田 叢

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

人機(jī)工程學(xué)是研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系，是解決系統(tǒng)中機(jī)器與人之間信息交互的科學(xué)方法[1]。人機(jī)工程學(xué)研究的主要對(duì)象是操作設(shè)備的用戶(hù)、機(jī)器產(chǎn)品及整個(gè)操作系統(tǒng)三者間的協(xié)調(diào)性。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人體工程設(shè)計(jì)時(shí)，可能會(huì)用到心理學(xué)、生理醫(yī)學(xué)、人體測(cè)量美學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)[2]。人機(jī)工程設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，能提高機(jī)器產(chǎn)品的性能，使系統(tǒng)在操作過(guò)程中具有操作簡(jiǎn)單、效率高、安全、健康、舒適等優(yōu)點(diǎn)。人機(jī)工程學(xué)與人的工作生活聯(lián)系密切。設(shè)計(jì)生產(chǎn)出既人性化又高效能的設(shè)備、工具和日常生活用品，是人體工程學(xué)相關(guān)從業(yè)人員努力的目標(biāo)[3]。

1 人機(jī)工程學(xué)

1.1 人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

亨利·德雷夫斯（Henry Dreyfuss）設(shè)計(jì)電話(huà)機(jī)，是人機(jī)工程學(xué)運(yùn)用的典范。歐美國(guó)家對(duì)人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)研究報(bào)道要早于其他國(guó)家。隨著世界各國(guó)陸續(xù)成立相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，在減輕工作負(fù)荷程度、降低對(duì)人體健康的影響程度、完善操作方法、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境、方便有特殊障礙人群操作使用等方面的研究越來(lái)越多[4]。

我國(guó)在人機(jī)工程學(xué)方面的研究起步晚于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，但近些年人機(jī)工程學(xué)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展與應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)在軍用武器設(shè)備中率先應(yīng)用人機(jī)工程技術(shù)[5]。隨后，在一些高校設(shè)立了人機(jī)環(huán)境等相關(guān)專(zhuān)業(yè)。在醫(yī)療方面，開(kāi)展了包括坐姿不當(dāng)導(dǎo)致的肌肉骨骼勞損等醫(yī)學(xué)人機(jī)工程的相關(guān)設(shè)計(jì)與研究[6]。

1.2 人機(jī)工程學(xué)的研究方法

人機(jī)工程學(xué)的研究方法主要包括：實(shí)測(cè)法、實(shí)驗(yàn)法和分析法[7]。

（1）實(shí)測(cè)法。實(shí)測(cè)法是利用專(zhuān)門(mén)的儀器儀表測(cè)量數(shù)據(jù)或?qū)嵉乜疾焓占瘮?shù)據(jù)的一種方法。例如，為了提高用戶(hù)使用的舒適性，可運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)小型輸入鍵盤(pán)，主要過(guò)程如下：首先，采用實(shí)測(cè)法收集不同群體（如男生、女生、兒童等）的用戶(hù)在使用鍵盤(pán)的過(guò)程中手指的操作范圍等樣本尺寸數(shù)據(jù)；然后，對(duì)樣本尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；最后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)小型輸入鍵盤(pán)的尺寸以及各按鍵的位置布局進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)。

（2）實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)法是在實(shí)測(cè)法不能夠直接進(jìn)行測(cè)量的情況下所運(yùn)用的獲取數(shù)據(jù)的一種方法。實(shí)驗(yàn)法的實(shí)施方式靈活多樣，可根據(jù)實(shí)際的需求而定。例如，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)小型輸入鍵盤(pán)時(shí)，需要利用不同的實(shí)驗(yàn)人群，采用實(shí)驗(yàn)法得到按鍵阻尼大小對(duì)手指的反饋、對(duì)舒適性的影響等數(shù)據(jù)。有時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)法獲取數(shù)據(jù)可能需要較長(zhǎng)的時(shí)間，如：獲取噪聲對(duì)人心情的影響、顏色對(duì)工作效率的影響等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果更加真實(shí)有效。

（3）分析法。分析法是指以實(shí)測(cè)法和實(shí)驗(yàn)法為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)量、收集或?qū)嶒?yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如：分析椅子高度與乘坐舒適性時(shí)，首先利用尺子量取人體相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用高速攝像機(jī)捕捉身體腿部各個(gè)關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)分析確定乘坐最舒適的椅子高度。由于在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)效或失真的數(shù)據(jù)，因此往往需要對(duì)測(cè)量、收集或?qū)嶒?yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將這些無(wú)效或失真的數(shù)據(jù)剔除。

2 人機(jī)工程學(xué)在動(dòng)車(chē)組隨車(chē)機(jī)械師HMI屏中的應(yīng)用

隨著中國(guó)高鐵的發(fā)展，高鐵已經(jīng)成為中國(guó)的“名片”?！敖煌◤?qiáng)國(guó)，鐵路先行”。我國(guó)鐵路行業(yè)順應(yīng)時(shí)代的潮流，從引進(jìn)來(lái)消化吸收到自主創(chuàng)新，目前已經(jīng)開(kāi)始引領(lǐng)世界創(chuàng)新發(fā)展高鐵先進(jìn)技術(shù)[8]。隨著我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程越來(lái)越長(zhǎng)，高鐵逐漸成為了我國(guó)百姓出行的首選交通方式，人們對(duì)高鐵運(yùn)行的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。隨著動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行速度不斷增加，對(duì)列車(chē)安全運(yùn)行的要求也越來(lái)越高。雖然列車(chē)運(yùn)行的智能化程度不斷提高，但列車(chē)要保障安全運(yùn)行，不僅需要智能化監(jiān)控設(shè)備，更需要司機(jī)、隨車(chē)機(jī)械師等人員不間斷地維護(hù)、監(jiān)控[9]。為了保證行車(chē)安全，應(yīng)盡量讓隨車(chē)機(jī)械師、司機(jī)等相關(guān)人員能夠舒適地監(jiān)控車(chē)輛運(yùn)行，降低工作強(qiáng)度、減輕疲勞程度。以動(dòng)車(chē)組隨車(chē)機(jī)械師操作、監(jiān)視HMI屏為例，對(duì)“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析。

2.1 機(jī)械師座椅尺寸分析

人體尺寸是人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的參考數(shù)據(jù)。由于隨車(chē)機(jī)械師一般情況下是坐著進(jìn)行HMI屏幕的監(jiān)控操作，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)相應(yīng)人員進(jìn)行人體靜止姿態(tài)尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量，以坐姿尺寸數(shù)據(jù)為主要依據(jù)進(jìn)行座椅的尺寸設(shè)計(jì)。給隨車(chē)機(jī)械師配置尺寸合適的座椅，能夠提高乘坐的舒適性，降低工作的疲勞強(qiáng)度，有利于隨車(chē)機(jī)械師保持高度的警覺(jué)性，確保行車(chē)安全。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“中國(guó)成年人人體尺寸”數(shù)據(jù)，確定我國(guó)成年人身體尺寸基本數(shù)據(jù)[10]。測(cè)量坐姿時(shí)，應(yīng)要求被測(cè)量人員采用標(biāo)準(zhǔn)的姿勢(shì)端坐，挺直腰背，如圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)坐姿尺寸測(cè)量

2.2 機(jī)械師的視角范圍分析

視角范圍與視野、視距、眼高、坐姿等參數(shù)都有關(guān)系。以隨車(chē)機(jī)械師監(jiān)視HMI屏幕為例，應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：以機(jī)械師身體舒適為前提條件，在機(jī)械師監(jiān)視屏幕信息的過(guò)程中，屏幕要始終保持在機(jī)械師的視線(xiàn)范圍內(nèi)。

（1）機(jī)械師視野。機(jī)械師視野是指隨車(chē)機(jī)械師在頭部和眼球固定不動(dòng)并正視顯示屏幕的情況下所能看得見(jiàn)的空間范圍。在設(shè)計(jì)HMI屏幕安裝結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，需要根據(jù)機(jī)械師視野確定HMI屏幕安裝的水平高度、與水平桌面的夾角等位置尺寸，以便減輕隨車(chē)機(jī)械師的視覺(jué)疲勞，能夠更輕松地監(jiān)視屏幕。

（2）機(jī)械師視距。機(jī)械師視距是指隨車(chē)機(jī)械師在操作監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)正常的觀察距離范圍。根據(jù)我國(guó)人體數(shù)據(jù)，成年人正常視距范圍一般在38～76cm之間。HMI屏幕安裝得離座椅過(guò)近或者過(guò)遠(yuǎn)，都會(huì)影響機(jī)械師在監(jiān)控時(shí)快速讀取屏幕上的數(shù)據(jù)。在列車(chē)行駛過(guò)程中，有時(shí)屏幕會(huì)隨車(chē)體震動(dòng)而發(fā)生隨機(jī)性抖動(dòng)，有時(shí)屏幕中會(huì)出現(xiàn)動(dòng)圖和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變動(dòng)等情況，均會(huì)影響機(jī)械師的監(jiān)控工作。

（3）機(jī)械師眼高。機(jī)械師眼高是指隨車(chē)機(jī)械師在身體以標(biāo)準(zhǔn)的坐姿面對(duì)監(jiān)控屏幕進(jìn)行操作時(shí)，眼睛水平高度與腳踏面水平高度之間的差。若屏幕中心高度遠(yuǎn)大于眼高或遠(yuǎn)小于眼高，則會(huì)使得機(jī)械師仰頭或低頭工作。機(jī)械師長(zhǎng)時(shí)間保持仰頭或低頭姿勢(shì)，會(huì)加大脊柱的疲勞程度。

2.3 機(jī)械師的手臂活動(dòng)范圍分析

隨車(chē)機(jī)械師利用手臂運(yùn)動(dòng)完成在HMI屏幕上的各項(xiàng)操作。手臂的活動(dòng)范圍以及手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)影響機(jī)械師操作的準(zhǔn)確性，這直接關(guān)系到列車(chē)行駛的效率和安全等[11]。機(jī)械師大臂操作區(qū)域、肘高、小臂操作區(qū)域等參數(shù)均會(huì)影響機(jī)械師操作時(shí)的舒適性、準(zhǔn)確性。

（1）大臂操作區(qū)域。在機(jī)械師身體軀干保持穩(wěn)定的情況下，大臂的外展內(nèi)收角度范圍為180°～-30°，其中最舒適的角度為自然放松手臂下垂時(shí)的角度，即0°。手臂在身體前部擺動(dòng)的范圍為180°～-45°，在機(jī)械師操作顯示屏界面時(shí)最舒適的角度為 15°～35°。

（2）肘高。肘部姿勢(shì)會(huì)影響機(jī)械師操作顯示屏的舒適性。顯示屏操作區(qū)域離桌面的距離過(guò)于大或過(guò)于小，都會(huì)影響操作的舒適性。

（3）小臂操作區(qū)域。當(dāng)隨車(chē)機(jī)械師雙臂自然放在桌面上利用小臂運(yùn)動(dòng)操作HMI顯示屏?xí)r，顯示屏的安裝位置不同也會(huì)直接影響機(jī)械師操作的準(zhǔn)確率、頻率和舒適性[12]。試驗(yàn)表明，如果將HMI屏幕安裝在不同區(qū)域，那么機(jī)械師操作的速度會(huì)有很大的區(qū)別。如圖2所示，左右手分別在-30°～+30°區(qū)域內(nèi)，操作速度一般；在±30°～±60°區(qū)域內(nèi)，操作的速度最快；而在±60°～±90°區(qū)域內(nèi)，操作的速度最慢。

圖2 手臂活動(dòng)范圍圖

需要特別注意的是：應(yīng)將重要參數(shù)的操作界面和使用頻率較高的屏幕操作界面安裝在最快反映區(qū)間內(nèi)；應(yīng)根據(jù)使用頻率，將其他的功能操作鍵按順序?qū)ΨQ(chēng)排列，在靠中間位置安裝使用頻率較高的按鍵，在靠?jī)蓚?cè)位置安裝使用頻率較低的按鍵。這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)是在機(jī)械師操作過(guò)程中，可以按順序使用顯示器與控制器，方便高效地完成屏幕的監(jiān)控或界面操作切換。

2.4 屏幕界面分析

HMI界面包括按鍵信息提示區(qū)、設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)等監(jiān)控信息顯示區(qū)[13]。HMI的顯示裝置分為視覺(jué)顯示裝置和語(yǔ)音提示裝置。視覺(jué)顯示裝置為液晶顯示屏，既能顯示文字，又能顯示圖形，可使隨車(chē)機(jī)械師更直觀地觀察列車(chē)的情況。需要注意的是：液晶屏顯示的目標(biāo)雖然亮度越高越易被察覺(jué)，但是當(dāng)亮度超過(guò) 34cd/㎡的時(shí)候，不僅不能使視覺(jué)敏感，還容易使隨車(chē)機(jī)械師產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。語(yǔ)音提示裝置為內(nèi)置或外置音箱。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行、隨車(chē)機(jī)械師的操作出現(xiàn)異?；蛘呶ｋU(xiǎn)時(shí)，語(yǔ)音提示極其重要。一般應(yīng)將語(yǔ)音提示聲音的頻率和強(qiáng)度分別控制在300Hz、90d B左右，還應(yīng)根據(jù)周?chē)h(huán)境的噪聲大小調(diào)整聲音的強(qiáng)弱。

3 展望與結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)，人類(lèi)步入了信息科技時(shí)代，動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行也在朝智能化不斷地發(fā)展，對(duì)動(dòng)車(chē)組的操作舒適性和乘坐舒適性都提出了越來(lái)越高的要求。以動(dòng)車(chē)組隨車(chē)機(jī)械師HMI屏為例，從座椅尺寸、視角范圍、手臂操作范圍、屏幕界面等方面進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)分析，提出了在設(shè)計(jì)安裝HMI屏?xí)r需要考慮的問(wèn)題，以提高隨車(chē)機(jī)械師的操作舒適性、減小隨車(chē)機(jī)械師的疲勞強(qiáng)度，對(duì)保證行車(chē)安全具有積極意義。

人機(jī)工程學(xué)作為應(yīng)用型學(xué)科，與人的工作生活息息相關(guān)，必將向著綠色化、虛擬化、信息化、數(shù)字化以及智能化人機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)發(fā)展。應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)，可為社會(huì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出更加人性化、高效能的設(shè)備。