1.3　人体工学的学科构成

1.3.1　人体工学的研究内容

当今时代人体工学的研究包括理论和应用两个方面，但趋势多重于应用方面，由于各国的发展速度和发展基础各不相同，科学与工业基础差距较大，导致其学科研究的主体方向侧重点也迥然不同。例如，美国侧重工程和人际关系；捷克、印度等侧重于劳动卫生学；法国侧重劳动生理学；前苏联注重工程心理学；保加利亚偏则注重于人体测量。

人体工学研究内容有如下的一般规律，即工业化程度不高的国家往往是由人体测量、环境因素、作业强度和疲劳等方面着手，随着这些国家自身问题的解决，对本学科方向的探索转移到了感官知觉、运动特点、作业姿势等方面的研究，随着国力的进一步发展，转移到操作、显示设计、人机系统控制和人体工学原理在各种工业与工程设计中应用等方面的研究；最后，则进入人体工学的前沿领域，如人机关系、人与环境关系、人与生态、人的特性模型、人机系统的定量描述、人际关系、直至团体行为、组织行为等方面的研究。

虽然人体工学的研究内容和应用范围极其广泛，但从人-机-环境系统角度出发，人体工学的研究内容如图1-1所示。

人体工学中，人-机-环境系统的整体属性不等于各部分内容的简单相加，而是取决于系统的组织结构及系统内部的协同作用程度，其研究的根本方向是通过揭示和运用人、机、环境之间相互关系的规律，以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。因此，本学科的研究内容应包括人、机、环境各因素，特别是各因素之间的相互关系。

在人-机-环境系统中，每个子系统的结构决定了人、机、环境每个局部的功能，而人-机-环境系统的结构又决定了整个人机系统的功能，由于系统的整体属性不等于部分属性之和，其具体状况取决于系统的组织结构及系统内部的协同作用程度，因此，在对人体工学的研究中，不但要对人、机、环境的每个部分的属性进行深入的研究，还需要对人机系统的整体结构及其属性进行研究，以确保达到总体优化。

（1）系统中人与机的要素

人的要素主要由以下几方面内容构成，以表1-1加以说明。

机的要素不单单指机器，它更多指各种产品，包括各种工具，如生产工具、学习工具、生活工具、娱乐工具、公共设施等，这些产品应该依据和遵循人体工学的标准进行设计。

人在以上各个方面的规律和特性是人-机-环境系统设计的基础。为人-机-环境系统设计和改善以及制定有关标准提供了科学依据，使设计的工作系统及机器、作业、环境都更好地适应人，创造安全、健康、高效和舒适的工作环境和生活条件。

（2）人机系统的总体设计

人机交互及人机界面的设计是人机系统的总体设计最为重要的两个方面。在人-机的物质、能量与信息等多种相互作用中，人-机之间的信息交互最为重要。在信息交互中，通过信息显示器，人运用感觉器官，经过大脑的综合分析、判断，获得了关于机器的信息，之后，再利用人体中效应器官对操纵控制器的作用，将人的指令传达给机器，在人的操控下，最终实现机器按照期望的状态运行，而后，机器接受人的操控信息，又通过一定的方式将其工作状态反馈于人，人再根据反馈的信息对机器的状态做出相对应的调整和操控。

首先，信息的交互以人机界面为渠道，信息的输入与输出都通过界面的转换和传递得以实现。界面既包括硬件界面（信息显示器与操纵控制器），也包括软件界面，如计算机程序界面等。人体工学研究中，应根据人的因素设计控制器与显示器，以达到人、机之间的信息交换流畅、准确、迅速，使显示器与人的感觉器官的特性、控制器与人的效应器官的特征相匹配。

其次，在机功能的合理分配方面，人机之间有着各自的能力、限度和优势，人具有适应能力、创造能力和思维能力，而机器则具有功率大、速度快、精确度高、可靠性强和无疲劳的优势。根据各自的特点设计能够相互协作、取长补短、相互配合的人机系统尤为重要。

除此之外，在人机系统已向着高度精密、复杂化和快速化发展的今天，系统的可靠性和安全性尤其被注重。系统的失效将可能导致重大的损失和严重后果，系统的事故大数是由人为失误造成，而人的失误归因于人的不可靠性。人体工学研究人的可靠性、安全性及人为失误的特征和规律，研究改进人-机-环境系统，克服不安全因素，以减少系统中不可靠的劣化概率；寻找可能引起事故的人的主观因素；研究分析发生事故的人、物、环境和管理等原因，提出预防事故和安全保护措施，搞好系统安全管理工作。

（3）作业场所与环境的设计

作业场所的设计包括作业器具设计、作业空间设计、作业场所总体布局设计等。

人体工学研究如何设计和改善符合人因的作业场所，使人的作业姿势正确、作业范围适宜、作业条件合理，达到作业时的安全可靠、方便高效、不易疲劳及舒适愉悦的目的。这些都是根据人的因素进行研究，研究作业场所设计也是出于保护人体和有效利用人、发挥人的潜能的目的。

为提高人-机-环境系统的效率和人的工作、生活质量，保证人在安全、健康、舒适的作业环境下工作和学习，人体工学主要研究作业场所的要素对人的心理、生理反应及工作和生活的影响，研究的环境质量评价准则都应以人为本；研究的控制、改善和预防不良环境的措施，都应适应人的要求。作业环境设计的主要内容见表1-2。

（4）作业设计及改善

人机关系中主要的表现形式即是作业，力求经济、安全、有效、省力的作业方法，消除无效劳动，减轻疲劳，合理利用人力和设备，提高系统的工作效率，由此，动作经济原则、工作成效测量与评定、作业分析等是人体工学的主要研究对象。除此之外，研究从事技能作业、体力作业和脑力作业的人的生理与心理反应、工作能力及信息处理特点；研究作业时合理的负荷及耗能、工作与休息制度、作业程序、工作条件和工作方法；研究适宜作业的人机界面的硬件及软件，都要与作业者的特性相适应，这些都是人体工学主要的研究内容与目的。例如，全自动切捆条机人机界面设计如图1-2所示。

除作业外还包括组织与管理。组织与管理主要研究：使复杂的管理综合化、系统化，形成人与各种要素相互协调的作业流、信息流、物流等管理体系和方式；加强信息沟通和各部门之间的综合协调研究克服人决策时在动机、能力、知识等相关信息方面的制约因素，建立合理的决策行为模式。研究改进对员工绩效的评定管理以发挥人的潜能、促进员工参与管理和决策，使员工行为与组织目标相适应等。

从人体工学的研究内容来看，人体工学作为一门交叉了多个学科的边缘性学科，其研究的范畴跨越了人、机、环境及其系统。单就设计学科（工业设计、建筑设计、环境设计、视觉传达设计、服装设计等）的角度来讲，人体工学更集中地关注机与环境的功能、形态、界面、色彩、照明、材质、空间、结构等设计要素对人的因素的适应性。

1.3.2　人体工学的研究方法

人体工学有多种研究方法，除本学科中的特有方法，还包括如系统工程、控制理论、人体科学、生物科学等学科研究中所用的方法，这归因于人体工学多学科的交叉性、边缘性的特点。这些方法如进行模型试验或电脑模拟试验以分析差错和事故的原因；进行静态人体尺寸和动态人体尺寸的测量，以统计和计算数据内的规律和相互关系，分析研究作业的时间和动作，检测作业中人的各项生理指标和心理状态的动态变化，调查和观察人的行为和反应特征等。

（1）实测法

实测法即借助于仪器设备（图1-3）进行实际测量的方法。例如，对人体生理参数的测量或者是对系统参数、人体静态尺寸与动态尺寸参数的测量、作业环境参数的测量等。

（2）观察法

观察法是指在一定理论指导下，调查者根据一定的目的，用人的感觉器官或借助一定的观察仪器和观察技术（录像机、计时器等）观察、测定和记录自然情境下发生的现象的一种方法。如观察作业时间消耗，流水线生产节奏合理性（图1-4），工作日时间利用情况等。

观察法又可分为几种不同的模式，如直接观察与间接观察，直接观察即直接观察人的行为，间接观察即通过对社会环境、行为痕迹等事物的观察，以间接的材料反映调查对象的状况及特征，如损蚀物观察、累积物观察等；预计观察与随机观察，预计观察即根据预先设计的表格和记录工具，并严格按照规定的内容和程序观察事物表征、动作行为等，随机观察对观察即依现场的实际情况随机决定观察的内容、程序；参与式观察与非参与式观察，参与式观察即观察者以内部成员的角色参与活动，非参与式观察即观察者以旁观者身份进行观察，不参与被观察者的任何活动。

（3）实验法

实验法是人体工学研究中的重要方法。实验法的特点是可以系统控制变量，不必如观察法那样等待时间自然发生的被动性，可以使所研究的现象重复发生，反复观察，可对各种无关因素进行控制，使研究结果容易验证，实验法可分为实验室实验法和自然实验法。

实验室实验法指在实验室内，借助专门的实验设备，在严格控制实验条件的情况下进行，实验室实验法能够有效控制实验条件，精确记录被试情况，便于分析和研究。然而，实验室的特殊环境和情境会对被试者的心理表现产生干扰与影响，另外，实验条件与实际生活差别较大，所获结果往往难以在实际生活中推广。自然实验法是在作业现场、日常生活情境中通过适当控制和改变某些条件来研究心理活动的方法。自然实验法通过比较不同条件下各实验组或实验对象的结果，以了解被试者的心理反应和心理活动的状况。这种方法既有观察法的自然性和经济性，又有实验室实验法的主动性和精确性。与实验室实验法相比，更贴近现实生活环境中人的正常反应，因此得出的结论也具有较大的外部效度而利于推广应用。在管理心理学和行为科学领域中，著名的“霍桑实验”就是运用自然实验法的典型。图1-5为以眼动追踪仪进行汽车驾驶实验。

（4）分析法

分析法是要建立在试验法和实测法的基础上，在获得了一定的数据和资料后，为了研究系统中人和机的工作状态，如功能、工艺流程、工人操作动作而采用的研究方法。例如利用分析法对人操作机械的过程进行分析，首先，要用仪器或摄影逐一记录下人在操作过程中所完成的每个连续动作，然后针对取得相关信息进行研究分析。主要研究分析人在进行各种操作时的身体动作，对所得到的每一个动作要进行排除，去除掉其中多余的动作，纠正不良姿势，使操作简便更有效，减轻劳动强度，从而制定出最佳的动作程序，并且提高工作效率。这种提高效率的方法，特别适用于在一个工作班次中对一种动作进行数以万次的重复中应用，事实证明，仅去掉或改进其中的一个动作，都会使生产效率得到显著提高。

人体工学研究常采用如下几种分析法。

①相关分析法　相关分析法研究现象之间是否存在某种依存关系，并对具体有依存关系的现象探讨其相关方向以及相关程度，即确定两个以上的变量之间是否存在统计关系，是研究随机变量之间的相关关系的一种统计方法。利用变量之间的统计关系可以对变量进行描述和预测，或者从中找出合乎规律的东西。例如，对人的身高和体重进行相关分析，便可以用身高参数来描述人的体重；身高与体重显然有关系，而又没有确切到可由其中的一个去精确地决定另一个的程度，这就是相关关系。实测的资料（因素），如作业器的尺寸、照度值等因素都是自变量；而因变量是随着自变量的变化而变化的因素。通过分析得到这两种变量之间规律的变化关系之后，才能设计出有利于高效工作的机械产品。如今，统计学的发展和计算机的应用，使相关分析法已经成为人体工学研究的一种常用的方法。

②危象分析法　危象分析法是对事故或近似事故的危象进行分析，有助于识别容易诱发错误的情况，同时，也能方便地查找出系统中存在的，而一般的研究方法不易发现的问题。

③动作负荷分析法　在规定操作所必需的最小间隔时间的条件下，采用电子计算机技术来分析操纵者连续操纵的情况，从而可推算操纵者工作的符合程度。另外，对操纵者在单位时间内工作负荷进行分析，也可以获得用单位时间的作业负荷率来表示操作者的全工作负荷。

④瞬间操作分析法　应对连续的生产过程及人机之间连续的信息传递，间歇性的分析测定法具有可行性，以统计学中的随机抽样法，对人机之间在每一间隔时刻的信息进行测定，并通过统计推理的方法加以整理。

此外，分析法中还包括知觉与运动信息分析法、频率分析法等。

在观察分析方法中，荷兰的NOLDUS公司Observer行为观察分析系统是进行研究人类行为的标准工具。它对研究对象进行的分析十分全面，如人机交互、社会交往、情绪、表情、位置、运动、姿势和动作等各种活动都会被其进行记录分析；记录被研究对象各种行为发生的时刻、发生的次数和持续的时间，然后进行统计处理，其处理后的分析报告可以被广泛应用在心理学、产品可用性测试、人机交互、人因工程等各领域的试验研究中，如图1-6所示。

（5）模拟和模型试验法

在针对一些复杂的、危险的系统及预测性的研究中，进行人机系统研究常常采用模拟和模型试验法。模拟及模型试验法包括各种技术和装置的模拟，如操作训练模拟器、机械的模型以及各种人体模型等。因为模拟器的危险性小，可控性强又贴近真实，通过对系统进行逼真的试验，从而获得现实情况中无法或不易获得的、更符合实际的数据。模拟器或模型的成本通常会大大低于真实系统，因此得到广泛的应用。图1-7以动态模拟碰撞试验的方式真实反映座椅对学童的安全保护。

（6）调查法

调查法是获得有关研究对象材料的一种基本方法，它具体包括问卷法、考察法和访谈法。

①问卷法　问卷法是由研究者根据研究目的编制一系列的问题和项目，以问卷或量表的形式构成问卷收集资料并进一步分析，以测量人的行为和态度的研究方法。对于被调查的回答，研究者可以不提供或不提供答案或备选答案，可以对答案的选择规定某种要求，研究者对问题的回答进行统计分析后做出某种心理学的结论。问卷法标准化程度高、经济省时收效快，能在短时间内调查很多研究对象，取得大量的资料，能对资料进行数量化处理，尤其在发达的网络信息时代，网络问卷更为广泛使用。

问卷设计的过程一般包括10个步骤，即确定所需信息、确定问卷的类型、确定问题的内容、研究问题的类型、确定问题的措辞、确定问题的顺序、问卷的排版和布局、问卷的测试、问卷的定稿、问卷的评价。其中问卷的类型根据要求被调查者回答问题形式的不同，主要有自由叙述式、多重选择式、是否式、评定量表法、确定顺序式、对偶比较式等，要根据研究的目的、任务和被调查者的特点选择使用，当然也可以将几种形式并用。

研究者对于问卷法的缺点也应该有所认识，由于被调查者各种心理上的自我防卫、理解和记忆错误等原因，可能对问题做出虚假或错误的回答，因此，具备丰富的心理学知识和一定的洞察力，做好问卷设计并对结果做出合理的解释是十分必要的。

②考察法　考察法是指通过实地考察人-机-环境中存在的不合理的现象，查找存在的问题，为进行分析、实验和模拟提供背景资料。考察就是思考与观察，要先明确考察的对象和目的，考察法要求考察人员熟悉实际情况，有足够的实际经验，并能尽早发现人-机-环境各因素中的复杂关系并能够解决问题。

③访谈法　访谈法是研究者通过访员和受访人面对面地交谈来搜集有关资料的方法。由于研究问题的性质、目的或对象的不同，访谈法具有不同的形式，如正式访谈与非正式访谈，个别访谈和团体访谈。指导性访谈和非指导性访谈。根据访谈进程的标准化程度，可将它分为结构型访谈和非结构型访谈。不论哪种访谈，都有要求研究者与被研究者进行良好的沟通与配合，研究者要引导话题的走向，使交谈的内容始终是围绕话题而进行的，并且求得到的答案客观真实。访谈法运用面广，能够使工作分析人员了解到短期内直接观察法不容易发现的情况，有助于管理者发现问题，能够简单而迅速地收集多方面的分析资料。

（7）计算机数值仿真法

由于人是有主观意志的生命体，作为人机系统中的操作者，如果像传统物理模拟和模型的研究方法一样去研究人机系统，往往不能完全反映系统中生命体的特征。不但如此，由于现代人机系统越来越复杂，采用物理模拟和模型的方法研究人机系统，随之产生成本高、周期长，并且模拟和模型装置一经定型，就很难作修改与变动。为此，人们尝试创新研究更为有效的方法，其中计算机数值仿真法已成为人体工学研究的一种现代方法，并得到推广使用。

数值仿真是在计算机上利用系统的数学模型进行仿真性实验研究。研究者可对尚处于设计阶段的未来系统进行仿真，并就系统中的人、机、环境三要素的功能特点及其相互间的协调性进行分析，从而预知所设计产品的性能，并进行改进设计。应用数值仿真研究，能大大缩短设计周期，并降低成本。图1-8为汽车碰撞计算机虚拟仿真试验研究。