《智能制造系统感知分析与决策 》 课件 第9章 制造系统适人性评估与验证

2024第9章制造系统适人性评估与验证导读本章探讨了人的感知觉特性及其在制造系统中的交互应用。分析多通道交互手段，并对比了它们的特点以确定适用场景。讨论制造现场中作业人员的基础能力与疲劳变化，强调制造系统需感知作业人员的交互特性与状态。通过需求分析和增强现实环境下的多通道交互手段，展示制造系统适人性评估与验证的实例，为虚实融合技术集成提供了应用案例。01人的感知觉特性02多通道交互特性03作业能力与作业疲劳04人在环的虚实融合产线验证05本章小结06项目单元07本章习题目录01PARTONE人的感知觉特性1人的感知觉特性在日常生活中，我们通过感官与环境互动并感知世界。感觉和知觉是认知的两个基本阶段，共同帮助我们理解外界信息。感觉为知觉提供基础，知觉是对感觉信息的加工，让我们更深入地理解世界。接下来，我们将探讨感觉和知觉的特性，以及它们如何受生理、心理和环境因素的影响，并讨论如何提高感知能力。理解这些概念有助于我们设计更人性化、高效的交互系统。1人的感知觉特性1.1人的感觉特性感觉是指通过感觉器官直接接收来自环境的物理刺激，并在大脑中转化为神经信号的过程。这些神经信号随后被大脑解读为具体的感知体验，如视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等。1人的感知觉特性1.1.1感觉的分类外部感觉包括视觉、味觉、嗅觉、听觉和皮肤感觉等，它们是对外部世界的感知。内部感觉包括如运动觉、平衡觉和机体觉（包括内脏觉和痛觉），它们提供关于身体内部状态和位置的信息。1人的感知觉特性1.1.2感觉器官及其信息接收能力人通过感觉器官获得关于周围环境和自身状态的各种信息。感觉器官中的感受器是接收刺激的专门装置。感受器按其接受刺激的性质可分为视、听、触、味、肤觉等多种感受器。每一种感受器通常只对一种能量形式的刺激特别敏感，这种刺激就是该感受器的适宜刺激。1人的感知觉特性1.1.2感觉器官及其信息接收能力人的感觉和各类感受器的适宜刺激1人的感知觉特性1.1.3感觉阈限绝对感觉阈限：感官对信号刺激的能量有特定要求，称为绝对感觉阈限。信号能量需超过最小刺激量以引起感觉，而最大刺激量则为感觉阈上限，超过此上限可能无效或对人体造成伤害。1人的感知觉特性1.1.3感觉阈限差别感觉阈限：当信号刺激能量在绝对感觉阈限范围内时，人能感知到信号及其能量差异。最小可感知差异称为差别感觉阈限，感知这种差异的能力称为差别感受性。1人的感知觉特性1.1.4感觉的特性感觉适应：持续刺激下，感官敏感性降低，如久闻不觉臭。感觉后象：刺激停止后，感觉印象仍短暂留存，如暗室中火柴转动留下的火花圈。感觉对比：不同刺激影响同一感官，产生对比现象，分同时对比（如黑人牙齿显白）和继时对比（如吃药后糖更甜）。联觉：一种刺激引发一种感觉并同时引起另一种感觉，如黑色给人沉闷感。1人的感知觉特性1.1.5视觉特性视觉是关键感官，帮助我们捕捉和理解环境的视觉信息。这些信息通常以光线形式存在，被眼睛捕捉并经过生理反应，由大脑解析成图像。视觉系统主要由眼睛和大脑组成，眼睛接收光线并聚焦在视网膜上，大脑则解析图像为可理解信息。1人的感知觉特性1.1.5视觉特性视野与视距

视野是指在头部和眼球固定时，眼睛正前方所能看见的空间范围。视野的大小和形状与视网膜上感觉细胞的分布有关，可通过视野计测定。视距是在操作系统中正常的观察距离。视距不当会影响认读速度和准确性，且与工作精确度相关，应根据任务要求选择最佳视距。1人的感知觉特性1.1.5视觉特性暗适应与明适应视觉器官的感受性随光亮度变化而变化，这种适应性称为视觉适应，分为暗适应和明适应。暗适应是指从亮处进入暗处时，眼睛需要一段时间才能看清物体。开始时，瞳孔放大，视杆细胞逐渐活跃，整个过程约需30分钟。明适应则是相反过程，瞳孔缩小，视锥细胞迅速活跃，感受性迅速降低，约1分钟后完成。1人的感知觉特性1.1.5视觉特性①眼睛在水平方向上的运动比垂直方向更迅速且不易疲劳，通常先察觉水平方向的物体。因此，许多仪表设计为横向长方形以适应这一视觉特性。②视线的变化习惯于从左到右，从上到下和顺时针方向运动。所以，仪表的刻度方向设计应遵循这一规律。③人眼对水平方向尺寸和比例的估计更准确，导致水平式仪表的误读率（28%）低于垂直式仪表（35%）。④眼睛偏离视中心时，左上区域观察效果最佳，右下区域最差。仪表布置应考虑这一视觉特性。⑤两眼的运动协调同步，正常情况下不可能一只眼睛转动而另一只眼睛不动，因而通常都以双眼视野为设计依据。1人的感知觉特性1.1.6听觉特性听觉是仅次于视觉的重要感觉，其适宜的刺激是声音。振动的物体是声音的声源，振动在弹性介质中以波的方式进行传播，所产生的弹性波称为声波，一定频率范围的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。1人的感知觉特性与听觉相关的物理量①声压：声波对媒体的作用，单位是Pa，1Pa=1N/m2。是人耳主观感觉的音量强度。它取决于声音频率、声强和声波的波形。②基础声压：一般取为2×10-5Pa，正常人耳对1000Hz声音刚刚能觉察其存在的声压值，也就是1000Hz声音的可听阈声压。1人的感知觉特性听觉的绝对感受阈声音的声压必须超过某一最小值，才能使人产生听觉。因此，能引起有声音感觉的最小声压级称为听阈。不同频率的声音听阈不同。在理想情况下，人对1000Hz纯音的绝对阈限为0.00002Pa。1人的感知觉特性听觉的空间定位听觉通过感知声音到达双耳的时间和强度差异来定位声源。1cm距离差导致约0.029ms的时间差。高频声源主要依据强度差，低频声源依据时间差进行方位判断。1人的感知觉特性掩蔽效应掩蔽是指一个声音被另一个声音掩盖的现象，掩蔽效应是听阈因掩蔽而提高的现象。设计听觉装置时，需根据需要利用或避免掩蔽效应。掩蔽声去除后，掩蔽效应不会立即消失，称为残余掩蔽或听觉残留。1人的感知觉特性1.2人的知觉特性感觉提供零散、原始信息，而知觉则是对这些信息的整合和解释，形成有意义的感知体验。知觉是多种感觉的综合，源自感觉，且与感觉紧密相关，常合称为“感知觉”。1人的感知觉特性1.2.1知觉的基本特性（1）整体性：知觉对象是由许多部分组成的，各部分具有不同的特征，人们并不把对象感知为许多个别的孤立部分，而总是把它知觉为一个统一的整体。01（2）选择性：在每一时刻里作用于人的感觉器官的刺激是众多的。人能选择其中少数刺激加以反应。这种对外来信息有选择的进行加工的能力称为知觉的选择性。02（3）恒常性：知觉恒常性是指在知觉条件变化时，由于知识和经验的影响，人们对客观事物的感知保持相对稳定，如大小、亮度等属性。03（4）理解性：人们在感知现实界的对象和现象时，往往根据以前所获得的知识和经验来解释它们。知觉的理解性是通过人在知觉过程中的思维活动而实现的。041人的感知觉特性1.2.2知觉的信息加工知觉的信息加工主要有两种：自下而上的加工和自上而下的加工。自下而上：知觉的产生依赖于感觉器官提供的信息，即客观事物的特性，对这些特性的加工叫自下而上的加工，或叫数据驱动加工。自下而上的加工基于感觉信息。例如，对颜色和明度知觉依赖于光的波长和强度。自上而下：知觉的产生依赖于个体的知识经验、兴趣和心理准备状态，这涉及到自上而下的加工，即概念驱动的加工。自上而下的加工需要经验介入以整合信息。两者相互补充，共同作用。1人的感知觉特性1.2.3错觉错觉是对外界事物的错误知觉，是知觉恒常性的颠倒，包括空间、大小、形状、方向、距离和运动错觉等。图中每一条水平线都是完全互相平行的，要证明这一点，只需要斜视或者从侧面入视图像，但即便完全确信这些线条是平时的之后，这种视错觉依然存在。1人的感知觉特性1.2.3错觉增强现实技术（AR）是将现实与虚拟信息融合的新兴技术。它通过电脑、手机、AR眼镜等设备，模拟并叠加虚拟信息到现实世界中，增强人们的感官体验。AR通过计算机技术，在真实世界中创造虚拟物体，形成新的视觉世界，提供更真实的视错觉体验。AR中的视错觉02PARTTWO多通道交互特性2多通道交互特性在数字化和智能化时代，人机交互已融入日常生活。多通道交互技术结合了多种输入（如语音、眼动、手势）和输出（如语音、视觉、触觉反馈），模拟人类自然交流，使交互更直观、自然。2多通道交互特性2.1语音交互特性随着人工智能的发展，语音识别技术迅速进步，推动了语音交互技术的成熟。语音交互通过自然语言实现人机对话，比传统交互方式更自然、高效。人类语言的多样性，如口音、语法等，对语音识别提出挑战。目前，市场上有多种语音交互产品，如智能助手和智能音响，它们集成了语音助手功能，展示了语音交互技术在实际应用中的快速发展。2多通道交互特性2.1.1语音交互技术组成语音交互技术主要组成部分：语音识别（ASR）：语音识别技术将口头语言转换为文本，包括声学特征提取、模型构建和语言解码。深度学习技术的发展显著提高了识别率。语音合成（TTS）：语音合成技术将文本转换成自然语音，使机器能以人类语音形式交流。自然语言处理（NLP）：自然语言处理技术是语音交互技术的核心，负责对文本进行语法和语义分析，使机器理解并响应人类语言。2多通道交互特性2.1.2语音交互的优势语音交互快速、简单、自然，能提高效率并释放双手。它符合人类本能，无需学习成本，提供更自然的体验。此外，它能通过语气、语调理解用户意图和情感，实现智能交互。2多通道交互特性2.1.3语音交互技术应用领域A（1）智能家居：通过语音指令控制家电设备，如开关灯、调节空调温度等。B（2）智能助手：如苹果Siri、微软Cortana等，为用户提供信息查询、日程管理等服务。C（3）车载系统：通过语音交互实现导航、音乐播放等功能，提高驾驶安全性。DE（4）医疗领域：在手术机器人、康复设备等场景中应用语音交互技术，提高医疗效率。（5）教育娱乐：在语言学习、游戏等场景中应用语音交互技术，提升用户体验。2多通道交互特性2.1.4技术挑战与未来发展趋势随着技术的不断发展，语音交互技术将在以下几个方面得到进一步突破：提高识别准确率：通过深度学习、迁移学习等技术手段，不断提高语音识别技术的识别准确率。增强交互自然性：通过自然语言处理技术，使机器更好地理解人类的语言意图，实现更加自然的交互方式。跨语言交互：支持多种语言的语音交互技术，满足不同用户的需求。情感识别与表达：通过语音情感分析技术，使机器能够识别并表达情感，提高交互的亲和力。2多通道交互特性2.2眼动交互特性眼动交互技术是智能人机交互领域的关键技术，它通过捕捉和分析眼动信息，如凝视和眨眼，实现用户与设备间的自然交互，反映视觉感知和认知活动。2多通道交互特性2.2.1眼动交互技术原理眼动交互技术依赖于眼睛跟踪技术，通过测量眼球运动来确定视点位置和视线方向。主要方法包括瞳孔检测和注视估计。国际上已有成熟的眼动跟踪设备，如Eyelink、ASL、SMI和Tobii眼动仪，为眼动交互提供技术支持。2多通道交互特性2.2.2眼动交互过程眼控交互过程通常划分为识别、选择、触发和释放四个阶段，在交互过程中，每一步的具体呈现都应当给予用户明确的提示。这种明确的信息反馈应当是可视化的，使用户能够明确感知到系统当前的状态。眼控交互阶段对应的描述与反馈形式2多通道交互特性2.2.3眼动交互技术应用场景（3）虚拟现实与增强现实：如MicrosoftHoloLens2，通过眼动追踪技术，实现更加自然、沉浸的交互体验。3（1）辅助驾驶：通过眼动信息监测驾驶员的注意力状态，提高驾驶安全性。12（2）医疗诊断：通过分析患者的眼动数据，辅助医生进行疾病诊断。2多通道交互特性2.2.4技术挑战与未来发展趋势眼动交互技术面临的关键问题：视觉反馈机制：缺乏有效的眼控交互视觉反馈机制，导致用户无法准确获取当前眼控交互进程与状态，影响交互体验。意图识别：米达斯接触问题指的是用户眼动的随意性使得计算机难以准确识别其意图，区分有意和无意的眼动是眼控交互中的挑战。视疲劳问题：眼控交互过程中依赖眼睛作为交互通道，增加了眼部负担。因此，深入研究视疲劳的产生机理和避免策略是实现自然眼控交互的关键技术之一。2多通道交互特性2.3手势交互特性手势是肢体语言的关键部分，能在交流中传达语言难以表达的意图和情感。手势识别技术是人机交互领域的重要分支，它通过捕捉和分析肢体动作使计算机理解人类手势，提供更自然、直观的交互方式，并提升操作效率和体验。2多通道交互特性2.3.1手势识别技术原理（1）数据采集：使用摄像头、传感器或其他图像采集设备捕捉用户的手部动作，获取包含手势信息的图像或视频数据。（2）预处理：对采集到的图像或视频进行预处理，包括调整图像大小、滤波、边缘检测等，以提高后续处理的准确性和效率。（3）特征提取：利用图像处理算法提取出手势的关键特征，如手的形状、运动轨迹、手指关节的位置等。这些特征将用于描述和识别不同的手势。（4）特征选择和降维：从提取到的特征中选择最具代表性的几个特征，并进行降维处理。这一步可以减少特征维度，提高后续分类和识别的效果。（5）分类和识别：利用机器学习算法，如支持向量机、随机森林或卷积神经网络等，将提取到的特征与已有的手势模式进行比对和分类，从而识别出手势。手势识别技术的核心在于通过数学算法和计算机视觉技术，捕捉、分析和理解人类的手部动作，从而将其转化为计算机可理解的指令或信号。其技术原理主要包括以下几个步骤：2多通道交互特性2.3.2手势识别应用场景手势识别技术典型应用场景：（1）在智能手机和平板电脑上，手势识别技术允许用户通过滑动、缩放、旋转等手势操作，增强了交互体验。（2）在游戏娱乐领域，手势识别技术提供了沉浸式体验，玩家可以通过手势直接控制游戏动作。（3）在智能家居中，手势识别技术简化了设备控制，用户可以轻松地通过手势来开关设备或调节设置。2多通道交互特性2.3.3技术挑战与未来发展趋势多样性与准确性的挑战与深度学习技术的应用：手势识别面临多样性和复杂性的挑战，深度学习技术的应用通过模拟人脑神经网络，自动提取关键特征，提高手势识别的准确率。随着技术进步，识别准确率有望进一步提升。2多通道交互特性2.3.3技术挑战与未来发展趋势环境干扰的挑战与多模态融合：环境干扰如光照、噪声和遮挡会影响手势识别效果。多模态融合方法结合语音、触摸、视觉等交互方式，使手势识别系统在复杂环境下更稳健，提高准确率并增强用户体验。2多通道交互特性2.3.3技术挑战与未来发展趋势实时性与计算成本的挑战与硬件与软件的协同优化：手势识别系统要求实时性和准确性，但复杂算法可能消耗大量计算资源，影响实时性。研究者通过硬件和软件的协同优化来降低计算成本并提高效率，随着硬件技术进步，系统的实时性将提升。03PARTTHREE作业能力与作业疲劳3作业能力与作业疲劳ATP-CP系列在要求能量释放速度很快的情况下，肌细胞中的ATP能量由磷酸肌酸（CP）与二磷酸腺苷合成予以补充，即：上述过程简称为ATP-CP系列。ATP-CP系列提供能量的速度极快，但由于CP在人体内的储量有限，其产能过程只能维持肌肉进行大强度活动几秒钟。3作业能力与作业疲劳需氧系列在中等劳动强度下，ATP以中等速度分解，又通过糖和脂肪的氧化磷酸化合成而得到补充。这一过程需要氧参与合成ATP，故称为需氧系列。在合成的开始阶段，以糖的氧化磷酸化为主；随着持续活动时间的延长，脂肪的氧化磷酸化转变为主要过程。3作业能力与作业疲劳乳酸系列在大强度劳动时，能量需求速度较快，相应ATP的分解也必须加快，但其受到供氧能力的限制。此时便靠无氧糖酵解产生乳酸的方式来提供能量，故称其为乳酸系列乳酸逐渐扩散到血液，一部分排出体外，一部分在肝、肾内部又合成为糖原。营养充足合理的条件下，经过休息，乳酸可以较快的合成为糖原。3作业能力与作业疲劳.3.1.1人体能量的产生机理三种产能的一般特性3作业能力与作业疲劳.3.1.1人体能量的产生机理肌肉活动时能量的来源示意图3作业能力与作业疲劳3.1.2作业时人体的耗氧动态人体作业时的需氧量取决于劳动强度和持续时间，强度越大、时间越长，需氧量越多。氧需的满足主要依赖循环系统和呼吸器官。最大摄氧量是血液每分钟能供应的最大氧量，成年人通常不超过3L/min，常锻炼者可达4L/min以上，老年人则为1～2L/min。3作业能力与作业疲劳3.1.2作业时人体的耗氧动态在体力作业中，随着劳动强度增加，需氧量上升，但摄氧能力有限。当需氧量超过最大摄氧量时，人体依赖无氧糖酵解供能，导致体内氧亏负，形成氧债。氧债及其补偿3作业能力与作业疲劳3.1.2作业时人体的耗氧动态当作业需氧量小于最大摄氧量时：作业初期2-3分钟内，心肺功能未同步，肌肉暂时缺氧工作，产生轻微氧债（图中的A区）。随后，心肺功能逐渐适应，呼吸和循环系统加强，氧供应满足需求，达到动态平衡，作业可长时间持续。作业结束后，恢复期需偿还氧债（图中的B区），理论上A区等于B区。3作业能力与作业疲劳3.1.2作业时人体的耗氧动态当作业劳动强度过大，需氧量超过最大摄氧量时：即使心肺功能逐渐适应，稳定状态仍被破坏，机体在缺氧状态下工作，持续时间受限于氧债能力，一般约为10L。如果劳动者每分钟供氧量为4L，而最大摄氧量为3L/min，每分钟将产生1L氧债，以7g乳酸为代价（图中的A区）。这种情况下，作业时间最多持续10分钟，达到氧债衰竭状态。恢复期需偿还的氧债为A区加C区之和。3作业能力与作业疲劳3.1.3能量代谢能量代谢是指人体能量的产生和消耗。人体代谢的能量等于体外做功的能量和体内转化为热的能量之和。在无体外做功时，体内能量等于散发的热量，以维持体温恒定。能量代谢分为三种，即基础代谢、安静代谢和活动代谢。3作业能力与作业疲劳基础代谢人体代谢速率随条件变化而异。基础代谢是指在特定基础条件下（清醒、静卧、空腹、室温约20℃）的能量代谢。基础代谢率（BMR）表示单位时间内维持基本生命活动的能量消耗。健康人的基础代谢率相对稳定，波动一般不超过平均值的15%。3作业能力与作业疲劳安静代谢安静代谢是指在作业或劳动开始前，为维持身体平衡和姿势所对应的能量代谢，包括基础代谢量。测定通常在作业前后进行，被测者静坐，通过呼气分析法测量。安静状态可通过呼吸或脉搏判断，安静代谢率（R）通常取基础代谢率的120%。3作业能力与作业疲劳能量代谢能量代谢量是指人体在作业或运动时消耗的总能量，记为M。它与劳动强度直接相关，是计算每日能量消耗和所需热量补给的依据，也是评估作业负荷的重要指标。3作业能力与作业疲劳相对能量代谢率体力劳动强度不同，消耗的能量也不同。由于劳动者个体差异，即使劳动强度相同，能量消耗也有差异。为了统一衡量，通常使用活动代谢率与基础代谢率的比值，即相对能量代谢率（RMR），来评估劳动强度。还可用简易方法近似计算人在体力劳动中的能量消耗：3作业能力与作业疲劳3.2作业能力的动态变化作业能力是指作业者完成某种作业所具备的生理、心理特征，这些特征综合体现了个体所蕴藏的内部潜力。在实际生产过程中，这种潜力可以从作业者单位作业时间内生产的产品产量和质量间接地体现出来。3作业能力与作业疲劳3.2.2作业能力的动态变化规律作业能力随着作业时间和作业环境的变化而呈现动态变化。在实际生产过程中，当作业动机等其他因素保持相对稳定时，生产成果的波动主要反映了作业能力的变化。这种变化一般可以分为三个阶段。3作业能力与作业疲劳3.2.2作业能力的动态变化规律作业能力变化阶段：（1）入门期（InductionPeriod）：工作日开始时，作业者因神经调节系统尚未完全适应，导致工作效率较低。随时间推移作业者适应环境，效率提升。此阶段工作动力定型巩固，生产率提高，不良品率下降。（2）稳定期（SteadyPeriod）：当作业能力达到最高水平时，即进入稳定期。此阶段作业者的生产效率和产品质量保持在一个相对稳定的水平，其他相关指标变动不大。（3）疲劳期（FatiguePeriod）：作业者开始感到劳累，作业速度和准确性开始降低，不良品率开始增加。疲劳期的出现标志着作业者需要休息和恢复体力，以避免过度疲劳。3作业能力与作业疲劳3.2.2作业能力的动态变化规律劳动生产率动态变化典型曲线

3作业能力与作业疲劳3.2.3作业能力的波动与影响因素作业能力的波动受多种因素影响，这些因素复杂且相互关联。除了作业者自身的个体差异外，环境条件、劳动强度、工作性质和锻炼与熟练效应等都对作业能力产生显著影响。其大致可归纳为生理因素、环境因素、工作条件和性质、锻炼与熟练效应等四种。3作业能力与作业疲劳生理因素年龄与性别：体力劳动的作业能力在25至30岁后逐渐下降，与心肺功能减退相关，而脑力劳动的高峰在20至40岁间，之后逐渐下降。男性在体力劳动上通常强于女性，但脑力劳动上性别差异不大。身材和健康状况：对作业能力有显著影响，健康状况包括营养和疾病状况。3作业能力与作业疲劳环境因素空气状况、噪声、照明、色彩和微气候：环境因素显著影响体力和脑力劳动的作业能力。长期暴露于污染空气可引发呼吸系统问题，减少体力劳动能力。恶劣环境条件也会增加脑力劳动负担，降低效率。温度与湿度：过高或过低的温度和湿度都会影响作业者的舒适度和作业能力。适宜的环境温度和湿度有助于提高作业效率和减少疲劳。3作业能力与作业疲劳工作条件和性质生产设备与工具：好的生产设备与工具能减轻劳动强度，减少静态作业成分和作业的紧张程度，从而提高作业能力。劳动强度：劳动强度大的作业不能持久。合理的劳动强度既能发挥作业者的最高作业能力，又不致损害其健康。劳动组织与劳动制度：科学的劳动组织和劳动制度对作业能力的发挥有很大影响。例如，作业轮班制度会对作业者的生物节律、身体健康和作业能力产生影响。3213作业能力与作业疲劳锻炼与熟练效应锻炼：锻炼能增强作业者的体质和耐力，提高作业能力。无论是体力劳动还是脑力劳动，适当的锻炼都能使机体形成巩固的动力定型，减轻疲劳感。熟练效应：经常重复某一作业能增强身体各系统间的协调性，减少疲劳，提升作业能力。这种熟练效应是反复练习的结果，随着生产量的增加，作业者熟练度提高，单位产品所需劳动时间减少。3作业能力与作业疲劳3.3.1作业疲劳的概念与分类作业疲劳是劳动者在劳动过程中出现的机能衰退和能力下降现象，可能伴有疲倦感等自觉症状。高强度或持续作业易引发疲劳，表现为肌肉酸痛、疲乏、头晕、注意力下降、视觉模糊和效率降低。体力疲劳分为局部疲劳和全身疲劳，以及短时间剧烈活动后的疲劳和长时间中等强度作业后的疲劳。后者在人机系统中更常见。3作业能力与作业疲劳3.3.2疲劳的产生与积累按照疲劳的积累状况，工作过程一般分为四个阶段：工作适应期最佳工作期疲劳期疲劳过度积累期3作业能力与作业疲劳工作适应期工作开始时，神经调节系统的协调功能尚未完全建立，导致呼吸循环器官和四肢调节迟缓，工作能力未完全激发，人体处于克服惰性状态，活动水平不高，不易产生疲劳。3作业能力与作业疲劳最佳工作期人体各机构逐渐适应工作环境的要求，人体操作活动效率达到最佳状态并能持续较长的时间。只要活动强度不是太高，这一阶段不会产生疲劳。3作业能力与作业疲劳疲劳期在最佳工作期之后，作业者开始感到疲劳，出现动机下降和兴奋性降低。作业速度和准确性下降，工作效率和质量降低，疲劳不断积累。进入疲劳期的时间取决于活动强度和环境条件，强度大或环境恶劣时，保持最佳效率的时间短；反之则延长。3作业能力与作业疲劳疲劳过度积累期疲劳产生后，应采取措施控制，如适当休息或调整活动强度，以避免因疲劳积累导致暂时丧失活动能力或工作停止。疲劳积累还可能引发事故和器质性病变。3作业能力与作业疲劳3.3.3累积损伤与疲劳体力疲劳是累积损伤疾病是指由于不断重复使用身体某部位而导致的肌肉骨骼的疾病。不同的作业会导致不同表现形式的累积损伤，但各种累积损伤都与下列因素密切相关：受力、重复、姿势、休息。3作业能力与作业疲劳受力累积损伤发生的必要因素是人体某部位受力，持续外力挤压导致软组织、肌肉或关节无法维持舒适状态。重负荷工作导致肌肉快速疲劳，需要较长恢复时间。骨骼肌需恢复弹性，恢复时间不足易导致软组织损伤。3作业能力与作业疲劳重复累积损伤的关键因素是人体某部位的重复受力，任务重复性高导致肌肉收缩快且频繁。高速收缩肌肉产生的力量小于低速收缩，因此高重复率工作需要更多肌肉力量和更长恢复时间。休息时间不足会引起组织紧张，累积损伤主要由重复施力引起。3作业能力与作业疲劳姿势不正确的作业姿势是累积损伤的重要因素，影响关节舒适度。不良姿势增加组织机械压力。作业姿势应遵循人体力学原则：保持动作节奏和关节协调以减轻疲劳；平衡协同肌群与拮抗肌群以提高准确性；瞬时用力应利用人体质量进行快速运动；稳定力量依赖于肌体稳定性；动作应符合解剖学、生理学和力学原理。3作业能力与作业疲劳休息休息时间不足导致肌肉恢复不充分，引起乳酸积聚和能量过度消耗，造成肌肉疲劳、力量减弱和反应迟缓。疲劳肌肉继续工作增加软组织损伤风险。充分休息有助于肌肉恢复正常状态。3作业能力与作业疲劳3.3.3疲劳测定方法疲劳测定方法应满足客观性、定量化等条件。疲劳可以从三种特征上表露出来。①身体的生理状态发生特殊变化。例如，心率、血压、呼吸及血液中的乳酸含量等发生变化。②进行特定作业时的作业能力下降。例如对特定信号的反应速度下降，工作绩效下降等。③疲劳的自我体验感知与评价。疲劳的特征：3作业能力与作业疲劳疲劳测定方法的要求疲劳测定方法应满足如下要求：测定结果应当是客观的表达，而不依赖于研究者的主观解释测定结果应当能定量化表示疲劳的程度；测定方法不能导致附加的疲劳，或使被测者分神；测定疲劳时，不能导致被测者不愉快、造成心理负担或病态感觉。3作业能力与作业疲劳常见的测定方法疲劳的测定方法包括四类：①生化法：通过检测体液成分如乳酸、蛋白质、血糖等变化来评估疲劳。缺点是需中断作业并可能引起不适。②工作绩效测定：通过产品数量、质量、错误率等指标来衡量疲劳对效率的影响。③生理心理测试法：利用膝腱反射、触觉辨别、皮肤反应、心率、视觉融合、心电图、肌电图等生理心理指标来评估疲劳。④疲劳症状调查法：通过询问作业者的主观感受来判定疲劳程度。3作业能力与作业疲劳疲劳与安全生产的关系疲劳在不同方面增加事故发生的风险：主观上，引起身体不适、头晕、头痛，降低意志控制和注意力，减少信心和工作能力。身体和心理上，导致感觉和运动机能变化，如脸色苍白、多汗、动作失调、语言不清，增加无效动作。工作上，降低继续工作能力，减少效率和质量，减慢速度，动作不准确，反应迟钝。增加困倦和人为失误，事故常由不安全行为和物的不安全状态交叉导致，其中人的不安全行为是主要原因。导致省能心态，使人在操作中寻求省力，可能导致操作不到位，增加事故发生的可能性。消除疲劳和不安全行为是预防事故的关键。3作业能力与作业疲劳3.4.1疲劳的一般规律（3）疲劳程度与生理周期有关，机能下降时疲劳较重。C（2）疲劳具有累积效应，未消除的疲劳可能延续到次日。B（4）人对疲劳有一定的适应能力，但长时间高强度作业会导致疲劳累积。D（1）疲劳可以通过休息恢复，但恢复过程不完全，且精神疲劳的恢复较体力疲劳更为困难。A3作业能力与作业疲劳3.4.2降低疲劳的途径（1）改善工作条件：工作环境设计应考虑照明、色彩、噪音、温湿度和空气质量，以降低疲劳并提升效率。设备和工具应符合人体工程学，减少静态作业和重复动作，减轻肌肉和关节压力。辅助工具，如对于电脑使用者，人体工程学键盘、鼠标和显示器可减少眼疲劳和手腕负担。3作业能力与作业疲劳3.4.2降低疲劳的途径（2）改进工作方法：合适的工作姿势对动作流畅和稳定至关重要。设计合理的工作场地和位置，研究合适的工作姿势是必要的。经济作业速度是指在体力作业中，能够以最小能量消耗完成作业的速度。维持这一速度可以减少疲劳，延长持续工作时间。3作业能力与作业疲劳3.4.2降低疲劳的途径（3）合理安排工作时间和休息：科学安排工作时间：避免长时间连续工作，合理安排工作和休息时间，保证有足够的休息和恢复时间。多样化休息方式：除了常规的午休外，还可以在工作间隙进行短暂的休息。短暂的休息有助于缓解肌肉紧张和心理压力。3作业能力与作业疲劳3.4.2降低疲劳的途径（4）提高身体素质：加强体育锻炼：适度的体育锻炼可以增强肌肉力量、柔韧性和心肺功能，提高身体素质和抵抗疲劳的能力。合理饮食：保证营养均衡的饮食，摄入足够的蛋白质、碳水化合物等营养素，为身体提供足够的能量和营养支持。建立健康的生活方式：保持充足的睡眠时间，确保每天有足够的睡眠来恢复体力和精力。避免过度饮酒和吸烟等不良生活习惯，保持规律的作息时间。3作业能力与作业疲劳3.4.2降低疲劳的途径（5）心理调节：学会放松：通过深呼吸、冥想、瑜伽等方法学会放松身心，减轻心理压力和紧张感。保持乐观心态：积极面对工作和生活中的挑战和困难，保持乐观的心态和情绪，有助于提高抵抗疲劳的能力。3作业能力与作业疲劳3.4.2降低疲劳的途径（6）改进生产组织与劳动制度：合理安排轮班制度：对于需要轮班工作的员工，应合理安排轮班制度，避免频繁改变工作时间和班次。轮班期间，确保员工有足够的休息和恢复时间。疲劳测定与监测：利用生化法、工作绩效测定等方法，定期对作业者的疲劳程度进行测定和监测，及时发现和解决疲劳问题。04PARTFOUR人在环的虚实融合产线验证4人在环的虚实融合产线验证4.1制造业产线验证现状与需求在中国"制造2025"战略推动下，制造业正向智能制造转型，汽车行业尤为显著。转型要求制造系统快速适应新消费需求和设计迭代。汽车制造中，白车身生产和工业机器人涂胶作业是关键环节，对成本、质量和生产自动化及效率提升具有决定性影响。4人在环的虚实融合产线验证4.1制造业产线验证现状与需求白车身（BIW）是车身结构件及覆盖件的焊接总成，其制造成本占汽车总成本的30%至60%，设计阶段决策影响整车成本高达70%。白车身装配技术复杂，涉及多种尺寸和形状的部件，许多工序依赖手工，挑战自动化提升。重复性劳动易导致工人疲劳，影响效率和增加工伤风险。白车身生产线4人在环的虚实融合产线验证4.1制造业产线验证现状与需求目前，白车身的可制造性验证主要依赖于物理原型和计算机辅助设计（CAD）软件。由于B企业的生产线创建时间较长，缺乏精确的数字化模型，因此一直采用物理样机方法进行白车身与生产线的适配性验证。这种方法涉及到在实体生产线上直接验证白车身与生产线之间的干涉情况和安全距离等。利用物理样机进行白车身通过性验证4人在环的虚实融合产线验证4.1制造业产线验证现状与需求传统的物理样机验证方法存在如下缺陷：物理样机方式需要预先生产出实体模型，验证周期太长。原有产线因验证以及调试过程一般需要停产两周，无法对迭代设计进行快速响应，时间成本较大。验证结果对设计阶段的反馈作用差。物理样机验证方式的检测结果完全依赖于产线工人经验化判断，验证过程直观性较差。实体验证过程中，测定实体车模型与产线设备间距离时通常需要工人手动在测定位置粘贴测点，人工成本增加。4人在环的虚实融合产线验证4.2虚实融合验证的特点及优势白车身设计需考虑成本和生产线兼容性，验证其适配性对生产效率至关重要。机器人路径规划影响生产安全和效率，设计阶段的可制造性验证是必要的。实体模型验证和虚拟仿真是两种主要的产线验证方法，各有优势和局限性。增强现实技术和数字孪生模型的虚实融合，提高了验证准确性和操作效率。虚实融合技术在白车身生产中优化验证流程，降低成本，提升安全性。4人在环的虚实融合产线验证4.3虚实融合产线验证案例白车身与产线适配性验证过程需求分析4人在环的虚实融合产线验证4.3虚实融合产线验证案例在验证过程中，需要构建基于增强现实的虚实融合环境，实现对实体产线的建模；并且为了确保白车身的动态移动过程，需要采用基于标记或