作业环境 (operational environment)

指人机系统中对操作人员的安全、健康和工作能力，以及对机器、设备(或某些部件、装置等)的正常运行产生重要影响的所有天然的和人为的因素的组合。这是人机工程学内容的一个重要方面。在工业生产中，对人机系统有影响的因素主要有：作业环境的微气候、作业环境的照明、作业环境的色彩、高原作业环境、环境噪声和振动等。随着生产领域的扩大和发展，影响因素也增加了失重、超重、异常气压、加速度、电离辐射和非电离辐射等特殊环境因素。

根据作业环境对人体的影响和人体对环境的适应程度，作业环境可分为4种。(1)最舒适区。能使操作者在劳动中达到安全、高效、卫生、舒适的各项最佳指标的作业环境。(2)舒适区。使人能够接受，不致感到不适和疲劳的作业环境。(3)不舒适区。偏离舒适度正常值的作业环境。较长时间处于这种环境下，会使人疲劳并影响工作效率，需采取措施保证正常工作。(4)不能忍受区。不能保证基本的安全和健康的作业环境。若不采取措施操作者将无法适应，甚至危及安全和健康。

微气候   作业环境中的气象条件，包括作业环境的气温、湿度、热辐射、气流速度、人体热平衡，以及高温或低温对人体的影响等。

气象条件   包括气温、湿度、热辐射、气流速度、高温对人体的影响和低温对人体的影响。

(1)气温   表示空气冷热程度的物理量。作业环境中的气温除取决于大气温度外，还受太阳辐射和作业场地各种热源，如冶炼炉、化学反应锅、被加热的物体、机器运转发热和人体散热等的影响。热源通过传导和对流又使作业环境的空气升温，并通过辐射使周围物体成为第二热源，促使气温逐步升高。

气温的标度有摄氏温标(℃)和绝对温标(K)，它们的换算公式为：

T/K=273+t/℃

式中T为绝对温标，t为摄氏温标。

(2)湿度   空气中的干湿程度。作业环境的空气湿度用相对湿度表示，相对湿度在80％以上为高气湿，相对湿度低于30％为低气湿。高气湿主要由水分蒸发或蒸汽放散所致，纺织、印染、造纸、制革、采矿、隧道掘凿等作业场所常常是高气湿环境。而高温车间在冬季常出现低气湿环境。相对湿度可用通风干湿表或干湿球温度计测量。

(3)热辐射   物体在绝对温度大于0K时的辐射能量。太阳、生产环境中的熔炉、开放的火焰、熔化的金属等热源均能产生热辐射。它是一种红外辐射，不能加热气体，但能使周围物体加热。人体可受外界辐射能量而受热也向外界辐射热量。当周围物体的表面温度超过人体表面温度时，周围物体向人体辐射热量，使人体受热，称为正辐射。反之，则称负辐射。热辐射体单位时间、单位面积上辐射出的热量称为热辐射强度，以kJ／(cm²•min)表示，用黑球温度计测量。黑球温度计是表面涂黑的薄铜板制成的空心球体，球心插入一支温度计。黑球吸收辐射热后温度上升，所指示的温度称黑球温度，是辐射热和温度的综合效应。如果隔断热辐射源，黑球温度下降，差值为实际的辐射温度。

(4)气流速度   空气流动的速度。作业环境中的气流速度，除受外界风力的影响外，主要与作业场所的热源有关。热源散发的热量使空气加热而上升，室外的冷空气即从门窗和各种缝隙进入室内，形成空气对流。室内外温差越大，气流速度越大。测量室内的气流速度通常采用热球微风速计。

人体热平衡   人体受热来源有两种，一种是人体代谢产生的热量，另一种是外界环境的热量作用于人体。人体通过对流、传导、辐射、蒸发等途径与外界环境进行热交换，可用下式表示：

M±C±R-E-W=S

式中M为代谢产热量；C为人体与周围环境通过对流交换的热量，人体从外界环境吸热为正值，散热为负值；R为通过辐射交换的热量，人体吸热为正值，散热为负值；E为人体通过皮肤表面汗液蒸发的散热量；W为人体做功消耗的热量；S为人体的蓄热状态。当人体产热和散热相等时，即S=0，人体处于动态平衡状态；当产热多于散热时，即S>0，人体热平衡被破坏，可导致体温升高；当散热多于产热时，即S<0，可导致体温下降。

人体的热平衡中，人体是一个完善的温度调节系统。体温的调节是通过体内蓄热、出汗、血管舒张或收缩等实现的。周围的冷热环境虽然经常变化，但人的体温仍能在一定的范围内保持稳定。只有外界的冷热环境发生剧烈变化时，才能对人体产生不良影响。

(5)高温对人体的影响   温度超过人体舒适度范围(一般取21±3℃)的环境称为高温环境，对人的工作产生不利影响的温度为≥29℃。高温作业环境有三种类型：高温、强热辐射作业环境，如炼铁、炼钢、铸造、锻造、热处理、陶瓷、玻璃、搪瓷、耐火材料的炉窑等，特点是气温高、热辐射强度大、相对湿度较低；高温高湿作业环境，如矿山井下作业，印染、缫丝、造纸等行业的某些作业，特点是气温高、湿度大，如果通风不良，可形成湿热环境；夏季露天作业环境，如露天采矿、搬运、建筑施工等。

在高温作业条件下，人体通过呼吸、出汗和体表血管的扩张向体外散热。当人体产热量大于散热量时，会产生蓄热，呼吸和心率加快，皮肤表面血管的血流量增加(有时可达正常值的7倍)，称为热应激效应。人在体力劳动时可耐受的体温(通常用肛温表测量)为38.5～38.8℃，高温极端不舒适反映的深部体温临界值为39.1～39.4℃。深部体温超过这一限度，便会出现头晕、头疼、胸闷、心悸、恶心、呕吐、抽搐等症状，甚至引起虚脱、大小便失禁、晕厥、死亡。

(6)低温对人体的影响   温度低于人体舒适度范围的环境称为低温环境，对人的工作效率有不利影响的温度为≤10℃。除冬季低温外，低温作业环境还有高山地区、水下作业、露天建筑施工(冬季)、露天采矿(冬季)等。

低温环境对人体的影响，不但取决于温度，而且还取决于湿度和气流速度。湿度增加，衣服热阻值降低，起不到御寒作用；气流速度增大，人体的对流散热量增加，有效温度的降低量也越大。气温越低，气流速度的影响越大。环境温度的冷暖程度，可用风冷指数来衡量

I=h(t_s-t_a)

式中I为风冷指数，kJ／(m²•h)；h为传热系数，kJ／(m²*h*K)，h=4.1868(10.45-V+10V ^1/2 )；V为气流速度，m／s；t_S为皮肤温度，K；t_a为环境温度，K。

人体具有一定的冷适应能力。当环境温度低于皮肤温度时，皮肤冷觉感受器受到刺激，发出神经冲动，引起皮肤毛细血管收缩，使人体散热量减少。环境温度进一步下降，肌肉因冷觉而剧烈收缩抖动以增加产热量，维持体温恒定，称为冷应激效应。气温降低，人体的不舒适感迅速增加，机能迅速下降。低温对人体的伤害最常见的是冻伤。冻伤与人在低温环境中的暴露时间有关，在5～8℃时需几天才会出现冻伤，但在-73℃时只需12s即可把人冻伤。温度越低，造成冻伤的时间越短。人体容易发生冻伤的部位是手、脚、鼻尖、耳廓。在-1～+6℃的低温环境中，人依靠体温调节，可使人体深部温度稳定。温度再降低，深部温度逐渐降低，会出现心率加快、颤抖、头疼等症状。如果温度继续降低，将产生全身剧痛、意识模糊，瞳孔反射等症状，直至濒临死亡。

综合评价   以温度、湿度、气流速度和辐射对人体冷热(温度表示)调节作用的影响，对作业环境的微气候进行综合评价。常用的评价指标有以下四种。

(1)舒适温度。人的主观感到舒适的温度；是作业环境微气候对人体冷热调节作用的综合指标。测定舒适温度的标准条件是人坐着休息，穿着薄衣服(指气温为21℃、相对湿度为50％、气流速度为1m／s时，人坐着休息感到温度舒适所穿的衣服)，无强迫对流(空气基本静止，气流速度不超过0.075m／s)，正常的地球引力和海平面气压。在这种条件下测定的舒适温度为21±3℃。

(2)实效温度。指在不同温度、湿度、风速的综合作用下人体有热感觉的气温，是对作业环境微气候进行综合评价的指标。它是与气流静止不动(气流速度为零)、相当湿度为100％的条件下人体感到舒适所对应的气温。不同于球、湿球温度、不同气流速度条件下的实效温度，可从图l所示的实效温度诺模图上查找。

实效温度至今尚无公认的标准值。有的国家规定为26.7℃，有的国家规定为28℃，也有的国家规定实效温度超过32℃必须停止作业。

(3)当量温度。以干球湿度、辐射温度和气流速度表示的一种综合性指标。辐射温度可按下式计算：

式中T_r为以绝对温度表示的辐射温度；T_q为以绝对温度表示的黑球温度；T_q1为黑球温度，℃；T_a为空气温度，℃；V为气流速度，(m／s)。当量温度按下式计算：

当量温度为25℃时，穿一般衣服的人的代谢是平衡的，当量温度低于25℃为冷环境，高于33℃为热环境。因此，可根据当量温度判断人体热平衡情况。实验表明，当量温度与人体皮肤温度的相关系数为0.52，与实效温度的相关系数为0.48，与空气干球温度的相关系数为0.48。70％的受试者感觉气温适宜的范围是，以当量温度表示为14.5～18.9℃；以实效温度表示为13.9～17.2℃；以干球温度表示为15.6～20.0℃。当量温度适用于偏冷地区，使用范围不如实效温度广泛。

(4)湿黑球温度(WBGT)。以湿球温度、黑球温度和干球温度表示的一种综合性指标，是美国职业安全卫生研究所提出的。其计算方法是：

室外有太阳辐射影响时

WBGT=0.7t_W+0.2t_q+0.1t_a

室内或室外无太阳辐射时

WBGT=0.7t_w+0.3t_q

式中t_w为湿球温度，℃；t_q为黑球温度，℃；t_a为干球温度，℃。

表1为美国按劳动强度和劳动时间与休息时间之比提出的WBGT极限指标，表2为美国按劳动强度和气流速度提出的WBGT极限指标。

作业环境照明   在作业环境中，利用光源的照射使作业人员看清事物的措施。物体被照明的程度取决于物体单位面积上所接受的光通量，通常以照度(单位：lx)表示。在点光源下，被照面的照度与光源距被照面的垂直距离的平方成反比。

照明分天然采光和人工照明两类。(1)天然采光。利用自然界的日照作为光源的照明。天然光源的光线均匀，照度大(一般在4500lx左右)，不需要能源。因此，作业环境应尽量采用天然采光，夜间或地下作业以及天然光照度不够时，必须配备人工照明。(2)人工照明。利用灯光作为光源的照明。灯光照明是否适宜，除取决于照度外也与照明的质量有关：照度不宜过低也不宜过高；照度分布应有层次，以免使操作者感到单调；避免有碍视线的阴影；直射光不耀眼，反射光不产生眩光；光色适当，能现出物体的本色等。

照度应根据工作性质确定。精密机械等精细作业的照度为1500～3000lx，制图、化学分析等操作为750～1500Ix，普通事务性工作为1000lx，一般制作等用眼的作业为300～750lx。照度不足则观察吃力，容易产生疲劳，影响生产效率，而且易产生误操作动作。照度过大，使人因耀眼而瞳孔缩小，反而难以看清(见图2)。

照明的方式分为局部照明和整体照明。局部照明可使作业面得到较强的照度，有利于操作。但在作业面以外的部分会出现阴影，与作业面形成明暗差，容易使人产生错觉。因此，除局部照明外，还应从顶棚进行整体照明，使作业环境的照明光线至少有10％来自整体照明，照度不应低于30～50lx。

作业环境的色彩   人对作业环境中不同波长的可见光产生的各种颜色的感觉，包括冷和暖、华丽和质朴、轻快和沉闷、醒目和散乱等。有效地利用色彩，可改善人的心理状态。可见光波波长为380～780μm，波长与人眼产生的颜色感觉的关系可用图3的色调环来表示。

色彩可分为光源的光色和物体的颜色两类。

光色   光源发射的光色常用色温度表示。当光源发射的光色与黑体(在辐射作用下既不反射也不透射，而能把落在它上面的辐射全部吸收的物体)加热到某一温度的辐射光色相同时，这个温度称为色温度(简称色温)，用绝对温度表示。黑体连续被加热，温度不断上升，光色也发生变化。变化顺序为红-黄-白-蓝。蜡烛光的色温为1850K，100W的灯泡的色温为2900K，中午阳光下的色温为5400K，蓝色天空的色温为19000～25000K。一般说来，色温高(5000K以上)的光源光色给人以凉爽的感觉，色温低(3300K以下)的光源光色给人以温暖的感觉。为了使人感到舒适，采用色温低的光源，照度也要相应降低，采用色温高的光源，照度要适当提高。照明时还应注意避免光色暗淡或颜色失真。图4为克鲁索夫光色舒适感图样。

颜色   物体的颜色分为无彩色和彩色两类。无彩色指白色、黑色和各种不同深浅程度的灰色，彩色指除白色黑色系列以外的颜色。颜色有3种基本特性：明度、色调和饱和度。无彩色只有明度的变化，没有色调和饱和度的问题。

在黑白系列中，由纯白到纯黑，白色与黑色以不同比例混合，形成各种灰色，其变化在视觉上称为明度的变化。白色的比例越大，明度越大；黑色的比例越大，明度越小。色调是光谱上各种不同波长可见光在视觉上的反应，如红、橙、黄、绿、蓝、紫等不同的色调。对于彩色来说，颜色中掺入白色越多越明亮，掺入黑色越多，明度越低。颜色的饱和度又称彩度，是指某种颜色的纯洁性，光谱上的各种颜色是最饱和的颜色。彩色中白色、灰色、黑色的成分越多越不饱和，如暗红色、淡红色都是不饱和的红色。用一个三维空间的纺锤体(即颜色立体，见图5)可以表示颜色3种基本特性之间的关系。颜色立体的垂直轴代表黑白系列的明度变化，水平的圆周代表不同的色调，即色调环，颜色在圆周上的变化代表色调的变化。颜色立体的中心是中灰色，从中心向圆周过渡表示颜色饱和度的增加。

颜色在人的心理上会产生不同的反应。(1)颜色明度高，物体看起来高大、前移，令人感到轻快；颜色明度低，物体看起来变小、后退，令人感到沉闷。(2)红色、橙色、黄色给人以暖的感觉，使人感到兴奋，有发散的效果；蓝色、绿色给人以冷的感觉，使人镇静，有收敛的效果。

在对象物与背景的颜色组合中，常用红一白、黄黑、绿自等颜色搭配。工厂和办公室应以明爽的淡色格调为佳。天花板应尽可能接近白色，使光线经过漫反射后能均匀地分布在室内。至于墙壁和地面，由于视线水平以下的白色表面易产生眩光，所以墙壁宜采用反射率不超过75％的淡色，地面颜色应比天花板和墙壁略深一些。从事单调作业的房间宜采用兴奋而散乱的颜色，从事脑力劳动及精神高度集中作业的房间，则以使人平静的颜色为佳。

唤起人们警觉注意或指挥人们的行动以避免发生危险的标志的颜色，叫做安全色彩。通常红色表示停止、禁止、防火等，黄色表示注意，黄红色表示危险，绿色表示安全、进行，蓝色提示小心，红紫色表示放射性，白色表示通道等。

高原作业环境   指海拔3000m以上高山地区的作业环境，主要特征是气压低。大气压力随海拔高度而减低的关系式为

式中p为大气压力，kPa；h为海拔高度，m。

大气压力减低时，氧分压也随之降低，致使肺泡气体交换、血液携氧和结合氧在人体组织内的释放等功能受到影响，供氧与耗氧的比例失调，肌体发生缺氧现象。海拔越高，人体的缺氧程度也越加重。高山反应的症状有头痛、头昏、呼吸和心率加快、呕吐、口唇发绀、面部浮肿等，急性高山反应还可发生肺水肿和昏迷，慢性高山反应则有血液异常病，心脏病、红细胞增多症等。随着海拔高度的增加，气温降低，其幅度约为每增高1000m降温10℃。海拔越高的地区越寒冷。此外，海拔越高，来自太阳的紫外辐射强度也越高，对人体的伤害也越大。