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计算机仿真方法
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第四节 人机工程学体系及应用
一、学科体系
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二、应用
范围
对象举例
例
子
机电设备
机床、计算机、农业机械
产品和工 具设计及 改进
交通工具 建筑设备 宇航系统 工作服装
飞机、汽车、自行车 城市规划、工业设施、工业与民用建 筑 火箭、人造卫星、宇宙飞船 劳保服、安全帽、劳保鞋
作业的设 计与改进
（1）飞机仪表设计的不合理，导致飞行员误操作； （2）操作装置设计的不合理，导致炮弹命中率低。
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究其原因有三：
（1）武器设计忽视了人的心理和生理特性，仪表的 位置安排不当造成误读，一些结构不适应人操纵引起失 控，导致事故或降低命中率。
（2）操作者缺乏足够的训练、动作不熟练。在紧急 和复杂情况下，容易惊慌失措、手忙脚乱，从而导致事 故。
西欧：人类工效学（Ergonnmics） 原因：侧重于研究人类劳动规律——提高工作效率 ——反映学科本质&中立&希腊文 ——前苏联、日本（人间工学）、中国（人机工程学，
Man—Machine Engineering）仿效
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二、人机工程学的定义
美国专家伍德：设备需考虑人的各方面因素——操作 上最小的代价求得最高效率
1.什么是人机工程学？叙述它的应用范围，并 举例说明。
2.按照人机工程学的观点，我们身边的机器、 工具、设备、环境以及我们的工作、学习有 哪些地方需要改进，试举例说明，并尝试分 析原因。
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标准工作地 布局怎样
是否可以改进 更换环境改善环境 维护环境
操作者本身能 更换地点或改进布 否改进工作地 局或扩大面积
方法 时间
方法是否 得当
是否有不 合理因素
有效的正确 的方法是什 么
有否浪费现 象有否无效 劳动
怎样改进现行 用其他方法代替原
方法
方法改善
如何改善
节约方案简化操作 缩短流程
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课内作业（讨论题）
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1.人的特性研究 人的形体尺寸参数、人的感知特性、人的反应特性以 及人的心理特性等（人的生理&心理特性） 2.人的信息传递装置 显示器的设计&控制器的设计
基于视觉、听觉和触觉特性，以及人的习惯性动 作等
3.作业环境的设计 工作台设计、座椅的设计、作业空间的整体布置等
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4.环境控制和安全保护设计 环境控制：保证照明、作业空间内的气候、噪声和振 动等 安全保护：安全防范装置等，如安全锤、防范身体卷 入等 5.人机系统的总体设计
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研究车辆碰撞的人机系统的模拟与模型
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• 计算机数值仿真法：一种现代研究方法。数值仿真是 在计算机上利用系统的数字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，从而预知其设计产品的性能， 并进行改进设计。（MATLAB仿真模拟）
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二、研究的方法（7种）
观察法（Observation method） 实测法（Measure method） 实验法（Experiment method） 分析法（Analysis） 图示模拟和模型试验法(Model) 计算机仿真法(Simulation) 感觉评价法(Sensory inspection)
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第二节 人机工程学的起源与发展
经验人机 工程学阶
段
早期历史
科学人机工 程Βιβλιοθήκη 阶段（1945年到1960年）
现代人机工程 学阶段
（1960年至今）
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一、经验人机工程学阶段（早期历史 ）
原始时代的人机关系就是人与石斧、石刀、木棒的组 合，借以狩猎、加工。最初的工效概念只考虑工具的 尺寸、形状、重量、质地等，以使战胜野兽和粗略的 加工。
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• 砌砖作业试验
1911年美国人吉尔布雷（F.B.Gilbreth）对建筑 工人砌砖动作进行了研究。采用摄像机将砌砖动作 一一拍摄下来，通过分析试验，去掉无效动作，并 将基本作业与辅助作业分开，这项改进使砌砖速度 由每小时120块提高到350块。
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上述几项对人机工程学的诞生起了前奏作用。人机工 程学有“起源于欧洲，形成于美国”之称。
人与组织、设备、 管理制度、企业文化建设、管理信息
信息、技术、职能、系统、计算机集成制造系统、企业网
模式等
络、模拟企业、程序与标准、人事制
度、激励制度、人员选拔与培训、技
术创新等
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三、人机工程学的研究步骤
1.根据生产需要，提出人机工程学的主攻目标（生产效率低） 2.收集信息和数据 3.进行人机工程学分析，并设计可行方案（表1-2） 4.进行试验，验证，对比，评价 5.实施新方案 6.检查、总结、再评价
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表1-2 考察表
着眼 点 人
机
考察1
能否适应 此环境
存在什么 问题
考察2
须具备什么 条件什么素 质 有否改进的 可能
考察3
考察4
该操作者条件 更换合适人员或培 和素质如何 训弥补改善心理生
理状况
如何改善其结 用它机代替或优化
构
该机
环境
工作 地
存在何种 有害因素
存在什么 问题
标准环境条 件是什么
第一章 概述
第一节 人机工程学的命名及定义 第二节 人机工程学的起源与发展 第三节 人机工程学的研究内容与方法 第四节 人机工程学体系及应用
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第一节 人机工程学的命名及定义
人机工程学是研究人、机器及其工作环境之间 相互作用的学科。
多学科交叉 学科边界模糊 综合性强
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一、 人机工程学科的命名
美国：人类工程学（Human Engineering） 原因：侧重于工程和人机关系
青铜器时代以后，由石器发展到铜器、铁器。工具类 型增加，由简单到复杂，由笨拙到灵巧，经历了漫长 的过程，处于经验人机工程学阶段，它属于人机工程 学的第一阶段。（低级阶段）
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19世纪80年代人们开始人机工程学的研究， 比较著名的项目有： • 肌肉疲劳试验（1884年，德国人） • 铁锹铲矿石试验（1898年，美国人） • 砌砖作业试验（1911年，美国人） • 外科手术过程研究（美国人）
作业姿势、作业方 法、作业量及工具 选用和配置等
工厂生产作业、监视作业、车辆驾驶 作业、物品搬运作业、办公室作业等
环境的设 计与改进
声、光、热、色彩、工厂、车间、控制中心、计算机房、 振动、尘埃、气味 办公室、驾驶室、生活用房 等
经营流程再造、生产与服务过程优化、
管理运作模式、决策行为模式、参与
管理的设 计与改进
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• 肌肉疲劳试验
1884年德国人莫索（A.Mosso）对人体德疲劳 现象进行了研究。
当操作者开始作业时，就在身体上通以微电流， 随着人的疲劳程度的增加，电位也随之发生变化。 这是由于人产生疲劳的时候，使得皮肤电阻降低， 电位下降。
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• 铁锹铲矿石试验
1898年美国人泰勒（F.W.Taylor）对铁锹的重量 进行了研究。当时泰勒在伯利恒钢铁厂，他专制了四 种尺寸不同的铁锹进行试验，每次铲重分别为：5kg、 10kg、17kg、30kg。结论是10kg的铁锹效率最高， 因此他设计了两种规格的铁锹，装重物用小锹，装卸 轻物时用大锹。这项改进使原本需要400人完成的工 作改为140人即可完成。（泰勒在机械方面也有很多 贡献） （每次装载最合适的量）
经验人机工程学阶段的特点： （1）基于经验和心理学知识； （2）在人机关系上是以选择和培训操作者为主，使 人适应机器。
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二、科学人机工程学阶段（1945年到1960年）
第二次世界大战期间（1937——1945年），武器的性 能不断提高，威力不断增大，但操作武器的人对武器不 能适应，失败的教训是屡见不鲜的。例如：
美国专家伍德森：人机工学研究人与机器相互关系的 合理方案，（即显示，操纵，系统的设计和布置等）— —获得最高效率&安全&舒适
片面&争议——国际权威定义
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国际人机工程学会的定义为： （1）研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和 心理学等方面的因素；（人的特性） （2）研究人和机器及环境的相互作用;（系统） （3）研究在工作中、生活中和休息时，怎样统一考 虑工作效率，人的健康、安全和舒适等问题的学科。 （目的）
（3）环境因素未受到足够重视 （如气温）
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科学人机工程学阶段的特点： （1）本学科的研究又超出心理学的研究范畴，使许 多生理学家、工程技术专家，涉身到该学科中来共同研 究。 （2）重视工业与工程设计中“人的因素”，力求使机器 适合人。
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三、现代人机工程学阶段(1960年至今)
它所涉及的研究领域不断扩大，从事本学科研究的专 家所涉及的专业和学科越来越多;
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• 观察法：研究系统中人、机的工作状态，例如工人操 作动作的分析，功能分析和工艺流程分析，大都采用 观察法（如砌砖作业研究）
• 实测法：借助于仪器设备进行实际测量的方法。例如 人体静态动态参数的测量
• 实验法：一般在实验室进行。（当实测法受到限制时 采用的一种研究方法，如认知实验）
• 模拟和模型试验法：同于比较复杂的机器系统。模拟 方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。由于模拟器和模型 价格较便宜，最初的飞行训练，不可以进行符合实际 的研究，故应用较多。（飞行训练模拟器，汽车碰撞 实验等）
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中国企业管理百科全书里定义为： （中国版本） 研究人与环境的相互作用及其合理结合，使设计的机 器和环境适合人的心理、生理等特点，达到在生产中提 高效率、安全、舒适和健康的目的的学科。
课堂讨论总结各版本的共同点