第13章 三維繪制基礎(chǔ)與簡單圖形的繪制

1、Human Factors lab, Management School, Xian Jiaotong University, China人因工程西安交通大學管理學院西安交通大學管理學院孫林巖教授孫林巖教授Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY篇章總匯篇章總匯總論總論o第第1 1章章 人因工程概述人因工程概述o第第2 2章章 人因工程的研究方法與工具人因工程的研究方法與工具基礎(chǔ)篇基礎(chǔ)篇o第第3 3章章 人體測量人體測量o第第4 4章章 人體生理特性人體生理特性o第第5 5章章 人的心理認知特征人的

2、心理認知特征o第第6 6章章 人的信息處理人的信息處理o第第7 7章章 人的作業(yè)環(huán)境人的作業(yè)環(huán)境應(yīng)用篇應(yīng)用篇o第第8 8章章 作業(yè)空間設(shè)計作業(yè)空間設(shè)計o第第9 9章章 肌肉骨骼失調(diào)及其預(yù)防肌肉骨骼失調(diào)及其預(yù)防o第第1010章章 腦力負荷與腦力工作績效提升腦力負荷與腦力工作績效提升o第第1111章章 人機界面設(shè)計人機界面設(shè)計擴展篇擴展篇o第第1212章章 可用性可用性o第第1313章章 安全性安全性Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY第第1010章章 腦力負荷與腦力工作績效提升腦力負荷與腦力工作績

3、效提升o 腦力負荷概述腦力負荷概述o 腦力負荷的測量方法腦力負荷的測量方法o 腦力負荷的預(yù)測方法腦力負荷的預(yù)測方法o 腦力工作效率提升腦力工作效率提升Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY10.1 10.1 腦力負荷概述腦力負荷概述o 腦力負荷的定義腦力負荷的定義 腦力負荷（腦力負荷（mental workload）是體力負荷相對應(yīng)，也可稱為）是體力負荷相對應(yīng)，也可稱為心理負荷、精神負荷、腦負荷、腦力負擔等；心理負荷、精神負荷、腦負荷、腦力負擔等； 腦力負荷表示人在工作中的心理壓力。腦力負荷表示人

4、在工作中的心理壓力。 目前對腦力負荷的定義沒用嚴格統(tǒng)一的描述，以下幾種是比目前對腦力負荷的定義沒用嚴格統(tǒng)一的描述，以下幾種是比較有代表性的模式：較有代表性的模式： 腦力負荷是人在工作時的信息處理速度。腦力負荷是人在工作時的信息處理速度。 腦力負荷是工作者用于執(zhí)行特定任務(wù)時使用的那部分信息處腦力負荷是工作者用于執(zhí)行特定任務(wù)時使用的那部分信息處理能力。理能力。 腦力負荷不僅與任務(wù)有關(guān)，也與個體有關(guān)。腦力負荷不僅與任務(wù)有關(guān)，也與個體有關(guān)。 腦力負荷是為人們?yōu)闈M足客觀和主觀的業(yè)績標準而付出的注腦力負荷是為人們?yōu)闈M足客觀和主觀的業(yè)績標準而付出的注意力大小，它與任務(wù)需求、社會支持和個體的經(jīng)歷有關(guān)。意力大小

5、，它與任務(wù)需求、社會支持和個體的經(jīng)歷有關(guān)。 腦力負荷是衡量人的信息處理系統(tǒng)工作時被使用情況的一個腦力負荷是衡量人的信息處理系統(tǒng)工作時被使用情況的一個指標，并與人的閑置未用的信息處理能力成反比。指標，并與人的閑置未用的信息處理能力成反比。 Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY10.1 10.1 腦力負荷概述腦力負荷概述o 腦力負荷與工作績效的關(guān)系腦力負荷與工作績效的關(guān)系 “三階段三階段”模式模式Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jia

6、otong UNIVERSITY10.1 10.1 腦力負荷概述腦力負荷概述o 腦力負荷與工作績效的關(guān)系腦力負荷與工作績效的關(guān)系 “倒倒U型型”模式模式Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY10.2 10.2 腦力負荷的測量方法腦力負荷的測量方法o 工作測量法工作測量法 主任務(wù)測量法主任務(wù)測量法 副任務(wù)測量法副任務(wù)測量法o 生理測量法生理測量法 心電活動測量法心電活動測量法 眼電活動測量法眼電活動測量法 腦活動測量法腦活動測量法 磁共振成像技術(shù)磁共振成像技術(shù) o 主觀測量法主觀測量法 庫柏一哈柏量

7、表、主觀負荷評估法等庫柏一哈柏量表、主觀負荷評估法等 Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY1、工作測量法、工作測量法 主任務(wù)測量法主任務(wù)測量法假設(shè)操作者在工作中同假設(shè)操作者在工作中同時要做兩個任務(wù)，但只將時要做兩個任務(wù)，但只將其主要精力放在其中一個其主要精力放在其中一個任務(wù)上任務(wù)上 。常用的主任務(wù)測量法主常用的主任務(wù)測量法主要是對速度和準確度的測要是對速度和準確度的測量量 。主任務(wù)測量法通過測量主任務(wù)測量法通過測量操作人員執(zhí)行主任務(wù)的表操作人員執(zhí)行主任務(wù)的表現(xiàn)來反映主任務(wù)腦力負荷現(xiàn)來反映主任務(wù)腦

8、力負荷的輕重。的輕重。 工作測量法工作測量法 以工作者在執(zhí)行工作時的表現(xiàn)作為腦以工作者在執(zhí)行工作時的表現(xiàn)作為腦力負荷的衡量指標，反映了操作者在模擬力負荷的衡量指標，反映了操作者在模擬或?qū)嶋H操作環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力或?qū)嶋H操作環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力 副任務(wù)測量法副任務(wù)測量法副任務(wù)測量也可稱次任副任務(wù)測量也可稱次任務(wù)測量法。務(wù)測量法。采用這種方法的前提是采用這種方法的前提是：人是有限能力的單通道：人是有限能力的單通道信息處理器信息處理器 它通過測量人們完成副它通過測量人們完成副任務(wù)的表現(xiàn)間接反映主任任務(wù)的表現(xiàn)間接反映主任務(wù)的腦力負荷大小。務(wù)的腦力負荷大小。它是反映操作人員做主它是反映操作人員做主任務(wù)時

9、剩余能力的一個指任務(wù)時剩余能力的一個指標標。Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY2、生理測量法、生理測量法o 生理測量法就是通過測量操作者的某些生理指生理測量法就是通過測量操作者的某些生理指標的變化來反映其腦力負荷水平的改變。標的變化來反映其腦力負荷水平的改變。o 生理測量法的最大優(yōu)點是客觀性和實時性，并生理測量法的最大優(yōu)點是客觀性和實時性，并且不影響工作任務(wù)執(zhí)行的情況下進行連續(xù)的監(jiān)且不影響工作任務(wù)執(zhí)行的情況下進行連續(xù)的監(jiān)測。測。o 常用的生理測量法有三類：心電活動相關(guān)指標、常用的生理測量法有三

10、類：心電活動相關(guān)指標、眼活動相關(guān)指標以及腦活動相關(guān)指標。眼活動相關(guān)指標以及腦活動相關(guān)指標。 Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY2、生理測量法、生理測量法心電活動測量法心電活動測量法o 心電活動測量法心電活動測量法 心電活動測量法一般采用心電監(jiān)護儀、多導(dǎo)生理儀心電活動測量法一般采用心電監(jiān)護儀、多導(dǎo)生理儀等儀器記錄心電圖，將信號放大后分析心電活動變等儀器記錄心電圖，將信號放大后分析心電活動變化，其中以心率及心率變異性與腦力負荷的關(guān)系研化，其中以心率及心率變異性與腦力負荷的關(guān)系研究較多。究較多。例如

11、例如Wilson研究了飛行訓練研究了飛行訓練中工作負荷與多種生理指標的中工作負荷與多種生理指標的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)心率和心率變異性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)心率和心率變異性在不同的飛行階段變化非常顯在不同的飛行階段變化非常顯著，腦力負荷加重時心率加快，著，腦力負荷加重時心率加快，而心率變異性則減少。而心率變異性則減少。Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY2、生理測量法、生理測量法眼電活動測量法眼電活動測量法o 眼電活動測量法眼電活動測量法 研究腦力負荷和眼電活動的關(guān)系時，一般通過眼動研究腦力負荷和眼電活動的關(guān)系時，一般

12、通過眼動儀等儀器記錄眼電圖信號，然后通過電腦將信號放儀等儀器記錄眼電圖信號，然后通過電腦將信號放大，分析不同腦力負荷下眨眼信號的變化。大，分析不同腦力負荷下眨眼信號的變化。 眨眼是人的一種正常的保眨眼是人的一種正常的保護性生理反應(yīng)，人們在自然護性生理反應(yīng)，人們在自然情況下也可發(fā)生眨眼現(xiàn)象。情況下也可發(fā)生眨眼現(xiàn)象。但眨眼率可隨所執(zhí)行的任務(wù)但眨眼率可隨所執(zhí)行的任務(wù)而發(fā)生變化，提高任務(wù)要求而發(fā)生變化，提高任務(wù)要求可使眨眼率降低。可使眨眼率降低。 有研究表明隨工作任務(wù)難有研究表明隨工作任務(wù)難度的增加，相鄰兩次眨眼間度的增加，相鄰兩次眨眼間隔時間延長，眨眼率會下降。隔時間延長，眨眼率會下降。Team o

13、f Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY2、生理測量法、生理測量法腦活動測量法腦活動測量法o 腦電活動測量法：主要有腦電活動測量法：主要有ERP和和EBM兩種。兩種。 腦事件相關(guān)電位測量法腦事件相關(guān)電位測量法（Event-related Potential，ERP）n 與腦的認知活動密切相關(guān)，是近年來比較新的腦力負荷評價與腦的認知活動密切相關(guān)，是近年來比較新的腦力負荷評價指標。指標。n 腦活動特別是其中的晚發(fā)正波成份腦活動特別是其中的晚發(fā)正波成份P300與認知活動關(guān)系最為與認知活動關(guān)系最為密切，被認為是腦認知活

14、動的窗口，可反映任務(wù)的腦力負荷，密切，被認為是腦認知活動的窗口，可反映任務(wù)的腦力負荷，其波幅可以反映誘發(fā)其產(chǎn)生的刺激任務(wù)的腦力資源的多少。其波幅可以反映誘發(fā)其產(chǎn)生的刺激任務(wù)的腦力資源的多少。 腦地形圖腦地形圖（Electrical Brain Mapping，EBM）。）。n 腦地形圖是利用頭皮電極和微機技術(shù)研究腦誘發(fā)電位的時間腦地形圖是利用頭皮電極和微機技術(shù)研究腦誘發(fā)電位的時間和空間變化的一種方法。和空間變化的一種方法。n 由于作業(yè)的種類和難度的不同，頭部電活動類型和腦誘發(fā)電由于作業(yè)的種類和難度的不同，頭部電活動類型和腦誘發(fā)電位成分有明顯的差異，我們可以運用這種差異研制功能性腦位成分有明顯的

15、差異，我們可以運用這種差異研制功能性腦地圖集，并預(yù)示可以運用這種地圖集確定各種認知作業(yè)間的地圖集，并預(yù)示可以運用這種地圖集確定各種認知作業(yè)間的認知功能的相似處和差異，進而探討作業(yè)腦力負荷。認知功能的相似處和差異，進而探討作業(yè)腦力負荷。 Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY2、生理測量法、生理測量法磁共振成像技術(shù)磁共振成像技術(shù) （MRI）o MRI在腦力負荷的研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。在腦力負荷的研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。o 各種認知活動在功能上都有高靈敏度的顯示成像工作方各種認知活動在功能上都有

16、高靈敏度的顯示成像工作方式，我們可以檢測到作業(yè)前后信號強度變化的大式，我們可以檢測到作業(yè)前后信號強度變化的大小和速度，通過小和速度，通過“差圖法差圖法”或或“信號強度信號強度時間時間”關(guān)系關(guān)系曲線，可以直觀描述信號強度的變化規(guī)律，分析認知作曲線，可以直觀描述信號強度的變化規(guī)律，分析認知作業(yè)的種類和腦力負荷。業(yè)的種類和腦力負荷。Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY3、主觀測量法、主觀測量法o 主觀測量法是最簡單也是最流行的腦力負荷評定方法。主觀測量法是最簡單也是最流行的腦力負荷評定方法。o 主觀測

17、量法的理論基礎(chǔ)是操作者腦力資源的占用與個人主觀測量法的理論基礎(chǔ)是操作者腦力資源的占用與個人的努力程度是相關(guān)的，并且這種努力程度能夠由操作者的努力程度是相關(guān)的，并且這種努力程度能夠由操作者準確表達出來。準確表達出來。o 主觀評價法操作簡單，使用方便，容易為操作人員所接主觀評價法操作簡單，使用方便，容易為操作人員所接受，對任務(wù)也沒什么干擾，受，對任務(wù)也沒什么干擾，o 使用統(tǒng)一的維度進行評定，可以對不同任務(wù)的負荷結(jié)果使用統(tǒng)一的維度進行評定，可以對不同任務(wù)的負荷結(jié)果進行比較，它不僅能區(qū)分超負荷與非超負荷，且對中、進行比較，它不僅能區(qū)分超負荷與非超負荷，且對中、低負荷的變化也較敏感。低負荷的變化也較敏感

18、。o 用于腦力負荷評價的主觀測量方法很多，主要分為多因用于腦力負荷評價的主觀測量方法很多，主要分為多因素評價法和單因素評價法兩類。素評價法和單因素評價法兩類。Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY3、主觀測量法、主觀測量法CH量表量表o CH量表是由量表是由Cooper和和Harper在在1969年提出的用于評年提出的用于評價飛機駕駛難易程度的一種圖表式主觀方法。價飛機駕駛難易程度的一種圖表式主觀方法。 該方法把飛機駕駛該方法把飛機駕駛的難易程度分為的難易程度分為10個等級，飛行員在個等級，飛行員

19、在駕駛飛機后，根據(jù)駕駛飛機后，根據(jù)自己的經(jīng)驗和感覺，自己的經(jīng)驗和感覺，對照各種困難程度對照各種困難程度的定義，作出對該的定義，作出對該種飛機的評價。種飛機的評價。Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY3、主觀測量法、主觀測量法-SWAT量表量表 o SWAT量表是由美國空軍某基地航空醫(yī)學研究所開發(fā)的量表是由美國空軍某基地航空醫(yī)學研究所開發(fā)的一個多維腦力負荷評價量表。一個多維腦力負荷評價量表。o 該量表由三個維度組成，即時間負荷、努力負荷和心理該量表由三個維度組成，即時間負荷、努力負荷和心理緊張負荷

20、。緊張負荷。 時間負荷反映了人們執(zhí)行任務(wù)過程中可用的空閑時間的多少；時間負荷反映了人們執(zhí)行任務(wù)過程中可用的空閑時間的多少； 努力負荷反映了執(zhí)行任務(wù)需要付出多大的努力；努力負荷反映了執(zhí)行任務(wù)需要付出多大的努力； 心理緊張負荷測量的是執(zhí)行任務(wù)過程中產(chǎn)生的焦慮、不稱心心理緊張負荷測量的是執(zhí)行任務(wù)過程中產(chǎn)生的焦慮、不稱心等心理狀態(tài)表現(xiàn)的程度。等心理狀態(tài)表現(xiàn)的程度。 o 采用采用SWAT量表進行腦力負荷評價分兩個步驟量表進行腦力負荷評價分兩個步驟量表開發(fā)階段量表開發(fā)階段評分階段評分階段Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UN

21、IVERSITY10.3 10.3 腦力負荷的預(yù)測方法腦力負荷的預(yù)測方法o 腦力負荷的測量方法的應(yīng)用重點是在人機系統(tǒng)設(shè)計后的腦力負荷的測量方法的應(yīng)用重點是在人機系統(tǒng)設(shè)計后的使用階段的腦力負荷評價。在很多情況下，我們更多的使用階段的腦力負荷評價。在很多情況下，我們更多的需要考慮在系統(tǒng)設(shè)計之前的腦力負荷評估。這就涉及導(dǎo)需要考慮在系統(tǒng)設(shè)計之前的腦力負荷評估。這就涉及導(dǎo)對腦力負荷的預(yù)測問題。對腦力負荷的預(yù)測問題。o 對腦力負荷的預(yù)測主要采用分析的方法。本節(jié)就介紹幾對腦力負荷的預(yù)測主要采用分析的方法。本節(jié)就介紹幾個有代表性的預(yù)測模型。個有代表性的預(yù)測模型。 Siegel和和Wolf的時間壓力模型的時間壓

22、力模型 波音公司的腦力負荷預(yù)測方法波音公司的腦力負荷預(yù)測方法 Aldrich的腦力負荷預(yù)測方法的腦力負荷預(yù)測方法 Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY1、 Siegel和和Wolf的時間壓力模型的時間壓力模型 o 20世紀世紀60年代，年代，Siegel和和Wolf開發(fā)了一個以人為中心開發(fā)了一個以人為中心的人機計算機模擬系統(tǒng)，在這個計算機模擬中，人的的人機計算機模擬系統(tǒng)，在這個計算機模擬中，人的負荷情況是影響人一機系統(tǒng)效率的最主要的因素。負荷情況是影響人一機系統(tǒng)效率的最主要的因素。o 腦力負荷可

23、以用腦力負荷可以用“壓力壓力”這個變量來表示。壓力主要受這個變量來表示。壓力主要受以下四個方面的影響以下四個方面的影響 操作人員的工作速度；操作人員的工作速度； 工作同伴帶來的工作壓力；工作同伴帶來的工作壓力； 重復(fù)工作帶來的工作壓力；重復(fù)工作帶來的工作壓力； 被迫等到機器作出反應(yīng)帶來的煩躁和壓力。被迫等到機器作出反應(yīng)帶來的煩躁和壓力。 Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY1、 Siegel和和Wolf的時間壓力模型的時間壓力模型 （續(xù)）（續(xù)）o 時間壓力模型最基本的假定是人對還剩有多少時間可以

24、時間壓力模型最基本的假定是人對還剩有多少時間可以用來完成任務(wù)的判斷。這個判斷的結(jié)果就是時間壓力。用來完成任務(wù)的判斷。這個判斷的結(jié)果就是時間壓力。時間壓力影響到操作人員的操作速度。時間壓力影響到操作人員的操作速度。o Siegel和和Wolf的模型的主要目的是預(yù)測人能否完成他的模型的主要目的是預(yù)測人能否完成他被賦予的在系統(tǒng)中的使命。被賦予的在系統(tǒng)中的使命。o Siegel和和Wolf認為時間壓力可以被定量的描述。他們認為時間壓力可以被定量的描述。他們把時間壓力定義為完成任務(wù)所需要的時間與給定的完成把時間壓力定義為完成任務(wù)所需要的時間與給定的完成任務(wù)之比即：任務(wù)之比即： TP=TD/TA 其中：其

25、中：TP是時間壓力，是時間壓力，TD是完成任務(wù)需要的時間，是完成任務(wù)需要的時間，TA是給出的完成任務(wù)的時是給出的完成任務(wù)的時間）間）Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY2、波音公司的腦力負荷預(yù)測方法、波音公司的腦力負荷預(yù)測方法 o 從波音從波音737開始，飛機上開始用電子計算機顯示和控制開始，飛機上開始用電子計算機顯示和控制系統(tǒng)，波音公司提出了用時間研究的方法分析人的業(yè)績系統(tǒng)，波音公司提出了用時間研究的方法分析人的業(yè)績的可能性問題。的可能性問題。o Stern等人把這種方法擴展到用操作人員的能力

26、和剩余等人把這種方法擴展到用操作人員的能力和剩余的能力，來估算人的負荷比例。的能力，來估算人的負荷比例。o Smith提出用時間占有率作為負荷比例。時間占有率是提出用時間占有率作為負荷比例。時間占有率是完成任務(wù)所需要的時間與給出的完成任務(wù)時間之比。完成任務(wù)所需要的時間與給出的完成任務(wù)時間之比。Team of Prof. Sun L. Y. School of managementXian Jiaotong UNIVERSITY3、 Aldrich的的腦腦力力負負荷荷預(yù)測預(yù)測方法方法 o 工作分析階段工作分析階段在這一階段把操作人員在系統(tǒng)中應(yīng)該完成的任務(wù)按照在這一階段把操作人員在系統(tǒng)中應(yīng)該完成的

27、任務(wù)按照“系統(tǒng)一使命一階段系統(tǒng)一使命一階段性使命一功能一任務(wù)一行為一人工作的部位性使命一功能一任務(wù)一行為一人工作的部位”的順序逐級進行分解。的順序逐級進行分解。o 估計每項任務(wù)所需要的時間估計每項任務(wù)所需要的時間任務(wù)可分為間斷性任務(wù)和連續(xù)性任務(wù)兩大類。時間的確定就比較困難。主任務(wù)可分為間斷性任務(wù)和連續(xù)性任務(wù)兩大類。時間的確定就比較困難。主要是根據(jù)專家的意見確定的。要是根據(jù)專家的意見確定的。o 確定人的各個部位被占用的情況確定人的各個部位被占用的情況人的工作系統(tǒng)分為感覺、認知、反應(yīng)三個子系統(tǒng)。感覺又可分為視覺、聽人的工作系統(tǒng)分為感覺、認知、反應(yīng)三個子系統(tǒng)。感覺又可分為視覺、聽覺、觸覺。這樣人的工作系統(tǒng)被分為五個可以同時工作的子系統(tǒng)。覺、觸覺。這樣人的工作系統(tǒng)被分為五個可以同時工作的子系統(tǒng)。o 確定工作內(nèi)容的腦力負荷，確定工作內(nèi)容的腦力負荷，在本方法中，每一個子系統(tǒng)的腦力負荷定在在本方法中，每一個子系統(tǒng)的腦力負荷定