一文深入了解人机工程学

2019-07-03 09:12

一、概念和定义

人机工程学是一门新兴的综合性边缘学科,它是人类生物科学与工程技术相结合的学科。目前,国际上尚无统一的术语,北美多采用“人因工程学(Human Factors Engineering)”或“人体工程学(Human Engineering)”,欧洲采用“人类工效学(Ergonomics)”,苏联喜用“工程心理学(Engineering Psychology)”,日本则命名为“人间工学”;我国采用“人类工效学”,而工程技术学科领域则多采用“人机工程学”。命名不同,其研究方向也有不同的侧重点,但在大多数实际应用中,可将上述术语视为同义词。从工程设计角度出发,本书主要采用“人机工程学”这个术语。个别之处,按照流行的习惯用语,采用“人类工效学”或“人因工程学”。目前,对人机工程学的定义有着不同的提法,其含义基本类似。国际人类工效学学会(IEA)的定义:研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素,研究人和机器及环境的相互作用,研究在工作中、生活中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。国际劳工组织(ILO)的定义:应用有关人体的特点、能力和限度的知识来设计机器、机器系统和环境,使人能安全而有效地工作和舒适地生活。《中国企业百科全书》的定义:研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合,使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特点,达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。因此可以认为,人机工程学是按照人的特性来设计和优化人、机、环境系统的科学。其主要目的是使人能安全、健康、舒适和有效地进行工作。其中,系统的安全可靠,尤其是人的安全与健康,应列为首位考虑的问题。

二、人机工程学的研究对象

1.人—机—环境系统指由相互作用、相互依赖的人—机—环境三个要素组成的复杂集合体。简称为人机系统。人是指系统的操作者或监控者;机是泛指人所使用和控制的一切工作对象,包括各类硬件和软件。其中,硬件是指系统中的实体设施,包括机械、设备、建筑物、工器具和用品等;软件是相对于硬件的各种程序和过程的总称,包括与系统运行、操作有关的文件和数据等;环境是指对人和机发生影响的环境条件,包括物理化学环境因素(如温度、照明、噪声、空气质量等)和社会环境因素(如协同作业、工作制度、人际关系等)。人机系统涉及人—机关系、人—环境关系、人—人关系,以及机—环境关系、机—机关系、环境—环境关系等。2.人—机关系电子设备的显示系统和控制系统是否适应于人的生理、心理特点,将对电子设备的可使用性产生很大的影响。其中包含机宜人和人适机两个方面,二者相互依存、相互影响、相互制约,设备设计时需按照人机工程的原理和准则,使二者合理匹配。1)机宜人是指使机器系统适应人的生理、心理特性。例如,显示的各种信号、字符应有良好的认知度,显示器布置应符合人的视觉生理要求;控制系统的设置和控制器的布置应考虑作业方式、作业空间、作业程序,工具、器具的尺寸、力度、结构、形态适合操作者需要;显示—控制系统安装载体(控制台、模拟屏)的尺寸及作业空间应符合人体尺寸的要求等,使人能安全、舒适地使用机器,能充分发挥人的功能。2)人适机是指当机器的结构受种种条件的制约,难以全面适应人的特点、人的习惯或人的一般技能,而需对人的因素进行限制和训练,让人去适应机的要求,使人机系统发挥最佳效能。3.机—环境关系物理、化学环境对电子设施有不同程度的影响,设备设计时需考虑设备的环境适应性,进行环境防护性设计。4.人—环境关系作业人员所处的物理化学环境,例如,噪声、粉尘、电磁辐射,还涉及微气候、照明、色彩等环境,对人体会产生不同程度的影响。环境条件若不符合人体的生理、心理要求,不仅会对人体健康带来影响,而且还会促使作业疲劳的形成,影响作业效率,产生误判断、误操作,甚至导致事故的发生。5.机—机关系一个系统大多由若干设备组成,设备与设备间接口的匹配和协调,对设备本身潜能的发挥以及系统运行的可靠性会产生影响,其接口包括机械设备间的接口、机—电接口、电—电接口、各种物理量与电量的接口、电量与信息的接口等。6.人—人关系相关人员的协同作业是保证系统正常运行的必要条件,然而,涉及作业的效率和安全的要素,不仅涉及流程,还涉及许多人之间的社会环境因素,例如,管理制度,管理与被管理关系、人际关系、人员选拔与培训等。由于人的个体差异(性格、气质、能力、习惯、文化水平等),人的自由度较大,从而会影响人的可靠性。因而,需要以各种运行规范、安全规范、管理制度、企业文化等,来协调人与人之间的职责和相互关系。7.环境—环境关系工作人员和机器所处的局部环境,会受到周围大环境的影响,例如,邻近工业设施所产生的噪声、振动、粉尘、电磁场及各种辐射;大气污染以及雷击等。为保证所期望的微环境的相对稳定,必须根据周围大环境的情况采取相应的防护措施。在上述涉及人—机—环境系统的诸多关系中,机—机关系,机—环境关系,环境—环境关系一般属于技术设计范畴;而人—机关系,人—环境关系,人—人关系则属于人机工程设计需考虑的问题。

三、与相关学科的联系

人机工程学的研究范畴不仅要覆盖人—机—环境三个独立的子系统,而且还需要对它们之间的协调性进行综合研究。据此,可将其研究范畴概括为下列几个方面。1.人的因素人是人机系统中最重要的子系统,对人的因素进行研究是人机工程学的基础。例如,人体尺寸(包括静态尺寸、动态尺寸)、人体生物力学、人体信息传递能力、工作负荷(包括体力工作负荷和心理负荷)、作业疲劳、人的可靠性以及人的心理行为等。2.机的因素研究各类机械、工器具、建筑物的特性,以及运行过程和程序等对人的适合性、效率和可靠性等。3.环境因素工作环境的照明、微气候、噪声、粉尘、空气质量等,是人机工程设计中的一项重要内容;作业空间(如场地、布局、心理空间等)也是环境设计中的一项不可缺少的内容;社会因素对操作者的影响,如人际关系、工作制度、群体行为等所致的影响,也日益受到人们的重视。4.人机界面人机界面(也称人机接口)泛指人机之间直接或间接发生相互作用的部分或区域。人机工程学主要侧重于系统中直接与人(操作者)构成的界面,即人—机(硬件、软件)界面、人—环境界面,但也涉及其他界面,如人—人界面等。1)人—硬件界面。涉及工具性人机界面和显示—控制系统人机界面。前者较为简单,仅要求各种工器具符合人体尺寸和能力,操作方便,舒适和安全;后者较为复杂,其特点是机器通过显示系统将信息传递给操作者,操作者又通过控制系统向机器传递操纵指令,它是人与机之间进行信息交换的界面。在设计时,显示系统必须与人接收信息的感觉器官(如眼、耳)的特性相适应;控制系统必须与人的效应器官(如手、足)的特性相适合。2)人—软件界面。人与软件之间的界面,主要涉及计算机的运行程序,其他还有人的惯例、操作规程、管理制度等。在设计软件时,应考虑使用者的知识、经验、习惯、文化背景等因素。3)人—环境界面。人机工程学对物理化学环境提出的要求,不仅是安全与健康,而且还应涉及操作者的效率和舒适的问题;环境因素尤其是社会环境因素对操作者的心理行为及进而对系统的安全效率所致的影响,其中涉及社会因素的人—环境界面,也称为人—人界面。5.人机系统综合性研究对人机系统进行整体综合性研究,首先在于尽可能地保证系统的安全性和有效性。例如,根据人和机各自功能特征和限度,合理地分配人、机功能,使其发挥各自的特长,有机配合,以保证系统的功能整体优化;对人机系统的可靠性和安全性进行整体设计等。6.新的分支学科和研究领域随着人机工程学的发展,其研究领域和应用范围越来越广泛,已覆盖了人类生活和工作的一切方面,并且正向纵深发展。在工业领域中,逐步形成VDT作业工效学、交通工效学、航空工效学、建筑工效学等,以及安全工效学、管理工效学、认知工效学、工作环境工效学等分支学科。目前,工业发达国家在人机工程学研究方面,进一步与计算机技术相结合,并建立数据库,开展应用性服务工作。在人机界面信息理论与技术、人机匹配、人体建模、职业性应缴与人的适应能力、复合环境因素和社会因素对事故的影响、人—计算机交互作用、人的行为特征与安全等方面,正已深入地开展研究。7.人机工程学与相关学科的联系人机工程学是一门多学科交叉的科学,具有交叉性和综合性特点,它与自然科学和社会科学均具有一定的内在联系。人体生理学、人体测量学、卫生学,心理学(及其分支工业心理学,劳动安全心理学等)、行为科学、系统科学、工程技术科学等均与人机工程学密不可分,并作为设计的重要依据。人机工程学综合相关学科的原理、方法和成果,并应用于各种人机系统的设计之中,已形成为一门独特的应用性科学。

四、人机工程学发展概况

人机工程学作为一门科学,其建立和发展仅60余年。但是人类自觉地采用科学的方法,系统地研究人机关系则有百余年历史。1.萌芽时期(19世纪末至第一次世界大战)19 世纪末 20 世纪初,工业革命促使工厂规模扩大,机械化普遍推广,但劳动生产率却没有相应提高。泰勒提出了“科学管理”原理,认为要选用最适合的劳动工具,要用合理的操作法,并使其标准化;要制定出劳动时间的定额,并提倡按标准操作法来培训工人等。这是人机工程学发展史上的第一个里程碑。2.初兴时期(第一次世界大战至第二次世界大战)第一次世界大战期间,由于使用了飞机、潜艇、无线电通信等现代化装备,对人员的素质提出了较高的要求,从而重视兵员的选拔和训练,使人去适应已定型的机器装备的需要。第一次世界大战后,各国纷纷成立了相应的研究机构,研究发现,生产效率的升降主要取决于职工的工作情绪(士气);影响人的生产积极性的因素,除了物质利益、工作条件外,还有社会的和心理的因素。到20世纪50年代,人际关系学说已成为当时企业界占支配地位的思想理论。3.成熟时期(第二次世界大战至20世纪60年代)第二次世界大战期间,复杂的高性能的武器装备,由于设计不符合人的生理心理特点,即使经过严格选拔和训练的人员也难以适应,并经常发生事故,从而促使人们在人机匹配的研究方向,从过去的由人适应机、转向使机适合于人的研究。这是人机工程学发展的又一个转折。在此期间,心理学与工程技术互相渗透,系统的设计成果丰硕。许多学者出版了有关人机工程学专著,并将人机工程学的研究成果整理成汇编、手册或规范,广泛应用于工程技术设计之中,尤其是有关显示器、控制器设计中的人的因素的研究,取得显著的成效。各国纷纷成立有关人机工程学研究学术团体或学会,1959 年,国际人类工效学学会(IEA)正式成立,进一步推动了人机工程学的发展。这标志着人机工程学已发展成为一门成熟的学科。4.新的发展时期(20世纪70年代之后)人机工程学的研究领域越来越宽广,人机工程学已渗透至各个行业以及人类生活的各个领域。人机工程学各个分支学科不断涌现,如航空航天、交通、建筑、农业、林业、服装、VDT等人机工程学。人机工程学的应用,不仅在产品上能满足人类的要求,而且使人类在操作机器设备的过程中也能获得一定的满足,进一步促进人类能较安全、舒适地工作,且不断地提高工作效率。对人机系统中人的因素的深入研究,不仅给人机工程学带来了新源泉,而且促进了管理工效学、安全工效学的进一步发展。高新技术领域的发展,人机信息交换发展为人—计算机对话的形式,人的作用已由操纵者转变为以监控为主,各种专家系统和人工智能技术将逐渐广泛应用。这些均给人机工程学的发展添加新的内容和课题。1975 年,国际标准化组织(ISO)成立了人类工效学标准化技术委员会(TC159),标志着人机工程学的应用进入了一个新阶段。5.人机工程学在我国的发展人机工程学在我国起步较晚,20世纪60年代至70年代,虽然在铁道、航空、航天等部门做过一些试验性研究工作,但作为一门学科,直至20世纪70年代末才正确立起来,并获得蓬勃发展。1980年,成立的全国人类工效学标准化技术委员会(与ISO/TC 159对口),规划和组织人类工效学国家标准和专业标准的制定、修订,促进了我国人机工程学的发展。与此同时,国内的一些大学、研究所建立了工业心理学、人类工效学(或人机工程学)专业和相应研究机构,招收硕士和博士学位研究生;心理、航空、机械工程等学会分别成立了有关工业心理、人机工程等专业委员会,人机工程学的科研队伍不断扩大。1988年,中国人类工效学学会(CES)成立,并于1992年被国际人类工效学学会接纳为正式成员,标志着我国的人机工程学已进入了一个新的发展阶段。

五、人机工程要素的标准化

人机工程标准化是将人机工程学中带有规律性的概念和限度、参数以及科研成果进行标准化处理,为人机系统设计和实际应用,提供必要的参数和方法的过程。它是将人机工程学应用于工程设计、产品设计和生产实际的一个重要环节。1.人机工程标准化工作的目的1)在产品和工程设计中,引入人机工程学准则和方法,以求优化人机系统设计,进一步提高系统的可靠性水平。2)以人为中心,提供人体生理、心理参数系列,为设计工作提供依据,力求保证人机系统中人的安全和健康,并高效地进行工作。3)将人机系统中的参数、符号和有关零部件标准化,以利于工程和产品设计的规范化和国际间的交流。2.人机工程标准化的特点1)人体参数较为复杂,人的能力有较大的弹性和可塑性,而且不同国家、民族以及其他因素(如年龄、性别等)的差异较大,因此,在设计应用中应全面权衡。2)不同国家的经济水平、科技发展水平以及社会认识基准有较大的差异,制定人机工程标准必须符合国情。3)人机工程设计标准,尤其是有关信息的输入和输出,还应充分考虑人的心理行为和习惯,以求尽力减少人的失误。4)目前,在人机工程标准中,推荐性导则较多,设计应用时,应与技术设计方法相结合,以求完善设计内容和提高设计水平。5)人机工程标准不同于一般的职业安全卫生标准,职业安全卫生标准是以人体生理耐受限度为前提,以不影响人的安全、健康为目的;而人机工程标准除以人的安全和健康为目的外,还要考虑其他的一些因素,如人的主观舒适性、工作效率等。3.国际人机工程标准化机构1)1975年,国际标准化组织(ISO)专门设立了“Ergonomics(人类工效学)”标准化技术委员会(ISO/TC 159),开展了卓有成效的工作。ISO/TC 159与国际人类工效学学会(IEA)、世界劳工组织(ILO)、世界卫生组织(WHO)、国际照明委员会(CIE)、国际建筑研究会(CIB)等密切联系和协作,制定了一系列标准。2)ISO/TC 159的工作范围包括:①制定与人的基础特点(物理的、生理的、心理的、社会的)有关的标准;②制定对人有影响的与物理因素有关的环境标准;③制定与人在操作中、在过程和系统中的功能有关的标准;④制定人机工程学的试验方法及其数据处理标准;⑤协调与ISO其他技术委员会的工作。4.我国的人机工程标准化机构1)1980年,我国成立了全国人类工效学标准化技术委员会,与ISO/TC 159相对应,设立了7个分技术委员会:①SC1:指导原则;②SC3:人体测量与生物力学;③SC4:信号、显示与控制;④SC5:物理环境;⑤SC6:工作系统设计的工效学原则;⑥SC8:照明;⑦SC9:劳动安全。2)军用人机工程标准由国家军用标准(GJB)主管部门、国防科学技术工业委员会归口管理。1984年,国防科工委成立了军用人—机—环境系统工程标准化技术委员会。3)人机工程标准除有国家标准外,各行业也有若干适合于行业特点的行业标准,尤其是核工业系统的人机工程标准或规范已自成体系。

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