（机械设计及理论专业论文）基于人机工程学的高速动车组车内设计分析与研究.pdf

摘要 摘要 伴随着中国铁路第六次大面积提速的到来，我国的铁路已经进入大跨越、 大发展的阶段。经过两年高速动车组的运营再加上前期的设计制造，我国已经 基本掌握了高速列车的核心技术。车内设计不像转向架、牵引系统、制动系统 及车体等部分直接关系到列车的安全和速度，在我国一直以来都没有予以重视， 满足基本的出行需要尚且不足，人性化设计更是无从谈起。当今在车速与国际 接轨的同时，车内设计虽然也有了一些改进，但随处可见的是对国外设计的照 搬和复制。现在正值中国铁路客车发展的黄金时期，市场的多元化将会促使各 车辆厂重视车内的人性化设计。 本文以人机工程学理论为基础，将高速动车组车内的人_ 机一环境作为一 个系统来研究，并以人的乘车生理和心理特征为出发点，对车内与旅客出行密 切相关的各种设施、空间布置及环境控制的相关数据进行了分析，提出了人、 机相匹配的相关设计依据及宜人的车内环境控制方法。特别是通过理论分析得 到了车内座椅、卫生间、盥洗间等重要设施的全新的设计数据及空间位置尺寸 为今后的动车组车内设计提供了参考。 关键词：高速动车组；人机工程学；车内设计；环境控制 a b s t r a c t o u rn a t i o n a lr a i l r o a dt r a n s p o r t a t i o nh a se n t e r e dt h ev i g o r o u ss t a g eo f d e v e l o p m e n tw i t ht h ea r r i v a lo fc h i n a ss i x t he n h a n c i n gr a i l w a ys p e e di nal a r g ea r e a w i t ht w oy e a r so fe m uo p e r a t i o na n dp r e d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di nc h i n a ，w e h a v eb a s i c a l l ym a s t e r e dt h ec o r et e c h n o l o g yo fh i g h - s p e e dt r a i n i n t e r i o rd e s i g n , u n l i k et h et r a i nb o g i e ，t r a c t i o ns y s t e m ，b r a k es y s t e ma n dt h eb o d yp a r t sr e l a t e dt ot h e s a f e t ya n ds p e e d ，s oi th a sf a i l e dt ob ea t t a c h e di no u rc o u n t r y i ti sn o te n o u g ht o m e e tt h eb a s i cn e e d sf o rt r a v e ln o tt h ee v e nh u m a nd e s i g n t o d a y , t h er a i l w a ys p e e d h a sg o tt oi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n dt h e r eh a sb e e ns o m ei m p r o v e m e n ti nt h et r a i n i n t e r i o rd e s i g n ，b u tc a nb es e e nt h ec o p y i n go ff o r e i g nd e s i g na n dr e p l i c a t i o ni n a n y w h e r e i ti st h eg o l d e ne r ao fd e v e l o p m e n tf o rc h i n a sp a s s e n g e rt r a i n s n o w t h e v e h i c l ef a c t o r yw i l lt a k eg r e a ti m p o r t a n c et ot h eh u m a n ed e s i g nb e c a u s eo ft h e d i v e r s i f i c a t i o no fm a r k e t t h em 吐s p e e de m ui n t e r i o rh u m a n m a c h i n e e n v i r o n m e n th a sb e e nt os t u d y a sas y s t e mb a s e do nt h et h e o r yo fe r g o n o m i c s i th a sa n a l y z e dt h et r a i ni n t e r i o rd a t a o ft h ef a c i l i t i e s s p a c el a y o u ta n de n v i r o n m e n t a lc o n t r o lw h i c ha r ec l o s e l yr e l m e dt o p a s s e n g e r t r a v e ls t a r e dw i t h p a s s e n g e rp h y s i o l o g i c a l a n d p s y c h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i e s i th a sg i v e nd e s i g nb a s i sf o rt h em a c h i n et h a tm a t c h e st h eh u m a na n d t h ea m e n i t yo ft h ee n v i r o n m e n tc o n t r o lm e t h o d s e s p e c i a l l y , t h r o u g ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si th a sg e tn e wd e s i g nd a t aa n ds p a t i a ld i m e n s i o n sa b o u ts e a t s ，t o i l e ta n d r e s t r o o m i th a sp r o v i d e dr e f e r e n c ef o re m ui n t e r i o rd e s i g n k e yw o r d s ：h i g h s p e e de m u ；e r g o n o m i c s ；t r a i ni n t e r i o rd e s i g n ；e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 手写，：夏- 訇乍卢签字日期： 加。件月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌盔堂可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) 及闺名导师签名( 手写) 幸多协啉 签字日期：d 护产莎月仟e l 签字日期：二弩年占月乍日 t 第1 章引言 1 1 选题依据及意义 1 1 1 选题依据 第1 章引言 人机工程学是系统的研究作为使用者的人与机器、系统和环境的关系的学 科。铁路客车车内人机系统的研究就是将人一车内设施一环境作为一个统一的 整体来研究，综合利用人机工程学基本理论合理的设计“机”，使车内的空间 布置及设施更加符合人的生理、心理特性，从而获得系统的最佳综合效能。 铁路客车作为一种出行的交通工具在未来的很长一段时间内仍然具有优 势，是其它交通工具不可替代的。具体表现在：( 1 ) 运力大，一列车一次就能 运载上千旅客( 2 ) 较其他交通工具更加安全、准点( 3 ) 能耗远低于飞机和汽 车，从而降低了客运成本( 4 ) 污染少，有利于环境保护( 5 ) 不必换乘其他交 通工具就可到达目的地节省时间和出行环节( 6 ) 客运路线稳定，受天气影响小。 高速铁路虽然源于传统铁路，但借助于多项高新技术已全面突破了常规铁 路的概念，形成一种能与既有路网兼容的新型交通系统。高速铁路具有占地省、 能耗低、运能大、污染少、全天候，适应性强等技术经济优势，与公路、航空 运输相比，是中长距离运输中最具节约特征的交通方式。每人公里燃料消耗是 汽车的3 2 ，是中程客运飞机的2 0 ，废气排放不到汽车和飞机的2 3 ，占地仅相 当于双向4 车道高速公路的5 0 。根据国际铁路联盟高速部的资料统计，欧洲1 7 个国家交通运输业的外部成本总额为5 3 0 0 亿欧元，占这些国家当年g d p 总值的 7 8 。在汽车、飞机和铁路3 种快速交通工具的外部成本中，铁路仅占1 9 4 ， 远低于公路的9 1 5 、航空的6 1 。正是高速铁路的这些突出技术经济优势，使 得高速铁路在世界范围内蓬勃发展。 在我国动车组的运营，不仅为中短途客运增加了一种新型的铁路交通工具， 更重要的是它为铁路运输带来了新的活力。动车组虽然在我国真正投入商业运 营的时间并不长，但其良好的发展前景已被国内外普遍看好。 本人在读研之前曾经在铁路客车制造企业从事客车设计工作，在过去几年 第1 章引言 的工作中发现了一些车内设计方面的问题。由于车内设计不像转向架、动力系 统、车体以及线路那样直接影响运行的安全、稳定，因此在这一方面一直没有 引起客车设计和技术攻关人员的足够重视。“和谐号动车组虽然在人性化设 计上有了一些进步，但动车组都是引进的国外技术，特别是刚开始运营的车辆 是直接整车引进，车内的各种设施都是按照国外的各种标准设计的。在以后的 国产化中几乎把所有精力都投入到了关系车辆速度和安全的核心技术上，根本 无暇也不重视车内设计的优化。通过多方查找资料和大量的文献阅读，发现目 前国内对本课题及有关领域做深入系统研究的很少也不够完善。由于国内设计 理论研究源于西方发达国家，所以我们的理论受西方的影响很大，在实际设计 活动中对西方的麻木模仿也是随处可见。只有适合自己的才是最好的。我们要 从本民族的特点出发来设计制造适合我们自己的产品。 因此，在这样的背景下，通过与导师商讨决定以铁路客车的车内设计研究 为题，从乘车人的生理、心理特征出发，对客车车内设施与空间、环境进行人 机系统分析和研究。 1 1 2 课题研究的社会、经济意义 我国人口众多，长期以来现有的车辆根本无法解决交通压力，对于出行只 能满足安全、准点的基本要求，根本没有条件实现舒适的旅行。一直以来，人 们对于乘车环境的恶劣已经习以为常，在旅行中客运部门缺少对人的入文关怀。 随着我国经济的发展，人们的生活水平越来越高，相应的就要求提高自己的生 活质量。国家也加大了投入增加交通设施来满足人们的需求。当前，中国的铁 路已经进入跨越式的快速发展阶段，特别是高速动车组的运行给人们带来很大 方便。在满足快速、安全的同时也应该给乘客带来出行舒适的感觉，这是车辆 设计上应该注意的问题。由于在车内设计上长时间对人性化的忽视，今天只要 稍做改善就会使国人感到满足。但我国正在加快铁路建设，在未来几十年里高 速动车组很有可能将会取代现行的普通客车成为主流交通工具。当人们将动车 组视为很平常的交通工具时，就会不满足于现状，特别是在细节设计上会有更 高的要求。将人机工程学原理应用到动车组的车内设计中来，可以优化乘客、 设施和车厢环境的关系，提高铁路客车品质和服务质量，同时增强“以人为本” 的社会服务理念。 2 第1 章引言 中国经济的高速发展迫切需要缓解交通压力、改善交通环境。铁路客车要 想在与汽车客运、航空的竞争中取得优势，除了提高速度和安全性外车内的舒 适性也是一个重要因素。市场化将会使得客车制造企业注重旅客的需求。人机 工程学的应用范围十分广泛。其研究和应用已深入到农业、林业、制造业、建 筑业、交通、航天、航海、服务等广泛的领域。以人机工程学为出发点优化车 内设计，对即将到来的铁道车辆多元化、体系化的新格局，研发并制造一批世 界一流水平的客车具有积极的指导意义。 1 2 课题研究的主要内容 1 通过分析乘车人员的生理及心理特性来研究铁路客车车内的空间布置、 设施尺寸、环境控制，分析我国在客车车内设计中存在的问题，并借鉴国外先 进设计的优点为高速动车组提供适合中国国情的设计，为以后的高速铁路客车 设计提供科学依据。具体内容如下所示： 以人机工程学理 论、用系统的观 点分析车内设计 1 收集相关资料 2 整理铁路客车设计的发展历史 3 总结我国在客车人机工程设 计中存在的问题 4 根据人机工程学原理借鉴国外 先进经验对动车组车内设计进行 分析 3 第1 章引言 2 运用系统方法，综合工程学、数学、伦理学、心理学和艺术学等多学科 的知识来研究本课题，丰富了设计理论，为其他设计提供方法参考。 1 3 课题研究的方法 本文的研究内容是我国高速动车组车内的人性化设计，目的是设计出令人 舒适的乘车环境，研究“以人为本”的现代设计方法，对未来的铁路客车的产 品设计提供借鉴作用。主要采用以下方法来研究： 1 理论知识的学习 收集和整理国内外文献资料，大量阅读与课题相关的理论专著及文献，借 鉴国内外对高速铁路车内设计的优秀研究成果，奠定本文撰写的理论基础。 2 实践方法 通过到车辆厂实地考察，获知客车室内设计的研发方法和程序；亲自乘车 体会并调研不同群体对客车设计的要求，研究现有设计的不足与改进方法。 3 系统论方法 为了分析国内外各个时期客车设计的特点，设计出符合我国国情的客车， 运用系统论的方法，将客车内部的各个设施、空间作为一个小系统，而客车运 行中的自然环境、社会环境作为一个大系统；把特殊的人群作为小系统，而整 个旅客群体的需求作为一个大系统，从整体角度观察、分析研究客车内部设计 的特点。 1 4 课题的创新之处 1 首次以我国的国情及国人的人体尺寸、生活习惯、心理特征为出发点， 将人机工程学理论应用到在中国投入运行时间不久的高速动车组的车内设计 上，拓宽了人机工程学的应用领域。 2 对动车组客室室内的各种设施、空间布置及环境进行了比较全面的人机 分析，尤其是通过对比较重要的座椅、卫生间、盟洗间的理论分析得到了一系 列新的设计数据并且对动车组的车内安全性提出了建设性的建议。 4 第2 章人机工程学理论介绍 第2 章人机工程学理论介绍 2 1 人机工程学的概念 人机工程学是一门系统的涉及和利用多个学科知识和方法的综合性自然科 学，它涉及了从人体科学、工程技术、环境科学到社会科学、管理科学等学科 的各个方面。所以该学科具有科学定义不统一、学科边界模糊、学科内容综合 性强、学科应用范围广泛、命名多样化等特点。该学科在各国命名不同，在美 国称为“h u m a n e n g i n e e r i n g ( 人类工程学) 或“h u m n a f a c t o re n g i n e e r i n g ( 人 类因素工程学) ：西欧国家多用“e r g o n o m i c s ( 人类工效学) ；日本称为人间工 学；俄罗斯则译为工程心理学。2 0 0 0 年8 月，国际人机工程学会对本学科所下 的定义为：人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用 相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科1 。简 单的说就是改善人一机一环境三者关系的科学。 在这三要素中人是处于主体地位的，也是操作者或使用者；机是指具有广 泛意义的机器，包括人操纵和使用的一切物的总和。可以是机器、用具或生活 用品、设施、软件等；环境是人与机共处的环境，包括如作业场所和作业空间、 色彩、空气、温度等组成的自然环境和工作氛围、人际关系、奖惩制度、团体 关系的组成的社会环境；系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成 的具有特定功能的有机整体口，。人一机一环境系统是指由共处于同一时间和空 间的人与其所使用的机以及他们周围的环境所构成的系统。人机工程学综合了 相关学科的原理、成果、方法、数据，将人、机、环境构成有机联系的完整系 统。该学科不是孤立的研究人、机、环境三个要素而是从系统的总体高度，将 它们看成是一个相互作用相互依存的系统。其根本目的就是是以人为主体，研 究该系统中人、机、环境之间相互协调、相互配合的规律，求得人一机一环境 整体系统的最优化。 2 2 人机工程学的研究内容 人机工程学的应用广泛，因为在工作和生活场所总是包含着人与机，以及 5 第2 章人机工程学理论介绍 围绕着他们的环境条件而构成的一个综合体。在“人机一环境系统”中，人 与机的关系是系统的中心，人机工程学的主要任务是对这一系统建立合理而又 可行的方案，以便有效地发挥人的作用，并为系统中的人提供舒适和安全的环 境，从而达到提高工效的目的n 8 1 。从工业设计学角度来看，与本学科相关的研 究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 人体因素的研究 从工业设计的角度出发，人机工程学主要研究与人体有关的人体形态特征 参数、人的感知特征、人的行为特征以及人在劳动过程中的生理、心理特征等 自然属性和工作生活中的社会行为、价值观念、人文环境等社会属性。从而为 与人体相关的机电设备、工具、用品、用具、设施、作业以及人一机环境系 统设计提供有关人的数据资料和要求，为使用者创造安全、舒适、健康、高效 的工作条件。 ( 2 ) 人机系统的总体设计 人机系统设计的目的就是创造最优的人机关系、最佳的系统效益、最舒适 的工作环境，根据人和机各自的特点，合理分配人机功能，使其在人机系统中 发挥各自的特长，并相互取长补短、有机配合，保证系统的功能最优。整个系 统的性能不同于个体要素性能的简单相加，必须从系统的整体出发去分析各子 系统的性能及相互关系，再通过各部分相互作用的分析来认识系统整体。如何 合理分配人与机在系统中的功能以及人、机间有效传递信息是系统整体设计的 基本问题。系统中人的特性如何体现，人与机的功能如何分配，机器系统如何 更宜人等，成为人机系统设计的主要内容。 ( 3 ) 工作场所和信息传递装置的设计 工作场所设计的宜人性是对人的健康舒适和工作效率产生直接影响的重要 因素。工作场所设计一般包括：作业空间设计、作业场所的总体布置，工作台或 操纵台设计、座椅设计、工具设计等。只有使作业场所适合人的特点，才能保 证人以无害于健康的姿势从事劳动，既能高效的完成工作，又感到舒适和不至 于过早的产生疲劳。所以作业场所设计的研究目的就是保证工作场所适合操作 者的作业，使人在工作过程中健康不会受到损害，高效而又舒适地完成工作乜1 | 。 人一机一环境系统的信息传递分为操纵与显示两个方面，即机器和环境向人传 递信息，机器接受人的信息。人机工程学对它们的研究不是重点解决工程技术 上的具体问题，而是从人的特性出发，研究信息传递方式、准确性、可靠性以 6 第2 章人机工程学理论介绍 及人的认读速度与精度等；研究操作装置的形状、大小、位置和操纵方式与人 的生理、心理、生活方式等相适应等方面的问题。 ( 4 ) 环境控制和安全保护设计 人机工程学通常研究温度、湿度、照明、噪声、振动、色彩、空气污染等 一般工作与生活环境条件对人作业活动和健康的影响，以及控制和改善不良环 境的措施，来保护操作者免遭因作业而引起的病痛、疾患、伤害，为操作者创 造安全、健康、舒适的工作空间。人机系统设计的首要任务应该是保护操作者 的人身安全，要求在产品的设计过程中要研究产生不安全的因素，同时应将安 全防护装置作为机械的一部分来研发和设计。这方面的内容包括：防护装置、保 险装置、冗余性设计、防止人为失误装置、事故控制方法、求援方法、安全保 护措施等。 2 3 人机工程学在工业设计中的应用 人机工程学的应用范围十分广泛，已经深入到农业、林业、制造业、建筑 业、交通、航天、航海、服务等广泛的领域。人的因素是人机工程学研究的主 要内容，是人机系统优化设计的核心。工业设计的核心是“以人为中心，随着 科学技术的发展，以人为中心的理念已成为设计产品系统的主要目标，人机工 程学也因此成为设计学科领域中的主要研究方问，成为工业设计的主要理论基 础和设计理念，是工业设计研究和实践中的一个重要内容。 2 3 1 为工业设计中“人的因素 提供人体尺度参数 工业设计中的产品都是为人服务的，因此要想在人机系统中发挥其最大的 能力，保护其功能，必须对人体的机构和机能特征进行研究，提供人体各部分 的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可 及范围等人体结构特征参数，还要提供人体各部分的发力范围、活动范围、动 作速度、频率、重心变化以及动作习惯等动态参数。同时分析人的视觉、听觉、 触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，以及人在劳动时的生理变化、能量 消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状 态的因素及心理因素对工作效率的影响等。人体工程学的研究，为工业设计全 7 第2 章人机工程学理论介绍 面考虑“人的因素”提供了人体结构尺度、人体生理尺度和人的心理尺度等数 据，这些数据可有效地运用到工业设计中去。 2 3 2 为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据 工业设计是现代社会工业产品竞争力的核心要素，是实现高新技术产业化 的重要手段，是科技创新不可或缺的另一翼。主要作用就是为了满足人类不断 增长的物质和精神需求，为人类创造更加舒适的生活方式。而这种舒适的生活 方式往往是要建立在物质基础上的，所以在设计中除了要考虑人的因素外还要 注意“物的功能是否合理、运作是否高效。解决“物与人相关的各种功能 的最优化，创造出与人的生理、心理机能相协调的“物 等问题都是以人机工 程学提供的参数和要求为设计依据的。 2 3 3 为工业设计中的“环境因素 提供设计准则 人类要在一定的环境中生活和工作，机器也要在一定的环境中运转，所以 环境影响人的生活、健康及工作能力的发挥，影响机器的性能。人机工程学通 过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声、光、热、振动、 尘埃和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程序，确 定了人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，从保证人 体的健康、安全、合适和高效出发，为工业设计方法中考虑”环境因素”提供了 评价方法和设计准则h ，。 2 3 4 为“人一机一环境的系统设计提供理论依据 人机工程学是将人、机、环境三者作为一个系统来研究，不是三个要素陛 能的简单叠加，它们互相作用、相互依存的关系决定着系统总体性能的优劣。 系统设计通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、机、环境 三个要素对系统总体性能的影响，系统中各个要素的功能及其相互关系，如系 统中人和机的职能如何分工、如何配合：环境如何适应机；机对环境又有何影 响等问题，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方 案的实现。人机工程学为工业设计开拓了新的设计思路，并提供了独特的设计 8 第2 章人机工程学理论介绍 方法和有关理论依据h 1 。 2 3 5 为“以人为本”的设计思想提供工作程序 在工业设计中所设计的产品最终的目的是满足人的需要，人既是设计的主 体也是服务的对象，一切设计行为归根结底都是以人为目的，使人与物、人与 环境、人与人、人与社会相互协调。设计师在设计产品时要找到人、环境、技 术、经济、文化等因素的最佳平衡点。从人机工程学和工业设计两学科的共同 目标来评价，判断最佳平衡点的标准，就是在设计中坚持以“人为核心的主 导思想，将人机工程学理论贯穿于设计的全过程。在产品设计的各个过程中都 必须进行人机工程学设计，以保证产品使用功能得以充分发挥。 2 4 人体测量的基本知识 人体测量学是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体 尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设计提供 人体测量数据，包括人体高度、人体重量、人体各部分长度、厚度、比例及活 动范围等。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有功能上的和构造上的 两类，即动态和静态尺寸。 2 4 1 人体测量的基本术语口1 g b 3 9 7 5 - 8 3 人体测量术语和g b 5 7 0 3 - 8 5 人体测量方法规定了人机工 程学使用的成年人和青少年的人体测量术语和人体测量方法。标准规定只有在 被测者姿势、测量基准面、测量方向、测点等符合下列要求的前提下，测量才 是有效的。 1 体型 体型指人体外形特征及体格类型，它随性别、年龄、人种等不同会产生很 大差异，体形与遗传、体质、疾病及营养有密切关系。一般人体体型的确定， 是以五种部位( 头、脸和颈部；上肢；胸：腹部和臀部；退和足) 的直径大小 为依据的。人体测量中将人体体型分为肥胖型、瘦长型和标准型三种。 2 被测者姿势 9 第2 章人机工程学理论介绍 1 ) 立姿 被测者挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方，肩部放松，上肢 自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指请帖大腿侧面，自然伸直膝部，左、 右足后跟并拢，前端分开，使两足大致成4 5 。夹角，体重均匀分布于两足。为 确保立姿姿势正确，被测者应使足后跟、臀部和后背部与同一铅垂面相接触。 2 ) 坐姿 被测者挺胸坐在被调节在肋排骨头高度的平面上，头部以眼耳平面定位， 双目平视前方，左右大腿大致平行，膝大致屈成直角，足平放地面上，手轻放 在大腿上。在测量时身体必须保持左右对称、呼吸平静。 3 ) 测量基准面 人体测量的基准面主要有矢状面、冠状面和水平面，它们是由相互垂直的 三个轴( 铅垂轴、纵轴和横轴) 来定位的。 4 ) 支撑面和衣着 立姿时站立的地面或平台以及坐姿时的椅平面应是水平的、稳固的、不可 压缩的。要求被测者裸体或穿着尽量少的内衣测量，在后者情况下，在测量胸 围时，男性应撩起汗背心，女性应松开胸罩后测量。 5 ) 基本测点及测量项目 在国标g b 3 9 7 5 - 8 3 中规定了人机工程学使用的有关人体测量参数的测点及 测量项目，其中包括：头部测点1 6 个和测量项目1 2 项；躯干和四肢部位的测 点共2 2 个，测量项目共6 9 项，其中分为：立姿4 0 项，坐姿2 2 项，手和足部 6 项以及体重1 项。此外，国标g b 5 7 0 3 - 8 5 又规定了人机工程学使用的人体参 数的测量方法，这些方法适用于成年人和青少年的人体参数测量，该标准对上 述8 1 个测量项目的具体测量方法和各个测量项目所使用的测量仪器作了详细 的说明。凡需要进行测量时，必须按照该标准规定的测量方法进行测量，其测 量结果方为有效。 6 ) 人体测量方法 在人体尺寸参数的测量中，所采用的人体测量仪器有：人体测高仪、人体 测量用直脚规、人体测量用弯脚规、人体测量用三脚平行规、坐高仪、量足仪、 角度计、软卷尺以及医用磅秤等。中国对人体尺寸测量专用仪制订了标准，而 通用的人体测量仪器可采用一般的人体生理测量的有关仪器。测量应在呼气与 吸气的中间进行。其次序为从头向下到脚；从身体的前面，经过侧面，再到后 1 0 第2 章人机工程学理论介绍 面。测量时只许轻触测点，不可压紧皮肤，以免影响测值的准确性。一般只测 左侧，特殊目的除外。测量项目应根据实际需要确定。如确定座椅尺寸，则需 测定坐姿小腿加足高、坐深、臀宽，并测定人体两种坐姿一端坐与松坐的尺寸， 以便确定靠背的倾斜度。 2 4 2 常用的人体测量数据 国标g b l 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸为人机工程学提供了我国成年人 人体尺寸的基础数据，它适用于工业产品、建筑设计、军事工业以及工业的技 术改造、设备更新和劳动安全保护。在这里各部分尺寸都以人机工程学的英文 第一个字母“e 命名。 1 人体构造尺寸 该标准主要包括：身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项 人体主要尺寸数据( 图2 1 ) ；眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点 高、六项立姿尺寸( 见图2 1 ) ；坐高、坐姿颈椎点高、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、做深、臀膝距、坐姿下肢长 共1 1 项坐姿人体尺寸( 图2 2 ) ；胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀 宽、坐姿两肘肩宽、胸围、腰围、臀围1 0 项人体平均尺寸( 图2 3 ) ；手长、手 宽两项人体手部尺寸( 图2 4 ) ；足长、足宽两项人体足部尺寸( 图2 5 ) 。 图2 1 人体立姿尺寸 e ( 2 1 ) 瞧西 图2 2 人体坐姿尺寸 第2 章人机工程学理论介绍 ? 图2 3 人体水平尺寸 图2 4 人体手部尺寸图2 5 人体足部尺寸 2 人体功能尺寸 人体结构尺寸不能满足在作业姿势下的要求，国标g b t1 3 5 4 7 - 9 2 提供了 我国成年人立、坐、跪、卧、爬等常取姿势功能尺寸数据。这里只列出坐、立 两种基本姿势功能尺寸，如图2 6 和图2 7 ，包括中指指尖点上举高e ( 8 1 ) 、 双臂功能上举高e ( 8 2 ) 、两臂展开宽e ( 8 3 ) 、两臂功能展开宽e ( 8 4 ) 、两肘 展开宽e ( 8 5 ) 、前臂加手前伸长e ( 9 1 ) 、前臂加手功能前伸长e ( 9 2 ) 、上肢 前伸长e ( 9 3 ) 、上肢功能前身长e ( 9 4 ) 、坐姿中指指尖点上举高e ( 9 5 ) 。 | j 一芷_ j ；r 舅j 图2 6 人体立姿功能尺寸图图2 7 人体坐姿功能尺寸 1 2 第2 章人机工程学理论介绍 2 4 3 人体尺寸功能修正量 在人体尺寸标准中的数据都是在裸体或穿薄衣的情况下测量的，而在实际 设计中所涉及的人体尺寸应该是穿衣、穿鞋情况下的尺寸，所以必须要给鞋、 衣服留下适当的余量，这就是人体尺寸着装能修正量。另外，人体测量时要求 躯干为挺直姿势，而入在正常作业时躯干为自然放松状态，为此要考虑由于姿 势不同而引起的变化量，还要考虑实现产品不同操作功能所需的修正量，这些 修正量总计为功能修正量。 2 。5 本章小结 本章介绍了人机工程学的概念、研究内容，并根据g b l 0 0 0 0 8 8 和g b t 1 3 5 4 7 - 9 2 标准列出了人机工程设计经常使用到的人体测量尺寸。 1 3 第3 章高速铁路发展及现状 第3 章高速铁路客车发展及现状 3 1 国外高速铁路客车现状 1 9 6 4 年1 0 月1 日，条最高速度为2 1 0 公里小时的铁路在日本正式投入载 客运输，这就是闻名世界的东海道新干线，它标志着世界铁路进入了高速列车 时代。此后，一些发达国家兴修高速铁路方兴未艾，高潮迭起。所谓高速铁路， 是各国根据自己国家的幅员、人口分布、工商业布局、经济与科技实力等具体 国情，从实际需要出发而采取的一种客运工具。般把最高时速1 6 0 公里划归为 高速铁路。在进入高速铁路时代的各国高速列车中，一般最高时速均在2 0 0 公里 以上，因此人们又往往习惯上把时速在2 0 0 公里以上视作高速铁路。 高速铁路是现代高新技术荟萃、综合集成的产物，它不仅反映了铁路在线 路、桥梁、隧道、机车、车辆、通信、信号、供电、运输等领域的一系列技术 进步，而且导致了设计、施工、运营和维修等方面根本性的技术和管理变革。 高速铁路包含了新型的牵引动力技术、制动技术、轮轨技术、弓网受流技术、 车辆结构和列车空气动力学、列车运行自动控制技术、系统安全性和可靠性技 术、信息和通信技术、灾害的预测监控技术、运输计划和智能调度技术、先进 旅客服务设施( 客票预售和站车服务等) 、设备运用、整备和维修一体化管理、 环境保护等硬、软技术的最新成果，是铁路运输现代化的集中体现。 3 t 1 各国发展概况 9 0 年代中期以来，开行时速2 0 0 公里以上高速列车的国家有日本、法国、 德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、美国、俄罗斯、英国、瑞典等国。其 中以德国的i c e ( 图3 1 ) 、法国的t g v ( 图3 2 ) 、日本的新干线( 图3 3 ) 最具有代表性。 日本的新干线模式是全部修建新线，旅客列车专用。1 9 9 0 年高速客运专线 的总里程已达1 8 3 1 5k m ，1 9 9 0 年以后再建的高速铁路总长为1 4 4 0k m 。日本 高速铁路是与既有线轨距不同、互不联轨的独立系统，昼间运营、夜间养护， 行车密度较大，并特别重视方便旅客换乘设施的建设。 1 4 第3 章高速铁路发展及现状 法国t g v 模式是部分修建新线，部分旧线改造，旅客列车专用，高速列车 图3 1 德国i c e 列车 在既有线运行。尽管1 9 9 0 年法国新建高速铁路里程仅为7 1 6 4k m ，但是，由 于t g v 列车可延伸到既有线上运行，其总通车里程却高达2 5 5 9k r o 。这种模式 充分考虑到旅客的旅行需求，并形成以高速铁路为骨干的国内城间快速交通网。 特别有利于吸引客流。法国在8 0 年代高速铁路建成初期便把虽高运营速度提高 到时速2 7 0 公罩( t g v p ) 和时速3 0 0 公里( t g v a ) 。并于1 9 9 0 年创造了时速 5 1 5 3 公里的最高试验速度。2 0 0 1 年5 月又创下以平均速度时速3 1 7 4 7 公旱连 续运行1 0 0 0 公里的长距离快速运行的世界纪录。而在2 0 0 7 年4 月3 闩，法国 高速列车在行驶试验中达到5 7 48 公里的时速，打破了1 9 9 0 年由法国高速列车 创下的时速5 1 53 公里的有轨铁路行驶世界纪录。 图32 法国t g v 列车酗33 日本新干线列乍 德国i c e 模式是全部修建新线，客货列车混用。这种模式采用能够兼容客 货列车运行速度和动力作用差别的线路结构和列车控制系统，客货列车分时运 行，昼间运行客车，夜间运行货车，尽管高速客车的速度低于专线上列车的速 第3 章高速铁路发展及现状 度，但节省了高速线路的工程投资，并有效提高了高速铁路的能力利用。德国 i c e 高速列车在客货混运线路上运行速度达到时速2 5 0 公里。 目前日本和欧洲的高速铁路运营线路较多的国家，列车速度都达到或超过 时速3 0 0 公里。列车速度的不断提高来源于运输市场的需求和新技术的应用， 同时由于高新技术的应用，在提高速度的同时，列车的安全性、可靠性和舒适 性得到加强和改善。 3 1 2 动车组技术 目前，时速在2 0 0 公里以上的高速铁路均采用动车组。动车组的牵引动力 型式可分为动力集中式和动力分散式两大类。动力装置分散安装在每节车厢上， 使其既具有牵引力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是 几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组。带动力的车辆叫动车， 不带动力的车辆叫拖车。动车组技术源于地铁，是一种动力分散技术。一般情 况下，我们乘坐的普通列车是依靠机车牵引的，车厢本身并不具有动力，是一 种动力集中技术。而采用了“动车组 的列车，车厢本身也具有动力，运行的 时候，不光是机车带动，车厢也会“自己跑 ，这样把动力分散，更能达到高 速的效果。动力集中式电动车组的特点是动力集中设在动车组两端的头车上， 中间编挂非动力的拖车，制造和维修成本低，但牵引电气设备总质量小。动力 分散式是把牵引动力分散到全列车地板下，增加客席，列车粘着性能好，起动、 制停快。但由于动力设备分散，车厢内噪声较大，电气设备总重增大，动车组 本身的维修和制造费用也相应增高。随着近年来电气控制设备轻量小型化、集 成化和减振降噪技术的提高，动力分散型式越来越得到人们的普遍认可。世界 各国新研制的速度3 0 0 公里以上的高速列车基本上采用动力分散方式。 3 2 我国高速铁路发展概况 随着中国改革开放和现代化建设的发展，社会主义市场经济体系的确立， 人口城镇化进程的加速，国际交往的增加和旅游事业的兴旺，诱发了大量的客 运需求；人民生活水平的提高，时间价值观念的增强，对缩短旅行时间、提高 服务质量的愿望也日益强烈，从客观上提出了发展高速铁路客运系统的社会需 1 6 第3 章高速铁路发展及现状 求。而高速铁路这一运力大、占地省、能耗低、污染轻、安全可靠、经济舒适 的公共交通方式，特别适合中国幅员辽阔、人口众多、经济尚不发达、能源相 对紧缺的国情和运输发展的需要。到2 0 0 4 年，我国客运机车车辆的水平基本上 处于1 6 0 k m h 速度级，经过5 次大面积提速，全国大量开行的是1 6 0 k m h 的旅 客列车。2 0 0 7 年4 月1 8 日我国开始第六次大提速，标志着中国正式进入高速 铁路的大跨越、大发展阶段。 32 1 引进吸收国外先进技术 要实现我国铁路与国际接轨的跨越式发展目标，我国铁路客运技术必须提 高到目前国外铁路达到的2 0 0 1 锄h 及以上这一较高档次，否则我们只能继续停 留在目前一般档次上而落后于人。为此我国铁道部提出在2 0 0 7 年将实现第6 次 大面积提速，部分提速干线列车速度要达到2 0 0 k m h ，实现发达国家既有铁路 线路的提速目标值。然而要实现这一新的目标值，当前对于我国铁路工业系统 来说是有难度的。我国目前拥有的几种2 0 0 k m h 及以上速度级的高速动车组属 于试制试验产品，除篮箭( 图3 4 ) 动车组生产了8 列外其它几种各试制了1 列，且处于试验考核改进阶段，要达到铁道部提出的”先进、成熟、经济、适 圈34 国产“蓝铺”号动车组 用、可靠”的技术方针，迅速满足第6 次大面积提速和今后对2 0 0 k n d h 左右速 度级动车组大批量的要求很不现实。在这种背景下，铁道部采取的发展思路是 由国内领先的企业与国外巨头组成联合体，由铁道部向这些具备高速客车制造 技术和能力的联合体招标，从而借助国外强势企业，实现我国高速列车由整车 第3 章高速铁路发展及现状 进口、国内组装到国内制造的提升过程，逐步达到7 0 9 6 以上的国产化水平。主 要由“长客”和“青岛四方”两家企业来进行具体实施。 2 0 0 4 年9 月招标的1 4 0 列动车组最后通过评标委员会综合评审，由中外双 方自主选择的中国北车集团长春轨道客车股份有限公司与法国阿尔斯通公司合 作、中国南车集团四方机车车辆股份有限公司与日本川崎重工合作、青岛四方一 庞巴迪一鲍尔铁路运输设备有限公司共3 家企业集团中标。 其中，阿尔斯通公司向“长客”转让动车组的设计和制造技术，“长客” 和国内主要配套企业重点引进动车组系统集成、高强度轻量车体、高速转向架、 轻量化大功率牵引变压器、牵引和辅助变流器、牵引电机、牵引控制系统、列 车网络控制系统和制动系统等动车组九大关键技术和空调系统、受电弓等十项 重要配套技术。这些技术如能成功引进和国产化，将使我国高速动车组的制造 迈入国际先进水平。随后“长客”在项目执行过程中学习、消化和吸收国外先 进技术和管理经验，目前已具有车体、转向架、系统集成等关键领域的核心制 造能力。从而为顺利制造出国产化的“和谐号”动车组奠定了坚实的基础。在 此基础上，“长客”又与西门子公司开展了全面技术合作，共同研发时速3 0 0 公里以上动车组首列已于2 0 0 8 年一季度下线，奥运会之前已有5 列在京津城 幽35 国产“和谐号”动车组 际间投入运营，其余动车组将陆续在时速3 0 0 公里高速客运专线上投入运营。 “长客”同时拥有世界最先进的时速2 0 0 公里和3 0 0 公里两个动车组制造技术 平台，因此在我国高速铁路的建设和发展中有举足轻重的作用。“青岛四方” 第3 章高速铁路发展及现状 与川崎重工和庞巴迪在时速2 0 0 公里和3 0 0 公里动车组项目上进行了全面技术 合作，其引进和合作方式与“长客”大同小异。两个骨干企业在研发和制造动 车组的区别目前主要在于一是对关键技术的学习和掌握上各有侧重，现均已基 本具备牵引电机、牵引控制系统等关键领域的核心制造能力；二是在“青岛四 方 下线的动车组主要在南方高速铁路上运行，而“长客”的产品主要在东北 运行。 3 2 2 我国高速铁路客车现状 1 已经掌握了世界先进成熟的铁路机车车辆制造技术。法国阿尔斯通、日 本川崎重工、加拿大庞巴迪、德国西门子、美国g e 、e m d 等公司，都是世界著 名的铁路技术装备制造企业，他们拥有当今世界一流的时速2 0 0 公里及以上动 车组和大功率电力、内燃机车设计制造技术。我们已经成功实现了这些技术的 转让引进，使我国铁路装备技术一下子跻身世界先进行列。 2 动车组和大功率机车的核心技术已为我所有。高速动车组的总成、车体、 转向架、牵引变流、牵引控制、牵引变压、牵引电机、列车网络控制和制动系 统等核心技术，大功率电力机车的总成、车体、转向架、主变压器、网络控制、 主变流器、驱动装置、牵引电机、制动系统等核心技术，大功率内燃机车的柴 油机、主辅发电机、交流传动控制等核心技术，以及大量的配套技术，我们已 经掌握。运用这些技术生产的时速2 0 0 公里及以上动车组和大功率机车的国产 化率可达到7 0 以上。 3 实现了低成本引进。我们引进的动车组和大功率机车技术，价格比其他 国家低很多，动车组比西班牙低1 4 、比韩国低2 0 ，6 轴大功率机车比欧洲同 类产品市场价格低4 4 。之所以能够取得这样高的性价比，主要是我们充分利 用了中国铁路巨大的市场优势，国内各企业的组合优势，再加上采取了灵活的 谈判策略，实现了国家利益的最大化。 4 加快了我国机车车辆制造工业现代化步伐。在这次大规模的技术引进 中，国内共有十多家