1、第九章 人机工程学李琳编写1-1 概述 本章主要介绍人机工程学的基本概念、人机系统、基于人机工程学的设计以及产品设计中的人机分析等。人机工程学又称工效学、人类工程学，其目的是研究如何设计出符合人体要求的机器（或产品），让人类舒适、合理、安全等使用机器，从而提高工作效率。因此在我们进行创新时必须了解人机工程设计，并在创新设计时要考虑人机工程的基本要求。9.1.1 人机工程学的概念 人机工程学（Man-Machine Engineering）1是研究人机器工作环境之间相互关系的学科，其所涉及的内容和范围广泛，因而世界各国对该学科的命名各不相同，在美国被称为人类工程学（Human Engineeri
2、ng）或人的因素工程学（Human Factors Engineering）；欧洲、日本称为人类工效学（Ergonomics）；我国在该学科的研究起步较晚，目前国内尚无统一的名称，较普遍采用人机工程学，有些也称人体工程学、人类工效学、人类工程学、人机环境系统工程、工程心理学、人机学等。由于在不同的研究应用领域，其侧重点不同，因此对人机工程学的定义有许多，其中国际人类工效学学会（International Ergonomics Association，简称IEA）对该学科所下的定义为：人机工程学是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
3、工作中、家庭生活中和休假时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。结合我们国家的实际研究状况，1979年出版的辞海中对人机工程学的定义为：人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。尽管该学科名称多样、定义各异，但其研究内容、研究方法、理论体系等并不存在根本上的区别，只是侧重点和倾向性不同，研究的目标都是设计出为人类服务的机器。如图9-1所示是波音飞机驾驶舱的图片，这是一个典型的人机工程学的设计产品，充分体现了以人为本，安全、舒适的设计理念。图9-1 典型的人机产品波音飞机驾驶舱1
4、9.1.2 人机工程学研究的内容 现在机器的数量和种类在不断地增加，机器愈来愈复杂。机器和设备不仅有机械的、电气的和生物的，而且还有代替过去人类难以完成的一系列复杂工作（如：复杂计算、逻辑推理、方法判断、故障诊断等）的计算机。这就向我们提出这样一个问题：人类怎样正确地使用这些复杂的机器和设备，才能取得更大的经济效益，换句话说，人和机器之间应该建立一种什么样的关系，才能使机器和设备的效率最高？要解决这个问题，首先必须了解人与机之间的关系，即人机工程学。根据人机工程学的定义及其研究情况来看，主要是如何根据“人机环境”之间的最佳关系来设计最先进的机器和设备的问题，在这里人是主导因素。国外有这样的统计
5、资料，约有5870%的生产事故都是由于没有充分考虑人的因素而造成的。现代科学技术的迅速发展正在改变人在现代化生产中的地位和角色。其中不仅要求人在操纵机器和设备时体力消耗最小，而且还要周密地考虑操作的反应速度和准确程度。这就是人机工程学所要研究的主要内容。1物理学原理的应用 人机系统主要由人和机器两部分组成。从人的方面看，是根据人的操作和活动能力来寻求机器运动所需要的基本空间、位置和运动方向；从机械效能方面来看，人机系统必须遵守物理学原理，如惯性定律、杠杆原理等。研究物理学原理是十分重要的。2人体特性的应用 人有各种器官，具有呼吸、血液循环、接受信息、肌肉运动等生理功能。研究人机工程就要了解这些
6、生理功能产生的机理、条件以及系统内外环境变化对生理功能的影响，从而在人机系统设计中掌握和运用这些规律。人的心理活动是大脑皮层兴奋和抑制生理过程的结果，是整个外部运动和行为的调节者。心理活动控制人的思想、意识和行动，它受到外界环境和社会的影响，并与人的生理功能密切联系。在生产过程中，处处充满着人的心理活动，越是复杂的人机系统，其心理因素的影响和作用就越大，越明显。因此，人机工程学的研究要充分考虑人体的生理和心理这两大特性。3工作环境的分析及应用 任何生产过程的完成与改进，都是人与机械（包括机器、工具和产品）协同工作的结果，只有把人与机械作为一个统一整体来进行分析研究，才是科学的。这就要研究人操纵
7、机器（或使用产品）时的实际工作状况。此外，在人机之间有环境的因素，还需要研究环境条件对人机系统的影响，这样才能全面地满足人机工程学的要求。4实际工作经验的分析及应用 在生产活动过程中，机器往往会出现故障或机能不良，或由于人的精神紧张、疲劳和疾病而造成操作失误，由此可总结出许多宝贵的经验和教训。不论是成功的经验，还是失败的教训，同样有益于人机工程学的研究。把这两方面综合起来，才能更全面深入地反映实际问题，从而不断改进人机系统。由于人机工程学是一门综合性边缘科学，所以要考虑的问题也是一个综合性的多因素问题。人机工程学的实质，就是在任务一定的情况下，研究、分析和计算人（操作者）和机器（或设备）统一在
8、一个完整的系统之内，如何提高工作效率的问题。这就出现了怎样解决人在操纵机器（或设备）时，达到舒适和改善劳动条件的要求。这些要求的解决就构成了设备的组合、操纵机构的布置、信息显示装置面板的设计，作业顺序、操纵次序等基本问题的中心。9.1.3人机工程学研究范围 在生产场所总是包含着人和机器以及围绕着人和机器的环境条件，人机环境组成一个综合体。人机工程学的主要任务就是对这一综合体（人机环境）建立合理而又可行的方案。以便有效地发挥人的作用，并为使用者提供舒适和安全的环境，从而达到提高工作效率的目的。根据这样的任务和目的，人机工程学的研究范围大致可以归纳如下。1研究人和机器的合理分工及其相互适应的问题
9、一方面必须对人和机器的潜力进行分析比较，研究人动作的准确性、速度和动作范围的大小，以便确定控制系统的最优结构方案。另一方面，人的能力还会因劳动工具（机器、产品）的发展而扩大，即新技术和新机器（新产品）的出现，会使人在生产过程中的地位和作用发生变化。因此在设计时，必须根据人机工程学的原理，解决如何适应于人的特点问题，以保证最优劳动条件的实现。2研究被控对象的状态，信息如何输入，以 及人的使用活动信息如何输出的问题这里，主要研究人的生理过程（如视觉现象、触觉现象等）和心理过程（心情愉快和抑郁）的规律性。同时，也要运用其他技术学科的资料，完满地解决这些问题。3建立“人-机-环境”系统的原则 根据人的
10、生理和心理特征，阐明对机器（产品）和技术应提出什么样的要求，如阐明如何进行作业空间设计和环境条件对作业的影响，等等。9.1.4人机工程学研究方法 研究人机工程学，一般常用的方法有实测法、实验法和分析法等。1实测法 这是一种借助仪器、设备进行实地测量的方法。例如，为了解决操作面设计而需要确定手臂活动范围的资料时，可以按一定年分类选择一定数量的人（男、女和儿童），借助测量仪器分别对其手臂活动范围及人体体形特征进行实测。实测所得资料可以作为机器和产品设计以及使用空间布局的依据。2实验法 当实测法受到限制时，可采用实验的方法，在实验室或其他环境中进行。实验时间的长短视具体对象和要求而定。如为了得到某种
11、按纽开关的按压力，手感和舒适感等人体要求数据，一般在作业现场或实验室内进行短时间的测试即可。而要了解色彩环境对人的心理、生理和工作效率的影响时，则需龄段持续进行一段时间的观测，才能得到比较真实的结果。3分析法 一般是在上述两种方法的基础上进行。如对人在操作机械的动作分析，首先用实测方法，采用轨迹摄影能变速录像技术，将人在操作过程中所完成的每一个连续动作逐一记录下来，然后进行分析研究和实验，以便排除其中的无效动作，减少人的重心前移动，纠正不良姿势，从而有效地减轻人的劳动强度，提高工作效率。在分析法中常常要研究自变量和因变量的关系。自变量是指实测的资料（因素），如照度值、重力和环境状况等因素，因变
12、量是随自变量变化的因素，一般指规范和标准。研究这两种变量的关系，从中找出规律性的东西。另外，美国的人机工程学专家霍尼威尔（Honeywell）提出了以下六种对人机系统测定和分析的方法：（1）瞬间操作分析（Second-by-second operational analysis）即对连续的生产过程，用统计方法中的随机抽样法，对操作者与机器之间每一间隔时刻的信息进行测定，注意操作者接受信息（输入）与发出动作（输出）的区别。再用统计分析的原理，对测定资料加以整理，从而得到有益于改善人机系统的资料。（2）知觉与运动信息分析（Perceptual and motion information anal
13、ysis）由外界传给人的信息，一般首先由感觉器官传到神经中枢经的大脑处理后，产生反应信号，再传递给肢体去对机械进行操作，对于操作后机械状况，又把信息送回给人，成为一种反馈系统。知觉运动分析研究就是对此种反馈系统进行测定和分析，并用信息时刻的信息进行测定，注意操作者接受信息（输入）与发出动作（输出）的区别。再用统计分析的原理，对测定资料加以整理，从而得到有益于改善人机系统的资料。（3）连续操作的负荷分析（Continous work load analysis）这种方法是采用强制抽样电子计算机技术来分析操作人员连续操作的情况，一般需要规定操作所必须的最小间隔时间，以推算操作员的工作负荷强度。（4
14、）全工作负荷分析（Total work load analysis）对操作者在单位时间内工作负荷的分析，一般用单位时间的作业负荷率来表示。（5）使用频率分析（Use frequency analysis）对人机系统中的装置、设备等机械系统的使用频率进行测定和分析，其结果可作为调整操作人员负荷的参考数据。（6）设备关连性分析（Instrument link analysis）这是对机械的使用方法以及人与机械状态的变化等进行观测和分析的方法。如观测多机床管理的操作者，从一台机械转到另一台机床时，眼的移动次数与操作频率的情况再通过分析，从而获得机械和控制装置的适当比例关系。人机工程学的研究法除了上述
15、常用的方法外，还可以采用人体科学和生物科学相关学科的研究方法，以及系统工程、控制理论、统计学等学科的一些研究方法。9.1.5人工机工程学的作用和设计原则 1人机工程学在现代生产中的作用概括起来有以下几方面 （1）扩大了全面机械化和自动化的综合运用 用传统的劳动方式进行工作时，人的体力消耗很大，而操纵现代化自动设备时，人的主要工作是编制操纵程序和检查程序。（2）扩大操作距离 在现代遥控过程中，人和设备之间要有大量的信息。人通过这些信息对设备工作状态和产品质量状态进行判断，以便操纵和调整这些装置。其中关键的问题是判断信息。（3）加快现代化的生产过程 在现代化生产里，生产过程是否迅速提高，也可以通过
16、设备的各种工作参数：速度、功率、压力、温度、连续性等来评定。这些工作参数的改变，大多数是离不开人直接或间接操纵活动的。为了使人能够顺利准确地和高速地操纵设备，改变这些工作参数，既要创造舒适、方便又符合人的心理、生理特点的操纵机构和工作条件，只有这样才能够加快现代化的生产过程。2人机工程学的设计原则 用人机工程学的观点分析一个好的产品应该是具有安全、维护方便和使用舒适的特点，因此，人机工程学的设计原则应该如下：（1）为了确定最佳人一机系统的标准和操作者在某些条件下基本要求的参数范围，设计者必须以操作者的身份来分析产品设计的全部重要问题，其中主要是分析人如何与产品系统的重要环节协调问题；（2）在全
17、部产品设计过程中，要考虑怎样最充分地发挥操作者的主观能动性。如果操作者的主观能动性不能充分发好出来，这表明整个产品系统的结构不是最佳的；（3）按操作者和产品的自然联系，合理地选择产品信息显示和使用部件。除上述原则外，还应把人在使用过程中的生物力学和生理、心理学特点作为产品设计的基础。为了实现上述各项原则，在设计过程中要从下列四个方面考虑：生物学方面：它包括操作者本身所使用的设备和所处的环境。主要是保证操作者的生理状态和各种周围环境的相互关系处于最佳情况。这时就要用生理、心理学方法来估算操作者的正常操纵能力和重大作用极限；估算操作者周围环境的自然参数（空气成分、温度、湿度、压强和辐射成分等）和设
18、备参数（振动、照明、功率、速度等）；空间方面；包括按人体测量学和生理学特性所设计的合理工作范围、合理座位、操纵台面板、信息显示面板和操纵台等组成的最有利空间；动力学方面：包括设计适合于操作者能力的操纵机构、操纵节拍、操纵用力、操纵功率、操纵速度、操纵准确度及操纵负荷；信息方面：包括操作者和设备在内的相互协调信息，还要分出操作者在操纵时不必要的多余信息。保证操作者用最短的潜伏时间对信息作出正确的反应。9.2 人机系统 9.2.1人机系统的概念 人机系统是人机工程学的一个重要组成部分，人机工程学研究的对象是“系统中的人”，人是属于特定系统的一个组成部分，人机系统的概念既不单独指“人”，也不单独指“
19、机”，它是“人机”两者之间内在联系的概念。对于设计者而言，它是指一种思想，一种观测事物的方法。将人放到人机环境这一整体系统中研究，建立解决劳动主体和劳动工具之间矛盾的理论和方法，根据人的特性和能力，来设计和完善系统，因此，人机系统的概念对设计者认识设计活动的实质，把握设计的任务等是非常重要的。在现代工业生产中使用的机器设备需要人来进行操作，才能达到预期的目的。因此在生产中人和机器联系起来，就形成了一个不分的整合，这个整体就叫人机系统。凡是有人操纵控制都属于人机系统的范围。9.2.2 人机特征 在进行工作时，人、机器设备（工具）、工作、环境四者之间是相互作用和联系的。其中人的作用主要是：通过感觉
20、器官（视觉、听觉、触觉等）接受信息，如感知作业情况或工具的使用情况；把接受到的信息和已储存在人脑中的经验信息进行比较分析后作出决定，如继续进行、改变或停止操纵等决定；表9-1是人和机器的特征机能比较。根据此表，人与机的合理的分工大体上应是：快速、精密、笨重、危险、有规律性、单调重复、高阶运算工作以及流体和有辐射性的工作，宜分配给机器去完成；而机械系统的监督、维修和机器程序安排，以及情况多变的工作和意外事件的处理等，则适宜于人来完成。表9-1 人和机器的特征机能比较比较内容人的特征机器的机能感受能力人可识别物体的大小、形状、位置和颜色等特征，并对不同音色和某些化学物质也有一定的分辨的能力。接受超
21、声、辐射、微波、电磁波、磁场等信号、超过人的感觉能力控制能力可进行各种控制，且在自由度、调节和联系能力等方面优于机器。同时，其动力和效应、运动完全合为一体，能“独立自主”操纵力、速度、精密度、操作数量等方面都超过人的能力，但不能“独立自主”必须有外加动力源才能发挥作用。工作效能可依次完成多种功能作业，但不能进行高阶运算，不能同时完成多种操纵和在恶劣环境条件下作业。能在恶劣环境条件工作，可进行高阶运算和完成多种操纵控制，于单调、重复的工作，不会降低效率。信息处理人的信息传递率一般为6比/秒左右。接受信息的速度约为每秒20个。短时间内同时记住信息约为10个，每次只能处理一个信息。能储存信息和迅速取
22、出信息，能长期储存，也能一次废除。信息传递能力、记忆速度和保持记忆能力，都比人高得多。可靠性就人脑而言，可靠性和自动结合能力都远远超过机器。但在工作过程中，人的智能高低、生理及心理状况等对可靠性都有影响，可处理意外的紧急状态。经可靠性设计后，其可靠性高，且质量保持不变，但本身的检查能力和维修能力非常的微薄，不能处理意外的紧急事态。耐久性容易产生疲劳，不能长时间连续工作，且受年龄、性别与健康等因素的影响。耐久性高，能长期连续工作，并大大超过人的能力。在人机工作的分配上，有人曾作出如下的比较和安排：人能完成并胜过机器的工作有：发觉微量的声和光，接受和组成声、光形式；随机应变和采取灵活的程序；长时期
23、大量储存信息，并在适当的时机回忆起有关的情节；进行归纳、推理和判断，形成概念和创造出方法等；目前的机器能完成并能胜过人的工作有：对控制信号作出迅速反应；平稳而准确地运用巨大力量;做重复的和规律性的工作;短暂地储存信息，然后全抺掉而不留任何“记忆”；进行快速运算；同时执行许多种不同的功能等。随着生产技术的发展，人和机的特征也是在发展变化的，因而分析工作也必须随之发展。9.2.3 人机系统的功能 人和机器虽然有不同的特征，但在人机系统工作中所表现的功能则是类似的。这些功能概括起来可分四大部分：接受信息、储存信息、处理信息和执行功能，如图9-2所示，接受信息、处理信息和执行功能是按人机系统工作过程的
24、先后顺序发生的，而储存信息则与这三项功能都有联系，并相互作用。这些功能都是人与机共同作用而实现的。1接受信息 信息是由人和机器的感觉功能接受。对人来讲，信息的接受是通过人的感觉器官，如视觉、听觉和触觉等来完成；对机器来说，信息的接受则是通过机器的感觉装置，如电子、光学或机械的传感装置等来完成。图9-2为人机系统功能图 图9-2 人机系统功能图2储存信息 对人来说，储存信息是靠人的记忆能力或借助于照片、录像、录音、文字记录等方式来完成的。而机器一般要靠其内部设有的储存系统，如凸轮、模板、磁带、磁盘、信息卡、计算机芯片等储存装置来储存信息。3处理信息 对接受（或储存）的信息，通过某种简单或复杂的过
25、程（如分析、比较、演绎、推理和运算等）后，形成决定的功能称为信息处理。就人来说，信息处理的整个过程往往不可分割，前一过程是后一过程的基础，后一过程是前一过程的继续，是连锁反应。信息处理的结果是决定下一步是否行动（执行）的问题。4执行功能 执行信息处理所形成的决定的能力称为执行功能。一般有两种执行方式：一种是由人直接操纵控制或由机器本身在产生控制作用，如操作者转动手轮，车床自动加深或减少铣削深度，等等；另一种是传送决定，即借助于声、光等信号把决定（指令）从一个环节输送到其他环节。5输入输出 被加工的信息、物体或其它形式的东西从输入端输入，经过系统（过程），改变输入的状态，形成系统的成果而输出。6
26、信息反馈 把系统输出端的信息，重新返回输入端，称为信息反馈。信息反馈是系统功能的一个重要组成部分，返回的信息是继续控制的基础。也是促使机器自行调节的基础，同时，反馈可以弥补系统的不足和纠正偏离标准作业等情况。9.2.4 人机系统的设计 人机系统设计是人机工程学的一个重要组成部分，具有很强的综合性和实用性。人机系统设计是为了解决系统中人的效能、安全和身心健康等问题。它并非单一产品的设计，而是适合于所有产品的一种设计方法。一般来讲，狭义的人机系统设计是指对产品系统本身进行的分析和设计，适合于普通的日用品和机电产品，要求设计者根据人机工程学的原理和参数进行设计，考虑使用者的安全、舒适、满意等需求。广
27、义的人机系统设计是指全面的、大概念的人机系统设计，适合于军事、航天等复杂的人机系统设计，要求设计者考虑操作者的可靠性、效率、作业精度等。人机系统设计是多学科联合设计的一部分，是多学科的综合，只有采用系统科学的方法才能综合多学科的观点，实现人机系统的合理设计。把设计的内容作为人机系统考虑，除了按照本书前面所述设计的原则、要求和具体考虑的众多因素以外，还要加上作为人机系统需要考虑的其它内容。也就是根据人机系统的功能，对人与机器进行功能分配以后，进一步要考虑以下的系统设计内容。1信息从机器到人的系统设计 人的感觉可以看作是与伺服机构的输入端相似。人通过相应的感官对来自机器的刺激有所感觉（视觉、听觉、
28、触觉、味觉和平衡感觉）从而获得信息。对信息从机器到人的系统设计，要考虑充分发挥各种感官的作用，因而就要设计与不同感官相适应的仪器和装置，如对视觉就要选用各种类型的视觉显示器和显示装置，对听觉就要设计各种形式的听觉指示器等等。在人机系统中，大多数信息类型适合于视觉传递，因此搞好视觉显视极为重要。2信息从人到机器的系统设计 人把接受到的信息，经过大脑处理后，转换成行动，传达给机器。这种传达完全靠人的感觉器官和运动器官（手或脚）的结合，并通过机器的各种操纵控制装置（如旋扭、曲柄、开关等）来实现.所以信息从人到机器的系统设计，主要是各种操纵控制装置的设计。要使机器成为忠实执行人的意志的工具，就需要装设
29、能判认由人利用控制所产生指令的各种判读指示器（显示装置），指示器和操纵装置一起构成机器接受信息的机体。3显示装置与控制的配置 根据信息的类型和操作要求，设计和合理配置各类显示指示装置和操纵控制装置.配置的根本原则是适合人的操作要求和视觉认读要求,以沟通人机的联系，在人机系统中，常把控制器与指示器组合在一起形成控制盘（或带控制器的仪表盘），配置成控制台式人机系统，这种型式是比较适合人的操作和视觉认读的。4作业人数较多的信息传递系统的设计 在航天、运输、邮电、机械的大型生产系统的控制室或中心控制室里，信息传递面广量多，人数也较多。在这种情况下，不大可能利用触觉通道；用听觉进行信息传递易产生较大的干
30、扰性，应尽量采用视觉显示器和其他显示技术，或者综合运用多种感觉通道的信息传递装置。9.2.5 人机系统的可靠度评价 这里就人机系统的角度，进一步探讨其可靠度问题。1人机系统的可靠度 人机系统的中心问题是人与机器的相互结合。为了获得人机系统的最高效能，除了机器本身的可靠度指标要高以外，还要求操作者技术熟练以及机器要适合人的生理要求，即人的操作可靠度指标也要高。所以，人机系统的可靠度与机器的可靠度和人的操作可靠度有关。xirkk k （9-1）式中，为人机系统的可靠度；为机器设备的可靠度；为人的操作可靠度。例如，设机器的可靠度（理想状态），人的操作可靠度，那么人机系统的可靠度即为：其关系表达式为：
31、100%40%40%xirkk k这说明，一台可靠度很好的机器，也会因操作可靠度太差，而影响人机系统的可靠度，降低工作效率，甚至损坏机器。2人机系统的可靠度检查 国内外学者对人机系统的可靠度检查，提出了各种方法，其中用得比较多的是列表法。在列表法中，将可靠度的问题分成两大类：一类是属于总体设计的问题（全局性问题）；另一类是属于单个设计的问题（局部性问题），逐一对应列。如按总体设计的问题检查可靠度不能得到良好的解答时，可按单个设计的问题再进行检查。这样可以系统地分析在作业过程中影响作业效率和负荷的各种因素，从而利用这些资料来提高操作的可靠度，现以金属加工设备为例，综合列出各项主要问题，见表9-2
32、所示。总体设计的同题单个设计的问题1.作业地点是否宽敞?2.仪表和设备的操纵器布置。是否能够保证操作者操作时有舒适姿势?是否允许坐着操作?3.从作业面到眼睛的距离来考虑,作业面的高度是否方便?4.仪器和操纵机构的布置是否允许用手或脚进行操纵?5.操作者最好的操纵动作是否需要用脚进行操纵?6.所用的按钮是否必须用手操作才能得到最好的效果?7.手动控制器的外形尺寸与材料是否与所要求的操纵力相适应?8.操纵机构所需要的操纵力，是否大于操作者的力?9.依靠操作者的操纵是否可以达到控制机器的目的？10.是否需要特殊的防护措施（如防护衣和防护面罩）？11.作业是否需要很强的照明?12.是否一定要求一般照明
33、或局部照明？13.作业对象与周围背景之间的亮度对比如何？14.作业地点是否有使人产生目眩的因素？15.操作者应当识别的物体特征如何?物体是否运动？移动的速度如何?16.作业中人的生理和心理的负荷是否与年龄。性别相适应?1.根据所生产的零部件,作业面积是否足够?2.每台机器的仪表和操纵器的布置，是否可能引起操作者在作业时处于不舒适的姿势?如果坐着作业,是否有放脚的地方?3.机构的布置是否在操作者的操作和视觉最有利的范围内?4.工具和零件是否放在人的最有利活动半径之内。把手或摇柄的操纵力和活动的轨迹是否合理?5.脚操纵时的话动范围和脚控制器的布置是否合理?6.按钮等的尺寸大小是否适合于手的操作?按
34、钮的按压。行程和手感及表面光洁度是否适当?7.能否使用反向配置、电动、液压、气压等装置，减少操作者的操纵力？8.操纵器之闻的距离和操纵力是否适合人的生理特征?9.操作者所用的力是否有效?有没有不必要的体力消耗？10.使用特殊的防护措施后，是否对操作有妨碍？11.在天然采光或人工照明的条件下。照明情况如何（良好。一般、不好）？12.人工照明是否有眩光和频闪效应等不良现象?13.天然采光和人工照明的亮度差别如何？14.可能使人产生目眩的原因是什么（裸露的光源。机器表面反射光）？15.物体是否有清晰的象征符号标志?在全部信号中是否有通用功能的信号（如红色信号表示危险）?16.机器（或机件）的恃征（形
35、状、大小、颜色等）是否很容易辨认？操作效率是否最高？表9-2 金属加工设备的可靠度检查表 表9-2中所列只是部分的内容，但要全部满足其要求也是比较困难的。因此要分清主次，一般先从总体设计的问题分析，然后再按单个设计的问题进行检查，抓住主要问题，采取措施解决。9.2.6 设计错误分析 设计错误是指设计不当或发生差错，这 是在产品设计阶段产生的，但往往要在试车或投产时才暴露出来。从人机系统设计角度来看，设计错误往往表现在对设备和人员的任务分配的不合理，而不利于提高人机系统的效率。具体来说，有功能分配错误和人的工程设计错误两个方面。1功能分配错误 在人与机器之间分配功能时，给人或机器分配了不适当的任
36、务。这可能有两种情况：给人分配了无法顺利执行的功能，或把设备更能有效执行的功能分配给人，造成人在执行这种功能时费劲、费时，并容易出差错。例如，给变压器绕线圈时，不设计机械记数装置，而由人去记线圈数，则不但费力，且易出差错；可以由人很好执行的功能分配给了机器。因此，需要增加特殊的或比较复杂的设备，造成浪费。例如，用一台电子计算机对绘画作品的美学价值作出概略判断，不如由人去完成更为合适。在人与机器之间的功能分配中，对于那些受功能性质所限制的工作，决定由人还是由机器去执行是比较容易的。例如，要求连续不断进行的操作或一次提起几吨重的东西等。但是对人与机器都能完成的工作，决定谁来完成更合适、更经济时，则
37、要考虑安全、成本、执行的可靠性、维修能力等因素。当机器执行某种功能并没有多大优越性时，应由人去执行。即使是自动化的人机系统，如果没有在生产率、可靠性、成本、安全和使用者的方便等优越性时，也还是以人工操作为好。2人机工程设计错误 人机工程设计错误，主要是没有保证人与机器间有效的相互作用。一般表现在：对控制一显示装置或其他部件，没有按照操作人员能迅速准确操作的原则加以配置。如显示装置和相关连的控制器相距很远。造成操作上的困难和不能互相关照等；没有根据人机系统的特征，选择最适当的控制、显示装置或其他部件。例如人机系统要求有较大的作用力，但选择了不能承受这种作用力的控制器，而不能完成系统的任务；没有提
38、供操作人员执行某种功能的必要条件。如给操作人员配备一个显示装置以提供信息，但却没有提供有关信息的装置；没有充分考虑可能发生的事故，忽视某些环节，而当人机系统内潜在的问题意外地发生时（如爆炸、燃烧），整个系统就会产生严重后果。下面以电子设备为例，在人机系统方面常见的设计错误作一介绍。电子设备设计中，常见的错误有以下一些：（1）视觉显示装置设在不适当的位置上，致使操作者不能很好地观察度盘刻度、指针和数字；度盘的各部分关系因视差而被歪曲，计数器因安装得太深使数字看不清；（2）显示器上的分度线、数字和指针的形状大小 设计不良，影响识读效果；（3）同一度盘上指示几种参数量值，且要用内插法读数，使识读困难
39、，从而引起读数误差；（4）控制器的运动方向，不是根据人的生理习惯方向进行设计，结果与操纵者所期望的方向正好相反；（5）控制器和对应的显示器的运动方向不一致，在相互位置上也安排得不恰当；（6）控制器造型设计不良，操作不便（用力，手感等不好），位置设计不当，使操作者操纵和调节起来困难或无法进行；（7）控制台的设计没有考虑操作者放腿的空间，记录台的高度不合适，控制器和显示器没有安设在最佳的部位上；（8）设备的设计和空间布置，没有考虑发展和扩大的余地（如增加工作人员或扩大设备）；（9）没有考虑人体操作量的平衡性，使一只手负担过重而另一只手又闲着不用；（10）照明装置不良，致使一部分光线强、一部分光线弱
40、，而容易引起视觉疲劳，而且众多仪表由于光线不够而不能认读；（11）设备上有光亮面或反光强烈的外壳，而产生眩光；（12）元件相互间的布局不良，维护人员往往需要拆卸几个元件之后，才能修理或更换一个坏元件；（13）设计的零部件太重，维护人员搬动费力；（14）所用颜色不协调，标记不醒目，而且颜色匹配也不是根据视觉要求来选择；（15）设备上的识别标记与维护说明书上不一致，有的虽然一致，却不是按照便于查找的方式来编排，因此降低了使用可靠度。值得指出的是造成设计错误的因素是很多的，例如，对于设备和总体系统的要求分析不够完全、不够充分；没有按照必要的设计程序进行设计或设计过于仓促；设计人员对解决某项问题的“先
41、入为主”的态度或带有偏见；设计人员过分依赖自身的经验，甚至鲁莽行事；等等。必须充分重视和警惕这些因素，加以克服和防止。9.3 人的因素 9.3.1 人的生理因素 在设计中，包含如下相关因素：1人体的几何因素 包括身高、体形、肢体尺寸及比例等，他们随性别和人种而异，是人与机匹配设计时的重要依据。1994年美、俄两国的空间对接计划受阻，原因正是在于两国在舱室设计时对宇航员身高限制不同。2人体的力学因素 人既能作微细的调节动作，也能发出很大的力，但人的出力有一定的限度，并随年龄、性别、作业方位和环境的不同而不同。老式机械分配给人的功能要求常常迫近人的力学极限，初期的机械化内容很多是为了减轻人的力学负
42、担。3人的持久性 人如果长久地工作，特别是以固定的姿势、作固定的动作时。肢体、感官和大脑都将会产生生理和心理性疲劳，出现如体力下降、睡意上升、注意失控、思维迟钝、工作意志衰退等现象。须经过一段时间休息才能恢复正常。自动化的目的之一正是克服人的这一不足。1)人的生理节奏 人是在自然界中生存和发展的，昼夜变换对人的影响极大，形成日生理节奏。目前常用闪频值测定大脑的意识水准。它的物理意义是人对一亮一暗低频闪光的分辨力。当每分钟闪光数增加到一定数值时，人眼将不再感到闪光，称为闪光融合，达到融合的频率称为闪频值（值）。一般为，因人而异；值高，表示大脑意识水准高。一般而言，星期三、四是人的周生理高峰。有些
43、学者提出入的体力、情绪和智力存在着23天、28天、33天正弦周期变化规律。此外，女性还存在特殊的月生理周期。人们研究这些生理节律的目的，是为了制定科学的工作节奏。今天，在运动员的训练和竞赛中已十分重视竞技状态的周期性。2)人的环境承受力 人适应工作环境的能力是十分有限的。人对温度、光亮、声响、振动、冲击、气压与水压、有害气体与辐射等方面的承受力远比“机”小。在现代设计中应充分考虑人的劳动保护，如为高温生产线设置隔热控制舱，对电焊光设置遮挡，为宇航员研制太空服等等。3）劳动强废 人的短期进发力与长期负荷能力的差异是很大的。劳动强度反映人在一个完整的劳动过程中平均体力或脑力消耗。通常用心率、搏出量
44、、需氧量等指标来衡量。心率指心脏每分钟搏动次数，搏出量为每次搏动从左心室射入主动脉的血量。正常人在安静状态时的心率为60-100次/min之间，博出量为60-80 ml/次，随个体和年龄而异。因劳动强度不同，心率发生很大的变化，一段平衡状态心率100-125次/min为中等劳动强度，125-150次/min为强劳动，175次/min以上为极强劳动，搏出量在劳动中将增加40-80 ml/次。体力强、经常参加锻炼运动的人，心率与搏出量随劳动强度变化较小。注：能耗单位kcalmin-1表示每秒卡路里（热量单位），需氧量单位Lmin-1表示每秒升。表9-3 按能耗和需氧量分级的劳动强度指标劳动强度轻中
45、等强极强过强能耗下限/kcalmin-12.5（10.5）5.0(20.9)7.5(31.4)10.0(41.9)12.5(52.3)需氧量下限/Lmin-10.51.01.52.02.5人体为维持生理活动，体内所需氧气的量称为“需氧量”，成人安静时约为200-300ml/min。劳动强度与需氧量关系见表9-3。由毛细血管实际摄取氧气的量叫做“摄氧量”。人的摄氧能力是有限度的，当需氧量大于摄氧量时，会造成体内氧亏损，称为“氧债”。一旦出现氧债，人将依靠肌肉内组织的分解来补偿，肌肉组织分解结果产生乳酸等成分，乳酸得通过休息偿还所欠氧债才能消除。人的氧债承担能力是有限度的，一般人为，像运动员等经常
46、锻炼者可达。氧债量的加大将使血液中乳酸量大量积累，形成抑制作用，产生疲劳不支的感觉，以强迫人休息，起到自然的生理保护作用。9.3.2 人的心理因素 人的心理因素是一个复杂的因素，它通过人的情绪、工作热情、思想集中程度、工作效率等等来体现。机械的运转离不开人，人最重要的参与是心理过程的参与。现代机械设计观充分肯定人参与的积极性，心理因素的不稳定性在质量保证体系中始终是一个很不利的因素。例如，在一条汽车底盘生产线上有多道重要的焊接工序，若依靠工人手工焊接时早晚不同时间焊接的质量波动很大，只有用机器人来焊接，才能彻底消除操作工人情绪波动对焊接质量的影响。此外，心理波动还将引发事故。按照心理学理论，人
47、的心理因素可概括为动态的心理过程和静态的心理特征两大方面：1心理过程 心理过程包括认识过程和意向过程。认识过程是由客观到主观的过程，包括人的感知觉和思维过程。意向过程是由主观到客观的过程，包括人对待与改造客观的情感、意志和对事物的注意等内容。1）认识过程 认识过程中的感觉是人通过感官的直接体验，在心理学上分为三类，即：外部感觉通过人体外部各种感官接收到的外部刺激相信息，如光、温度等；内部感觉通过人体内部的神经末梢接收到的肌体内部刺激相信息。如饥饿、腹痛等；运动感觉来自肌肉的运动感。知觉不是直接的感受，而是客观事物在人脑中的反映，它可划分为：时间知觉对客观事物延续性、顺序性的反映；空间知觉对客观
48、事物形状、大小、远近、方位等空间特性的反映 运动知觉对位置、移动、速度快慢的反映。思维是人类的最高级大脑活动，它包含分忻、综合、比较、抽象、概括、具体化等基本过程。它的基础是记亿。人能够把主体经验过的事物、感受、情绪、动作、语词概念等大量的信息加以识记和保持，在必要时加以再识或回忆，构成“记忆”的完整心理过程。大脑中对客观资料的大量贮存是思维赖以进行的前提。当人们操纵一台机械时，通过感知觉掌握了仪表的读数，然后把他们和记忆中的正常值进行比较。分析差异的性质，综合各仪表所反映的现象，形成机器是否按要求运转的概念，最后形成如何处置的决策，从而完成一个思维过程。机械的运转是“人机环境”大系统的运转，
49、认识心理过程是人参与其中的重要一环。2）意向过程 意向过程的体现之一是情感。心理学家把情感定义为客观现实和人的需要之间关系的态度体现，是一种复杂的心理功能，并又和很多其他的心理功能密切联系。情感的对外表现是情绪，在“人机环境”大系统中，情绪是十分重要而又极不稳定的因素。情绪可分为三类：（1）心境是持久的、弥散的情绪状态。处于某一心境的人，会以同样的情绪对待一切事物。设计者应考虑为人营造一个保持良好心境的环境，如舱室的设计要在空间、内装饰、色彩、空调等方面下工夫，以营造良好的乘坐或驾驶环境。高级旅游车设计时，设计师应考虑使人获得一种享受的感觉等等。有时人的心境是“机”的设计者无法解决的，如个人遭
50、到不幸、遇到人事方面的不愉快等等，这时管理人员应采取措施，以免由于操作者心境不良而引发设备或人身事故。如今，由于汽车的速度不断提高，设计师已开始研究使心境不好的人无法启动的轿车安全系统；（2）激情是一种迅猛暴发、激动而持久时间短暂的情绪状态。有些“机”必须具有激情的人配合使用，这时的设计重点就不是保持良好的心境，而是激发人的激情。如赛车的造型，要使车手一看就产生一种高速、冲刺的欲望；（3）应激是在出乎意料的紧急状态下所引起的情绪状态。这时人的思维、行动和整个机体都高度激化，能做出平日较难做的事。民航客机在紧急着陆状态时所用的应急充气滑梯尽管很高，又无足够的遮拦，但人人都敢使用。它的设计思想与普
