汽车驾驶室设计与人机工程学

1、汽车驾驶室设计与人机工程学我国对车辆人机界面的设计也非常重视，在我国汽车标准体系中，强制性执行的前几项标准基本都属于人机界面设计的范畴。目前，我国的人机界面设计还仅限于测试技术的应用与研究，也就是按国家标准对汽车显控性能进行测试试验，并对关键测试技术进行实验研究。第二章人体数据在汽车驾驶室中的应用 为了使驾驶室设计能符合人的生理特征，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度。人体测量是人机工程学的主要组成部分，它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上的差别，用以研究人的形态特征从而为人一机一环境系统设计提供人体测量数据。在认识人体数据在汽

2、车驾驶室中的应用前，要先对人体测量有一定的了解。 2.1人体测量的分类 人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体结构尺寸和功能尺寸的测量数据。人体结构上的尺寸是指静态尺寸;人体功能上的尺寸是指动态尺寸。 （1）静态人体测量尺寸:指被测者静止地站着或是坐着进行的一种测量方法。静态测量的人体尺寸用以设计工作空间的大小、家具、产品界面元件以及一些工作设施等的设计依据。 （2）动态人体尺寸测量:指被测者处于动作状态下所进行的人体尺寸测量。动态人体尺寸测量的重点是测量人在执行某种动作时的身体动态特征，特点是在任何一种活动中身体各部位的动作不是独立完成的，而是协调一致的，具有连贯性和活动性。

3、其中，人体结构尺寸分为人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、人体水平尺寸。而驾驶室的设计则主要应用了人体主要尺寸和坐姿人体尺寸。人体主要尺寸包括身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项数据。坐姿人体尺寸包括坐高、坐姿颈锥点高、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、坐深、臀膝距、坐姿下肢长共十一项。而人体功能尺寸则包括立姿、坐姿、跪姿、俯仰、爬姿等作业姿势的尺寸。而驾驶室的设计则主要应用了坐姿人体功能尺寸。表2-1 我国人体主要尺寸测量项目男性女性均值标准差均值标准差身高167859.93157052.12体重596.66526.06上臂长31314.552

4、8413.33前臂长23712.7321312.12大腿长46522.4243821.82小腿长36918.7934418.79坐高90830.3085527.88坐姿眼高79839.7073926.67坐姿肩高59824.8555623.03坐姿肘高26321.2125121.82坐姿大腿厚13010.9113010.30坐姿膝高49322.4245820.61小腿加足高41318.1838224.24坐深45721.8243319.39臀膝距55423.6452920.61坐姿下肢长99243.0391236.97胸宽28016.3626013.36胸厚21215.7519917.58肩宽

5、37518.7935118.29臀宽30614.5531716.36坐姿臀宽32115.7634420.61坐姿两肘间宽42230.9140433.94头围56014.5554615.77头全高22310.302169.702.2测量数据统计方法 人群中个体与个体之间存在着差异，某一个或几个人的人体测量数据不能作为产品设计的依据。任何产品都必须适合一定范围的人群使用，产品设计中需要的是一个群体的人体测量数据。通常的做法是通过对测量群体采取抽样调查，再进行统计处理而获得所需的群体的人体测量数据。 对一定数量的个体样本进行人体测量所得到的测量值，是离散的随机变量，可以跟据概率论与数理统计理论对测量

6、数据进行统计分析，求得所需群体的人体测量数据的统计规律和特征参数。常用的统计特征参数有均值、方差、标准差、百分位数等。人体测量的数据常以百分位数来表示人体尺寸的等级，分位数是一种位置指标，一个界值，以符号凡表示。一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为两部分，有K%的测量值等于或小于此数，有(100-K)%的测量值大于此数。最常用的是第5, 50, 95三个百分位数，分别记作只、凡。、凡。其中只代表“小”身材的人群，指的是有5%的人群身材尺小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值;凡。代表“中”身材的人群，指的是有50%的人群身材尺寸小于此值，而有SO%的人群身材尺寸大于此值;凡s代表“大”

7、身材的人群，指的是有95%的人群身材尺寸小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值。驾驶室尺寸往往要满足95%以上人群的需要，以适应大部分人的使用要求。显然，单一固定的尺寸很难满足要求，所以驾驶室中座椅、安全带等都是可调的。 第三章人体感应与信息处理3.1人在人机系统中的功能（1）传感功能。通过人体感觉器官的看、听、摸等感知外界环境的刺激信息，如物体、事件、机器、显示器、环境或工作过程等，将这些刺激信息作为输入传递给人的中枢神经。（2）信息处理功能。大脑对感知的信息进行检索、加工、判断、评价，然后做出决策。（3）操纵功能。将信息处理的结果作为指令，指挥人的行动，即人对外界的刺激作出反应，如操纵控

8、制器、使用工具、处理材料等，最后达到人的预期目的，如机器被开动运转、零件被加工成形、机器的故障已被排除、缺陷零件已被修复或者更换等。而具体到汽车驾驶室，人的作用主要是从仪表盘、路上的信号灯和标志等获取信息，经过神经系统处理，操作方向盘、踏板等操纵设备，完成驾驶操作。3.2听觉 人体听觉器官的功能是分辨声音的强弱和高低，以及环境中声源的方向和远近。声波是因空气分子前后振动而形成的。可听声主要取决于声音的频率，一般人的最佳可听频率是20-20000Hz 。驾驶室隔音就是主要根据人的听觉来设计的。车内噪声不外乎来自发动机、底盘、风噪声以及车身共鸣等。目前国内流行的汽车隔音技术都是根据这几个噪声源进行

9、防治，以达到隔绝噪声进入车厢，营造一个安静的车内空间。防噪声的方法主要是在车顶、两侧车门和车厢内中央底盘等位置加上隔音材料。目前常用的隔音材料有毛毡纤维棉、棉毯和毛毡等材料。另外，车上的提示音也可以算是对人的听觉的利用。例如启动车后，如果没有扣好安全带，就会听到烦人的提示音，直到驾驶员扣好安全带。还有转向时的听到的提示音。3.3视觉据估计，人脑获得的全部信息中，有95%以上来自视觉输入。因此，在驾驶室设计中应该保证驾驶员具有良好的视野。视野是指人眼和头部在正常的活动状态下，眼睛所能看到的空间区域。驾驶员在驾驶汽车时，实际获得的视野范围是通过转动眼睛、头部和人眼的主视野综合作用的效果。汽车驾驶员

10、眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适意位置、并以正常的驾驶姿势入座后，他们眼睛位置在车内坐标系中的统计分布图形，由十图形呈椭圆状，因此被称为驾驶员眼椭圆。驾驶员眼椭圆的确立为研究汽车视野性能提供了科学的视野原点基准。在汽车行驶时，80%以上的交通信息是通过驾驶员的视觉得到的，驾驶员的视觉通道是最重要的信息通道。由于驾驶员眼椭圆代表了一定群体的驾驶员在正常驾驶位置时眼睛在车身坐标系中的分布。因此，在汽车设计时可以用眼椭圆来衡量和评价驾驶员视野性的好坏。另外仪表盘的设计也是主要根据人的视觉。一般人的正常视距为4671cm， 视觉效率高的视角为40°左右， 在视野中心30&

11、#176;的范围内影像最清楚， 因此， 应把最重要的、使用额次最高的仪表布置在此范围内，一般的仪表布置在60°范围内。其次， 仪表的排列应适宜于人的视觉特性。人的眼睛习惯于从左向右，从上向下运动和顺时针方向转动， 仪表的排列应符台这一习惯。当仪表很多时， 应按功能分区排列，并且仪表刻度线的粗细， 长短及间距都应便于视读。仪表盘上还应装有足够的开关和照明装置， 以减轻驾驶员的视觉疲劳等。可以考虑仪表盘用黑色不透明材料制造， 刻度盘也采用黑色，以吸收使驾驶员眼睛产生疲劳的内部照明反射光。全部开关都沉装在控制板内，标志醒目，容易分辨。还设有能产生各种颜色的微型光学信号仪表，用以检查各零部件

12、的工作状况（机油压力、蓄电池充电状况、差速器锁止状况等）。汽车仪表3.4触觉人体触觉是非常准确的，在人机系统的操纵装置设计中，可利用人的触觉特性，设计具有各种不同触感的操纵装置，使操纵者能依靠触觉准确地控制各种不同功能的操纵装置。一般而言，简单的形状比复杂的形状更易被准确辨别;外形相差较大者比外形轮廓类似者更易被准确辨别。例如：变速器操纵杆和手刹操纵杆的形状不同，离合器、刹车和油门踏板的大小不一。变速器操纵杆手刹操纵杆离合器、刹车和油门踏板（从左往右）第四章人的心理与行为特征心理现象是研究人的心理现象及其活动规律的科学。心理是人的感觉、知觉注意记忆思维、情感、意志、性格、意识倾向等心理现象的总

13、称。人的心理活动是很复杂的，主要应用在驾驶室的仪表上，表现为各种提示灯的颜色，如机油灯、燃油灯和安全带灯等涉及驾驶安全和车辆状况的灯，一般采用红色。因为红色在人的潜意识中代表危险和警告的意思，采用红色容易引起驾驶员的注意。第五章人体生物力学与施力特征人体的生物力学特性主要是针对人体运动系统而言。人体运动系统由骨、关节和肌肉组成。骨是人体运动的杠杆，关节是运动的枢纽，肌肉是动力。在生产劳动中，为达到操作效果，操作者身体有关部位所施出的一定量的力称为操纵力。人体所能发挥的操纵力大小除取决于人体肌肉的生理特性外，还取决于人的操作姿势，施力部位、施力方向、持续时间等。骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌

14、肉和韧带联结在一起。因韧带除了有联结两骨、增加关节的稳固性的作用外，它还有限制关节运动的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成损伤。另外，人体处于各种舒适姿势时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。下表为人体各关节活动角度范围。表5-1 关节活动角度（度）运动部分 平均值 标准差 肩屈18812肩伸6114肩外展13417肩内收489肩向内旋转9722肩向内旋转3413肘屈14210臀部屈11313臀部外展5312臀部内收3112膝屈12510踝屈3812踝展357操纵器是驾驶员将信号传递给汽车的工具。操纵器的设计应适宜于人体尺寸要求和人肢体的用力范围，以便于人的操纵，操纵

15、速度不得超造人可能的反应速度， 操作力求简单、省力， 以减轻驾驶疲劳；操纵器的外形应美观大方、手感好等。设计时充分考虑这些因素，有利于提高操作的准确性和可靠性。汽车的操纵器一般分手控和脚控两种。手操纵器通常指方向盘、变速杆等， 由于手的动作灵敏、准确， 因此， 多希望用手控制操纵器。设计手操纵器时， 应考虑到手的运动特点、功能及在不同操作条件下的用力状况。一般人坐姿以手臂操纵杆或手轮的用力规律是： 右手的力量大于左手， 向下的力量略大干向上的力量，向内用力大干向外用力。依据上述特点设计操纵杆时， 操作角度一般小于90°，通常为30°60°对于操作幅度，前后方向最大

16、位移一般为350mm，左右方向最大位移950mm，操纵杆的长度有操作角度、位移及操作力来确定；当操纵杆的端部装有球形手柄时，球体的直径一般为12.525mm；当操纵杆的直径小于7.5mm时会引起肌肉紧张而容易疲劳；操纵器操作时最好存在一定阻力，使驾驶员有操作感，以便于连续操作；一般单手操作时最小力约为10N，对于最大力，前后方向130N，左右方向90N。当操纵力超过50N150N，或者用手操作不方便， 或者需要连续操作时， 往往使用脚控操纵器， 如加速踏板、制动踏板等。人脚发出力的大小与人的姿势、脚的位置和方向等有关。通常踏板的高度应设置在脚能发出最大力的位置，即脚踏板与座椅座垫上表面齐平或脚

17、踏板稍低一些。踏板力随座垫上表面高度的升高而减小， 是由于靠背的反作用力改变的缘故。踏板相对于座垫上表面的最佳位置范围是高度大约100300mm。为了减轻驾驶员的疲劳， 应力求减小驾驶员需要施加在方向盘和踏板上的力。 对驾驶室内的操纵器的评价方法包括主观评价和客观评价，评价指标体系的建立主要从以下几方面考虑:(1)人是否舒适地进行作业;(2)机器各元件的分布是否按重要性原则合理布置;(3)手脚负荷分配是否合理;(4)手操纵时，手的动作距离和顺序是否合理;(5)操作范围的尺度按人体百分位设计;(6)从人体生理特征出发考虑各元件的设计是否合理;(7)是否有防误操作的设计措施;(8)环境条件是否有利

18、作业进行，机器是否满足该环境工况。具体评价会在后面的章节进行阐述。第九章 人与环境的界面设计9.1摘要：人机工程（丁玉兰）关于人与环境的界面设计这一章实际研究的是作业环境对系统的影响及作业环境的防护标准及评价方法，包括热环境、光环境、声环境及震动环境等。本章将以热环境为例在课文的基础上进一步阐述作业环境设计的相关知识及评价标准。9.2人体与热环境热舒适的定义人体热舒适定义为人对热环境表示满意的意识状态。热舒适环境则是人在心理状态上感到满意的热环境。1影响人体热舒适性的环境参数主要有空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度; 人的自身参数有衣服热阻和劳动强度（新陈代谢）。人体热舒适的研究

19、涉及建筑热物理、人体热调节机理的生理学和人的心理学等学科。研究方法有实验、实际调查和数值模拟等。热舒适习惯地定义为主观上对热环境满意是不够的。这会导致热舒适的新定义对热环境的主观中性状态。 如此定义, 舒适就是静止的并能经久存在, 明显区别于瞬时愉快的特点。关于热舒适和热感觉的区别，热感觉是假定与皮肤热感受器的活动有联系, 而热舒适是假定依赖于来自热调节中心的热调节反应。在热感觉、热舒适和热调节方面可能的神经活动过程可由示意图9-1表示。由图可见, 热感觉主要是皮肤感受器在热刺激下的反应, 而热舒适则是综合各种感受器的热刺激信号, 形成集总的热激励而产生。图中虚线表示一种可能性, 热舒适则包含

20、舒适与不舒适两种可能性。长期以来, 研究者分别在稳态热环境和动态热环境下做了大量的实验,结果发现受试者在稳态热环境下可较明确地回答冷热感觉, 但难于回答是否舒适或愉快; 动态热环境下, 人体热反应的特点是在热刺激时人体的热感觉变化较慢( 0.5 s0.9 s) , 而在冷刺激时则较快( 0.3 s0.5 s) , 并当人体温度高于中性时, 冷刺激会引起人体的舒适或愉快反应。图9-2 出示了人体处于不同热状态时, 热刺激和冷刺激的不同作用。可见, 在动态条件下可有条件地使舒适和不舒适交替出现, 舒适是忍受不舒适的解脱过程, 它不能持久存在, 只能转化为另一不舒服过程, 或趋于无差别状态。在稳定中

21、性热环境下达到热舒适是没有根据的。从卫生学的观点, 一些学者指出“ 在房间内实际的恒温状态对居住者的健康有害”。图9-1热感觉与热舒适示意图图9-2冷刺激与热刺激作用差别图综上所述,热舒适只在动态热环境下出现，非持久过程。而在课本人机工程（丁玉兰）上，热舒适环境的定义为：人在心理状态上感到满意的热环境。课本对心理上感到满意的解释就是既不感到冷，又不感到热。由此知道，课本关于热舒适的定义是在不变的温度环境内，有所欠缺。9.3影响热舒适性的微气候指标对人体热感觉起重要作用的是建筑物的微气候指标, 其包括周围环境的热工参数及其组合。其中最重要的5个参数为: 空气温度、气流速度、空气相对湿度、周围表面

22、温度和热辐射。重要的组合为: 空气温度和周围表面温度; 空气温度、周围表面温度和气流速度; 空气温度、周围表面温度、气流速度和相对湿度;空气温度、气流速度和相对湿度; 空气温度和相对湿度。19.4热环境的评价标准9.4.1主观评价标准热环境对人体影响的主观感觉评价标准都是通过调查得到，因此，不多加与评述。表9-2 不同热经历背景的受试者中性温度（或偏好温度）的比较9.4.2客观评价标准到目前为止，对人体热舒适程度进行评价的方法相当有限，基本上都是采用热舒适主观评价方法，即采用热舒适问卷调查的形式直接询问人们在某热环境下的热感觉与热舒适程度。热舒适主观评价方法是一种较为可靠、简便的评价方法，然而

23、，热舒适主观评价方法评价结果的准确性在很大程度上会受到受试者自身对热舒适是否能合理判断的影响，或者说热舒适主观评价的结果具有较大的主观性。人体热舒适虽然是一种主观感觉，但从生理学角度看，当人体处于热舒适或热不舒适时，受自主性体温调节活动的影响，其生理状态也是不同的。根据不同热舒适程度间人体热生理状态的差异来评价热舒适程度，也就是热舒适客观评价方法，评价结果将不完全依赖于受试者对热舒适状态的主观判断，更客观，同时由于引入了人体生理参数，评价结果还具有生理学意义，可为进一步人体热舒适生理机理研究提供理论依据。与人体热舒适有关的生理参数较多，而生理指标的合理选择对热舒适客观评价结果的准确性有重要影响

24、。2人体对热环境的反应有 2 个方面：主观感觉反应和客观生理反应。主观感觉反应即热舒适感觉。客观生理反应即人体的自主性体温调节活动，是人体在热环境中为维持体温稳定而产生的一种非意识性的生理调节反应。人体自主性体温调节具有3种重要生理调节方式：皮肤血管收缩与 扩 张、冷颤、发汗。(1) 皮肤血管收缩与扩张。当人体内的温度高于体温调定点时，皮肤血管扩张，导致皮肤血流量增加，将人体内更多的热量通过皮肤交换到外界环境；而当人体内的温度低于体温调定点时，皮肤血管收缩，使皮肤血流量减少，导致人体向外界环境的散热也减少。(2) 冷颤。当人体内的温度降低到一定程度，而皮肤血管的收缩不足以维持体内热平衡时，人体

25、肌肉会通过冷颤的方式产生热量，从而使体温恢复到正常范围内。(3) 发汗。当皮肤血流量的增加还不足以将体内多余的热量充分交换至体外时，人体开始发汗，汗腺将汗液排至皮肤表面蒸发。这是冷却皮肤、增加体内散热的一种非常有效的手段。人体皮肤温度虽然人体热舒适感觉是一种主观心理意识，而体温调节活动是人体客观的生理反应，但是，二者之间有着密切的关系。研究表明：通常当来自于人体热感受器的神经信号强度最弱、体温调节活动最小时，人就会处于热舒适的状态；而较强的体温调节活动对热不舒适的形成起了重要的作用，如冷环境下人体皮肤血管的收缩和冷颤会引起人冷不舒适，而热环境下人体皮肤血管的扩张和发汗会导致人热不舒适。图9-5

26、给出了人体体温调节活动与热舒适的关系。图9-5另一方面，从人体体温调节的方式来看，体温调节活动会引起人体相关生理参数发生相应的变化。因此，这些生理参数与热舒适之间也应该存在着相关性，具备可作为人体热舒适客观评价指标的生理基础。在阅读相关文献研究工作的基础上，发现皮肤温度、心率变异性、新陈代谢率、脑电波、肌电、排汗率与热舒适感觉有紧密联系，有可能作为热舒适客观评价的生理指标。人体皮肤血管的收缩或扩张会导致皮肤温度降低或升高，因此，皮肤温度是反映人体冷热应激程度以及人体与环境之间热交换状态的 1 个重要生理参数。现有的研究基本上都将皮肤温度作为 1 个与热舒适以及热感觉密切相关的人体生理参数。图9

27、-6所示为实验中受试者平均皮肤温度与热舒适程度的关系。图9-6图9-6表明：与舒适状态时相比，人体在感到冷不舒适时平均皮肤温度较低，而在感到暖不舒适时平均皮肤温度较高。这 3 种热舒适状态下的平均皮肤温度均具有显著性差异。心率变异性在应用动态心电图的过程中，人们发现心跳的脉搏之间的时间间期不一致，这种心跳间期有节律的波动称为心率变异性。人体体温调节活动受自主神经系统(交感神经与副交感神经系统)支配，心率变异性分析正是医学上一种用来评价自主神经系统功能和平衡性的有效方法。在心率变异性频域分析中，低频段与高频段的功率比值是 1 个很重要的指标。它反映了交感神经与迷走神经的相对均衡性。增加表明交感神

28、经活动增强，迷走神经活动受到抑制；其值减少则表明交感神经活动减弱，迷走神经活动增强。而交感神经兴奋会引起体温调节活动(发汗、皮肤血管收缩)的产生。Liu 等3对受试人员在不同热舒适状态下的心率变异性进行分析，结果如图9-7所示(其中，“”表示有显著性差异；n 表示符合成对 T 检验要求的受试者的人数)。图9-7人体处于热舒适与不舒适时心率变异性指标的比较由图9-7可知：当人体处于不舒适状态时，其显著高于处于舒适状态时的值，表明较强的交感神经活动(导致体温调节活动增强)对人体热不舒适感觉的产生起重要作用。可见：可为评判人体热舒适与不舒适提供有效的生理依据。新陈代谢率人体新陈代谢率是影响人体热舒适

29、的 1 个重要的因素。在 Fanger 热舒适方程、PMV-PPD 指标中，人体的新陈代谢率被作为影响人体热舒适的人为因素。在热中性环境温度下，人体的新陈代谢率最低，基本保持稳定；在冷环境温度中，为保持人体热平衡，人体内产热，新陈代谢率会增加；而在热环境中，人体也会通过体温调节活动来维持热平衡，这时人体的呼吸、循环等生理功能处于较高水平，新陈代谢率也较高。叶晓江4对冷环境(自然通风)和热舒适环境(空调环境)下受试者在静坐时的新陈代谢率分别进行测量计算，结果如图9-8所示。图9-8表明：在冷环境温度下，受试者的新陈代谢率显著高于舒适温度下的新陈代谢率。9-8不同温度环境下受试者的新陈代谢率脑电波

30、人体脑电波产生的原理，目前较公认的观点是突触后电位学说，即认为脑电波是皮层内神经细胞群同步活动时突触后电位的综合反映。脑电波包含 4 个周期性节律： 波(频率4 Hz，电压 20200 V)， 波(48 Hz，10 V)， 波(814 Hz，20200 V)和 波(1435 Hz，510 V)。有研究表明：人体脑部温度的变化可能会影响到脑电波的频率，从而对脑电波的功率密度谱造成显著影响。脑电波能反映人体精神状态的变化。热舒适是人对热环境的一种主观反应，也属于精神状态，因此，脑电波也许可反映人体的热舒适程度。对受试者在不同热感觉时的脑电波进行测量与分析，结果如图9-9所示。图9-9不同热感觉下脑

31、电波各波段功率比率从图9-9可见： 波和 波与人体热感觉有较明显的关系；当实验中受试者热感觉为稍凉、中性、稍暖时， 波所占的功率比率明显比其他热感觉时的高，而 波在热感觉为热或冷时具有较高的功率比率。结合受试者的热舒适状态，可以得出脑电中 波的功率在人体感到热舒适时增加，而 波的功率在人体感到不舒适时较高。肌电肌电是神经 肌肉兴奋发放生物电的结果。肌电能在一定程度上反映神经肌肉的活动，因而在神经肌肉疾病诊断、康复医学领域的肌肉功能评价、体育科学中的疲劳评定等方面都具有实用价值。有关肌电与人体精神状态之间的联系研究很少。叶晓江4对大鼠在不同环境温度中的肌电(四肢肌与躯干肌)进行测量，统计分析结果

32、如图9-10所示。图9-10表明：环境温度对大鼠的肌肉放电频率有影响；在环境温度较低时，大鼠四肢肌和躯干肌的放电活动明显较多；当环境温度为 26.028.0 时，其放电活动下降到最低；当环境温度继续上升时，其放电活动又有所增加，但是增加的幅度很小(变化不显著)。人体感到寒冷时，会通过加强肌肉活动产热(如冷颤)，维持体内热平衡。与大鼠相似，此时肌电可能与舒适状态下的肌电有较大差异；因此，肌电也有可能作为反映人体的冷不舒适状态的生理指标。图9-10不同环境温度下大鼠肌肉放电情况排汗率人体出汗有 2 种：一种是不显性出汗，另一种是显性出汗。正常人体的组织间液直接渗出皮肤或者是体内水分通过皮肤角质层扩

33、散到体表继而蒸发后散发到大气中，这种排汗方式为不显性出汗。当环境温度升高或活动强度增大时，人体通过辐射和对流途径散发的热量不足以带走代谢产生的热量，为维持体热平衡，汗腺开始分泌汗液，即显性出汗。一般认为皮肤温度达到 34 时，人体开始启动出汗机制。研究表明：人体在热舒适时，应有最佳的排汗率。通常，当人体显性出汗时会感到热不舒适，因此，排汗率可作为判断舒适与热不舒适的指标。结论(1) 热舒适的形成在很大程度上受到人体自主性体温调节活动的影响，因此，由体温调节活动引起的生理参数的变化可反映人体的热舒适程度。(2) 人体皮肤温度、心率变异性、新陈代谢率、脑电波、肌电、排汗率与人体热舒适具有较好的生理

34、相关性，具备作为人体热舒适客观评价指标的生理基础。(3) 心率变异性指标在人感到舒适时显著较低，而在暖或冷不舒适时均较高，因此，自主性神经系统活动反映人体的热舒适与不舒适状态。(4) 平均皮肤温度反映热舒适程度的灵敏性较高，具备较高的可靠性，而且其测量与计算较简单，可作为 1 个有效的客观指标来评价稳态热环境下的人体热舒适程度。2第十章 人的可靠性与安全性设计10.1摘要：人机工程（丁玉兰）关于人的可靠性与安全性设计这一章通过对人的可靠性、人为差错和人的安全性的分析，找出事故发生的原因，并据此提出防止发生事故的措施。本章将在课文的基础上进一步对人的可靠性、人为差错和人的安全性的分析，还将介绍汽

35、车上的一些防护措施。10.2人机系统的可靠性人机可靠性是指任何一个有人参与的工作系统，在规定的时间内，在规定的条件下，无差错地完成规定任务的能力。10.2.1人机系统可靠性评价人-机-环境系统工程整体安全性分析与计算人-机-环境系统安全性的研究任务,就是试图利用理论计算或实验测试的方式,确定包含有人在内的整个系统的安全度。“人-机-环境”系统的安全度是受人、机、环境3个因素的影响,也即系统的安全度是人、机、环境3个子系统的函数,可以看作是功能串联系统。通用表达式为: (1)式中, 为整个系统的安全度;为人的安全度;为机的安全度; 为环境的安全度。5系统设计的开始，首先要确定系统的可靠性指标，这

36、是可靠性工程的第一步，也是十分关键的一步.如果不适当地提出可靠性指标，就可能带来技术上的困难、资金和时间的浪费，也就会损害系统的其他价值目标6.在确定系统可靠性指标水平时，需要考虑以下基本原则和要求:l)要根据用户或上级部门对系统的可靠性要求、使用目的及功能来确定可靠性指标;2)可靠性指标要有一定的先进性，否则影响系统质量降低产品竞争力;3)要考虑生产方制造工作的可靠性水平，注意指标的可行性;4)对于会涉及人身安全的系统，一般要采用长寿命、低失效率的设计;5)对复杂系统或采用先进工艺的产品，设计时可靠性一般不宜要求过高;而已通过考验的产品，设计时应提出较高的可靠性要求；6)随着研制工作的进展，

37、可靠性指标可以适当修正，最后形成合理的可靠性指标.10.2.2系统可靠性预测系统的可靠性与组成系统的单元数量、单元的可靠性及单元之间的关系有关.这里所说的单元相互关系主要是指功能关系.而不是单元之间的结构装配关系.系统可靠性预测方法有分析法、模拟法两大类.分析法就是建立起系统的数学模型，然后进行数学运算.当系统很复杂难以建立数学模型时，则采用模拟法(也称为蒙特卡洛法).在工程上应用较多的是数学模型法、界限法和故障树分析法，以及一些近似的分析方法，如图解法、相似法等.界限法系统的可靠性预测值将低于系统可靠度的上限，高于系统可靠度的下限.通过对系统可靠性模型的简化、近似，可分别求出系统可靠性的上限

38、值和下限值，然后经过综合即得系统的可靠性预测值.界限法最主要的优点是它不要求逻辑图中的元器件或零部件是独立的，特别适用于串联与非简单冗余之外的复杂系统.它已应用在阿波罗飞船的可靠性预测上，精度被实践证明是可以满足要求的.故障树分析法故障树分析法是在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素、工艺制造等)进行分析，画出故障树，从而确定系统失效原因的各种组合方式及其发生概率，并计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种分析方法.现在国际上已公认故障树分析法是可靠性、安全性分析的一种简单、有效、很有前途的方法.故障树分析的主要步骤是:选择和确定

39、顶事件;建造故障树;求故障树的结构函数;故障树定性分析;故障树定量计算.故障树分析法的特点是:l)直观性强这是由于故障树分析法是一种图形演绎法，因而能把系统的故障与导致故障的诸因素形象地表现为故障谱.2)灵活性大故障树分析法不仅能反映系统内部单元与系统故障的关系，还能反映环境因素和人为失误对系统故障的影响.3)通用性好它除了适用于工程需要之外，还适用于分析国民经济大系统的运行，对社会问题、军事行动决策也很有用. 610.3人的可靠性10.3.1人的失误及其可靠性分析的发展方向不可否认,现有的人的失误及其可靠性分析方法的研究和应用尚存在一定的不足,但它作为一种设计复杂系统和评价系统中人作业能力的

40、方法,已在许多领域中得到了应用。由于人可靠性分析可以对人机系统中人失误的本质和失误状态进行有效的辨识,即使对人失误率量度结果的精度有待提高,但人可靠性分析至少可以给人们提供一种定量人失误的基准。基于此,人可靠性分析已从人们所认识的起始阶段(50年代)迈入第2阶段(90年代),上升到一门新学科的高度。尽管如此,由于所涉及课题的复杂性,至今许多问题未能真正突破,因此,在它的深入发展过程中,人的失误及其可靠性分析的研究者和应用者尤其应关注如下问题:·注意到人行为中的随机因素并充分考虑时间变量;·评价模型的复杂性、精度及多学科的交叉渗透;·需要量化人失误的模糊性和突变性;

41、·人行为形成因子间的交互影响及人失误的社会因素;·关注人与作业环境的适宜性与相关性;·完善人的失误数据的采集及其处理方法,建立大容量的人失误数据库;等等。710.3.2人不安全行为产生的机理、原因及分类从操作者的角度看,人的行为模式可表示为:S-O-R,即刺激-心理加工-行为,如果把人脑看成一个加工系统,则输入的是刺激,输出的是行为:刺激输入思维加工系统输出行为。根据上述行为模式,从生产行为的角度看,人的不安全行为主要是由于人感知环境信息的失误,人大脑处理信息时作出错误的决策,动作器官没能完成指定动作3方面原因引起的。从系统的角度看,也就是从更深的一层进行分析,人

42、之所以出现行为失误的原因,主要是由于人的心理、生理、管理决策、社会环境以及人机界面设计不协调等多方面原因所导致。其中人的生理方面的原因主要指人的各种能力的限度,包括人的知觉、感觉、反应速度、体力、生物节律等;人的心理方面的原因主要指人的气质、性格和情绪、注意等;管理决策方面的原因主要指不合理的作业时间,作业计划,操作规程的不合理等;社会环境的原因包括物理环境和人际环境,即作业场所和人际关系的好坏;人机界面设计方面的原因主要指人机功能分配不当,工程设计上的不合理使人易失误等等。510.3.3人的可靠性改进人的可靠性改进在人机环境系统中，人是决定因素，提高人的可靠性是提高系统可靠性的关键。人是各种

43、因素的函数，为提高人的操作可靠性，要从以下方面作好工作:1） 改善工作环境、自然环境，增强人的可靠性.2） 加强培训手段、提高专业素质、增强人的可靠性. 6图10-1 社会环境因素与人的目标行为及可靠性关系10.3.4安全装置的设计安全设计的方法直接安全设计法：主要依据下面三个原理进行安全设计。安全存在原理：通过材料选择、强度刚度稳定性计算实现安全设计；有限损坏原理：当破坏无法避免时，选择损失较小的零件破坏，以减小损失；冗余配置原理：有人身安全与重大设备损失时，采取冗余配置实现高可靠性。间接安全设计法：通过防护系统与保护装置来实现系统的安全可靠性。提示性安全设计法：事故与危险发生前，通过指示灯

44、闪亮、警铃发出警报声提醒注意，达到安全设计的目的。8产品安全设计内容主要由三个方面组成：产品结构的安全设计，消除或减小产品危险与风险的主要途径与措施；产品人机界面安全设计。人机界面分类及特点安全行为理论人的行为受个性心理、社会心理、社会和环境等因素的影响，因而，生产中引起人的不安全行为、造成人的失误和“三违”的原因是复杂的。因此，对于人为事故原因的分析就不能停留在“人因”这一层次上，应该进行更为深入的分析。例如在分析人的不安全行为表现时，应分清是生理或是心理的原因;是客观还是主观的原因。对于心理、主观的原因，主要从人的内因人手，通过教育、监督、检查、管理等手段来控制和调整;对于生理或客观的原因

45、，除了需要管理和教育的手段外，更主要的是从物态和环境的方面进行研究，以适应人的生理客观要求，减少人的失误。安全装置的目的是控制危险点，从而消除危险点。一般的方法是采用防范，不让身体部位进人危险点。其他的方法有切断事故源，设立保护装置等。对机械安全装置的三个最重要的心理学要求是：1、好的安全装置不可以被闲置；2、好的安全装置应是完全安全的；3、好的安全装置不妨碍生产。9还原法还原法是一种产品设计方法，它不是为了产品安全设计而生，但是可以有效的运用在产品安全设计当中，脱离原有产品的束缚，提升产品的安全性。使用还原法的过程是一个从具体到抽象，再回到具体的过程。抽象化的过程就是还原的过程。图 10.2

46、 所示为使用还原法的基本思路图。图中的新产品既可以是全新的，与原产品完全不同的，也可以是在原产品基础上改良的。10图10.3把运用还原法进行产品安全设计的过程进行归纳，直观的表现还原法的详细使用过程。图10.2 还原法的基本思路图10.3运用还原法进行产品安全设计的过程10.4飞度1.5L汽车上的安全防护措施危险报警闪光灯（红色背景，白色三角图形，易辨认，对人起危险的暗示作用），是一种提醒其他车辆与行人注意本车发生了特殊情况的信号灯。应当开启危险报警闪光灯的几种情况：在高速公路上发生故障时，牵引故障机动车时，运送危急病人时，车辆发生交通事故时，道路上临时停车时，教练车正在练习等。 车前左右都有

47、三角形的透视窗口，增加驾驶员的视野，减少视野死角氛围，增强行车安全性。同样，后视镜能增加倒车的安全性。安全气囊、安全带等能保护驾驶员的行车安全。通过仪表灯等可了解汽车的基本状态，如机油灯，可判断机油系统是否出问题。通过手刹可保证驻车安全。第十一章 人机系统总体设计11.1总体设计的程序人一机系统的设计步骤系统开发的各阶段各阶段的主要内容人机工程学专家的工作事例明确系统的重要性   目标的设定   人员的特性、训练等的调查预测   使命的确认   从安全和舒适性方面对系统的必要

48、条件进行复核以及对人员的士气进行预测等   运用条件的确认 系统分析与系统计划   系统必要条件的明细化   统性能的判定   系统机能的分析   实施系统的总体轮廓  系统构思的发展（各种可能构思的分析与评价）   人与机的任务分配与各种方案系统性能变化的调研与评价   关联各个性能的作业分析   调查决定必要的信息，确定显示

49、与控制的种类系统设计   预备设计（大纲的设计）   准备适用的可能的人机工程学资料  细节设计   人机工程学的设计标准提示等   关于信息与控制必要性的研究与实现方法的选择及开发（潜在的要求及最繁忙异常时的要求）    作业性（工作方便）的研究   居住性的研究  具体的设计   决定构成系统的最终方案及其实现步骤的意见  

50、 最终决定人机间的机能分配   各作业中为了正确判断而必须的信息、联络、执行等   对安全性的考虑   防止士气、情绪下降的措施   显示、控制装置的选择与设计   控制板的配置计划   提高安全性的措施   空间设计、人员与机器的布置决定照明、温度、防噪等环境条件系统的考核与评价  计划阶段的评价  模型制作阶段  

51、原始样式  判断考核模型的缺陷  变更设计的意见   设计图阶段的评价   模型或操纵训练用模拟装置的人机关系评价   评价基准的设定（包含考核方法、资料的种类、分析法等）   安全性、舒适性、对士气意志的影响等的评价   机械的设计变更，使用顺序的变更   人的作业内容的变更，人员、设备和训练方式的改善等的建议，系统计划内的调整   生产

52、0;  以上几项为准   运用、维护   以上几项为准11.2总体设计的要点人机功能的分配功能分配：为了使系统达到最佳配备，在研究分析人和机器特性的基础上，充分发挥人和机器的潜能，合理的将系统各项功能分配给人和机器的过程。人与机器的特性比较项 目 机人速度占优延时1s逻辑推理擅长演绎擅长归纳计算快，精确；不会修正慢，易错，善于修正可靠性较高；变化高；变化；应变强连续性长期易疲劳灵活性取决于设计高检测物理量的检测范围广而准；能检测到人不能检测的电磁波 具有同认识直接联系的高度检测能力；没有固定的标准值，易产生飘移；具

53、有味觉、嗅觉和触觉 输入灵敏度某些感觉超人（如电离辐射）受某些因素影响智力无 操作处理能力操作力、速度、范围等及处理固、液、气方面强自由度大，灵巧功率输出恒定，可极大、极小大小与时间有关记忆适于文字再现、长期储存擅长原则、策略的记忆视觉能感受和利用红外线等电磁波有限成本购置、运转、保养费工资、福利、照顾、保险等，生命比较分配原则：通过人与机器的特性比较，进行客观的和符合逻辑的分配。剩余分配原则：在功能分配时，首先考虑机器所能承担的系统功能，然后将剩余部分功能分配给人。经济分配原则：以经济效益为原则，合理恰当地进行人机功能分配。宜人分配原则：系统的功能分配要适合于人的生理和心理的多种需求，有意识地发挥人的技能。弹性分配原则：即系统的某些功能可以同时分配给人或机器，人可以自由选择参与系统行为的程度。11.3总体设计的评价11.3.1人机系统评价要点1、人、机系统功能分配是否合理2、手、脚负荷是否合理3、手操纵时的动作距离、顺序是否合理4、操作范围的尺度按第几百分位数设计5、人的作业舒适性6、是否采取了防止误操作的措施7、系统安全性、可靠性分析评价8、环境条件是否利于作业顺利进行11.3.2评价方法评价方法有连接分析法、失效树分析、作业分析、检查表等，下面逐次介绍。连接分析法连接分析法是综合应用感知类型、使用频率、作业