愛華網(wǎng)人類工效學 (講義)
廖建橋 編一九九四年九月
目錄
第一章 概述.............................................1
第二章 人體測量學 ......................................9
第三章 人體的肌肉系統(tǒng) .................................23
第四章 人體的神經(jīng)系統(tǒng) .................................37
第五章 人的信息處理系統(tǒng) ...............................47
第六章 工作地設計 .................................... 67
第七章 信息顯示 ...................................... 77
第八章 控制器 ........................................ 95
第九章 人---計算機介面 .............................. 111
第十章 重體力勞動 ................................... 123
第十一章 搬運 ....................................... 143
第十二章 疲勞 ........................................ 151
第十三章 腦力負荷 .................................... 165
第十四章 照明 ........................................ 181
第十五章 噪音 ........................................ 197
第十六章 微氣候 ...................................... 219
第十七章 環(huán)境污染與環(huán)境保護 .......................... 235
第十八章 安全生產(chǎn) ....................................251
第一章 概述
第一節(jié) 人類工效學的定義
人類工效學是一門新興的邊緣學科, 它作為一門獨立的學科已有四十多年了.人類工效學這一名稱是根據(jù)英文"Ergonomics"翻譯過來的, "Ergonomics" 這個詞是由兩個希臘詞根組成的,ergo是出力, 工作的意思, nomics是正?；? 規(guī)律的意思. 因此Erginomics的含義是人的工作規(guī)律問題. 也就是說,這門學 科是研究人在生產(chǎn)和工作中合理地, 適度地勞動的問題.
在我國,這門學科尚處于初創(chuàng)階段, 所用名稱也不一致. 除用人類工效學這一名稱外, 也用工效學, 人機工程等其他名稱.
國際工效學會給人類工效學下的定義為: "研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學, 生理學和心理學等方面的各種因素,研究人和機器及環(huán)境的相互作用條件下, 在工作中, 家庭中和休假時, 怎樣統(tǒng)一考慮工作效率, 人的健康,安全和舒適等達到最優(yōu)化的問題."
我國在<<中國企業(yè)管理百科全書>>中,對人類工效學所下的定義為: "研究人和機器, 環(huán)境的相互作用及其結合, 使設計的機器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理,心理等特點,達到在生產(chǎn)中提高效率, 安全, 健康和舒適的目的."
關于人類工效學還有許多其他的定義, 我們不在此一一贅述. 從上面的定義我們可以看出, 人類工效學是研究人, 機器,環(huán)境三者之間的關系, 以便使人工作, 學習, 生活的更有效, 更安全, 更舒適的一門介于心理學, 生理學, 人體測量學,工程技術和管理之間的邊緣學科.
第二節(jié) 人類工效學的內(nèi)容
由于人類工效學涉及到人的工作, 學習和生活, 因此人類工效學的內(nèi)容非常多. 概括起來, 主要包括以下幾個方面:
1 人的能力. 這包括人的基本尺寸, 人的作業(yè)能力, 各種器官功能的限度及影響因素等. 對人的能力有了了解,才可能在系統(tǒng)的設計中考慮這些因素, 使人所承受的負荷在可接受的范圍之內(nèi). 例如, 人的短期記憶容量是七個元素左右,在系統(tǒng)的設計中如果某一工作對人的短期記憶有要求, 就不能超過這一限度, 否則人將會遺忘過多的信息, 導致錯誤的發(fā)生.再比如人在直立時向上推舉的平均最大力是人體重的100%, 對人體無傷害的最大舉力是15%左右. 若某一工作的負荷超過這一值,不僅會影響人的工作效率, 甚至會影響人的身心健康.
2 人--機交往. "機"在這里不僅僅代表機器, 而是代表人所在的物理系統(tǒng), 包括各種機器, 電子計算機, 辦公室,各種自動化系統(tǒng)等等. 人類工效學的座右銘是"使機器適合于人". 在人--機交往中, 人類工效學的重點是工作地,各種顯示器和控制器的設計. 隨著電子技術的進步和電子計算機的普及,人--計算機交往的研究在人類工效學中占有越來越重要的地位.
3 環(huán)境對人的影響.人所在的物理環(huán)境對人的工作和生活有非常大的影響作用, 因此, 很自然地,環(huán)境對人的影響是人類工效學的一個重點內(nèi)容.這方面的內(nèi)容包括: 照明對人的工作效率的影響, 嗓音對人的危害及其防治辦法, 音樂, 顏色, 空氣污染對人的影響等等.
第三節(jié). 人類工效學的目的
人類工效學的目的有三個: 第一, 使人工作得更有效;第二, 使人工作得更安全; 第三, 使人工作得更舒適.這三個目的有時是相一致的. 例如一種新機器可能比舊機器的效率更高, 更安全, 更舒適. 但是在許多情況下, 這三個目標是相矛盾的.一種更安全, 更舒適的操作方法可能比舊方法效率要低些. 某一新機器可以使人工作的更舒適, 但增加的效率可以不足以補償增加的投資等.這個矛盾的解決顯然取決于人與機器的相對重要性, 取決于人所處的時代, 環(huán)境等.
在遠古時代, 由于機器(工具)的稀少, 環(huán)境的惡劣, 人的生命的艱難, 人不得不無條件地使自己適應機器(工具)和環(huán)境.人們改進工具的主要目的是為了更高的效率, 以抵御環(huán)境和敵人生存下去. 使用工具時的安全和舒適是不在人們的考慮之中的,人們決不會為了舒適而放棄某一種更先進的工具.
我們可以設想在理想的未來社會, 機器和環(huán)境將絕對地服從于人. 人的安全與舒適將是系統(tǒng)設計中最重要的位置,人可隨心所欲地改變他所處的物理系統(tǒng)和環(huán)境以滿足他的需要. 效率將是一個次要問題.
我們既不是生活在遠古時代, 也不是生活在理想社會之中. 因此有時人不得不適應于機器與環(huán)境,有時我們可以改造機器和環(huán)境使之更好地服務于人. 這使得人類工效學者的工作充滿著矛盾和挑戰(zhàn).
西方社會比我們發(fā)達, 生活水平比我們高, 因此在那里工效學更強調(diào)人的重要性, 教科書中的宗旨為: 使機器適合于人 (Fittingthe task to the man).我國當前生活水平還比較低, 生產(chǎn)力也比較落后, 在很多地方是人適應于機器.但是隨著人們生活水平的提高, 人的價值將越來越高, 人類工效學作為一門學科也將越來越受到重視,人類工效學對人的工作和生活將發(fā)揮越來越大的影響.
第四節(jié). 人類工效學的發(fā)展歷史
自從人類誕生以來, 就存在著人機關系問題. 隨著人類的進步, 人在不斷地改造環(huán)境, 改造工具, 以便 使自己在工作時能夠更安全,健康, 舒適, 使工作效率更高達到優(yōu)化. 但這些改進分布在人類漫長的進步過程中, 都比較零散, 具體,還不足以使人類工效學成為一門科學. 人類工效學逐步成為一門科學還是近一百年的事, 其發(fā)展可以歸納為三個階段:
一. 啟蒙階段
雖然在1884年德國學者莫索(A. Mosso)就在人進行勞動時, 將人體通以微電流, 通過電流的變化測量人體的疲勞程度,但我們認為, 人類工效學作為一門科學形成于本世紀初, 主要應歸功于泰勒和吉爾布雷思.
1898年美國人泰勒(F. W. Taylor)從提高工作效率的角度出發(fā), 對裝卸工使用的鐵鍬進行了研究.他發(fā)現(xiàn)每次鏟運的重量在10公斤左右時, 勞動效率最高.因此他設計了許多大小不同的鐵鍬, 以適應裝卸不同的物料. 在此以后,他還進行過搬運生鐵的研究, 通過制定每次的搬運量, 搬運速度, 休息時間, 使作業(yè)者充分發(fā)揮勞動潛力, 從而提高工作效率.
1911年美國人吉爾布雷思(Frank.Gilbrith)對建筑工人砌磚進行了研究, 通過去掉砌磚動作中的無效動作和輔助裝置,使砌磚工人每小時的砌磚數(shù)由過去的每小時170塊提高到350塊, 大大提高了砌磚工人的工作效率.
在泰勒和吉爾布雷思工作的基礎上, 形成了時間和動作研究這樣一門學科. 雖然時間和動作研究本身并不是人類工效學,但其思想與人類工效學已非常接近.
二. 正式形成時期
第二次世界大戰(zhàn)期間, 一些國家, 特別是英國和美國, 大力發(fā)展各種新式武器裝備. 由于片面地注重了工程技術方面的研究,忽視了對使用者操作能力的研究和訓練, 因此遇到了許多問題. 以飛機為例,由于座艙及儀表的顯示位置設計不當,經(jīng)常造成駕駛員讀儀表或操作錯誤, 進而發(fā)生事故. 另外許多操作在戰(zhàn)斗時不靈活, 使飛機命中率降低等.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)這些事故的原因可歸結為: (1) 顯示器, 控制器的設計沒有充分考慮人的生理特性, 心理特性,致使儀器的設計和配置不當,不能適應人的要求; (2) 操作人員缺乏訓練,不能適應復雜機器系統(tǒng)的操作要求.這些原因引起了決策者和工程師們的高度重視.工程師們開始感到人的因素在設計中是一個不可忽視的重要條件.要設計一個好的現(xiàn)代化設備, 只具備工程技術知識是遠遠不夠的, 還必須了解設備的使用者的生理的和心理等方面的知識.于是在第二次世界大戰(zhàn)后不久, 人類工效學作為一門新興的邊緣學科正式形成了. 各種人類工效學會,如國際人類工效學會和美國人類工效學會相繼成立.
三. 飛速發(fā)展時期
進入七十年代以后, 隨著電子技術的進步和計算機的廣泛應用, 操作系統(tǒng)對人的要求越來越高, 系統(tǒng)中考慮人的因素也顯得越來越重要.特別是美國三里島核電站事件的發(fā)生, 對人類工效學的發(fā)展起了很大的推動作用.
1979年3月28日凌晨4點, 在美國賓夕法尼亞洲哈里斯柏格附近的三里島核電站,一個臨時的障礙引起該核電站一號機組供水系統(tǒng)和發(fā)動機自動關閉. 在零點幾秒之后, 系統(tǒng)中建立的予備保險系統(tǒng)開始正常工作,提供新的供水系統(tǒng). 緊接著四個關鍵性的錯誤一起發(fā)生了, 以從末有過的事實證明人在復雜系統(tǒng)中的表現(xiàn)是多么重要.
第一個錯誤發(fā)生在故障發(fā)生之前. 予備供水系統(tǒng)的管道被維修工人關閉了. 而這個維修工人從此就沒有上班.結果是核反應中心由于得不到循環(huán)冷水的供應以排除它的熱量. 溫度開始升高, 并把周圍的冷水變成蒸汽. 壓力迅速升高.
但是預備保險系統(tǒng)繼續(xù)正常工作. 圓形棒下降到反應堆使核反應程序放慢. 壓力釋放閘打開了以釋放在主冷卻系統(tǒng)中產(chǎn)生的蒸汽.當壓力下降到低于警戒水平后, 自動釋放閘收到了關閉的信號. 正象在一個熱循環(huán)系統(tǒng)中當屋內(nèi)溫度達到了一定的溫度時,熱循環(huán)系統(tǒng)就自行關閉一樣. 在這時, 第二個錯誤發(fā)生了. 由于閘門失靈, 這個閘門并沒有關閉.
在發(fā)動機關閉的一分鐘之內(nèi), 三里島核電站的操作人員正在試圖從無數(shù)的紅燈, 警報中猜測到底發(fā)生了什么事.雖然根據(jù)他們過去受訓的經(jīng)驗他們對事故有一個大概的了解, 但有一個信號使他們誤入歧途. 壓力釋放顯示器顯示的是命令狀態(tài),而不是實際狀態(tài). 操作人員以為壓力釋放閘是關閉的.這是第三個關鍵性的錯誤.
同時, 予備的自動保險系統(tǒng)繼續(xù)工作. 一個緊急水泵自動打開, 開始向系統(tǒng)提供系統(tǒng)急需的冷卻劑. 在這里,操作人員做出了一個決定使也許是一個小事故變成了大災難. 由于屏幕顯示壓力已經(jīng)很高, 釋放閘已經(jīng)關閉,操作人員決定自已而不是用機器來控制系統(tǒng). 他們把緊急水泵關閉了. 這個決定是基于操作人員的推測系統(tǒng)中的冷卻劑太多了而不是太少了.反應堆得不到急需的冷卻劑, 事故很快就到了不可收拾的地步.
事故的調(diào)查表明:第一, 不是某一個失誤, 錯誤, 事件或機器失靈導致這場事故. 這場事故是由許多因素共同引起的. 第二,人的錯誤是在許多不同的方面的,從操作人員錯誤地把緊急冷卻劑關閉到設計人員設計閘門的顯示器時告訴人們應當做什么, 而不是閘門當時的狀態(tài).第三, 也許是最重要的, 大量的信息和復雜的顯示形式超過了操作人員內(nèi)在的, 有限的能力, 如注意力, 記憶力, 決策能力等.因此在三里島事件中與在其他事件中一樣, 雖然人的錯誤是事故的直接原因, 操作人員本身并沒有什么過錯, 而是系統(tǒng)的設計者應當受到責備,因為他們給了操作人員無法勝任的工作. 這就象在體力勞動中, 某一工作要求某人在某一關鍵時刻扛起300公斤的重物.當這個人扛不起這個重量時, 我們能夠埋怨這個人沒有使出全身的力氣嗎?
第五節(jié). 國外人類工效學的動向
當前人類工效學在國外的研究和應用領域可以概略地分為三大類:
一. 尖端技術領域中的工效學
隨著科學技術的飛躍發(fā)展, 人機系統(tǒng)變得越來越復雜, 一些復雜系統(tǒng)的控制, 如飛機的駕駛, 甚至于超過了人的正常工作能力,人成為系統(tǒng)中的主要制約因素. 如何降低系統(tǒng)對人的要求, 或如何提高人的能力以適應系統(tǒng)的要求, 是人類工效學面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn).這方面的主要內(nèi)容有: 飛機駕駛艙的設計, 腦力負荷的測量, 系統(tǒng)評價, 核電站控制室的設計, 人在太空中的工作, 生活等問題.
二. 人類工效學與電子計算機
隨著電子計算機的推廣和普及, 在工業(yè)化國家, 使用計算機的工作人員已超過其他任何一種機器操作人員的總和.如何提高人--計算機系統(tǒng)的效率已成為工效中的一個最集中, 最流行的內(nèi)容. 在美國的人類工效學年會上,往往有三分之一以上的論文涉及到這一主題. 這方面的主要內(nèi)容包括: 屏幕顯示的設計, 鍵盤的設計, 操作系統(tǒng)的評論,計算機工作地的布置, 說話式輸入輸出的效果等.
三. 生產(chǎn)制造和其他領域的人類工效學
生產(chǎn)領域是人類工效學的一個傳統(tǒng)內(nèi)容, 這方面的主要內(nèi)容包括: 人體的測量, 工作環(huán)境,勞動保護與安全, 產(chǎn)品檢驗, 事故的調(diào)查等. 傳統(tǒng)的工效學主要研究生產(chǎn)性產(chǎn)品的設計, 現(xiàn)在也開始研究消費品的設計,如如何設計產(chǎn)品的說明書,使消費者能夠安全, 容易地使用消費品.
另外, 人類工效學還涉及到體育, 法律, 警察, 駕駛, 消防等行業(yè).
第六節(jié). 我國開展人類工效學的情況
我國工效學起步較晚, 我國的人類工效學會成立于1989年, 當前有四百余名會員. 雖然起步較晚,但人類工效學在我國的發(fā)展非常迅速.1991年<<Ergonomics>>雜志發(fā)表了中國人類工效學專輯.1992年在我國召開了第二屆泛太平洋工效學及職業(yè)安全國際學術會議. 但總的來說, 人類工效學在我國開展的還很不普及,雖然有興趣的人不少, 但比較零散, 研究項目有限, 在社會上影響不大.
正如我們在前面已經(jīng)指出過的, 人類工效學的重要性與人的重要性是密切相關的. 當前由于我們?nèi)丝谶^多, 就業(yè)壓力很大,人們非常不注意勞動效率, 也就不重視人類工效學了. 這對人類工效學在我國的發(fā)展是不利的. 但我國人民的生活水平正在迅速提高,人們將越來越重視自己的工作和生活的質(zhì)量, 這意味著人們將會逐漸認識到人類工效學的必要性. 另外, 我國正在逐步進入國際市場.為了提高我國產(chǎn)品的競爭力, 我們也需要提高勞動效率和降低勞動成本. 這些又是在我國發(fā)展人類工效學的有利條件. 因此我們認為,人類工效學在我國是有著廣闊的前景的.
第二章 人體測量學
在日常工作和生活中, 我們天天用到許多東西, 如椅子, 桌子, 各種機器, 儀器, 工具, 電子計算機等.在使用這些東西的時候我們發(fā)現(xiàn), 這些東西的物理尺寸, 如大小, 形狀等, 對這些東西的適用性有非常大的影響.它們不僅影響人們工作時的舒適性, 也常常影響到人的工作效率, 工作態(tài)度, 甚至危害人的安全和健康. 例如, 某手表廠有一臺沖壓機床(沖壓中夾板), 坐著操作太高了, 站著操作太低了, 而且左右開弓, 象跳午一樣. 試設想一下每天以不自然的姿式工作八小時,進行3000次同一操作. 圖一是一個機床設計沒有考慮人的尺寸的一個典型例子.英國學者格爾福德(Guildford)經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)開這個車床的工人的理想身高應為137厘米, 肩寬應為64厘米, 手長應為235厘米.顯然在現(xiàn)實生活中, 這樣尺寸的人是不存在的. 當正常尺寸的人操作這臺車床時, 就不得不委屈自己了. 在日常工作和生活中,我們可以看到大量這樣的例子.
設計機器, 工具, 工作環(huán)境使之符合人的尺寸是人類工效學的一個基本的內(nèi)容. 因此我們應當首先了解人的基本尺寸.測量人體尺寸的一門學科叫人體測量學.
第一節(jié). 我國成年人的基本尺寸
一九八八年, 我國國家技術監(jiān)督局在有關單位的協(xié)助下, 在全國范圍內(nèi)對我國成年人人體尺寸進行了大量的測量,根據(jù)這次測量的結果制定了關于中國成年人人體尺寸的國家標準. 這些標準適用于工業(yè)產(chǎn)品, 建筑設計,軍事工業(yè)以及工業(yè)的技術改造設備更新及勞動保護. 表2-1和表2-2給出了這些標準的主要內(nèi)容.從表中可以看出我國成年男子的中位數(shù)高(近似于平均身高)身高是1.678M, 我國女子的中位數(shù)身高是1.570M.
上圖:正常人的尺寸下圖: 適合這臺機床的人
圖一 車床操作與人的尺寸.
表2-1中國成年男子(18-60歲)人體主要尺寸:單位: mm
百分位數(shù)151050909599
身高1543 15831604 1678 175417751814
體重kg44485059717583
眼高1436 14741495 1568 164316641705
肘高925954968 1024107910961128
坐高836856870 908947958979
坐姿眼高729749761 798836847868
坐姿肘高214228235 263291298312
坐姿大腿厚103112116 130146151160
坐姿膝高441456464 493523532549
坐深407421429 457486494510
臀膝距499515524 554585595613
胸寬242253259 280307315331
最大肩寬383398405 431460469486
坐姿臀寬284295300 321347355369
坐姿兩肘間寬 353371381 422473489518
表2-2中國成年女子(18-55歲)人體主要尺寸單位: mm
百分位數(shù)1510509095 99
身高1449 14841503 1570 16401659 1697
體重kg394244526366 74
眼高1337 13711388 1454 15221541 1579
肘高873899913 960 10091023 1050
坐高789809819 855891 901920
坐姿眼高678695704 739773 783803
坐姿肘高201215223 251277284 299
坐姿大腿厚107113117 130146 151160
坐姿膝高410424431 458485 493507
坐深388401408 433461 469495
臀膝距481495502529 561570 587
胸寬219233239260 289299 319
最大肩寬347363371 397428438 458
坐姿臀寬295310318 344374382 400
坐姿兩肘間寬 326348360 404460478 509
表中除了身高之外, 還給出了其他14個指標. 不同的指標有不同的用途. 例如, 設計站立工作時的高度, 就要參考人體肘高尺寸,設計坐椅時要考慮人的坐深, 臀寬, 坐姿膝高等.
在這些指標中, 最重要的指標是身高. 這是因為, 第一身高這一指標本身經(jīng)常被直接用到, 如汽車車廂高和門高的設計. 第二,其他許多指標與身高是相關的, 例如坐高大約是身高的0.523倍, 膝高大約是身高的0.311倍,另外也可以粗略地根據(jù)與身高的比例來確定設備的高度, 如表2-3所示.
表2-3 設備高度與人體高度之比
編號定義設備與身高之比
1與人同高的設備1/1
2設備與眼睛同高11/12
3設備與人體竿重心同高5/9
4設備與坐高相同6/11
5眼睛能夠望進設備的高度10/11
6能擋住視線的設備高度33/34
7站著用手能放進和取出物體的高度 7/6
8站著手向上伸所能達到的高度4/3
9站姿使用方便的臺面高度(上限) 6/7
10站姿使用方便的臺面高度(下限) 3/8
11站姿最適宜的工作點高度6/11
12站姿用工作臺高度10/19
13便于用最大力牽拉的高度3/5
14坐姿控制臺高度7/17
15臺面下的空間高度(下限)1/3
16操縱用座椅的高度3/13
17休息用座椅的高度1/6
18座椅到操縱臺面的高度3/17
了解人的基本尺寸是十分重要的. 不僅任何機器的設計應考慮人的尺寸, 許多消費品的設計也應該考慮人的尺寸.設計不同的產(chǎn)品時應考慮人的不同部位的尺寸. 例如各種工具的設計應考慮人手的尺寸, 頭盔的設計要考慮人頭部的尺寸,自行車的設計要考慮人的身長, 手長, 腳長等.
第二節(jié). 人體尺寸的影響因素
人體尺寸是受到諸多因素的影響的. 這些因素可分為兩類, 一類是影響個體尺寸的因素, 這里遺傳是一個最重要的因素.除非產(chǎn)品是為某一個人生產(chǎn)的, 在這種情況下, 我們應考慮這一個人的尺寸, 如訂做衣服. 在絕大多數(shù)情況下, 產(chǎn)品是面向群體的.在這時候我們應該考慮影響群體身體尺寸的因素. 影響群體身體尺寸的因素主要有下列幾種:
一. 性別
性別對群體人尺寸差別的影響也許是最大的. 對比表2-1和2-2我們可以看出, 男女之間的平均身高相差為10厘米以上.如果我們按男性95%設計的達到高度將有50%以上的女性達不到.
有趣的是在消費品的設計中我們常常能夠考慮女性的要求, 如女式服裝, 女式自行車, 而在機器的設計中往往忽略了這個因素,如我們很少聽到有女式車床, 女式辦公桌等. 這大概是女性在消費品的購買中有發(fā)言權, 而在生產(chǎn)性的產(chǎn)品中沒有什么發(fā)言權的緣故.這個問題應當引起重視. 不難想象, 女工在為男工設計的機床上工作時要費力得多. 甚至可以說女同志坐一天辦公室也會比男同志累,因為現(xiàn)在使用的桌子和椅子的高度更適合男同志的尺寸些.
二. 年齡
人在未成年之前, 身體逐漸增高. 成年后變得基本穩(wěn)定. 進入中老年后開始委縮. 表2-4給出了人的身高隨年齡變化的情況.從表中我們可以看出, 對于未成年的人來說, 年齡對人的尺寸有很大的影響. 對成年人來講, 這個影響就很. 一般來說,年齡對人的力量的影響比對身體尺寸的影響要大得多.
表2-4 身高隨年齡的變化 (cm)
年齡(歲)女性男性
1-5+36+36
5-10+28+27
10-15+22+30
15-20+1+6
20-3500
35-40-10
40-50-1-1
50-60-1-1
60-70-1-1
70-80-1-1
80-90-1-1
三. 國家
各國之間人的尺寸之間的差別也是很大的. 表2-5給出了幾個有代表性國家人的平均高度. 表中美國人平均身高最高 (1.77),其次為原蘇聯(lián). 日本人最低 (1.67M), 其次為中國. 日本人與美國人之間相差達10厘米.日本人最初出口到美國去的車子是按日本人的尺寸設計的, 結果帶來許多問題,如離合器踏板與剎車踏板之間的距離對大多數(shù)日本人來說是合適的, 但對許多美國人來說這個距離就太近了, 因為美國人的腳要大些.許多美國人在踩離合器的同時也踩著了剎車. 現(xiàn)在日本出口到美國的車都按美國人的尺寸進行設計.我國的產(chǎn)品如果要走向世界,必須得考慮這個問題.
表2-5 幾個國家的男子平均身高(mm)
國別 美國 原蘇聯(lián)西德英國 瑞典 法國意大利中國 日本
身高 1772 17671755 17531741 17111710 1680 1667
四. 地區(qū)
我們幅員遼闊, 地區(qū)與地區(qū)之間人體的尺寸也有差別.表2-6給出了我國六個區(qū)域人的平均身高. 從表中可以看出,我國東北地區(qū)和華北地區(qū)的人較高, 男子平均身高為1.693米, 女子為1.586米,而西南地區(qū)的人身材較矮, 男子身高這1.647米,女子平均身高為1.546米. 兩區(qū)域之間對應值相差4-5厘米.
表2-6 我國六大區(qū)域人體身高 (單位: mm)
東北,華北 西北東南 華中 華南西南
男子16931684 16861669 16501647
女子15861575 15751560 1549 1546
五. 時間
隨著生活水平的提高, 人的平均高度也在增長. 我們都感到現(xiàn)在的年輕人比過去的人要高. 在這方面, 日本人的變化更明顯. 據(jù)統(tǒng)計,過去三十年, 日本人的平均身高增加了八厘米之多. 我國國家技術監(jiān)督局的統(tǒng)計結果表明我國的青少年的身高也有一定的增長,雖然增加的幅度不是太大.
第三節(jié) 人體尺寸的統(tǒng)計指標
一. 概率分布
我們一般假定, 人體尺寸的某一指標服從正態(tài)分布. 正態(tài)分布的分布函數(shù)為:
其中 , 為常數(shù), 分別是這一指標的均值和均方差. 正態(tài)分布也被通俗地稱為鐘型分布,其形狀如圖2-2所示.
p
│
│
│
│
│
│
│
└──────────── X
圖2-2. 正態(tài)分布圖
二. 平均值
平均值又被簡稱為均值, 是數(shù)理統(tǒng)計中最常用的指標之一. 用統(tǒng)計學方法計算的平均數(shù), 能說明事物的本質(zhì)和特征,可用來衡量一定條件下的測量水平和概括地表現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的集中情況. 平均值在人體測量學和人類工效學中占有重要的地位,我們的許多設計標準就是根據(jù)平均值確定的.
三. 均方差
均方差, 又被稱為標準差, 表明一系列變數(shù)距平均數(shù)的分布情形. 方差變化大表示各變數(shù)分布廣大, 遠離平均數(shù), 方差小,表示各變數(shù)接近平均數(shù). 方差常用來確定某一范圍的界限. 對于服從正態(tài)分布的隨機變量, 如人體的某一個尺寸,方差與其對應的區(qū)域或概率之間的關系為:
表2-7 正態(tài)分布方差與概率的關系
方差概率
10.6826
1.650.90
20.9544
30.9987
從表中我們可以看出, 在平均值一個方差之內(nèi)的概率為0.68, 即大約有三分之一的值落在距均值一個方差之內(nèi),而99.87%的值都在三個方差之內(nèi). 一般說來,當我們知道了方差之后, 就可以根據(jù)方差求出對應的概率. 例如,假定某一測量的均值是1.50, 方差是0.5, 欲求可以滿足90%的人的區(qū)間. 我們很快可以求出,這一區(qū)間是1.5-1.65*0.5, 1.5+1.65*0.5, 即(0.675, 2.325).
四. 百分位數(shù)
百分位數(shù)是指一個隨機變量(某一人體測量尺寸指標)低于某一給定概率處的值 . 這是一個在設計中經(jīng)常用到的概念.在設計中常用到的百分位數(shù)是90%, 95%, 分別表示90%和95%的使用者可以達到.在這里我們應當特別注意是單側百位數(shù)還是雙側百位數(shù)的問題. 例如雙側95%對應于1.95 , 而單側95%對應于1.65 .
第四節(jié). 設計中可采取的方案
在設計時使用人體尺寸時有五種方案可供采用:
一. 按人體尺寸的分布.
對于大量生產(chǎn)的機器, 工具和消費品等,可以按照人的尺寸的分布來進行設計.例如人的衣服和鞋子就是按人的尺寸的分布來決定各種尺寸各生產(chǎn)多少的. 使用這種方法,生產(chǎn)和管理費用較高, 除非是需求量很大, 否則經(jīng)濟上是不合算的. 在經(jīng)濟上可行的情況下應盡量按人的尺寸的分布來進行設計,因為這樣可以把使用時的不適降到最低限度.
二. 按人的平均尺寸設計
當過大過小, 或過高過低都會造成使用不方便時, 這時可按平均尺寸設計,這樣可以把不適應的人減少到最低限度. 當被設計物可以調(diào)整時,最初狀態(tài)也可按人的平均尺寸設計. 例于廚房切菜工作面的設計可按人的平均尺寸設計. 不可調(diào)整的椅子或可調(diào)整椅子的最初狀態(tài),也可按人的平均尺寸設計.
三. 按某一百分比設計
這里有兩種情況. 當設計不當只會給一個極端的人帶來不利時, 可按單側百分比來設計,. 例如門框高度的設計.門框設計高了對矮個子人沒有影響, 但門框設計低了對高個子人有影響. 故門框的設計可考慮單側百分比, 比方說95%來設計.按照這一方案, 95%過門的人進門時沒有問題, 只有5%較高的人進門時需要低頭.一般設計中最常用的百分比是95%, 也常用較高的標準, 99%.
當某一設計會給兩個極端的人都帶來不利時, 應按雙側百分比來設計. 例如可調(diào)整高度的椅子設計. 若調(diào)整區(qū)間有限,那么就可以考慮滿足中間一部分人, 如95%的人的要求, 這時我們就應根據(jù)雙側百分點來設計,最高的2.5%和最矮的2.5%就被排除之外.
四. 按某部分人設計, 為另一部分人提供調(diào)整
當設計對某一極端的人的不利影響可以通過調(diào)整來消除, 而對另一部分人的不利影響無法消除時,我們可以按后一類人的尺寸進行設計,為前一類人提供調(diào)整. 例如, 對于桌子高度的設計, 我們可以按高個子進行設計,而給矮個子提供腳踏板. 如果按矮個子設計, 高個子的腳就沒有地方放.
五. 為某些特定的人設計
對于某些非常昂貴的系統(tǒng), 我們可以根據(jù)特定的使用者來設計, 這樣可以在保證使用方便的同時降低制造成本.例如飛機駕駛艙就是根據(jù)駕駛員的身體尺寸設計的.
第五節(jié) 設計程序
一. 確定設計對象和目標
在設計中我們首先要考慮的是設計的對象和所要達到的目的, 是設計一輛自行車, 一個機床, 還是一個椅子?若是設計一個椅子,那么設計這個椅子的目的是什么, 是一個豪華型的椅子, 還是一個大眾型的椅子. 若是豪華型的椅子,我們的各項尺寸就可以定的松一些. 若是大眾型的椅子, 從成本的角度出發(fā), 我們也許應把尺寸定得稍緊些.
二. 確定使用對象
我們已經(jīng)看到不同類的人的尺寸差異是比較大的, 因此我們在設計中就應該考慮使用對象: 誰將使用這一產(chǎn)品? 是男的還是女的,是老的還是少的, 是在國內(nèi)銷售還是出口, 若出口, 到哪個國家? 一件產(chǎn)品對某一類的使用者是適合的, 對另一類使用者可能就是不合適的,如我們上面已經(jīng)提到的日本汽車出口到美國的例子.
三. 確定相關的人體尺寸
不同的產(chǎn)品涉及到人體的不同的尺寸. 如各種勞動工具涉及到人手的尺寸.在設計座椅時, 我們要考慮到人的膝高, 坐深, 臀寬,坐姿肘高等. 這些尺寸的重要性也是不同的, 有時甚至是相矛盾的, 這需要在設計時統(tǒng)籌考慮.
四. 決定極限百分比
這是我們上面已經(jīng)討論過的設計方案問題. 是按平均尺寸設計? 還是按高個子或矮個子設計? 這需要根據(jù)具體的產(chǎn)品來定.設計中常用的兩個百分度是90%和95%. 隨著人們生活水平的提高, 現(xiàn)在提倡盡量提供可調(diào)整的產(chǎn)品, 如可調(diào)整高度的椅子等, 當然,這樣制造成本就增加了.
五. 根據(jù)查表或測量確定所需要的數(shù)據(jù)
人體尺寸數(shù)據(jù)在各類設計手冊中可以查到, 一般的手冊都給出均值和均方差. 這時我們可以根據(jù)正態(tài)分布的假定, 算出設計要求對應的百分比度.若設計手冊中沒有設計中的涉及的人口分布的數(shù)據(jù)或沒有設計中涉及到的尺寸, 那么就只有通過實際測量的方法獲得需要的數(shù)據(jù). 用實測的方法,數(shù)據(jù)的適用性增加, 但時間和費用也增加. 當涉及到的人數(shù)量很大時,可能不得不只對有限的樣本進行測量,這時就應該用統(tǒng)計的方法控制樣本的偏差.
六. 向有關設計人員提供數(shù)據(jù)
獲得了需要的數(shù)據(jù)后, 可向產(chǎn)品的硬件的設計者提供數(shù)據(jù). 產(chǎn)品的設計者也許會根據(jù)技術要求對某些數(shù)據(jù)提出修改意見. 一般說來,在硬件的設計者與人類工效學專家的意見相左時, 后者往往處于不利地位,但讓硬件設計者事先知道人類工效學方面的建議比在產(chǎn)品生產(chǎn)出來以后才發(fā)覺有問題還是要好得多. 當產(chǎn)品的設計者把產(chǎn)品設計出來之后,讓他為了使使用者操作起來更方便而修改整個方案幾乎是不可能的, 這不僅使成本增加, 也影響設計人員的自尊心. 相反, 在設計的初級階段,讓設計人員注意產(chǎn)品的使用方便問題是不難的. 因為這樣設計出來的產(chǎn)品, 不會增加產(chǎn)品的成本, 而且若使用方便, 設計者也會感到十分高興.所以重要的是人類工效學者的意見應盡早地讓設計人員知道.
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六. 向有關設計人員提供數(shù)據(jù)
獲得了需要的數(shù)據(jù)后, 可向產(chǎn)品的硬件的設計者提供數(shù)據(jù). 產(chǎn)品的設計者也許會根據(jù)技術要求對某些數(shù)據(jù)提出修改意見. 一般說來,在硬件的設計者與人類工效學專家的意見相左時, 后者往往處于不利地位,但讓硬件設計者事先知道人類工效學方面的建議比在產(chǎn)品生產(chǎn)出來以后才發(fā)覺有問題還是要好得多. 當產(chǎn)品的設計者把產(chǎn)品設計出來之后,讓他為了使使用者操作起來更方便而修改整個方案幾乎是不可能的, 這不僅使成本增加, 也影響設計人員的自尊心. 相反, 在設計的初級階段,讓設計人員注意產(chǎn)品的使用方便問題是不難的. 因為這樣設計出來的產(chǎn)品, 不會增加產(chǎn)品的成本, 而且若使用方便, 設計者也會感到十分高興.所以重要的是人類工效學者的意見應盡早地讓設計人員知道.
