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摘要：煤矿生产活动对人机工程的安全性、舒适性、高效性和经济性的要求越来越高。从煤矿机械操纵装置的宜人化、煤矿机械实施"安全色"、煤矿井下信号的有效发布及煤矿噪声环境得到改善等方面总结了煤矿人机工程的应用现状,从煤矿安全人机工程、煤矿绿色人机工程、煤矿虚拟人机工程、煤矿智能人机工程以及煤矿数字人机工程等方面探讨了煤矿人机工程的未来发展趋势。
关键词:人工工程；煤矿；机械设计
中图分类号： X752 文献标识码： A
引言
人机工程学是研究“人-机-环境”系统中，人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。作为资源性行业，煤矿在其生产过程中，不但涉及到自身生产系统中“人-机-环境”的问题，而且其生产活动又同时作用于其自身之外的人与环境。
一、煤矿生产活动对人机工程的需求
煤矿是世界上最为复杂的生产系统和企业形式，煤炭行业也是最危险的行业之一。在煤矿井下生产过程中，人和设备除受到井下各种地质灾害的侵害之外，其工作环境也非常恶劣，如工作空间狭窄、空气潮湿、光线暗淡、粉尘超标、有害气体的威胁、采掘工作面噪声源多且大以及工作场所不断移动等。恶劣的工作环境导致人的精神状态不佳、工作效率低下，机电设备的可靠性降低，事故频发。近年来，随着煤矿采掘机械化程度的不断提高，煤矿机电设备的体积、质量和功率不断增大，其结构也更加复杂，操控技术水平的要求也越来越高，为实现安全生产，迫切需要从人机工程学角度出发，对煤矿机电设备进行合理的人机工程设计，使设备、工具宜人化，同时改善煤矿井工作环境，使人处于较好的工作状态中，以减少危险因素，降低事故率，提高安全生产水平。
二、人机工程在煤矿中的应用现状
随着矿井开采深度的不断加大，煤矿开采环境和开采条件的复杂性导致“人-机-环境”系统也越来越呈现出复杂性，煤矿对人机工程的要求越来越高。目前，煤矿生产的机械化和现代化程度较过去有了根本性提高，人机工程在一定程度上得到了应用，人机、人环交互的安全性和效率大为改善，具体表现在下述几个方面。
2.1 煤矿机械开始注重宜人化设计
在当前我国煤矿普遍存在井下作业环境恶劣、工人素质不高和劳动强度大的基本情况下，煤矿机械进行宜人化设计尤为重要。通过机械的宜人化设计，可以降低工人的劳动强度，减少人为操作失误的概率、提高劳动生产率和安全生产水平。宜人化设计是以人机工程学原理为基础，以人为本的“人-机-环境”集成系统设计，通过系统的优化选择和设计，使人与机器设备之间相互适应，功能分配合理，达到“人-机-环境”系统协调。宜人化设计的主要内容体现在以下 3 个方面。
(1) 人机界面的优化
人机界面是人与机器之间实现信息交流和传递的媒介，因此，人机界面设计力求简洁明了，在井下恶劣环境和工人长时间高强度的劳动条件下，实现人机交流简单高效。例如，在机械化采煤工作面狭小的空间内，老式液壓支架多采用手动操作阀来实现液压支架的落架、支架和移架，操作繁琐；新式液压支架运用电液控制系统，通过控制面板控制液压支架，大大提高了人机交流的效率。
(2) 人机数据的应用
在采用人机数据进行设计时，应充分考虑人体功能学，将操纵机构的运动方向设定得符合大多数操作者的习惯，从而使操作动作安全高效。例如，采煤机滚筒调高手把扳动方向与滚筒升降方向协调一致；尽量利用自然操作动作或借助操作者某个身体部位的重力 (如脚踏开关) 进行操作。
(3) 造型美观舒适化
大多数煤矿机械给人“生硬、不友好”的印象，在井下长时间单调的工作条件下，工人不自觉地会对所操作的装备产生不愉快情绪，容易导致操作失误，影响安全生产。舒适美观的外观造型，将会愉悦工人的心情，对装备产生感情，减少操作失误。例如，绞车房绞车手柄设计采用球型或弧形设计，握在手里使人感觉很舒服等。
2.2煤矿机械设备实施“安全色”
安全色是一种视觉语言，也是一种环境，是传递安全信息含义的颜色，也是营造舒适工作环境的颜色。煤矿是一个生产场所特殊的行业，其周围环境是由灰色、褐色或黑色的沉积岩系岩体或煤体构成，此色彩环境下容易使工人产生一种单调感和压抑感，在长时间、高强度劳动过程中，会使工人对周围环境产生抵触和不满情绪，使工人精神倦怠，容易造成操作失误，影响安全生产。因此，从煤矿生产装备色彩设计入手，正确运用色彩设计来改善煤矿井下的视觉环境，激发工人的工作热情，保持良好的精神状态，从而提高工作效率，减少人为事故的发生，成为煤矿提高安全生产水平的重要措施之一。
近年来，人机工程技术中的色彩调节在煤矿机械中得到了运用，按照我国已制定的色标，井下各种机械设备、运输车辆等逐步采用了红、黄、蓝、绿等明快颜色。如采煤机、液压支架、运输机以及电气开关等，根据它们的工作环境，采用了与井下原生色彩环境形成强烈反差，具有刺激、兴奋、活跃效果的鲜明色彩，一方面有利于消除人的视觉疲劳，活跃工作环境，使工人在工作期间保持愉快的心情和良好的精神状态；另一方面对于装备本身而言，正确运用色彩使操作者容易辨认，尤其对那些易于丢失、不易寻找的装备寻找方便，因此，煤矿井下安全色彩基本上以纯度低、明度高、鲜艳的暖色为主。
2.3煤矿井下信号的有效发布
煤矿井下嘈杂的声音和暗淡的光线对井下声音信号和灯光信号的传播有很大的负面影响。煤矿井下生产过程中的相关信息如何快速有效地在人与人之间、机器与人之间的传播，对煤矿安全、高效生产具有重要作用，如瓦斯超限警报、提升机升降的信号、盲巷的标示、矿车行驶信号等。传统的信号发布通常要么是铃声、要么是灯光。
近年来，井下信号可以同时以声音和灯光的形式发布。声光信号显示器就是这样一种煤矿设备，主要用于井下各生产系统和各作业工作面，以声、光和游走字幕对作业工作面所处状态发出安全指令。例如，绞车司机请确认：地点和周围巷道是否有浮石、险块、绞车基础是否稳固、钢丝绳是否排列整齐、无硬伤、无硬弯、无打结、无严重锈蚀、绳头固定是否牢固、绞车制动闸、工作闸动作是否灵敏可靠、绞车构建是否齐全、可靠、护绳是否完好、绞车运转声音是否正常、无异常震动、无甩油现象等、清脆的语音提示，不但能缓解工人的劳动强度，也可根据用户需求增加语音提示内容。当瓦斯超限时，仪器会以图形显示、语音和灯光警报等多种形式报警，防止各类事故发生。
2.4煤矿噪声环境得到改善
煤矿井下生产装备型号多、功率大，导致井下噪声源多，单机噪声极高，在井下相对狭小且封闭的生产空间内，噪声发生反射、叠加等，从而使得煤炭工业成为噪声构成最为复杂的行业之一，且噪声存在于采掘、运输以及通风等各个生产环节中。煤矿井下噪声的危害体现在多个方面：噪声将会损害工人的听力，影响其与外界的正常交流；在强烈噪声环境条件下，人的心情容易烦躁、情绪不稳、精力难以集中，导致操作失误、信息传递的失误或信息接收的失误；噪声还会淹没各种声频安全报警信号，导致安全事故的发生。例如，煤矿井下的风钻、风镐以及局部通风机等机电设备产生的噪声，会妨碍人们及时地辨别岩石移动或顶板冒落前所发出的声响，造成安全事故。
近年来，在煤矿机械的设计阶段就进行了噪声控制的设计，例如，通过提高风机叶轮及转轴的动平衡精度，减少不平衡振动控制噪声；通过改变风机共振构件的固有频率，降低其对激发力的响应来控制噪声。
总之，近年来，人机工程技术在煤矿得到了较好的运用，出现了计算机控制、遥控操作和无人工作面，煤机的设计制造也在一定程度上贯彻了人机工程的思想，使人与煤机之间交互的安全性、舒适性越来越好。
三、煤矿人机工程的未来展望
随着机械化水平的提高，煤矿井下“人-机-环境”系统越来越复杂，基于人机工程的安全高效开采是煤矿人机工程的重要发展趋势。在设计矿井人机系统时，应注意把人、机、环境作为一个整体来考虑，最优或合理地分配人机的功能，保证系统在环境变动下达到要求的目标，即协调、舒适、高效、安全。
对人而言，一是在煤矿设计、生产和管理中，建立以人为中心的安全管理体制；二是在职工中开展安全思想、安全法制、安全知识、安全技能和典型事故案例教育，提高其安全意识、安全技能以及操作的准确性；三是对职工进行人文关怀，提高矿工的心理素质和身体素质；四是改革矿工的工作、休息制度，改善矿工的工作和生活环境，保证其精力充沛地工作。
对机器 (械) 而言，一是提高煤炭生产现代化水平，在推行采掘机械化的同時，提高提升、运输、排水、通风等方面的现代化水平，尽量消除机器 (械) 的不安全；二是在煤矿机械的设计、制造中，进行结构优化，改变机器设备粗大、笨拙外观造型，使机械的使用更加安全，操作更加宜人化；三是研发薄煤层等特殊煤层使用的采掘机械，减少现场人员直接进入不舒适、不安全工作面，实现采面的无人化；四是提高机械设备的自动化、数字化、智能化水平，替代手工操作，减少和防止人为的操作失误；降低机械设备的噪声和振动，对设备的显示装置与操纵装置、人机距离与带电体距离进行相合性设计。
四、结束语
从1981 年，在我国著名的科学家钱学森的指导下就已经开始了有关人－ 机－ 环境系统工程的研究，在老一辈科学、专家的共同努力下，奠定了一定的基础。在新的世纪，我们更加要用新的方式来感知世界，符合人机工程的人性化的设计才是最前沿最实在的潮流趋势。把人机工程应用于煤矿工程对设计出操作简单可靠，安全省力，高效率的矿山机械有非常重要的意义将推动我国煤炭行业科技进步，提高煤矿生产的安全水平，使得煤炭行业大跨步的发展。
参考文献：
[1]苗梦露.人机工程学在煤矿安全生产中的应用探讨[J].煤炭技术.2011(07)
[2]周剑.人机工程学在矿井提升机上的应用[J].矿山机械.1993(09)
[3]赵洪福.试述煤矿通风中如何正确使用风机[J].黑龙江科技信息.2010(13)
[4]王建军.人机工程学在人性化煤矿机械设计中的应用研究[J].机械管理开发.2010(02)
关键词:人工工程；煤矿；机械设计
中图分类号： X752 文献标识码： A
引言
人机工程学是研究“人-机-环境”系统中，人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。作为资源性行业，煤矿在其生产过程中，不但涉及到自身生产系统中“人-机-环境”的问题，而且其生产活动又同时作用于其自身之外的人与环境。
一、煤矿生产活动对人机工程的需求
煤矿是世界上最为复杂的生产系统和企业形式，煤炭行业也是最危险的行业之一。在煤矿井下生产过程中，人和设备除受到井下各种地质灾害的侵害之外，其工作环境也非常恶劣，如工作空间狭窄、空气潮湿、光线暗淡、粉尘超标、有害气体的威胁、采掘工作面噪声源多且大以及工作场所不断移动等。恶劣的工作环境导致人的精神状态不佳、工作效率低下，机电设备的可靠性降低，事故频发。近年来，随着煤矿采掘机械化程度的不断提高，煤矿机电设备的体积、质量和功率不断增大，其结构也更加复杂，操控技术水平的要求也越来越高，为实现安全生产，迫切需要从人机工程学角度出发，对煤矿机电设备进行合理的人机工程设计，使设备、工具宜人化，同时改善煤矿井工作环境，使人处于较好的工作状态中，以减少危险因素，降低事故率，提高安全生产水平。
二、人机工程在煤矿中的应用现状
随着矿井开采深度的不断加大，煤矿开采环境和开采条件的复杂性导致“人-机-环境”系统也越来越呈现出复杂性，煤矿对人机工程的要求越来越高。目前，煤矿生产的机械化和现代化程度较过去有了根本性提高，人机工程在一定程度上得到了应用，人机、人环交互的安全性和效率大为改善，具体表现在下述几个方面。
2.1 煤矿机械开始注重宜人化设计
在当前我国煤矿普遍存在井下作业环境恶劣、工人素质不高和劳动强度大的基本情况下，煤矿机械进行宜人化设计尤为重要。通过机械的宜人化设计，可以降低工人的劳动强度，减少人为操作失误的概率、提高劳动生产率和安全生产水平。宜人化设计是以人机工程学原理为基础，以人为本的“人-机-环境”集成系统设计，通过系统的优化选择和设计，使人与机器设备之间相互适应，功能分配合理，达到“人-机-环境”系统协调。宜人化设计的主要内容体现在以下 3 个方面。
(1) 人机界面的优化
人机界面是人与机器之间实现信息交流和传递的媒介，因此，人机界面设计力求简洁明了，在井下恶劣环境和工人长时间高强度的劳动条件下，实现人机交流简单高效。例如，在机械化采煤工作面狭小的空间内，老式液壓支架多采用手动操作阀来实现液压支架的落架、支架和移架，操作繁琐；新式液压支架运用电液控制系统，通过控制面板控制液压支架，大大提高了人机交流的效率。
(2) 人机数据的应用
在采用人机数据进行设计时，应充分考虑人体功能学，将操纵机构的运动方向设定得符合大多数操作者的习惯，从而使操作动作安全高效。例如，采煤机滚筒调高手把扳动方向与滚筒升降方向协调一致；尽量利用自然操作动作或借助操作者某个身体部位的重力 (如脚踏开关) 进行操作。
(3) 造型美观舒适化
大多数煤矿机械给人“生硬、不友好”的印象，在井下长时间单调的工作条件下，工人不自觉地会对所操作的装备产生不愉快情绪，容易导致操作失误，影响安全生产。舒适美观的外观造型，将会愉悦工人的心情，对装备产生感情，减少操作失误。例如，绞车房绞车手柄设计采用球型或弧形设计，握在手里使人感觉很舒服等。
2.2煤矿机械设备实施“安全色”
安全色是一种视觉语言，也是一种环境，是传递安全信息含义的颜色，也是营造舒适工作环境的颜色。煤矿是一个生产场所特殊的行业，其周围环境是由灰色、褐色或黑色的沉积岩系岩体或煤体构成，此色彩环境下容易使工人产生一种单调感和压抑感，在长时间、高强度劳动过程中，会使工人对周围环境产生抵触和不满情绪，使工人精神倦怠，容易造成操作失误，影响安全生产。因此，从煤矿生产装备色彩设计入手，正确运用色彩设计来改善煤矿井下的视觉环境，激发工人的工作热情，保持良好的精神状态，从而提高工作效率，减少人为事故的发生，成为煤矿提高安全生产水平的重要措施之一。
近年来，人机工程技术中的色彩调节在煤矿机械中得到了运用，按照我国已制定的色标，井下各种机械设备、运输车辆等逐步采用了红、黄、蓝、绿等明快颜色。如采煤机、液压支架、运输机以及电气开关等，根据它们的工作环境，采用了与井下原生色彩环境形成强烈反差，具有刺激、兴奋、活跃效果的鲜明色彩，一方面有利于消除人的视觉疲劳，活跃工作环境，使工人在工作期间保持愉快的心情和良好的精神状态；另一方面对于装备本身而言，正确运用色彩使操作者容易辨认，尤其对那些易于丢失、不易寻找的装备寻找方便，因此，煤矿井下安全色彩基本上以纯度低、明度高、鲜艳的暖色为主。
2.3煤矿井下信号的有效发布
煤矿井下嘈杂的声音和暗淡的光线对井下声音信号和灯光信号的传播有很大的负面影响。煤矿井下生产过程中的相关信息如何快速有效地在人与人之间、机器与人之间的传播，对煤矿安全、高效生产具有重要作用，如瓦斯超限警报、提升机升降的信号、盲巷的标示、矿车行驶信号等。传统的信号发布通常要么是铃声、要么是灯光。
近年来，井下信号可以同时以声音和灯光的形式发布。声光信号显示器就是这样一种煤矿设备，主要用于井下各生产系统和各作业工作面，以声、光和游走字幕对作业工作面所处状态发出安全指令。例如，绞车司机请确认：地点和周围巷道是否有浮石、险块、绞车基础是否稳固、钢丝绳是否排列整齐、无硬伤、无硬弯、无打结、无严重锈蚀、绳头固定是否牢固、绞车制动闸、工作闸动作是否灵敏可靠、绞车构建是否齐全、可靠、护绳是否完好、绞车运转声音是否正常、无异常震动、无甩油现象等、清脆的语音提示，不但能缓解工人的劳动强度，也可根据用户需求增加语音提示内容。当瓦斯超限时，仪器会以图形显示、语音和灯光警报等多种形式报警，防止各类事故发生。
2.4煤矿噪声环境得到改善
煤矿井下生产装备型号多、功率大，导致井下噪声源多，单机噪声极高，在井下相对狭小且封闭的生产空间内，噪声发生反射、叠加等，从而使得煤炭工业成为噪声构成最为复杂的行业之一，且噪声存在于采掘、运输以及通风等各个生产环节中。煤矿井下噪声的危害体现在多个方面：噪声将会损害工人的听力，影响其与外界的正常交流；在强烈噪声环境条件下，人的心情容易烦躁、情绪不稳、精力难以集中，导致操作失误、信息传递的失误或信息接收的失误；噪声还会淹没各种声频安全报警信号，导致安全事故的发生。例如，煤矿井下的风钻、风镐以及局部通风机等机电设备产生的噪声，会妨碍人们及时地辨别岩石移动或顶板冒落前所发出的声响，造成安全事故。
近年来，在煤矿机械的设计阶段就进行了噪声控制的设计，例如，通过提高风机叶轮及转轴的动平衡精度，减少不平衡振动控制噪声；通过改变风机共振构件的固有频率，降低其对激发力的响应来控制噪声。
总之，近年来，人机工程技术在煤矿得到了较好的运用，出现了计算机控制、遥控操作和无人工作面，煤机的设计制造也在一定程度上贯彻了人机工程的思想，使人与煤机之间交互的安全性、舒适性越来越好。
三、煤矿人机工程的未来展望
随着机械化水平的提高，煤矿井下“人-机-环境”系统越来越复杂，基于人机工程的安全高效开采是煤矿人机工程的重要发展趋势。在设计矿井人机系统时，应注意把人、机、环境作为一个整体来考虑，最优或合理地分配人机的功能，保证系统在环境变动下达到要求的目标，即协调、舒适、高效、安全。
对人而言，一是在煤矿设计、生产和管理中，建立以人为中心的安全管理体制；二是在职工中开展安全思想、安全法制、安全知识、安全技能和典型事故案例教育，提高其安全意识、安全技能以及操作的准确性；三是对职工进行人文关怀，提高矿工的心理素质和身体素质；四是改革矿工的工作、休息制度，改善矿工的工作和生活环境，保证其精力充沛地工作。
对机器 (械) 而言，一是提高煤炭生产现代化水平，在推行采掘机械化的同時，提高提升、运输、排水、通风等方面的现代化水平，尽量消除机器 (械) 的不安全；二是在煤矿机械的设计、制造中，进行结构优化，改变机器设备粗大、笨拙外观造型，使机械的使用更加安全，操作更加宜人化；三是研发薄煤层等特殊煤层使用的采掘机械，减少现场人员直接进入不舒适、不安全工作面，实现采面的无人化；四是提高机械设备的自动化、数字化、智能化水平，替代手工操作，减少和防止人为的操作失误；降低机械设备的噪声和振动，对设备的显示装置与操纵装置、人机距离与带电体距离进行相合性设计。
四、结束语
从1981 年，在我国著名的科学家钱学森的指导下就已经开始了有关人－ 机－ 环境系统工程的研究，在老一辈科学、专家的共同努力下，奠定了一定的基础。在新的世纪，我们更加要用新的方式来感知世界，符合人机工程的人性化的设计才是最前沿最实在的潮流趋势。把人机工程应用于煤矿工程对设计出操作简单可靠，安全省力，高效率的矿山机械有非常重要的意义将推动我国煤炭行业科技进步，提高煤矿生产的安全水平，使得煤炭行业大跨步的发展。
参考文献：
[1]苗梦露.人机工程学在煤矿安全生产中的应用探讨[J].煤炭技术.2011(07)
[2]周剑.人机工程学在矿井提升机上的应用[J].矿山机械.1993(09)
[3]赵洪福.试述煤矿通风中如何正确使用风机[J].黑龙江科技信息.2010(13)
[4]王建军.人机工程学在人性化煤矿机械设计中的应用研究[J].机械管理开发.2010(02)