人因工程学及其在汽车设计中的应用

人因工程学及其在汽车设计中的应用

工双学01 孙 飞 00082016

摘要:

人因工程学是一门年轻的科学,是基于对人和机器、技术的深入研究,发现并利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点,通过对于工具、机器、系统、任务和环境进行合理设计,以提高生产率、安全性、舒适性、有效性的一门工程技术科学。本文就人因工程中的人机系统设计以及人因工程亚就内容及其应用方面做一下简要概述。

关键字:人因工程、人机系统

一.人因工程概述

人因工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识,研究组成人机系统的机器和人的相互关系,以提高整个系统工效的新兴边缘科学。

人因工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力,以及人受机器、作业和环境条件的限制。人因工程学 还研究人的训练,人机系统设计和开发,以及同人机系统有关的生物学或医学问题。对于这些研究,在北美称为人因工程学或人因工程学,苏联称为工程心理学,欧洲,日本和其他国家称为工效学。

人开始使用机器就构成了人机系统。第二次世界大战期间,人们认识到对制造出来的各种高效能的新式机器和机器系统(生产、运输、通信、武器和航空飞行器等)进行操纵和控制时,整体系统的工作效率在很多情况下是由其中人的活动来决定的。如雷达运行时,要求操纵人员接收和分辨出显示器上显示的各种信息,根据这些信息在很短时间内作出决策和进行操作。若雷达设备的全部潜力没有发挥出来,至少部分原因是操纵人员不能掌握这个电子设备的复杂操作。经验和教训提醒人们,有时飞机弄错方向坠毁,炸弹误中友船,就是因为设计时没有考虑人的各种长处和短处。电子计算机发展的初期,计算机运算速度很快,输入数据、编制程序和打印结果很慢,机器经常处于空闲状态,也是因为没有考虑和研究人机接口系统和人机功能分配等因素引起的。

人的能力和机器的潜力很好地配合,能提高管理和控制效率。随着机械化、自动化和电子化的高度发展,人的因素在生产中的影响越来越大,人机协调问题

也就越来越显得重要,人因工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。在人机系统中操纵人员被看作系统中的一个元件。操作人员通过感觉器官(视、听、触、嗅、味)接收来自机器的信息,了解其意义并予以解释,或先进行计算,再把结果与过去的经验和策略进行比较,然后作出决策。作出决策后,人通过控制器官(手、脚等)去操纵机器的操纵器,如开关、按钮、操纵杆、操纵盘、光笔或呼口令等,来改变机器的运转情况。机器随即发出新的信息,如此重复不断。人机系统不是孤立存在的,而是存在于某种环境之中。环境特性影响人的效率和行为。环境因素包括温度、湿度、噪声、照明、加速、振动、污染和失重等。

二.人机系统设计

人因工程学是一门年轻的科学。人机系统中人的特性、能力和限制已经有大量测试数据可查。从系统分析角度研究人机系统,在原有设备基本不变的情况下,由于考虑了人的动态特性而进行系统分析,再适当改动设备,就能显著提高工效。如手动控制系统,即操纵人员直接参与的用手连续控制的系统,在飞机、火炮、雷达、汽车、舰船和航天飞机等方面已广泛应用,在工业生产中也得到广泛应用。

设计人机系统时,要把人和机器作为一个整体来考虑,合理地或最优地分配人和机器的功能,保证系统在环境变动下达到要求的目标。有些人机系统能用定量的系统分析和系统综合的方法进行设计。一个简单系统,如一位操纵人员和一台机器构成的单参数跟踪系统,操纵人员被看作是系统中一个元件,可用定量方法,即用传递函数或其他数学方法近似表达操纵人员的动态特性,建立操纵人员的准线性数学模型;用控制理论方法对操纵人员的传递函数,和机器的传递函数进行综合,便可得到调节品质合乎要求的稳定的人机跟踪系统。

1.人机系统设计的要求

(1) 能达到预定的目标,完成预定的任务

(2) 人与机械都能充分发挥各自功能并协调地工作

(3) 系统接受输入和输出的功能,必须符合设计的能力

(4) 要考虑环境因素的影响

(5) 最好设计成闭环系统

2.人机系统设计的目标

根据人的特性,设计出最符合人操作的机器、最适合手动的工具、最方便使用的操作装置、最舒适的工作椅、最舒适的工作姿势和操作程序、最有效最经济的作业方法、最舒适的环境等,使整个人机系统安全可靠,效益最佳。

3.人机系统建立

建立人机系统,必须考虑以下五个方面:人员选择训练(包括训练设备)、设备设计、操作程序和环境。建立复杂的人机系统,除了这五个方面外,还要考虑人机系统的系统性能、人和机器的特性等,采用系统科学或信息科学的方法来设计和分析,然后进行系统试验,检查系统性能和操纵人员操纵的难易程度。

一般说来,人机系统要反复试验和使用才能逐渐完善。人机系统中,操纵人员是人机系统中的主体,设计和运用人机系统时应当充分发挥人在人机系统中的能动和主导作用。设计人员要和操纵人员密切配合,使人机系统达到要求的性能和指标,同时保证操纵人员操纵简便。安全舒适和提高系统工效。

4.人机系统功能

人机系统的功能的实施是由四个基本部分组成的,这就是:信息接受、信息储存、信息处理和决策执行功能,如下图表示:

5. 人机接口系统

人机接口系统,即人和计算机之间相互作用的系统,已是电子计算机发展的必不可少的重要组成部分。人机接口系统不仅在硬件上,而且在软件上也取得了进展-特别是在人机对话(或人机通信)方面,已研究出许多高级语言,正在研究采用自然语言进行人机对话,加快人机对话的速度,提高通信效果,发挥计算机的潜力。人机接口系统中人承担越来越多的功能,操纵人员执行许多操作,进行

人机对话,处理大量信息,作出各种决策。指挥控制通信系统是一种多操纵人员、多台机器的复杂的人机系统。即使是一个非常简单的设备,在操纵人员的问题上也会产生常规工程实践无法解决的问题。因此人因工程学具有重要的应用价值。

三.人因工程研究内容

人因工程学的研究内容和应用范围及其广泛,不同的行业部门所研究的内容侧重点不尽相同,但它始终是以人-机-环境系统作为研究的对象,通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律,以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。对于工程设计人员来讲,从事人机工程学研究的主要内容可概括以下几个方面:

1.人的特性研究

主要研究人体形态特征参数,人的感知特性、人的反应特性、人在劳动中的心理特征以及人的能力限度等,以解决如何使机电设备、工具、各种用具用品以及环境设计以及人的生理心理特点相适应问题,为劳动者创造安全、舒适、高效的工作条件。

2.人机系统研究

人与机是人机系统研究的两大组成要素,都有各自的能力和限度。人机工程学研究的是如何根据人、机各自的功能特征和限度,合理的分配人、机功能,使其发挥各自的特长,注重在整体上使机与人相互适应,相互补充,有机配合,以保证系统功能的最佳发挥。

3.作业场所和人机界面研究

作业场所设计的合理与否,将对人的工作效率产生直接的影响。作业场所设计包括:工作空间设计、坐位设计、工作台或操纵台设计以及作业所的总体布置。这些设计都需要要应用人体测量学和生物力学等方面的知识。研究工作场所设计的目的是保证物质环境适合于人体的特性,使人以对健康无害的姿势进行劳动,既能高效的完成工作,又感到舒适,不致过早出现疲劳。

人机界面指的是人机之间进行信息交流的作用界面。界面上显示装置向人传递机器工作的信息,控制装置则接受人发出的作用于机器的信息。人因工程就是

研究如何合理地设计各种显示装置和控制装置以及他们的配置,以适合人的感知特征和操作要求。

4.作业环境及其改善研究

人因工程学研究环境因素(如温度、湿度、照明、振动、粉尘、有害气体等)及环境条件对人的劳动活动和健康的影响,并探索控制、改善不良环境的措施和手段,以便为劳动者提供舒适的安全的环境。

5.人的可靠性与安全研究

随着生产系统的日益复杂和精密,操作人员面对大量的显示装置和控制装置,容易出现人为失误而导致事故发生。人机工程研究影响人的可靠因素,寻求减少人为失误、防止事故发生的途经和方法,提高整个人机系统的可靠性。

四.人因工程的应用

人因工程学的应用领域有电话、电传、计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海 、现代化医院、环境保护、家具制造、服装、生活用品制造、教育等,人因工程学甚至可用于大规模社会系统。

人与机器共同工作,人有人的特性,机器有机器的特性,要设计出能最大限度与人协调工作的机器,就要充分研究两者的特性,才能设计出良好的人机界面。人因工程学在对人的特性进行详细研究的基础上设定了一系列的设计准则,用来指导机器产品的设计,主要是人和机器之间的界面设计。其中与汽车设计相关的主要有:

1)基于人体感官的界面设计

例如,人的视觉有视角、视野、可视光波长范围、颜色分辨力、视觉灵敏度、定位错觉、运动错觉、视觉疲劳等特性,汽车的挡风玻璃、仪表板和仪表的设计就要充分考虑这些特性,使驾驶者能够得到足够的视区,能够迅速辨认各种信号,减少失误和视觉疲劳。交通标志的设计也应该采用大多数人能明辩的颜色和不易产生错觉的形状。

2)基于人体形态的界面设计

不同地区和人种、不同年龄和性别都具有不同的身体尺寸,为不同地区和群体设计的汽车就要参考特定对象的人体参数,在现代社会条件下,以一种产品规格想

占有不同地区的市场是很难的。人在生活和劳动中又具有各种不同的形态,人体在不同的姿态下工作,全身的骨头和关节处于不同的相对位置,全身的肌肉处于不同的紧张状态,心脏负担不同,疲劳程度也不同。设计一台机器首先要考虑采用什么身体形态来操纵,选定姿态后,还要考虑以最舒适的方式对人体进行支撑,并适当地布置被操作对象的位置,从而减少疲劳和误操作。例如司机在驾驶汽车的时候采用坐姿,坐椅的设计要符合人体骨骼的最佳轮廓,仪表的布置应在易于看到的地方,操纵杆/板的位置要在人体四肢灵活运动的范围内。

3)基于力特性的界面设计

人体在不同的姿态下,用力的疲劳程度不同,操纵机器所需的力量应该选择在对应姿态下不易引起疲劳的范围内。例如转向助力器就是为了减轻操纵力而设计的。人体在不同的姿态下最大拉力、最大推力也不相同,例如坐姿下人腿的蹬力在过臀部水平线下方20度左右较大,操纵性也较好,所以刹车踏板就安装在这个位置上。人体在不同的姿态使用不同的肌肉群进行工作,动作的灵活性、速度和最高频率都不相同,例如腿的反复伸缩具有较低的频率,而手指则可以用较高的频率进行敲击。因此,对应不同的操纵频率应采用不同的动作方式来完成。

4)基于人脑特性的界面设计

人脑对事物的认识和反应有自己的特点,体现在他的行为和对外界的反应中。人喜欢用直觉处理事情,不善于烦琐过程和精确的计算。对于协助人脑进行工作的计算机,如何进行人机界面的设计一直是热门的论题。无论是从低级语言到高级语言,到面向对象、面向任务的编程方式的发展,还是图形终端、鼠标定位、窗口系统、多媒体、可视化、虚拟现实等方面的进展,都体现了这个主题。近年来,人工智能已经在汽车上应用,车载电脑可以协助驾驶者认路、换档、避碰……。最近在东京国际车展上展出的丰田POD概念车,还能记录车主的生活和驾车习惯,以便向车主提供更加贴心的服务。可以毫不夸张地说,现代社会中,凡成功的机器产品,不能缺少人机工程学的理念。但如果作为商业宣传,我们是不能仅凭"人因工程"的字眼去判断产品的品质的。要调查了解甚至亲自体验。

参考文献

孙林岩主编.人因工程.北京.中国科技出版社,2001

李建中等编著.人机工程学.徐州.中国矿大出版社,2000


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