微耕機作業事故與機具設計缺陷的關聯性分析

趙啟明，張云文，魯　媛，張本源，裴進靈，張抓虎，杜　嬋

(1.山西省農業機械化科學研究院，山西 太原　030031；2.中國農業大學 工學院，北京　100083)

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微耕機作業事故與機具設計缺陷的關聯性分析

趙啟明1，張云文2，魯媛2，張本源1，裴進靈1，張抓虎1，杜嬋1

(1.山西省農業機械化科學研究院，山西 太原030031；2.中國農業大學 工學院，北京100083)

摘要：針對我國微耕機作業事故頻繁發生、造成人員傷亡和經濟損失的嚴峻形勢，基于設計心理學、人因工程學、交互設計理論，分析了與微耕機作業事故相關的人、機具和環境因素，指出機具設計缺陷是微耕機作業事故的最重要因素。操作者的群體特征不易改變，作業環境無從選擇，只能通過機具的安全設計來適應人的特點，彌補環境的不足，即機具的安全設計是減少事故、提高質量的根本手段。同時，進一步討論了微耕機防護裝置、操作裝置、形態、色彩和標識安全設計以及材料選用。應用工業設計學科理論研究微耕機作業事故，分析事故與機具設計缺陷的關聯性，是從根本上消除事故隱患及解決農機安全問題的新思路。

關鍵詞：微耕機；作業事故；設計缺陷；安全設計；工業設計

0引言

微耕機是配套發動機額定功率不大于6.5kW，直接用驅動輪軸驅動旋轉工作部件，以旋耕為主要功能，用于水、旱田耕整作業的步行操縱式耕作機械[1]。隨著微耕機保有量快速增長，作業事故時有發生，在一些地區呈多發態勢，造成嚴重人身傷害，引起社會各界廣泛關注[2]。據統計，甘肅省近年年均增加微耕機4～5萬臺，2013年保有量達20.33萬臺；但2012、2013兩年發生微耕機傷人事故32起，占農機事故總數50%以上[3]。針對嚴峻的安全形勢，農業部印發通知，要求各地農機部門做好微耕機安全生產工作，預防和減少事故發生，保障農民生命財產安全[2]。

微耕機作業事故主要有兩方面原因：一是微耕機防護設施不全，存在設計缺陷；二是操作失誤[4]，80%以上的微耕機事故是由于操作失誤而造成[1]。為此，農機部門組織用戶操作培訓，強化安全監理，但效果并不理想。問題的根源在于，人的操作失誤其實與機具的設計缺陷有關。人的大腦是一個設計精妙、用于理解外部世界的器官，只需要提供一絲線索，便會立即開始工作，對外部世界進行解釋和理解。設計優良的物品容易被人理解，因為它們給用戶提供了操作方法上的線索；設計拙劣的物品使用起來則很難，往往讓用戶很沮喪，因為它們不具備任何操作上的線索，或是給用戶提供了一些錯誤的線索，使用戶陷入困境，破壞了正常的解釋和理解過程[5]。因此，微耕機作業事故與機具的設計缺陷密切相關，從機具設計的源頭杜絕安全隱患才是解決微耕機安全生產問題的根本手段。

本文基于設計心理學、人因工程學及交互設計理論研究，分析微耕機作業事故中的人、機具及環境因素，探討事故與機具設計缺陷之間的關聯性，旨在指導微耕機的安全設計。

1微耕機作業事故中的人因素

微耕機作業事故中的人因素包括人的生理因素、心理因素和群體特征3方面。

1.1人的生理因素

人的生理條件是有限度的。機具設計時如果沒有認真考慮人的生理因素，會出現操作不便甚至錯誤操作而造成事故的可能。相關的生理因素主要是人體尺寸、知覺、行為和疲勞。

1.1.1人體尺寸

人體尺寸決定了機具的設計尺度、人的觀察方式和操作感覺。例如，微耕機操縱手把的高度、開度、粗細和選材應確保握持牢靠，不易脫手而造成失誤。

1.1.2知覺

知覺是人腦對直接作用于感覺器官的客觀事物整體屬性的反映[6]，是對感覺信息的綜合與解釋[7]。若信息傳達有誤或接收理解有偏差，便有出錯的可能。例如，作業過程中有漏油現象，若人聞不到刺鼻的汽油味，接收不到機具漏油的信息，就可能發生事故。人的知覺與事故的關系如表1[8]所示。

表1　人的知覺與事故的關系

1.1.3行為

人對機具的操作通過人的行為完成。人的不安全行為是最主要的事故原因[6]。人的不安全行為是指能引發事故的人的行為差錯[9]。人的不安全行為分有意和無意兩種，前者是有目的、明知故犯的不安全行為；后者是非故意或無意識的不安全行為，也稱失誤行為[6,10]。

導致微耕機作業事故的人的不安全行為主要有：

1)使用沒有防護裝置或安裝不當的機具；

2)忽視或有意違反操作規程；

3)處于不安全的位置或操作姿勢；

4)操作失誤；

5)在沒有排除故障的情況下操作；

6)在不安全的速度下操作；

7)注意力不集中，意識不到事故前的異常情況；

8)同一臺機器全家使用，也借給鄰里使用。

人的不安全行為是非常危險的安全隱患，其實與人的生理局限性有關，原因如下：

1)人的感知力有局限性，無法接收全部的外界信息，甚至不能感知事故的預兆；

2)人的反應力有局限性，無法同時或很快地分析判斷所接收的全部信息；

3)人的記憶力有局限性，無法記住所有有關作業的事情；

4)人的注意力有局限性，無法長時間集中注意力；

5)人抵抗不良情緒和不良條件的能力有局限性。

1.1.4疲勞

疲勞是強度過高或持續時間過長，導致工作能力減弱、工作效率降低、錯誤率增加的現象[6,11]。單調的工作因缺乏足夠的刺激，也會引起疲勞感[6]。人在疲勞時，操作容易產生失誤而觸發事故，原因如下：

1)疲勞導致生理不適，如無力感、困倦、感覺失調(視覺模糊、聽不清、觸覺不敏感)[6]；

2)疲勞導致注意失調、反應遲緩、操作動作不協調；

3)疲勞導致厭煩、自我控制力降低、操作動作不準確。

與微耕機作業相關的產生疲勞的原因有：

1)機具設計不符合操作者生理和心理特點，如操作復雜、費勁；

2)作業環境不良造成操作者生理和心理不適，例如噪聲、振動、照明、高溫、濕熱；

3)作業時間過長、長時間姿勢保持不變或姿勢不良，導致操作者體力下降；

4)作業單調重復，操作者產生疲勞和厭煩感。

微耕機設計要盡可能減少生理局限性對操作的消極影響，預防事故發生。例如，與視覺相關的操作置于視覺范圍內；與聽覺相關的操作考慮聽覺的特性，使聲音的大小、高低、音調引發聽覺的注意；與觸覺相關的操作考慮人的感應特性；操作力度不要太大及必要的操作反饋等。

1.2人的心理因素

人的心理因素與事故有密切關系。不良的心理活動往往產生不安全行為。造成微耕機作業事故的心理原因[9]如表2所示。

表2　造成微耕機作業事故的心理原因

續表2

操作者的不良心理無可避免，必須通過機具設計引導操作者趨向或保持積極的心理狀態。針對人的心理因素的微耕機安全設計思路如下：

1)機具設計與操作者的認知相匹配。人是通過部件的形狀、顏色、質感來理解機具的。機具的形態特征應表現操作的指示性，利用操作者的生活經驗，引導正確的行為。例如，長形折面的操作裝置要“向下按”完成操作，圓形的操作裝置是“左右旋轉”完成操作；旋鈕側面凹凸紋槽的多少和粗細，傳達是精細的微調還是大旋量的粗調。視覺形態建立起能為人所感知的操作方法。

2)機具設計帶給操作者安全感。機具作業時帶給操作者的安全感，通過機具的外在表現和操作體驗實現。合理的機具尺寸、人機交互關系以及黑、灰、深藍等沉穩的顏色給人可靠感，而不舒適的操作系統使人緊張，紅、黃等明亮的顏色容易使人不安。

3)機具設計必要的心理刺激和危險提示。當出現危險時，知覺感受的刺激、顏色等可以造成心理不適，進而給操作者以危險提示。例如，機具運轉不正常時發出刺耳的“嗚嗚”聲，操作者會因為聲音難聽而檢查機具。

1.3用戶的群體特征

為了降低微耕機作業時的危險性，必須研究用戶的年齡性別、文化水平等群體特征，避免因人機不匹配而導致使用困難甚至危險。

微耕機用戶的群體特征概括如下：

1)年齡性別。以25～45歲的青壯年為主，也有部分少年和老人；男性略多于女性[12]。年齡、性別不同，身高、體力、視力、反應能力等有差異。例如，青年人反應敏捷、記憶力好，各項生理指標處于最佳狀態；中年人生理指標一般；老年人生理指標每況愈下，排斥功能多的產品。

2)文化水平。小學文化及以下為數不少，對于先進的生產技術了解少。

3)思想行為。思想單純，接收和處理信息直接，不做過多思考；安全意識不強，不重視操作培訓，突發緊急情況時，慌亂中容易發生事故。

針對用戶群體特征的微耕機安全設計思路如下：

1)盡可能兼顧各年齡段用戶和男女通用，例如盡量降低操作力度和作業強度。

2)機具操作方式、標識設計簡明易懂，減少記憶負擔，降低理解難度，易用易學。

3)說明書匹配。農民知識水平不高，少用專業術語和文字，多用圖，必要使用的文字避免冗長，以免農民看不懂、不想讀說明書。

4)機具性能穩定，不易傾翻，減小噪聲和振動，避免性能不良導致不良的用戶體驗和心理狀態。

微耕機是由人工操作和使用的，人的生理和心理局限性是固有的，機具設計必須考慮是否超出了人的能力，而不是“為了使用，人類不得不去適應它們”[13]。因為“如果某種錯誤有可能發生，就一定會有人犯這樣的錯誤。設計人員必須考慮到所有可能出現的錯誤，在設計時盡量降低差錯發生的可能性或是減輕差錯所造成的不良后果”[5]。

2微耕機作業事故中的機具因素

產品設計缺陷是產品設計存在不合理的危險性。微耕機的防護裝置、操作裝置、形態、色彩、標識和材料等如果存在缺陷，將成為事故隱患。

2.1防護裝置

防護裝置用來屏護隔離人與危險部分。防護裝置缺少或設計不當，可能引發事故。例如，微耕機的旋耕刀(見圖1[14])便可能是具有殺傷力的傷人器具，必須安裝防護罩。信號裝置也是防護裝置的一部分，警告危險，引起人們注意并采取措施。信號裝置分顏色信號、音響信號和指示儀表3類。如果操作者辨別不清顏色信號、聽不清聲音信號或看不清儀表信息，則不能及時識別危險，可能發生事故。

圖1　微耕機的旋耕刀是危險部件

2.2操作裝置

與人的因素密切相關的是機具的操作裝置。如果操作界面布局混亂、操作方式不合理、操作區分難、有響應問題，將導致操作不便甚至錯誤操作，尤其是人遇緊急情況下容易慌亂，失誤率更高。例如，圖2[15]中微耕機的操作裝置分散在手把附近和機身前后，操作不便，也容易誤碰。實施操作動作后，機具沒有響應或響應遲緩，也會給操作者帶來疑慮，在不確定操作是否已經生效的情況下，操作者會重復操作或直接進行下一步操作，可能引發事故。

圖2　某品牌微耕機的操作布局混亂

2.3形態

形態是產品的外在表現，不僅表現尺度、形狀、比例等輪廓狀態，還包含感情和信息的傳達。例如，水平形態比直立形態感覺更穩重；曲線和圓潤的形態比直角和尖銳的形態更有安全感；精細的工藝給人安全感；手把以延伸狀態表現，指示操作者手放的位置、如何操作。機具的形態應給人安全感和容易理解，以免操作者產生疑惑和障礙或無視存在的危險，進而發生事故。

2.4色彩

色彩有意向的功能和信息傳遞的作用，影響人的生理和心理變化，進而影響人的行為動作。例如，紅色、橙色容易讓人興奮，也提高人的警惕性；綠色、藍色代表平靜、自然，使人心情平和，精神放松；黑色則給人神秘和壓迫感。合理運用色彩可以幫助操作者提高安全意識，識別危險隱患，避免作業事故。

2.5標識

標識是文字或圖形的視覺展示，用來傳遞信息或吸引注意力，標識應該形式直觀，容易理解。我國農機產品的標識存在以下問題[16]：

1)危險程度標識詞混用，無法準確表達危險的嚴重程度；

2)文字敘述不清，內容不完整，無法準確指示危險部位和告誡操作者如何避免危險；

3)顏色不符合規定要求；

4)部分危險部位未設置安全標識，給操作者帶來安全隱患。

2.6材料

材料是產品的物質基礎。不同的材料用于產品的不同部件，發揮不同的功能作用。例如，微耕機旋耕刀采用高強度鋼材，保證作業功能；防護罩采用高強度鋼板，安全防護需要；手把裝設塑料或橡膠把套，耐熱絕緣，不易脫手，手的體驗感覺也溫和。相同材料的質量也存在差別。為降低成本而使用質量差的材料，導致機器故障頻發，此類事故也為數不少。

微耕機所具有的功能實現操作者的工作目的，其形態、色彩、材料等賦予操作者特定的感官感受，操作過程的進行和反復給予操作者互動體驗。機具的各方面與操作者關系密切，針對機具進行安全設計可以抑制人在操作中可能產生的不良生理和心理狀況，減少人的失誤，消除安全隱患，降低事故發生的可能性。

3微耕機作業事故中的環境因素

人是在環境中操作機具的，不良的環境條件容易導致人的失誤。微耕機作業時有揚塵、噪聲且振動較大，操作者容易疲勞和煩躁，感知信息能力和反應能力降低，進而力不從心和錯誤判斷，作業環境下也容易摔倒或絆倒，發生危險。

環境因素不能控制，但通過設計可以彌補環境的不足，適應環境的變化。針對環境因素的微耕機安全設計思路如下：

1)分析環境因素對人和機具的影響。例如，作業時與小地塊通行、地頭轉彎相關的操控及布局如何設計；使用環境不同時，是否導致無法預料的傷害；作業時間是白天還是需兼顧晚上等。光是一切人機作業的前提，環境光應提供最佳的視覺感受，光的亮度、顏色、分布、對比度、眩光等都影響操作。

2)將揚塵、噪聲和振動等控制在操作者安全范圍和舒適范圍內，為此涉及到功能優化和機殼設計。

3)微耕機多用于初春、秋末兩季，作業環境色為土黃、綠色等。機具的色彩設計考慮環境和機具的顏色分布、亮度對比和對人的影響等。

綜上，與微耕機作業事故相關的人的因素主要表現為人的失誤；機具的因素主要是機具設計缺陷，包括防護設置沒有或不合理、操作裝置設計不當、形態和色彩需要改進、標識沒有或不清晰，以及材料不合格導致機器故障、作業可靠性降低；不良的環境因素也是事故隱患。人、機具、環境三方面因素彼此交織、互相影響。例如，機具運行失常或設計不當，影響人的識別與操作，造成混亂和差錯；客觀環境差造成人的不適、疲勞和煩躁，進而行為失誤，影響機具的功能發揮[6]。

微耕機操作者的群體特征無法改變，作業環境無從選擇，只能通過機具的安全設計來適應人的生理及心理局限性，彌補環境的不良條件。

4基于設計缺陷分析的微耕機安全設計

結合對人因素和環境因素的研究，基于對機具設計缺陷的分析，對微耕機的防護裝置、操作裝置、形態、色彩及標識等進行安全設計。

4.1防護裝置設計

防護裝置在微耕機安全設計中具有重要意義。微耕機的耕作部件直接作用于土地，其功能決定了其危險性，不能改變其機械結構，只能裝設防護罩來消除事故隱患。

防護裝置有3個作用：①防止機具對操作者造成傷害；②防止操作者誤操作而造成傷害；③防止對他人、環境造成傷害和破壞。許多微耕機已安裝運動部件防護罩，但傷害事故仍有發生，說明其設計并不理想。

防護裝置有不同的防護方式：

1)機具保護型。將機具的危險部分保護起來，是隔離危險的方法。微耕機上外露、可能傷人的運動部件包括耕作部件、傳動軸、傳動帶等，而耕作部件最具危險性，作業過程中還有更換的需要，這些運動部件均應裝設防護罩。在不影響機具實現功能的前提下，盡量增大防護罩的防護覆蓋面積，保證操作者安全，還可設計為可調式防護罩，如圖3所示[17]。

圖3　某品牌微耕機的防護罩設計和顏色搭配

2)連鎖保護型。對危險部件的運動進行制動控制。例如，防護罩與微耕機的動力實現連鎖保護，若防護罩打開、安裝不當或沒有防護罩時微耕機無法起動或自動切斷動力，并設置狀態提示燈提示操作者。

3)危險提示型。當危險出現時，傳達信息提醒操作者注意。例如，當微耕機倒退運行時，發出清晰的報警音響或同時伴有燈光閃爍信號。

4.2操作裝置設計

與操作者最密切相關的是微耕機的操作裝置。在操作情境中人機交互頻繁的操作裝置是手拉起動器、操作手把、油門手柄、變速手柄、主離合器手柄及轉向離合器手柄。其功能和操作任務如表3所示，存在的設計缺陷和相應的解決方案如表4所示。

表3　微耕機主要操作裝置的功能和操作任務

表4　微耕機主要操作裝置的設計缺陷及解決方案

續表4

4.3形態安全設計

微耕機一般由一個操作者手扶作業，其安全設計需要考慮：①機體功能尺寸男女適用；②產品形態既要實際上的輕巧安全，也要視覺上的輕巧安全感[18]。例如，旋耕刀防護罩采用動感曲面造型；用鮮艷的顏色調和動力部分位置過高造成的視覺不穩的感覺；V狀扶手的開放結構產生了空靈感，用黑色渲染纖細的手把，既輕巧靈活，又有安全穩定感，如圖4[19]所示。

圖4　某品牌微耕機的形態設計實現了視覺上的輕巧安全感

4.4色彩安全設計

色彩在機具安全設計中與形態同等重要，其安全設計需要考慮：

1)微耕機屬于小型機械，一般選用一種主色，搭配輔色。顏色過多容易視覺疲勞，尤其是純度較高、明度較強時對操作者的刺激更大。一般情況下，暖色調比冷色調容易使人疲勞。

2)微耕機主色結合季節、地域、人群偏好進行選擇。例如，炎熱時節和地區使用，宜用冷色調，降低視覺溫度；初春、秋末兩季在寒冷地區使用，宜偏暖色調；露天使用，宜用冷色，室內使用，宜用暖色；夏季水田使用，宜用暖色調，旱田使用，宜用冷色調[20]。

3)適當的搭配色有強化機具操作安全的作用。例如，對容易發生危險和需要警示的部位，使用鮮艷的黃色、紅色或橙色，并與主色形成對比。

4.5標識安全設計

盡管裝設防護裝置、優化操作裝置及適當的形態和色彩設計，可以基本滿足安全要求，但仍可能存在遺留風險[21]。因此，在適當位置標注標識是非常必要的安全設計內容，警告操作者和其他人員存在的有關遺留風險，指導和警示操作者的安全行為。微耕機機體小巧，有些部件又屬于危險機械結構，不容易被操作者察覺，更需要標識提示和引導操作。

農機產品多采用兩帶式安全標識，由符號和文字、圖形和文字或兩個圖形組成安全標識，有注意、警告、危險3種等級的危險程度標識詞。安全標識的作用是[21]：①提醒人們存在危險或有潛在危險;②指示危險;③描述危險的性質;④解釋危險可能造成潛在傷害的后果;⑤指示人們如何避免危險。

微耕機的標識必須符合國家標準[21]中使用的安全標識和危險圖形的指導原則，并遵守以下設計原則：

1)機具操作部位和危險部位均應設置說明標識或警示標識。例如，檢查發動機、更換或清理刀具等情境需要有安全提示，在部件容易被注意到的位置以標識提示。

2)標識的大小、圖形、顏色、字體、位置必須醒目、容易理解和識別，起到標識應有的作用，減小風險。

4.6材料安全設計

材料的正確選用在機具安全設計中不容忽視。使用不同的材料直接影響機具的產品價值和使用壽命，也會因使用材料不當形成安全隱患，給操作者帶來傷害。由于材料變化引起的隱患和事故主要有材料失效、疲勞、沖擊和磨損[22]。微耕機安全設計中材料的規劃和選用應該高度重視，最大限度發揮材料的功能和優勢[23]。材料的安全設計思路如下:

1)材料規劃在設計開始就要出現在設計師的視野。從微耕機功能需求出發，結合材料的固有特性、工藝特性和美學特性選用合適的材料;

2)判明哪些零部件的壽命應是無限的，哪些是有限的，保證選用的材料在使用壽命期間不失效;

3)從語義學角度考慮材料帶給操作者的使用感受，尤其是與操作者視覺、觸覺的情感傳遞，如與人肌膚接觸的部件材料應該相對溫和、柔軟。

產品設計決定了產品的先天和內在質量，設計缺陷的預防和控制能夠提升產品的設計質量[24]。對微耕機的設計缺陷分析，指明了微耕機的安全設計方向。

5結論

結合設計心理學、人因工程學和交互設計等學科理論，對微耕機作業事故中的人、機具和環境因素進行分析，指出機具設計缺陷是微耕機作業事故的最重要因素。與事故相關的人因素主要表現為人的失誤，機具因素主要是機具設計缺陷，不良的環境因素也是事故隱患。人、機具、環境三方面因素彼此交織、互相影響。操作者的群體特征不易改變，作業環境無法選擇，因此要解決人、機具和環境存在的安全隱患，盡可能防范事故發生，必須實現機具的安全設計，適應人的生理、心理局限性，彌補環境的不良條件。同時，進一步討論了微耕機防護裝置、操作裝置、形態、色彩和標識的安全設計以及材料選用原則。

應用工業設計學科理論研究微耕機作業事故，分析事故與機具設計缺陷的關聯性，對于從根本上消除事故隱患非常重要，也將是研究農機事故、解決農機安全問題的新思路。

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Study on the Correlation between Mini Tiller Accidents and Design Defects

Zhao Qiming1, Zhang Yunwen2, Lu Yuan2, Zhang Benyuan1, Pei Jinling1, Zhang Zhuahu1, Du Chan1

(1.Shanxi Academy of Agricultural Mechanization, Taiyuan 030031, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：In recent years, mini tiller accidents occurred occasionally and caused heavy casualties and severe economic losses in China. In view of design psychology, ergonomics and interaction design theory, we analyzed human factor, machine factor and environment factor associated with mini tiller accidents, and pointed out that the machine design defect was the most important reason in connection with the accidents. In order to ensure mini tiller’s operation safety, we must optimize the machine design to meet the operator’s requirement and adopt the environment. That is, the safety design of the machine is the most effective method to reduce the number of accidents. We further discussed the relevance of the safety device, operating device, component shape, colour, signs and part material to accidents, and concluded the security design principles. It is a very good start that applying industrial design theory to study mini tiller accidents, and could help solve farm machinery safety issues fundamentally.

Key words：mini tiller; agricultural machinery accident; design defect; safety design; industrial design

文章編號：1003-188X(2016)07-0255-08

中圖分類號：S222.3

文獻標識碼：A

作者簡介：趙啟明(1965-)，男，山西稷山人，高級工程師，(E-mail)zqmnjy@163.com。通訊作者：張云文(1967-)，女，山西代縣人，副教授，碩士，(E-mail)cloudwyb@163.com。

基金項目：山西省自然科學基金項目(2013011025-4)

收稿日期：2015-06-15