（设计艺术学专业论文）SS9型电力机车驾驶室人机环境的评价及优化讨论.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 摘要 从1 9 6 8 年我国第一台电力机车诞生以来，我国的电力机车事业蓬勃发展。 出现了以韶山型电力机车为代表的一大批优秀车型。为我国的铁路运输事业乃 至我国的经济发展都做出了不可磨灭的贡献。我国的电力机车蓬勃发展的内在 动力不仅是所有机车人呕心沥血，努力奋斗的结果，更是与我国的特殊国情密 切联系的。众所周知，我国地大物博，幅员辽阔，但是由于我国的人口众多， 相对来说是一个能源相对缺乏的国家。电力机车所具备的以绿色能源为动力和 可持续发展的特性，符合了我们国家的能源结构需求，这便是电力机车在我国 长期发展的主要因素。 因此，提高我国电力机车设计水平，不仅是铁路运输行业的要求，更是我 国国民经济发展的重要需求。电力机车设计水平的提高依赖于行业整体素质的 提升，其中对电力机车驾驶室的设计是提高我国电力机车设计水平的重要环 节。 影响电力机车驾驶室设计的众多因素当中，最关键的是人的因素。因此， 有必要依据入机工程学针对国产电力机车驾驶室进行深入的研究。本文即是基 于这一点，以国产电力机车驾驶室为研究目标而开展的针对性研究，所选择的 具体车型是目前相对先进的国产s s 9 型电力机车。 首先，摆在研究者面前的第一个问题是，面对浩如烟海的数据及资料如何 进行选择和取舍，而本文秉承着以人为本的思想理念。本作者深入到生产第一 线的电力机车驾驶员当中去，以观摩、考察、问卷调查以及访谈的方式，获取 了大量的第一手资料。并查阅了大量的相关文献，为研究工作的开展打下了基 础。 第二，在调研结果的基础之上，本文利用数学的方法，对模糊的主观评价 问题进行非模糊化处理，并采用地趑歪麴选与缝睦金盛选对s s 9 型电力驾驶室 的人机环境进行评价。在工业设计专业当中，存在着大量的对模糊性目标的评 价问题，传统上的解决办法也是多种多样的。本文所采用的评价办法是在这一 问题上所做出的相依探讨，也希望为今后的研究者提供一定的参考。 第三，根据对s s 9 型电力机车驾驶室人机环境的各项评价，得到了明确的 最为突出的问题纠结点，并对相应的问题做出了更深入的人机工程分析。结合 相关设计规范对其中最为突出的一个问题提出改进性优化方案。再利用模糊评 价办法对方案进行筛选，得到一个相对良好的结果。 最后，希望本文在国产电力机车驾驶室设计研究上做出的努力能够为今后 的研究与开发提供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 关键词：人机工程学电力机车驾驶室评价优化设计 注：加权系数法：利用设置加权系数来确定各评价项目的重要性的一种评价方法 矩阵合成法：利用矩阵合成的方法来确定各评价项目的评价值的一种评价方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 a b s t r a c t s i n c et h ef i r s te l e c t r i cm o t o r c y c l eo fo u rc o u n t r yi n19 6 8w a sb o r n , t h ee l e c t r i c m o t o r c y c l eu n d e r t a k i n go fo u rc o u n t r yh a sg r o w nv i g o r o u s l y 珏el a r g eq u a n t i t i e so f o u t s t a n d i n gs t y l er e p r e s e n t e db ys h a o s h a nt y p ee l e c t r i cm o t o r c y c l eh a v ea p p e a r e d i t i sc a u $ ea n de v e nn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yo fr a i l w a y w a n s p o r t a t i o ni no u rc o u n t r yt h a th a v ea l lm a d ei n d e l i b l ec o n t r i b u t i o n r n 艳v i g o r o u s i n h e r e n tm o t i v ef o r c eo fe l e c t r i cm o t o r c y c l eo fo u rc o u n t r yi sn o tm e r e l yt h a ta l l m o t o r c y c l ep e o p l et a k ei n f i n i t e 弘l i l l s ，t h er e s u l tm a k i n gg r e a te f f o r t st os t r u g g l e ， m a i n t a i n e dc l o s et i e sw i t ht h es p e c i a ln a t i o n a lc o n d i t i o n so fo u rc o u n t r ye v e nm o r e a se v e r y o n ek n o w s ，o u rc o u n t r yi sw i t ha b u n d a n tr e s o u r c e s ，v a s ti nt e r r i t o r y , b u t b e c a u s eo u rc o u n t r yh a sal a r g ep o p u l a t i o n , i ti sc o m p a r a t i v e l yt h er e l a t i v e l ys c a r c e c o u n t r yo fap i e c eo fe n e r g y w h o me l e c t r i cm o t o r c y c l ep o s s e s s e sr e g a r dg r e e n e n e r g ya sm o t i v ef o r c e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , e n e r g y s t r u c t u r ed e m a n dt oa c c o r dw i t ho u rc o u n t r y , t h i s si nk e yf a c t o rt h a to u rc o u n t r y d e v e l o pf o ral o n gt i m ee l e c t r i cm o t o r c y c l e s o ，m e n t i o na n di se n o u g hf o rt h ed e s i g nl e v e lo fe l e c t r i cm o t o r c y c l eo fo u r c o u n t r y , i ti sn o tm e r e l yar e q u i r e m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nt r a d e ，i ti st h e i m p o r t a n td e m a n df o rn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ye v e nm o r e 1 1 l ei m p r o v e m e n to ft h ed e s i g nl e v e lo fe l e c t r i cm o t o r c y c l ed e p e n d so nt h e i m p r o v e m e n to ft h ew h o l eq u a l i t yo ft h et r a d e ，a m o n gt h e m t h ed e s i g no ft h ed r i v e r s c a b i no fe l e c t r i cm o t o r c y c l ei st om e n t i o nt h ei m p o r t a n tl i n k se n o u g hf o rt h ed e s i g n l e v e lo fe l e c t r i cm o t o r c y c l eo fo u rc o u n t r y i n f l u e n c et h ee l e c t r i cm o t o r c y c l et od r i v ei nt h en u m e r o u sf a c t o r so ft h ed e s i g n o fr o o m 。t h em o s tk e yo n ei ss t i i it h eh u m a nf a c t o r s o ，m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n go f n e c e s s a r yb a s i sc a r r i e so nd e e pr e s e a r c ht ot h ed r i v e r sc a b i no fd o m e s t i ce l e c t r i c m o t o r c y c l e 弛t e x ti sb a s e do nt h i s , t h ep e r t i n e n c eo fr e g a r d i n gd r i v e r sc a b i no f d o m e s t i ce l e c t r i cm o t o r c y c l ea st h eg o a li nr e s e a r c ha n dl a u n c h i n gi ss t u d i e d , c h o o s e c o n c r e t es t y l et os t a n do p p o s i t ee a c ho t h e ra d v a n c e dd o m e s t i cs s 9t y p ee l e c t r i c m o t o r c y c l ea tp r e s e n t f i r s to fa 1 1 t h ef i r s tp r o b l e mi nf r o n to fr e s e a r c h e ri s ，h o wt oc h o o s ea n dc h o o s e i nt h ef a c eo fv o l u m i n o u sd a t aa n dm a t e r i a l s ，a n dt h i s t e x ti n h e r i t st h e h u m a n - o r i e n t e dc o n c e p t , t h ee l e c t r i cm o t o r c y c l ed r i v e rt h a tg e t sd e e p l yt oa n df i g h ：t s i nt h ef o r e f r o n to ft h ep r o d u c t i o ng o e si nt h em i d d l e ，b yw a yo fv i e w i n ga n d e m u l a t i n g , i n v e s t i g a t i n g , q u e s t i o n n a i r ei n v e s t i g a t i o na n di n t e r d y n a m i ci n t e r v i e w , h a v eo b t a i n e dal a r g en u m b e ro fs o m em a t e r i a l s h a v ec o n s u l tal a r g ea m o u n to f r e l e v a n tl i t e r a t u r e h a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f r e s e a r c hw o r k s e c o n d , o nt h ef o u n d a t i o no ff i n d i n g , t h i st e x tu t i l i z e st h em a t h e m a t i c sm e t h o d , t h i n kp r o b l e mg oo nt oa f u z z yo n en o n f u z z yt ot a k et r e a t m e n ts u b j e c t i v e l y , a d o p t 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 w e i g h t c o e f f i c i e n t1 a w a n dm a t r i x s y n t h e t i c m e t h o de l e c t r i cm a n - m a c h i n e e n v i r o n m e n to fd r i v e r sc a b i na p p r a i s et os s 9t y p e i nt h ei n d u s t r yd e s i g ns p e c i a l i t y , al a r g en u m b e ro fa p p r a i s a lp r o b l e m st ot h e f u z z yg o a le x i s t , t h es o l u t i o n t r a d i t i o n a l l yi sv a r i e dt o o ，1 1 豫a p p r a i s a lm e t h o dt h a tt h i st e x ta d o p t si st h e i n t e r d e p e n d e n td i s c u s s i o nt h a tm a d eo nt h i sq u e s t i o n , h o p et oo f f e rc r t a l nr e f e f e n c e t or e s e a r c h e ri nt h ef u t u r et o o t h i r d , a o e o r d i n gt oa p p r a i s i n gt os e v e r a l o ft h es s 9t y p em a n - m a c h i n e e n v i r o n m e n to fd r i v e r sc a b i no fe l e c t r i cm o t o r c y c l e ，g e tac l e a ro n eo u t s t a n d i n g p r o b l e mc o r r e c tj o i n tm o s t , m a k e t oc o r r e s p o n d i n gp r o b l e md e e pe r g o n o m i ca n a l y z e c o m b i n i n gr e l e v a n td e s i g ns p e c i f i c a t i o n sw i l lp r o p o s et h ei m p r o v i n go p t i m i z a t i o n s c h e m et ot h em o s to u t s t a n d i n gq u e s t i o na m o n gt h e m a n dt h e nu t i l i z et h ef u z z y a p p r a i s a lm e t h o dt os c r o e nt ot h es c h e m e , g e tar e l a t i v e l yg o o dr e s u l t f i n a l l y , h o p et h i st e x tc a no f f e rr e f e r e n c ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h e f u t u r et od r i v et h ee f f o r t st om a k ei nt h ed o m e s t i ce l e c t r i c m o t o r c y c l e0 1 1t h e r e s e a r c ho f d e s i g no fr o o m k e y w o r d s ：m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g d r i v e r sc a b i no fe l e c t r i cm o t o r c y c l e a p p r a i s a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n n o t e ：t h el a wo f w e i g h tc o e f f i c i e n t ：u t i l i z ea n d s e tu pw e i g h tc o e f f i c i e n tt oc o n f i r m a a p p r a i s a lm e t h o do fe v e r yi m p o r t a n c ew h i c ha p p r a i s et h ep r o j e c t t h es y n t h e t i cm e t h o do fm a t r i x ：m a k eu s eo fm e t h o dt h a tm a t r i xf o r m a t e st o c o n f i r maa p p r a i s a lm e t h o do fe v e r ya p p r a i s a lv a l u ew h i c ha p p r a i s et h e p r o j e c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打搿舻) 学位论文作者签名：弓 e 1 期： 指导老师躲刍糌矽 rl期ttl=1et： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ，本文中对s s 9 型电力机车驾驶室的调研和分析，是通过对武昌机务段 内5 0 名机车驾驶员的问卷调查及对机车实地考察中得来的第一手资料。资料 内容真实可靠，有效性高，以此为基础所做出理论分析准确可靠。 2 ，对调查结果的分析，本文采用加权系数法与矩阵合成法的方法进行评 价总结。在工业设计专业当中，存在着大量的对模糊性目标的评价问题，传 统上的解决办法也是多种多样的。本文所采用的评价办法是在这一问题上所 做出的相依探讨，也希望为今后的研究者提供一定的参考。 3 ，本文以提高与促进国内入机工程的应用研究与扩展使用领域，改进电 力机车设计方法并提高其开发水平为目标；进一步提高设计的工作效率，设 计适合中国人体形的机械设备，改进常规的落后设计手段。如果应用得当， 对国内电力机车的操作舒适度以及工作效率和安全性都可从技术上得到提高 并对实际设计给予正确的指南，并进而推动行业的发展水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章：绪论 t 1 漾题研究的背景： t 2 课题的研究意义、l 司内外现状分析 位1 课题的研究意义： 饮2l 目内外研究与应用现状 怕渫题研究的f i 标，核心内容和前嘤解决的问题 怕1 课题研究的n 标： 伯- 2 课题研究核心内绺： 准备采用的研究方法j 技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 课题研究的背景： 第一章：绪论 l 中国的能源蕴藏量位居世界前列，是世界第二大能源生产国，同时也是世 界第二大能源消费国，能源利用效率低，环境污染状况严重。能源压力已 经成为中国经济发展的绊脚石。 2 随着中国经济的发展，国内对交通运输的需求不断提高。严峻的交通运输 压力，是摆在中国人面前的重大问题。 3 电力机车是一种本身不带原动机，靠接受接触网送来的电流作为能源，并 由牵引电动机驱动机车车轮的机车类型。电力机车具有功率大、热效率高、 速度快、过载能力强和运行可靠等主要优点，并且不污染环境，特别适用 于运输繁忙的铁路干线和隧道多，坡度大的山区铁路。不仅是一种高效率、 高经济性的交通工具，同时也是一种符合环保、可持续发展要求的交通工 具。 4 中国电力机车的研制开始于1 9 5 8 年。当时的铁道部田心机车车辆工厂，也 就是现在的株洲电力机车工厂在协助湘潭电机厂制造工矿电力机车的同 时，设计并试制铁路干线电力机车。我国电力机车于是诞生于1 9 5 8 年，并 以“韶山打命名，从此形成了我国韶山型电力机车的唯一品牌韶山型( 缩 写s s 型) 。在我国电力机车发展的几十年间，虽然取得了巨大的成绩，但 是和国际先进水平相比，仍然有一定的差距。在2 1 世纪，提高我国电力机 车的设计与制造水平，必然的成为了我国铁路交通事业实现与国际先进水 平接轨的重要目标。而电力机车关于使用效率与工作舒适性的研究，也必 然的越来越受到重视。 1 2 课题的研究意义，国内外现状分析 1 2 1 课题的研究意义： 选择电力机车作为课题研究的机车类型，原因在于：电力机车符合交 通运输工具环保，可持续发展的需要，在未来很长的时间内，都具有旺盛 的社会需求。具备进一步发展的潜力。 选择韶山9 型电力机车作为课题研究的目标车型，原因在于：韶山型 电力机车是我国电力机车发展的代表，韶山9 型是韶山电力机车系列的最 新车型。韶山9 型电力机车作为课题研究的目标车型具有承前启后的现实 意义。 在国际上机车的开发与设计，对于人机工程学理论与方法的运用已经 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 形成了完整的体统，并且成熟高效的应用在各个车型上。而在国内，由于 我国铁路交通发展条件的限制，在以前，主要是为了提高铁路运输能力而 相对忽略人机工程学的研究。我国机车人机环境的设计水平已经落后于世 界先进国家，开展本课题的研究，有助于缩短我国与发达国家的差距。 总之，改善工作条件恶劣的电力机车驾驶员的舒适度，能够减少劳动 者的疲劳损伤，减少机械的人为故障，保证驾驶员长时间的注意力，降低 安全事故发生率，可以获得更大的工作效益，因此本课题的研究与开展具 有以下的意义： 1 可以提高与促进国内人机工程的应用研究与扩展使用领域，改进电力机 车设计方法并提高其开发水平； 2 可以将国际上成熟的设计方法应用于国内，并相应研究轨道交通车辆对 人机工程学的特别要求，发展相应理论研究； 3 如果应用得当，对国内电力机车的操作舒适度以及工作效率和安全性都 可从技术上得到提高并对实际设计给予正确的指南； 4 改进目前国内现有的机车设计标准，推动行业的发展水平； 5 进一步提高设计的工作效率，设计适合中国人体形的机械设备，改进常 规的落后设计手段。 1 2 2 国内外研究与应用现状 国际发达国家对于人机工程学在机车设计上的研究与运用，已经达到了 一个成熟的阶段，比如，德国i c e 是采用人机一体化的控制策略，使司机室 这个人机环境在感知层面( 人机联合感知) ，思维层面( 人机共同决策) ，执 行层面( 人机相互协作) 三个层面上均实现了体化，充分发挥了人和机器 在自动化体统环境下的作用，建立了新型的人机协作关系。 而国内，对于高技术机车的研究，还处在起步的阶段。国产电力机车与 国外先进车型相比，初了技术落后之外，一个较大的差距就是司机室人机环 境设计的不足。比如，本课题的研究目标车型韶山9 型电力机车，在噪音控 制，空气更换率，照明环境，司机视野等诸多方面都达到了国际铁路联盟u i c 标准，实现了与国际同步的目标。但是，根据本次对机车司机的调查来看， 普遍认为对司机室室内人机环境的改造与优化极为必要。 国际上，入机工程学理论的应用已经有了成熟的体系，并且遵照比较全 面和规范的设计标准合理地进行设计工作，比如i s o ( 国际标准) ，j i s ( 日 本工业标准) ，r a s t ( 欧洲工业标准) ，u l c ( 国际铁路联盟标准) 等等； 而我国在与国际接轨的同时也制定了一系列的国家标准与行业标准，包 括：6 b t 6 7 6 9 - 2 0 0 0 ，t b t 2 8 6 8 1 9 9 8 ，t b t 2 9 6 1 1 9 9 9 等等。同时，国内 些先觉的学者也展开了关于人机工程学在机车驾驶室室内环境设计方面的 研究，包括：吴志华，贺白涛等编写的电力机车司机室规范化设计，陈兴 钢编写的机车司机室优化设计问题的探讨，马翰湘编写的人机工程学在 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 司机室设计中的应用等等。 国家标准的制定与众多学者的研究，都使得我国电力机车驾驶室设计取 得了极大的进步，但是，仍然需要我们进一步深化研究，进一步提高我国电 力机车设计水平。 1 3 课题研究的目标。核心内容和需要解决的问题 1 3 1 课题研究的目标： 通过实际的调查与研究，运用人机工程学的基本原理和国内相关设计标 准，对韶山9 型电力机车驾驶室的调研进行分析，得到s s 9 型电力机车驾驶 室人机环境的评价结果，在根据评价结果提出改进意见。 1 3 2 课题研究核心内容： 课题的研究主要建立在入机工程学的基本原理和国内相关设计标准上， 并以实地调研材料为事实依据，进而讨论韶山9 型电力机车驾驶室设计的优 化方案。具体内容包括： 对人机工程学的基本原理和针对机车驾驶室的国内相关设计标准进行 资料的整合。 对s s 9 电力机车进行实地考察 s s 9 型电力机车驾驶室的设计调查问卷，设计并发放调查问卷，并确定 对回收的有效调查问卷的分析方法。 对s s 9 型电力机车驾驶室环境的调查结果进行统计，并根据统计结果利 用加权系数法，矩证合成法对调查结果进行分析，从而得到s s 9 型电力机 车驾驶室内的各项评价结果。 结合调研资料、人机工程学的基本原理和国内相关设计标准、以及对韶 山9 型电力机车驾驶室评价结果的调查分析，提出韶山9 型电力机车驾驶 室环境设计的方案性优化建议。 1 4 准备采用的研究方法与技术路线 本论文采用实际调研与理论结合的研究方法。 首先：对本论文涉及的相关知识、国际标准、国家标准以及行业标准进 行基础研究，建立正确的理论以指导研究方向。 再对韶山9 型电力机车驾驶室进行实地调研，对驾驶室内的基础构造及 设施进行研究，并通过问卷调查的发生，获取韶山9 型电力机车驾驶室环境 评价的第一手资料。 对后通过，结合人机工程学的理论及国家标准以及行业标准对韶山9 型 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电力机车驾驶室环境评价资料进行归纳与分析。并在分析结果的基础上，对 电力机车驾驶室的设计进行专项研究，将其与实际工作与设计结合起来，验 证和研究有关的评价效果和应用成效，形成一定的设计改进建议或更广的研 究方向，促进我国电力机车驾驶室设计研究的发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章：本论文涉及的相关基础研究 及相关标准列举 2 1 人体1 ：稷学的幕术知识b 定义 2 2 本论文涉及的相关知识研究 2 2 1 我闻人体，e 、j ，j i 准 2 2 2 人体尺、】差钟 2 2 3 人机环境系统模型 2 2 4 作业环境分类 2 3 本论文涉及的相天机i 准研究 本章小结： 本章文献，j i 哪： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章：本论文涉及的相关基础研究及相关标准列举 2 人体工程学的基本知识与定义 “人机工程是一门非常重要的应用人体科学技术，它专门研究人和机器 的配合，考虑到人的功能能力，如何设计机器，求得人在使用机器时整个人 和机器的效果达到最佳状态。 这是著名科学家钱学森在系统科学、思维科 学与人体科学中对人机工程学的高度概括并揭示了人机工程学的宗旨n 1 。 “e r g o n o m i c s 是由希腊词根“e r g o n ( 工作、劳动) 和“n o m o s ( 规 律、规则) 复合而成，即人的劳动规律。该词词义中性，而且能较全面地反 应本学科的本质，同时也不表现对各组成学科的亲疏度，同时源于希腊文， 所以较多国家采用“e r g o n o m i c s ”作为该学科的命名瞻1 。 国际人机工程学会i e a ( i n t e r n a t i o n a le r g o n o m i c s a s s o c i a t i o n ) 为本 学科下的定义为：人机工程学使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，研究在工作 中、家庭生活中和休闲时如何统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等 问题的学科引。 定义的第一句话指出，入机学的研究对象是工作环境中的解剖学、生理 学、心理学等方面的因素。 第二句话指出，人机学的研究内容是人一机一环境的最佳匹配、人一机 一环境系统的优化。 第三句话指出，人机学的研究目的是设计一切器物都要考虑人们生活、 工作的安全、舒适、高效。 尽管该学科名称多样、定义歧异，但是其研究对象、研究方法、理论体 系并不存在根本的区别，本论文根据中国常用的学科名，重点研究的是人与 机的配合，采用“人机工程学一作为主题词并在全文中使用，与其他命名没 有实质上的区别。 2 2 本论文涉及的相关知识研究 2 2 1 我国人体尺寸标准 在国外，古代对人体尺寸的研究主要着眼于艺术、绘画、建筑、文化等 方面，比如，文艺复兴时期的美术大师达芬奇根据古罗马维特鲁威的描述画 出了著名的人体比例图。比利时人奎特莱特1 8 7 0 年出版人体测量学。2 0 世纪初建立了人体测量统一的国际标准。德国人类学家马丁的人类学教科 书1 9 1 4 年出版，为沿用至今的各国人体尺寸测量方法奠定了基础。1 9 1 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 年，美国进行了1 0 万退伍军人的多项人体测量工作，所得数据用于军服的设 计制作二战后，美、英两国又进行了大规模的海空军人体测量，1 9 4 6 年提 出研究报告航空部队人体尺寸和人员装备，这是人体尺寸用于人机工程设 计的重要文献。 现在世界各先进国家都有本国的人体尺寸国家标准。 我国两千多年前的祖国医学典籍内经灵枢中的l ：骨度篇，己有人 体测量的记载和阐述。虽然，很早前我国便有关于人体测量的记载，但是， 直到现代1 9 8 9 年我国才正式建立起自己的人体尺寸标准。1 9 8 9 年7 月1 日实施的g b l 0 0 0 0 - - 8 8 中国成年人人体尺寸，适用与工业产品、建筑设计、 军事工业以及工业的技术改造设备更新及劳动安全保护。标准中列出了4 7 项我国成年人体尺寸和基础数据，按男女性别分开，且分三个年龄段：1 8 , - - 2 5 岁( 男，女) ，3 6 6 0 ( 男) 、5 5 ( 女) ，且分别给出这些年龄段的各项人 体尺寸数值，各类数据表中的各项人体尺寸数值均列出其相应的百分位数。 g b l 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸为我国的设计事业做出过巨大的贡 献，但是，由于本标准是近2 0 年前制定的，随着中国国内人口的迁徙，营养 条件的改善，已经不能准确的反应我国成年人人体尺寸的真实面貌。同时， 本标准的制定没有考虑1 8 岁以下入、5 5 ( 6 0 ) 岁以上人口的人体尺寸，并不 完整。然而，在目前的条件下，本项目研究能够使用的只有g b l 0 0 0 0 - 8 8 中 国成年人人体尺寸作为设计的依据。 2 2 2 人体尺寸差异 1 ) 种族差异：在所有类型的人体尺度差异里，种族差异是最明显的。目 前世界上最高的民族是生活在非洲苏丹南部的北方尼洛特入，平均身高 1 8 2 8 8 r a m ；世界上身材最矮的民族则是非洲中部的皮格米人，平均身高只 有1 3 7 1 6 咖。美国空军的黑人和白人男性的人体测量表明：他们的平均身 高基本相同，但是黑人群体的四肢长度大于自人群体，而躯干却比白人的 短。研究还表明，亚洲黄种人与欧美人相比，在身材上较矮，而两者的平 均坐高值却很接近，说明亚洲黄种人与欧美人的身高差异是下肢长度较短。 因此在进行驾驶室室内人机环境设计的时候，不能简单引进国外先进技术、 套用国外机车的数据，必须从中国人体尺寸切实的进行设计。 2 ) 地区差异：不同地区的人群，由于民族、气候条件、饮食结构等方面 不同的长期影响，人体尺寸存在着差异。g b l 0 0 0 0 - 8 8 中国成年人人体尺 寸按全国划分为6 个地区考虑，给出了6 地区人群体重、身高和胸围3 种人体尺寸的数据。在实际考察的时候发现，电力机车司机来自于全国各 地。因此，在研究的时候必须要从全国的范围进行考虑。 3 ) 时代差异：由于生活质量提高，营养改善，同一民族、同一地区人群 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的人体尺寸可能存在时代差异。这种差异在该国、该民族社会经济发展快 的时期会明显地体现出来。 成年人人体尺寸的时代差异：生活水平提高是成年人人体尺寸增加的 主要原因。生活水平提高引起的人体尺寸增加，一般会延续几十年。 接着增加速度越来越慢，并逐渐趋于稳定。欧洲北美国家在2 0 世纪后 半叶的三四十年间，日本在2 0 世纪最后十几年问，身高的增加都己经 很缓慢。欧洲北美国家在2 0 世纪最后十来年中，身高己趋于稳定，体 重还有小幅度的增加。上述情况有助于我们预测今后中国人体尺寸变 化的趋势。 青少年人体尺寸的时代差异：在由于营养改善导致人体尺寸增加的年 代，青少年人体尺寸的增加总是比成年入更为显著。这是因为营养改 善还使青少年发育年龄提前的原因。2 0 世纪末期考入上海市高校的上 海籍新生，与2 0 世纪5 0 年代同类学生相比，平均身高增加1 0 0 1 2 0 r i o n 之多。这一数字远远高于同期成年人身高的差异，原因是现今青少年 身高的发育在中学时期都己完成，而在2 0 世纪5 0 年代，上大学以后 还继续长身高的学生却为数不少。2 0 0 2 年一份文献还指出，从1 9 9 5 到 2 0 0 2 年的7 年间，我国1 2 1 7 岁的青少年男生身高增高6 9 r a m ，体重增 加5 5 k g ：女生身高增高5 5 m ，体重增加4 5 k g 。 随着铁路机车的不断发展，对机车驾驶员的要求也越来越高，年轻化 的新机车驾驶员也成为现代高速列车驾驶的需要。新的机车驾驶室的设 计也应该更多的考虑不同人体尺寸的问题，使设计上能更大的符合不同 驾驶员的舒适、高效和安全使用。 2 2 3 人机环境系统模型 为了研究和分析人机系统，往往从理论和实验的角度对人机系统进行建 模，在工程技术设计中得到了广泛应用，其主要方式有图示模型( 包含静态 和动态模型) 和数学模型，两者可配合使用。 一 a 静态模型：静态模型是描述系统构成元素之间关系的模型，一般用带有 方向箭头连线的框图表示。 b 动态模型：动态模型是描述系统动态特性( 信息传递过程) 的模型，一 般用系统模型图表示，动态模型与数学模型常常是一致的，如果能够 建立较为正确的数学模型，则系统就可以实现计算机仿真模拟。因此 这是更高级更能真实模拟实际状况的一种模型，如人一椅振动模型。 c 数学模型：是描述人机系统动态特性的数学表达式，这样的数学模型可 以采用各种分析方法和计算工具，对人机系统进行数字模拟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 在本文中的调查研究分析中，对人与设备之间的分析研究，并进行最 后的优化设计都要不断运用人机环境的系统模型来进行分析也研究，使其 更加严谨和科学。 2 2 4 作业环境分类 从作业环境对入的影响和人体对环境的适应程度，把人的作业环境分的 四个区域。 ( 1 ) 最舒适区：各项指标最佳，人在工作时主观感受最满意； ( 2 ) 舒适区：正常环境下该环境使人能够接受，而且不会感到不适应和疲 劳； ( 3 ) 不舒适区：作业环境的某种条件偏离了舒适指标的正常要求，长时间 工作使人疲劳甚至影响人体健康： ( 4 ) 不能忍受区：若无相应防护措施，在该环境下人将难以生存。( 如图： 2 - i ) 乍舜限制令人蝰慰 图2 1 ：人体作业环境区域分类 从物理特性以及对人体的影响来分的话，又可以分为微气候环境，光环 境，声及振动环境。 o 微气候环境 电力机车驾驶室的温热环境是决定驾驶员的作业效能和健康的重要影响 因素。驾驶员所处的微气候环境条件主要包括空气的温度、湿度和空气流动 速度这三种物理因素。 高温易使乘务员的注意力涣散，动作准确性下降，协调能力减弱：低温 易使肢体麻木，特别是影响手的精细运动灵巧度和双手的协调动作。据研究， 在夏季1 8 , - - - 2 4 1 2 ，冬季1 7 2 2 的条件下，乘务员的工作效率高、质量好。 人机工程学称它为温度的“快感带。当气温低于2 l 时，人体不排汗，体 表散热人体感到最舒适的操作气候是：温度1 8 2 2 c ，空气对驾驶员的相对 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 速度为0 1 - - - 0 3 m s ，空气相对湿度为3 0 7 0 ，顶面和底面的温差为o 3 。 如果室内实际微气候与推荐值相差很大，则要采用空调设备及湿度调节装置 在机车驾驶室设计中，改善热环境方面主要是设置取暖、通风和补充新 鲜空气的电气空调设备。我国目前已有t j 3 铲7 9 制订的牵引动力车辆司机室 布置规则u i c 6 1 7 - 6 ( 1 9 7 7 第二版) 中规定，司机室的噪声应通过限制噪声源、 使用吸声、隔声材料和吸声设备，保持尽可能低的水平。当动力车辆以小于 1 4 0 公里时的速度运行时，即所有辅助机组全部运转情况下，司机室内的等 效声级应不大于8 0 分贝a 。当动车运行速度更高时，应尽力保证司机室等效 声级不大于8 0 - v 8 2 分贝a 。其测量点位置，距地板面高1 6 米的司机室中央， 或距司机耳位0 2 米处。苏联1 9 7 1 年制订的司机室噪声标准规定每倍频程的 容许声压级，即为n7 5 曲线。 振动： 机车乘务员所受振动为全身振动( 人体以立位、坐位或卧位接触而传到全 身的振动) 。 承受振动将使驾驶员感到疲劳，并对其身心健康和工作效率有不利影响。 长期的振动对人的生理功能影响较大。一般表现为肠胃不舒服、感觉疲劳、 嗜睡、注意力分散等，对振动敏感的入往往会出现头晕、头痛等症状。据资 料表明，不同工龄的乘务人员自觉症状不同。机车振动对人的影响主要表现 形式是易疲劳及胃部的不适。引起这种现象的原因是因为人体肌肉在受到振 动的刺激时会产生条件反射性收缩长期处在振动环境中则人体肌肉由于不 断的反射性收缩而产生疲劳。由此可见，作业司机长期处于振动环境中也是 引起疲劳的主要原因之一。 在估价振动时，必须考虑三个因素，即振动强度、振动频率和振动时间 振动强度取决于地基的性质、机器的设计( 驾驶室的位置、悬挂系统、座椅 位置) 和运行速度。据研究，人自身是一个弹性系统，有自已的振动特性， 在正常重力下人体依次对4 , - 一8 h z 、l o - - 一1 2 h z ，2 0 - - 2 5 h z 的振动传递最大， 称为第一、第二、第三共振峰。在驾驶室设计中要尽量避开这三个共振峰 以降低人体振动。 卿色彩环境 色彩环境与人的感应，并不是真实的物理感应，而是一种心理错觉。 冷色与暖色是依据心理错觉对色彩的物理性分类。 对于色彩的物理性印象大致由冷暖两个色系构成。如：当人们看到红色 时，人的脉搏加快、血压升高、情绪兴奋冲动、感觉暖和。当人们看到蓝色时， 脉搏减缓、情绪较沉静、感觉有些凉爽甚至寒冷。由此可见波长长的红光和 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 橙、黄光本身有暖和的感觉；波长短的紫色光、蓝色光、绿色光有寒冷的感 觉。夏天，我们把室内的窗帘换成淡蓝色便会感觉很凉爽：冬天，把室 内的窗 帘换成橙色便会感觉很暖和。另外冷暖色还会给我们带来其他的感觉。如： 暖色给人感觉偏重，冷色给入感觉偏轻；暖色有密度强的感觉，冷色有密度稀 薄的感觉；暖色透明感弱，冷色透明感强：暖色显得湿润，冷色显得干燥；蹑 色有逼近感，冷色有推远感。以上这些感觉并非是真实的感觉，而是与我们的 视觉经验与心理联想有关，这些感觉是受我们的心理作用而产生的主观印象， 它属于一种心理错觉。 一 色彩的明度也会给人带来心理错觉。 如：高明度色给入感觉份量轻，低明度色给人感觉份量重；高明度色给人 感觉距离近，低明度色给人感觉距离远。 色彩的纯度同样也会给人带来心理