人机工程.doc

四、（20分）引起人为失误（human error）的主要原因有哪几方面？，请阐述如何从人机工程学角度防止事故的发生。主要有个人因素、环境与设备因素以及管理因素等3方面。防止事故主要从以下几个方面：1、设备及作业环境方面的对策（5分） 人是经常出错的, 因此要保证整个人机系统的安全, 首先机械人机环界面设计要符合人的习惯与特性，做到“机和环境适宜人”；其次必须做到无论如何操作都不能出事故, 或者出了事故也不会造成损失(即full safe system)。这就是防灾安全的人机工程学思想。2、操作者方面的对策（5分） 1). 人员适性检测与选拔 2）技术训练及安全教育 3). 模拟训练3、 管理方面的对策 （5分） 1). 制造安全的气氛, 使大家认识到安全的重要性, 有组织的进行安全教育。 2). 时常对设备环境进行更换和改善。 3). 改善生活、娱乐环境。一个好的生活娱乐环境能尽快消除疲劳，提高工作的主动性。同时人有自我实现的欲求。应该使每个作业者都有一定的责任和自主权，这样能跳动大家的积极性。影响积极性的因素很多。能使每个人都有自己追求的目标，能够满足他们的欲求，这是调动积极性的最好的办法。五、疲劳驾驶和过度紧张都是交通事故的诱因，通过脑波变化可以检测大脑觉醒状态，问： （1）疲劳驾驶时脑波成分中，10hz以下成分比例增大，说明大脑处于何种状态？（5分） （2）为了避免高速公路上疲劳驾驶和山区公路上驾驶时的过度紧张，从道路环境设计方面可以采取那些措施？（10分） （1）10hz以下成份增加，说明疲劳驾驶趋于强化，大脑觉醒水平低（3分）；反应时间增长，容易发生事故，必须休息（2分）。 （2）路标指示合理明确（2分）；高速公路要设置一定的曲线防止长时间直线驾驶造成大脑疲劳（2分）；山区公路要减少急弯设计（3分）；增大通视距离（3分）；二（20分）为了实现汽车座椅前后和高度可调，选择女性5%百分位和男性95%百分位作为调节范围，请计算确定座椅前后和上下调节范围。现已知小腿与大腿夹角成120度，大腿与水平成5度，躯干与大腿成110度时最佳，请从下表中选择合适的参数计算高度和前后的调节范围（鞋跟高按35mm计算）。百 分位 数男（18-60岁）女（18-55岁） 1 5 10 50 90 95 99 1 5 10 50 90 95 99 坐高836 858 870 908 947 958 979789 890 819 855 891 901 920 坐姿肘高214 228 235 263 291 298 312201 215 223 251 277 284 299小腿加足高372 383 389 413 439 448 463331 342 350 382 399 405 417坐深407 421 429 457 486 494 510 388 401 408 433 461 469 485 解：1、以女性5%百分位数和男性95%百分位数为调节范围： 小腿+足高的范围：342448mm 坐深范围： 401494mm 2、以脚跟到臀部后部为基准计算调节范围为： xmin=(342+35)sin35+401cos5=615.7 mm xmax=(448+35)sin35+494cos5=769.1 mm ymin=(342+35）cos35-401sin5=273.9mm ymax=(448+35)cos35-494sin5=352.6mm （15分）人机工程设计中，人体测量数据运用的三准则是什么？请结合车辆设计举例说明。 最大最小准则：操作力（脚踏板，换档等）平均准则：方向盘尺寸设计可调准则：座椅前后距离，靠背角度五、（15分）当驾驶员发现前方有障碍物，需要急刹车时，从发现障碍物到车辆完全停止，这段距离与反应时间和车辆制动性能有关，请问这时的反应时间包括哪几部分？如何根据反应时间和车速以及制动距离确定行使时的车间距？答：反应时间是表示敏捷性的指标之一。它是外界刺激通过人体感觉器官、神经系统传至大脑中枢加工处理后，大脑发出指令再由神经系统传至效果器，使肌肉收缩发出动作所需的时间之总和。12 1反应知觉时间 2动作时间（肌肉延时和脚移动时间总和） 车间距d= vrt + b 其中：v-车速； b-制动距离（与车速、地面状态和轮胎状态有关）三、计算题（每题15分，共30分）（1）室外有一台空气压缩机工作时噪声很大，在距离该机器5米处测得噪声为84db(a),按照环境标准，居民住宅室外噪声不高于60db(a),问要使该机器距离住宅多远才能达到环境标准要求（不考虑反射和其他噪声）。（1） 80m（2）汽车仪表距离驾驶员眼睛为0.7米时，对于视力为0.7的驾驶员能分辨的最小仪表刻度间距为多少毫米？ （2） 0.29mm（10分）为什么说在人机系统设计中，要避免操作人员长时间的静态负荷？因为静态负荷与动态负荷相比, 容易引起肌肉疲劳（2分）。其原因是静态负荷使肌肉处于连续紧张收缩状态，血管受挤压，血流减少（3分）。而动态负合的肌肉收缩是变形的，肌肉收缩对血管起一个泵的作用能使血流量增加（3分）。减少静态负荷的主要方法是减少手持重量，使手臂下垂成自然状态进行作业（2分）。（15分）长期在强噪声环境中工作，会引起噪声性耳聋，请说明噪声性耳聋与老年性耳聋的主要表现特征的区别？并说明为了避免噪声性耳聋，可以采取哪些可能的防护措施？噪声性耳聋特征：1、噪声性耳聋分为暂时性耳聋和永久性耳聋（2分）；短期处于强噪声环境下，或出现暂时性耳聋，当噪声停止后，能够恢复听力（1分）；如果长期在强噪声环境中生活或工作，就会出现永久性耳聋（1分）；2、噪声性耳聋的程度与频率有关，在4khz附近的听力损伤最大（5分）。 老年性耳聋的特征：1、随着年龄增大听力损伤也增大（1分）；2、老年性耳聋随噪声频率的增大耳增大（1分）。 避免噪声性耳聋的措施（每要点1分）：1、降低声源功率 2、传播途径控制；3、佩带噪声防护具； 4、控制噪声暴露时间（20分）现在要为某大型机械加工企业设计一种操作台，要求操作台高度满足该企业90%操作工人的最佳操作姿势要求。现已知该企业操作工人平均身高为170cm 身高标准差为5.6cm，操作台高的无差别间距为2cm，按照人机工程学要求，此类操作台高应为身高的0.6倍。问：如果设计成高度可调的操作台，可调范围是多少？如果设计成固定高度操作台，请问要设计几种尺度规格？其尺度如何？ h=170, s=5.6, nd=2解: 1、如果设计成高度可调的操作台5%的身高百分位数是：160.8 （2分）95%的身高百分位数是：179.2 （2分）因此可调范围是：96 cm 108cm （5分）2、a=108-96=12 （5分） 最优规格数 n=12/2=6 （3分）因此,取6个规格可以使满足度达到90%6个规格为: 97,99,101,103,105,107 （3分）（15分）如何从人机工程学原理来避免人机环境系统中的人为失误（human error）?从人的个人因素、环境与设备因素以及管理因素等3方面论述。1、设备及作业环境方面的对策（5分） 人是经常出错的, 因此要保证整个人机系统的安全, 首先机械人机环界面设计要符合人的习惯与特性，做到“机和环境适宜人”；其次必须做到无论如何操作都不能出事故, 或者出了事故也不会造成损失(即full safe system)。这就是防灾安全的人机工程学思想。2、操作者方面的对策（5分）1). 人员适性检测与选拔 2）技术训练及安全教育 3). 模拟训练3、 管理方面的对策 （5分）1). 制造安全的气氛, 使大家认识到安全的重要性, 有组织的进行安全教育。2). 时常对设备环境进行更换和改善。3). 改善生活、娱乐环境。 一个好的生活娱乐环境能尽快消除疲劳，提高工作的主动性。同时人有自我实现的欲求。应该使每个作业者都有一定的责任和自主权，这样能跳动大家的积极性。影响积极性的因素很多。能使每个人都有自己追求的目标，能够满足他们的欲求，这是调动积极性的最好的办法。(15分)如图所示，某工地有一噪声源（空压机），白天在附近居民生活处测得噪声级为75分贝，为了减低居民生活处噪声至环境标准60分贝以下，由于条件限制，现在只能拉开空压机与居民生活处的距离，请问需要再拉开多少米以上？（声源可视为半自由声场中的点声源，可忽略其它反射与吸收） 解：需要减低的噪声值 m=75-60=15 分贝 半自由空间中距离衰减值：d = 20 lg (r2/r1) r2 =r110（15/20） = 505.623 = 281.15（米） r2 r1 =281.15-50 =231.15 （米） 答：应再拉开23.15米以上 一、(10分) 有3名机械作业工人，测得其作业过程中的平均心率（hr）如表1所示，请选择一种最佳的生理负荷评价指标分析出3名工人的生理负荷大小关系。 表1 伐木工人 abchr105138125年龄554032因为年龄不同，使用相对心率评价人体负荷比较合理 （2分）。 三人的最高心率分别为（每步1分）： a=220-55=165 b=220-40=180 c=220-32=188 （每步1分） 三人的相对心率分别为（每步1分）： a=100105/165 = 63.64 b=100138/180 = 76.67 c= 100125/188= 66.49 所以：三人的人体负荷大小关系为：b c a （2分）（20分）要为某一特定群体设计一台专用机床，该使用者群体的人体测量数据如表2所示，现要确定操作摇柄的中心高度，该高度要适合98%的人，人机工程学上要求机床摇柄中心高为使用者身高的45%，试问从人机工程学理论上应如何设计摇柄高度，并求机床摇柄中心高度值。 表2 百 分 位 数151050909599身高mm1543158316401678175417751841为了适合98%的使用者，摇柄高度应设计成可调的（可调准则，5分），选1%和99%百分位的百分位数（5分）：1543（2分）， 1841（2分） 可调范围下限： 15430.45 = 694.35(mm) （3分） 可调范围上限： 18410.45 = 828.45(mm) （3分）三、（20分）全自由空间内有一个点声源a，其声功率为0.95w, 另有一个频率50赫兹的电磁噪声b，在距离b点1米处测得有b单独引起的大气压力变化如图3b所示，当a, b同时发出噪声时，问在距a点20米、距c点3米处的c点(图3a)的声压级是多少分贝（忽略其他噪声的影响） a 20米 c 3米 5pa b 大气压 图 3a 图 3b由b声源引起的c点声压级: lbc=20lg（0.7072.5105/2）-20lg3 =89.4 db （7分） 由a声源引起的c点声压级: lac=10lg(0.951012)-20lg20-11=82.8 db （7分）b同时发出噪声时c点声压级： lc = 10lg(108.94 + 108.28)= 90.2 db （15分）为了研究生理负荷（心率大小）对人体重心动摇的影响，设计了5种生理负荷水平，通过对实验数据进行方差分析得到了表-1的分析结果。请分析生理负荷对人体重心动摇各项指标的影响程度。表1人体动摇实验数据方差分析 人体平衡功能指标 方差来源 平方和 自由度 均方差 f p动摇总轨迹长(mm) 生理负荷 802611.6 4 200652.9 4.74 0.01误差 3601915.9 85 42375.5 前后动摇轨迹长(mm) 生理负荷 403763.1 4 100940.8 5.46 0.01 误差 1572248.32 85 18497.1左右动摇轨迹长(mm) 生理负荷 250082.2 4 62520.6 3.26 0.05 误差 1631008.8 85 19188.3动摇速度(mm/s) 生理负荷 222.9 4 55.7 4.74 0.01误差 1000.5 85 11.8从表1可知人体生理负荷（心率水平）对人体平衡功能各项指标具有非常显著影响（5分）.说明以心率为评价指标的人体生理负荷的合理控制对于平衡功能是有利的（5分）。其中，对前后动摇轨迹长的影响最明显（2分），对总轨迹和动摇速度影响程度次之（2分），但其显著性p小于1%，对左右动摇轨迹长影响显著性p小于5%（1分）。影响睡眠的主要环境因素有那些,其中床的设计应考虑那几个因素?影响睡眠的主要环境因素有：寝具（床，枕头，被褥等），卧室照明，噪声， 温湿度，卧室空间等。床的设计应考虑：床的尺寸（长宽高）和床垫的构造。床的长度1.05身高 + 15 床的宽度2.5肩宽 床高= 40-60cm 床垫构造从上至下应为：软层硬层软层结构。即最上层为透气性、吸湿性和触感都较好的生物材料（柔软），中间层应是能保持人体上下平行振动的相对较硬的材料（硬层），最下层应设计成具有缓冲性好的软层（如弹簧等）。软硬软的度要适度。计算题（10分）有一新型材料制成的隔音墙，其对声能的反射和内部吸收率分别为0.259和0.74，问该隔音墙的噪声透过损失（隔音量）是多少分贝（db）? = 1-0.259-0.74 = 0.001 tl = 10lg(1/)= 30 db三、简答题（每题5分，共25分）1、什么是噪声性耳聋，它的特点是什么？答题要点：长期接触过量噪声，造成耳感受器发生器质性的病变，进而发展成为不可逆的听力损失，称噪声性耳聋。特点：一，在听力曲线图上以4000hz为中心处的听力损失；二，先有高音调缺损，后是低音调缺损。 2、有效温度和新有效温度的区别是什么？答题要点：有效温度是以风速0，相对湿度100%的气温为基准，而新有效温度是以风速0，相对湿度50%的气温为基准定义的感觉温度。3、在进行作业空间设计时，一般应遵守哪些基本原则？答题要点：重要性原则、频用性原则、功能原则、使用顺序原则 4、举例说明什么是“显示和控制相合性”。答题要点：从运动方向相合性和位置相合性两方面加以说明。5、应当如何根据照明光源的色温来选择环境照明的照度？ 答题要点：为了使人感觉舒适，色温与照应当协调，一般对于照度要求低的环境，要选择色温低的光源，反之，选择色温高的光源。四、（10分）为求一个方便进出的门孔大小尺寸，我国人体尺寸标准中男性最大肩宽平均值为431mm、标准差23.1mm，女性最大肩宽平均值为397mm、标准差为24.9mm。同时测得人在行走时手臂摆动和身体左右晃动的空间比手臂下垂静止站立时要宽150mm.现已知正态分布变换系数k值如表-1所示，请选择适当的百分位设计该门洞的最小功能宽度。 表-1 百分位与变换系数百分位（%）变换系数k百分位（%）变换系数k1-2.326700.5245-1.645800.84210-1.182901.28220-0.842951.64550-0.000992.326解： 应当选择男性的最大肩宽尺寸，选择99%百分位的k值2.326（2分） x(99)=m+ks x(99)=431+23.12.326=485mm（3分）门宽最小功能尺寸w = x（99）+150=635mm（2分）因此，该门孔洞的宽度至少应取635mm（1分）。五、（10分）下图是冰箱上用来调节温度的旋钮，旋钮上面刻有刻度，数字越小表示温度越低，旋钮上方还有一个固定的指示箭头用于指示调节的控制目标温度等级，请分析该设计存在的问题，并提出改进设计的方案（10分） 答题要点：（1）在该设计中，若想降低温度，应该顺时针旋转手柄，应为对于这个冰箱的调节旋钮，顺时针方向旋转使读数变小，但是该操作设计与人的认知习惯相反（逆时针减小的原则）。设计者意识到这个问题，在图中增加了箭头和文字说明“cooler”和“warmer”帮助用户识别变化趋势。即使如此，操作者也容易判断错误而产生误操作（5分）。 （2）更好一些的设计是采用固定刻度，移动式指针。此时，设计有很好的兼容性：刻度从左到右为上升，顺时针方向读数增大。既方便用户读数又符合人们的习惯（5分）。六（20分）在人机系统设计中，如何理解从“人适应机器”到“机器适宜人”的思想变化？并说明人机工程学在科学技术体系中的地位和作用？ 答题要点：人们对人机关系的研究和认识随着科学的发展而变化，从“人适应机”到“机适宜人”或“人机相互适宜”就是人们对人机系统设计的基本思想的变化。人机工程学在科学体系中的位置和作用可以从图-1中理解。图-1中的纵轴表示事故率，横轴表示技术年代，人机系统（例如飞机，汽车等）的事故随着材料科学的发展和机械可靠性的改良而不断减少，但是达到一定程度后，事故率趋于稳定，说明影响事故率的还有其它因素，这就是人的因素和人机相互匹配关系。所以要进一步减少事故，必须研究人的特性和人机系统匹配理论，因此随着人员的选拔理论、训练理论和方法的研究和应用，事故率也获得了迅速的减少。同样，通过人员的选拔和训练可以减少事故到一定程度，但是机械设计完成之后再选拔操作的人员具有一定的局限性，因此，在设计之前，要充分研究人的特性，根据人的特性设计最佳的机械参数和人机匹配关系，这样才能进一步减少事故的有效途径，这就是人机工程学在科学技术体系中的位置和作用。 1、人机链环解析法：链环解析是评价和改善人机系统中人-人; 机-机; 人-机的空间布置的一种技术方法。包括对应链环解析法和顺序链环解析法两种。1)对应链环解析法(corresponding link analysis) 所谓链环是作业系统内各元件及人结合关系的一种指标, 分为以下三种类型： 信息传递链环: 如视觉链环, 听觉链环, 触觉链环等传递情报信息的链环。 . 控制链环: 操作和控制机器设备, 进行能量传递的链环, 如: 按下开关, 移动手柄等。. 运动链环: 身体从一个位置运动至另一个位置的链环。对应链环解析的顺序：作业操纵人员用圆圈o,机械元件用四方块 表示, 并分别进行编号。一般机械元件用英文字母a,b,c., 人用1,2,3,.进行编号。将机械元件，作业人员的布置图按比例画好。作业人员、机械元件之间的链环用直线连接，必要时用不同种类的直线区别不同种内的链环。改变布置图中各作业人员, 机械元件的位置, 直到链环之间的交叉数最少为止, 有必要时进行多次改变。确定布置图的链环值。一般情况下，链环值有重要性链环值、使用