汽車駕駛室設計及人機工程學

1、汽車駕駛室設計與人機工程學我國對車輛人機界面的設計也非常重視，在我國汽車標準體系中，強制性執(zhí)行的前幾項標準基本都屬于人機界面設計的范疇。目前，我國的人機界面設計還僅限于測試技術的應用與研究，也就是按國家標準對汽車顯控性能進行測試試驗，并對關鍵測試技術進行實驗研究。第二章人體數(shù)據(jù)在汽車駕駛室中的應用 為了使駕駛室設計能符合人的生理特征，讓人在使用時處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中，就必須在設計中充分考慮人體的各種尺度。人體測量是人機工程學的主要組成部分，它是通過測量人體各部位尺寸來確定個體之間和群體之間在人體上的差別，用以研究人的形態(tài)特征從而為人一機一環(huán)境系統(tǒng)設計提供人體測量數(shù)據(jù)。在認識人體數(shù)據(jù)在汽

2、車駕駛室中的應用前，要先對人體測量有一定的了解。 2.1人體測量的分類 人機工程學范圍內的人體形態(tài)測量數(shù)據(jù)主要有兩類，即人體結構尺寸和功能尺寸的測量數(shù)據(jù)。人體結構上的尺寸是指靜態(tài)尺寸;人體功能上的尺寸是指動態(tài)尺寸。 （1）靜態(tài)人體測量尺寸:指被測者靜止地站著或是坐著進行的一種測量方法。靜態(tài)測量的人體尺寸用以設計工作空間的大小、家具、產品界面元件以及一些工作設施等的設計依據(jù)。 （2）動態(tài)人體尺寸測量:指被測者處于動作狀態(tài)下所進行的人體尺寸測量。動態(tài)人體尺寸測量的重點是測量人在執(zhí)行某種動作時的身體動態(tài)特征，特點是在任何一種活動中身體各部位的動作不是獨立完成的，而是協(xié)調一致的，具有連貫性和活動性。

3、其中，人體結構尺寸分為人體主要尺寸、立姿人體尺寸、坐姿人體尺寸、人體水平尺寸。而駕駛室的設計則主要應用了人體主要尺寸和坐姿人體尺寸。人體主要尺寸包括身高、體重、上臂長、前臂長、大腿長、小腿長共六項數(shù)據(jù)。坐姿人體尺寸包括坐高、坐姿頸錐點高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢長共十一項。而人體功能尺寸則包括立姿、坐姿、跪姿、俯仰、爬姿等作業(yè)姿勢的尺寸。而駕駛室的設計則主要應用了坐姿人體功能尺寸。表2-1 我國人體主要尺寸測量項目男性女性均值標準差均值標準差身高167859.93157052.12體重596.66526.06上臂長31314.552

4、8413.33前臂長23712.7321312.12大腿長46522.4243821.82小腿長36918.7934418.79坐高90830.3085527.88坐姿眼高79839.7073926.67坐姿肩高59824.8555623.03坐姿肘高26321.2125121.82坐姿大腿厚13010.9113010.30坐姿膝高49322.4245820.61小腿加足高41318.1838224.24坐深45721.8243319.39臀膝距55423.6452920.61坐姿下肢長99243.0391236.97胸寬28016.3626013.36胸厚21215.7519917.58肩寬

5、37518.7935118.29臀寬30614.5531716.36坐姿臀寬32115.7634420.61坐姿兩肘間寬42230.9140433.94頭圍56014.5554615.77頭全高22310.302169.702.2測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 人群中個體與個體之間存在著差異，某一個或幾個人的人體測量數(shù)據(jù)不能作為產品設計的依據(jù)。任何產品都必須適合一定范圍的人群使用，產品設計中需要的是一個群體的人體測量數(shù)據(jù)。通常的做法是通過對測量群體采取抽樣調查，再進行統(tǒng)計處理而獲得所需的群體的人體測量數(shù)據(jù)。 對一定數(shù)量的個體樣本進行人體測量所得到的測量值，是離散的隨機變量，可以跟據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論對測量

6、數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，求得所需群體的人體測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律和特征參數(shù)。常用的統(tǒng)計特征參數(shù)有均值、方差、標準差、百分位數(shù)等。人體測量的數(shù)據(jù)常以百分位數(shù)來表示人體尺寸的等級，分位數(shù)是一種位置指標，一個界值，以符號凡表示。一個百分位數(shù)將總體或樣本的全部測量值分為兩部分，有K%的測量值等于或小于此數(shù)，有(100-K)%的測量值大于此數(shù)。最常用的是第5, 50, 95三個百分位數(shù)，分別記作只、凡。、凡。其中只代表“小”身材的人群，指的是有5%的人群身材尺小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值;凡。代表“中”身材的人群，指的是有50%的人群身材尺寸小于此值，而有SO%的人群身材尺寸大于此值;凡s代表“大”

7、身材的人群，指的是有95%的人群身材尺寸小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值。駕駛室尺寸往往要滿足95%以上人群的需要，以適應大部分人的使用要求。顯然，單一固定的尺寸很難滿足要求，所以駕駛室中座椅、安全帶等都是可調的。 第三章人體感應與信息處理3.1人在人機系統(tǒng)中的功能（1）傳感功能。通過人體感覺器官的看、聽、摸等感知外界環(huán)境的刺激信息，如物體、事件、機器、顯示器、環(huán)境或工作過程等，將這些刺激信息作為輸入傳遞給人的中樞神經。（2）信息處理功能。大腦對感知的信息進行檢索、加工、判斷、評價，然后做出決策。（3）操縱功能。將信息處理的結果作為指令，指揮人的行動，即人對外界的刺激作出反應，如操縱控

8、制器、使用工具、處理材料等，最后達到人的預期目的，如機器被開動運轉、零件被加工成形、機器的故障已被排除、缺陷零件已被修復或者更換等。而具體到汽車駕駛室，人的作用主要是從儀表盤、路上的信號燈和標志等獲取信息，經過神經系統(tǒng)處理，操作方向盤、踏板等操縱設備，完成駕駛操作。3.2聽覺 人體聽覺器官的功能是分辨聲音的強弱和高低，以及環(huán)境中聲源的方向和遠近。聲波是因空氣分子前后振動而形成的?？陕犅曋饕Q于聲音的頻率，一般人的最佳可聽頻率是20-20000Hz 。駕駛室隔音就是主要根據(jù)人的聽覺來設計的。車內噪聲不外乎來自發(fā)動機、底盤、風噪聲以及車身共鳴等。目前國內流行的汽車隔音技術都是根據(jù)這幾個噪聲源進行

9、防治，以達到隔絕噪聲進入車廂，營造一個安靜的車內空間。防噪聲的方法主要是在車頂、兩側車門和車廂內中央底盤等位置加上隔音材料。目前常用的隔音材料有毛氈纖維棉、棉毯和毛氈等材料。另外，車上的提示音也可以算是對人的聽覺的利用。例如啟動車后，如果沒有扣好安全帶，就會聽到煩人的提示音，直到駕駛員扣好安全帶。還有轉向時的聽到的提示音。3.3視覺據(jù)估計，人腦獲得的全部信息中，有95%以上來自視覺輸入。因此，在駕駛室設計中應該保證駕駛員具有良好的視野。視野是指人眼和頭部在正常的活動狀態(tài)下，眼睛所能看到的空間區(qū)域。駕駛員在駕駛汽車時，實際獲得的視野范圍是通過轉動眼睛、頭部和人眼的主視野綜合作用的效果。汽車駕駛員

10、眼橢圓是指不同身材的駕駛員按自己的意愿將座椅調整到適意位置、并以正常的駕駛姿勢入座后，他們眼睛位置在車內坐標系中的統(tǒng)計分布圖形，由十圖形呈橢圓狀，因此被稱為駕駛員眼橢圓。駕駛員眼橢圓的確立為研究汽車視野性能提供了科學的視野原點基準。在汽車行駛時，80%以上的交通信息是通過駕駛員的視覺得到的，駕駛員的視覺通道是最重要的信息通道。由于駕駛員眼橢圓代表了一定群體的駕駛員在正常駕駛位置時眼睛在車身坐標系中的分布。因此，在汽車設計時可以用眼橢圓來衡量和評價駕駛員視野性的好壞。另外儀表盤的設計也是主要根據(jù)人的視覺。一般人的正常視距為4671cm， 視覺效率高的視角為40左右， 在視野中心30的范圍內影像最

11、清楚， 因此， 應把最重要的、使用額次最高的儀表布置在此范圍內，一般的儀表布置在60范圍內。其次， 儀表的排列應適宜于人的視覺特性。人的眼睛習慣于從左向右，從上向下運動和順時針方向轉動， 儀表的排列應符臺這一習慣。當儀表很多時， 應按功能分區(qū)排列，并且儀表刻度線的粗細， 長短及間距都應便于視讀。儀表盤上還應裝有足夠的開關和照明裝置， 以減輕駕駛員的視覺疲勞等?？梢钥紤]儀表盤用黑色不透明材料制造， 刻度盤也采用黑色，以吸收使駕駛員眼睛產生疲勞的內部照明反射光。全部開關都沉裝在控制板內，標志醒目，容易分辨。還設有能產生各種顏色的微型光學信號儀表，用以檢查各零部件的工作狀況（機油壓力、蓄電池充電狀況

12、、差速器鎖止狀況等）。汽車儀表3.4觸覺人體觸覺是非常準確的，在人機系統(tǒng)的操縱裝置設計中，可利用人的觸覺特性，設計具有各種不同觸感的操縱裝置，使操縱者能依靠觸覺準確地控制各種不同功能的操縱裝置。一般而言，簡單的形狀比復雜的形狀更易被準確辨別;外形相差較大者比外形輪廓類似者更易被準確辨別。例如：變速器操縱桿和手剎操縱桿的形狀不同，離合器、剎車和油門踏板的大小不一。變速器操縱桿手剎操縱桿離合器、剎車和油門踏板（從左往右）第四章人的心理與行為特征心理現(xiàn)象是研究人的心理現(xiàn)象及其活動規(guī)律的科學。心理是人的感覺、知覺注意記憶思維、情感、意志、性格、意識傾向等心理現(xiàn)象的總稱。人的心理活動是很復雜的，主要應用

13、在駕駛室的儀表上，表現(xiàn)為各種提示燈的顏色，如機油燈、燃油燈和安全帶燈等涉及駕駛安全和車輛狀況的燈，一般采用紅色。因為紅色在人的潛意識中代表危險和警告的意思，采用紅色容易引起駕駛員的注意。第五章人體生物力學與施力特征人體的生物力學特性主要是針對人體運動系統(tǒng)而言。人體運動系統(tǒng)由骨、關節(jié)和肌肉組成。骨是人體運動的杠桿，關節(jié)是運動的樞紐，肌肉是動力。在生產勞動中，為達到操作效果，操作者身體有關部位所施出的一定量的力稱為操縱力。人體所能發(fā)揮的操縱力大小除取決于人體肌肉的生理特性外，還取決于人的操作姿勢，施力部位、施力方向、持續(xù)時間等。骨與骨之間除了由關節(jié)相連外，還由肌肉和韌帶聯(lián)結在一起。因韌帶除了有聯(lián)結

14、兩骨、增加關節(jié)的穩(wěn)固性的作用外，它還有限制關節(jié)運動的作用。因此，人體各關節(jié)的活動有一定的限度，超過限度，將會造成損傷。另外，人體處于各種舒適姿勢時，關節(jié)必然處在一定的舒適調節(jié)范圍內。下表為人體各關節(jié)活動角度范圍。表5-1 關節(jié)活動角度（度）運動部分 平均值 標準差 肩屈18812肩伸6114肩外展13417肩內收489肩向內旋轉9722肩向內旋轉3413肘屈14210臀部屈11313臀部外展5312臀部內收3112膝屈12510踝屈3812踝展357操縱器是駕駛員將信號傳遞給汽車的工具。操縱器的設計應適宜于人體尺寸要求和人肢體的用力范圍，以便于人的操縱，操縱速度不得超造人可能的反應速度， 操作

15、力求簡單、省力， 以減輕駕駛疲勞；操縱器的外形應美觀大方、手感好等。設計時充分考慮這些因素，有利于提高操作的準確性和可靠性。汽車的操縱器一般分手控和腳控兩種。手操縱器通常指方向盤、變速桿等， 由于手的動作靈敏、準確， 因此， 多希望用手控制操縱器。設計手操縱器時， 應考慮到手的運動特點、功能及在不同操作條件下的用力狀況。一般人坐姿以手臂操縱桿或手輪的用力規(guī)律是： 右手的力量大于左手， 向下的力量略大干向上的力量，向內用力大干向外用力。依據(jù)上述特點設計操縱桿時， 操作角度一般小于90，通常為3060對于操作幅度，前后方向最大位移一般為350mm，左右方向最大位移950mm，操縱桿的長度有操作角度

16、、位移及操作力來確定；當操縱桿的端部裝有球形手柄時，球體的直徑一般為12.525mm；當操縱桿的直徑小于7.5mm時會引起肌肉緊張而容易疲勞；操縱器操作時最好存在一定阻力，使駕駛員有操作感，以便于連續(xù)操作；一般單手操作時最小力約為10N，對于最大力，前后方向130N，左右方向90N。當操縱力超過50N150N，或者用手操作不方便， 或者需要連續(xù)操作時， 往往使用腳控操縱器， 如加速踏板、制動踏板等。人腳發(fā)出力的大小與人的姿勢、腳的位置和方向等有關。通常踏板的高度應設置在腳能發(fā)出最大力的位置，即腳踏板與座椅座墊上表面齊平或腳踏板稍低一些。踏板力隨座墊上表面高度的升高而減小， 是由于靠背的反作用力

17、改變的緣故。踏板相對于座墊上表面的最佳位置范圍是高度大約100300mm。為了減輕駕駛員的疲勞， 應力求減小駕駛員需要施加在方向盤和踏板上的力。 對駕駛室內的操縱器的評價方法包括主觀評價和客觀評價，評價指標體系的建立主要從以下幾方面考慮:(1)人是否舒適地進行作業(yè);(2)機器各元件的分布是否按重要性原則合理布置;(3)手腳負荷分配是否合理;(4)手操縱時，手的動作距離和順序是否合理;(5)操作范圍的尺度按人體百分位設計;(6)從人體生理特征出發(fā)考慮各元件的設計是否合理;(7)是否有防誤操作的設計措施;(8)環(huán)境條件是否有利作業(yè)進行，機器是否滿足該環(huán)境工況。具體評價會在后面的章節(jié)進行闡述。第九章

18、 人與環(huán)境的界面設計9.1摘要：人機工程（丁玉蘭）關于人與環(huán)境的界面設計這一章實際研究的是作業(yè)環(huán)境對系統(tǒng)的影響及作業(yè)環(huán)境的防護標準及評價方法，包括熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境及震動環(huán)境等。本章將以熱環(huán)境為例在課文的基礎上進一步闡述作業(yè)環(huán)境設計的相關知識及評價標準。9.2人體與熱環(huán)境熱舒適的定義人體熱舒適定義為人對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)。熱舒適環(huán)境則是人在心理狀態(tài)上感到滿意的熱環(huán)境。1影響人體熱舒適性的環(huán)境參數(shù)主要有空氣溫度、氣流速度、空氣的相對濕度和平均輻射溫度; 人的自身參數(shù)有衣服熱阻和勞動強度（新陳代謝）。人體熱舒適的研究涉及建筑熱物理、人體熱調節(jié)機理的生理學和人的心理學等學科。研究方法有實驗

19、、實際調查和數(shù)值模擬等。熱舒適習慣地定義為主觀上對熱環(huán)境滿意是不夠的。這會導致熱舒適的新定義對熱環(huán)境的主觀中性狀態(tài)。 如此定義, 舒適就是靜止的并能經久存在, 明顯區(qū)別于瞬時愉快的特點。關于熱舒適和熱感覺的區(qū)別，熱感覺是假定與皮膚熱感受器的活動有聯(lián)系, 而熱舒適是假定依賴于來自熱調節(jié)中心的熱調節(jié)反應。在熱感覺、熱舒適和熱調節(jié)方面可能的神經活動過程可由示意圖9-1表示。由圖可見, 熱感覺主要是皮膚感受器在熱刺激下的反應, 而熱舒適則是綜合各種感受器的熱刺激信號, 形成集總的熱激勵而產生。圖中虛線表示一種可能性, 熱舒適則包含舒適與不舒適兩種可能性。長期以來, 研究者分別在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境和動態(tài)熱環(huán)境下

20、做了大量的實驗,結果發(fā)現(xiàn)受試者在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下可較明確地回答冷熱感覺, 但難于回答是否舒適或愉快; 動態(tài)熱環(huán)境下, 人體熱反應的特點是在熱刺激時人體的熱感覺變化較慢( 0.5 s0.9 s) , 而在冷刺激時則較快( 0.3 s0.5 s) , 并當人體溫度高于中性時, 冷刺激會引起人體的舒適或愉快反應。圖9-2 出示了人體處于不同熱狀態(tài)時, 熱刺激和冷刺激的不同作用?？梢? 在動態(tài)條件下可有條件地使舒適和不舒適交替出現(xiàn), 舒適是忍受不舒適的解脫過程, 它不能持久存在, 只能轉化為另一不舒服過程, 或趨于無差別狀態(tài)。在穩(wěn)定中性熱環(huán)境下達到熱舒適是沒有根據(jù)的。從衛(wèi)生學的觀點, 一些學者指出“ 在房

21、間內實際的恒溫狀態(tài)對居住者的健康有害”。圖9-1熱感覺與熱舒適示意圖圖9-2冷刺激與熱刺激作用差別圖綜上所述,熱舒適只在動態(tài)熱環(huán)境下出現(xiàn)，非持久過程。而在課本人機工程（丁玉蘭）上，熱舒適環(huán)境的定義為：人在心理狀態(tài)上感到滿意的熱環(huán)境。課本對心理上感到滿意的解釋就是既不感到冷，又不感到熱。由此知道，課本關于熱舒適的定義是在不變的溫度環(huán)境內，有所欠缺。9.3影響熱舒適性的微氣候指標對人體熱感覺起重要作用的是建筑物的微氣候指標, 其包括周圍環(huán)境的熱工參數(shù)及其組合。其中最重要的5個參數(shù)為: 空氣溫度、氣流速度、空氣相對濕度、周圍表面溫度和熱輻射。重要的組合為: 空氣溫度和周圍表面溫度; 空氣溫度、周圍表

22、面溫度和氣流速度; 空氣溫度、周圍表面溫度、氣流速度和相對濕度;空氣溫度、氣流速度和相對濕度; 空氣溫度和相對濕度。19.4熱環(huán)境的評價標準9.4.1主觀評價標準熱環(huán)境對人體影響的主觀感覺評價標準都是通過調查得到，因此，不多加與評述。表9-2 不同熱經歷背景的受試者中性溫度（或偏好溫度）的比較9.4.2客觀評價標準到目前為止，對人體熱舒適程度進行評價的方法相當有限，基本上都是采用熱舒適主觀評價方法，即采用熱舒適問卷調查的形式直接詢問人們在某熱環(huán)境下的熱感覺與熱舒適程度。熱舒適主觀評價方法是一種較為可靠、簡便的評價方法，然而，熱舒適主觀評價方法評價結果的準確性在很大程度上會受到受試者自身對熱舒適

23、是否能合理判斷的影響，或者說熱舒適主觀評價的結果具有較大的主觀性。人體熱舒適雖然是一種主觀感覺，但從生理學角度看，當人體處于熱舒適或熱不舒適時，受自主性體溫調節(jié)活動的影響，其生理狀態(tài)也是不同的。根據(jù)不同熱舒適程度間人體熱生理狀態(tài)的差異來評價熱舒適程度，也就是熱舒適客觀評價方法，評價結果將不完全依賴于受試者對熱舒適狀態(tài)的主觀判斷，更客觀，同時由于引入了人體生理參數(shù)，評價結果還具有生理學意義，可為進一步人體熱舒適生理機理研究提供理論依據(jù)。與人體熱舒適有關的生理參數(shù)較多，而生理指標的合理選擇對熱舒適客觀評價結果的準確性有重要影響。2人體對熱環(huán)境的反應有 2 個方面：主觀感覺反應和客觀生理反應。主觀感

24、覺反應即熱舒適感覺?？陀^生理反應即人體的自主性體溫調節(jié)活動，是人體在熱環(huán)境中為維持體溫穩(wěn)定而產生的一種非意識性的生理調節(jié)反應。人體自主性體溫調節(jié)具有3種重要生理調節(jié)方式：皮膚血管收縮與 擴 張、冷顫、發(fā)汗。(1) 皮膚血管收縮與擴張。當人體內的溫度高于體溫調定點時，皮膚血管擴張，導致皮膚血流量增加，將人體內更多的熱量通過皮膚交換到外界環(huán)境；而當人體內的溫度低于體溫調定點時，皮膚血管收縮，使皮膚血流量減少，導致人體向外界環(huán)境的散熱也減少。(2) 冷顫。當人體內的溫度降低到一定程度，而皮膚血管的收縮不足以維持體內熱平衡時，人體肌肉會通過冷顫的方式產生熱量，從而使體溫恢復到正常范圍內。(3) 發(fā)汗。

25、當皮膚血流量的增加還不足以將體內多余的熱量充分交換至體外時，人體開始發(fā)汗，汗腺將汗液排至皮膚表面蒸發(fā)。這是冷卻皮膚、增加體內散熱的一種非常有效的手段。人體皮膚溫度雖然人體熱舒適感覺是一種主觀心理意識，而體溫調節(jié)活動是人體客觀的生理反應，但是，二者之間有著密切的關系。研究表明：通常當來自于人體熱感受器的神經信號強度最弱、體溫調節(jié)活動最小時，人就會處于熱舒適的狀態(tài)；而較強的體溫調節(jié)活動對熱不舒適的形成起了重要的作用，如冷環(huán)境下人體皮膚血管的收縮和冷顫會引起人冷不舒適，而熱環(huán)境下人體皮膚血管的擴張和發(fā)汗會導致人熱不舒適。圖9-5給出了人體體溫調節(jié)活動與熱舒適的關系。圖9-5另一方面，從人體體溫調節(jié)的

26、方式來看，體溫調節(jié)活動會引起人體相關生理參數(shù)發(fā)生相應的變化。因此，這些生理參數(shù)與熱舒適之間也應該存在著相關性，具備可作為人體熱舒適客觀評價指標的生理基礎。在閱讀相關文獻研究工作的基礎上，發(fā)現(xiàn)皮膚溫度、心率變異性、新陳代謝率、腦電波、肌電、排汗率與熱舒適感覺有緊密聯(lián)系，有可能作為熱舒適客觀評價的生理指標。人體皮膚血管的收縮或擴張會導致皮膚溫度降低或升高，因此，皮膚溫度是反映人體冷熱應激程度以及人體與環(huán)境之間熱交換狀態(tài)的 1 個重要生理參數(shù)?，F(xiàn)有的研究基本上都將皮膚溫度作為 1 個與熱舒適以及熱感覺密切相關的人體生理參數(shù)。圖9-6所示為實驗中受試者平均皮膚溫度與熱舒適程度的關系。圖9-6圖9-6表

27、明：與舒適狀態(tài)時相比，人體在感到冷不舒適時平均皮膚溫度較低，而在感到暖不舒適時平均皮膚溫度較高。這 3 種熱舒適狀態(tài)下的平均皮膚溫度均具有顯著性差異。心率變異性在應用動態(tài)心電圖的過程中，人們發(fā)現(xiàn)心跳的脈搏之間的時間間期不一致，這種心跳間期有節(jié)律的波動稱為心率變異性。人體體溫調節(jié)活動受自主神經系統(tǒng)(交感神經與副交感神經系統(tǒng))支配，心率變異性分析正是醫(yī)學上一種用來評價自主神經系統(tǒng)功能和平衡性的有效方法。在心率變異性頻域分析中，低頻段與高頻段的功率比值是 1 個很重要的指標。它反映了交感神經與迷走神經的相對均衡性。增加表明交感神經活動增強，迷走神經活動受到抑制；其值減少則表明交感神經活動減弱，迷走神

28、經活動增強。而交感神經興奮會引起體溫調節(jié)活動(發(fā)汗、皮膚血管收縮)的產生。Liu 等3對受試人員在不同熱舒適狀態(tài)下的心率變異性進行分析，結果如圖9-7所示(其中，“”表示有顯著性差異；n 表示符合成對 T 檢驗要求的受試者的人數(shù))。圖9-7人體處于熱舒適與不舒適時心率變異性指標的比較由圖9-7可知：當人體處于不舒適狀態(tài)時，其顯著高于處于舒適狀態(tài)時的值，表明較強的交感神經活動(導致體溫調節(jié)活動增強)對人體熱不舒適感覺的產生起重要作用?？梢姡嚎蔀樵u判人體熱舒適與不舒適提供有效的生理依據(jù)。新陳代謝率人體新陳代謝率是影響人體熱舒適的 1 個重要的因素。在 Fanger 熱舒適方程、PMV-PPD 指標

29、中，人體的新陳代謝率被作為影響人體熱舒適的人為因素。在熱中性環(huán)境溫度下，人體的新陳代謝率最低，基本保持穩(wěn)定；在冷環(huán)境溫度中，為保持人體熱平衡，人體內產熱，新陳代謝率會增加；而在熱環(huán)境中，人體也會通過體溫調節(jié)活動來維持熱平衡，這時人體的呼吸、循環(huán)等生理功能處于較高水平，新陳代謝率也較高。葉曉江4對冷環(huán)境(自然通風)和熱舒適環(huán)境(空調環(huán)境)下受試者在靜坐時的新陳代謝率分別進行測量計算，結果如圖9-8所示。圖9-8表明：在冷環(huán)境溫度下，受試者的新陳代謝率顯著高于舒適溫度下的新陳代謝率。9-8不同溫度環(huán)境下受試者的新陳代謝率腦電波人體腦電波產生的原理，目前較公認的觀點是突觸后電位學說，即認為腦電波是皮

30、層內神經細胞群同步活動時突觸后電位的綜合反映。腦電波包含 4 個周期性節(jié)律： 波(頻率4 Hz，電壓 20200 V)， 波(48 Hz，10 V)， 波(814 Hz，20200 V)和 波(1435 Hz，510 V)。有研究表明：人體腦部溫度的變化可能會影響到腦電波的頻率，從而對腦電波的功率密度譜造成顯著影響。腦電波能反映人體精神狀態(tài)的變化。熱舒適是人對熱環(huán)境的一種主觀反應，也屬于精神狀態(tài)，因此，腦電波也許可反映人體的熱舒適程度。對受試者在不同熱感覺時的腦電波進行測量與分析，結果如圖9-9所示。圖9-9不同熱感覺下腦電波各波段功率比率從圖9-9可見： 波和 波與人體熱感覺有較明顯的關系；

31、當實驗中受試者熱感覺為稍涼、中性、稍暖時， 波所占的功率比率明顯比其他熱感覺時的高，而 波在熱感覺為熱或冷時具有較高的功率比率。結合受試者的熱舒適狀態(tài)，可以得出腦電中 波的功率在人體感到熱舒適時增加，而 波的功率在人體感到不舒適時較高。肌電肌電是神經 肌肉興奮發(fā)放生物電的結果。肌電能在一定程度上反映神經肌肉的活動，因而在神經肌肉疾病診斷、康復醫(yī)學領域的肌肉功能評價、體育科學中的疲勞評定等方面都具有實用價值。有關肌電與人體精神狀態(tài)之間的聯(lián)系研究很少。葉曉江4對大鼠在不同環(huán)境溫度中的肌電(四肢肌與軀干肌)進行測量，統(tǒng)計分析結果如圖9-10所示。圖9-10表明：環(huán)境溫度對大鼠的肌肉放電頻率有影響；在

32、環(huán)境溫度較低時，大鼠四肢肌和軀干肌的放電活動明顯較多；當環(huán)境溫度為 26.028.0 時，其放電活動下降到最低；當環(huán)境溫度繼續(xù)上升時，其放電活動又有所增加，但是增加的幅度很小(變化不顯著)。人體感到寒冷時，會通過加強肌肉活動產熱(如冷顫)，維持體內熱平衡。與大鼠相似，此時肌電可能與舒適狀態(tài)下的肌電有較大差異；因此，肌電也有可能作為反映人體的冷不舒適狀態(tài)的生理指標。圖9-10不同環(huán)境溫度下大鼠肌肉放電情況排汗率人體出汗有 2 種：一種是不顯性出汗，另一種是顯性出汗。正常人體的組織間液直接滲出皮膚或者是體內水分通過皮膚角質層擴散到體表繼而蒸發(fā)后散發(fā)到大氣中，這種排汗方式為不顯性出汗。當環(huán)境溫度升高

33、或活動強度增大時，人體通過輻射和對流途徑散發(fā)的熱量不足以帶走代謝產生的熱量，為維持體熱平衡，汗腺開始分泌汗液，即顯性出汗。一般認為皮膚溫度達到 34 時，人體開始啟動出汗機制。研究表明：人體在熱舒適時，應有最佳的排汗率。通常，當人體顯性出汗時會感到熱不舒適，因此，排汗率可作為判斷舒適與熱不舒適的指標。結論(1) 熱舒適的形成在很大程度上受到人體自主性體溫調節(jié)活動的影響，因此，由體溫調節(jié)活動引起的生理參數(shù)的變化可反映人體的熱舒適程度。(2) 人體皮膚溫度、心率變異性、新陳代謝率、腦電波、肌電、排汗率與人體熱舒適具有較好的生理相關性，具備作為人體熱舒適客觀評價指標的生理基礎。(3) 心率變異性指標

34、在人感到舒適時顯著較低，而在暖或冷不舒適時均較高，因此，自主性神經系統(tǒng)活動反映人體的熱舒適與不舒適狀態(tài)。(4) 平均皮膚溫度反映熱舒適程度的靈敏性較高，具備較高的可靠性，而且其測量與計算較簡單，可作為 1 個有效的客觀指標來評價穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的人體熱舒適程度。2第十章 人的可靠性與安全性設計10.1摘要：人機工程（丁玉蘭）關于人的可靠性與安全性設計這一章通過對人的可靠性、人為差錯和人的安全性的分析，找出事故發(fā)生的原因，并據(jù)此提出防止發(fā)生事故的措施。本章將在課文的基礎上進一步對人的可靠性、人為差錯和人的安全性的分析，還將介紹汽車上的一些防護措施。10.2人機系統(tǒng)的可靠性人機可靠性是指任何一個有人參

35、與的工作系統(tǒng)，在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，無差錯地完成規(guī)定任務的能力。10.2.1人機系統(tǒng)可靠性評價人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程整體安全性分析與計算人-機-環(huán)境系統(tǒng)安全性的研究任務,就是試圖利用理論計算或實驗測試的方式,確定包含有人在內的整個系統(tǒng)的安全度。“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)的安全度是受人、機、環(huán)境3個因素的影響,也即系統(tǒng)的安全度是人、機、環(huán)境3個子系統(tǒng)的函數(shù),可以看作是功能串聯(lián)系統(tǒng)。通用表達式為: (1)式中, 為整個系統(tǒng)的安全度;為人的安全度;為機的安全度; 為環(huán)境的安全度。5系統(tǒng)設計的開始，首先要確定系統(tǒng)的可靠性指標，這是可靠性工程的第一步，也是十分關鍵的一步.如果不適當?shù)靥岢隹煽啃灾笜耍?/p>

36、可能帶來技術上的困難、資金和時間的浪費，也就會損害系統(tǒng)的其他價值目標6.在確定系統(tǒng)可靠性指標水平時，需要考慮以下基本原則和要求:l)要根據(jù)用戶或上級部門對系統(tǒng)的可靠性要求、使用目的及功能來確定可靠性指標;2)可靠性指標要有一定的先進性，否則影響系統(tǒng)質量降低產品競爭力;3)要考慮生產方制造工作的可靠性水平，注意指標的可行性;4)對于會涉及人身安全的系統(tǒng)，一般要采用長壽命、低失效率的設計;5)對復雜系統(tǒng)或采用先進工藝的產品，設計時可靠性一般不宜要求過高;而已通過考驗的產品，設計時應提出較高的可靠性要求；6)隨著研制工作的進展，可靠性指標可以適當修正，最后形成合理的可靠性指標.10.2.2系統(tǒng)可靠性

37、預測系統(tǒng)的可靠性與組成系統(tǒng)的單元數(shù)量、單元的可靠性及單元之間的關系有關.這里所說的單元相互關系主要是指功能關系.而不是單元之間的結構裝配關系.系統(tǒng)可靠性預測方法有分析法、模擬法兩大類.分析法就是建立起系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后進行數(shù)學運算.當系統(tǒng)很復雜難以建立數(shù)學模型時，則采用模擬法(也稱為蒙特卡洛法).在工程上應用較多的是數(shù)學模型法、界限法和故障樹分析法，以及一些近似的分析方法，如圖解法、相似法等.界限法系統(tǒng)的可靠性預測值將低于系統(tǒng)可靠度的上限，高于系統(tǒng)可靠度的下限.通過對系統(tǒng)可靠性模型的簡化、近似，可分別求出系統(tǒng)可靠性的上限值和下限值，然后經過綜合即得系統(tǒng)的可靠性預測值.界限法最主要的優(yōu)點是它不

38、要求邏輯圖中的元器件或零部件是獨立的，特別適用于串聯(lián)與非簡單冗余之外的復雜系統(tǒng).它已應用在阿波羅飛船的可靠性預測上，精度被實踐證明是可以滿足要求的.故障樹分析法故障樹分析法是在系統(tǒng)設計過程中，通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素、工藝制造等)進行分析，畫出故障樹，從而確定系統(tǒng)失效原因的各種組合方式及其發(fā)生概率，并計算系統(tǒng)失效概率，采取相應的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種分析方法.現(xiàn)在國際上已公認故障樹分析法是可靠性、安全性分析的一種簡單、有效、很有前途的方法.故障樹分析的主要步驟是:選擇和確定頂事件;建造故障樹;求故障樹的結構函數(shù);故障樹定性分析;故障樹定量計算.

39、故障樹分析法的特點是:l)直觀性強這是由于故障樹分析法是一種圖形演繹法，因而能把系統(tǒng)的故障與導致故障的諸因素形象地表現(xiàn)為故障譜.2)靈活性大故障樹分析法不僅能反映系統(tǒng)內部單元與系統(tǒng)故障的關系，還能反映環(huán)境因素和人為失誤對系統(tǒng)故障的影響.3)通用性好它除了適用于工程需要之外，還適用于分析國民經濟大系統(tǒng)的運行，對社會問題、軍事行動決策也很有用. 610.3人的可靠性10.3.1人的失誤及其可靠性分析的發(fā)展方向不可否認,現(xiàn)有的人的失誤及其可靠性分析方法的研究和應用尚存在一定的不足,但它作為一種設計復雜系統(tǒng)和評價系統(tǒng)中人作業(yè)能力的方法,已在許多領域中得到了應用。由于人可靠性分析可以對人機系統(tǒng)中人失誤的

40、本質和失誤狀態(tài)進行有效的辨識,即使對人失誤率量度結果的精度有待提高,但人可靠性分析至少可以給人們提供一種定量人失誤的基準?；诖?人可靠性分析已從人們所認識的起始階段(50年代)邁入第2階段(90年代),上升到一門新學科的高度。盡管如此,由于所涉及課題的復雜性,至今許多問題未能真正突破,因此,在它的深入發(fā)展過程中,人的失誤及其可靠性分析的研究者和應用者尤其應關注如下問題:注意到人行為中的隨機因素并充分考慮時間變量;評價模型的復雜性、精度及多學科的交叉滲透;需要量化人失誤的模糊性和突變性;人行為形成因子間的交互影響及人失誤的社會因素;關注人與作業(yè)環(huán)境的適宜性與相關性;完善人的失誤數(shù)據(jù)的采集及其處

41、理方法,建立大容量的人失誤數(shù)據(jù)庫;等等。710.3.2人不安全行為產生的機理、原因及分類從操作者的角度看,人的行為模式可表示為:S-O-R,即刺激-心理加工-行為,如果把人腦看成一個加工系統(tǒng),則輸入的是刺激,輸出的是行為:刺激輸入思維加工系統(tǒng)輸出行為。根據(jù)上述行為模式,從生產行為的角度看,人的不安全行為主要是由于人感知環(huán)境信息的失誤,人大腦處理信息時作出錯誤的決策,動作器官沒能完成指定動作3方面原因引起的。從系統(tǒng)的角度看,也就是從更深的一層進行分析,人之所以出現(xiàn)行為失誤的原因,主要是由于人的心理、生理、管理決策、社會環(huán)境以及人機界面設計不協(xié)調等多方面原因所導致。其中人的生理方面的原因主要指人的

42、各種能力的限度,包括人的知覺、感覺、反應速度、體力、生物節(jié)律等;人的心理方面的原因主要指人的氣質、性格和情緒、注意等;管理決策方面的原因主要指不合理的作業(yè)時間,作業(yè)計劃,操作規(guī)程的不合理等;社會環(huán)境的原因包括物理環(huán)境和人際環(huán)境,即作業(yè)場所和人際關系的好壞;人機界面設計方面的原因主要指人機功能分配不當,工程設計上的不合理使人易失誤等等。510.3.3人的可靠性改進人的可靠性改進在人機環(huán)境系統(tǒng)中，人是決定因素，提高人的可靠性是提高系統(tǒng)可靠性的關鍵。人是各種因素的函數(shù)，為提高人的操作可靠性，要從以下方面作好工作:1） 改善工作環(huán)境、自然環(huán)境，增強人的可靠性.2） 加強培訓手段、提高專業(yè)素質、增強人的

43、可靠性. 6圖10-1 社會環(huán)境因素與人的目標行為及可靠性關系10.3.4安全裝置的設計安全設計的方法直接安全設計法：主要依據(jù)下面三個原理進行安全設計。安全存在原理：通過材料選擇、強度剛度穩(wěn)定性計算實現(xiàn)安全設計；有限損壞原理：當破壞無法避免時，選擇損失較小的零件破壞，以減小損失；冗余配置原理：有人身安全與重大設備損失時，采取冗余配置實現(xiàn)高可靠性。間接安全設計法：通過防護系統(tǒng)與保護裝置來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠性。提示性安全設計法：事故與危險發(fā)生前，通過指示燈閃亮、警鈴發(fā)出警報聲提醒注意，達到安全設計的目的。8產品安全設計內容主要由三個方面組成：產品結構的安全設計，消除或減小產品危險與風險的主要途徑與

44、措施；產品人機界面安全設計。人機界面分類及特點安全行為理論人的行為受個性心理、社會心理、社會和環(huán)境等因素的影響，因而，生產中引起人的不安全行為、造成人的失誤和“三違”的原因是復雜的。因此，對于人為事故原因的分析就不能停留在“人因”這一層次上，應該進行更為深入的分析。例如在分析人的不安全行為表現(xiàn)時，應分清是生理或是心理的原因;是客觀還是主觀的原因。對于心理、主觀的原因，主要從人的內因人手，通過教育、監(jiān)督、檢查、管理等手段來控制和調整;對于生理或客觀的原因，除了需要管理和教育的手段外，更主要的是從物態(tài)和環(huán)境的方面進行研究，以適應人的生理客觀要求，減少人的失誤。安全裝置的目的是控制危險點，從而消除危

45、險點。一般的方法是采用防范，不讓身體部位進人危險點。其他的方法有切斷事故源，設立保護裝置等。對機械安全裝置的三個最重要的心理學要求是：1、好的安全裝置不可以被閑置；2、好的安全裝置應是完全安全的；3、好的安全裝置不妨礙生產。9還原法還原法是一種產品設計方法，它不是為了產品安全設計而生，但是可以有效的運用在產品安全設計當中，脫離原有產品的束縛，提升產品的安全性。使用還原法的過程是一個從具體到抽象，再回到具體的過程。抽象化的過程就是還原的過程。圖 10.2 所示為使用還原法的基本思路圖。圖中的新產品既可以是全新的，與原產品完全不同的，也可以是在原產品基礎上改良的。10圖10.3把運用還原法進行產品

46、安全設計的過程進行歸納，直觀的表現(xiàn)還原法的詳細使用過程。圖10.2 還原法的基本思路圖10.3運用還原法進行產品安全設計的過程10.4飛度1.5L汽車上的安全防護措施危險報警閃光燈（紅色背景，白色三角圖形，易辨認，對人起危險的暗示作用），是一種提醒其他車輛與行人注意本車發(fā)生了特殊情況的信號燈。應當開啟危險報警閃光燈的幾種情況：在高速公路上發(fā)生故障時，牽引故障機動車時，運送危急病人時，車輛發(fā)生交通事故時，道路上臨時停車時，教練車正在練習等。 車前左右都有三角形的透視窗口，增加駕駛員的視野，減少視野死角氛圍，增強行車安全性。同樣，后視鏡能增加倒車的安全性。安全氣囊、安全帶等能保護駕駛員的行車安全。

47、通過儀表燈等可了解汽車的基本狀態(tài)，如機油燈，可判斷機油系統(tǒng)是否出問題。通過手剎可保證駐車安全。第十一章 人機系統(tǒng)總體設計11.1總體設計的程序人一機系統(tǒng)的設計步驟系統(tǒng)開發(fā)的各階段各階段的主要內容人機工程學專家的工作事例明確系統(tǒng)的重要性目標的設定人員的特性、訓練等的調查預測使命的確認從安全和舒適性方面對系統(tǒng)的必要條件進行復核以及對人員的士氣進行預測等運用條件的確認系統(tǒng)分析與系統(tǒng)計劃系統(tǒng)必要條件的明細化統(tǒng)性能的判定系統(tǒng)機能的分析實施系統(tǒng)的總體輪廓系統(tǒng)構思的發(fā)展（各種可能構思的分析與評價）人與機的任務分配與各種方案系統(tǒng)性能變化的調研與評價關聯(lián)各個性能的作業(yè)分析調查決定必要的信息，確定顯示與控制的種類

48、系統(tǒng)設計預備設計（大綱的設計）準備適用的可能的人機工程學資料細節(jié)設計人機工程學的設計標準提示等關于信息與控制必要性的研究與實現(xiàn)方法的選擇及開發(fā)（潛在的要求及最繁忙異常時的要求） 作業(yè)性（工作方便）的研究居住性的研究具體的設計決定構成系統(tǒng)的最終方案及其實現(xiàn)步驟的意見最終決定人機間的機能分配各作業(yè)中為了正確判斷而必須的信息、聯(lián)絡、執(zhí)行等對安全性的考慮防止士氣、情緒下降的措施顯示、控制裝置的選擇與設計控制板的配置計劃提高安全性的措施空間設計、人員與機器的布置決定照明、溫度、防噪等環(huán)境條件系統(tǒng)的考核與評價計劃階段的評價模型制作階段原始樣式判斷考核模型的缺陷變更設計的意見設計圖階段的評價模型或操縱訓練用

49、模擬裝置的人機關系評價評價基準的設定（包含考核方法、資料的種類、分析法等）安全性、舒適性、對士氣意志的影響等的評價機械的設計變更，使用順序的變更人的作業(yè)內容的變更，人員、設備和訓練方式的改善等的建議，系統(tǒng)計劃內的調整生產以上幾項為準運用、維護以上幾項為準11.2總體設計的要點人機功能的分配功能分配：為了使系統(tǒng)達到最佳配備，在研究分析人和機器特性的基礎上，充分發(fā)揮人和機器的潛能，合理的將系統(tǒng)各項功能分配給人和機器的過程。人與機器的特性比較項 目 機人速度占優(yōu)延時1s邏輯推理擅長演繹擅長歸納計算快，精確；不會修正慢，易錯，善于修正可靠性較高；變化高；變化；應變強連續(xù)性長期易疲勞靈活性取決于設計高檢

50、測物理量的檢測范圍廣而準；能檢測到人不能檢測的電磁波 具有同認識直接聯(lián)系的高度檢測能力；沒有固定的標準值，易產生飄移；具有味覺、嗅覺和觸覺 輸入靈敏度某些感覺超人（如電離輻射）受某些因素影響智力無操作處理能力操作力、速度、范圍等及處理固、液、氣方面強自由度大，靈巧功率輸出恒定，可極大、極小大小與時間有關記憶適于文字再現(xiàn)、長期儲存擅長原則、策略的記憶視覺能感受和利用紅外線等電磁波有限成本購置、運轉、保養(yǎng)費工資、福利、照顧、保險等，生命比較分配原則：通過人與機器的特性比較，進行客觀的和符合邏輯的分配。剩余分配原則：在功能分配時，首先考慮機器所能承擔的系統(tǒng)功能，然后將剩余部分功能分配給人。經濟分配原

51、則：以經濟效益為原則，合理恰當?shù)剡M行人機功能分配。宜人分配原則：系統(tǒng)的功能分配要適合于人的生理和心理的多種需求，有意識地發(fā)揮人的技能。彈性分配原則：即系統(tǒng)的某些功能可以同時分配給人或機器，人可以自由選擇參與系統(tǒng)行為的程度。11.3總體設計的評價11.3.1人機系統(tǒng)評價要點1、人、機系統(tǒng)功能分配是否合理2、手、腳負荷是否合理3、手操縱時的動作距離、順序是否合理4、操作范圍的尺度按第幾百分位數(shù)設計5、人的作業(yè)舒適性6、是否采取了防止誤操作的措施7、系統(tǒng)安全性、可靠性分析評價8、環(huán)境條件是否利于作業(yè)順利進行11.3.2評價方法評價方法有連接分析法、失效樹分析、作業(yè)分析、檢查表等，下面逐次介紹。連接分析法連接分析法是綜合應用感知類型、使用頻率、作業(yè)負荷和適應性，分析評價信息傳遞的方法。是一種對已設計好的人、機、過程和系統(tǒng)進行評價的簡便方法。表達人-機、人-人、機-機間的操作、視覺、聽覺、行走等關系。 目的：根據(jù)視