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1、人机工程学,绪论人体及人的特性人的机能特征人体力学人的作业能力和疲劳人的自然倾向与可靠性人机界面设计作业空间与用具设计作业环境人机系统设计与分析评价,中国人应该增加58cm,第一章.绪论,人机工程学其历史背景,1.1.1.什么是人机工程学,人机工程学：20世纪40年代后期跨越不同学科和领域，应用多种学科的原理、方法和数据发展起来的一门新兴的边缘学科。由于学科内容的综合性、涉及范围的广泛性以及学科侧重点的不同，学科命名也具有多样化的特点。欧洲：称为工效学（Ergonomics)美国：人类因素学（Human Factors)、人类工程学(Human Engineering)、工程心理学(Engin
2、eering Psychology)日本：人间工学中国：人机工程学、工效学、人机学、人体工程学,各国学者对人机工程学的定义各有差异,美国（W.E.Woodson)：人机工程学研究的是人与机器相互关系的合理方案，亦即对人的知觉显示，操纵控制，人机系统的设计极其布置和作业系统的组合等进行有效的研究。其目的在于获得最高的效率和作业时感到安全和舒适。俄罗斯：研究人在生产过程中的可能性，劳动活动方式，劳动的组织安排，从而提高人的工作效率，同时创造舒适和安全的劳动环境，保证劳动者的健康，使人从生理上和心理上得到全面发展的一门科学。,国际人机工程学会（International Engineering As
3、sociation)：人机工程学研究人在某种环境中的解剖学，生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究工作，生活和休假时序，统一考虑工作效率，健康，安全和舒适等问题的科学。中国（中国企业管理百科全书）：人机工程学是研究人和机器，环境的相互作用极其合理结合，时设计的机器和环境系统适合人的生理，心理特点，达到在生产中提高效率，安全，健康和舒适的目的。,以上定义虽有所不同，但在下面的两个方面都上一致的： 人机工程学研究的对象是人、机、 环境的相互关系。人机工程学研究的目的上如何达到安全、健康、舒适和工作效率最优。,1.1.2.人机工程学的发展历史,石器时代，人类开始使用工具，产生
4、了原始的人机关系19世纪末到20世纪30年代，人们开始研究人的能力与其使用工具之间的关系。第二次世界大战促进了人机关系的研究，从“人适机”向“机适人”转变。战后，人机关系研究成果开始应用于工业领域。1949，应用实验心理学-工程设计中人的因素系统地论述了人机工程学的基本理论和方法，奠定了人机工程学的理论基础。随后，人机工程学方面的研究蓬勃发展。20世纪60年代以后，科学技术飞速发展，computer的普及，工程系统的复杂及自动化程度的提高，新兴科学的出现，为人机工程学的研究提供了新的研究理论、方法和手段，还提供了新的课题。60年代人机工程学的指导思想是将人、机和环境作为一个完整的系统，使系统中
5、人、机、环境获得最佳搭配，以保证系统整体最优。70年代后，指导思想有人主张强调人的基本价值，强调在系统、工具、环境设计中考虑操作者的个体差异，使科学技术满足人类需要，而且使人在操作机器的过程中得到满足。,我国的人机工程学研究起步较晚，但发展很快。1980年建立全国人类工效学标准化技术委员会，至1988年已制定有关国家标准22个。1989年成立中国人类工效学会。中国科学院心理研究所及一些高等院校分别建立了人机工程学研究机构，开设了人机工程学学科。有关出版物也很多。目前，我国人机工程学已应用于许多部门，如铁路、冶金、汽车运输、工程机械、机床设计、航空航天、医药等，并取得了很多成绩。近期人际工程学的
6、研究方向可归纳为：工作负荷研究：体力、脑力活动中和工作紧张时，人的生理和心理负荷的研究工作环境研究：一般工作环境和特殊工作环境对人的生理和心理效应工作场地、工作空间以及工作装备的人机工程学研究信息显示特别是计算机终端显示中人的因素研究计算机设计与使用的人机工程学研究安全管理及人的可靠性研究工作成效的测量和评定机器人设计的智能模拟,1.2人机工程学体系,人机系统 1.2.1人机系统的基本类型,1.手工劳动系统,2.半自动化、机械化系统,3.自动化系统,1.2.2人机结合的方式,人机串联 人通过机器的作用产生输出，因此会导致人和机的特性互相干扰串联系统中要注意人机功能的合理分配。并联系统 人通过显
7、示或监视装置，间接地作用于机器，产生输出。此时人机交互是关键。人与机串并联方式,1.2.3人机系统的发展与人在系统中的地位,1.人机系统的发展变化特点为了重新估计管理复杂系统对操作人员的工作负荷，必须研究新的劳动定额标准。需要研究合适的编码方式以便于操作者更可靠地监控系统。需要确定人的功能限度问题。必须研究译码和作业者的训练问题。信息传递在时间和空间上渐趋密集化，不仅对操作者的信息接受能力、存储能力和处理能力产生较大差别，而且还使作业者对技术装备的依赖性增加。必须研究相应对策。研究人的感知特征和限度，采取必须的措施。高度自动化使作业者的作业负荷降低，人在低负荷条件下，缺少足够的信息刺激，使人产
8、生烦躁感，警觉性降低，注意力分散，一旦出现异常信号，又感到惊慌失措。必须采取对策，保持警惕性。航天和深海技术的发展，必须研究人在系统中失重和超重条件下的行为和能力问题。,人机系统中人的地位,随着科学技术的发展与完善，人获得了卓越的成就，比如发明了机器人。但是机器人也不过是一种机器，它只能代替人的部分工作，而且是人的意识再现。以为劳动是人有意识的活动，所以人是劳动的主体。但科学技术的发展，会使劳动工具先进，劳动条件改善，也会改变人对劳动主体的要求。如人能感知多少信息，人以什么样的速度、准确性和形式来执行等。显然这只能依赖与设计者在设计人机系统时，对系统中人体因素的考虑程度。,1.3人机工程学的研
9、究内容与应用,人机工程学的研究内容 人体因素的研究人机系统的总体设计研究工作场所和信息传递装置的设计研究作业改善的研究环境控制与安全保护,人机工程学的应用,1.Accidents; Health and Safety at Work（意外的防止、工作中的健康和安全性）：accidents and safety; accident investigations; accident reconstructions; health and safety; healthcare ergonomics; hazard analysis; health and safety issues; the app
10、lication of health and safety legislation; industrial work stress; machine guarding; safety culture and safety management; safety culture evaluation and improvement; alarms and warnings technology; probabilistic safety analysis.2.Anatomy and Anthropometry in Human Activities（在人活动中的人体测量学和解剖学）：anatomy
11、; anthropometry; anthropometry and workplace design; biomechanics; design for the physically disabled; postural and biomechanical loading; slips, trips and falls; back pain; disabled access audits. 3.Cognitive Ergonomics and Complex Tasks（认知工效学和复杂工作 ）：cognitive skills and decision making; forensic h
12、uman factors; team work and groups; procedure development. 4.Computer Software Ergonomics（计算机软件人机工程学（工效学）：software design; software development; software ergonomics; implementation and usability. 5.Computer Terminals: Design and Layout(计算机终端的设计和布置 )：design and layout of computer products and periphe
13、rals; computer terminal workstations; display screen equipment and regulations; display screen health and safety; DSE and manual handling; compliance surveys; DSE ergonomics assessments; VDUs and offices.,人机工程学的应用,6. Design and Layout of Displays and Controls显示器和控制器的设计和布置selection and design of cont
14、rols and information displays. 7.Design of Control Rooms(控制室的设计):console and control room layout and design; control room ergonomics.8.Environmental Ergonomics(环境人机工程学即工效学):environmental conditions and factors; noise surveys; hearing loss at work; thermal environments; visibility and lighting; worki
15、ng environment ergonomics; vibration.9.Expert Witnesses: Various Work Situations面对各种场合的专业诉讼expert witness investigations; forensic ergonomics; industrial compensation claims; injury litigation; injury causation; litigation support.10.Human-Computer Interface Design and Assessment人机界面设计design and dev
16、elopment of human-computer interfaces; knowledge-based systems; production of human-computer interface style guides; HCI/MMI prototyping; GUI prototyping.,人机工程学的应用,11.Human Reliability人的可靠性human error and reliability; human error analysis; human factors audits; human factors integration; human relia
17、bility assessment.12.Industrial Design Applications工业设计应用information design; market/user research; medical equipment; seat design and comfort; seating design and specifications; furniture specification and selection.13 Industrial/Commercial Workplace Design工业和商业的场地设计industrial workplace design; indu
18、strial ergonomics; job design and work organisation; anthropometry and workplace design; workplace and workstation design; warnings, labels and instructions; workload analysis.14 Management and Ergonomics管理和工效学change management; cost-benefit analysis; emergency responses; implementation of ergonomic
19、s strategies; operator performance; operator workload analyses; standardisation and standards; human resource management; work programmes; ergonomics policy and practice.15 Manual Handling of Loads: Safety and Training手工装载处理：安全和训练manual handling assessment and training; manual handling and lifting;
20、manual handling of loads.,人机工程学的应用,16.Office Ergonomics and Design办公室的工效和设计office automation; office and office equipment design; office design ergonomics; DSE ergonomics.17.Physiological Aspects and Medical Ergonomics心理和医疗工效学physiology;physicalcapabilities;medical ergonomics; medicalequipment; psyc
21、hophysiology; behavioural expectations; standards of reasonable conduct.18.Product Design and Consumer Ergonomics产品设计和消费工效学ergonomics sales and marketing; product design and testing; product ergonomics; product development; product liability and safety; product defects; product education material; p
22、ersonal protective clothing.19.Risk Assessments: Various Work Situations各种工作场合的危险评估risk and cost-benefit analysis; risk assessment and risk management; risk perception; general musculoskeletal risk.20.Sociotechnical Systems and Ergonomics社会技术系统和工效学organisational behaviour, organisational change, org
23、anisational psychology, participative ergonomics, ergonomics strategies, sociotechnical systems, violations assessment, motivation.,人机工程学的应用,21 Systems Analysis系统分析systems analysis and design; systems integration; systems requirements capture; telecommunications systems and products; human-machine s
24、ystems; Manprint; manning studies; 3-D man-modelling; experimental design; system design standards and specifications; communications analysis.22 Task Analysis工作（任务）分析task analysis and job design; task analysis and synthesis; team work and groups.23 Training for Management and Staff用于管理和员工的工效学培训ergo
25、nomics training; general training; cognitive skills/decision taking; training engineers; training in STUDIO; training modules; training needs analysis.24 Usability Assessment可用性评估usability assessment and testing; usability audits; usability evaluation; usability training; trials and verification; si
26、mulation and trials; simulation development; simulation and prototyping.25 User Requirements and Guidance用户的需求和指导user documentation; user guidance; user manuals and instructions; user interface design and prototyping; user requirements analysis and specification; conduct of user trials.,人机工程的应用,26 V
27、ehicle and Transport Ergonomics车辆和运输工效学aviation; helicopter ergonomics; helmet displays; passenger environments; rail vehicles and systems; transport design; vehicle design; vehicle ergonomics; vehicle safety.27 Work-related Musculoskeletal Problems与肌肉骨骼相关的工作研究musculoskeletal disorders; repetitive s
28、train injury; management of work-related musculoskeletal problems; upper limb disorders.28 Specific Ergonomics Applications特殊工效学的应用nuclear power; military ergonomics; military systems; process containment and process control; literature surveys; survey and research methods; automatic speech recognit
29、ion.,第二章、人的形体参数,2.1人体测量 为了设计和改善人-机-环境系统，必须知道人体各外部形态特征及各项测量数据，其中包括人体高度、人体各部分长度、厚度及其活动范围等。对这些数据的测量称为人体测量。2.1.1.人体测量的基本术语 国标：GB3975-83人体测量术语 GB5703-85人体测量方法 测量的姿势主要是立姿和坐姿,2.1.2人体尺寸测量的分类,静态人体尺寸测量动态人体尺寸测量如右图,2.1.3人体测量数据的统计处理,均值:方差:标准差:4. 抽样误差:5. 百分位数:,对于n个样本，测量数值为X1、X2.Xn则：,百分位数：最常用的是5，50，95三种百分 位数。5百分位数
30、代表“小”身材，指的是有5%的人身材低于此值，而有95%的人身材高于此值。50百分位数指的是“中”身材。95百分位数指的是“大”身材。,2.2常用人体测量数据,2.2.1影响人体测量数据差异的因素年龄性别年代地区于种族职业,2.2.2人体结构尺寸,人的形体参数：包括身高、体重、 站姿、坐姿、臂长、腿长、人的身体的自然曲线1.我国成年人人体尺寸 GB10000-88中国成年人人体尺寸 见附表2.其它国家的人体尺寸 见附表,我国成年人人体主要尺寸(mm)及体重(kg),我国成年人人体主要尺寸(mm)及体重(kg),第三章.人的机能特征 3.1.人的神经系统,人的一切心理和意识活动是通过神经触觉的活
31、动实现的，因此，神经系统是心理现象的物质基础。,3.1.1人的神经系统,1.神经元2.突触,3.1.2中枢神经系统,1.脊髓2.脑脑由大脑、小脑、中脑、间脑、大脑皮质 层组成。3.周围神经系统,3.2人的信息传递3.2.1人的信息加工模型,1.感觉储存：又称为感觉登记，感觉记忆或瞬时记忆，是由外界输入刺激后，人的信息加工的第一模块。2.知觉编码：知觉过程的信息加工，可分为“自上而下”和“自下而上两两种相互联系相互补充的方式。3.记忆与决策：某个知觉对象一旦被知觉归类确定，个体神经将选择对它作出行动。,4.反应执行：信息经上述加工后，如果决定对外界刺激采取某种反应行动，这种决策将以指令形式输送到
32、效应器官，支配效应器官作出相应的动作。5.反馈：反馈实质上是被动系统对主动系统的反作用。6.注意资源：从感觉储存开始到反应执行的各个阶段的信息加工几乎都离不开注意。,3.2.2人的信息储存-记忆,记忆有以下几种模式：瞬时记忆短时记忆 短时记忆有以下几个特点：信息保持时间短。记忆容量小。对中断的高度敏感。短时记忆中的信息可被意识。 3. 长时记忆4. 遗忘,3.2.3人的信息输出,1.操作运动的类型定位反复连续顺序逐次静态调整2.操作运动的速度 反应时间和运动时间定位运动速度重复运动速度3.操作运动的准确度,信息输出表现为人的效应器官的操作运动。,感觉的阈限 对事物产生感觉的最小量和最大量：感觉
33、阈值。知觉 客观事物的各种属性分别作用于不同的感觉器官，引起人的各种不同感觉，经大脑对各种信息进行综合加工，于是在人的大脑中产生对客观事物的各种属性，各个部分极其相互关系的综合的整体的印象，这就是知觉。,3.3.人的感觉和知觉,知觉的 整体性知觉的理解性知觉的恒长性知觉的选择性,人体主要感觉器官的适宜刺激及其识别特征,3.4.视觉,3.4.1.视觉器官与视觉,3.4.2.视觉特征1.视角：视角=2arctanD/(2L) 视力=1/临界视角（眼睛能分辩被看物的最近两点的视角称为临界视 角。人站在离视力检查表5米远观看表中第十行“E”字，如能分辩，视力为1。0。此时临界视角为1。若视力下降，则临
34、界视角增大。 2.色觉：人眼能感受到的光波是380-780nm的电磁波，此段波长的电磁波称为可见光。各种颜色的标准波长及波长范围,3.视野,视野指人头不动时，看到的最大空间范围。,3.5.听觉和其它感觉,3.5.1听觉 听觉是仅次于视觉的重要感知途径，其独特的感知方式，可弥补视觉通道的不足。3.5.2肤觉触觉温度觉痛觉3.5.3本体感觉平衡觉运动觉,3.6.心理现象,3.6.1.心理学概念心理过程：心理活动的动态过程，即人脑对客观现象的反应过程。它包括认识过程、情感过程和意志过程。个体心理：表现人们个体差异的心理现象就较个体心理。它包括个体心理特征和个体心理倾向。心理现象中的相互关系：各种心理
35、过程相互依赖、密不可分。比如，改进一项安全技术措施，就包括了三种心理过程：了解情况，分析存在的问题，这是认识过程；发现解决问题的关键所在，受到鼓舞，是情感过程；下定决心，不怕反复和失败，这是意志过程。 在统一的心理过程中，认识是基础，情感和意志是行为和动力，它们相互促进、相互影响。3.6.2情感与情绪 它有三种基本形态：激情、心情和热情。,3.6.3气质与性格,2.性格一般指个体对现实的稳固的态度以及与其相适应的习惯化的行为方式。人的性格特征的范围很管，就其最显著的特征，大体克归纳为四个方面，如下表所示。,1.气质气质指主要由生物遗传因素决定的、相当稳定的心理活动的动力特征。下表为人的主要气质
36、及其主要特征,3.6.4意志与动机,1.意志 人在行动过程中，自觉地确定目的，有意识的根据这个目的进行调节和支配行动，同时努力克服困难，力求达到目的，这种心理过程就叫意志过程。 人的意志品质各不相同，一个意志明确而坚强的人，主要有以下几方面的意志品质：自觉性果断性自制性坚持性,2.动机 动机是驱使个体进行活动的心理动力。它是在个体的物质需要和精神需要的基础上产生，而又不为他人所能直接观察到的内在的心理倾向，是目的的出发点。 动机在个体的活动中又三种作用：引起和发动个体活动，即动机的引发作用。维持、增强或制止、减少个体活动的能量，即动机的决策作用。引导个体活动朝向一定目标进行，即动机的选择作用。
37、,3.6.4.注意,1.注意的生理和心理控制 当人们感知、思考、记忆某一客观事物时，能否表现为高度注意，取决于大脑皮层兴奋水平的高低，即觉醒状态的程度，否则注意心理过程将会在优势兴奋中心周围的相对抑制区进行，表现为心不在焉或不注意。2.注意的种类 无意注意：初级被动的注意，即是一种无预定目的也不需要付出任何意志努力的注意。 有意注意：积极主动的较无意注意高一级的注意，是又预定目的的，同时还需要付出意志努力的注意。,3.注意的品质注意广度注意的稳定性注意的分配注意的转移 P68-69,有人提出的意识层次模型说明，中枢系统能否意识集中而注意，依赖于意识水平层次的高低。意识层次理论将大脑意识水平分为5个层次，如下表所示：,
