人机工程学

第四节　人机工程学

自从有了机器，人与机器就构成了人机系统。人的能力与机器的潜力如果能够很好地配合，就能提高管理和控制效率。因此，在组成和设计人机系统时，就需要把人和机器作为一个整体来考虑，合理地分配人和机器的功能，不仅需要考虑温度、噪声、振动等环境因素，还要考虑同人机系统有关的生物学或医学问题对人的效率和行为的影响，以保证在环境变动下仍能达到系统所要求的目标。对于这些研究，在北美称为人因工程学或人机工程学，俄罗斯称为工程心理学，欧洲、日本和其他国家称为工效学。

一、人机工程学的起源

人机工程学(human engineering)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之间的相互关系，以提高整个系统工效的边缘科学。

提起人机工程学首先要介绍一个人物——美国人亨利·德雷夫斯(Henry Dreyfess)，他是人机工程学的奠基者和创始人。德雷夫斯起初是做舞台设计工作的，1929年建立了他自己的工业设计事务所。1930年，他开始与贝尔电话公司合作。在此期间，德雷夫斯坚持设计任何工业产品必须考虑产品的高度舒适这一功能特性，提出了“从内到外(fromthe insideout)”的设计原则，对电话机进行了完美功能性设计——听筒与话筒合一的设计，随后这种电话机进入了美国和世界的千家万户，成为现代家庭的基本设施。

德雷夫斯的人机工程学的其他研究成果体现在1955年以后他为约翰·迪尔公司开发的一系列农用机械中，这些设计围绕建立舒适的、以人机学计算为基础的驾驶工作条件这一中心，特点是外形简练，其中与人相关的部件设计合乎人体舒适的基本要求，这是工业设计的一个非常重要的进步与发展。

德雷夫斯的设计信念是设计必须符合人体的基本要求，他认为适应于人的机器才是最有效率的机器。他经过多年研究，总结出有关人体的数据以及人体的比例及功能，1955年出版了专著《为人的设计》，该书收集了大量的人体工程学资料，1961年他又出版了著作《人体度量》(The Measure of Man)，从而为工业设计领域奠定了人机工程学这门学科，德雷夫斯也成为最早把人机工程学系统运用在设计过程中的一个设计家。

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，人机工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。其应用领域有电话、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、教育等，人机工程学甚至可用于大规模社会系统。

二、人机工程学的研究内容

人机工程学的各个分支学科的研究，在第二次世界大战期间获得了突破性的进展，当时人们就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。例如雷达运行时，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，炸弹误中己方船只，就是因为设计时没有考虑人的各种长处和短处。又如空战和歼击机提出对飞行员的体能和智能要求，使得人员的选拔和培训难度不断增大，促使在飞机的仪表显示、操纵工具和飞行员座椅等部件的设计中，不得不加大对人的因素的考虑，这些都使得人机协调问题激化，进而也带动了有关的技术和方法的迅速发展。

目前，人机工程学着重研究以下问题:

(1)研究人与机器之间的分工与配合。任何一个系统都离不开人的参与，人机系统中人与机器相互作用、相互配合、相互制约、协同工作，完成确定的工作。因为机器是从属于人的，是由人来控制和使用的，要执行人的意志，按人的意图、目的去办事。所以在人机分工与协同工作中首先应该充分考虑人的生理和心理特点，使人与机器充分发挥各自的特点与优势;其次，应该让机器更多地代替人的工作;最后，考虑经济上的投资与效益。

(2)研究机器如何能更适合于人的操作和使用，以提高人的工作效率，减轻人的疲劳和劳动强度。

(3)研究人机系统的工作环境对操作者的影响，目标是使工作环境安全、舒适。不合适的操作环境会使工效降低，差错频繁发生，并极易产生疲劳。环境包括大气环境、照明、噪声、色彩等。

(4)研究人机之间的界面，信息传递以及控制器和显示器的设计。人机界面负责人机之间的信息传递，人通过控制器向机器输入控制信息，而机器通过显示器向人输出运行结果。良好的显示器和控制器设计将使操作者能够方便正确地操纵机器。

在人机系统中，人被看做系统中的一个元件。人通过感觉器官(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，如此不断重复。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。

人机工程学总的任务是在人、机器、环境之间实现最优配合，充分发挥人机的作用，使人尽其力，极尽其用，环境尽可能舒适，使整个人机系统安全、高效、可靠，胜任其工作效率。

三、人机工程学的应用

人机工程学作为一个工程应用学科，基本研究对象是人的工作，常常是针对具体的现实问题。其中许多原理认识之后常常显得非常浅显，而认识之前又常常难以发现或被忽视。

例如，座椅的设计就包含着人机工程学的含义。座椅与人们的生活息息相关，无论是工作、学习、出门旅行、在家休息都离不开座椅。关于座椅的设计问题至今仍是值得研究的课题。从20世纪50年代初，美国的科甘对整形外科的医用座椅进行研究以后，40多年来关于座椅的设计问题已有多位学者进行过系统科学的研究，各种设计参数也相继见于诸多资料。但就目前来看，尚不能说一把真正获得公认的理想的舒适座椅已经问世。这是因为人体的坐姿是个相当复杂的问题。比如，从事长时间体力劳动的人能坐上一只木板凳休息，则会感到非常舒适，而对于常年日工作量8小时且取坐姿工作的人(秘书、打字员等)任何一种座椅都不会被认为是完美无缺的。

在西方某些国家还流行一种“适度不舒适”的座椅设计，即某些流动性较大的公共空间(如快餐店等)为加速人员流动，有意识地把座椅设计得不太舒适;另有一些工作场合需要较高的警觉性，也通过把座椅设计得不太舒适，以提高工作人员的警觉性。日本在解决工作人员坐姿工作的警觉性问题另辟新招。如日本马自达汽车公司为了防止人们在从事单调坐姿工作时打瞌睡，推出一种“功能音乐式”座椅，即在座椅上安装附加设施，让座者每隔30秒钟听一次音乐，同时振动坐者的腰部，以驱赶睡意，使人员集中注意力从事工作。

交通运输设备涉及范围很广，驾驶用座椅的基本要求相差也较大。但它们的共同特点是，作业空间有限，连续作业时间较长，操作频繁，要求精力集中等。在进行这类座椅设计时，就需要考虑在不同的操作环境下，使得驾驶员的腰部得到充分的支撑，使腰椎恢复到自然状态，那么疲劳就会得到延缓，从而得到轻松舒适感。

四、人机工程学发展前景

21世纪人类步入了信息时代，人机工程学的发展必然向着信息化、智能化、网络化的方向发展。人机工程学作为应用性学科，与人的工作生活息息相关，设计生产出更加人性化、高效能的设备、工具和日常生活用品是努力的目标。以发展的眼光看，人机工程学又分为技术人性化和人的技术化两个方面。

今天，技术人性化的最大体现在于计算机虚拟现实技术的实用化。从人与计算机交互方式的演变，从利用穿孔纸带输入计算程序，到面对终端机上的字符操作界面，再到个人计算机上的图形界面和多媒体，继而是网络和虚拟现实，就是计算机技术的日益“人性化”的过程，也就是人机工程特性的不断提高。比尔·盖茨的《未来之路》就谈到虚拟现实的有关概念和前景，从人机工程学的角度来说，虚拟现实技术把人类的空间感、行走等感觉和行为功能纳入到人机交互之中，使得人与信息的交流变得更加自然和没有阻碍。

在21世纪，随着计算机技术和网络技术的发展，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，这不仅可以节省大量的时间和资源，而且可以增强企业的竞争能力，使产品更具有使用性和人性化。

英国科学家霍金认为:由于人类社会和技术环境的复杂性的不断提高，使人类作为一种生物所具有的有限能力和复杂性日益难以适应，因而利用基因技术来改造和提高人类的素质将成为必然的选择。此观点意味着人类这个认识和改造的主体，将自觉地将其所发展的技术手段应用于对自身的根本性改造，这将对人类未来的演进带来复杂和深远的影响。