微耕机作业事故与机具设计缺陷的关联性分析

赵启明，张云文，鲁　媛，张本源，裴进灵，张抓虎，杜　婵

(1.山西省农业机械化科学研究院，山西 太原　030031；2.中国农业大学 工学院，北京　100083)



微耕机作业事故与机具设计缺陷的关联性分析

赵启明1，张云文2，鲁媛2，张本源1，裴进灵1，张抓虎1，杜婵1

(1.山西省农业机械化科学研究院，山西 太原030031；2.中国农业大学 工学院，北京100083)

摘要：针对我国微耕机作业事故频繁发生、造成人员伤亡和经济损失的严峻形势，基于设计心理学、人因工程学、交互设计理论，分析了与微耕机作业事故相关的人、机具和环境因素，指出机具设计缺陷是微耕机作业事故的最重要因素。操作者的群体特征不易改变，作业环境无从选择，只能通过机具的安全设计来适应人的特点，弥补环境的不足，即机具的安全设计是减少事故、提高质量的根本手段。同时，进一步讨论了微耕机防护装置、操作装置、形态、色彩和标识安全设计以及材料选用。应用工业设计学科理论研究微耕机作业事故，分析事故与机具设计缺陷的关联性，是从根本上消除事故隐患及解决农机安全问题的新思路。

关键词：微耕机；作业事故；设计缺陷；安全设计；工业设计

0引言

微耕机是配套发动机额定功率不大于6.5kW，直接用驱动轮轴驱动旋转工作部件，以旋耕为主要功能，用于水、旱田耕整作业的步行操纵式耕作机械[1]。随着微耕机保有量快速增长，作业事故时有发生，在一些地区呈多发态势，造成严重人身伤害，引起社会各界广泛关注[2]。据统计，甘肃省近年年均增加微耕机4～5万台，2013年保有量达20.33万台；但2012、2013两年发生微耕机伤人事故32起，占农机事故总数50%以上[3]。针对严峻的安全形势，农业部印发通知，要求各地农机部门做好微耕机安全生产工作，预防和减少事故发生，保障农民生命财产安全[2]。

微耕机作业事故主要有两方面原因：一是微耕机防护设施不全，存在设计缺陷；二是操作失误[4]，80%以上的微耕机事故是由于操作失误而造成[1]。为此，农机部门组织用户操作培训，强化安全监理，但效果并不理想。问题的根源在于，人的操作失误其实与机具的设计缺陷有关。人的大脑是一个设计精妙、用于理解外部世界的器官，只需要提供一丝线索，便会立即开始工作，对外部世界进行解释和理解。设计优良的物品容易被人理解，因为它们给用户提供了操作方法上的线索；设计拙劣的物品使用起来则很难，往往让用户很沮丧，因为它们不具备任何操作上的线索，或是给用户提供了一些错误的线索，使用户陷入困境，破坏了正常的解释和理解过程[5]。因此，微耕机作业事故与机具的设计缺陷密切相关，从机具设计的源头杜绝安全隐患才是解决微耕机安全生产问题的根本手段。

本文基于设计心理学、人因工程学及交互设计理论研究，分析微耕机作业事故中的人、机具及环境因素，探讨事故与机具设计缺陷之间的关联性，旨在指导微耕机的安全设计。

1微耕机作业事故中的人因素

微耕机作业事故中的人因素包括人的生理因素、心理因素和群体特征3方面。

1.1人的生理因素

人的生理条件是有限度的。机具设计时如果没有认真考虑人的生理因素，会出现操作不便甚至错误操作而造成事故的可能。相关的生理因素主要是人体尺寸、知觉、行为和疲劳。

1.1.1人体尺寸

人体尺寸决定了机具的设计尺度、人的观察方式和操作感觉。例如，微耕机操纵手把的高度、开度、粗细和选材应确保握持牢靠，不易脱手而造成失误。

1.1.2知觉

知觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物整体属性的反映[6]，是对感觉信息的综合与解释[7]。若信息传达有误或接收理解有偏差，便有出错的可能。例如，作业过程中有漏油现象，若人闻不到刺鼻的汽油味，接收不到机具漏油的信息，就可能发生事故。人的知觉与事故的关系如表1[8]所示。

表1　人的知觉与事故的关系

1.1.3行为

人对机具的操作通过人的行为完成。人的不安全行为是最主要的事故原因[6]。人的不安全行为是指能引发事故的人的行为差错[9]。人的不安全行为分有意和无意两种，前者是有目的、明知故犯的不安全行为；后者是非故意或无意识的不安全行为，也称失误行为[6,10]。

导致微耕机作业事故的人的不安全行为主要有：

1)使用没有防护装置或安装不当的机具；

2)忽视或有意违反操作规程；

3)处于不安全的位置或操作姿势；

4)操作失误；

5)在没有排除故障的情况下操作；

6)在不安全的速度下操作；

7)注意力不集中，意识不到事故前的异常情况；

8)同一台机器全家使用，也借给邻里使用。

人的不安全行为是非常危险的安全隐患，其实与人的生理局限性有关，原因如下：

1)人的感知力有局限性，无法接收全部的外界信息，甚至不能感知事故的预兆；

2)人的反应力有局限性，无法同时或很快地分析判断所接收的全部信息；

3)人的记忆力有局限性，无法记住所有有关作业的事情；

4)人的注意力有局限性，无法长时间集中注意力；

5)人抵抗不良情绪和不良条件的能力有局限性。

1.1.4疲劳

疲劳是强度过高或持续时间过长，导致工作能力减弱、工作效率降低、错误率增加的现象[6,11]。单调的工作因缺乏足够的刺激，也会引起疲劳感[6]。人在疲劳时，操作容易产生失误而触发事故，原因如下：

1)疲劳导致生理不适，如无力感、困倦、感觉失调(视觉模糊、听不清、触觉不敏感)[6]；

2)疲劳导致注意失调、反应迟缓、操作动作不协调；

3)疲劳导致厌烦、自我控制力降低、操作动作不准确。

与微耕机作业相关的产生疲劳的原因有：

1)机具设计不符合操作者生理和心理特点，如操作复杂、费劲；

2)作业环境不良造成操作者生理和心理不适，例如噪声、振动、照明、高温、湿热；

3)作业时间过长、长时间姿势保持不变或姿势不良，导致操作者体力下降；

4)作业单调重复，操作者产生疲劳和厌烦感。

微耕机设计要尽可能减少生理局限性对操作的消极影响，预防事故发生。例如，与视觉相关的操作置于视觉范围内；与听觉相关的操作考虑听觉的特性，使声音的大小、高低、音调引发听觉的注意；与触觉相关的操作考虑人的感应特性；操作力度不要太大及必要的操作反馈等。

1.2人的心理因素

人的心理因素与事故有密切关系。不良的心理活动往往产生不安全行为。造成微耕机作业事故的心理原因[9]如表2所示。

表2　造成微耕机作业事故的心理原因

续表2

操作者的不良心理无可避免，必须通过机具设计引导操作者趋向或保持积极的心理状态。针对人的心理因素的微耕机安全设计思路如下：

1)机具设计与操作者的认知相匹配。人是通过部件的形状、颜色、质感来理解机具的。机具的形态特征应表现操作的指示性，利用操作者的生活经验，引导正确的行为。例如，长形折面的操作装置要“向下按”完成操作，圆形的操作装置是“左右旋转”完成操作；旋钮侧面凹凸纹槽的多少和粗细，传达是精细的微调还是大旋量的粗调。视觉形态建立起能为人所感知的操作方法。

2)机具设计带给操作者安全感。机具作业时带给操作者的安全感，通过机具的外在表现和操作体验实现。合理的机具尺寸、人机交互关系以及黑、灰、深蓝等沉稳的颜色给人可靠感，而不舒适的操作系统使人紧张，红、黄等明亮的颜色容易使人不安。

3)机具设计必要的心理刺激和危险提示。当出现危险时，知觉感受的刺激、颜色等可以造成心理不适，进而给操作者以危险提示。例如，机具运转不正常时发出刺耳的“呜呜”声，操作者会因为声音难听而检查机具。

1.3用户的群体特征

为了降低微耕机作业时的危险性，必须研究用户的年龄性别、文化水平等群体特征，避免因人机不匹配而导致使用困难甚至危险。

微耕机用户的群体特征概括如下：

1)年龄性别。以25～45岁的青壮年为主，也有部分少年和老人；男性略多于女性[12]。年龄、性别不同，身高、体力、视力、反应能力等有差异。例如，青年人反应敏捷、记忆力好，各项生理指标处于最佳状态；中年人生理指标一般；老年人生理指标每况愈下，排斥功能多的产品。

2)文化水平。小学文化及以下为数不少，对于先进的生产技术了解少。

3)思想行为。思想单纯，接收和处理信息直接，不做过多思考；安全意识不强，不重视操作培训，突发紧急情况时，慌乱中容易发生事故。

针对用户群体特征的微耕机安全设计思路如下：

1)尽可能兼顾各年龄段用户和男女通用，例如尽量降低操作力度和作业强度。

2)机具操作方式、标识设计简明易懂，减少记忆负担，降低理解难度，易用易学。

3)说明书匹配。农民知识水平不高，少用专业术语和文字，多用图，必要使用的文字避免冗长，以免农民看不懂、不想读说明书。

4)机具性能稳定，不易倾翻，减小噪声和振动，避免性能不良导致不良的用户体验和心理状态。

微耕机是由人工操作和使用的，人的生理和心理局限性是固有的，机具设计必须考虑是否超出了人的能力，而不是“为了使用，人类不得不去适应它们”[13]。因为“如果某种错误有可能发生，就一定会有人犯这样的错误。设计人员必须考虑到所有可能出现的错误，在设计时尽量降低差错发生的可能性或是减轻差错所造成的不良后果”[5]。

2微耕机作业事故中的机具因素

产品设计缺陷是产品设计存在不合理的危险性。微耕机的防护装置、操作装置、形态、色彩、标识和材料等如果存在缺陷，将成为事故隐患。

2.1防护装置

防护装置用来屏护隔离人与危险部分。防护装置缺少或设计不当，可能引发事故。例如，微耕机的旋耕刀(见图1[14])便可能是具有杀伤力的伤人器具，必须安装防护罩。信号装置也是防护装置的一部分，警告危险，引起人们注意并采取措施。信号装置分颜色信号、音响信号和指示仪表3类。如果操作者辨别不清颜色信号、听不清声音信号或看不清仪表信息，则不能及时识别危险，可能发生事故。

图1　微耕机的旋耕刀是危险部件

2.2操作装置

与人的因素密切相关的是机具的操作装置。如果操作界面布局混乱、操作方式不合理、操作区分难、有响应问题，将导致操作不便甚至错误操作，尤其是人遇紧急情况下容易慌乱，失误率更高。例如，图2[15]中微耕机的操作装置分散在手把附近和机身前后，操作不便，也容易误碰。实施操作动作后，机具没有响应或响应迟缓，也会给操作者带来疑虑，在不确定操作是否已经生效的情况下，操作者会重复操作或直接进行下一步操作，可能引发事故。

图2　某品牌微耕机的操作布局混乱

2.3形态

形态是产品的外在表现，不仅表现尺度、形状、比例等轮廓状态，还包含感情和信息的传达。例如，水平形态比直立形态感觉更稳重；曲线和圆润的形态比直角和尖锐的形态更有安全感；精细的工艺给人安全感；手把以延伸状态表现，指示操作者手放的位置、如何操作。机具的形态应给人安全感和容易理解，以免操作者产生疑惑和障碍或无视存在的危险，进而发生事故。

2.4色彩

色彩有意向的功能和信息传递的作用，影响人的生理和心理变化，进而影响人的行为动作。例如，红色、橙色容易让人兴奋，也提高人的警惕性；绿色、蓝色代表平静、自然，使人心情平和，精神放松；黑色则给人神秘和压迫感。合理运用色彩可以帮助操作者提高安全意识，识别危险隐患，避免作业事故。

2.5标识

标识是文字或图形的视觉展示，用来传递信息或吸引注意力，标识应该形式直观，容易理解。我国农机产品的标识存在以下问题[16]：

1)危险程度标识词混用，无法准确表达危险的严重程度；

2)文字叙述不清，内容不完整，无法准确指示危险部位和告诫操作者如何避免危险；

3)颜色不符合规定要求；

4)部分危险部位未设置安全标识，给操作者带来安全隐患。

2.6材料

材料是产品的物质基础。不同的材料用于产品的不同部件，发挥不同的功能作用。例如，微耕机旋耕刀采用高强度钢材，保证作业功能；防护罩采用高强度钢板，安全防护需要；手把装设塑料或橡胶把套，耐热绝缘，不易脱手，手的体验感觉也温和。相同材料的质量也存在差别。为降低成本而使用质量差的材料，导致机器故障频发，此类事故也为数不少。

微耕机所具有的功能实现操作者的工作目的，其形态、色彩、材料等赋予操作者特定的感官感受，操作过程的进行和反复给予操作者互动体验。机具的各方面与操作者关系密切，针对机具进行安全设计可以抑制人在操作中可能产生的不良生理和心理状况，减少人的失误，消除安全隐患，降低事故发生的可能性。

3微耕机作业事故中的环境因素

人是在环境中操作机具的，不良的环境条件容易导致人的失误。微耕机作业时有扬尘、噪声且振动较大，操作者容易疲劳和烦躁，感知信息能力和反应能力降低，进而力不从心和错误判断，作业环境下也容易摔倒或绊倒，发生危险。

环境因素不能控制，但通过设计可以弥补环境的不足，适应环境的变化。针对环境因素的微耕机安全设计思路如下：

1)分析环境因素对人和机具的影响。例如，作业时与小地块通行、地头转弯相关的操控及布局如何设计；使用环境不同时，是否导致无法预料的伤害；作业时间是白天还是需兼顾晚上等。光是一切人机作业的前提，环境光应提供最佳的视觉感受，光的亮度、颜色、分布、对比度、眩光等都影响操作。

2)将扬尘、噪声和振动等控制在操作者安全范围和舒适范围内，为此涉及到功能优化和机壳设计。

3)微耕机多用于初春、秋末两季，作业环境色为土黄、绿色等。机具的色彩设计考虑环境和机具的颜色分布、亮度对比和对人的影响等。

综上，与微耕机作业事故相关的人的因素主要表现为人的失误；机具的因素主要是机具设计缺陷，包括防护设置没有或不合理、操作装置设计不当、形态和色彩需要改进、标识没有或不清晰，以及材料不合格导致机器故障、作业可靠性降低；不良的环境因素也是事故隐患。人、机具、环境三方面因素彼此交织、互相影响。例如，机具运行失常或设计不当，影响人的识别与操作，造成混乱和差错；客观环境差造成人的不适、疲劳和烦躁，进而行为失误，影响机具的功能发挥[6]。

微耕机操作者的群体特征无法改变，作业环境无从选择，只能通过机具的安全设计来适应人的生理及心理局限性，弥补环境的不良条件。

4基于设计缺陷分析的微耕机安全设计

结合对人因素和环境因素的研究，基于对机具设计缺陷的分析，对微耕机的防护装置、操作装置、形态、色彩及标识等进行安全设计。

4.1防护装置设计

防护装置在微耕机安全设计中具有重要意义。微耕机的耕作部件直接作用于土地，其功能决定了其危险性，不能改变其机械结构，只能装设防护罩来消除事故隐患。

防护装置有3个作用：①防止机具对操作者造成伤害；②防止操作者误操作而造成伤害；③防止对他人、环境造成伤害和破坏。许多微耕机已安装运动部件防护罩，但伤害事故仍有发生，说明其设计并不理想。

防护装置有不同的防护方式：

1)机具保护型。将机具的危险部分保护起来，是隔离危险的方法。微耕机上外露、可能伤人的运动部件包括耕作部件、传动轴、传动带等，而耕作部件最具危险性，作业过程中还有更换的需要，这些运动部件均应装设防护罩。在不影响机具实现功能的前提下，尽量增大防护罩的防护覆盖面积，保证操作者安全，还可设计为可调式防护罩，如图3所示[17]。

图3　某品牌微耕机的防护罩设计和颜色搭配

2)连锁保护型。对危险部件的运动进行制动控制。例如，防护罩与微耕机的动力实现连锁保护，若防护罩打开、安装不当或没有防护罩时微耕机无法起动或自动切断动力，并设置状态提示灯提示操作者。

3)危险提示型。当危险出现时，传达信息提醒操作者注意。例如，当微耕机倒退运行时，发出清晰的报警音响或同时伴有灯光闪烁信号。

4.2操作装置设计

与操作者最密切相关的是微耕机的操作装置。在操作情境中人机交互频繁的操作装置是手拉起动器、操作手把、油门手柄、变速手柄、主离合器手柄及转向离合器手柄。其功能和操作任务如表3所示，存在的设计缺陷和相应的解决方案如表4所示。

表3　微耕机主要操作装置的功能和操作任务

表4　微耕机主要操作装置的设计缺陷及解决方案

续表4

4.3形态安全设计

微耕机一般由一个操作者手扶作业，其安全设计需要考虑：①机体功能尺寸男女适用；②产品形态既要实际上的轻巧安全，也要视觉上的轻巧安全感[18]。例如，旋耕刀防护罩采用动感曲面造型；用鲜艳的颜色调和动力部分位置过高造成的视觉不稳的感觉；V状扶手的开放结构产生了空灵感，用黑色渲染纤细的手把，既轻巧灵活，又有安全稳定感，如图4[19]所示。

图4　某品牌微耕机的形态设计实现了视觉上的轻巧安全感

4.4色彩安全设计

色彩在机具安全设计中与形态同等重要，其安全设计需要考虑：

1)微耕机属于小型机械，一般选用一种主色，搭配辅色。颜色过多容易视觉疲劳，尤其是纯度较高、明度较强时对操作者的刺激更大。一般情况下，暖色调比冷色调容易使人疲劳。

2)微耕机主色结合季节、地域、人群偏好进行选择。例如，炎热时节和地区使用，宜用冷色调，降低视觉温度；初春、秋末两季在寒冷地区使用，宜偏暖色调；露天使用，宜用冷色，室内使用，宜用暖色；夏季水田使用，宜用暖色调，旱田使用，宜用冷色调[20]。

3)适当的搭配色有强化机具操作安全的作用。例如，对容易发生危险和需要警示的部位，使用鲜艳的黄色、红色或橙色，并与主色形成对比。

4.5标识安全设计

尽管装设防护装置、优化操作装置及适当的形态和色彩设计，可以基本满足安全要求，但仍可能存在遗留风险[21]。因此，在适当位置标注标识是非常必要的安全设计内容，警告操作者和其他人员存在的有关遗留风险，指导和警示操作者的安全行为。微耕机机体小巧，有些部件又属于危险机械结构，不容易被操作者察觉，更需要标识提示和引导操作。

农机产品多采用两带式安全标识，由符号和文字、图形和文字或两个图形组成安全标识，有注意、警告、危险3种等级的危险程度标识词。安全标识的作用是[21]：①提醒人们存在危险或有潜在危险;②指示危险;③描述危险的性质;④解释危险可能造成潜在伤害的后果;⑤指示人们如何避免危险。

微耕机的标识必须符合国家标准[21]中使用的安全标识和危险图形的指导原则，并遵守以下设计原则：

1)机具操作部位和危险部位均应设置说明标识或警示标识。例如，检查发动机、更换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标识提示。

2)标识的大小、图形、颜色、字体、位置必须醒目、容易理解和识别，起到标识应有的作用，减小风险。

4.6材料安全设计

材料的正确选用在机具安全设计中不容忽视。使用不同的材料直接影响机具的产品价值和使用寿命，也会因使用材料不当形成安全隐患，给操作者带来伤害。由于材料变化引起的隐患和事故主要有材料失效、疲劳、冲击和磨损[22]。微耕机安全设计中材料的规划和选用应该高度重视，最大限度发挥材料的功能和优势[23]。材料的安全设计思路如下:

1)材料规划在设计开始就要出现在设计师的视野。从微耕机功能需求出发，结合材料的固有特性、工艺特性和美学特性选用合适的材料;

2)判明哪些零部件的寿命应是无限的，哪些是有限的，保证选用的材料在使用寿命期间不失效;

3)从语义学角度考虑材料带给操作者的使用感受，尤其是与操作者视觉、触觉的情感传递，如与人肌肤接触的部件材料应该相对温和、柔软。

产品设计决定了产品的先天和内在质量，设计缺陷的预防和控制能够提升产品的设计质量[24]。对微耕机的设计缺陷分析，指明了微耕机的安全设计方向。

5结论

结合设计心理学、人因工程学和交互设计等学科理论，对微耕机作业事故中的人、机具和环境因素进行分析，指出机具设计缺陷是微耕机作业事故的最重要因素。与事故相关的人因素主要表现为人的失误，机具因素主要是机具设计缺陷，不良的环境因素也是事故隐患。人、机具、环境三方面因素彼此交织、互相影响。操作者的群体特征不易改变，作业环境无法选择，因此要解决人、机具和环境存在的安全隐患，尽可能防范事故发生，必须实现机具的安全设计，适应人的生理、心理局限性，弥补环境的不良条件。同时，进一步讨论了微耕机防护装置、操作装置、形态、色彩和标识的安全设计以及材料选用原则。

应用工业设计学科理论研究微耕机作业事故，分析事故与机具设计缺陷的关联性，对于从根本上消除事故隐患非常重要，也将是研究农机事故、解决农机安全问题的新思路。

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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

文章编号：1003-188X(2016)07-0255-08

中图分类号：S222.3

文献标识码：A

作者简介：赵启明(1965-)，男，山西稷山人，高级工程师，(E-mail)zqmnjy@163.com。通讯作者：张云文(1967-)，女，山西代县人，副教授，硕士，(E-mail)cloudwyb@163.com。

基金项目：山西省自然科学基金项目(2013011025-4)

收稿日期：2015-06-15