第3章+人机工程学

1、1第第3章章 人机工程学人机工程学与认知心理学相比，人机工程学（Ergonomics）更多地从人本身和系统的角度出发，研究人机关系。它是人机界面学的初期发展阶段的主要研究内容，并对人机界面学以后的发展产生了重大的影响。从这个意义上说，它与用户认知心理学起着异曲同工的作用。22000年8月，国际人机工程学会（InternationalErgonomicsAssociation）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。人机工程学专家旨在设计和优化任务、工作、产品、环境和系统，使之满足人们的需要、

2、能力和限度。3从科学性和技术性方面，人机工程学可以这样定义：人机工程学是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。4人机工程学着重研究以下问题：（1）研究人与机器之间的分工与配合。任何一个系统都离不开人的参与，人机系统中人与机具相互作用、相互配合、相互制约、协同工作，完成确定的工作。因为机是从属于人的，由人来控制和使用的，要执行人的意志，按人的意图、目的去办事。5所以在人机分工与协同工作中首先应该充分考虑人的生理和心理特点，使人与机充分发挥各自的特点与优势；其次，应该让机具更多地代替人的工作；最后，考虑经济上的投资与效益问题。

3、6（2）研究机具如何能更适合于人的操作和使用，以提高人的工作效率，减轻人的疲劳和劳动强度。机具结构及操作要符合人的生理、心理规律及人的需要，使人能方便、省力、安全地操作和使用，减轻人的脑力记忆及体能操作负担，减轻人的疲劳效应。7（3）研究人机系统的工作环境与操作者的影响，目标是使工作环境安全、舒适。不合适的操作环境使工效降低，差错频繁发生，并极易产生疲劳。环境包括大气环境、照明、噪声、色彩等。8（4）研究人机之间的界面，信息传递以及控制器和显示器的设计。人机界面负责人机之间的信息传递，人通过控制器向机器输入控制信息，而机通过显示器向人输出运行结果。良好的显示器和控制器设计将使操作者能够方便正确

4、地操纵机器。9（5）总的任务是人、机器、环境之间实现最优配合，充分发挥人机的作用，使人尽其力，机尽其用，环境尽可能舒适，使整个人机系统安全、高效、可靠。10人机工程学在解决系统中的问题主要有两条途径：（1）使机器、环境适合于人；（2）通过最佳训练方法，使人适应于机器和环境。113.1 人机工程与人机界面人机工程与人机界面人机工程学与国民经济的各部门都有密切关系，它把“人的因素”作为一个重要条件来考虑。人机工程学对人机界面设计的作用可概括为以下几个方面。121为人机界面设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究

5、。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；13提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时的惯性等动态参数；分析人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的机能特征；分析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，14探讨人在工作中影响心理状态的因素，以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。152为人机界面设计中“机”的功能合理性提供科学依据如何解决“机”与人相关的各种功能的最优化

6、，创造出与人的生理和心理机能相协调的“界面”，这将是人机界面在功能问题上的新课题。如信息显示装置、操纵控制装置、工作台和控制室等部件的形状、大小、色彩及其布局等都是以人体工程学提供的参数和要求为设计依据。163为人机界面设计中考虑“环境因素”提供设计准则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，确定了人体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，从而保证人体的健康、安全、合适和高效工作。174为进行人-机-环境系统设计提供理论依据人机工程的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的

7、基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“机”的人和所设计的“机”，以及“机”所共处的环境作为一个系统来研究。18同样，人机工程学原理在计算机人机界面中无处不在。对于一个系统来说，有许多人机工程因素需要考虑，例如：（1）系统用户应该始终知道下一步该做什么。系统要始终提供如何继续下去、后退、退出等命令的说明，例如：告诉用户系统下一步应对系统进行什么操作，这一点可以通过准备（Ready）、输入命令（EnterCommand）、输入选择（EnterChoice）或者输入数据（EnterData）等来实现。19告诉用户输入的数据是正确的，这一点可以通过直接执行下一步命令或者弹出像“输入正确”

8、（InputOK）之类的对话框。提示用户输入的数据错误。简短的提示是非常重要的，另外，也可以运用帮助功能进行补充说明，以提醒用户。20告诉用户系统延迟的原因。有些命令需要系统执行几秒钟甚至几分钟，此时就需要向用户说明原因并提醒耐心等待，例如分类、搜索、打印或者更新等。可以通过语言提示，或者用图示化表示运行过程。21提示用户任务已经完成或者尚未完成，这一点尤其是在系统延迟运行中显得很重要。例如“打印完成”（PrintingComplete）或者“打印机没有准备好，请检查后重试”（PrinterNotReady,PleaseCheckandTry）等。22（2）所有类型的信息、说明、消息等都在同一

9、个总的显示区域内显示。在窗口（Window）环境中，CUA,Macintosh，Windows，Motif等都制定了各自的标准。23（3）简化复杂的功能，减少输入命令，尽可能采用功能键。有些功能可以通过功能键来实现，如F1F12，开始、帮助、退出或者终止、打印、保存或者增加、删除等。24（4）默认值和需要用户输入的值要说明清楚。在许多情况下，有些值是缺省设置的，如日期等，这样可以大大方便用户的使用。25（5）告诉用户可能的错误操作，设置中间或者最终提醒过程。哪怕是提供了清楚的说明，用户也有可能出错误。如果用户在执行危险命令时，最好给他们以提醒，例如“你确实要删除此文件吗？”（AreYouSur

10、eYouWantToDeleteThisFile）等。有时一个小小的提醒，可以免去许多麻烦。263.2 人机系统及其界面设计人机系统及其界面设计3.3.1人机系统的组成和人机系统基本框架完整的人机系统包括人、机、人机之间的界面以及人机系统所处的环境，如下图所示。27环境人子系统机子系统人机界面28图中，人子系统包括感觉器官、中枢神经系统及运动器官三大部分；机子系统包括操作器（又名控制器）、机具本体及显示器三大部分；人机界面负责人机子系统之间的信息传递；环境是人机系统运行的外界条件。29在进行人机界面设计时，不应单纯设计显示与控制，还必须站在系统的高度上，整体考虑人-机-环境系统，进行系统设计。

11、303.2.2人机比较及分工人机工程学的研究目的是根据人类的各种特性，对与人类直接相关的各种机具进行设计与改进，使人机系统以最优方式协调运行，达到最佳的效率和总体功能。这里首先对人与机的特性做一比较，如下表所示。31比较项目机的特性人的特性物理方面的功率（能）能输出极大和极小的功率，但不能像人手那样精细地调整10s内输出1.5kW，以0.15kW的输出能连续工作一天，并能作精细的调整检测物理量检测范围广，可正确检测像电磁波这样人不易检测的物理量具有与认知直接联系的高级检测能力，缺少标准，会出偏差，具有味觉、嗅觉、触觉操作在速度、精度、力度、操作范围、耐久性等方面比人优越，能处理液体、气体、粉状

12、体等物手空间自由度高，协调性好，可在三维空间进行多种运动32信息处理能力在事先编程的情况下可进行高级、准确的数据处理，记忆准确、持久，调出速度快具有特征抽取、综合、归纳、模式识别、联想、发明创造等高级思维能力及丰富的经验耐久性、持续性、可维护性由成本决定；需维护保养，可进行单调的反复作业，不会疲劳易疲劳，需要适当休息、保健、娱乐，很难长时间保持紧张状态，不适应从事刺激小、单调乏味的作业可靠性由成本决定；对事先设计的作业有高可靠性，对预料之外的事件无能为力。一个零件的损坏，可导致整机失灵；特性能保持不变容易出差错；如果有时间和精力，可以处理意外事件，自我维护力强33通道能够进行多通道的复杂动作单

13、通道效率需外加功率；简单作业速度快、准确，新机械从设计、制造到运转需要时间；即使坏了也不要紧耗费能源小，但要吃饭，需要教育和训练，必须采取绝对的安全措施图形识别图形识别能力差图形识别能力强成本需要购置费，运转、保养费；机械不使用仅失去机械本身的价值需要人工费用、工资等；如果发生意外，会危及生命34了解了人机系统各自特点后，再按照系统的效率、可靠性、成本等原则在人、机之间进行合理的分工。在经济合理的前提下，总是尽可能让机去更多地取代人的工作强度。一般以下工作可由机来完成：35（1）枯燥、单调、笨重的作业；（2）危险性大的作业或会影响人体健康的作业；（3）高级运算，快速操作；（4）可靠性、高精度的

14、和程序固定的作业。36而以下工作则由人来完成：（1）程序设计；（2）意外事件处理；（3）变化频繁的作业；（4）探索性工作或需要作出决策的工作。373.2.3人机系统设计要求和应考虑的问题1人机系统设计要求（1）达到预定的目的，完成预定的任务；（2）人和机都能发挥各自的作用协调一致地工作；38（3）提供输入和输出功能，并具备调节功能；（4）考虑环境因素影响；例如厂房结构、照明、温度、湿度、噪声等；（5）充分适应人的特性，容易学习、操作和使用，充分发挥系统效能。392人机系统设计应考虑的问题（1）为满足系统设计目标必须的输入和输出是什么？（2）为产生系统输出需要什么操作？40（3）人机之间的功能如

15、何分工？（4）人要完成操作需要什么样的训练和技能？（5）需要系统完成的任务能否与人的能力相容？41（6）人要完成作业需要什么样的设备接口？这是考虑人的因素的最重要问题。需要有最佳的显示设备和操作设备，以及操作规程和信息诊断能力；（7）人机子系统工作能否协调？是相互帮助还是相互妨碍？42在构造人机系统时，除了特别简单的以外，都要考虑以上7个问题，并不是一下子就能做到的，需要反复地进行修改，反复与叠代法也正是典型的人文因素的研究方法。433.2.4人机系统设计步骤（1）需求分析阶段需求分析阶段要明确目标，用户是“谁”，人机系统所应具备的功能、条件，包括可用条件、制约条件及环境条件等。44（2）调查研究调查研究包括预测和确定目标，对同类系统的调查研究。45（3）系统分析规划阶段分析和划分系统功能，并按人和机两者进行分配。要充分发挥人、机各自的特长和能力，同时也要避免人、机的限制因素。如对人有：正确度、体力、行动速度、知觉能力等界限。对机具有：机械性能维护能力、机械正确动作、机械智能及判断能力及费用等界限。46（4）系统设计阶段要考虑人文因素，保证人与机具的一致性，并制定人机系统操作步骤、方法及制定人员培训计划。（5）测试阶段通过测试和运行，评价系统的安全性