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人机工程学及其应用  
 

  我们看到有越来越多的厂商将“以人为本”、“人体工学的设计”作为产品的特点来进行广告宣传,特别是计算机和家具等与人体直接接触的产品更为突出。实际上,让机器及工作和生活环境的设计适合人的生理心理特点,使得人能够在舒适和便捷的条件下工作和生活,人机工程学就是为了解决这样的问题而产生的一门工程化的科学。这里向大家介绍人机工程学的起源、应用和发展前景。

1.电话机的设计是人机工程学的发端

提起人机工程学首先要介绍一个人物――亨利·德雷夫斯(Henry Dreyfess,1903-1972),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年他建立了自己的工业设计事务所。他1930年开始与贝尔公司合作,德雷夫斯坚持设计工业产品应该考虑的是高度舒适的功能性,提出了“从内到外(from the inside out)”的设计原则,贝尔公司开始认为这种方式会使电话看来过于机械化,但经过他的反复论证,公司同意按照他的方式设计电话机。这以后德雷夫斯的一生都与贝尔电话公司有结缘,他是影响现代电话形式的最重要设计师。

  大家知道自从贝尔先生发明电话机以来的相当长时间,贝尔公司是美国具有垄断地位的最大的电话公司和电话生产厂家,基本不受竞争的威胁。因而,德雷夫斯可以比较少的考虑外型设计在市场上的竞争效果,而更多地集中在电话机的完美功能性设计方面。 贝尔公司1927年首次引进横放电话筒,改变了以往纵放电话筒的设计,1937年德雷夫斯提出了从功能出发,听筒与话筒合一的设计。德雷夫斯设计的300型电话机,今天看起来虽然老式,但这一设计首次把过去分为两部分、体积很大的电话机缩小为一个整体。由于这个设计的成功,使贝尔公司与德雷夫斯签订了长期的设计咨询合约。

  五十年代初期,制作电话机的材料由金属转为塑料,从而基本确定了现代电话机的造型基础。到五十年代末,德雷夫斯已经设计出一百多种电话机。德雷夫斯的电话机因此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它研究成果是在1955年以来他为约翰·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,特点是外型简练,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。

2.人机工程学的研究方向

  人机工程学现在已发展为一门多学科交叉的工业设计学科,研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调,研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域,研究的目的则是通过各学科知识的应用,来指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造,使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。 人机工程学从不同的学科、不同的领域发源,又面向更广泛领域的研究和应用,是因为人机环境问题是人类生产和生活中普遍性的问题。其发源学科和地域的不同,也引起了学科名称长期的多样并存,在英语中,主要有Ergonomics(欧洲的提法)、Human
Engineering(美国的提法)等,在汉语中,则还有“人类工效学”、“人类工程学”和“人体工学”等表述。我国一般把“人类工效学”作为这个学科的标准名称, 而“人机工程学”的叫法更为普遍。总之,人类和工效的研究和人机关系是这个学科的核心内容。 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,因为战争中复杂武器的发展,使得人机协调问题的突然激化。例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,进而带动了有关的技术和方法的迅速发展。

  人机工程的应用领域是十分广泛的,几乎涉及人类工作和生活的各个方面。下面列出几大类主要应用方向:

(1)人体工作行为解剖学和人体测量;工作事故,健康与安全   包括人体测量和工作空间设计;姿势和生物力学负荷研究;与工作有关的骨骼、肌肉管理问题;健康人机工程;安全文化与安全管理;安全文化评价与改进

(2)认知工效学和复杂任务;环境人机工程

  认知技能和决策研究;环境状况和因素分析;工作环境人机工程

(3)计算机人机工程;显示与控制布局设计;人机界面设计与评价

  软件人机工程;计算机产品和外设的设计与布局;办公环境人机工程研究;人机界面形式

(4)专家论证:多工作环境;人的可靠性

  专家论证调查研究;法律人机工程;伤害原因;人的失误和可靠性研究;诉讼支持;

(5)工业设计应用

  医疗设备;坐的设计与舒适性研究;家具分类与选择;工作负荷分析;

(6)管理与人机工程

  人力资源管理;工作程序;人机规则和实践;手工操作负荷

(7)办公室人机工程与设计;医学人机工程

  办公室和办公设备设计;心理生理学;行为标准;三维人体模型

(8)系统分析;产品设计与顾客;军队系统;

  组织心理学;产品可靠性与安全性;服装人机工程;三维人体模型;军队人机工程;自动语音识别;

(9)人机工程战略;社会技术系统;暴力评估与动机;

(10)可用性评估与测试;可用性审核;可用性评估;可用性培训;试验与验证;仿真与试验;仿真研究;仿真与原型;

3.人机工程学的应用方向

  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。

  最常见的如青少年的学习姿势不当会导致近视眼。为了防止写字时驼背和近视眼,人们曾设计出各种姿势纠正器具,来限制弓腰,使学生写字时保持直坐姿势。这些器具未必使学生满意。问题的关键是:人的眼睛是向前长在脸上的,适合于正面的观察,而看书和写字要求面部向下倾斜,这时要挺直脊柱,必然导致颈部弯曲角度加大。如果又要挺胸又要直颈,就只好使劲向下撇眼睛。实际上,在作业中自然形成的适度的驼背姿势,把这个角度的扭曲交由脊柱、颈部和眼睛来共同分担,倒可能是更适合人的生理特性的姿势。这个问题合理的解决办法是让桌面具有适当的斜度,另外椅座应该设计为具有瀑布形的前缘,所以相应的桌椅设计是最重要的。

  类似的问题,也出现在操作计算机的上机姿势中。一般情形下操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成肩颈部的静态疲劳,使得操作员不便背部后靠在椅子靠背上工作,而当操作员脱离靠背又手臂悬空时,体重就全部需要由脊柱
来承担,其结果或者是腰背的疲劳酸痛,或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背,或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。

  又如大客车座椅,或者老板椅的靠背上部,都有一道鼓起来的凸包。从设计上来说,这道凸包本来是用来垫靠颈部的凹处,使人的头颈更舒服的。而对于大多数中国人来说,这个凸包常常是顶在后脑勺,使得当身体后靠在椅背时,不得不稍稍低头。问题的出现
是由于这些座椅的设计是从国外引进,而生产者在尺寸上完全照搬。由于中国人的身材较西方人小,就成为现在这样的结果。

  随着信息化社会的到来,在计算机人机接口方面已经进入沟通和智能交互的时代,基于语音的应用和笔等自然的人机交互手段开始进入实用阶段。像电脑触摸屏、光电笔输入设备,实现了书写手感自然舒适,与用笔在纸上移动的感觉相似。笔可以代替鼠标,使用者用电脑笔击点触摸屏,就可以完成电脑操作;笔也可代替键盘,直接在显示屏上书写;此外汉字形变连笔的汉字识别问题也解决了。还有IBM的语音识别技术,尤其是中文语音识别技术产品Via Voice实现了“你读计算机能够识别出来”。这样使未受过专业训练的普通百姓也能利用计算机与大家共同交流了。

4.人机工程学在中国的发展

  中国人机工程学研究是从本世纪三十年代开始的,但系统和深入的开展则在改革开放以后。1980年4月,国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会。1984年,国防科工委成立了国家军用人-机-环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立,有力地推动了我国人机工程学研究的发展。1989年又成立了中国人类工效学学会,再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。

  如北京航空航天大学设立了人机环境专业的教学和科研;北京医科大学公共卫生学院也开展了包括坐姿作业导致的肌肉骨骼劳损、粉尘污染致癌等职业病学的研究,同时也就涉及到作业姿势,作业环境评价等方面的人机工程学的研究。 人机工程学在中国的进展和发达国家相比有相当大的距离。随着我国科技和经济的发展,人们对工作条件、生活品质的要求也逐步提高,对产品的人机工程特性也会日益重视。我们高兴地看到看到目前市场上的琳琅满目的产品,有许多也是充分考虑了人性
化的需求。

  需要指出的是,人机工程学在我国不仅有待研究和提高,更需宣传和普及。

5.展望二十一世纪的人机工程学

  二十一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。

  下一个世纪技术人性化的最大体现将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。盖茨的《未来之路》、尼葛洛庞帝的《数字化生存》和美国前副总统戈尔的“数字地球”的讲演都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。 在二十一世纪,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。

  在人的技术化方面,一方面人自觉和主动地进行学习、接受训练和选拔,从而获得更大的能力;另一方面也会被动地和不自觉地接受技术的约束,和形成对技术的依赖,后者例如使用计算器后心算能力的减退,继而使用电脑记事后记忆力的减退。 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。值得注意的是,和技术的人性化相比,人的技术化涉及到社会、文化、宗教层面的争论,而这样的争论就超出科技的范畴了。 “请问星期三从北京到上海的航班有哪些?”通过普通电话,用自然的语音交流方式,一位学生正试着从网上查找需要的信息。不久前英特尔公司在京办的一个研究论坛上,展示了其微处理器体系结构及人机界面领域的最新研究成果。英特尔微处理器研究试验室主任傅雷德·鲍莱克称:"现在人们一提上网就想到电脑,其实人们需要的并不是计算机,而是一个可以帮助人们工作的助手。人们希望能和电脑对话,用身体语言和它交流,甚至希望它能理解你的每一个暗示。计算机将从以机器为中心的界面转向更为人性化的界面。"

  随着人机工程学的应用和实践,我们相信这种情况就是不久的将来我们的生活中的场景。



 
 
 
 
 
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