的人身伤害，其中危险因素包括设备故障、超载运行、人的误操作和不安全行为等，能保障人身安全，指导设备设施安全功能的科学设计。设备设施功能安全原理要求设备通过自身的功能、结构来限制或防止机器的某些危险运动，或限制其运动速度、振幅、压力等危险因素，以防止对人体造成危害或减小危害程度。设备设施功能安全原理的作用是杜绝或减少机械设备在正常或故障状态，甚至在操作者失误犯规或有不安全行为的情况下发生人身或设备事故，其特征下面举例加以说明:1)防止机械设备因超限运行而发生事故，机械设备的超限运行是指超速、超温、超压、超载、超位等，当设备处于超限运行状态时，相应的设备安全装置可以使设备卸载、卸压、降速或自动停止运行，从避免事故的发生，保证人身和设备的安全。2)防止设备设施因人的误操作、犯规或不安全动作而引发事故对人体造成伤害，通过设备中相互制约、相互干涉的功能来避免危险的发生。当机器正常运行时，人可能有意或无意地进到设备运行的危险区域，或接触到危险有害因素，设备的安全功能此时应能阻止人进入危险区，或在危险区令人免遭伤害。3)通过自动监测与诊断系统来排出设备故障产生的危险。通过监测监控仪器及时发现出现的故障，通过自动报警装置提醒操作者注意危险，并通过诊断系统自动排出产生的故障和危险，避免事故的发生。

2．2人造物宜人原理

人造物宜人原理是指各种人造物包括建筑物、车船飞机、仪器设备，设计的核心都必须是以人为本，设计的最终目的是满足人体的各种需求，使人的活动舒适高效安全，充分发挥人的主观能动性。人造物在进行设计研发时，为了使产品更好地满足人的生理特点，让人在工作时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑到人体各种生理测量参数特征。在设计工作空间、机械、交通运输装备时，特别是设计各种运动式机械时，驾驶舱、座位等的相关尺寸时，也是由人体尺寸及其操作姿势或舒适的动作来确定的。人造物宜人原理要求各种人造物符合人的特点，根据人的生理、心理特点来指导人造物的设计，以人为中心来设计人造物，使物的设计与人的特点更加匹配，达到安全、高效、舒适的目的。人造物宜人原理也指明了在人机系统中，应当以人为主体，机器设备为客体，注重人的主体感觉，要求客体必须符合主体特点，明确了主客体的地位作用。

2．3环境安全原理

安全生产与人所处的作业环境息息相关，环境安全影响着人的生理、心理特征、工效以及设备的运行状态［15］。安全合理的环境条件不仅可保障人的生理健康和安全作业，还能提高劳动效率和减小失误率。环境安全原理是指在劳动作业过程中按照相关的环境标准和要求对作业环境进行改善和设计，形成一个安全、健康、舒适、高效的作业环境。不论在室内作业还是室外作业，地面工作还是地下工作，人都面临着不同的环境因素，其中包括温度、湿度、噪声、照度、压力、风速、光照、辐射、粉尘、有毒有害气体等。环境安全原理是研究如何保证这些环境条件处于最适宜的状态，避免恶劣环境因素对人体造成危害，使得劳动人员在作业环境中保持旺盛的精神状态，减少疲劳感，保持高效率的劳动作业。环境安全原理要求对作业环境因素进行合理的设计和评价，找出存在的问题，采取相应的改善措施，把有害因素转变为有利因素，采取防治措施降低恶劣环境因素的影响，尽可能地使各项环境指标处于最佳水平，完全符合人的生理心理要求。而在这种无毒无害、无辐射、温湿度和照明度适宜的环境条件下，人体工作效率提高，可长时间持续作业而不感到疲劳，也避免了各种恶劣环境因素损害人体健康，导致职业病的产生。

2．4人造物稳固原理

人造物稳固原理是指在人在平时工作、生活中所使用和接触到的建筑物、公路、桥梁、机器设备等设施必须要有良好的稳固性，结构设计及材料强度都符合安全标准，避免垮塌事故的发生，保证人体的生命和财产安全。人造物的稳固性与人造物的设计、材料强度、使用时的承载负荷强度密切联系，只有严格按照国家相关的建筑规范标准设计施工，建立完善的监督管理体系，才能保证人造物的质量水平和稳固性，避免垮塌事故的发生。下面列举一些人造物稳固性原理的应用例子:1)在设计阶段，确定人造物的使用对象群体，根据使用对象的特征来规定设计标准，确保设计参数符合安全标准。2)施工工程中严格按照设计标准进行，工序和材料都符合国家标准，严禁偷工减料而降低了人造物的质量。3)不定期地进行检查，发现问题及时进行维护和保养。建立完善的监控管理体系，实时监测人造物的运行状况和质量水平，预防事故的发生。

2．5合理空间尺度原理

合理空间尺度原理是指人从事各种工作时需要足够的活动空间，作业空间上的活动范围设计应该与人体的功能尺寸密切相关，符合人或人群的活动特点，有足够大的空间来供人施展各种作业姿势。作业空间设计应当以人为本，结合操作任务的要求进行设计。相关设备设施的布置应当满足为作业人员提供合理的空间范围，提供舒适的作业条件，以达到提高人体工作效率、保障作业者安全和减轻作业者精神与体力负担的目的。合理空间尺度原理在作业空间设计中的作用主要体现在以下几个方面:1)作业人员的工作位置与设备布置应符合人的生理活动特征，利于作业者迅速而准确地完成动作和使用机器设备。为了合理地提高作业空间利用率，作业中的人流和物流的移动距离应尽可能符合最短距离原则，以扩大作业者的有效活动空间，从而提供作业人员的工作效率。2)合理的作业空间尺度不仅要使作业者在工作期间操作、活动方便，并且当较长时间保持某种作业姿势时，应尽可能使其少地产生疲劳感，同时还有利于整个作业系统的运行。因此在设计作业空间时，应合理考虑作业群体的人体尺寸、活动极限与作业范围等。3)合理空间尺度的设计必须考虑到安全性，充分考虑作业空间对作业者的生理和心理影响，作业空间的通道设计必须保证人流的顺利通行，设备距离足以避免行人无意碰撞而造成人员受伤或机器的意外触发。

2．6最小能量原理

最小能量原理是指在生产作业过程中尽量保持势能、电能、化学能、热能、生物能等能量的总和达到最低，保持能量密度的最小化。当生产体系处于稳定平衡状态时，其系统的能量状态保持为最低水平。因此，在建筑物设计、产品设备研发、劳动作业轮换时应尽量充分利用人力资源，使各种机器设备运行处于稳定平衡状态，减少能量的消耗，保障安全效率和减少资源的浪费。人体进行运动或作业所消耗的总能量称为能量代谢量，它的大小与作业类别、劳动强度有着密切的联系，是评价作业负荷和工作效率的重要指标。最小能量原理体现了能量与安全之间的相互影响，当人体在作业中消耗的能量越小，劳动强度越低，则消耗的体力减少，疲劳度降低，人的劳动效率就会保持在一个很高的水平，从而也减少了安全事故的发生。

2．7输入输出畅通原理

输入输出畅通原理是指在安全作业空间里必须有物质、信息、能量等的通道并保证人员能够安全进入和疏散撤离等。物质、信息、能量等由环境向系统的流动就是输入，而由系统对周围环境的作用则是输出。输入的主要是人所需要的物质和信息源，而输出则是经过人处理操作后的各种形式的完成品和信息。作业过程中，人在一定场所里使用机器设备和物质材料来完成生产任务的。作业场所的设计不仅要考虑将作业需要的机器设备根据工艺流程、生产任务和操作要求进行合理的布局，给人、物等提供合理的区域和最佳畅通路线，为预防意外事故的发生提供安全措施。作业空间要保证作业者在操作过程中能够通过听觉、视觉、触觉与所控制的设备进行信息交流;其次，应确保在同一作业空间内的相关作业者之间能够实现语言或视线的沟通交流。在各种机器及生产系统中，人必须准确地获得机器设备的工作状态、性能参数、信号参数等信息，并将工作指令舒畅地传至机器，实现人与机器之间的信息输入输出畅通，这样才能实现人机系统的平衡。

3安全工程原理应用分析

3．1安全工程原理应用机理

安全工程原理的7个二级原理在安全工程整个原理体系中扮演着不同的角色，各级原理相互联系作为安全工程原理的理论支撑。安全工程原理可以分别从人、物、环境的角度来进行研究分析，而各下属原理也从不同方向来指导人－物－环系统的发展。人造物宜人原理是从人的角度来对人造物的设计构建提出指导要求;设备设施功能安全原理和人造物稳固原理则是从物的安全角度来对各种设备、建筑物的设计标准、操作制度进行指导;环境安全原理和合理空间尺度原理是环境发展必须遵循的安全原理，保证作业环境的舒适和健康;最小能量原理则分别从人和物的角度来对安全作业中各种能量的消耗降到最低，从而提高能量利用率和工作效率，也从能量方面将人因素与物因素相互联系起来。输入输出畅通原理在人、物、环3方面都得到了体现，物、环境方面的信息根据输入原理的基本准则传入至人体，而在人体对外界信息进行识别、处理后通过输出原理将指令下达至物和环境方面，完成信息在人－物－环系统之间的运转。

3．2安全工程原理实际应用例子

笔者在设计研发深井受限空间环境与安全人工智能仿真试验系统装备时，曾根据安全工程原理对装备的功能、空间、材料和内部仪器设备进行规划与布置，使其运用起来达到安全、高效、舒适的效果。深井受限空间与安全人工智能仿真试验系统是旨在模拟深井作业空间环境，研究人体在特殊作业环境中工作时人体各种生理、心率参数指标的变化规律及其对安全行为和劳动效率的影响。根据设备设施功能安全原理，试验系统内均采用本质安全性的电气设备，而且设有专门的人员操作区，人体无需与机器设备近距离接触，即使出现机器故障或操作失误也不会对人体造成危害。根据人造物宜人原理，该试验装备采用的是全自动化操控模式，人体只需在操作平台上即可完成对整个试验系统的各种参数的控制，从而使人的活动舒适高效安全。根据环境安全原理，该试验装备从温度、湿度、噪声、照度、空气压力、风速、粉尘、有毒有害气体等方面来模拟深井作业环境，目的在于研究恶劣环境对人体生理健康和安全行为的危害，从而预防恶劣环境对人的影响。当然在环境模拟试验过程中，必须保证各环境因素都在人体忍受极限范围之类，保障环境的安全性。整个试验舱采用钢制材料建造，使其牢固可靠，并且整个舱体内外喷涂具有隔热、消音、防辐射功能的涂料，可保证舱体放置在室外长时间不受损害，符合人造物稳固原理。试验舱设计为正方体舱型，，长8.2m，宽2.5m，高2.2m，设置有专门的操作区、试验区和储存区，空间充足能供人自由地操作活动，满足合理空间尺度原理。各环境模拟参数仪器均采取的智能化控制，即当参数水平值低于设定值时，仪器可自动启动运行，当水平值高于设定值时仪器则自动停止来维持稳定值，从而避免了资源能量的浪费，达到了最小能量原理的标准。整个试验系统安装有声音、图像的监测监控系统，并舱体4面设有观察窗，利用内外进行沟通交流，舱体前后都设有安全通道利用人员正常的进入和疏散等，保证了信息、人员、物质的输入输出畅通性。

4结论

在研究安全学原理结构体系的基础上，根据安全工程学的学科特点，就安全工程原理进行了理论探讨及应用实践，得到以下主要结论:1)给出安全工程原理定义，归纳总结了安全工程原理的研究对象和内容。2)提炼和归纳了安全工程原理的7个二级原理，并对各二级原理的概念和内涵进行了研究，完善了安全工程学理论体系。3)从人、物、环境的角度研究了安全工程原理在实际工程中的应用机理，结果表明各二级原理在安全系统工程中人的主观能动性的发挥、人造物的设计和研发、环境相关标准的制定都有指导性的意义。4)根据安全工程原理的要求，设计研发深井受限空间环境与安全人工智能仿真试验系统，并介绍了试验系统中各组成部分与各原理之间的联系，使得安全工程原理在实际应用中得到了很好的体现。

作者：游波1吴超1任才清1,2工作单位：1中南大学资源与安全工程学院2国防科技大学指挥军官基础教育学院