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装备研制过程中的人机工程

2016-11-14   总浏览:528

1.概述
        人机工程是一门多学科的综合性应用科学。它是以系统论、信息论、控制论、人体科学、环境科学为理论基础,研究人、机器、环境的相互关系和规律的科学。在装备设计、制造、使用中注重研究军事作业人员、装备和实战环境之间的关系和规律,其目的是使人--环境系统的总体性能达到最佳状态,满足安全、高效、舒适和经济等要求。
        在工业发达的国家里,对人机工程的研究都试图从自身的角度对其命名和界定,所以引起学科名称长期多样并存的现象。虽称谓不同,但研究的实质和研究的内容基本是一致的。相关称谓有:美国称为人的因素Human Factors)、人的因素工程”(Human Factors Engineering) 人机工程Human Engineering);在欧洲称为工效学Ergonomics);前苏联称为工程心理学Engineering psychology);日本称为人间工学;我国因受前苏联的影响称为工程心理学,以后又称为工效学人类工效学人机环境系统工程等。20世纪90年代后在工程技术界研究与应用范围较广,统称为人机工程,这种叫法在学术界已推而广之。
        示例
        国际人类工效学学会(IEA)的定义: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;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中、家庭中和闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率的学科。
        《中国企业管理百科全书》的定义:研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合,使设计的机器与环境系统适合人的生理、心理等特点,达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。
        《辞海》的定义:人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段,综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。
        《人机工程学》的定义:人机工程学是以人的生理、心理特性为依据,应用系统工程的观点,分析研究人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用,为设计操作简便、省力、安全、舒适,人--环境的配合达到最佳状态的工程系统提供理论和方法的科学。
        MIL-HDBK-1908BDEFINITIONS OF HUMAN FACTORS TERMS》的定义:应用人的能力和局限性知识对系统、装备进行设计研制,以最小的花费、人力、技能、培训需求来达到有效、高效和安全的系统性能。人机工程能确保系统或装备的设计、所需的人员作业和工作环境与其操作、维修、控制和保障人员的生理、心理特征适应。
        《空军航空工程辞典》的定义:又称人类工效学。综合进行人体结构、功能、心理和力学等问题研究的一门新兴的综合性学科。通常以心理学、生理学、人体测量学和生物力学等作为研究手段和方法。用于设计使操作人员、维修人员能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置,并研究控制台上各个仪表的最佳位置。
        2.形成与发展
        根据国内外人机工程技术的发展,大致可将发展过程中各个阶段的特点和侧重归纳如下:
        人适应机(二战前)
        研究重点是选拔和训练人,使之适应于飞机、坦克等装备。
        第一次世界大战期间,由于使用了飞机、潜艇、无线电通讯等现代化装备,对操作人员的素质提出了较高的要求。各主要交战国都很重视研究人力在战争和生产中的作用,为提高人的工作效率的研究提供了相当大的可能。如在英国,成立了疲劳研究所。在美国,军事上注意人员的选拔、等级测验和训练,要求人去适应机器,使人更好地工作。一战之后,各国都很重视人力在战争与后勤生产中的作用,建立各种专门的研究机构,对疲劳、人员的选拔与训练进行研究,使人去适应机器的要求。这在一定程度上改善了人机关系,使工作效率有所提高。
        机适应人(二战期间)
        研究重点是如何设计各类装备,使其操纵符合人的身心特点。
        由于军事需要,武器系统得到迅速发展,特别是飞行器、复杂的武器系统迅速发展之后,在操作的复杂性和精度上对操作者的要求越来越高。新的军事武器和设备不能被有效和安全地操作,尽管通过对飞行人员的选拔和培训,来解决人-机的匹配问题,但也难以很好适应,由于人-机不能很好的匹配,经常发生机毁人亡和误击目标的事故。这种情况要求机器的设计应该考虑人的因素,这就发生从人适应机器机器适应于人的转变。二战期间由于片面重视新式装备的效能与威力的研究而忽视了人的因素,使各种装备操作要求不符合人的身心特点,这就引发了各种各样的失败与教训,这使人们逐步认识到人机匹配过程中主要的问题不是装备而是人,从而使人的因素成为机器设计中一个不能忽视的重要条件。当时英国的剑桥大学、美国的俄亥俄大学、伊利诺大学等研究机构都建立了航空心理学的研究机构,研究高科技武器系统设计的人机关系,并产生了一大批富有成效的研究成果。这些在军事领域中对人的因素的研究与应用使人机工程逐渐成熟,并最终成为一门独立的学科。
        人与机相互匹配(二战后)
        研究重点是使人和机器通过相互适应,形成最有效的匹配与结合。
        第二次世界大战后,随着军事和科学技术发展,尤其是计算机技术的发展,武器系统设计中与人的因素有关的问题越来越多,其研究内容逐渐转向人与机之间的相互关系,这一阶段通过对人与机器信息交流过程的研究,对人与机器潜力的分析比较,以确定人机系统的最优结合方案,使人和机器最有效的结合,实现人机功能的最佳分配,达到安全、高效、舒适和经济。研究主要集中在-机界面匹配的研究上,研究显示器与控制器设计中人的因素,即显示器的表盘、指针、标度,控制器的旋钮、开关、踏板等。应该特别强调指出,六十年代宇宙航行事业开始发展,作为这门科学在征服宇宙中起到了关键性作用,首先在宇航飞行员的选拔和训练在应用了大量的心理测验,其次,对宇航飞行员相关的感知觉进行了研究,对人的操作进行了分析。在宇航员的选拔、能力测定、设计工作站以及训练装置和方法、操作质量的判断等方面都做出重要的贡献。
        人与系统整合(21世纪)
        研究重点是将包括人员绩效、所用人力、人员和培训的关键设计以及安全与健康等与人相关的因素综合、主动地考虑进整个系统设计与研制过程中。
        溯源到系统的研究领域愈来愈大,特别是在现代化的装备中,武器系统愈发复杂与庞大,尤其是在航空、航天技术领域中,如何将人员、人力、人的因素等融入系统设计,成为影响武器系统性能优劣的一项重要因素。综合前三个发展阶段,早期的装备设计思路是人适应于机,此时的装备设计很少考虑人员的生理、心理等能力限值。随后逐步转化为机器适应于人,但人员之间存在差异,一型装备往往不能被所有的用户接受。在前两种极端思路的不断辩证与讨论中,逐步发展演变为了人机相互适应的正确道路,但也存在着微小缺陷,即有时候鱼与熊掌不可兼得,根据任务的不同势必要牺牲两者之间的某些特点,而且这种思路也很被动。因此,进入21世纪,国外提出了一种人机系统整合(HSI)的思路,即Human Systems Integration,在此基础上开展了大量整合工作并编制了相应的人机系统整合标准,如:美国空军人机系统整合手册、英国海军人机系统整合管理指南,英国海军人机系统整合技术指南、英国国防部人机系统整合设计指南等,在装备设计与研制中将人的因素有效地整合在系统中发挥了重要的作用。
        3.国外标准
        美国和英国是开展人机工程标准化活动较早的国家,一向重视在装备全寿命期实施人机工程,并编制了一定量的人机工程标准,这些标准深入装备的研制和设计,从论证阶段就建立了人机工程的准则要求、以及程序等一系列基础标准,有效地指导了装备人机工程管理与技术工作的开展。
        美国国防部
        长期以来,美国国防部、各军兵种以及相关的工业部门编制了大量人机工程标准、指南、手册等文件。当前美国国防部采用的人机工程政府标准共45项,其标准制定机构及标准数量见图1-1,具有代表性的人机工程标准见表1-2

图1-1  美国国防部采用的人机工程政府标准分布

表1-2  美国国防部采用的部分人机工程标准

英国国防部
        英国当前最具代表性的人机工程标准当属国防部2008年发布实施的人机工程系列标准DEF STAN 00-250,该标准代替了2004年发布实施的DEF STAN 00-25。新标准共5部分,相比原版本的25个部进行了大量精简与整合。原标准前14部分是为设备设计人机工程系列标准,包括人体尺寸、工作空间设计、视觉显示、听觉信息、言语交流、控制、维护设计、人机交互等;后11部分为系统设计人机工程系列标准,包括人力、人员、训练、人机工程、健康风险评估、系统安全等。新标准将其整合到了5部分,分别为人因整合设计手册、一般要求、特殊要求、技术指南以及方法、工具和技术。美国国防部近年来也直接将该标准纳入了美国政府人机工程标准体系。