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人类工效学 (讲义)
廖建桥 编 一九九四年九月
目录
第一章 概述.............................................1
第二章 人体测量学 ......................................9
第三章 人体的肌肉系统 .................................23
第四章 人体的神经系统 .................................37
第五章 人的信息处理系统 ...............................47
第六章 工作地设计 .................................... 67
第七章 信息显示 ...................................... 77
第八章 控制器 ........................................ 95
第九章 人---计算机介面 .............................. 111
第十章 重体力劳动 ................................... 123
第十一章 搬运 ....................................... 143
第十二章 疲劳 ........................................ 151
第十三章 脑力负荷 .................................... 165
第十四章 照明 ........................................ 181
第十五章 噪音 ........................................ 197
第十六章 微气候 ...................................... 219
第十七章 环境污染与环境保护 .......................... 235
第十八章 安全生产 .................................... 251�
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第一章 概述
第一节 人类工效学的定义
人类工效学是一门新兴的边缘学科, 它作为一门独立的学科已有四十多年了. 人
类工效学这一名称是根据英文"Ergonomics"翻译过来的, "Ergonomics" �这个词是由两
个希腊词根组成的, ergo是出力, 工作的意思, nomics 是正常化, 规律的意思. 因此
Erginomics的含义是人的工作规律问题. 也就是说, 这门学科是研究人在生产和工作
中合理地, 适度地劳动的问题.
在我国,这门学科尚处于初创阶段, 所用名称也不一致. 除用人类工效学这一名称
外, 也用工效学, 人机工程等其他名称.
国际工效学会给人类工效学下的定义为: "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各种因素, 研究人和机器及环境的相互作用条件下, �在工作中,
家庭中和休假时, 怎样统一考虑工作效率, 人的健康, 安全和舒适等达到最优化的问题."
我国在<<中国企业管理百科全书>>中, 对人类工效学所下的定义为: "研究人和机
器, 环境的相互作用及其结合, 使设计的机器和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."
关于人类工效学还有许多其他的定义, 我们不在此一一赘述. �从上面的定义我们
可以看出, 人类工效学是研究人, 机器, 环境三者之间的关系, 以便使人工作, 学习,
生活的更有效, 更安全, 更舒适的一门介于心理学, 生理学, 人体测量学, 工程技术和
管理之间的边缘学科.
第二节 人类工效学的内容
由于人类工效学涉及到人的工作, 学习和生活, �因此人类工效学的内容非常多.
概括起来, 主要包括以下几个方面:
1 人的能力. 这包括人的基本尺寸, 人的作业能力, �各种器官功能的限度及影响
因素等. 对人的能力有了了解, 才可能在系统的设计中考虑这些因素, 使人所承受的负
荷在可接受的范围之内. 例如, 人的短期记忆容量是七个元素左右, 在系统的设计中如
果某一工作对人的短期记忆有要求, 就不能超过这一限度, 否则人将会遗忘过多的信息,
导致错误的发生. 再比如人在直立时向上推举的平均最大力是人体重的 100%, 对人体
无伤害的最大举力是 15%左右. �若某一工作的负荷超过这一值, 不仅会影响人的工作
效率, 甚至会影响人的身心健康.
2 人--机交往. "机"在这里不仅仅代表机器, 而是代表人所在的物理系统�, 包括
各种机器, 电子计算机, 办公室, 各种自动化系统等等. 人类工效学的座右铭是"使机
器适合于人". 在人--机交往中, 人类工效学的重点是工作地, 各种显示器和控制器的
设计. 随着电子技术的进步和电子计算机的普及, 人--计算机交往的研究在人类工效学
中占有越来越重要的地位.
3 环境对人的影响.人所在的物理环境对人的工作和生活有非常大的影响作用, 因
此, 很自然地,环境对人的影响是人类工效学的一个重点内容. 这方面的内容包括: 照
Comment [i1]: 頁: 2
系統以人為本，使系統適於人的
基本生理及心理要求。
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明对人的工作效率的影响, 嗓音对人的危害及其防治办法, 音乐, 颜色, 空气污染对人
的影响等等.
第三节. 人类工效学的目的
人类工效学的目的有三个: 第一, 使人工作得更有效;第二, �使人工作得更安全;
第三, 使人工作得更舒适. 这三个目的有时是相一致的. 例如一种新机器可能比旧机器
的效率更高, 更安全, 更舒适. 但是在许多情况下, 这三个目标是相矛盾的. 一种更安
全, 更舒适的操作方法可能比旧方法效率要低些. 某一新机器可以使人工作的更舒适,
但增加的效率可以不足以补偿增加的投资等. 这个矛盾的解决显然取决于人与机器的相
对重要性, 取决于人所处的时代, 环境等.
在远古时代, 由于机器(工具)的稀少, 环境的恶劣, 人的生命的艰难, �人不得不
无条件地使自己适应机器(工具)和环境. 人们改进工具的主要目的是为了更高的效率,
以抵御环境和敌人生存下去. 使用工具时的安全和舒适是不在人们的考虑之中的, 人们
决不会为了舒适而放弃某一种更先进的工具.
我们可以设想在理想的未来社会, 机器和环境将绝对地服从于人. 人的安全与舒适
将是系统设计中最重要的位置, 人可随心所欲地改变他所处的物理系统和环境以满足他
的需要. 效率将是一个次要问题.
我们既不是生活在远古时代, 也不是生活在理想社会之中. �因此有时人不得不适
应于机器与环境, 有时我们可以改造机器和环境使之更好地服务于人. 这使得人类工效
学者的工作充满着矛盾和挑战.
西方社会比我们发达, 生活水平比我们高, �因此在那里工效学更强调人的重要性,
教科书中的宗旨为: 使机器适合于人 (Fitting the task to the �man).我国当前生活
水平还比较低, 生产力也比较落后, 在很多地方是人适应于机器. 但是随着人们生活水
平的提高, 人的价值将越来越高, 人类工效学作为一门学科也将越来越受到重视, 人类
工效学对人的工作和生活将发挥越来越大的影响.
第四节. 人类工效学的发展历史
自从人类诞生以来, 就存在着人机关系问题. 随着人类的进步, �人在不断地改造
环境, 改造工具, 以便 使自己在工作时能够更安全, 健康, 舒适, �使工作效率更高达
到优化. 但这些改进分布在人类漫长的进步过程中, 都比较零散, 具体, 还不足以使人
类工效学成为一门科学. �人类工效学逐步成为一门科学还是近一百年的事, 其发展可
以归纳为三个阶段:
一. 启蒙阶段
虽然在 1884年德国学者莫索(A. Mosso)就在人进行劳动时, �将人体通以微电流,
通过电流的变化测量人体的疲劳程度, 但我们认为, 人类工效学作为一门科学形成于本
世纪初, 主要应归功于泰勒和吉尔布雷思.
1898 年美国人泰勒(F. W. Taylor)从提高工作效率的角度出发, �对装卸工使用
的铁锹进行了研究. 他发现每次铲运的重量在 10公斤左右时, 劳动效率最高.�因此他
设计了许多大小不同的铁锹, 以适应装卸不同的物料. 在此以后, 他还进行过搬运生铁
的研究, 通过制定每次的搬运量, 搬运速度, 休息时间, 使作业者充分发挥劳动潜力,
从而提高工作效率.
1911 年美国人吉尔布雷思()对建筑工人砌砖进行了研究, �通过
去掉砌砖动作中的无效动作和辅助装置, 使砌砖工人每小时的砌砖数由过去的每小时
170块提高到 350块, 大大提高了砌砖工人的工作效率.
在泰勒和吉尔布雷思工作的基础上, 形成了时间和动作研究这样一门学科�. 虽然
Comment [i2]: 頁: 3
這裡提出了一個效率與其它的
相關的目的相沖突的解決的基本
思路：這取決於人們的目的，才
進行取捨。
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时间和动作研究本身并不是人类工效学, 但其思想与人类工效学已非常接近.
二. 正式形成时期
第二次世界大战期间, 一些国家, 特别是英国和美国, �大力发展各种新式武器装
备. 由于片面地注重了工程技术方面的研究, 忽视了对使用者操作能力的研究和训练,
因此遇到了许多问题. 以飞机为例, 由于座舱及仪表的显示位置设计不当,经常造成驾
驶员读仪表或操作错误, 进而发生事故. 另外许多操作在战斗时不灵活, 使飞机命中率
降低等. 经过分析发现这些事故的原因可归结为: (1) 显示器, �控制器的设计没有充
分考虑人的生理特性, 心理特性,� 致使仪器的设计和配置不当,不能适应人的要求; (2)
操作人员缺乏训练,� 不能适应复杂机器系统的操作要求.这些原因引起了决策者和工程
师们的高度重视.�工程师们开始感到人的因素在设计中是一个不可忽视的重要条件. 要
设计一个好的现代化设备, 只具备工程技术知识是远远不够的, 还必须了解设备的使用
者的生理的和心理等方面的知识. 于是在第二次世界大战后不久, 人类工效学作为一门
新兴的边缘学科正式形成了. 各种人类工效学会, 如国际人类工效学会和美国人类工效
学会相继成立.
三. 飞速发展时期
进入七十年代以后, 随着电子技术的进步和计算机的广泛应用, �操作系统对人的
要求越来越高, 系统中考虑人的因素也显得越来越重要. 特别是美国三里岛核电站事件
的发生, 对人类工效学的发展起了很大的推动作用.
1979年 3月 28日凌晨 4点, �在美国宾夕法尼亚洲哈里斯柏格附近的三里岛核电
站, 一个临时的障碍引起该核电站一号机组供水系统和发动机自动关闭. 在零点几秒之
后, 系统中建立的予备保险系统开始正常工作, 提供新的供水系统. 紧接着四个关键性
的错误一起发生了, 以从末有过的事实证明人在复杂系统中的表现是多么重要.
第一个错误发生在故障发生之前. 予备供水系统的管道被维修工人关闭了�. 而这
个维修工人从此就没有上班. 结果是核反应中心由于得不到循环冷水的供应以排除它的
热量. 温度开始升高, 并把周围的冷水变成蒸汽. 压力迅速升高.
但是预备保险系统继续正常工作. 圆形棒下降到反应堆使核反应程序放慢�. 压力
释放闸打开了以释放在主冷却系统中产生的蒸汽. 当压力下降到低于警戒水平后, 自动
释放闸收到了关闭的信号. 正象在一个热循环系统中当屋内温度达到了一定的温度时,
热循环系统就自行关闭一样. 在这时, 第二个错误发生了. 由于闸门失灵, 这个闸门并
没有关闭.
在发动机关闭的一分钟之内, �三里岛核电站的操作人员正在试图从无数的红灯,
警报中猜测到底发生了什么事. 虽然根据他们过去受训的经验他们对事故有一个大概的
了解, 但有一个信号使他们误入歧途. 压力释放显示器显示的是命令状态, 而不是实际
状态. 操作人员以为压力释放闸是关闭的.这是第三个关键性的错误.
同时, 予备的自动保险系统继续工作. 一个紧急水泵自动打开, �开始向系统提供
系统急需的冷却剂. 在这里, 操作人员做出了一个决定使也许是一个小事故变成了大灾
难. 由于屏幕显示压力已经很高, 释放闸已经关闭, 操作人员决定自已而不是用机器来
控制系统. 他们把紧急水泵关闭了. 这个决定是基于操作人员的推测系统中的冷却剂太
多了而不是太少了. 反应堆得不到急需的冷却剂, 事故很快就到了不可收拾的地步.
事故的调查表明:第一, 不是某一个失误, 错误, 事件或机器失灵导致这场事故.
这场事故是由许多因素共同引起的. 第二,� 人的错误是在许多不同的方面的,从操作人
员错误地把紧急冷却剂关闭到设计人员设计闸门的显示器时告诉人们应当做什么, 而不
是闸门当时的状态. 第三, 也许是最重要的, 大量的信息和复杂的显示形式超过了操作
人员内在的, 有限的能力, 如注意力, 记忆力, 决策能力等. 因此在三里岛事件中与在
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其他事件中一样, 虽然人的错误是事故的直接原因, 操作人员本身并没有什么过错, 而
是系统的设计者应当受到责备, 因为他们给了操作人员无法胜任的工作. 这就象在体力
劳动中,� �某一工作要求某人在某一关键时刻扛起 300公斤的重物. 当这个人扛不起这
个重量时, �我们能够埋怨这个人没有使出全身的力气吗?
第五节. 国外人类工效学的动向
当前人类工效学在国外的研究和应用领域可以概略地分为三大类:
一. 尖端技术领域中的工效学
随着科学技术的飞跃发展, 人机系统变得越来越复杂, 一些复杂系统的控制, 如
飞机的驾驶, 甚至于超过了人的正常工作能力, 人成为系统中的主要制约因素. 如何降
低系统对人的要求, 或如何提高人的能力以适应系统的要求, �是人类工效学面临的一
个严峻挑战. 这方面的主要内容有: 飞机驾驶舱的设计, 脑力负荷的测量, 系统评价,
核电站控制室的设计, 人在太空中的工作, 生活等问题.
二. 人类工效学与电子计算机
随着电子计算机的推广和普及, 在工业化国家, �使用计算机的工作人员已超过其
他任何一种机器操作人员的总和. 如何提高人--计算机系统的效率已成为工效中的一个
最集中, 最流行的内容. 在美国的人类工效学年会上, 往往有三分之一以上的论文涉及
到这一主题. 这方面的主要内容包括: 屏幕显示的设计, 键盘的设计, 操作系统的评论,
计算机工作地的布置, 说话式输入输出的效果等.
三. 生产制造和其他领域的人类工效学
生产领域是人类工效学的一个传统内容, 这方面的主要内容包括: 人体的测量,
工作环境, 劳动保护与安全, 产品检验, 事故的调查等. 传统的工效学主要研究生产性
产品的设计, 现在也开始研究消费品的设计,� 如如何设计产品的说明书,使消费者能够
安全, 容易地使用消费品.
另外, 人类工效学还涉及到体育, 法律, 警察, 驾驶, 消防等行业.
第六节. 我国开展人类工效学的情况
我国工效学起步较晚, 我国的人类工效学会成立于 1989年, �当前有四百余名会
员. 虽然起步较晚, 但人类工效学在我国的发展非常迅速.1991年<<Ergonomics>>杂志
发表了中国人类工效学专辑. 1992年在我国召开了第二届泛太平洋工效学及职业安全
国际学术会议. 但总的来说, 人类工效学在我国开展的还很不普及, 虽然有兴趣的人不
少, 但比较零散, 研究项目有限, 在社会上影响不大.
正如我们在前面已经指出过的, �人类工效学的重要性与人的重要性是密切相关的.
当前由于我们人口过多, 就业压力很大, 人们非常不注意劳动效率, 也就不重视人类工
效学了. 这对人类工效学在我国的发展是不利的. 但我国人民的生活水平正在迅速提高,
人们将越来越重视自己的工作和生活的质量, 这意味着人们将会逐渐认识到人类工效学
的必要性. 另外, 我国正在逐步进入国际市场. 为了提高我国产品的竞争力, 我们也需
要提高劳动效率和降低劳动成本. 这些又是在我国发展人类工效学的有利条件. 因此我
们认为, 人类工效学在我国是有着广阔的前景的.
第二章 人体测量学
在日常工作和生活中, 我们天天用到许多东西, 如椅子, 桌子, 各种机器�, 仪器,
工具, 电子计算机等. 在使用这些东西的时候我们发现, 这些东西的物理尺寸, 如大小,
形状等, 对这些东西的适用性有非常大的影响. 它们不仅影响人们工作时的舒适性, 也
常常影响到人的工作效率, 工作态度, 甚至危害人的安全和健康. 例如, 某手表厂有一
台冲压机床 (冲压中夹板), 坐着操作太高了, 站着操作太低了, 而且左右开弓, 象跳
午一样. 试设想一下每天以不自然的姿式工作八小时, 进行 3000次同一操作. 图一是
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一个机床设计没有考虑人的尺寸的一个典型例子. 英国学者格尔福德(Guildford)经过
计算发现开这个车床的工人的理想身高应为 137厘米, 肩宽应为 64厘米, 手长应为
235厘米. 显然在现实生活中, 这样尺寸的人是不存在的. 当正常尺寸的人操作这台车
床时, 就不得不委屈自己了. 在日常工作和生活中, 我们可以看到大量这样的例子.
设计机器, 工具, �工作环境使之符合人的尺寸是人类工效学的一个基本的内容.
因此我们应当首先了解人的基本尺寸. 测量人体尺寸的一门学科叫人体测量学.
第一节. 我国成年人的基本尺寸
一九八八年, 我国国家技术监督局在有关单位的协助下, �在全国范围内对我国成
年人人体尺寸进行了大量的测量, 根据这次测量的结果制定了关于中国成年人人体尺寸
的国家标准. 这些标准适用于工业产品, 建筑设计, 军事工业以及工业的技术改造设备
更新及劳动保护. 表 2-1和表 2-2给出了这些标准的主要内容. 从表中可以看出我国成
年男子的中位数高(近似于平均身高)身高是 , 我国女子的中位数身高是 .
表 2-1 中国成年男子(18-60岁)人体主要尺寸: 单位: mm
百分位数 1 5 10 50 90 95 99
身高 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814
体重 kg 44 48 50 59 71 75 83
眼高 1436 1474 1495 1568 1643 1664 1705
肘高 925 954 968 1024 1079 1096 1128
坐高 836 856 870 908 947 958 979
坐姿眼高 729 749 761 798 836 847 868
坐姿肘高 214 228 235 263 291 298 312
坐姿大腿厚 103 112 116 130 146 151 160
坐姿膝高 441 456 464 493 523 532 549
坐深 407 421 429 457 486 494 510
臀膝距 499 515 524 554 585 595 613
胸宽 242 253 259 280 307 315 331
最大肩宽 383 398 405 431 460 469 486
坐姿臀宽 284 295 300 321 347 355 369
坐姿两肘间宽 353 371 381 422 473 489 518
表 2-2 中国成年女子(18-55岁)人体主要尺寸 单位: mm
百分位数 1 5 10 50 90 95 99
身高 1449 1484 1503 1570 1640 1659 1697
体重 kg 39 42 44 52 63 66 74
眼高 1337 1371 1388 1454 1522 1541 1579
肘高 873 899 913 960 1009 1023 1050
坐高 789 809 819 855 891 901 920
坐姿眼高 678 695 704 739 773 783 803
坐姿肘高 201 215 223 251 277 284 299
坐姿大腿厚 107 113 117 130 146 151 160
坐姿膝高 410 424 431 458 485 493 507
坐深 388 401 408 433 461 469 495
臀膝距 481 495 502 529 561 570 587
胸宽 219 233 239 260 289 299 319
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最大肩宽 347 363 371 397 428 438 458
坐姿臀宽 295 310 318 344 374 382 400
坐姿两肘间宽 326 348 360 404 460 478 509
表中除了身高之外, 还给出了其他 14个指标. 不同的指标有不同的用途. �例如,
设计站立工作时的高度, 就要参考人体肘高尺寸, 设计坐椅时要考虑人的坐深, 臀宽,
坐姿膝高等.
在这些指标中, 最重要的指标是身高. 这是因为, �第一身高这一指标本身经常被
直接用到, 如汽车车厢高和门高的设计. 第二, 其他许多指标与身高是相关的, 例如坐
高大约是身高的 倍, 膝高大约是身高的 倍, �另外也可以粗略地根据与身
高的比例来确定设备的高度, 如表 2-3所示.
表 2-3 设备高度与人体高度之比
编号 定义 设备与身高之比
1 与人同高的设备 1/1
2 设备与眼睛同高 11/12
3 设备与人体竿重心同高 5/9
4 设备与坐高相同 6/11
5 眼睛能够望进设备的高度 10/11
6 能挡住视线的设备高度 33/34
7 站着用手能放进和取出物体的高度 7/6
8 站着手向上伸所能达到的高度 4/3
9 站姿使用方便的台面高度(上限) 6/7
10 站姿使用方便的台面高度(下限) 3/8
11 站姿最适宜的工作点高度 6/11
12 站姿用工作台高度 10/19
13 便于用最大力牵拉的高度 3/5
14 坐姿控制台高度 7/17
15 台面下的空间高度(下限) 1/3
16 操纵用座椅的高度 3/13
17 休息用座椅的高度 1/6
18 座椅到操纵台面的高度 3/17
了解人的基本尺寸是十分重要的. 不仅任何机器的设计应考虑人的尺寸, 许多消费
品的设计也应该考虑人的尺寸. 设计不同的产品时应考虑人的不同部位的尺寸. 例如各
种工具的设计应考虑人手的尺寸, 头盔的设计要考虑人头部的尺寸, �自行车的设计要
考虑人的身长, 手长, 脚长等.
第二节. 人体尺寸的影响因素
人体尺寸是受到诸多因素的影响的. 这些因素可分为两类, �一类是影响个体尺寸
的因素, 这里遗传是一个最重要的因素. 除非产品是为某一个人生产的, 在这种情况下,
我们应考虑这一个人的尺寸, 如订做衣服. 在绝大多数情况下, 产品是面向群体的. 在
这时候我们应该考虑影响群体身体尺寸的因素. 影响群体身体尺寸的因素主要有下列几
种:
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一. 性别
性别对群体人尺寸差别的影响也许是最大的. 对比表 2-1和 2-2我们可以看出,
男女之间的平均身高相差为 10厘米以上. 如果我们按男性 95%�设计的达到高度将有
50%以上的女性达不到.
有趣的是在消费品的设计中我们常常能够考虑女性的要求, 如女式服装, 女式自行
车, 而在机器的设计中往往忽略了这个因素, 如我们很少听到有女式车床, 女式办公桌
等. 这大概是女性在消费品的购买中有发言权, 而在生产性的产品中没有什么发言权的
缘故. 这个问题应当引起重视. 不难想象, 女工在为男工设计的机床上工作时要费力得
多. 甚至可以说女同志坐一天办公室也会比男同志累, 因为现在使用的桌子和椅子的高
度更适合男同志的尺寸些.
二. 年龄
人在未成年之前, 身体逐渐增高. 成年后变得基本稳定. �进入中老年后开始委缩.
表 2-4给出了人的身高随年龄变化的情况. 从表中我们可以看出, �对于未成年的人来
说, 年龄对人的尺寸有很大的影响. 对成年人来讲, 这个影响就很. 一般来说, 年龄对
人的力量的影响比对身体尺寸的影响要大得多.
表 2-4 身高随年龄的变化 (cm)
年龄(岁) 女性 男性
1-5 +36 +36
5-10 +28 +27
10-15 +22 +30
15-20 +1 +6
20-35 0 0
35-40 -1 0
40-50 -1 -1
50-60 -1 -1
60-70 -1 -1
70-80 -1 -1
80-90 -1 -1
三. 国家
各国之间人的尺寸之间的差别也是很大的. 表 2-5给出了几个有代表性国家人的平
均高度. 表中美国人平均身高最高 (), 其次为原苏联. 日本人最低 (�), 其
次为中国. 日本人与美国人之间相差达 10厘米. �日本人最初出口到美国去的车子是按
日本人的尺寸设计的, 结果带来许多问题, 如离合器踏板与刹车踏板之间的距离对大多
数日本人来说是合适的, 但对许多美国人来说这个距离就太近了, 因为美国人的脚要大
些. 许多美国人在踩离合器的同时也踩着了刹车. �现在日本出口到美国的车都按美国人
的尺寸进行设计. 我国的产品如果要走向世界,�必须得考虑这个问题.
表 2-5 几个国家的男子平均身高(mm)
国别 ｜ 美国｜ 原苏联｜ 西德｜ 英国｜ 瑞典｜ 法国｜ 意大利｜ 中国｜ 日本
身高 ｜ 1772｜1767 ｜1755 ｜ 1753｜1741 ｜ 1711｜ 1710 ｜ 1680｜ 1667
四. 地区
我们幅员辽阔, 地区与地区之间人体的尺寸也有差别.表 2-6给出了我国六个区
域人的平均身高. 从表中可以看出, 我国东北地区和华北地区的人较高, 男子平均身高
为 米, 女子为 米,而西南地区的人身材较矮, 男子身高这 米, 女子
平均身高为 米. 两区域之间对应值相差 4-5厘米.
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表 2-6 我国六大区域人体身高 (单位: mm)
东北,华北 西北 东南 华中 华南 西南
男子 1693 1684 1686 1669 1650 1647
女子 1586 1575 1575 1560 1549 1546
五. 时间
随着生活水平的提高, 人的平均高度也在增长. 我们都感到现在的年轻人比过去
的人要高. 在这方面, 日本人的变化更明显. 据统计, 过去三十年, 日本人的平均身高
增加了八厘米之多. 我国国家技术监督局的统计结果表明我国的青少年的身高也有一定
的增长, 虽然增加的幅度不是太大.
第三节 人体尺寸的统计指标
一. 概率分布
我们一般假定, 人体尺寸的某一指标服从正态分布. 正态分布的分布函数为:
其中 , 为常数, 分别是这一指标的均值和均方差. �正态分布也被通俗地称为
钟型分布, 其形状如图 2-2所示.
p
│
│
│
│
│
│
│
└──────────── X
图 2-2. 正态分布图
二. 平均值
平均值又被简称为均值, 是数理统计中最常用的指标之一. 用统计学方法计算的
平均数, 能说明事物的本质和特征, 可用来衡量一定条件下的测量水平和概括地表现测
量数据的集中情况. 平均值在人体测量学和人类工效学中占有重要的地位, 我们的许多
设计标准就是根据平均值确定的.
三. 均方差
均方差, 又被称为标准差, 表明一系列变数距平均数的分布情形. 方差变化大表
示各变数分布广大, 远离平均数, 方差小, 表示各变数接近平均数. 方差常用来确定某
一范围的界限. 对于服从正态分布的随机变量, 如人体的某一个尺寸, 方差与其对应的
区域或概率之间的关系为:
表 2-7 正态分布方差与概率的关系
方差 概率
1
2
3
从表中我们可以看出, 在平均值一个方差之内的概率为 , 即大约有三分之
一的值落在距均值一个方差之内, 而 %的值都在三个方差之内.� 一般说来,当我
们知道了方差之后, 就可以根据方差求出对应的概率. 例如, 假定某一测量的均值是
10
, 方差是 , 欲求可以满足 90%的人的区间. 我们很快可以求出, 这一区间是
*, +*, 即(, ).
四. 百分位数
百分位数是指一个随机变量(某一人体测量尺寸指标)低于某一给定概率处的值 .
这是一个在设计中经常用到的概念. 在设计中常用到的百分位数是 90%, 95%, 分别表
示 90%和 95%的使用者可以达到. 在这里我们应当特别注意是单侧百位数还是双侧百位
数的问题. 例如双侧 95%对应于 , 而单侧 95%对应于 .
第四节. 设计中可采取的方案
在设计时使用人体尺寸时有五种方案可供采用:
一. 按人体尺寸的分布.
对于大量生产的机器, 工具和消费品等, 可以按照人的尺寸的分布来进行设计.
例如人的衣服和鞋子就是按人的尺寸的分布来决定各种尺寸各生产多少的. �使用这种
方法, 生产和管理费用较高, 除非是需求量很大, 否则经济上是不合算的. 在经济上可
行的情况下应尽量按人的尺寸的分布来进行设计, �因为这样可以把使用时的不适降到
最低限度.
二. 按人的平均尺寸设计
当过大过小, 或过高过低都会造成使用不方便时,� 这时可按平均尺寸设计,这样
可以把不适应的人减少到最低限度. 当被设计物可以调整时, 最初状态也可按人的平均
尺寸设计. 例于厨房切菜工作面的设计可按人的平均尺寸设计. 不可调整的椅子或可调
整椅子的最初状态, 也可按人的平均尺寸设计.
三. 按某一百分比设计
这里有两种情况. 当设计不当只会给一个极端的人带来不利时, 可按单侧百分比
来设计,. 例如门框高度的设计. 门框设计高了对矮个子人没有影响, �但门框设计低了
对高个子人有影响. 故门框的设计可考虑单侧百分比, 比方说 95%来设计. 按照这一方
案, 95%过门的人进门时没有问题, 只有 5%较高的人进门时需要低头. 一般设计中最常
用的百分比是 95%, 也常用较高的标准, 99%.
当某一设计会给两个极端的人都带来不利时, 应按双侧百分比来设计. 例如可调
整高度的椅子设计. 若调整区间有限, 那么就可以考虑满足中间一部分人, 如 95%的人
的要求, 这时我们就应根据双侧百分点来设计, 最高的 %和最矮的 2.�5%就被排除之
外.
四. 按某部分人设计, 为另一部分人提供调整
当设计对某一极端的人的不利影响可以通过调整来消除, 而对另一部分人的不利
影响无法消除时, 我们可以按后一类人的尺寸进行设计,为前一类人提供调整. 例如,
对于桌子高度的设计, 我们可以按高个子进行设计, �而给矮个子提供脚踏板. 如果按
矮个子设计, 高个子的脚就没有地方放.
五. 为某些特定的人设计
对于某些非常昂贵的系统, 我们可以根据特定的使用者来设计, 这样可以在保证
使用方便的同时降低制造成本. 例如飞机驾驶舱就是根据驾驶员的身体尺寸设计的.
第五节 设计程序
一. 确定设计对象和目标
在设计中我们首先要考虑的是设计的对象和所要达到的目的, 是设计一辆自行车,
一个机床, 还是一个椅子? 若是设计一个椅子,�那么设计这个椅子的目的是什么, 是一
个豪华型的椅子, 还是一个大众型的椅子. 若是豪华型的椅子, 我们的各项尺寸就可以
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定的松一些. 若是大众型的椅子, 从成本的角度出发, 我们也许应把尺寸定得稍紧些.
二. 确定使用对象
我们已经看到不同类的人的尺寸差异是比较大的, 因此我们在设计中就应该考虑
使用对象: 谁将使用这一产品? 是男的还是女的, 是老的还是少的, 是在国内销售还是
出口, 若出口, 到哪个国家? 一件产品对某一类的使用者是适合的, 对另一类使用者可
能就是不合适的, 如我们上面已经提到的日本汽车出口到美国的例子.
三. 确定相关的人体尺寸
不同的产品涉及到人体的不同的尺寸.� 如各种劳动工具涉及到人手的尺寸.在设
计座椅时, 我们要考虑到人的膝高, 坐深, 臀宽, 坐姿肘高等. 这些尺寸的重要性也是
不同的, 有时甚至是相矛盾的, 这需要在设计时统筹考虑.
四. 决定极限百分比
这是我们上面已经讨论过的设计方案问题. 是按平均尺寸设计? 还是按高个子或
矮个子设计? 这需要根据具体的产品来定. 设计中常用的两个百分度是 90%�和 95%. 随
着人们生活水平的提高, 现在提倡尽量提供可调整的产品, �如可调整高度的椅子等,
当然, 这样制造成本就增加了.
五. 根据查表或测量确定所需要的数据
人体尺寸数据在各类设计手册中可以查到, 一般的手册都给出均值和均方差. 这
时我们可以根据正态分布的假定, 算出设计要求对应的百分比度. �若设计手册中没有
设计中的涉及的人口分布的数据或没有设计中涉及到的尺寸, 那么就只有通过实际测量
的方法获得需要的数据. 用实测的方法, 数据的适用性增加, 但时间和费用也增加. 当
涉及到的人数量很大时,可能不得不只对有限的样本进行测量, �这时就应该用统计的方
法控制样本的偏差.
六. 向有关设计人员提供数据
获得了需要的数据后, 可向产品的硬件的设计者提供数据. 产品的设计者也许会
根据技术要求对某些数据提出修改意见. 一般说来, 在硬件的设计者与人类工效学专家
的意见相左时, 后者往往处于不利地位, 但让硬件设计者事先知道人类工效学方面的建
议比在产品生产出来以后才发觉有问题还是要好得多. 当产品的设计者把产品设计出来
之后, 让他为了使使用者操作起来更方便而修改整个方案几乎是不可能的, 这不仅使成
本增加, 也影响设计人员的自尊心. 相反, 在设计的初级阶段, 让设计人员注意产品的
使用方便问题是不难的. 因为这样设计出来的产品, 不会增加产品的成本, 而且若使用
方便, 设计者也会感到十分高兴. 所以重要的是人类工效学者的意见应尽早地让设计人
员知道.
� 那么就只有通过实际测量的方法获得需要的数据. 用实测的方法, 数据的适用性
增加, 但时间和费用也增加. 当涉及到的人数量很大时,可能不得不只对有限的样本进
行测量, �这时就应该用统计的方法控制样本的偏差.
六. 向有关设计人员提供数据
获得了需要的数据后, 可向产品的硬件的设计者提供数据. 产品的设计者也许会
根据技术要求对某些数据提出修改意见. 一般说来, 在硬件的设计者与人类工效学专家
的意见相左时, 后者往往处于不利地位, 但让硬件设计者事先知道人类工效学方面的建
议比在产品生产出来以后才发觉有问题还是要好得多. 当产品的设计者把产品设计出来
之后, 让他为了使使用者操作起来更方便而修改整个方案几乎是不可能的, 这不仅使成
本增加, 也影响设计人员的自尊心. 相反, 在设计的初级阶段, 让设计人员注意产品的
使用方便问题是不难的. 因为这样设计出来的产品, 不会增加产品的成本, 而且若使用
方便, 设计者也会感到十分高兴. 所以重要的是人类工效学者的意见应尽早地让设计人
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员知道.
� 第三章 人体的肌肉系统
在日常生活和工作中, 我们经常需要使用力气. 如在搬运东西时, 我们需要手,
腿, 或肩膀使劲. 既使在站立不动时, 我们的脚和大腿也在用力, �否则我们就站不住.
人体的力量是由人的肌肉系统提供的, 为了在工作时省力, 或不至于劳累过度, 我们需
要了解人体的肌肉系统.
第一节 生物原理
一. 肌肉的结构
人能够运动是因为有分布在全身的肌肉, 它差不多占人身体总重量的�40%. 每一
块肌肉又是由许多肌肉纤维组成的. 有的肌肉纤维只有 5毫米长, 而有的则可长达 140
毫米. 肌肉纤维的半径在 毫米左右. �一块肌肉包含十万到一百万这样的纤维. 纤
维的终端组成一块肌肉筋. 长肌肉纤维有时是成串地连接在一起的�. 在每个肌肉的终
端, 肌肉筋联在一起形成一个硬的, 无弹性的肌肉键, �肌肉键是紧贴在骨骼上的.
肌肉的一个最重要的特点是它可以缩短到正常尺寸的一半左右, 这种现象我们称
之为肌肉收缩. 肌肉收缩的功率随着肌肉长度的增加而增加. �肌肉纤维含有蛋白质,蛋
白质中肌动朊和肌浆球蛋白的作用是十分重要的, 因为正是它们的收缩而带动肌肉收缩
的. 在肌肉收缩的过程中, �肌动朊纤维据认为缩进肌浆球蛋白之间的, 如图 3-1所示.
每个肌肉纤维收缩时都有一定的力量, 一块肌肉的力量是这些肌肉纤维力量的总
和. 人的肌肉的最大力量介于 因此截面积为 100mm2�的肌肉可以
支持 3-4公斤的重量(30-40N). 这样一个人的潜在的力量首先取决于他的肌肉的截面积.
经过相同的训练, �一个女子由于肌肉较小可以施展的力大约比一个男子少 30%.肌肉在
它开始收缩时力量最大, 以后随着肌肉的缩短力量也开始减弱.
│ │
├─── ─────┤
│ ━━━━━━━━━ │ 肌动朊纤维
├─── ─────┤
│ ━━━━━━━━━ │
├──── ─────┤ 肌浆球蛋白
│ │
图 3-1. 肌肉收缩示意图
二. 能源的来源
在肌肉的收缩过程中, 机械能的产生是由消耗肌肉中贮存的化学能转化来的, 肌
肉工作实际上是一个化学能向机械能转化的过程. 能量的释放是由于肌动朊纤维和肌浆
球蛋白中的蛋白质分子发生的化学反应而引起它们位置的变化, �产生收缩. 收缩的直
接能源是在化学反应中含有丰富的磷酸脂由高能状态变为低能状态. 肌肉内的大部分
能源来自于三磷酸腺苷(ATP), �当它转化成二磷酸腺苷时释放出大量的能量. ATP不仅
存在于肌肉中,� 差不多存在于所有的生物组织的纤维中,作为一种随时可以释放能量的
贮备. 肌肉纤维中的另一个化学能源是磷肌酸, �它分解成磷酸和肌酸时能释放同样重
要的能量.
低能磷化物在肌肉内不断地转换成高能状态, 这样肌肉内贮存的能量才不会下降,
这是自然界的一个奇迹, 就相当于用完了的汽油又变成了汽油. �但是这种高能磷化物
的再生自身也需要能源. 这种能源是从葡萄糖, �脂肪中的元素和蛋白质得到的. 在剧
烈的, 大量的体力劳动中, 葡萄糖--血液循环里最重要的糖--�是主要的能源供应. 在
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休息或中等强度的劳动时, 脂肪中的元素(脂肪酸)�和蛋白质是主要的能源供应. 因此,
葡萄糖, �脂肪和蛋白质这些营养物质是间接的能量来源, 为了使 ATP和其他能源丰富
的磷化物的贮存得到不断的补充.
葡萄糖从血液中进入细胞, 在细胞中被转化成外消旋酸. 从这里, 化学分解将沿
着两个方向进行, 取决于氧的供应是否充分. 如果氧气充分, �外消旋酸在氧化的过程
中被分解, 产生水和二氧化碳, �这可以释放足够的能源以重新组成大量的 ATP.
如果氧气不充分, 正常的外消旋酸的分解便发生不了, 相反,�它被转换成乳酸.
乳酸是新陈代谢中的一种废物, 它使人产生肌肉疲劳和酸疼的感觉. �这个过程中只释
放少量的能源帮助高能磷化物的重新组结.
在剧烈的运动时, 人们有时感到呼吸不过来. 这实际上是他想通过大量的呼吸来
弥补氧气的不足, 他想偿还他的"氧负债". �这个氧负债是由于已经发生的大量的能量
的消耗引起的, 需要额外的氧气以把乳酸换回成外消旋酸, �重新构造高能的磷化物.
当这个过程完成以后, 能源可以重新从氧化外消旋酸获得.
正如前面已经提到过的, 蛋白质和脂肪也包括在这些新陈代谢中. 当这些物质的
分解达到某一阶段时, 它们产生的脂肪酸和氨基酸然后也会与外消旋酸一样,经过进一
步的分解变成水和二氧化碳,这最后一个阶段也产生肌肉运动所需要的能量.
产生能量的重要源料--葡萄糖和氧--在肌肉中只贮存了很少一部分, 因此它们需
要不断地从血液中得到补充, 因此是血液的供应最后限制着肌肉运动的效率. 在一块肌
肉处于运动状态时, 它对血液的需要量增加了好几倍. �为了满足这个需求, 血液循环
系统开始发生一些变化: 心跳加快而且有力, 血压增加, �通向肌肉的血管开始扩张.
下表是斯切尔(Scherer)发现的人的肌肉在不同状态下的血液的循环量.
表 3-1. 在不同状态下肌肉的血液供应量
静止时 4毫升/分钟/100克肌肉
中等劳动 80毫升/分钟/100克肌肉
重体力劳动 150毫升/分钟/100克肌肉
三. 肌肉运动中的电现象
人们很早就发现肌肉在收缩过程中伴随着电现象, 这与神经中的脉冲产生的电现
象是相似的. 最近几十年, 由于非常先进的生物电子设备的应用, �关于肌肉电现象的
研究也比较详细了. 我们可以把这些研究结果归纳如下:
(1) 静止时肌肉纤维有一个 90微伏的电位--被称为静止膜电位. 肌肉纤维的内部
相对于外部带有负电.
(2) 肌肉开始收缩时, 静止电位迅速消失. 肌肉纤维的内部开始带正电. 这个电
位被称为行动电位. �我们称之为行动电位是因为这个电位是在神经行动的同时产生的.
肌肉中的行动电位大约持续 2-4毫秒, 然后以每秒 5�米左右的速度沿着纤维方向沿伸.
(3) 行动电位的产生包括肌肉纤维膜的去极和重新极化两个过程. 在这期间, 肌
肉不可以被新的神经命令所刺激起来, 所以这段时间又被称作绝对不应期, 这段时间持
续大约 1-3微秒. 与神经系统相似, 肌肉纤维的去极和重新极化包含着钾离子和钙离子
的反向运动.
肌肉的电现象可以通过放大器, 以皮电图的方式记录下来. 肌肉的电流可以在肌
肉所在的皮肤表面贴上电极来测量. �另一种不很常用的方法是将一根电极针插到肌肉
内, 这样就可以测量某一单个肌肉的情况. �在皮肤表面的电极测的是整块肌肉的电现
象. 这种方法使用两个面积为 100平方毫米的电极, 两个电极分开几公分贴在皮肤上.
�皮电图测量仪通常还要将两个电极输出的结果进行合成和放大. 这种方法到目前取得
的结果还比较有限, 因为使用不同的电极和在不同的试验中得出的结果到目前还不一致.
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尽管如此, 皮电图显示了当肌肉活动增加时�, 对应的电活动也增加了, 这对于调查人
在不同的姿式下的肌肉负荷情况特别有用.
第二节 静负荷
一. 静负荷的概念及特性
肌肉的负荷可以分为两种形式. 一种是动态的(节奏性的)负荷, 简称为动负荷.
一种是静止不动的负荷, 简称为静负荷. 转动手轮属于动负荷的例子, 而把手伸出持住
一重物则属于静负荷的例子.
这两种形式的肌肉负荷可以描述如下:
(1)动负荷的特点是收缩, 伸展, 紧张或放松交替地进行.
(2)反过来, 静负荷的特点是肌肉长期处于收缩状态. �这通常发生在保持某一姿
式不动.
在动负荷的情形下, 负荷可以由肌肉缩短的长度与所施展的力的乘积来表示. 在
静负荷状态下, 肌肉没有伸展, 而是保持在一个较高的紧张状态, 力要保持相当的时间.
在静负荷时, 没有看得见的功, 也不能用重量*距离来测量. 这很象电磁铁. 电磁铁为
了吸住一定的重量要消耗大量的能量, 但外表好象没做有用的功.
动负荷与静负荷显然有根本的不同. 在静负荷中, 血管被肌肉组织内部压力所压
迫, 所以血液不再流入肌肉. 相反在动负荷中, 正如走路一样, �肌肉的作用就象是血
液循环系统的水泵一样, 收缩时把血液压出肌肉, �紧接着的松驰又把新的血液带到肌
肉中来. 由于这种方法, 血液的供应比平时大好几倍. 事实上, �肌肉可能接受比平时
大 10-20倍的血液. 因此在动负荷情况下, 肌肉有充分的血液供应, 始终保持着高能状
态的糖和氧, 同时废物被随时带走. 而在静负荷状态下�, 肌肉从血液中得不到足够的
糖和氧, 不得不依赖于自己的贮存, �而且更为不利的是废物不能被排出. 这些废物积
累起来, 形成我们所感觉到的肌肉疲劳和酸疼.
由于这个原因, 在静负荷状态下, 我们不能保持工作很长一段时间. �疼痛的感
觉将迫使我们放弃这项工作. 相反, �一个动负荷可以保持很长一段时间而不感到疲劳,
条件是我们选择一个合适的节奏. �在人体中只有一块肌肉事可以不停地工作而不被损
坏和感到疲劳. 这就是心脏的肌肉.
二. 静负荷的产生
在日常生活中, 我们的身体不得不经常承受静负荷. 例如当我们站立时, 我们的
大腿, 臀部, 背部和颈部的许多肌肉都处在静负荷之下. �正是由于这些静负荷, 使我
们的身体可以保持许多不同的姿式. 当我们坐下时,我们腿部的肌肉得到了解放, 身体
的整个静负荷都得到了减弱. 当我们躺下时, �我们身体内的所有静负荷差不多都消失
了, 这就是为什么躺着是最好的休息方式. 在静负荷与动负荷之间并没有明显的界线.
通常某个特定的工作一部分是静态的, �一部分是动态的. 由于静负荷比动负荷更艰难,
在混合负荷情况下, 静负荷有更大的重要性.
一般而言, 在下列情况下应考虑静负荷的影响:
(1) 使用很大的力持续 10秒钟以上.
(2) 使用中等程度的力持续 1分钟以上.
(3) 轻度的力(人的最大力的三分之一左右)持续 4分钟以上.
几乎所有的工厂, 所有的职业都有静负荷的因素. 下面是最常见的例子:
(1) 向前或向侧面弯腰的工作.
(2) 用手握住东西不动.
(3) 把手向前水平地伸出.
(4) 一只脚踩踏板时把身体的重量都放在另一条腿上.
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(5) 在一个地方站着不动很长一段时间.
(6) 推或拉很重的物体.
(7) 把头向前或向侧面弯得很厉害.
(8) 把肩膀抬起很长一段时间.
一般说来, 姿式不自然是一种最常见的静负荷.
三. 静负荷的影响
在静负荷时, 血液流动所受到的阻力与静负荷的值是成正比的. 当这个负荷达到
了肌肉的最大力的 60%时, 通向这块肌肉的血液差不多完全被阻断. 在负荷较低时, 一
定量的血液循环还是可能的, 因为这时肌肉的紧张程度要低些. �当负荷低于最大力的
15-20%, 血液流动基本正常. 显然, 肌肉产生的力量越大, �即肌肉的紧张程度越高,
肌肉就越容易疲劳. �这种关系可以用肌肉可收缩的最长时间与肌肉产生的力之间的关
系来表示. 莫罗德(Morod)研究了这两者之间的关系, 其结果如图 3-4所示:
从图 3-4中我们可以看出, 当肌肉产生的力达到其可能产生的最大力的 50%时,
肌肉的收缩可持续不到 1分钟. 当肌肉产生的力不超过最大力的 20%, �肌肉的收缩可
持续相当的时间. 但是其他许多研究发现, 为最大力 15-20%�的静负荷若持续许多天或
几个月, 也会引起肌肉的疼痛, 所以许多专家们认为, �如果静负荷不超过最大力的 8%,
那么人可以每天工作几个小时而不感到疲劳.
在大致相当的条件下, 相对于动负荷, 静负荷导致:
(1) 更高的能量消耗;
(2) 心跳的增加;
(3) 需要更长的恢复疲劳时间.
这是很容易理解的,� 如果我们注意到一方面没有充分的氧气参加新陈代谢,因而
释放较少的可以重新产生高能磷化物的能量, 另一方面产生了大量的乳酸�, 乳酸干扰
肌肉的工作. 供氧的不足在静负荷下是不可避免的, �这也将不可避免地降低肌肉的工
作效率.
图 3-5是一个很好的静负荷增加人的能量消耗的例子. 玛荷特(Malhotra)等发现
学校的学生把书包提在手里比把书包背在背上所消耗的能量要多一倍多, �这增加的氧
耗是由于用手提书包时, 手臂, 肩膀和躯干所产生的静负荷所致. �图 3-�6 是一个静负
荷使心跳增加的例子. 荷汀格(Hettinger)发现, 把土豆蓝子拿在手时比挂在肩上心跳
要高 14次/分钟. 这一蓝子土豆的重量占人的左手最大力的�38%. 他结论道, 心跳的加
快完全是由于左手的静负荷引起的.
静负荷使肌肉产生疲劳, 这种疲劳可以慢慢地发展成不可忍受的疼痛.�如果人的
身体的某一部分每天都承受相当的静负荷, 经过较长的一段时间, �人就会或多或少地
感觉到疼痛, 这不仅涉及到肌肉, 也涉及到骨骼, 关节, �肌肉键及身体的其他结构.
这一类问题我们用肌骨失调来统称.
一些调查研究已经表明静负荷与下列疾病是相关的:
(1) 关节浮肿;
(2) 肌肉腱销浮肿;
(3) 肌肉腱节点附近发炎.
(4) 关节的坏死, 慢性关节炎.
(5) 肌肉抽筋;
(6) 脊椎毛病.
肌骨失调可以是可矫正的, 也可能是永久性的. 可矫正的肌骨失调的症状是短暂
的. 这种疼痛位于某一肌肉或肌肉腱, 当负荷撤消后, 疼痛就消失了. �这属于疲倦性
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疼痛.
永久性的肌骨失调也位于受压的肌肉和腱, 但也影响到邻近的关节和其他组织.
当外部的负荷消失之后, 疼痛并不消失, 而是继续存在. 根据冯.瑞利(�van Vely)的调
查, 永久性的肌骨毛病对一年到头操作同一机器, 或手工操作, �但工作台太高或太矮
的老工人中很常见. 静负荷可能导致的毛病归纳在表 3-2中:
表 3-2. 静负荷与肌骨疼痛
工作姿式 可能影响的部位
站在一个地方 小腿, 大腿, 静脉血管
坐着没有背靠 背部的肌肉
坐椅太高 膝盖, 小腿, 脚部
坐椅太低 肩膀, 脖子
站着或坐着时躯干前倾 腰椎附近, 脊椎
手臂向前或向侧面伸出 肩膀, 手臂, 肩关节
过度地向前或向后低头 脖子, 脊椎功能的下降
手不自然地抓起东西 手臂, 可能引起肌肉腱的发炎
�
第四章 人的神经系统
第一节 人的神经系统
一. 神经系统的结构
人的中枢神经系统包括大脑和脊髓. 人的周身的神经要么是从脊髓到肌肉(运动神经),
或者是从皮肤肌肉感觉器官到脊髓或大脑(感觉神经). �感觉和运动神经与他们以及与
它们相联系的神经通道和中心在脊髓和大脑组成了躯体的神经系统. 这个系统把人的生
物体与外界世界通过感觉和知觉和反应连接起来.
与这个系统相对应的是内脏或自动的神经系统. �这个系统控制所有的内部器官:
血液循环, 呼吸器官, 消化器官, 腺等等. 内脏神经系统因此管理着对人的生命十分重
要的内部结构.
完整的神经系统由成百万的神经细胞组成, �每一个神经细胞元有一个细胞本身和
一个相对较长的神经纤维组成. 细胞本身是一毫米的千分之几, 而细胞纤维可能比一米
还长. 图 4-1显示了一个神经细胞的构成.
二. 神经的功能
神经系统本质上是一个控制系统. 它控制着外部的和内部的运动, �并监视着各种
感觉器. 一个神经细胞的工作取决于它对刺激物的敏感性和它把一个刺激物沿着神经纤
维传递的能力. 当一个神经细胞受到刺激产生的脉冲沿着神经纤维送到工作中的器官.
这个器官也许是一块肌肉纤维, 也许是其他东西.
神经脉冲具有电波的性质, 神经并不是"电话线"被动地传送脉冲, �一个神经脉冲
是一个活跃的过程, 自动产生, 消耗能量, 更象一个保险丝或一个慢导火线.�与保险丝
不同的是神经纤维用过之后并没有死, 在零点几秒之内, 它可以再生. 在经过所谓的恢
复期, 它又可以接受信号. 神经纤维不能输送连续的直电流, 而只是单个的脉冲, 在两
个脉冲之间有短暂的间隔. 对于不同的神经, 传递速度是很不相同的, 运动纤维的速度
是每秒 70-100米, 其他纤维的传送速度是 12-70米/秒之间.
三. 神经脉冲的性质
神经脉冲是什么: 与肌肉纤维一样, 神经纤维有一个休息膜电位. 在休息时, 膜
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细胞是被极化的, 在外部主要带正电, 在内部主要带负电, 膜去极的过程就产生神经的
脉冲. 在去极过程之前的电位是-70毫伏, 去极过程中电位变为+35毫伏,�然后去极过
程结束, 重新极化过程开始, 直到达到-70毫伏的电位, �细胞可以开始下一次脉冲.
在细胞膜极化和去极过程是产生的电波叫行动电位, �这就是神经脉冲的所在内涵.
四. 行动电位的原因
因此神经电位是极化和去极过程中的一个电波, 它沿着神经纤维以每秒 12-20米
的速度前进. 打破静态电位的去极过程的产生是由于细胞膜的渗透性的突然变化, 使得
带正电的钙离子可以进入神经纤维的内部, 几乎是同时, 神经纤维内部带正电的钾离子
也向外运动, 但由于钾离子的数量小于钙离子的数量, 所以使细胞内部带正电离子的急
骤增多. 正是这些电离子的运动产生了去极过程的行动电位.
在紧接着的重新极化过程中, 这些带电的离子向相反的方向移动, �钙离子向外,
而钾离子向内. 我们回到了出发点, 神经膜的初始电位得到恢复. 这一机械过程被称为
钙- 钾离子水泵. 这并不是人的神经元所特有, 几乎所有的生物细胞都有这一特性. 这
一机械水泵所需要的能量是由 ATP提供的. �钙和钾离子的运动是神经能够对刺激物作
出反应并产生脉冲的一个基本条件. 神经系统也需要能源, 主要是保持神经膜的电位.
这个能源是由 ATP产生的. 当神经处于活动状态时, �它的新陈代谢活动差不多增加了
一倍, 但与骨胳肌肉在收缩时的能量相比, 这个增加量是很小的, 在肌肉活动时, 新陈
代谢增加十倍.
五. 肌肉的神经分布
每一块肌肉都是通过两类神经系统与大脑这一控制中心连在一起的. �这两类的神
经是: 传出也叫运动系统, 传入也叫感觉系统.
运动神经把神经脉冲, 在这种情况下是运动命令, 从大脑带到骨胳肌肉, �在这里
它们带来收缩或其他运动指令. 在一块肌肉内, 这个神经被分成几个纤维, 每一个纤维
与几个肌肉纤维连在一起. 每一个运动神经细胞与它们所在的肌肉纤维一起组成一个运
动单位, 在做比较精密的技术性工作时, 每个运动单位只有 3-6个肌肉纤维, 而在做重
体力工作的肌肉中, 一个神经元也许会分布在 100个肌肉纤维上.
在运动神经细胞的末端, 神经纤维的膜变厚. �这里就是运动脉冲从神经纤维跳到
肌肉纤维的地方. 这也是行动电位最终引起肌肉收缩的地方.
感觉神经把肌肉的脉冲带到中心神经系统, 或是脊髓, 或是大脑. �感觉脉冲是信
号的承担者, 它或者被中心神经系统用来指挥肌肉系统, 或者是被作为信息被贮存起来.
一种特殊的接收器官被称为肌肉纺锤体, 与肌肉纤维平行, �在肌肉腱的两端终止.
肌肉纺锤体对肌肉的伸展很敏感, 并把这类信号送到脊髓.
感觉反应的另一个器官是戈尔基器官, 这个器官包含有一个网状的神经节, �这些
神经节依附在肌肉腱上. 每当肌肉腱受到压力时, 戈尔基器官就把压力感觉脉动送到脊
髓.
在脊髓, 感觉脉冲通过一个中间神经元传到肌肉神经, �这样新的脉冲返回到肌肉.
这种由感觉神经传入然后又由运动肌肉神经传出到同一肌肉的系统被称为反射弧. 这样
的反射弧使肌肉的紧张与肌肉的长度不断地相互调整, 肌肉纺锤体和戈尔基器官是这个
调节系统的探测器.
其他的感觉系统把肌肉脉冲送到脊髓内的第一级神经细胞, �然后到大脑中的第二
级中介细胞, 最后达到大脑皮层, 在这里传入的脉冲最终被转换成为感觉, 这也是肌肉
产生的疼痛怎么感觉到的.
第二节 人的视觉系统
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世界是丰富多彩的, 而我们是通过眼睛感受到这个丰富多彩的世界的. �在日常工
作和生活中, 我们获得的信息大约 85%都是通过我们的视觉系统获得的. �因此了解人
的视觉系统, 对于提高人的工作效率是有帮助的.
一. 人的视觉器官
视觉器官的外周感受器是眼睛. 人的眼睛的特点是神经细胞高度发达, �具有完善
的光学系统以及各种使眼睛转动并调节光学装置的肌肉组织.
人的眼睛的外形接近于球形, 所以也常被称为眼球. �眼球被一层被称为眼球壁的
一层组织包围. 眼球壁由巩膜, 脉络膜和网膜组成.
巩膜在眼球壁的最外层, 呈白色, 它主要起着巩固, 保持眼球的作用. �巩膜前面
的透明部分叫角膜, 它好象是眼睛的玻璃窗户, 光线从角膜射入眼内.
脉络膜紧巾贴着巩膜. 脉络膜包含有丰富的血管和色素, 起着输送养料, �滋养眼
睛的作用. 脉胳膜的最前面的环状部分为虹膜, 虹膜中央有一个小圆孔, 叫做瞳孔. 瞳
孔的缩小和扩大, 控制进入眼内的光量, 起着照相机上光圈一样的作用.
虹膜后面为水晶体, 透明而有弹性的组织, 象一双凸透镜. �它的边缘有悬韧带,
把水晶体联系在睫状肌上. 睫状肌的收缩和放松, 可以控制水晶体的曲度. 角膜与虹膜
之间的空间为前房, 位于虹膜和水晶体之间的空间被称为后房. 水晶体的后面的空间充
满着叫玻璃液的液体. 角膜, 水晶体, 水样液和玻璃液组成了整个眼睛的折光系统. 它
们使得物体射出来的光线发生折射而成象.
眼球壁的第三层为视网膜, �人的视网膜中央计有一亿三千万个杆细胞和七百个左
右的锥细胞, 它们沿着视网膜的分布是不均匀的. 在视网膜中央的黄斑部位和中央凹附
近只有锥细胞, 几乎没有杆细胞. 在黄斑以外, 杆细胞增多, 而锥细胞数量则减少.
杆细胞的特点是对弱光有高度的感受性, 含有夜视所需要的视紫红质, �对弱光反
应灵敏, 但它不能感受颜色, 对精细的辩别也没有多大的贡献. 锥细胞不仅能感光(在
强光下发生作用), 并且能产生色觉, 辩别细节, 含有强光视觉所需要的视紫蓝质.
杆细胞和锥细胞有着不同的视觉功能. 杆细胞是暗视觉器官, �而锥细胞是明视觉
器官. 视网膜不同部位的视觉敏锐度的变化是与锥细胞的分布情况一致的. 中央凹的锥
细胞密度最大, 所以中央凹视敏感最高. 在微光视觉中, 中央凹对微光的反应很差, 类
似夜盲, 微光视觉主要是由杆细胞发生作用.
二. 视觉的产生
光线经过角膜进入眼球, 经过水样液, 再经过虹膜 . 虹膜的瞳孔随着光线的强度
变化其口径大小, 起着光圈的作用. 然后光线通过水晶体和玻璃体而到达视网膜. 水晶
体和玻璃体都 有不同的折射率, 使视网膜得到清晰的象. �眼睛的感光系统就是视网膜.
它犹如照相机中的底片. 视网膜的功能是由感光系统传入的光线进行能量转换, 将光能
变成化学能, 再将这部分能量由视神经转化成生物电能送入至双极细胞, 经神经节细胞
传至视交叉. 在视交叉处, 两眼视网鼻侧一边的神经纤维与对侧眼睛颞侧视网膜的神经
纤维汇合形成视束, 上行至对侧膝状全. �神经纤维 在膝状体换元后再投射到大脑皮质
视区. �加一些神经纤维在视交叉处进行顶盖区和上丘, 它们与瞳孔反射及眼动有关.
一般认为, 从视网膜到皮质的整个传导通路保持着解剖上的点与点的对应关系. 因此皮
质视区的微小损伤会引起视野对应部分的失明.
三. 视敏度
视敏度是眼睛辨别物体细节特征的能力, 也称为视力. �视敏度的大小通常用可辨
视角的倒数来测量. 在一定的条件下, 能分辨的视角愈小, 视敏度愈大. 临床上将标准
距离(5米)下分辨出 1分弧视角细节的视敏度定义为 . �在不同测试条件下, 视敏度
的换算公式如下:
19
V=D/D'
式中 V为视敏度, D'为观察者恰能分辨视标细节的距离, 在为形成 1 分视角的标
准距离. 例如一观察者在 5米标准距离下分辨出与眼构成 分弧视角的细节, 而这视
标与眼睛形成 1 分弧视角的距离为 米, 则视敏度为:
V=5/=
四 影响视敏度的因素
人的视敏度容易受主客观因素的影响而发生变化, �下面我们对一些主要因素作一
简单讨论.
1. 照明强度. 照明水平对视敏度有明显的影响. 照明强度增加, 人眼对物体的最
小视觉减少. 照明强度减弱, 人眼对物体的最小视觉增加. 但照明对人眼视敏感的影响
随照明强度的增加而逐渐减慢. 这个规律被称为照明收效递减规律.
2. 亮度比. 亮度比是指观察目标与背景之间的亮度别, 一般由下式表示
C=(BT-BB)/BB
式中, C为对比度, BT为目标亮度, BB为背景亮度. 亮度也可以是负值, �表示目标亮
度低于背景亮度. 亮度过大和亮度比过高会产生眩光. 眩光会引起瞳孔变小, 使对象与
背景间的对比减弱, 对视敏度发生不良影响.
3. 暴光时间. 在一定的时间范围内, �人眼感受性随光刺激时间的增长而提高.
4. 运动. 观察目标运动, 或两者同时运动都会引起视敏度一下降. 当运动速度超
过 60度/秒时, 动态视敏度(DVA)迅速下降.
5. 主体因素. 视敏度受主体的多方面因素的影响. 例如, 在视网膜的不同部位上,
视敏度有时较明显的差别. 中央 处视敏度高, 离中央愈远,� 视敏度越低.视敏度也与
瞳孔有关. 当瞳孔直径小于 1毫米时, �视敏度与瞳孔直径保持精确的线性关系. 瞳孔
直径继续增大, 视敏度的提高减慢; 当瞳孔直径从 毫米增至 5毫米时, 视敏度不再
提高. 此外,� 人的视觉系统往往随年龄的增长出现一些异常变化(如眼睛晶状体调节能
力下降, 瞳孔缩小, 眼球内透明度下降以及视网膜和相应的神经通路和中枢功能退化等),
也会引起视敏感下降. 视敏感在 14-20岁阶段最高, 在 20-40岁阶段稳定, 40岁以后
开始下降, 60岁以后视敏度只有 20岁时的 1/3--1/4.
五. 视野
视野指人的头部固定不动时, 眼睛注视正前方所能看见的空间范围, �常用角度来
表示. 人的视野可以分为三个部分. 最中间的部分, 即在眼睛焦点的 1度之内, 人的眼
睛看这个区域内的东西可看得特别清淅,� 被称为内视野区或最佳视力区.从 1度到 40
度被称为中部视野区. 在这一区域东西开始变得模糊起来, �但人的眼睛可以发觉这一
区域的运动目标和过高的对比度. 外视野区指中视野区以外直到眼睛受到头部遮掩的地
区, 这对应于 40-70度. 人眼对外视野内的物体很不敏感.
六. 视觉适应
我们都有这样的经历, 当电影已经开始后我们走进电影场时, �最初我们什么也看
不到, 但慢慢地, 周围的物体变得比原来清楚多了. 日常生活中有许多这样的例子. 这
是因为当视觉环境中的光量发生变化时, 眼睛的对光感受性随之发生相应的变化, 这种
现象称为视觉适应. 视觉适应有暗适应和明适应两种.
1. 暗适应. 当人们从明亮的环境转入到黑暗的环境时, 开始时视觉感受性很低,
然后逐渐升高, 这个过程称为暗适应过程. 一个完全的暗适应过程约需 30分钟以上.
图 4-3是暗适应曲线. 暗适应主要是由两种机制实现. 第一, �当人刚进入黑暗环境时,
眼睛瞳孔放大以增加进入眼睛的光量. 第二, 视网膜感光受细胞的光色素的化学反应过
20
程, 尤其是视紫红质在暗环境时的还原, 使眼睛的感受性大大提高.
2. 光适应. 光适应是指当人从黑环境转入光亮环境进时, 眼睛感受性降低的过程.
人眼的光适应完成很快, 大约需要 1分钟. 图 4-4给出了一个光适应的试验结果. 值得
注意的是, 当亮光只射入到视网膜的一小部分时, 整个视网膜都进入光适应状态. 这就
是为什么有时尽管眩光只照到我们的余光, 我们眼睛也很难看清眼睛中心比较暗的物体.
第三节 人的听觉系统
除了视觉之外, 人的听觉系统是人的接受外界信息的一个主要通道. �因此了解人
的听觉系统的特性, 对于改善人的信息接受, 提高人的工作效率也具有十分重要的意义.
一. 人耳的构造
人的听觉系统主要是听觉器官, 即人的耳朵. 人的听觉器官包括外耳, 中耳, 内
耳三个组成部分, 如图 4-5所示.
1. 外耳. 外耳由耳廓和外耳道组成, 主要起集声和传声作用. 外耳道像一根一端
封闭的管子, 闭端的声压大于开端的声压. 它对频率在 3800-4000赫 �范围内的声波
发生共振, 使其响度增益 12BA左右. 声波频率偏离该范围时, 增益相应减低. 例如它
对于 2000赫以上的声波的增 益约为 5D BA.
2. 中耳. 中耳主要是由鼓膜和蝗小骨组成. 鼓膜位于外耳道内端, 它将外界声波
传至中耳. 鼓膜的声能传递效率随声波频率的提高而增大, 约在 1500赫处达到最大值.
鼓膜的紧张程度通过中枢神经系统的调节可以加以改变, 使强弱不同的外界声音都能有
效地传递, 普可保护内耳免受强声音的损害.听小骨系统包括砧骨�, 锤骨和蹬骨. 它们
在中耳 与内耳卵圆窗之间起着杠杆作用.
3. 内耳. 内耳是由前庭器官 (与听觉无关) 和耳蜗组成. 耳蜗的外形极像蜗牛的
螺旋壳体. 耳蜗由基底膜分隔成两部分. 两部分在耳 蜗顶端有小孔相通. �耳蜗内部充
满淋巴液. 基底膜由大量的横纤维组成, 这些纤维从耳蜗底部到顶部逐渐增长. 蝗觉感
受器---科蒂氏器官按声压的变化发生振动. 这种振动促使基底膜 与盖膜发生相对运动,
从而改变了毛细胞与盖膜间的位置关系, 由此产生了完全复制声间音振动的电位波形--
-微音器电位.
对不同频率的声音激发不同的听觉的解析, 主要有两种学说----地点说 (�共呜说)
和行波说. 地点说认为, 基底膜不同部位的纤维, 由于长度不同, �分别对不同频率的
声音发生共鸣, 其原理正如竖琴弦. 短纤维对高频声音反应, 长纤维对低频声音反应.
不同纤维的振动转化为相应的神经冲动模 式传 导至听觉 中枢, �产生了音高听觉. 行
波说认为, 任何声音刺激都能引起整个基底膜 振 动, 不同频率的声音 在耳蜗 不同的
部位产生最大振幅 (高音在耳蜗底部, 低音在耳 蜗顶部)�,音高的感 觉取决于产生最
大振 幅的部位. 目前的研究事实还不足以肯定一种学说而否定另一种学说, 但人们一
般倾向于支持行波说.,
第六节 注意
行, 就是因为我们对走路已经相当熟练, 只要给予少量注意资
第五章 人的信息处理系统
随着科学技术特别是电子技术的飞跃发展, �从事脑力劳动或准脑力劳动的人已越
来越多. 提高这些人的劳动效率, 已具有越来越重要的地位. 为了提高从事脑力劳动的
工作效率, 我们应当对人的信息处理系统的特性有一个了解.
第一节 人的信息处理系统模型
一. 唐德斯的减法模型和斯特伯格的加法模型
一个多世纪以前, 心理学家唐德斯发现人的选择反应时间大于简单反应时间. 他
21
因此提议通过用选择反应时间减去简单反应时间就可能得到人的信息处理过程作出一个
选择的时间. 同样的, 用这种方法也可以算出人的信息处理过程中其他阶段的时间. 这
就是唐德斯的减法模型, 他是建立一种最古老的心理学的假定之上的: 人的信息处理系
统包括几个连续的, 具有相对独立功能的阶段. �唐德斯的模型很简明, 直观, 但是除
了对简单反应到选择反应这一情形外, 把这个模型用到更复杂的信息处理过程很少能获
得成功.
┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓
┃ 感 觉 ┠───────────┨ 反应 ┃ 简单反应时间
┃ ┃ ┃ ┃
┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛
┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓ ┏━━━━━┓
┃ 感 觉 ┠──┨ 选 择 ┠──┨ 反 应 ┃ 选择反应时间
┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛ ┗━━━━━┛
图 5-1. 唐德斯的减法模型
二. 威尔福德的单通道模型
单通道模型假定人在某一时刻只能做一件事. �严格的单通道模型是由威尔福德根
据心理不应期试验的结果提出的. 在心理不应期试验中, 在一定的时间内连续地向被试
者显示两个刺激信号. 通过试验发现当两个刺激信号的时间间隔非常短时, 被试者对第
二个信号的反应比对第一个信号的反应要长, �就象是人对第一个信号做出反应之后才
来处理第二个信号.
威尔福特认为被试者对第二个信号的反应时间可以用下面的公式来预测:
RT2=RT1+DT2-ISI
式中 ISI是两个刺激信号之间的时间间隔, DT2 是处理第二个刺激需要的时间, �RT1
和 RT2是分别是被试者对第一个和第二个刺激信号的实际反应时间.
但是, 在试验中被试者对第二个刺激信号的反应时间大于上式预测的结果�. 威尔
福特解释道这是因为在第一个反应作出之后, 被试者需要一点时间来检查第一个反应是
否作对了, 即在被试者作出反应之后有一个反馈阶段, 只有当反馈阶段也完成之后, 被
试者才开始处理第二个信号. 换句话说, 试验中的时间值大些是因为中间包括一个上面
模型没有考虑的反馈时间.
当两个刺激信号之间的时间间隔非常短, 即小于 100微秒时, 被试者对第二个刺
激信号的反应就一点也没有被耽搁, 有时对第二个刺激信号的反应在第一个刺激信号的
反应之前发生. 威尔福特解释道这是由于组合效用的存在, 即被试者把两个刺激信号当
作一组, 因此对两个信号作出了不分先后的反应.
�威尔福特单通道模型的核心内容是当人的信息处理系统已经开始处理某一信号之
后, 后来的信息就不能够进入这个系统直到前一个信号被处理完了以后. 威尔福特模型
的理论基础是心理不应期. 但是作为一个关于人的信息处理系统的基本模型, 威尔福特
的模型太绝对了. 许多研究结果推翻了关于后来的信息不能进入人的信息处理系统这一
假定. 例如, 卡林等人发现第二个刺激信号的困难程度影响被试者对第一个刺激的反应
时间, 这表明第二个刺激信号在第一个信号被处理之前已经进入了人的信息处理系统.
三. 布若苯特的过滤模型
一九五八年, 英国著名心理学家布若苯特在他的<<感觉与交流>>一书中, �根据他
自己的双耳听力试验的结果提出了一个关于人的信息处理系统的理论, 这个理论被称为
22
过滤理论模型. 见下图. 布若苯特认为在人的信息处理系统中, 在信息到达人的工作记
忆之前, 它们是被平行处理的,� 即人可以同时处理一个以上的信息,但是在通过了工作
记忆之后, 人在某一时刻就只能处理一个信息. 为此人就要对信息进行选择, 以决定哪
个信息被继续处理. 信息的选择主要是根据信息的物理特性, 如声音的音调, 频率, 位
置等, 这种选择就象是一个过滤用的筛子一样, �所以这种理论被称为过滤模型. 没有
被选上的信息被暂时贮存在短期记忆里, 若短期内得不到处理,就很快被人忘记.
┏━━┓ ┏━━━┓
┃ ┃ ┃ ┃ ┏━━━━━━━━┓
────┃ 感 ┠────┃ 过 ┃ ┃ ┃
────┃ ┃────┃ ┃ ┃ ┃
────┃ ┠────┃ 滤 ┃━━━━┃ 信息处理中心 ┃
────┃ 觉 ┠────┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ 器 ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┃ ┗━━━━━━━━┛
┗━━┛ ┗━━━┛
图 5-2. 布若苯特的过滤模型
布若苯特的过滤模型对研究人的信息处理系统起过很大的推动作用. �但是后来的
研究也发现了它的一些问题. 例如莫瑞在他的双耳听力试验中发现. 让被试者专心听某
一个耳朵的信息, 如果另一只耳朵里的讲话中提到他的名字, 哪么他知道. 在另一项试
验中, 切斯曼发现如果没有被注意到的耳朵里的信息在语义上与集中注意力的耳朵里的
信息相关, 人们可以注意到这个耳朵里的内容. 这些研究证明,�在人的信息系统中, 信
息通过了过滤器. 这些研究迫使布若苯特修改他自己的模型, 认为这没有被注意到的信
息只是减弱了, 而不是完全地被挡住了. 也有些学者建议选择发生在反应之前, 而不是
在中枢处理之前.
虽然布若苯特的模型主要是根据双耳听力试验的结果而提出的, �它也适用于其他
的人的信息处理方面的工作. 布若苯特的模型被认为是一种单通道的模型因为它假定人
的信息处理的中枢部分是单通道的. 但是布若苯特的过滤模型比威尔福德的模型适应性
要广泛的多, 实际上可以认为威尔福德的模型是布若苯特模型的一个特例.
四. 克尼曼的单资源模型
克尼曼认为人的信息处理系统比过滤模型所假定的要灵活的多, �因此他提出了一
个单资源模型作为过滤模型的一个补充. 单资源模型假定人的信息处理系统的能力是一
种资源, 有一定的限度的. 在这个限度之内, 人可以相当自由地分配自己的注意力,也
可以同时干一件以上的事情. 不同的脑力活动要求不同程度的注意力. 一个容易做的工
作只占用很少的注意力,� 一个更困难的工作占用更多的注意力.当注意力不能满足工作
的需要时, 人的行为的结果就受到影响或根本无法完成. 根据这个模型, 当人未完成某
一任务时, 或者是由于这个任务超过了人的能力, 或者是人的注意力被集中到其他的事
情上了.
23
五. 维肯斯的多资源模型
�克尼曼的单资源模型对于解释在信息处理过程中由于瓶颈位置没有确定而造成的
矛盾有一定的帮助, 它也能用来解释一些试验结果. 但是也有许多试验结果表明, 有些
工作与某些工作相冲突而不与另外一些工作相冲突, 或冲突很小. 例如,�脑力计算任务
与跟踪任务的冲突就较小, 而与反应时间任务冲突就较严重. 而反过来, 反应时间任务
与跟踪任务和脑力计算任务的冲突都较严重. 这些结果就无法用单资源理论来解释, 反
过来说明有更多的资源的存在.
因此, 美国学者维肯斯根据双重任务试验的结果提出了多资源模型. �维肯斯认为
人的信息处理系统是一个多资源的系统. 这些资源可以按两两对应的关系分为三组. 第
一组是阶段资源, 对应于早期阶段(如感觉)和晚期阶段(如反应), 第二组为两个通道资
源, 对应于视觉和听觉资源, 第三组是过程编译资源, 对应于图象和文字资源. 多资源
理论认为, 人有多个不同的资源, 而不是一个中心的资源, 每一种资源有它自己的一些
特性. 当不同的工作用到不同的资源时, 它们之间的干扰就小些, 如果它们所需要的资
源相同或相近, 它们之间的干扰就大些. 例如, 同时听两个人说话, 就比一边看, 一边
听要吃力些.
从维肯斯多资源理论提出以来, 在人类工效学领域受到了广泛的认同和支持. 最
初多资源理论是用来解释双项任务中人的行为之间的干扰问题的, 现在已经被认为是人
的信息处理系统的一个基本模型. 但是,� 模型中仍有些比较含糊的地方.例如, 一共有
多少资源? 每一种资源的能量有多大? 各种资源之间有什么关系?�维肯斯曾试图建立一
个多资源之间的结构图, 但没有成功. 维肯斯模型的主要问题似乎不在理论方面, 而是
在应用方面. 当前, 维肯斯正在试图用一个干扰矩阵来把这个模型定量化, 但初步试验
结果的结论仍不太明显.
六. 控制与自动过程
�斯克雷德和雪佛瑞根据他们自己所做的一系列的斯特伯格试验的结果提出人的信
息处理系统中有两种基本的处理过程, 一种是控制过程, 一种是自动过程. 自动过程是
一种快速的, 平等的信息处理过程, 不受人的工作记忆能力的限制, 只需要人的很少的
或根本不需要人的直接控制. 这种信息处理过程需要大量的训练才能获得. 相反, 控制
过程则是一种较慢的信息处理过程, 受人的工作记忆能力的限制, 它需要人的大量的,
直接的控制行为, 因而施加给人的脑力负荷较重.
�自动过程形成的一个主要先决条件是在刺激信号和反应之间有一个固定不变的对
应关系. 如果某一刺激总是对应于某一反应, 那么经过大量的训练, 人的信息处理系统
就会产生一个程度很高的平行处理过程. 相反, 如果刺激信号与反应之间的关系在不断
地变化, 那么这种平等处理过程就很难建立. 在自动处理过程中, 有一条绕开人的中枢
处理系统, 把感觉与反应直接联起来的通道.
自动过程是一个重要的概念, �它可以用来解释日常生活中许多同时进行的活动,
如走路, 说话, 读书, 开车等. 斯克协德和雪佛瑞认为, 他们的自动和控制过程可以解
释许多双项任务时的试验结果.
七. 人的信息处理系统的基本结构
24
以上我们介绍了几个关于人的信息处理系统的基本模型, �从这些模型中我们对人
的信息处理系统有一个初步的了解,� 我们把这些模型中的主要观点综合起来,可以得到
以下关于人的信息处理系统的基本组成部分的结构图, 如图 5-3所示. 图中的每一个方
框分别代表信息处理的各个阶段, 箭头表示信息流通方向. 下面先对图中的各个元素给
一个简单的说明:
人的信息处理的第一个阶段感觉. 在这一阶段, �人通过各种感觉器官接受外界的
信息, 然后把这些信息传递给中枢信息处理系统. 感觉内部有存贮器, 以便在中枢信息
处理系统未接受感觉信息之前, 把这些信息先暂时存贮一段时间, 通常在 1-2秒钟之内,
若在这段时间内, 信息还无法进行中枢信息处理系统, �则信息就在这里消失掉. 在感
觉之后是人的中枢信息处理系统, 也被称作认知系统, 或决策系统, 在这里, 人对获得
的信息进行编译, 整理, 选择, 决定采取什么, 这期间, 要不断地与人的记忆发生联系,
从记忆中取决相关的信息, 把有用的信息贮存到大脑中. 在中枢信息处理系统之后, 是
人的反应系统, 它执行中枢信息系统发出的命令, 产生人的信息处理系统的输出. 在信
息经过感觉, 决策, 反应的三个阶段时, 几乎都离不开注意. 人的注意资源量是有限的,
假如有些阶段的信息处理占用了较多的信息资源, 那么其他阶段能分配到的就比较少,
它们处理信息的效率就会因此而降低. 人的注意能力可以随着努力程度的提高而有一定
的提高, 通过学习和训练,�信息处理过程对注意的要求也可以降低. 例如我们能够一边
走路一边聊天, 这两种活动之所以能顺利进行, 就是因为我们对走路已经相当熟练, 只
要给予少量注意资源就可以了.
第二节 感觉
人通过自己的感觉器官获得关于周围环境的各种信息, �因此感觉是人的信息处理
系统的输入子系统. 感觉器官中的感受器是接受刺激的专门装置. 在刺激物的作用下,
感受器的神经末梢发生兴奋, 兴奋沿神经通道传送到大脑皮层感觉区产生感觉. 一般来
说, 一种感觉器只对某种形式的刺激特别敏感, 这种刺激就叫该种感觉器的适宜刺激.
除适宜刺激外, 感觉器对其他刺激不敏感或根本不反应. 例如可见光是眼的适宜刺激,
一定频率范围的声波是耳的适宜刺激. 电或机械刺激虽然也能在眼内引起感觉, 但需要
较大能量, 而且这种感觉是相当粗糙的.
人的感觉有视觉, 听觉, 肤觉, 嗅觉, 味觉, 动觉等多种, �其中视觉和听觉是信
息输入的主要感觉通道. 每种感觉通道都有其特殊的功能和作用, 但也都有其局限性.
这种局限性可能直接影响信息输入, 进而可能影响更高水平的信息处理. 例如, 眼睛视
网膜中视锥细胞和视杆细胞这两类感受器的感光特性限制了信息显示中颜色编码的使用
范围.
感觉器官可接受外界刺激的范围被称为感觉阈限, �感觉阈限有绝对阈限和相对阈
限两个概念.
外界刺激必须达到一定强度才能引起人的感觉. �刚刚能引起感觉的最小刺激量,
叫绝对感觉阈限的下限. 强度比这个值低的刺激不能引起人的感觉. 感觉器官不仅有下
限, 而且还有上限. 能产生正常感觉的最大刺激量, 叫绝对感觉阈限的上限. 作用于感
觉器官的刺激强度若超过这个上限, 就会引起痛觉, 严重时甚至于造成感觉器官的损伤.
人借助于感觉器官不仅能够确定刺激的有无, 而且能觉察刺激的变化或差别. 刚
25
刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别量, 叫差别感觉阈限, 也叫最小可觉差. 每一
种感觉器官的差别感觉阈限不是一个绝对数值, 它随 �最初的刺激强度而变化, 并且两
者之比是一个常数. 这一关系被称为韦伯定律, 可用下式表示:
△I/I=K
式中 I是初始刺激强度, △I为引起差别感觉的刺激强度的增量, K为常数. 韦伯
定律只适用于中等强度的刺激, 而不适用于极弱或极强的刺激. 下表给出了人的感觉系
统对几种刺激物的韦伯分数, 括号中的数据为最初刺激的强度. �从表中我们可以看出,
对于不同的刺激, 韦伯分数是不同的, 也就是相对敏感程度不同.
表 5-1. 最优条件下各种感觉的韦伯比例
感觉 韦伯比例
音高(2000赫)
重压(400克)
明度(1000光量子)
举重(300克)
响度(1000赫, 100分贝)
橡皮气味(200嗅单位)
皮肤压觉(5克/毫米)
咸味(3克分子/公升)
感觉的第二个阶段是把感受到的外界刺激与贮存有大脑中的信息进行比较�, 也即
是对外界刺激进行编码, 使它成为人的信息中心能够识别的形式. 心理学把这一阶段的
感觉叫知觉. 例如, 当有人的眼睛看见了字母"A"之后, �把它与大脑中贮存的"A"对应
起来. 对外界刺激的编码仍然是按感觉通道进行的, 在编码完成之后, 各感觉器官的特
征就消失了. 例如, 在经过的编码阶段之后, "A"�是以什么方式书写的, 或是以什么声
音说出的就没有差别了, 当然, 在编码的过程中, 这些差别是重要的, 它影响人的编码
速度和准确性.
第三节 中枢信息处理
在对信息进行了内部编码之后, 信息就进入了人的信息处理的下一阶段, �中枢信
息处理阶段, 也叫决策阶段, 在这里, 人要对即时收到的信息和记忆中保存的信息进行
分析, 综合, 作出决断. 决策是人的信息处理过程中最复杂, 最富有创造性的工作, 也
是人的信息处理系统的瓶颈. 正是它极大地限度了人的信息处理能力.我们平常所谈到
的"想", "思维", "思考"都发生在这里. 一般认为, 人的中枢信息处理系统是单通道的,
即人在这个阶段, 在某一时刻只能做一件事.
决策是人为了达到一定目标选择行动方案的过程. 根据决策理论我们知道�, 在进
行决策时, 我们首先要确定目标, 找出可达到这个目标的各种方案, 比较各种方案的优
缺点, 然后选出一个最优的(或满意的)方案. 我们都知道在人进行决策时, 受到了决策
者的感情, 性格, 价值观等许多主观因素的影响. 在这里, �我们来谈谈人的信息处理
能力对人的决策能力的限制.
(1) 人的计算能力是十分有限的, �例如很少有人能在不用笔的情况下可以准确地
算出 3456*3456等于多少. �超出人的能力范围在没有其他帮助的情况下就需要进行猜
测. 由于在许多情况下不得不依赖于人的猜测, 为此一些学者对人的猜测能力进行了研
26
究.
试验结果表明, 人对平均值的估计是比较准的, �但对均方差的估计误差非常大.
人在用外推法进行预测时, 其值一般偏小. 人在估计各种事件的概率时, 尽量避免给极
端值. 总的来讲, 人的估计是偏保守的.
(2) 工作记忆的限制. 在人进行决策的过程中, �有大量的信息需要临时贮存起来,
它们只能被存放在工作记忆, 也被称为短期记忆里, 人的短期记忆的能力是非常有限的,
这就造成大量的信息的丢失, 也影响人的决策.
(3) 长期记忆的限制. 在进行决策的过程中, �人需要从长期记忆中取出必要的信
息. 虽然人的长期记忆的容量是无限的, 但这并不能保证人的记忆中已经有决策需要的
一切信息. 例如在解决某一问题时, 解的空间的大小对结果有十分重大的影响, 如果人
根本就不知道某一方法的存在, 他显然是不会用这种方法解决问题的.
(4) 速度很慢. 心理学试验表明, 人的大脑进行一个单位的运算, 大约需要
秒. 这个速度显然是非常慢的. 在时间压力比较紧迫的情况下, �大脑只能通过"偷工减
料"来完成任务, 这也影响人的决策效果.
正是因为人的决策系统有这么多局限性, 所以我们提倡计算机辅助决策. �计算机
的发展, 为人提供了一个有力的决策工具, 但最好的计算机也不能完全替代人的决策.
在人机系统中, 人是系统的决策者, 人的决策水平对确保系统安全而有效地工作具有重
大的作用. 要想提高系统的决策水平, 一方面要根据系统的要求, 通过选拔和训练提高
操作人员的素质, 培养他们的决策能力, 另一方面, 应在系统的设计上充分考虑人的决
策行为的特点和决策能力的局限性, 要为操作人员提供决策所必需的条件和决策辅助工
具.
第四节 反应
在决策做出之后, 人的信息处理的下一个阶段是反应, �也就是人的信息处理系统
的输出. 人的主要的信息执行器官有手, 脚, 口等.
一般认为, 人的反应是多渠道的, 即同时可以做一件以上的反应. �如我们可以边
走路边说话. 但是如果反应需要中枢处理系统进行反馈控制, 则反应就变成单通道了,
这主要是受中枢信息处理系统的限制.
一. 跟踪
在我们的日常工作中一种常见的执行活动是跟踪. �跟踪是指人在系统控制中为达
到预定的目的, 不断调节自己的控制反应, 使系统输出输入相匹配, 或将它们之间的误
差减到最小的过程. 例如, 司机驾驶汽车, 飞行员驾驶飞机, 射击手用枪瞄准运动靶子,
都属于跟踪. 跟踪是一种连续性的控制活动, 它往往需要高度的心理运动能力. 下面简
单地介绍一下有关跟踪的一些基本概念和影响跟踪效绩的某些因素.
根据显示方法的不同, 跟踪可分为尾随跟踪和补偿跟踪两种. �尾随跟踪采用尾随
显示, 在显示屏上, 靶子和受控元素都移动, 它们表明了自己的位置和彼此的关系. 因
此, 操作者能直接看到指令输入 与系统输出的实际状态, �也可以看到它们的误差. 操
作者的作用就是操纵控制器使输出 与输入一致. �补偿跟踪采用补偿显示, 靶子与受控
元素中有一个是固定的, 另一个作相对移动, 一般是固定靶子, 作为参照物, 它们之间
的差异代表误差. 因此, 操作者只能看到系统输出与指令输入的差异, 他的作用就是操
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纵控制器消除误差, 或是将误差减至最小. 在汽车驾驶上, 司机能从前窗直接观察到行
驶路线和汽车的实际位置, 因此属于尾随跟踪.
尾随跟踪与补偿跟踪哪一种更好呢: 比较研究表明尾随跟踪优于补偿跟踪, �这是
因为: 第一补偿显示只提供误差信息, 操作者不能辨别这些误差是由于指令输入还是外
界干扰输入产生的. 尾随显示可以区分误差原因, 操作者可通过观察靶子与受控元素在
空间的实际位置, 运动路线和速度等, 预测将来的情况, 作出最佳的运动计划. 一般在
输出复杂和高速运动时, 尾随显示更有用. 第二是尾随显示的运动兼容性. 在跟踪作业
中, 如果指令输入突然移到受控元素的左侧时, 对于尾随显示要求作向左的矫正运动,
而对于补偿显示则相反, 即向左运动的指令输入将显示向右的误差, 这样就出现刺激向
右和反应向左的不兼容关系. 补偿显示虽然有以上缺点, 但它也有很大的实用价值, 它
与尾随显示相比, 不需要呈现靶子与受控元素的可能数据或位置的总范围, 可以节省显
示空间. 特别当误差只有一个来源, 例如飞机飞向固定跑道, 由于跑道不移动, 因此误
差只能来自干扰输入, 在这样的情况下, 用补偿显示提供信息就能减少模糊性, 滑翔斜
率指示器就采用补偿显示.
在跟踪任务中, 机械装置的特性对人的跟踪的结果的好坏影响很大. �这些特性是:
系统增益, 即系统输出与输入的振幅比率; 系统滞后, 和系统的控制阶. 控制阶指操作
者直接控制的系统变量与最终所要控制的系统变量之间的导数关系. 人的跟踪结果是随
着控制阶的增加, 时间滞后的增加而下降, 而脑力负荷则随之而提高.
2. 人的反应时间---希克-海曼定律
在选择反应试验中, �希克发现反应时间与可供选择的反应的数目和它发生的概率
有关, 可供选择的反应的数目越多, 人的反应就越慢, 某一反应发生的概率越低, 当它
发生后人的反应也就越慢. 而反应的选择数目和概率可以用信息理论来测量, 这样就可
以建立起反应时间与信息量之间的关系. 希克发现反应时间与反应中所包含的信息量有
下列关系:
RT=K*I
式中, RT是反应时间, I是反应中所传递的信息量, K是一个常数, 约为 ,
可以用来评估人的能力.
几乎与希克同时, 海曼提出了一个相似的公式:
RT=A+K*LOG(N)
这时 A是一个参数, 这个参数反映人的感觉和运动反应时间, 大量实验结果表明
这个参数值在 秒之间, N是可供选择的反应的数目, RT和 K�与希克公式中的
意义相同, 按海曼公式, K约为 秒.
海曼模型的一个优点是他把反应时间分成了两部分. �一部分取决于中枢信息处理,
另一部分涉及到自动的反应时间. 希克模型的优点是它采用了信息理论, 也可以应用于
其他工作. 但是两个模型都未能解释当信号与反应的相容性改变或熟练程度增加后人的
反应时间的变化.
卡德对上面的结论及其它研究成果进行了总结, 提出了一个 MHP模型.� �根据
MHP, 人的感觉时间为 秒左右, 人的一个单位信息的决策时间为 秒左右, 一个
运动反应时间为 秒左右. 因此一个简单的反应时间应为 秒左右, 一个选择反
应(含两项选择)的时间为 秒左右. 按一个键的时间为 秒左右, 两手同时按键,
最快可达 秒/键.
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三. 费茨定律
费茨用信息理论来决定人的手运动的时间, �他认为人的手的运动与人的其他的信
息处理系统是一样的, 也遵循一定的规律. 他从试验中发现人的手的运动时间与运动距
离, 要求的准确程度有关, 可以用下式表示:
MT=K*LOG(2*D/W)
式中 MT是手的运动时间, 单位是秒, D是运动距离, W是目标的宽度, K �是一个
常量, 约为 . 费茨定律从提出以来经过了广泛的验证, 证明是准确的.
第五节 记忆
大量心理学研究的结果表明, 人有三种不同的记忆.
一. 瞬时记忆
瞬时记忆是在各感觉器官的后面, 贮存人感觉到的信息, �所以也被称为感觉信息
存储. 瞬时记忆是最短暂的记忆, 保持时间一般以毫秒计. 容易证明, 感觉信息存储最
初包含的信息, 比以后分析阶段所能用的信息更多. 假定在短暂时间内呈现一个复杂的
视觉图象, 观察者只能从这一图象中看出其中包含的少量信息. 他们会说, 他们没有足
够的时间看清整个图象. 但是, 如果告诉他们只看图象的某一特殊部分, 他们就能集中
注意这一部分, 并且作出非常精确的报告. 这一基本现象表明, 处理感觉输入信号能力
的限制产生于分析过程中.
人的瞬时记忆是通过下列试验发现的, 在一张卡片上按三行三列写九个字母. 显
示给人很短一段时间(如 50微秒)后, 让人回忆这张卡片的内容, 由于受短期记忆的限
制, 人们一般只能回忆四五个字母. 如果我们在卡片消失后很短的时间间隔内提醒被试
者, 只用记某一行的字母. 在这种情况下, 被试者基本上可以把这一行的三个字母都说
出, 这说明, 在提示符显示时, 九个字母都已经被人接受了, 被装在我们命名为瞬时记
忆的地方. 人有两个最重要的瞬时记忆, 一个是视觉信息存储, 一个是听觉信息存储.
信息在听觉存储内可保留的时间要明显的长些.
二. 短期记忆
1954年, 美国印地安那大学的两位心理学家作了一个非常简单的实验, �但结果
却令人惊讶. 他们让被试者识记三个字母, 过 18秒钟之后, 让他们回忆这三个字母.
这个任务看来很平常. 有趣的是被试者记不信住这三个字母. 这是怎么回事呢? 很简单.
在呈现三个字母与他们回忆的时刻之间, 被试者进行了某种智力工作, 他们被要求以最
快的速度作减三的运算. 人们用其他的刺激信号重复了上述试验, 结果都大致相同: 在
没有时间复述的情况下, 在较短的时间内, 这些看起来可以记住的东西都给忘掉了.
什么可能的机制能造成这样一种记忆系统? �这种记忆看来只有很小的容量和很短
的寿命. 但它的容量对于存储单元的长度并不太敏感. 显然, 这不是前面所说的感觉信
息存储因为那种记忆只保持几分之一秒. 但这也不是长期记忆系统, 因为那种记忆可使
材料无限期保存. 这种记忆只持续很短时间, 所以被称为短期记忆.
一般认为, 短期记忆的时间不超过 20秒.
短期记忆的容量也是非常有限的. 1955年, �美国著名心理学家米勒写了一篇著
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名的文章<<奇妙的 7>>, 在文中, 他提出人的短期记忆的容量大约是 7个元素左右.
在日常生活中, 我们有大量的关于短期记忆方面的经验. �例如我们在一个晚会上
被介绍给许多初次相见的人, 我们很快就会发现他们中大部分人的名字很快就被我们忘
记了. 朋友给了我们一个电话号码, 由于没有用笔记下, 我们很快也忘记了.
短期记忆往往是人在即时活动中所要求的, 是操作性的, �因而也被称为操作记忆
或工作记忆. 例如, 打字员打字时要逐句或逐组记住所阅读的字词; 正在检修机器的工
人, 需要即时记住检修了那几个部件, 记住检修时机器的变化状态. 在现代化的自动控
制系统中, 人所观察到的系统的状态指标等都存在人的短期记忆内. 在人机系统中, 若
过分要求短期记忆就会加重人的心理负荷, 造成人为差错. 因此设计人机系统时应对人
的短时记忆的特点多加考虑.
储存在短期记忆中的信息如不被复述, 就会很快遣忘. 对这个问题, �有几种解释.
一种解释认为, 记忆是刺激在人脑中留下的一种痕迹, 如果对记忆中的材料不复述, 痕
迹会随时间而逐渐消退. 另一种假设认为, 遗忘是由于短期记忆中已有的项目受新输入
的项目干扰而造成. 新旧项目间相似性越大, 干扰就越大. �还有人提出折衷看法, 认
为短时记忆发生遗忘乃是痕迹受新输入的材料的干扰而消退的结果.
虽然短期记忆的内容人是意识到的, �但是从提取所希望的信息要经历一个逐项检
索的过程. 斯特伯格通过以他命名的斯特伯格的试验发现, 短期记忆中的内容每增加一
个, 取出短期记忆中的某一元素的时间增加 40徽秒. 这也表明, 人在短期记忆中的搜
索是逐项顺序进行的.
三. 长期记忆
长期记忆是保持一分钟以上到几年, 甚至于更长时间的记忆. 人的知识经验, 就
是保持在长期记忆中的信息. 长期记忆的内容是以往信息加工的结果, 比较稳定, 具有
备用的作用, 对人的活动不会增加过多的负担. 人的长期记忆的容量很大, 几乎是无限
的.
长期记忆也许是最重要也是最复杂的记忆系统, �瞬时记忆和短期记忆的能量都非
常有限, 前者只有十分之几秒, 后者只保存很少几个单元, 然而长期记忆的能量似乎实
际上不受限制. 凡保持到几分钟 �以上的每件事情显然必然存在于长期记忆之中. 一切
后天获得的经验, 包括语言规则在内, 都必然是长期记忆的组成部分. 实际上, 实验心
理学有许多是关系到把材料引入长期记忆, 使材料得以保存, 提取并给予适当解释的问
题.
与长期记忆有关的真正困难主要导源于提取. 记忆中包含的信息数量非常大, 要
找到某种东西是一个主要问题. 但是东西很快能找到, 即使在如阅读这样普通的活动中,
印刷符号的意义必须通过直接立即进入长期记忆加以解释, 有关从记忆中存储的几百万
或几十亿单元找到一个正确单元的问题, 决定着记忆系统各阶段的整个结构的大部分.
四. 记忆单元
记忆中的元素并不是以基本物理形式存在的, �而是以有意义的最小单位存在的,
例如, 对于学过英语的人, RED是一个单元, 代表红色的意思, �而不是以三个单独的
字母,R, E, D存在于记忆中, 记忆中的基本单元被称为"枪克". 把需要记忆的东西先
进行有效的分类, 化分成基本的元素, 然后按"枪克"来记忆对提高人的记忆能力是大有
好处的. 例如, 如果一个朋友的电话号码是 5441919, �那么把它变成 1919544, 这是五
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四运动的日期后加一个四, 把原来的 7个记忆元素变成了三个, (�倒一次, 五四的日期,
还有一个四), 这样显然容易记多了, �而且这个记忆与长期记忆连在一起, 也不容易忘
记. 学英语的人都知道, 根据词根来记英语单词可以大大地提高记忆效果, 这就是词根
成了记忆单元, 人们不再需要按字母来记了.
第六节 注意
注意是人的心理活动对一定对象的指向. 在人机系统中, �许多事故的发生都可以
从注意上找原因. 例如, 飞行员在追击敌机时可能由于没有注意到高度表指示的变化而
发生毁机事故; 汽车司机可能由于只顾前方道路变化而没有注意到侧旁情况而碰到路旁
的行人或车辆; 一个打字员会由于与人谈话而打错了字, 等等. 注意也被认为是人的信
息处理的一个瓶颈. 注意主要从三个方面对信息处理过程发生影响: 即选择性, 集中性
和注意分配.
一. 注意的选择
在任何时候, 都有各种信息源同时对人发生作用, �但人不可能对这些信息源传播
的信息同时进行加工. 人在一定的时间内, 只能从众多的信息源中选择所需要的信息源
进行信息加工. 既然有选择, 就必然有漏失, 重要的是要选择恰当, 使取样的信息正好
是所需要的, 做到注意对象的最佳选择或最佳取样, 就是以最小的代价得到最大的价值.
例如, 在现代复杂的人机系统中, 控制室或控制台上往往有成千上万百的信息显示器,
人的能力资源有限, 要时刻不停地注视每个信息显示器的变化是不可能的. 操作者要及
时获取有用的信息, 就要从多种信息源中最有效地选择所需要的信息. 要做到这一点,
操作者不仅要了解这些信息的重要性, 而且必须了解在什么时候这些信息对操作是有用
的, 注意或忽略这些信息可得到多大的利益要付出什么样的代价.
由于人的能力资源是有限的, 人在观察某一信息源时, �能够了解这个信息源的最
新动向, 这是他的所得, 但也有一个忽略其他信息源的代价,� 称为机会成本,人的注意
的选择就是从这两方面入手找出最优. 这可以从下面的例子中得到形象的说明.
假定有一位父亲在照看孩子的同时要审阅一份重要的合同, 孩子还不会走路, 他
在游泳池旁边的地上爬动. 如果任孩子爬动, 不去注意爬动的情况, 小孩就有可能掉入
池中, 而如果频繁地去注意孩子的爬动情况, 就会使他对合同中的文字意义的理解受到
影响. 父亲用什么样的频率去对孩子的爬动信息进行注意取样才能做到两不误呢? 根据
孩子的重要性, 合同的重要性, 不注意时间与孩子掉入水中的概率我们就可以找到一个
最佳的注意分配方法.
森德斯研究了操作员如何从多个信息源中对信息进行最佳选择的问题. �这个实验
要求被试者监视四个分离的仪表盘的指针的偏移, ��要他们探察仪表指针是否进入到危
险区内. 每个仪表受一个具有不同的最大频率变异的随机噪音进行控制,�就能改变出现
信号的概率. ��实验结果发现操作员的实际反应与按照信息论所确定的操作员应该作的
最佳取样频率值是相当一致的. 随着信息量的逐渐增大, 操作 员注视的次数也相应地
增多. 不过, 被试对很少出现的信息源的选择取样频次, 比信息理论的最佳取样次数要
略高, 而对经常出现人信息源的取样频率, 又比理论上的最佳取样次数要少, 这被认为
是由人的保守性决定的.
在现实生产中, 注意取样受多种主客观因素的影响. 信息源刺激的物理特点, 如
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刺激的数量, 强度, 作用方式, 以及信息源所处的环境条件等, 是影响注意选择的客观
因素. 那些位于视野中央的明亮的, 响亮的, 动态的或具有其他突出特点的刺激, 一般
容易引人注意, 容易成为注意选择的对象. 在人机系统设计中, 视觉警告信号一般都安
排在中央视野范围内, 采用比其他视觉显示刺激高得多的亮度, 或者采用特殊的声音作
为警告信号, 这些都是利用它们容易引人注意的特点.
与视觉相比, �听觉与触觉由于外周感受器没有排除刺激进入感觉通道的自然方法,
它们对人具有较大强制接受的作用. 因此, 一般认为用听觉刺激或触觉刺激作报警信号
有其优越性.
二. 注意的集中
人的注意, 可用探照灯作比喻. 探照灯聚焦后的光束投向一定方向, �投光区正中
最亮, 被照物看得最清楚, 离开中心, 光线渐暗. 人集中注意时, 其注意范围也有中心
与边缘的区分. 落在注意中心的刺激, 得到最有效的信息加工, 邻近注意中心的周围刺
激, 人也能知觉到, 并能对它进行一定程度的信息加工, �落在注意边缘外的刺激, 人
一般意识不到, 不可能对它们进行信息加工. 落在注意中心或落在注意边缘的刺激, 可
能是一个物体的某一种物理属性, 例如物体的颜色, 形状, 声音等, 也可以是一个具有
多种属性的对象, 例如由钯形, 义结合的一个字母, �一个字, 或一个物体. 注意中心
也可能存在着多个独立的对象, 例如, 排列在一定空间内的几个字母, 字或几何图形,
或在同一位置发生的不同的声音, 或同时发生作用的某种 视觉 刺激和听觉刺激. 当注
意范围内只有一个刺激或信息源存在时, 注意自然能够集中在这个刺激或信息源上面,
假如注意范围内不只存在一个信息源时, 不同的信息源之间可能发生干扰, 使注意不能
集中于一个信息源上. 例如一个人在听报告时, 若旁边有人谈话, 或者看书时旁边有人
看电视, 往往会千万干扰, 使他不能集中注意.
在注意范围内同时存在的信息源之间, 互相干扰的程度受多种因素的影响�, 其中
最重要的是信息源之间在空间上的接近程度, 内容特征上的相似程度, 刺激强度和刺激
的兼容性等因素.
三. 注意的分配
注意分配是指人在同一时候能把注意分配到一个以上的对象上, �即所谓一心二用
或一心多用. 许多工作都需要注意分配能力. 例如,� 学生上课时要一边听讲,一边做笔
记, 打字员要一边击键, 一边要看材料.� 注意分配是注意集中的对立物.一般来说, 不
利于注意集中的因素, 都有利于注意分配. 刺激的空间位置, 相似程度, 刺激强度, 语
义内容等, 既是影响注意集中的因素, 同时也是影响注意分配的因素. 例如, 假使有两
个信息源都处于邻近的空间范围内, 当只需要集中注意于其一时, 另一个信息源将会成
为干扰刺激妨碍注意集中. 这时, 操作者要作出更大的努力才能保持相同的工作效率.
反之, 假使操作者的任务是需要对这两种信息源同时进行信息加工, 则由于两者处于邻
近空间内, 有利于注意分配, 无疑能够提高工作效率. 再如, 用双耳分别听取双语时,
若语义内容兼空 �要想只集中注意于一种语文是很困难的. 但若工作上要求同时对这两
种语言进行监听, 则用双耳监听无疑能取得更好的效果. 注意范围有中心与边缘的区别,
同时发生作用的信息源, 处在注意中心与处于边缘, 信息处理的程度会有所不同. 处于
注意中心的信息源能够感觉得更清楚清楚 信息处理的效率也高些; 处于注意边缘的信
息源, 感觉得模糊些, 信息处理的效率也低一些. 此外, 对注意对象的熟悉程度, 学习,
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训练等都会影响人的注意分配能力.
�
第六章 工作地设计
人在工作中所需要的活动空间, 加上机器, 设备, �工具及被加工件所占的空间统
称为工作地. 工作地设计的任务就是使机器, 设备, 工具及被加工物根据人的操作要求
进行空间布置, 达到舒适, 方便, 提高工效的目的. 工作地设计是生产管理, 生产组织
和工艺设计人员的一个重要任务. 工作地的设计包括工作高度的设计, 坐椅的设计, 达
到空间等多方面的内容. 工作地设计与人体测量学是密切相关的.
第一节 工作高度
工作高度通常是指人的手在工作时相对于地面的高度. 工作高度太低时, �人的视
力受到影响, 进而影响人的工作效果. 为了改善视力, 人也许不得不弯着身子或低着头,
这又会产生腰疼或脖子疼. 相反, 若工作高度太高了, 人在工作中不得不抬高手臂, 这
又会使肩膀疼. 因此, 设计合理的工作高度是十分必要的. 唯一最优的工作高度是不存
在的, 因为最优的工作高度不仅随着人的实际尺寸的不同而变化, 而且也与人的姿式,
工作性质有关.
一. 站立时的工作高度
一般而言, 人站立工作时较舒适的工作高度是比站立时的肘高低 5-10厘米. �我
国男性站立时的平均肘高为 102厘米, 女性为 96厘米, �所以对男性较合适的站立时的
工作高度应为 92--97厘米, 女性为 86--91厘米. 但是人们站立工作时工作台的高度与
工作的性质有关. 精密的工作要求较高的工作高度以改善视力, 重体力劳动要求较低的
工作面以便于手部使劲. 表 6-1�给出了西方国家推荐的对不同的工作站立时的工作高
度.
表 6-1. 站立工作时推荐的工作高度 (单位:cm)
工作类型 对男性的推荐高度 对女性的推荐高度
精密工作 100-110 95-105
轻度工作 90-95 85-90
重工作 75-90 70-85
由于我国人的平均身高比西方国家人的平均身高要低 5厘米左右, 所以我们在采
用上面的数据时应考虑到这一差异, 否则采用的值可能偏高.
从理论上来讲在设计站立时的工作高度时, 稍高一点比稍低一点为好. �因为如果
工作面太高了, 可以通过放一块脚踏板来解决. 而如果工作面太低了, 则只有通过人弯
腰来解决. 但在实际工作中也许会遇到问题. 我们有的企业进口的设备, 工人工作时感
到太高了, 想加脚踏板, 可是管理人员却不让, �理由是这样破坏了"文明生产".
二. 坐着时的工作高度
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表 6-2给出了西方国家推荐的坐着工作时桌面的高度. 我国目前采用的写字台的
高度与表 6-2中给出的值是相乎的. 例如作者现在使用的桌面高度为 79厘米, �计算机
桌面的高度为 68厘米.
表 6-2. 坐着工作时推荐的工作高度 (单位:cm)
工作类型 对男性的推荐高度 对女性的推荐高度
精密工作 90-110 80-100
读书或写字 74-78 70-74
手工劳动(包括打字) 68 65
就当指出,在人们坐着工作时, 最重要的设计尺寸是工作桌面与椅子坐面之间的距
离. 当桌面太高或太矮时, 人们可以通过调整椅子的高度使自己上部保持较适合的姿式
(当然以腿有地方休息为前提). 格郎金在一项研究中发现一般的办公室工作人员比较喜
欢的桌椅之间的距离是 27-30cm. 即对应于 75厘米高的办公室桌, �椅子的合适高度为
45厘米左右.
现在电子计算机在我国正在逐渐普及. 许多人在买回计算机后, �就简单地把它放
在自己的办公桌上, 这样做是不好的. 以桌子高 75厘米为例, 加上键盘高, 实际工作
高度近 80厘米. 由于键盘操作需要手指的不断运动, 工作高度应比读书或写字时低.
从表 6-2中我们可以看出, 计算机桌面的高度以 65-68厘米较适宜. 把计算机把在办公
桌上, 会使手臂抬高, 增加了不必要的疲劳.
三. 站坐交替工作面的设计
从生理学的角度来讲, 我们推荐能够交替站着或坐着进行的工作, �这是因为若老
是站着, 人的腿部的负荷过重, 使人感到劳累, 而总是坐着, 人的运动量太小, 正如我
们马上就要看到的, 也会产生一些职业病. �人在站着和坐着时对身体内部的产生的压
力是不同的, 轮流站着和坐着工作, 人体内的某些肌肉就象是轮流工作和休息一样. 另
外许多学者相信, 每次变换姿势都可以改善骨髓内营养的供应, 这对人的身体也是有好
处的.
在设计站-坐可交替的工作面时, 工作面的高度以站立时的工作高度为准, 为坐着
工作时提供较高的椅子, 椅子高以 75-95厘米为宜, �同时一定要提供较高的脚踏板,
使人坐着工作时脚有休息的地方, 否则人们很难工作持久. 图 6-1�给出了一个站-坐交
替工作的例子.
第二节 活动空间
活动空间在这里是指在人的身躯基本不动的情况下手或脚可达到的区间. �了解人
的活动区间对于控制器的设计, 加工部件在桌面上的布置, 及工具置放的位置是十分有
用的. 在设计达到空间时, 一般是以小个子的尺寸为设计准则的, 因为显然, 小个子能
达到的地方大个子也能达到.
一. 伸手能达到的高度
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人的手能达到的最大高度与人的身高是成比例的. 泰柏格(Thiberg)用回归的方法
计算出人手伸出能达到的最大范围与身高有下列线性关系:
最大静止摸高=*身高
若身高为 170厘米, 则最大静止摸高为 厘米. 应该指出, 这只是一个一般结
论, 不能排除有的人手相对于他的身高特别长或特别短的情形.
把伸手最大摸高减去手指的长度, 我们就可以得到人手的最大抓握高度. �最大抓
握高度是一个较重要的指标, 因为这决定东西最多可以放多高. 但这只是人手能达到的
最大范围, 而不是最舒适的范围. �最舒适的范围比上面所得的值要小 30-40厘米. 人
在垂直方向的作业空间可以划为五个区间, �每个区间适应于不同的工作.
1. 在 0-50厘米高度之间适宜于脚控制, 若用手操作, 身体必须蹲下或弯腰, 这
样会使身体弯曲, 消耗体力, 增加不舒适感. 因此在此位置只能设计脚踏板,�脚踏钮.
把工具或要装配的东西放在地下显然是违反了这一原则. ��我们有时也看到这样的现象,
工人用脚去踏手动控制器或用脚把工具或零件钩上来, 就是因为这些东西的放置位置太
低的缘故.
2. 在 50-70厘米之间, 手与脚的操作都不方便, 所以不宜在此高度之间设计控制
器.
3. 在 70-160厘米高度之间, 最适宜于物的操作和观察, �各种重要的常用的控制
器, 显示器, 工作台面都设置在这段高度之间, 特别是 90-140厘米区间是人最舒适的
作业范围.
4. 在 160-180厘米之间, 手的操作已不太方便, 但视觉条件还可以, 所以在这一
区段内较适宜于放置显示器.
5. 在 180厘米以上高度, 手的操作极不方便, 视觉条件也下降. 在这个区间只宜
设置报警信号或极少使用的控制器, 工具等. 由于人在观察这一区间的显示器时有仰角,
容易误读, 所以显示器也要向下倾 15-30度为宜.
二. 平面空间
人在坐着工作时, 常常是身体伸直或稍向前倾 10-15度, 大腿平放, 小腿垂直或
稍向前伸, 这时人的手的运动范围被限制在工作台面以上的空间范围内. 虽然人手这时
的最大伸及范围是一个立体空间, 但一般来说, 人手在工作面上所能达到的范围对我们
来说才是最有用的. 下图给出了人坐着时桌面高度手的水平工作范围. 理想的工作范围
是以两个肩膀为支点, 以 35-45厘米为半径的两个半圆之内, �其次是以 55-65厘米为
半径的两个半圆. 人在工作时所需要的所有东西都应放在这个区间, 当然人的手偶尔超
出这个范围也不会有什么负作用.
第三节 坐椅的设计
随着科学技术的飞跃发展, �许多传统的体力劳动工作正在被脑力劳动工作所代替,
其结果是坐着工作的白领工人的数量的急骤增加, 现在在西方发达国家坐着工作的人数
已大大超过站着工作的人数, 因此有人把二十世纪称为是人从站立动物变成坐着动物的
世纪. 坐椅成了人们在工作中使用最多, 最久的一个"工具". 为作业者提供舒适的椅子,
35
可以大大减轻人们的疲劳程度, 提高劳动生产率. 因此人们对坐椅的设计进行了大量的
研究.
一. 坐着工作的优点
在日常生活中, 我们对坐椅是十分熟悉的. 坐椅是如何起源的? �考古学家发现坐
椅最早是以一种身份的象征出现的. 在部落开会时酋长坐在椅子上, 而其他人则坐在地
上. 后来发展到国王坐在龙椅上, 大臣们站着或坐在侧面的椅子上听候圣旨. 既使现
在, 坐椅的这种象征地位的作用仍然是存在的. �我们走进一个工厂或一个公司, 从一
个人的坐椅就可以看出他在那时的地位, 一般工人是坐在木椅上的, 年长的职员坐在有
点海绵的折叠椅上, 只有厂长或经理坐在舒适的沙发椅上. �如果一个女秘书坐椅特别
好, 很可能她对厂长或总经理有影响力等.
从人类工效学的观点来看, 椅子的主要作用不应是它的象征意义, �而是它的减少
疲劳的功能. 相对于站着工作, 坐着工作有下面几个好处:
1. 减轻人的腿部的负荷. 人在站着时, 人的全身的重量是由大腿承受的, �而在
坐着时, 人的上半部的重量直接由臀部承受的. 人身体在两种姿式下所承受的压力如下
图所示. 显然在站立时, 人腿承受的重量要大得多.
2. 人在坐着时, 能量的消耗也减少. 这是由于人身体所承受的重量也减少, 静负
荷减少, 因而能量消耗自然减少. 由于能量消耗的减少, 对血液的需求量也随之减少.
3. 人在坐着工作时, 能更好是完成比较精确和精细的工作.
总之, 人坐着工作一天不象站着一天那样累了.
二. 坐着工作产生的问题
坐着工作使人一天的运动量大大地减少, 这既是一个优点, 也是一个缺点. �如长
期坐着使人的腹肌松驰, 不仅使人行动变得迟缓, 也影响到人的消化和呼吸功能. 但最
常见的问题是由于长期坐着不动而带来的肌骨疼痛. 表 6-3�给出了在瑞典对 246个办
公人员进行的一项问卷调查的结果. �从表中可以看出坐着工作带来的疼痛区域是广泛
的, 涉及到人体从头到脚几乎各个部位, 其中以腰疼最为严重. �56%的人抱怨他们曾感
到过腰疼.
表 6-3. 坐着办公人员的抱怨
部位 百分比(%)
头疼 14
脖子疼或肩膀疼 24
腰疼 56
大腿疼 19
膝盖和小腿疼 29
为什么坐着工作看起来舒服, 而又有这样高的比例的抱怨呢? �这是因为坐着工作
时, 人的脊椎的压力发生了根本的转变.
下图给出了在站立时和坐下时人的脊椎的形状. 在站立时, �人的脊椎相对的直一
些. 在坐下时, 人的脊椎是弯曲的, 而且在腰椎以下要承受较大的扭力.
36
图 6-4给出了纳切森(Nachemson)�测出的在四种不同姿式下人的第三根腰椎与第
四根腰椎之间的压力, 以站立时的压力为 100%, 直着坐着时, 压力为 140, �弯着身子
坐下时, 压力为 190%, 增加了近一倍.
人的脊椎在短时间内是能够承受高于空手直立时所产生的压力的. �问题是坐着工
作的人长所累月地使脊椎超负荷运行. 由于尚不知道的原因, 脊椎之间的脊椎盘慢慢地
失去了弹性, 功能开始下降, 在严重的情况下, 脊椎盘之内的液汁甚至被挤出脊椎盘,
使脊椎的功能彻底丧失. 而不正确的坐姿, 不合适的椅子更加快了这种速度, 这使得许
多科学家投身于坐椅的研究了.
三. 坐椅的设计
根据大量的研究结果, 人们为座椅设计提出了以下原则:
1. 座面高度
座面高度应合适. 若太高, 两脚被悬空, 使下肢和背部肌肉紧张, �同时大腿的下
表面受坐椅前缘的压迫而血流不畅, 感到酸麻. 但座面太低, 则为了使人体重心落在支
持面内, 躯干势必前倾, 这样就不能保证脊椎的关节处于合适的夹角, 而且增加了背,
腰部肌肉的负荷. 合适的座面高度应取略低于小腿高度, �一般在 40-45厘米之间. 设
计通常满足较高的 95%, 而对余下的 5%只要采用脚垫也会感到合适. 如有可能, 座椅的
高度应能够调整最好.
2. 座面纵长
座面纵向太长, 椅面的前缘会妨碍小腿活动, 也无法有效地利用靠背, �但太短显
然也不好, 座面应能保证臀部全部得到支撑, 一般以臀膝距的 3/4为设计依据, 通常取
45厘米左右.
3. 座宽
一般来说座宽宽些, 人坐着要舒服些, 但座椅的成本和占有的空间增加, �显然座
宽要满足臀部的宽度, 对于有扶手的座椅更是如此, 否则人便坐不下去. 设计座宽时,
要以臀部最宽的 5%为依据, 一般为 40厘米左右, 当然在成本和空间允许的情况下, 座
宽是高于这个最低要求的.
4.座面
研究表明, 当座面向后倾时, 人的腰椎受力要合理些. 但倾多大最好呢? �当座椅
是休息用的椅子时, 这个角度为与水平面成 14-24度为最好, �但当座椅是工作用椅时,
座面倾斜的角度应小些, 以与水平面成 5度左右为宜.
5. 座椅的靠背.
大量的研究表明, 靠背是减少由于坐着工作带来的腰疼的最好方法. �所以对于常
年坐着工作的人, 座椅一定要有靠背. 靠背的高度应有 48--52厘米, 这样不仅腰可以
得到休息, 肩也可以得到休息, 靠背的宽度以 32--36 厘米为宜, 并应有弧形. 靠背应
向后倾斜 15--20度(与垂直面), 靠背应用较柔软的材料做成.
下图是一个现代化的椅子.
�. 人的信息处理系统的基本结构
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以上我们介绍了几个关于人的信息处理系统的基本模型, �从这些模型中我们对人
的信息处理系统有一个初步的了解,� 我们把这些模型中的主要观点综合起来,可以得到
以下关于人的信息处理系统的基本组成部分的结构图. 图中的每一个方框分别代表信息
处理的各个阶段, 箭头表示信息流通方向. 下面先对图中的各个元素给一个简单的说明:
人的信息处理的第一个阶段感觉. 在这一阶段, �人通过各种感觉器官接受外界的
信息, 然后把这些信息传递给中枢信息处理系统. 感觉内部有存贮器, 以便在中枢信息
处理系统未接受感觉信息之前, 把这些信息先暂时存贮一段时间, 通常在 1-2秒钟之内,
若在这段时间内, 信息还无法进行中枢信息处理系统, �则信息就在这里消失掉. 在感
觉之后是人的中枢信息处理系统, 也被称作认知系统, 或决策系统, 在这里, 人对获得
的信息进行编译, 整理, 选择, 决定采取什么, 这期间, 要不断地与人的记忆发生联系,
从记忆中取决相关的信息, 把有用的信息贮存到大脑中. 在中枢信息处理系统之后, 是
人的反应系统, 它执行中枢信息系统发出的命令, 产生人的信息处理系统的输出. 在信
息经过感觉, 决策, 反应的三个阶段时, 几乎都离不开注意. 人的注意资源量是有限的,
假如有些阶段的信息处理占用了较多的信息资源, 那么其他阶段能分配到的就比较少,
它们处理信息的效率就会因此而降低. 人的注意能力可以随着努力程度的提高而有一定
的提高, 通过学习和训练,�信息处理过程对注意的要求也可以降低. 例如我们能够一过
走路一边聊天, 这两种活动之所以能顺利进行, 就是因为我们对走路已经相当熟练, 只
要给予少量注意资源就可以了.
第二节 感觉
人通过自己的感觉器官获得关于周围环境的各种信息, �因此感觉是人的信息处理
系统的输入子系统. 感觉器官中的感受器是接受刺激的专门装置. 在刺激物的作用下,
感受器的神经末梢发生兴奋, 兴奋沿神经通道传送到大脑皮层感觉区产生感觉. 一般来
说, 一种感觉器只对某种形式的刺激特别敏感, 这种刺激就叫该种感觉器的适宜刺激.
除适宜刺激外, 感觉器对其他刺激不敏感或根本不反应. 例如可见光是眼的适宜刺激,
一定频率范围的声波是耳的适宜刺激. 电或机械刺激虽然也能在眼内引起感觉, 但需要
较大能量, 而且这种感觉是相当粗糙的.
人的感觉有视觉, 听觉, 肤觉, 嗅觉, 味觉, 动觉等多种, �其中视觉和听觉是信
息输入的主要感觉通道. 每种感觉通道都有其特殊的功能和作用, 但也都有其局限性.
这肿局限性可能直接影响信息输入, 进而可能影响更高水平的信息处理. 例如, 眼睛视
网膜中视维细胞和视杆细胞这两类感受器的感光特性限制了信息显示中颜色编码的使用
范围.
感觉器官可接受外界刺激的范围被称为感觉阈限, �感觉阈限有绝对阈限和相对阈
限两个概念.
外界刺激必须达到一定强度才能引起人的感觉. �刚刚能引起感觉的最小刺激量,
叫绝对感觉阈限的下限. 强度比这个值低的刺激不能引起人的感觉. 感觉器官不仅有下
限, 而且还有上限. 能产生正常感觉的最大刺激量, 叫绝对感觉阈限的上限. 作用于感
觉器官的刺激强度若超过这个上限, 就会引起痛觉, 严重时甚至于造成感觉器官的损伤.
人借助于感觉器官不仅能够确定刺激的有无, 而且能觉察刺激的变化或差别. 刚
刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别量, 叫差别感觉阈限, 也叫最小可觉差. 每一
种感觉器官的差别感觉阈限不是一个绝对数值, 它随 �最初的刺激强度而变化, 并且两
者之比是一个常数. 这一关系被称为韦伯定律, 可用下式表示:
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△I/I=K
式中 I是初始刺激强度, △I为引起差别感觉的刺激强度的增量, K以与水平面成
5度左右为宜.
5. 座椅的靠背.
大量的研究表明, 靠背是减少由于坐着工作带来的腰疼的最好方法. �所以对于常
年坐着工作的人, 座椅一定要有靠背. 靠背的高度应有 48--52厘米, 这样不仅腰可以
得到休息, 肩也可以得到休息, 靠背的宽度以 32--36 厘米为宜, 并应有弧形. 靠背应
向后倾斜 15--20度(与垂直面), 靠背应用较柔软的材料做成.
第七章 显示器
第一节 人机系统
人机系统指人与机器之间有互为补充, 互相依赖的关系. 显然人机系统是一个闭
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环系统 , 在其中人扮演着关键角色, 因为决策是由人来做出的. �在人机系统中, 信息
和命令一般是这样传递的: 一个记录显示生产过程的某一信息, 操作人员通过视力接受
这一信息, 对这一信息进行正确的理解和评估(解释). 根据他的解释, 根据他过去的经
验, 他做出一个决策, �下一步是通过控制器把这个决策告诉给机器, 另一个关于控制
的显示器告诉操作者他的行动的后果(�如试剂里已溶化了多少水). 然后机器按照预先
编好的程序招执行命令.当操作者看到这一过程中的主要信息, 如温度和压力被显示出
来后, 这个周期就完成了.
辛格顿在给世界健康组织的一项报告中指出机器可以执行更快, �更准确的工作,
也更有力量, 相反, 人的行动是很慢的, 能使出的力量也很有限. 但另一方面, 人的灵
活性和适应能力很强. 如果能够充分发挥人和机器各自的优点, 那么人机组成的系统是
一个效率很高的系统.
对机器的控制直到最近才成为一个大问题. 随着电子技术的发展, �需要对机器进
行更快更准确的控制, 要求操作人员对使显示的信息进行更准确的解释, 这使操作人员
的工作变得更精细, 对操作人员提出了更高的要求. 结果是人的因素在人机系统中变得
越发重要了. 在飞机驾驶中, 飞行员的反应速度是至关重要的. 在对化学系统的控制中,
保持高度的警惕, 做出正确的决策本身就可以防止事故的发生. 所以现代系统的设计更
应该从工类工效学的角度入手进行考虑.
人机系统的介面包括下面两方面的内容:
1. 从显示器上接受信息;
2. 通过控制器对机器进行控制.
下面我们从人类工效学的角度来考虑这些问题. �这一章我们讨论显示器的设计问
题, 下一章我们讨论控制器的设计问题.
第二节 显示器的种类及设计原则
一. 显示器的定义
传统的显示器主要是指生产过程中显示信息的各种仪表. �现在显示器的定义要广
得多. 显示器是指任何把信息由机器或环境传递给人的媒介. 因此, 各种工业仪表是显
示器, 产品的说明书也是显示器, 各种交通符号是显示器, 各种警报也是显示器. 事实
上, 日常生活中的报纸, 电视, 收音机等都是显示器, 都是以不同方式把信息传递给人
的.
二. 显示器的分类
按照作用对象的不同, 提供信息的显示器大致可分为视觉显示器, �听觉显示器和
触觉显示器等. 其中以视觉显示器最为普遍.
常用的视觉显示装置, 包括各种仪表, 信号, 标记和符号, 示波屏(示波器, 电视
屏幕, 计算机屏幕等), 以及其它显示信息, 如地图, 图表, 说明书等. �在日常工作和
生活中, 由于读错显示装置(如仪表)而发生的事故是屡见不鲜的. 因此合理地利用视觉
显示, 对保证生产顺利进行是十分重要的.
听觉显示虽然不如视觉显示使用得那么普遍, �但在作为警告或提醒注意的装置上
却有着特别的价值. 当然, 还有使用听觉渠道的其它机会, 例如当视觉受损失或者在无
法使用视觉的黑夜环境中. 常用的听觉显示装置有铃, 蜂鸣器, 喇叭, 汽笛和哨子等.
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当不能使用听觉和视觉显示时, 我们有时也运用触觉显示, 即让人通过触觉进行辨别的.
三. 显示器设计的原则
1. 显示性所显示的信息应具有较好的可觉察性, 可辨性, 保证监视者迅速, 准确
地获得信息. 如对视觉显示器, 要使被显示的信息清晰可见. 对听觉显示器, 声音应该
有一定的强度使人能够听到等. 各种显示都不应低于人对应的最低感觉阈限.
2. 显示器传递的信息量不宜过多, 特别是应减少显示不必要的信息. 前面我们已
经讲过, 人在工作时接受的信息都被放在工作记忆中, 而工作记忆的容量是非常有限的,
显示过多的信息, 不仅增加了人接受信息的时间和负担, 而且使主要的信息更容易被遗
露.
3. 显示符号应力求形象化, 并与人的习惯相一致. 应尽量采用形象直观的和与人
的认知特点相匹配的显示格式. 显示格式愈复杂, 人们认读和译码的时间愈长, 也愈容
易发生差错. 应尽量提高显示格式与所表示意义间的逻辑联系.
4. 在一种感觉负担过重时, 应改用另一种感觉协助获取信息. 多重感觉信号比单
个感觉通道更易引起注意. 在某些情况下, 可以应用两个或两个以上的方式编码, 如符
号的形状和颜色相结合, 这样可以加快人对信息的接受.
5. 同样的信息应尽量地用一种方式显示. 各个国家, 地区或行业部门使用的信息
编码应尽可能做到统一和标准化. 这样有两个好处. 一是可以减少错误的发生. 二是由
于信息显示有一致对应性, 使人的自动控制系统得到发展, �进而降低人的脑力负荷.
6. 使信息显示精度与系统的要求相适应. 显示精度过低, 不能提供保证系统正常
运行的信息, 这显然不行. 但若信息显示精度过高,�会提高认读难度和增大工作负荷,
导致信息接收速度和正确性的下降, 显然,�显示器应该只显示那些操作人员需要的信息.
例如, 显示他可能读到的一位数做最小单位,�如果他需要读压力到最靠近的 100mmgh,
那么最小的分隔单位应该是 100mmhg, �有些仪器并不需要显示某一具体数字,而是某一
区域,比方说在一个'冷'区间, '暖和'区间, 和'太热�'区间,在这种情况下, 移动指针
最好, 各种不同的区间应该用不同的颜色, 或类型表示出来.
7. 应考虑到照明, 噪声, 振动, 微气候,空气条件等因素的影响.
总之, 设计显示器的形状, 大小, 颜色, 分度, 标记, 空间布置, 强度, �亮度,
变化, 照明, 背景环境, 以及听觉信息的响度,频率, �持续和信号噪音比等多种有关因
素,都必须适合人接受信息的认识过程, �使操作者对显示器所显示的信息辨认速度快,
可靠性高, 误读少, 度且减轻精神紧张和身体疲劳.
第三节 仪表显示
一. 仪表的种类
仪表是一种应用最广的信息显示装置, 它在生产过程中起着重要作用, 仪表显示
的好坏直接影晌工作效率,仪表的种类很多,可分为以下三大类:
1. 指针运动式仪表, 这类仪表应用极广, 它是用不同形式的指针来指示有关参数
或状态, 这类仪表式样很多, 如圆形,半圆形, 水平长条形, 垂直长条形,扇形等, 一般
指针处在仪表面内, 其特点是指针运动而仪表面不动.
2. 盘面运动式仪表, 这种仪表式样也很多, 大体如指针运动式仪表的几种式样,
其特点是指针不动而仪表盘面转动(移动).
41
3. 数字式仪表, 这类仪表不用指针,� 而直接用数码来指示有关参数或状态,常用
的有条带式数字, 荧光屏上呈现数字, 以及用数码管或液晶呈现数码等等,�应该根据系
统对仪表的要求进行选择.
二. 仪表的选择
1. 读数用仪表.
这类仪表指示各种状态和参数的具体数值, 供操作者读出数值来使用, 显然, 数
字式仪表最适合读数用, 无论是读数速度还是读数精度, 数字式仪表都高于其它类型的
仪表, 但数字式显示有一个非常明显的弱点:在某一时刻只有一个数值可见, 因此很难
由此判断信息的变化. 为了兼顾读数和了解变化情况, 在很多时候, 我们仍用指示形
式的仪表作读数用.
第二次世界大战之后, 人们认识到了显示仪器的设计对快速,准确地阅读数据对飞
机和其他机动车辆是多么重要, 人们对显示器的设计和布置进行了大量的研究,�这一类
研究通常采用一个速显器, 某一信息在速显器的屏幕上出现零点几秒, 然后找出人在各
种显示方式下的读错率.
图 7-1给出了斯雷特的研究结果, 在斯雷特的研究中, 每一种方式向总共 60个被
试者各显者 17次, 每次显示 秒的时间, 从图中我们可以看到在不同的显示情况下
人的读错率是有显著的不同的. 天窗式显示器的读错率仅为 %, �显然是最好的,原
因似乎是在天窗式的显示中, 被试者不用花时间去找指针的位置.
默瑞尔等人怀疑用速显性的适用性, 因为在实践中, �操作人员只要认为有必要可
以尽可能长地阅读数据, 尽管有这样的反对意见, 我们还是同意桑德斯等人的观点,即
在一般情况下, 开窗式的显示比其他的显示读错率要少, �竖向刻度没有横向刻度好,
但在当要比较几个不同的读数时, 竖向显示比横向显示好.
如果需要看一个过程的情况,或注意到变化的大小, 两类指针式仪表都比数字式仪
表要好得多, 而指针运动式显示器更好, 可以提供更多的信息, 圆盘移动式显示也可以
达到这个目的, 但圆盘式显示有不容易记忆读过的信息和不能评估变化的范围等缺点,
如果一个过程需要把某一变量设到某一值(如液体的压力, �电压等), 用指针移动式显
示较容易, 因为可以用人事先确定另一个指针的位置, �当两个指针接近时, 过程可以
得到较精确的控制, 如果过程变化得很慢, 那么, 移动指针或圆盘这两种形式的显示都
可以, 桑德斯等认为一般来讲指针移动式显示(即固定刻盘,移动指针)比反过来(即固定
指针, 移动刻盘)要好些, 移动指针可以吸引眼睛的注意, 并可以较快地读数, 但是另
一方面, 固定刻盘有它的局限性, 如果变化的区间很大, 刻盘就变得太大了, 这时固定
指针, 只显露某一区域的数值, 即用刻盘移动式显示就更好.
2. 检查用仪表.
使用这类仪表一般不是为了获得正确的数值, 而的为了检查仪表的指示是否偏离
正常, 当偏离了时进行必要的调节, 警戒用仪表也属于检查用仪表, 仪表的指示范围一
般分正常区, 警戒区和危险区, 当仪表指示进入警戒或危险区时, 即需及时处理.
显然, 对检查用仪表, 不能采用数字式仪表, 因为这样操作人员就不得不把各个
标准记在脑子里, 很容易出差错, 也增加了操作人员的脑力负荷, 对于这类用途仪表采
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用指针运动式仪表为合适, 仪表指针在仪表面上应当很明显很突出, 引人注目, 警戒用
仪表的警戒区, 危险区和其它区域必须能明显地区别开来, 可以得用不同颜色, 不同标
志等区分. 图 7-2为两种不同表面的检查用仪表, 显然, �右边的显示比左边的要好得
多.
3. 控制用仪表
控制用仪表又可分为两类, 一类为追踪用仪表, �这类仪表是为了追踪操纵而使用
的, 追踪操纵是动态控制系统中最常用的操纵方式之一, 目的是通过人的手控, 使机器
系统按照人所要求的动态过程或者按照客观环境的某种动态过程去工作�, 如追踪和瞄
准运动中的目标, 这类仪表一般不需要精确读数, 只需要看出实际状态与目标状态之间
的差距以及变化趋势, 数字式仪表不适合, 使用荧光屏显示效率最优, 在指示仪表中长
条式最适合, 其次是圆形仪表, 另一类控制用仪表为调节用仪表, 这类仪表只是用来指
示操纵器调节值, 而不是指示机器系统的动态, 如收音机调频显示就属于这类仪表, 调
节用仪表适用面较广, 一般采用指针运动式仪表, 也可以采用数字式仪表.
下表显示了三种显示方式的相对优缺点和它们各自的适用范围.
表 7-1显示信息的不同方式
显示的种类 指针移动式 圆盘移动式 数字式
读数容易程度 可接受 可接受 很好
辨别变化 很好 可接受 很差
控制过程 很好 可接受 可接受
三. 仪表的刻度
比仪表的外观更重要的是仪表的刻度的尺寸, 设计刻度时应考虑以下内容:
1. 刻度高度
仪表的刻度高度与视距有关, 职果 a是可能的最远的观察距离, 我们建议用下列
最小的刻度单位:
最大刻度的高度: a/90
中间刻度的单位: a/125
最小刻度的高度: a/200
如当观察距离是 1米时, 仪表的最小刻度的高度应为 5毫米, �最大刻度的高度应
为 1厘米.
2. 刻度的数目和间距
仪表刻度数目首先应满足要求的精度, 如只要求读到分的仪表, �最小刻度单位应
为分, 略去秒以下的刻度, 当然, 刻度的数目和间距也应当考虑操作人员读表时的距离,
一般来说, 应满足下列并系:
刻度的厚度 a/5000
两个最小刻度的距离 a/600
两个大刻度的距离 a/50
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刻度精度和视距也决定了仪表表盘的大小. 阅读仪表时, 如果视距近, 仪表表盘,
如圆形仪表的直径可小些. 其次, 仪表刻度直径大小与刻度数最小限度为 厘米.
3. 数字标法
仪表上使用的数字, 其增加的方向和累进的方向对提高阅读效率, �减少读错也有
非常重要的作用, 数字的增加一般服从以下原则:
(1) 顺时针方向为增加;
(2) 从左向右的方向为增加;
(3) 从下向上的方向为增加.
数字应只用来表示大的刻度,小刻度一般不标出,为了便于读数,小刻度最好是大刻
度的 1/5或 1/10. 在不得已的情况下用 2进位也可以.其他的划分读起来很困难, 应尽
量避免.
4. 数字和字母的大小
仪表刻度上标记的文字和数字的高度, 也应根据视距的大小来确定,�可以采用下
列公式:
H==L/200
式中: H----数字或字母高;
L----视距.
表 7-2给出了根据上式换算的推荐的高度.
表 7-2推荐的字母高度 单位:毫米
到眼睛的距离 最小字母或数字的高度
<500
501--900
901--1800
1801--3600
3601--6000
字母和数字应当符合下列比例:
宽度 2/3高度
笔划的厚度 1/6高度
两个字母之间的距离 1/5高度
单字之间的距离 2/3高度
应当指出, 上面的标准是通过对数字和字母实验得出的, �因此只适用于数字和英
文字母, 是否适用汉字有待于研究, 因为汉字笔划多少不匀, 对一些简单字,�上面的值
可能适应, 对于笔划很多的字, 如繁字, 每一画应多粗人才能看得清, 还没有进行研究.
6. 刻度标数原则
指针运动式仪表标数的数字应直排, �仪表面运动标数的数字则应辐射定向安排.
最小刻度一般可不标数, 最大刻度必须标数. 指针在仪表面内时, 如果仪表空间中够大,
则数字应在刻度的外侧, 以避免被指针挡住, 指针在仪表面外侧时, 数字应标有刻度的
内侧, 开窗式仪表的窗口大小应显示出被指出的数字及上下相邻的两个数, 以便看清指
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针运动的趋势, 标数应顺时针直排.
四. 仪表的刻度
1. 指针的形状和大小
指针的形状应以头部尖, 尾部平, 中间等宽或狭长三角形为好, 形状要尽可能简
单, 以便减少误读率, 通过速示器对指针大小的实验结果表明, 指针的长度对读数影响
很大,而粗细对结果并没有显著的影响, 困此在设计指针时, �其长度必须慎重考虑, 日
本学者坪内和夫研究了指针与刻度线的间隔认为, 当指针与刻度线的距离超过 厘米
时, 距离越大, 读取误差就越大, 相反, 从 厘米开始, 越接近于 0, 其误差越小,
当间隔接近 厘米时, 误差相同且保持不变, 因此, 指针与刻度线的间隔最好为
厘米, 指针的针尖应与最小的刻度等宽, 指针应尽量贴近仪表面,以减少读值
时的误差.
2. 指针的零位
仪表指针零位一般都在时钟 9点或 12点位置, 圆形读数仪表可视需要安排或设在
12点钟位置, 警戒用仪表的警戒区应设在 12点钟处, 危险区和安全区处于其两侧, 许
多检查时, 仪表的指针即使稍稍偏离标准状态, 立即可以发现, 读到时间和误读率较少,
如果仪表排成一行, 应排成 2行, �以避免观察仪表时眼睛和身体有较大的移动.
第四节 符号和图形
一. 符号的作用
人类社会很早就开始使用符号了, 事实上我们的汉字就是一种象形字,可以说是在
符号的基础上发展起来的, 不仅我们中华民族的文化是如此, 世界其他国家的文化中,
符号, 特别是图形似的符号, 也有着十分重要的作用, 国外一学者曾在世界各地搜集到
20000余种各类符号.
使用符号一般认为有以有以下几个好处.
第一, 在人的信息接受过程中, 若是文字显示, �则必须要经过一次编码的过程,
因为文字本身是没有意义的, 只有把文字与贮藏在大脑里的意思对应起来, 文字才能有
意思, 这种对应尽管在许多情况下是自动的, 无意识, 但也需要占用人的一定的时间和
精力, 而符号显示, 若符号选用得当的话, 就可以省去编码的过程, 如在公路旁边画一
个鹿站在路中央, 人们很快知道前面路上有鹿,而用"小心前方有鹿穿行",人们还必须得
先理解这句话, (因为我们的教材是用文字写得, �所以好像觉得文字比符号好).
第二, 人对文字的接受是顺序的, 而对简单的符号的接受几乎是同时的, �这样在
时间紧迫的情况下,符号比文字要接受得快些, 仍以上面的例子, �在高速公路上, 一眼
可以看清鹿站在路中间的一张画, 而用同样的时间, 无法读完'小心前方有鹿穿行'八个
字, 正是由于这个原因,�西方国家高速公路上都尽量用各种符号来代替语言.
第三, 文字是受到国界限制的, 而一个明确的符号是不受国界限制的, �随着科学
技术的发展, 交通变得越来越快, 方便, 世界变得越来越小. 当一个人走进一个他不懂
得该国语言的国家时, 会遇到很多困难, 而用符号, 可以克服这个问题, 下图是三个关
于男厕所的显示. 左边是用中文写的男厕所三个字, 对于一个不懂中文的人来说,他是
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不知道这是男厕所的.中间一个是英文的男厕所,�对于一个不懂得英文的人,显然也不会
知道这是男厕所, �这对于一个懂一点英文的人可能也是一个问题, 因为他可能以为这
是指'人'或'男士', 而不知这是男厕所. 右边一个图是用符号表示的男厕所, 不管你是
懂中文还是英文, 或者这两种语言一种也不懂, 只要遇到过一次就可以永远知道这是男
厕所了.
第四. 用文字显示就必须假定接受信息的人一定懂得文字, �不幸的是在即将走进
二十一世纪的今天, 世界上还有近四分之一的人是文盲, 用符号显示可以使没有文化水
平或文化水平很低的人也能了解要传递的信息的内容. 下图是关于戴安全帽的两种显示
方法,左边是文字显示, 右边是图形似的符号显示, 显然, �右迪的显示比左边好
符号显示的优点是明显的, �可是我国的广大设计人员似乎没有认识到这一问题,
在日常生活和工作中, 我们使用符号的频率已远远低于西方国家, 这与我们这个以象形
字为文化起源的国家是不相称的, 我们应当迎头赶上.
二. 符号的设计
上一节我们谈到了使用符号的许多优点, �这是建立在符号的意义很清楚这样一个
假定基础上的. 所以为了发挥符号显示的优点, �我们必须首先得使用意义清楚, 不容
易混淆的符号, 而这做起来是不容易的, 用不同的符号表示同一个意思,�所产生的效果
是很不一样的.
图 7-5是几个不同的建筑物的出口标记, 两位学者做了这样一个试验, 他们在速
显器上把某一种符号显示给被试者, 然后让他们回答这是不是一个出口符号, 图中也给
出了各种符号的错误率, 我们看到, 每一种符号都有一定的错误率, 有的错误率竟高达
42%. 当然这与符号显示的时间很短及被试者对符号不熟悉有关, �事实上, 我们到现在
仍未找到一个理想的出口符号.
图 7-6是五种不要横穿马路的符号, 显然最右边的一种符号最好, 意思最清楚,
可是我们现在绝大多数地方使用的是右边第二种符号, 即招手的符号, 试验结果表明,
右边的符号最好, 70%的被试者希望这是不要横穿马路的符号, �右边第二种次之, 有
23%的人希望这是不要横穿马路的符号.
正是符号显示有它的优点, 但也容易产生混淆, �所以设计好的符号显示就显得特
别重要, 在符号的设计中应遵循下列原则:
第一, 符号不应产生误解, 要避免使用会产生多重含义的符号, �特别是有可能产
生相反含义的符号.
第二, 符号应与人的习惯相一致.
第三, 西方在使用符号方面积累了丰富的经验, 我们可以借鉴, �以便少走弯路,
这样也可以增加符号在世界范围内的通用性, 正如我们已经讨论过的, 这正是使用符号
的优势所在.
第四, 在符号使用的开始, 由于人们对符号还不太熟悉, 应与文字同时使用.
三. 图形的应用
常言说一张好图抵得上一千个字, 在许多情况下, 这一点也不夸张, �在人的信息
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处理过程中, 图形与符号属于同一类型, 因此, 符号具有的一些优点, 图形也具有. 而
且图形的象形作用比符号要强得多, 图形在表示物体之间的相对位置, 表示物体的相对
大小等方面比文字有不可比拟的优势. 图 7-7�是从华中理工大学校门口到外宾招持所
的两种表示方法, 左边是文字表示, 右边是图形显示, 显然右边的方法要好得多.
进校门后, 沿着左手(西边)的
一条道一直向前走, 走了大约
十分钟在右手边可看到邮局,
是一个两层楼的房子, 过了邮
局往前走一个街口就可看到左
手边有一个很好的院子. 这个
院子就是外宾招待所, 这时向
左拐走下去就可看到招待所的
大门.
图 7-7两种指路方法
图形不仅在表示地图时有伏优越性, 在表示其他方面, 有时也有很大的优点, �
图 7-8是表示试验数据的两种方法, 左边是文字述示, 右边是图形显示, �显然图形显
示比文字述示给人的印象深些.
我们有两个试验变量, 一个是
控制的飞机架数, 一个是模拟
的更新时间, 每一变量有两个
试验水平, 我们发现脑力负荷
是随着这两处试验变量而改变
的. 控制的飞机数目增加, 人
的脑力负荷增加, 模拟更新时
间加快, 人的脑力负荷也增加
试验结果见表 7-2
表 7-2试验条件下的脑力负荷
飞机架数 3 6
更新时间
3
6
图 7-8试验结果的两种显示方法
正是由于有上述优点, 图形的应用已越来越广, �特别是在科学学术交流中更是如
此.
应当注意的是, 图形若使用不当, 有时会给人带来错觉, 图 7-9是一个这样的例
子, 从上面的一个图看, 似乎是随着变量 X的增加, A和 B的 Y值的差越来越大, 实际
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并不是这样, 下面的图直接反映了这两个图之间差别, 所以若使用图形的目的是反映 A
和 B之间的差异, 应直接用下面的图而不是上面的一个图.
图 7-10 是另一个图形带来错觉的例子. 上图是一个立体图, 使人感到 X从�1 到
3 , Y增加了许多倍. 可是我们把同样的数字画在平图上, 如下面的一个图所示, 就发
现并不是这样, X从 1到 3时, Y也只是线性地从 10增加到 30.
还值得一提的是, 图形虽然给人的印象比较直观, �但理解一个图形还是需要一定
的时间的. 图形并不是越多越好. 应尽量减少不必要的或不太重要的信息. 现在在学术
交流会议上, 一般允许的发言时间是 15分钟左右. 许多人在这样短的时间内显示出
30-40张图片, 希望人们对他的科研有一个详细的了解, 结果适得其反. �根据人类工
效学的研究成果, 人们平均需要 1-3�分钟才能对一张图片进行较好的理解, 所以 15分
钟的学术交流使用的图片应一般不超过 15张.
四. 文字显示
尽管与符号和图形相比, 文字显示有它的弱点, �但文字显示也有符号和图形显示
取代不了的优点. 第一, 文字显示的顺序性比较强, 这在描述一个过程或写说明书时非
常有用. 第二, 文字显示可以根据需要进行补充和精简, 这一点符号不可能做到, 图
形做起来也不灵活. 第三, 也是最重要的, �许多信息无法用符号或图形表示. 这就是
为什么到现在文字显示仍是日常生活中最主要的显示媒介. 只要看看报纸, 看看各种书
籍就能了解文字显示的普及性了.
文字显示, 包括说话, 属于信息沟通的范畴. �为了使信息沟通有效的一个重要的
原则是地考虑信息接受者的特性. 对文字显示也是这样. 在设计文字显示时,�应首先了
解谁, 将在什么条件下接受这些信息. 在工作中的文字显示应尽量简单,�易懂. 图 7-
11给出了一个很好的这样的例子. 这是一个自动电梯上的英文说明, 看了左边的说明,
即使是英文水平相当不错的人, 可能也不能够理解它的真正含义.�即使是英文水平很一
般的人, 也应知道右边的说明的意思. 实际是, 这两个说明想传递的信息是一样的, 但
结果却很不一样.
PLEASE TO GO UP ONE FLOOR
WALK UP ONE FLOOR OR
WALK DOWN TWO FLOORS DOWN TWO FLOORS
FOR IMPROVED ELEVATED SERVICE PLEASE WALK
图 7-11. 两种英文文字显示的比较
五. 说明书
说明书也是一种显示. 人们通过说明书了解对一个产品或消费品的使用. �多少年
来, 人们对说明书特别不重视, 往往是产品生产好了, 在投放市场之前, �匆匆忙忙地
写一个说明书应付差事. 这带来一系列问题. 最常见的问题是, ��消费者或使用者买回
新产品或消费品后, 不知道怎么用, 需要别人指教. 第二个问题是产品的许多功能发挥
不了作用, 正象我们平时所说的把高级东西当傻子用. 第三个问题是安全问题. 例如,
有的热水器因为消费者不知道如何安全使用造成人员死亡的恶性事故. 根据大量的经验,
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我们认为说明书应遵循以下原则:
1. 图文并茂. 正如我们前面已经讨论过的, 文字有顺序性好, 清楚的特点,� 而
图形有表现方位好, 直观的特点. 而说明书即要求清楚, 也要求有直观, �有方位, 所
以说明书应该图文并茂. 图 7-12是一个这方面的例子.
2. 与产品不可分. 说明书应与产品成为一个整体. 说明书离开了产品是一堆废纸,
而产品离开了说明书不能充分地发挥其作用. 只要产品在, 说明书就应该在, 而不是两
个分开的部分. 若是两个分开的部分, 天长日久, 就会出现找不到说明书的现象. 现在
有许多说明书就贴在产品上就是这个原则的一个很好的利用.
3. 有深有浅. 随着科学技术的进步, 现在各种产品, 特别是电子产品的功能越来
越多, 因而说明书也越来越厚, 令人望而生畏. 作者曾有在看完一本录相机的说明后还
不知道该如何放相的经历. 据报道, 现在许多日本老人宁愿要简单的录相机而不要复杂
的录相机, 一个重要的原因是使用问题. 说明书应该分成几等, 首先是最基本的用法,
然后才介绍比较现代的用法.
4. 语言简炼. 说明书的目的是实用, 所以说明书的语言应当简炼, 花俏的语言是
不应该写在说明书里的.鲓 ��脑�蚴鞘褂梦侍*. 说明书应该分成几等, 首先是最基本的
用法, 然后才介绍比较现代的用法.
4. 语言简炼. 说明书的目的是实用, 所以说明书的语言应当简炼, 花俏的语言是
不应该写在说明书里的.鲓 �
第八章 控制器
第一节 控制器的概念
控制器是操作者(人)用来操作机器的装置, �是人将信息传递给机器的一种工具.
控制器组成了人-机交往的第二个界面. 控制器与显示器一道, 构成了一个完整的人--
机系统的信息循环.
由于人们输出信息的部位的不同, 以及控制器在功能上的差别, �所以控制器的种
类是多种多样的. 在现代化生产中, 一个操作者往往操作多至十几个, 几十个, 甚至于
上百个控制器. 控制器的设计是否合理, 直接关系到人机系统的工作效率. 合理的控制
器, 可以使操作者准确, 迅速, 安全地进行操作, 并且减少紧张和疲劳. 不少控制操作
差错所引起的事故与控制器本身设计不合理有关. 设计及制造机器设备时, 不仅要考虑
它的运转速度, 生产能力, 能耗,� 耐用性以及外观等问题,还应考虑与使用机器的人有
关的操作动作, 能力, 习惯等生理, 心理限度, 使控制器的设计更为合理.
需要指出的是控制器有狭义和广义两个概念. 狭义的控制器, �也就是传统的控制
器是指人控制机器和机械的装置, 如各种按钮, 操纵杆, 脚踏板等. �而广义的控制器
则是任何把人发出的信息传递给系统的媒介, 如钢笔, 筷子等广义地讲也属于控制器的
范畴. 在本章中我们主要涉及的是狭义的控制器, 但其中的许多原理对广义的控制器也
是适用的.
第二节 控制器的种类
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控制器的种类很多, 我们可以把控制器分为四大类.
第一类控制器为手动控制器, 这是最常见的一类控制器. 手动控制器, �顾名思义,
是由操作者用手控制的设置. 常见的手动控制器有各种旋钮, 按键, 手柄, 转轮等等.
第二类控制器为脚动控制器, 即操作者用脚控制的装置. �脚动控制器主要有两种,
一种是脚踏板, 一种是脚踏钮.
第三类控制器为键盘式装置. 在人--计算机系统中, �人机交往之间的控制器主要
是键盘. 严格地讲, 键盘也属于手动控制器. 但由于随着计算机的普及, 键盘成为一种
使用越来越广的输入工具, 所以我们把它列为专门的一类.
第四类控制器是平面控制. 所谓平面控制就是控制器本身是一块平面, �当平面受
到一定的压力之后, 平面下的电路就被接通, 控制器所对应的命令就传给了机器. 许多
现代化的家用电器和一些电子设备就是采取这样的控制方式.� 可以预料,随着电子技术
的进步, 这样的控制器将会越来越多.
第三节 控制器可能引起的错误
人们操作控制器时, 出现差错的现象是不少的. 据有关统计, �在操作机械生产过
程中, 由于操作失误所引起的事故, 几乎与机器或生产系统本身的故障所引起的事故占
同样高的比例. 按行业来分, 由于人的错误判断, 错误操作所引起的事故率, 在洫运输
事故中占 90%, 在喷气式飞机事故中占 50-60%, �在化学工业事故中占 30%左右, 在炼
油工业事故中占 12%左右. 据国外一个统计数字表明, 58--78的事故是由于对人机系统
中"人的因素估计不足所造成的. 1977年 7 月, 在美国纽约, �由于配电人员的误操作,
发生了连续两天中断供电的事故, 造成了很大的损失.
许多事实说明, �不少差错是由于设计控制装置时没有充分考虑人的因素所造成的.
操作人员到底可能出现哪些操作上的差错呢? 概括起来主要有:
1. 置换差错. 当不同功能的控制器安装在一起, 但其相互关系又不容易辨别时,
常常引起操作者本来应操作 A控制器而结果造成操作 B控制器的错误. 其主一原因是控
制器位置安设不适当或缺乏使操作人员凭触觉(或其他感觉)就能确认的标记符号. 如有
的挡风玻璃上的雨刷和前灯是靠扭动旋钮来操作的, 而这两个旋钮开关完全一样, 又并
排安装在驾驶杆的左侧, 尽管旋钮上有标记, 但如不注意, 驾驶员也可能钮错.
2. 调节错误. 调节控制开关时, 调错开关位置, 以致机器运行太快或太慢, 这就
是调节错误. 比如, 使用自动走刀的机床进行切削加工时, 进刀深度小(浅刀), 速度要
大, 进刀深度大(深刀), 速度要小. 若在深刀加工时, 错误地把操作手柄放在调整位置,
则会把刀具甚至机床损坏. 若在浅刀加工时, 把速度搞慢了, 则不能得到如期的效果.
3. 逆转错误. 操作控制器时, 操作的方向与实际需要的方向相反, 这就是逆转错
误. 造成这类错误的原因是控制器的转动方向不合人的操作习惯, 控制器的转向与指示
器或系统的运转的方向缺乏逻辑上的联系; 控制器本身缺乏醒目的导转标志等.
4. 无意的操作错误. 在使用控制器时忘记复位或固定, 以及操作时间不准确, 操
作不小心等, 均能造成无意的错误. 引起错误的原因可能是: 控制器本身缺乏复位装置
或某种报警信号系统. 旋钮阻力不够, 手感不强, 操作时无法感觉出操纵量的大小, 从
而容易产生碰移或凝滞. 控制器的配置或操纵力, 超过了人的操作能力, 使人无法触及
或操作困难等.
第四节 控制器的编码
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在工业, 农业, 交通运输业中许多大机器都有控制台, �控制台上有许多相似的控
制器. 这里要考虑的一个重要问题是在没有眼睛观察的情况下, 能够使用正确的控制器.
根据 mcfarland的调查, 在第二次世界大战中, 在 22个月的时间里, �美国空军因为飞
行员按错了控制器而损失了 400架飞机.
减少操作错误的一个方法, 就是把控制器进行编码, �使每个控制器都有自己的特
征或代号, 以便操作者确认而不混淆. 在使用许多控制器的复杂操作场合, 编码尤其重
要. 编码的方法一般是利用形状, 大小, 位置, 颜色或标号等进行编码的.
1. 形状编码. 对各种不同用途的控制器设计成多种多样的形状, 以形状进行区分
(编码). 实践证明, 这是一种容易为人的视觉和触觉辨认的, 效果较好的方法. 形状编
码一般要注意两点: 一是各种形状要尽量反映其功能要求, �使人能看出此种形状的控
制器做什么用和在什么地方用; 二是要考虑操作人员戴上手套也同样能分辨和方便操作.
图 8-1为常用旋钮控制器编码, 共分三类: 多倍旋转旋钮(控制范围超过 360度);
定位指示旋钮(即旋钮的控制, 受临界位置的控制, 如有的电视频道选择器, 每次定位
都发出"咔嚓"一声); 部分旋转旋钮(控制范围不超过 360度). 据实验, 这些旋钮仅凭
触觉就可辨别, 而很少被弄混.
2. 大小编码. 据实验, 小号的圆形旋钮, 当其大小为大号的六分之五时, 彼此之
间可以被人们识别. 但大小编码没有形状编码有效, 因为若想仅借触觉就能正确地辨认
出不同尺寸的旋钮, 则它们之间的尺寸必须相差较大, 但常用旋钮的尺寸都比较小, 所
以采用大小编码是因难的. 因此,� 在需要操作人员立即判断的场合,仅仅只能使用大,
中, 小三种尺寸的旋钮, 且大旋钮的尺寸要比小的大百分之二十以上, 才有准确操作的
把握. 其他按钮, 扳动开关等小型控制器的大小编码都有类似情况, 所以大小编码形式
的使用是有限的.
3. 位置编码. 控制器安装位置也常能起编码作用. 例如, �汽车上的离合器, 制
动器和加速器的踏板, 就是以位置编码的. 当不用眼睛而仅用手摸开关进行操作时, 对
垂直排列布置的操作的准确性优于水平排列布置的. 实验结果表明, 当控制器垂直排列
布置时, 控制器间距以 12厘米左右为好, 当水平排列布置时, 其间距就需要更大一些
才好.
4. 颜色编码. 控制器的颜色编码, 一般不能单独使用, 要与形状或大小等编码合
并使用. 颜色只能靠视觉辨认, 并且只有在比较好的照明条件下, 才不致被歪曲, 所以
使用范围也就受到限制. 人眼虽然能辨别很多的颜色, 但用于控制器的颜色, 一般只是
红, 橙, 黄, 蓝, 绿等五种. 色样多了, 容易混淆, 不利于眼睛辨认.
5. 标号编码. 在控制器上或其侧傍, 用文字或某种符号标明其功能, 这也是较为
有效的一种编码方法. 但它需要一定的空间和较好的照明条件, 并要求标号简明易辨.
6. 安置. 例如, 按操作的顺序, 或按水平方向或 直方向运动. 只有少量的控制
器可以通过这种方法进行鉴别.
7. 结构和材料. 除了形状和尺寸,旋钮还可以通过不同的表面(光滑的, �起皱的
等等)来区别. 如果在操作时看不到控制器, 比如在黑暗中, �或注意力集中在其他地方,
这些特性是很有帮助的.
第五节 控制器的设计原则
一. 习惯问题
当我们在驾驶一个陌生的汽车时, 当我们按顺时针方向转动方向盘时, �我们希望
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看到车轮向右转. 没有人希望自己在做向左转时, 车轮实际向右边转. 同样的, 当我们
把一个控制器的手柄等向左移动时, 我们希望显示器的指针也向左移动. 人们的这种期
望取决于人的习惯反应. 经验在人的大脑里形成一定的模式, 如我们在第五章关于人学
习写字时已经讨论过的. 习惯反应是指人对一定的条件所做的潜意识或自动的反应.
这里需要指出的是习惯反应是受文化背景的影响的. �这就是为什么有些仪器的安
置必须要考虑所在国的习惯. 这其中的一个例子是电灯开关. 开和关在各个国家是一样
的, 但在上是开还是在下是开在一些国家与另一些国家是不一样的.
而且习惯的强度也有不同, 也是因人而异的. �例如对右手为正手设计的仪器对左
撇子可能就不方便. 最后, 这里还有一个非常重要的例外: 按顺时针转在所有的情况下
都表示增加, 但是对水和气体的控制阀门按顺时针转时却是关闭. 当一个人既控制水或
气体, 又控制电的时候就会带来问题. 在这种情况下, 就应当考虑采取一些减少事故的
措施, 提高人在控制时的警觉性.
下面我们讨论一下对世界各地都适用的关于工业仪器设计的有效的原则. �其中一
个重要的原则是控制器与它所控制的仪器的运动方向应符合人们的日常习惯. 这些习惯
可规纳如下:
1. 当控制器向右方移动时, 圆形的或水平的显示器的指针也应向左移动. 在
直方向显示器, 指针应向上移动.
2. 当控制器向上或向前运动时, 指针应向上或向右运动.
3. 右手转或顺时针转意味着增加, 所以显示器也应该显示增加.
4. Hoyos推荐对于圆盘移动式显示器, 当控制器向右移动时, �刻度应向右移动,
但是刻度从左到右应是增加的, 这样向右转可以使读数增大.
5. 当控制器向上, 向前, 或向右移动时, 显示器的读数应增大, 或开关应当在'
开'的位置, 为了使读数减少, 或关掉开关, 控制器的手柄应向内, 或向左, 或向下移
动, 如图 8-2所示.
二. 控制比问题
为了把显示器的状态固定在某一位置, �操作人员首先用控制器把显示指针迅速地
调到要达到的状态附近, 然后再用控制器慢慢地做准确的调整. 在这一调整阶段, 控制
器的手柄或旋钮移动的距离和显示器指针的移动距离之间的关系具有十分重要的意义.
对于比较粗略的调整, 指针的移动快于控制器的移动更好, �但是对于比较精细的
控制, 控制器的手柄的移动比显示器指针的移动快些更好. 由于在不同的情况下这个最
佳的比值是不同的, 所以我们很难给出一个任何情况下都适用的定量的公式. 这里我们
只引用一下 Shackel的推荐值, �他认为当控制器是一个作圆形运动的旋钮, 显示器是
沿水平方向运动的指针时, 旋钮走一圈指针走 50-100 毫米比较合适, 这里允许的读数
误差是 到 毫米. 如果读数的误差较高, 在 �毫米之间, 那么控制器每
走一圈可对应显示器的指针走 毫米.
三. 控制器与显示器的一致性问题
在设计大的控制台时, 也会遇到习惯反应问题. �一个合理的控制器和显示器的设
置会使日常的监视工作变得容易得多, 也可以减少由于混淆而造成的读数的错误.
在设计控制台时应该考虑以下五条原则:
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1. 显示器应与它相应的控制器尽可能地靠近. 控制器应该或者在显示器的下方,
或者在显示器的右方.
2. 如果控制器安置在控制台, 而显示器在显示台, 那么控制台与显示台的设计应
对应起来.
3. 控制器的标签应在控制器的上方, 对应的显示器的上方也应当也相同的标签.
4. 如果要连续操作一系列控制器, 那么对应的显示器在控制台的安置也应该这样,
从左到右.
5. 另一方面, 如果控制台上的操作不是按顺序进行的, 那么对控制器和显示器应
按功能分类, 这样也可以使控制台显得有次序些. 可以用颜色, 标签, 不同尺寸或形状
的旋钮, 或用行和列来对控制器进行分组. 最常用的控制器和显示器应该在操作人员的
正前方, 比较次要的控制器放在控制台的两边.
图 8-3给出了一个合乎逻辑的把控制器和显示器分组的控制台的一个例子.
这些被推荐的原则看上去似乎是微不足道的, �但是我们应当记住长时间的单调的
工作会使人产生疲劳, 这会降低人的警觉性, 增加人们犯错误的可能性. 在这种情况下,
显示器和控制器合乎逻辑的安置可以使人的自动系统工作, 疲劳的操作者可以象条件反
射那样操作而不至于犯错误.
四. 控制器之间的距离
如果要自由地正确地操作控制器而不受附近控制器的影响, �控制器之间应当有一
个最小的分开距离, 表 8-1�给出了各种类型的控制器之间最小的和最佳的分开距离.
表 8-1. 相邻控制器之间的距离 (单位: 毫米)
控制器 操作方式 最小距离 最佳距离
按钮 一个指头 20 50
肘节开关 一个指头 25 50
主开关 一个手 50 100
两个手 75 125
手轮 两个手 75 125
旋钮 一只手 25 50
踏板 用同一只脚 50 100
五. 阻力
操作控制器时应该有一定的阻力, 这样可以使控制行为更准确, �不会由于手的颤
抖或其他原因而不必要地把开关打开或关上. 下面是 schmidtke�推荐的各种控制器的
阻力.
一只手的旋转
用一只手的压力
踏板的压力
有时为了区别某一控制器而故意采用高于上面阻力的值.
下列控制器比较适合不需要力量, 但精度要求较高的控制: 转向开关, �手杠杆,
旋钮.
53
六. 控制器设计的其他原则
只需要很小力量的控制器, 如按按钮, 转向开关, 小手柄, 旋钮等. 所有这些控
制器都可以用手指头进行操作. 需要肌肉力量的控制器, 如手轮, 吊车, 重杠杆, 脚踏
板等. 这些包括手或脚部大块肌肉的运动.
要正确操作机器和仪器, 正确地设计和安置控制器是十分重要的, �应当遵循下列
指南:
1. 控制器的设计应考虑人的四肢的骨胳及其功能. 手指和手应该用来作快速的准
确的运动, 手臂和脚应该用来做需要力量的操作.
2. 手操作的控制器应该易于达到和抓起, 在肘高和肩高之间, 眼睛完全可以看到.
3. 控制器之间的距离应考虑到人的生理特性, 用指头操作的旋钮或开关之间的距
离最小应为 厘米. 需要用整个手操作的控制器之间的距离应当不小于 50�厘米.
4. 按钮, 反向开关, 旋钮适合于只需要很少运动, 很小力, 高精度的操作,�可以
是连续性的, 也可以是间断性的操作.
5. 长杠杆, 曲柄, 吊车, 手轮, 踏板等适合于用力, 运行距离较远, 精度较低的
控制.
第六节 各种控制器的设计
一. 用手或手指操作的按钮
用手或手指操作的按钮占用的空间较小, �可以用颜色或其他标记把它们区别开来.
按钮的表面应该要有足够大, 使手或手指在施加压力时不致于滑脱. 我们推荐的尺寸为:
直径 12-15 毫米
单独的紧急开关 30-40 毫米
移动距离 3-10 毫米
操作阻力 -5N
用手指操作的按钮的表面应该是稍微地凹进的, �而用手操作的按钮的表面应该是
象摩菇状的. 这后者的尺寸应为:
直径 60(毫米)
移动距离 10毫米
操作阻力 10N
二. 肘节开关
肘节开关容易看见, 操作比较可靠. 如果一个开关只有两种状态的话(开和关) 应
优先采用这种开关. 如果几个开关容易区别的话, 它们可以被并排地放在一起. 开关移
动的方向应该是 直方向的, 在开关上应有"开"和"关"的标记, 因为在不同的国家, 开
的位置在上还是在下是不确定的. 如果一个肘节开关有三种状态, 那么两个相邻状态的
位置应当间隔至少 40度, 而且位置应当容易区别. 关于肘节开关的设计尺寸我们给出
在图 8-4中.
54
图 8-4 肘节开关的尺寸
当肘节开关的操作杆长于 50毫米时, 我们称之为"手杠杆". �手杠杆需要比操作
肘节开关的力大些. 这里也是一样, 运动的方向应该是向上或向下, 向前或向后. 当手
杠杆不仅仅只有"开"或"关"两个位置时, 每个位置应当有一个明显的刻度, 如果用手杠
杆可以进行很精确的控制, 那么应对肘, 前臂, 或手腕提供支撑, 手杠杆根据功能的不
同, 也可以有不同大小的按触面:
用一个手指 直径 20毫米
用手掌 直径 30-40毫米
磨菇型 直径 50毫米
三. 旋钮
旋钮可以有各种不同的形状, 圆形的, 箭头形的, 旋钮和手杆的结合, �甚至在一
个转轴上有几个旋钮等等. 所有这些旋钮都应该满足这样的条件: 使手握起来舒服, 容
易转动, 操作人员在操作过程中能够始终看到. 旋转开关应该比连续性的旋钮的阻力大
些, 这样可使操作者感到开关所处的状态. 我们推荐 的阻力水平. 而且两个相
邻位置的角度不应小于 15度, 如果要完全凭感觉操作, 则角度应不小于 30度.
没有间断的连续性旋钮可以用来做比较精细的控制. 在不换手的情况下, �人一次
可以旋转 120度. 如果可以换手, �那么人可以在没有困难的情况下转更大的角度. 旋
钮可以用手指来控制, 也可以用整个手来控制. 旋钮的表面若有些粗糙或有小槽对人的
操作也是有帮助的. 我们推荐下列尺寸:
用两三个指头 10-30毫米
用整个手 35-75毫米
手指控制的厚度 15-25毫米
手控制的厚度 30-50毫米
小旋钮的最大力矩
大旋钮的最大力矩
带箭头或有把的旋钮有能够迅速, 准确地读数的优点, 手把的长度应为 25-30毫
米.
四. 曲柄
当需要在一个较大的范围进行连续性的调整控制时, 用曲柄比较合适. �曲柄的进
尺可大可小, 取决于所要求的精度. 手柄能绕轴旋转的曲柄可以加快操作的速度, 但有
固定手柄的曲柄的精度更高. 我们为此推荐以下尺寸:
小力矩时的手柄长度 60-120 毫米
55
大力矩时的手柄长度 150-220毫米
快速定位的手柄长度 <120 毫米
根据摩根的研究, 下面是曲柄半径所对应的旋转速度:
半径(毫米) 20 50 120 240
旋转速度(rmp) 270 255 185 140
因此, 旋转的速度越慢, 曲柄的长度就越长, 反之也成立.
曲柄与操作阻力的关系为:
曲柄长度为 240毫米 阻力为
曲柄长度为 120毫米 阻力为
120毫米--240毫米是曲柄的理想长度. 在这一区间能进行很精确的控制.
曲柄手把的设计尺寸应为:
直径 25-30毫米
一只手操作的长度 80-120毫米
两只手操作的长度 190-250毫米
五. 手轮
当需要较大的力量时, 我们推荐用手轮, 因为手轮允许两手同时操作, �有一个相
对较长的杠杆, 旋转的速度也较慢, 手轮内缘的刻痕可使手轮被抓得很牢, 这样使人的
力使用的更有效些.
六. 踏板
踏板所需要的启动力一般不超过 100N, 虽然在农业, �建筑业和工业中有些踏板
的力超过 100N. 汽车中的刹车也属于踏板的范围. 脚踏板很适合做这类工作, 因为人
的脚可产生很大的压力, 这个力可以高达 2000N.
为了使脚能够施实较大的力, 应当:
座椅有一个较高的靠背;
膝盖成 140-160度;
脚踝的角度为 90-100度;
小腿的斜度为 20-30度.
如果需要更大的力, 那么就要用到整个大腿. �这时踏板的启动力必须大于大腿的
重量. 应该让脚后跟使劲, 蹬踏的轴线应该在脚踝与后背支撑点的连线上.
下列尺寸推荐给重踏板的设计:
踏板移动的距离 50-150毫米
操作的最小阻力 60N
有些踏板, 如汽车的加速器, 只需要很小的压力, 完全可以用脚掌来操作, �这类
踏板的启动阻力很低. 操作这类踏板时, 可把脚后跟放在地上, 把脚掌放在脚踏板的下
半部. 下面是对这类踏板的推荐的尺寸.
踏板操作时移动的距离: 30毫米
踏板的最大角度 30度
踏板的最佳角度 15度
操作的阻力 30-50N
所有踏板的表面都应该不滑.
56
正如在表 8-1中已经提到过的, 两个相邻的踏板之间的距离应该在 50-100毫米之
间. 在特殊的情况下, 如穿着很重的靴子, 距离应更大些.
脚踏板是用来在有很多控制行为的情况下用脚来分担手的负担, �但当人是在站着
工作时, 应尽量避免用脚踏板. 在任何情况下, 脚踏板应当只有"开" 和"�关"两个状态
的操作.��笮*.
脚踏板是用来在有很多控制行为的情况下用脚来分担手的负担, �但当人是在站着
工作时, 应尽量避免用脚踏板. 在任何情况下, 脚踏板应当只有"开" 和"�关"两个状态
的操作.�
57
第九章 人--计算机介面
第一节 概述
人--计算机介面引起人们的重视有不到二十年的历史. �最初只有几个计算机专家
从事人--计算机介面的硬件方面的研究, 如 CRT屏幕的设计和输入设备的设计, 这里用
到一些生物, 人体测量, 人的视觉系统等方面的研究成果. 随着时间的推移, 研究人员
的兴趣逐渐转移到信息显示的原则. 人的信息处理系统和认知系统现在成了这类研究的
基础. 人--计算机介面现在成了一门介于计算机科学, 人类工效学和行为科学之间的边
缘学科. 现在也涉及到一些新的学科, 如语言学和图象设计.
人-计算机介面的一个里程碑是 1982年在美国普斯柏格召开的第一届人--计算机
介面的学术研讨会, 是由计算机械学会和人类工效学会共同发起的. 从那以后,�人--计
算机介面得到了飞跃的发展, 研究成果成倍的增加. 同时, 人类工效学专家就业的机会
也大大地增加, 许多计算机制造公司和软件开发公司有专职的人类工效学家. 最近的一
项调查表明美国 50%的人类工效学会员把人--�计算机介面作为自己的一个研究领域.
第二节 认识系统工程学
一. 认识系统工程学的必要性
计算机和自动化把许多人从体力劳动中解放出来, �现在在西方发达国家绝大部分
人的工作, 包括许多办公室办事人员的工作, 都属于脑力工作的范畴. 因此,�计算机给
人带来了一个更大的认识工程环境.
计算机技术的进步提供了帮助和扩大人的解决问题的能力, �但在这种技术进步的
同时也产生了新的认识问题. 例如在新的技术条件下人和机器的分工问题. 而且, 新技
术的出现并不能自动地保证好的系统行为, 因为系统是由人操作的, 技术水平提高了,
如果计算机操作人员的水平没有得到提高, 新技术的潜力不仅会发挥不出来, 甚至会产
生新的问题. 计算机是一个工具, 一种放大镜, 成功地应用它会带来巨大的效益, 但出
现问题时由此带来的损失也越大. 遗憾的是, 当计算机技术在不断飞跃发展的时候, 我
们关于人如何使用这种技术的研究的步子并没有跟上.
二. 什么是认识工程学
首先认识工程学研究的对象是复杂系统中的人的行为. 随着技术的进步, �系统的
规模越来越大, 功能越来越多越强, 系统本身也变得越来越复杂, 人对系统的操作取决
于人对系统的认识,� 而系统复杂性的增加也增加了人对系统了解的困难.用分解来简化
这样的系统的复杂性往往会使人对系统的理解产生偏差, 使人对系统的认识不够完整.
人必须把系统作为一个整体来看待和研究, 这样传统的研究人的行为的方法就显得不足
了. 必须采用新的方法.
其次, 认识工程学是面向一个开放世界的. �传统的对人的研究往往是在各种条件
得到控制的闭合的试验室进行的. 这种方法不再适合研究人在复杂系统中的行为. 我们
必须研究人在一个开放世界的行为, 要走出试验室, 在现实系统中研究人的行为, 并把
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这种研究成果直接送到实践者的手中. 认识工程学要研究系统的内容和结构, 也要研究
人在系统中随着他对系统认识的变化而产生的行为的变化.
传统的心理学对人的研究方法是由下向上的, 工具驱使的方法. �而认识工程学则
认为, 研究人在现代系统中的行为应该是问题驱使的方法, 即首先从系统的目标出发.
人在系统中要达到什么目的, 要解决什么问题, 是什么原因使人在系统中的行为令人满
意或不满意. 从这些分析中可以找出解决问题的方法, 找出认识世界对人的要求, 使人
能够更好地履行自己的功能, 减少在系统操作中的错误等等.
三. 认识工程学的三驾马车
我们可以把人解决问题的领域看作有三个因素组成的一个相交的系统. �这个系统
中的三个因素是: 现实世界, 在世界上发生作用的代理人, 代理人对世界的认识媒介.
我们若能对这三个因素的关系有一个更好的了解, 那么我们对人在复杂系统中解决问题
的能力也会有一个更好的了解.
让我们先来看看现实世界, 即被研究的系统. 现代的系统有这样四个特点: (1)
这是一个不断变化的系统; (2) 这个系统中有许多因素, 而这些因素都是高度相关的;
(3) 这个系统中包含有许多不确定的因素; (4) 这个系统包含着许多风险. 这些特点都
会影响人在解决这个系统中的问题时所采取的策略.
人是通过认识媒介来认识世界的. 认识媒介对现实世界的信息进行搜集, �整理,
抽象, 然后把它提供给解决系统问题的人. 在这个过程中, 有些信息被传送互到人, 而
有些信息被遗漏了, 这些都对人的行为会产生深远的影响.
最后一个也是最重要的一个因素是代理人, 即解决问题的人. �人在信息处理过程
中使用的资源及其它们之间的结构.� 是什么机构或资源影响人对系统的监视,认识系统
的非正常状态, 解释不可预见的行为, 以及在上述情况下采取什么样的反应?
四. 认识工程学的主要内容
认识工程学的一个重要内容是找出专家行为的基础, 即专家为什么这样做. �首先
我们要找出一种理论, 这种理论可以用来描述人的认识技巧和系统在人的大脑的代表方
式. 其次, 这些知识在现实环境中是怎么实现的. 最后, 我们需要了解知识和技能是怎
样自我发展和自我更新的. 在认识工程学中, 有大量的关于比较专家和新手之间差别的
研究, 这些研究涉及到下棋, 解决物理问题, 病人诊断, 编计算机程序等不同领域. 人
们发现专家的知识面要广, 而且这些知识被分类和有机地整理在一起.
认识工程学的第二个内容是启发性的训练. 人的知识是通过训练来获得的, �但仅
训练本身是不够的. 获得知识一个有效的方法是启发性训练. 启发性训练通过让学生通
过对世界的媒介的操作来了解世界的, 例如, 图形或类比表示法, 系统元素的相互关系,
现实世界的模拟等. 启发性训练的一个内容是让学生了解各种可能解决问题的方法及各
种方法产生的结果, 如系统地变化系统中的某一个变量, 让学生全面了解这个变量对系
统结果的影响. 这里有两个问题应该注意. 第一, 学生所控制的是现实世界的一个代表
(比如模拟), 第二, 学生能够随意地改变系统中的决策变量. 人们对这种方法也进行了
一些研究, 结果是比较理想的.
认识工程学也研究人的错误. 谈到人的错误, 什么是人的错误, �什么因素引起人
的错误, 人的错误以什么形式出现, 如何发现潜在的错误, 如何预测错误发生的时间和
频率, 什么样的工作使人更容易犯错误? 对人的错误研究越来越受到人们的重视. 对人
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的错误的研究有这样几个主题, 首先是对错误进行分类, 只有那些系统性的错误才是研
究的主要内容, 因为我们主要, 也只能防止这类错误的发生. 人们认为人的错误的一个
重要原因是人的合理思维的局限性, 即人不可能在任何情况下都知道合理的决策是什么,
在他找不到合理决策时, 他就选一个错误的决策, 发解人对某一问题的决策的局限因素,
给人提供必要的帮助就可以预防这样的错误的发生. 现在对人的错误研究表明, 人的错
误实际上是人--机系统不匹配的结果, 因此, 研究人的错误离不开人所处的系统.
人在系统中解决问题的一个方法是事先把各种解决方案计划好, �贮存在大脑里,
当某一种情况与事先设计好的方案所对应的情况一致时, 人们就采用这种方案. 但是这
种解决问题的方法是非常脆弱的, 因为在许多情况下, 人们面临着从未见过的问题, 而
正是这类问题常常导致事故的发生. 研究人如何在面临新问题时, 怎样扩大自己的已有
的知识, 来解决新的问题, 在新问题发生后, �人需要哪些帮助等等也是十分重要意义
的内容.
第三节 屏幕显示
在人--计算机交往中, 计算机传递给人的信息主要是通过视觉进行的, �今天绝大
部分计算机的显示器是荧光屏(CRT), �将来也许多会采用液晶显示或电子发光器等显示.
不管采取什么技术, 显示的信息的内容和格式对人--计算机交往的效率是有着非常重要
的意义的. 如果计算机显示的是人所不需要的信息, 而人需要的信息又没有被显示, 人
在计算机上的工作效率将受到极大的影响, 甚至于会导致人们放弃使用计算机或某一计
算机软件.
人们已经对屏幕显示进行过许多研究, 这些研究证明了屏幕显示的重要性. �例如,
Tullis曾对 500种显示器进行了比较, �发觉操作人员在使用最差的显示器来获得关于
某一航空公司的航班信息所需要的时间比在最好的显示器上时间要长一倍多.
屏幕显示涉及的内容很多, 下面我们只介绍一下主要内容.
一. 屏幕显示与纸上阅读
如果同样的信息显示在屏幕上和白纸上, �绝大部分人更愿意从白纸上获得信息.
试设想一下有一本长篇小说, 你愿意从荧光屏上阅读它还是从书本上阅读它?
Zacarias等人在一项研究中发现在同样长的时间内, 从纸上比从屏幕上可以完成更多
的工作. 是什么原因使人们更喜欢从纸上阅读信息还不十分清楚, 也许有一些主观因素,
如人的阅读习惯问题, 但也有许多客观因素, 如荧光屏给人带来的视觉疲劳等.
二. 屏幕显示与视觉疲劳
计算机屏幕显示信息, 各种信息实际上是由一串微小的光组成的集合, �人阅读信
息时, 眼睛直接与光正面接触, 虽然这种光是较弱的, 但时间长了也会增加眼睛的疲劳,
甚至带来伤害. Dainoff等人 1981年对 100个使用计算机的办公人员的调查中发现有
45%的被调查者有视觉疲劳的症状. 据估计, 仅在美国就大约有 1000�万人患有与图像
终端有关的疾病, 使用计算机的时间越长, 眼睛就越容易疲劳. 与图像显示终端有关的
主要视力疾病包括眼睛疲劳, 头痛, 视线模糊,� 眼干燥或发红,颈痛或背疼等. 调查表
明, 造成视力问题的原因是屏幕反光, 工作安排, 光线不适和屏幕清晰度. 医务工作者,
计算机专家和人类工效学家正在寻找解决这一问题的办法. 可采取的一些方法是:
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(1)设计更高质量的荧光屏. 高质量的荧光屏可以增加屏幕清晰度, 这样可以使人
看清屏幕上的内容而不用过于集中视力, 从而减轻由此带来的疲劳.
(2)使用玻璃或其他滤光器, 也可以使用滤光镜等.
(3)避免各种亮光直接照在屏幕上. 亮光照在屏幕上有两个坏处. 第一, 它直接降
低了字幕的清晰度, 提高了工作对视力的要求标准. 第二, 它增加了操作人员视觉范围
内的光亮对比度. 过大的光亮对比度对人的视觉有直接的伤害.
另外, 屏幕的放置高度, 操作人员到屏幕的距离, �经常短时间的休息对减轻计算
机对视觉的影响都有积极作用.
三. 屏幕显示的信息量和方式
在屏幕显示中的一个重要内容是在一个屏幕内显示多少信息. �所有的屏幕显示的
设计指南中都指出, 显示多余的信息对人的行为是没有帮助, 甚至是有害的. 有些研究
人员提出在一个屏幕中信息的密度应不超过整个屏幕可显示信息的面积的 25%, 而美国
航空航天局则规定, 屏幕上信息的密度不应超过 60%. 在同一屏幕内显示的信息越多,
找到所需要的信息需要的时间就越长. 但若同一屏幕显示的信息过少, 则需要更多的换
页次数, 也会影响到效率.
在必要时, �对信息进行分类显示比不分类显示可以大大地提高用户的使用效率.
在人的视觉范围的 5度内是人的视觉最敏感的区域. �一些研究人员建议把这个值作为
每组信息在屏幕所占的空间. 这对应于 6-7行, 12-14个英文字母宽.
屏幕显示相对于书面显示的一个最大的优点是它可以随时对一些信息加亮, �使这
些信息更加突出, 引起读者的注意. 这被称为计算机的高亮显示技术. 有许多不同的加
亮方法, 如简单的加强显示信息的亮度, 改变颜色, 改变底色, 闪光等.�这些对吸引读
者的注意都有好处. 但在用高亮显示技术时有两点应该注意. 第一是不管采用哪种加亮
技术一定要谨慎, 过度的使用加亮会适得其反. 第二是被加亮的信息的选择一定要合适,
如果把不重要的信息加亮了, 这会大大地妨碍读者对找到他所需要的信息.
合理地使用对齐, 空行, 空格等显示方法也可以提高信息的可读性. �在这里一个
重要的原则是用列来显示同类的信息, 而不要用行来显示同类的信息. Wolf发现把信
息按列分类显示比同样的信息按行分类显示可节省 35%的搜索时间.
随着计算机技术的不断进步, 用图形显示已越来越方便了. �常言说一张好图胜过
一千个字. 图形显示相对于文字显示有一个很大的好处. 屏幕显示是通过人的视觉把信
息传递给人的大脑的, 心理学实验的研究表明人的视觉神经是以图形的方式把信息传递
给大脑的, 因此用图形显示把信息传递给人, 可以减少人的信息处理中的把文字变成图
象这样一个环节, 从而提高人的工作效率. 因些在信息显示的设计中, 我们提倡尽可能
地使用图形显示. 可以预料随着计算机显示技术的进步,�图形显示的比重将越来越大.
第四节 键盘设计
用键盘打字发明于 1868年. 键盘最早是一个有四排平行键的机械装置, �为了能
够迅速击键, 打字者必须使手指的排列与键的排列平行, 这就使手的姿式不自然, 使手
臂向里弯, 而手腕向外弯. 这种受限制的姿式使人常常感到不舒服, �有时甚至于使手
腕处的肌肉腱发炎.
随着电子技术的进步, 机械式的打字机已经被电子式的打字机所替代. �击键时所
需要的力已经大大地减少了, 因而击键比以前也方便多了, 但是不自然的姿式依然存在.
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计算机中所用的键盘与过去机械式的键盘的设计是相似的, �只有一些微小的差别,
如增加了一些数字键和功能键. 用计算机键盘输入与用打字机输入还有一个差别是有时
计算机的操作员有时不得不等待计算机的反应. 有时需要等好几秒钟.�根据瑞士学者
Johansson等的研究, 当等待时间超过 5秒钟会常常会引起操作人员不耐烦, 在这段时
间内, 操作人员喜欢把手放有一个较舒服的地方休息. 这个发现使设计人员开始考虑把
键盘设计成一个简单的平面, 使操作人员随时可以把手放在桌子上休息. 为此今天许多
工效学家建议键盘应该是平的, 中间一行字母键的高度应比桌子面高不到 3厘米, 而且
操作人员可以在桌面上比较自由地移动键盘.
�在计算机键盘设计中下一个值得考虑的问题是如何减少或消除键盘对人的手的不
自然姿式的限制. 1965年 Kroemer建议把键盘从中破开分成左右两个部分, �这样就可
以使避免两个手腕的弯曲. 两个键盘之间成 30度角度. 好几个实验结果都表明用这种
键盘给手腕带来的疲劳比传统的键盘要小. 但走出实验室, 人们对这种分开的键盘的设
计的反应似乎是不冷不热的.
经过几十年的研究和实践, 人们对键盘的设计的原理取得了基本一致的意见, 这
些原理是:
中排键高于桌面的高度: 30毫米
键盘前面(接近人的方向)的高度 低于 20毫米
倾斜 5-15度
两键之间的距离 17-19毫米
击键所需要的力量
键垂直移动距离 3-5毫米
操作人员应该能够感觉到计算机已接受了他的指令, 这被称为感觉反馈. �当键移
动了一半的距离, 阻力突然减少时, 感觉反馈效果最好.
对键盘设计的另一个研究内容是键的排列, 当前我们使用的键被称为 QWERT键盘,
因为这种键盘左上角的五个键是 QWERT. 在最初设计这种键盘时,人们主要是从机械的
角度考虑,尽量把两个经常出现在一起的字母分开,以免使打字机卡住了. 后来人们发现,
QWERT键盘的设计有许多不合理的地方.第一是两手的负荷不合理,左手的负荷比右手重
得多.第二是最常用的字母并不在中间一行,这增加了许多手指的运动时间.第三,连续出
现的字母并不是分在左右两手,这影响人的连打速度.一些研究人员开始根据动作研究的
原理设计键盘.
但是人们拒绝接受根据动作研究的原理设计出来的键盘,�这并不是因为这样设计出的
键盘不科学,而是人们已经习惯于 QWERT键盘.用新键盘代替 QWERT键盘的代价是难以想
象得高,人们使用 QWERT键盘已非常熟炼使得所有新键盘的使用者在短期内根本达不到
这样高的效率.
现在计算机在我国正在迅速普及.�如何通过键盘把汉字输入到计算机是一个非常重要
的问题.因为汉字是象形文字,这给用字母方式输入汉字带来许多不便.�感谢我国计算机
研究人员的努力,我们现在有许多很好的汉字输入方法,如五笔字型,�双拼全音等,这些
汉字输入系统大大加速了汉字的输入速度.
但是应该指出,从人类工效学的角度来考虑,这些汉字输入系统都有许多地方值得改进.
例如,当一个编码下对应几个汉字时,这些系统都是用 1,2,3,4 ....�来选择不同的字,
而不是用 A, B, C, D ......,而在键盘上打数字时手的运行的距离要长些.再例如,五
笔字型有词组输入,这大大加快了输入速度,�但有些词组的选用并没有根据词组出现的
频率来确定,如当你想输入"讨论"�这个词组时�,�你会敲�"YFYW",�但"YGYW"对应的是"
讲座"而不是"讨论".显然,讨论这个词比讲座这个词出现的概率要大些.
62
上面这些例子虽然只涉及到零点零几秒的时间,但考虑到使用计算机的人数,考虑到每
天使用计算机的时间,这些改进能带来的收益是难以估量的.因此我们建议,�我国在现阶
段应多投入点钱来研究这些问题.�否则当人们已经完全适应某一种方法之后,再要求人
们改用更好的方法几乎是不可能的,就象要我们放弃 QWERT键盘一样.
随着电子技术的飞跃发展, 现在涌现了许多新的计算机的输入输出方式, �如屏幕
接触, 光笔, 图象表格, 鼠标, 跟踪球, 操作杆, 扫描器等. 这些不同的方式都有自己
的优点和不足. 另外, 现在人们也在致力于研究人--计算机之间采用谈话式的输入输出
方式, 即计算机的语音合成和语音识别问题. 这里特别值得一提的是鼠标和窗口方式显
示的出现给人--计算机显示带来了一次意义非常大的革命, 因为窗口式显示把各种可选
择的命令已显示出来, 操作人员不用记住命令, 特别是不常用的命令, 这极大地减轻了
操作人员的记忆负荷, 大大地减化了计算机的操作, 也不再使人感到计算机深不可测.
同时鼠标的应用, 使命令的选择变得再直接了当不可. 现在在西方发达国家, 几乎看不
到有一台计算机没有窗口显示和鼠标. 窗口显示和鼠标的普及的确是人类工效学原则应
用的一个成功的典范.
第五节 其他有关问题
正如我们前面已经指出过的, 人--�计算机介面是人类工效学中一个非常热门的一
个研究领域. 美国的人类工效学家 Helander教授编辑出版了一本几百万字的<<人--计
算机交往手册>>. 除了我们上面提到的内容外, 还涉及到以下内容:
1. 编辑与光标移动. 对绝大多数计算机使用者, 计算机只是一个文字处理器. 因
此使用合理的文字编辑系统对使用计算机的效率的影响也是很大的. �受计算机技术的
影响, 最早的计算机编辑系统只是行编辑(如 DOS中的 EDLIN命令). 这种编辑系统不能
把所有的内容都显示在屏幕中, 人们对编辑只能进行反馈控制, 不能实行实时控制, 显
得很不方便. 现在的编辑系统当然基本上都是全屏幕编辑, 用起来就方便多了. 在编辑
过程中, 光标的移动对编辑速度影响很大. 许多系统的光标移动方式不一样, 也使使用
者感到很不方便.
2. 操作系统的评价. 计算机的操作系统对操作人员使用计算机效率的影响也是很
大的, 但是计算机操作系统的设计需要一定的有关计算机的硬件和软件的知识. 因此人
类工效学的研究重点是对各种操作系统进行评价, 包括数据系统的比较�, 软件包设计
的评价, 文件的查址方法的评价以及专家知识系统和计算机辅助决策.
3. 计算机的物理设计. 计算机操作人员都坐着工作, 这样减轻了人的体力负担,
但由于身体长期保持不动, 久而久之会产生许多职业病, 如腰疼, 脖子疼等等. 因此如
何设计计算机(包括键盘)的外形, �如何在工作地布置计算机使之适应操作者的生理特
性, 使操作者在工作中保持较好的姿式, 减少疲劳是人类工效学者们关心的一个问题.
这是传统的人类工效学中工作地布置的原理在计算机中的应用.
4. 说话式输入输出效果的研究. 说话是人与人之间最有效的交流方式. 当前使用
的计算机绝大部分都是键盘式输入. 键盘输入工作量相对来说比较大(�特别是数据文件
的建立). 操作者长期观察屏幕对眼睛也不无伤害. �因此试图用说话式输入输出代替当
前的输入输出方式是顺理成章的. 人--计算机说话式输入输出包括两部分. 第一部分是
声音识别, 即计算机接受人的声音后转换成内部文件. 第二部分是声音合成, 即计算机
以声音的方式输出结果. 经过几十年的努力, 人--计算机说话式输出输入(特别是输出)
的研究已取得很大进展, 已成为可能. 但目前成本较高, 错误也不少, 因而应用的范围
还比较有限. 怎样根据人的特点提高人--�计算机对话的效率是人类工效学家正在研究
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的一个大课题. 内容包括: 怎样降低计算机输出的合成音的错误率, 增加合成音的自然
性, 人对各种合成音的反应, 改变人的说话方式以便计算机识别等.
现在, 计算机的功能已越来越强, 对比之下, 人的能力显得越来越弱. �为了提高
人--计算机系统的效率, 仅靠提高计算机的功能已远远不够,相反, �如何使计算机适应
于人已显得越来越重要. 现在一个计算机软件成功与否不再取决于它占多少内存, 它的
速度快不快, 而在于用户是否能很快地掌握它. 现在在开发计算机软件时, 计算机专家
在设计人--计算机介面上所花的时间常常占总程序时间的�40%, 这充分说明了人--计算
机介面的重要性.�
第十章 重体力劳动
重体力劳动包括各种需要人的力量作为工作动力的工作. �它的特点是人的能量消
耗高, 对人的心脏和呼吸系统的压力很大. 人的能量消耗和血液循环能力决定着体力劳
动的极限, 这两项指标因此常常被用来作为评估体力劳动的程度.
人作为一种工作动力效率是非常低的, �而且重体力劳动对人的身心健康也有危害,
所以应尽量减少或减轻重体力劳动.�从十八世纪开始的机械化及当前的电子化已大大减
少了体力劳动的数量和强度. 尽管如此, 重体力劳动在许多工业, 如采矿, 建筑, 运输,
农业, 林业中仍然是广泛存在的. 在我国, 受生产力水平的影响, 重体力劳动更是到处
可见的. 因此研究重体力工作, �使之处于对人的身体没有危害的范围内仍然具有十分
重要的现实意义.
第一节 人体的新陈代谢
一. 新陈代谢
人体的一个基本生物过程是新陈代谢, 在这个过程中人体从食物中吸收营养, 把
化学能转换成机械能和热. 食物在肠道里不断地被分解直到可以从内脏的壁进入血液.
大部分营养物进入到肝, 在那里它们作为糖原贮存起来, 作为一种能源原料. 当需要时,
它们作为一种随时可用的化合物糖再次进入到血液. 只在少量的食物被用来补充身体,
或进入脂肪组织作为脂肪贮存起来.
64
血液把营养物带到身体的各个细胞. 在细胞食物慢慢地被分解成水, �二氧化碳和
尿素. 这些过程被统称为新陈代谢. 新陈代谢可以比做一个缓慢的自动调节的燃烧过程.
这样比喻是因为新陈代谢与燃烧一样需要氧气, 氧气可以通过肺和血液得到. 新陈代谢
过程可以产生热和机械能. 图 10-1是人的新陈代谢图.
二. 能量的消耗
原来人体的能量消耗是用千卡(kcal)来测量的, 现在更常用千焦耳(kJ)�来计量的.
两者之间的换算为:
1 kcal = kJ
人体能量的消耗可以间接地通过人体氧的消耗来进行, �因为两者是直接相关的.
当一升的氧在人体内被消耗平均有 20KJ的能量的产生.� 这被称为氧的热当量.为了得
到能量消耗, 氧耗必须乘以一个 20.
三. 基本新陈代谢
通常当一个人坐着不动时他的能量的消耗是稳定的, 取决于这个人的身材, �重量
和性别. 当一个人躺下, 空着肚子, 这时他的能耗被称为基本新陈代谢量. 对于一个重
70公斤的人这个量在 24小时是大约 7000千焦耳, 对于一个 60公斤的女人, 是 5900
千焦耳. 在基本新陈代谢的条件下, 营养中几乎所有的化学能转成了热.
第三节 工作时的能耗
体力劳动一开始, 能耗就迅速地增加. 某一职业对肌肉的要求越大, ���所需消耗
的能量也越大. 工作使人的能耗的增加量被称为工作焦耳. 这可以通过测量工作时的能
耗, 然后从这个值中减去休息时的消耗或基本新陈代谢.
一. 工作焦耳
工作焦耳反映了身体的压力水平, 涉及到重体力工作. �它可以用来评估工作的负
荷水平, 找出需要的休息时间, 比较各种不同工具的效率, 或不同的工作安排的效率.
在这里应当注意到能量消耗只测量了人的体力情况, 它并没有告诉人的精神负荷或工作
所需要的警惕性, 也没有反映特别的物理问题, 如过热, 由于笨拙的姿式所带来的静负
荷. 因此能耗应该用来测量费力的体力劳动, 决不能用来研究精神活动和熟炼工作.
二. 生活焦耳
人的日常生活, 如起床, 吃饭, 走动等也要消耗一定的能量, �我们把这些日常活
动消耗的能量称为生活焦耳. �一个合理的平均值是对一个男人 2400KJ�对妇女 2000-
2200KJ.
因此人的总的能量消耗由以下几部分组成的:
(1) 基本新陈代谢;
(2) 工作焦耳;
65
(3) 生活焦耳.
三. 各种情况下的能量消耗
在第二次世界大战期间和之后, 一些生理学家系统地研究了各种职业的能耗, 他
们主要是用工作焦耳来评估工作负荷的严重性的, 今天这种方法已经不那么流行了.
表 10-1和表 10-2给出了部分研究成果.
表 10-1 各种职业的能量消耗
工作种类 职业例 每天的能量消耗(焦耳)
男人 女人
坐着的轻度工作 记账员 9600 8400
重手工劳动 拖拉机驾驶员 12500 9800
中等身体运动 屠夫 15000 12000
重体力劳动 扳道员 16500 13500
极重的体力劳动 煤矿工 19000 -
表 10-2 各种活动形式的能量消耗
活动种类 活动条件 能量消耗(焦耳/分钟)
走路 平地, 表面光滑, 4公里/小时
负荷走路 30公斤负荷, 4公里/小时
上楼梯 坡度为 30度, 米/分钟
骑自行车 16公里/小时
锯木 60来回/分钟
家务劳动 打扫清洁 8-20
四. 姿式对能量消耗的影响
工作时的姿式对能量的消耗也有显著的影响. 图 71�给出了四种不同姿式下的能
耗.
坐着 直立 弯腰 跪着
3-5% 8-10% 50-60% 30-40%
图 10-2 四种不同姿式相对于平躺时能量消耗的增加
五. 能量消耗与健康
许多工业化国家的工人现在坐着工作, �如果我们把每天工作时坐着的时间加上他
在上下班路上和在家看电视的时间, 20世纪的人显然正在变成一种坐着的动物. 这样
坐着的生命使人的身体的许多器官得不到应用. 许多人吸收的能量比消耗的多, 导致超
重, 心脏和循环系统疾病的增加. 研究结果表明, 一个健康的职业男职员每天应有
12000-15000KJ的能量, 对女职员这个值为 10000-12000KJ. 下面职业的能量消耗在这
66
一范围, 邮递员, 机床的操作人员, 制鞋和修鞋者等. 成天坐着工作的人可以通过在业
余时间进行锻炼来达到这个值. 下表给出了各种体育活动的能量消耗:
表 10-3. 几种体育活动对应的能量消耗
活动 能耗(焦耳/分钟)
快走(5公里/小时) 17
跑步(10公里/小时) 40-48
骑自行车(20公里/小时) 40
登山 32-40
游泳 20-40
跳舞 16-32
人的每天的最大的能量消耗也有一个上限. �今天大多数生理学家认为每天的平均
能量消耗 20000KJ为体力劳动的一个合理的上限,� ��这对应于平均每个工作日 10500
工作焦耳, 如果把它平均地分到 8小时,对应于每小时 1300KJ. �季节性的工人可以在
几个星期甚至于几个月超过这个值, 但对于这些工作, 每年应有休息时间以恢复体力.
的确, 在许多重体力劳动中, 工作一天的能量消耗可达到 20000-30000JK好几天
而不生病. 上面推荐的 20000KJ是为了保持身心健康一年的平均值. �当然这个值是随
人而异的, 取决于一个人的身体结构, 训练程度, 年龄, 性别等.
第三节 劳动强度等级的划分
作业时的能量消耗是全身各器官活动时能量消耗的总和. �即使最紧张的脑力劳动
的能量消耗也不致超过基础代谢的 10%, �而体力劳动的能量代谢却可达基础代谢的 10-
-20倍, 所以用能量消耗或相对代谢率来划分劳动强度, 只适用于以体力劳动为主的作
业.
研究表明, 以能量消耗为指标来划分劳动强度时, 耗氧量, 心率, 直肠温度, 出
汗率, 乳酸浓度和相对代谢率等具有相同的意义. 下表给出了国际劳工局 1983年公布
的对工农业生产的劳动强度划分标准.
表 10-4. 国际劳工局体力劳动强度划分标准
劳动强度等级 很轻 轻 中等 重 很重 极重
耗氧量(l/min) < >
能耗(kcal/min) < >
心率(次/分) 75-100 125 150 175 > 175
直肠温度 (C) -38 39 > 39
排汗率 (毫升/小时) 200-400 600 800 > 800
一般说来, 测定体力劳动时的能量消耗, �可用来划分和鉴定体力劳动的强度级,
用以制定合理的劳动制度和膳食供应. 所谓合理的膳食供应即维持长期作业而不致于引
起体重的减轻. 另外还必须注意到, 在作业过程中除劳动强度之外, 生产环境因素(如
温度, 噪声等条件)和心理因素等也会影响能量消耗的变化. 因此在采用能量消耗指标
评定或划分劳动强度时, 应注意是否受其它因素的影响. 例如, 在高温环境中作业时,
虽然作业者的耗氧量和代谢量并未增加, 但其心率, 直肠温度和排汗率均有明显增加,
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这样, 对于本应属于"轻劳动"的作业, 此时则应划为"�中等劳动"或"重劳动"的作业.
因此有人主张除根据能量消耗划分劳动强度等级外, �还应结合作业环境条件, 采用更
切合实际的劳动强度"双重分级法".
我国根据 262个工种工人劳动时, 能量代谢和疲劳感等指标的调查分析,�1983 年
提出了按劳动强度指数来划分体力劳动强度等级的国家标准(GB-3869-83). 它基本上能
较全面地反映出作业时人体生理负荷的大小. 其计算方法为:
I = 3 * T + 7 * M
式中 I 为劳动强度指数. T 为一个工作日的净作业时间比率. M 是一个工作日内
的平均能量代谢率(千卡/平方米.分钟). M 的计算方法为: 根据抽样结果将工作日的各
种作业活动和休息加以归类, 分别计算各项作业与休息的能量代谢率 M:
M = 10 () X < 8
- 10 () X >= 8
式中 X 为单位表面积每分钟呼气量.
下表给出了我国的体力劳动强度分级
表 10-5. 我国的体力劳动强度分级
劳动强度级别 劳动强度指数
I <=15
II --20
III --25
IV > 25
第四节 重体力的工作效率
一. 效率
从能量的角度出发, 一个人做体力劳动就象是一台发动机. �一个发动机把煤或油
转换成机械能, 这当中有一些能量损失. 同样的, 人体在工作时, 把化学能转化成机械
能, 这当中绝大部分能量被转换成热而浪费掉了. 对人和机器一样, 效率定义为产生的
有用的功与产生这样的功所实际消耗的能量之比. 在理想的条件下, 人的体力活动的效
率可以达到 30%, 即把消耗掉的能量的 30%转换成机械能, 把剩余的转化为热. 但是热
并不是能量被浪费的唯一形式. 静负荷也浪费能量. 因此, 只在当尽可能少或根本不持
住某一物体不动时, 只有当尽可能多的机械能被转为有用的功时才能达到最大的效率.
机械能被用来支持静负荷的成份越大, 效率就越低. 例如当弯腰工作时, 效率就很低.
在重体力劳动中, 使生理效率最优化十分重要, 这不仅能经济地利用能源, �而且
也可以减少人身体的负荷. 因为这个原因, 劳动安全生理学家做了许多尝试来测量各种
劳动方法, 使用各种不同的劳动工具和设备的生理效率. 这些结果对于机器, 工具的设
计和工作地的布置有重要的指导意义. 表 10-6给出了这方面的一些研究结果:
表 10-6. 各种体力劳动的最大效率
体力劳动种类 效率百分比
弯腰铲东西 3
拧螺丝 5
正常姿式铲东西 6
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举重 9
转动手轮 13
用重锤 15
用背袱东西, 不返回 17
上下梯子 19
扳动曲柄 21
上下楼梯 23
拉车 24
骑车 25
推车 27
平地行走 27
5度的斜坡上行走 30
二. 锹铲的效率
用铁锹铲东西是一种常见的体力劳动. �德国的一个生理所对此进行了彻底的研究.
当每锹的重量在 8-10公斤, 每分钟铲 12-15次时, 效率可以达到最高. �除了负荷之外,
也应当考虑锹本身的重量. 所以当材料较轻时用大锹, 当材料较轻时用小锹. 对于颗粒
式的材料, 锹应该稍微凹进, 象匙子一样头应该尖以便于插进. 对于粗糙的材料, 前边
应直, 锹身应平, 两边和后而应圆起来. 对于粘性的材料如泥土, 锹尖可以是圆的或尖
的, 但锹身应该是平的. 锹把应有 60-65厘米长.
三. 锯的效率
瑞典的科学家研究了木匠使用图 所示的几种锯的效率. �工人在使用各种不同的
锯时的氧耗被记录下来, 然后根据他们在使用锯之前的氧耗就可以算出使用各种锯时的
工作焦耳. 工作内容是锯断面积为 1平方米的圆木. 结果也给出在图中.
结果表明效率最高的锯是两种宽身, 粗齿锯, 木工们也喜欢用这样的锯. �研究中
还发现, 当锯木的速度为每分钟 42下, 垂直方向的压力为 100N时效果最好.
四. 锄头的效率
下图给出了两种不同锄头松地时的效率, 在软土地上, �可旋转的锄头比常用的锄
头的更有效. 但在硬土地上, 两种锄头的效率差不多.
五. 步行
一个愉快的也不费力的步调是每分钟 75-110步, 步幅在 米之间. ��但当
用能量消耗来衡量时, 这并不是最有效的步行方法. ��下图给出了各种步行速度下的效
率, 用每公里所消耗的能量来表示. 根据这项研究, 最有效的步行速度是每小时 4-5公
里, 当鞋子较重时降为每小时 3-4公里.
六. 背东西的效率
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劳动生理学家对人背东西特别注意, 因为这是最费力的工作之一. 根据勒曼
(Lehmann)的研究结果, 当背 50-60公斤时效率最高. 扛少点更方便, 但跑的次数增多,
回返时移动自己的身体需要消耗能量. �如果不考虑返回,� �那么根据梯柏尔(Teeple)
的研究成果, 当负重是人的重量的 35%, 速度为 -5公里/�小时时效率最高.
七. 表面的光滑程度
地面的光滑程度对一些工作的能耗也有很大的影响. �下面是一个装有一吨重货物
的四轮车用 1050工作千焦耳所能移动的距离:
轨道 好道 坏道 脏道
850 700 400 150
在手推车的后面推比在它前面拉要省 15%的力. 车子的手把应该高出地面一米左
右, 手把 4厘米厚. 两个轮子的手推车应该使重心尽可能地低, �使重心靠近中轴线,
这样可以更好地掌握平衡和减少人对重力的承受.
八. 坡度
当一项工作需要上下坡时, 坡度为 10度时工作效率最好, 下面是用 42�工作千焦
耳可达到的高度:
90度的梯子 米
70度的梯子 米
30度的楼梯 米
25度的斜坡 米
10度的斜坡 米
当梯子放在 70度, 每格梯子的间距为 26厘米时效率最高. 但是若要扛东西, �则
每格 17厘米要好些. 当然在可能的情况下, 就尽量地使用机械装置, 既使是手动的吊
车也可以事半功倍.
九. 楼梯
爬楼梯是日常生活中最好的锻炼. 从保键的角度, �我们建议人们只要可能就少用
电梯, 尽量地利用各种机会爬楼梯这一体育锻炼. 同时楼梯的设计者应该使人上楼梯时
效率可以达到最大. 勒曼(Lehmann)发现能量消耗最小的楼梯坡度应为 25-30度, 他给
出了下列经验值:
每步高度 17厘米
每步宽度 29厘米
这样设计的楼梯不仅能耗小, 而且引起的事故也最少.
第五节 用心跳测量体力劳动
一. 能量消耗和脉搏
直到 20年前, 能量消耗一直是评估劳动强度的主要方法, �但是现在越来越多的
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证据表明仅仅测量能量的消耗是不够的. 体力劳动的强度不仅与能量的消耗有关, 也与
使用的肌肉数量和静负荷有关. 对于给定的能耗水平, 只包含少数肌肉比包含多个肌肉
一费力得多. 同样的, 对于同样的能耗, 静负荷比动负荷要累得多.
另一个反对使用能耗测量劳动负荷的理由是热的存在. �温度的变化对能耗的变化
的影响也许较小, 但可能引起心跳的明显变化.
随着工作强度的增加, 心跳的增加将更快, 如果:
(1)环境中的温度更高;
(2)静负荷的比例更大;
(3)包括的肌肉的数目更少.
由于上述原因, 近年来心跳被越来越广泛地用于作为劳动强度的一个指标. �在详
细地讨论心跳和脉搏之前, 让我们先考虑一下血液与呼吸之间的关系.
二. 血液与呼吸
体力劳动要求人的身体的各个器官, 纤维组织和液体进行调整. �最重要的调整是:
(1)呼吸得更快更深;
(2)心跳增加, 伴随着循环能力的增加, 使每分钟的血流量增加;
(3) 心管运动调整. 肌肉和心脏的血管扩大, 而其他部位的心管收缩. �这把没用
着器官的血液输送到用得着的器官;
(4)心压的增加, 增加了由主动脉到扩大了的血管的压力, 增加了血流量;
(5)增加了氧的供应, 更多的糖被从肝释放到血液中;
(6)体温和新陈代谢的增加, 温度的增加加快了新陈代谢的化学反应, 保证更多的
化学能转化为机械能;
随着工作的继续, 人体的第二种新陈代谢发生作用, �特别是身体流体的化学构成.
新陈代谢产生的废料如乳酸积累起来, 肾有更多的废物需要排除, 肌肉的活动在人的身
体内产生许多热. 为了恢复平衡, 更多的热需要借助于血液循环和出汗通过皮肤散发.
在一定的限度内, 这当中的有些变化--肺活量, 心跳, 体温--�与能量的消耗间有
一定的线性关系. 由于这些变化在人工作的同时可以测量, 他们可以用来测量工作负荷,
表 10-7给出了克瑞特森(Christensen)�测出的人在几种不同负荷下的各种生理反应.
表 10-7. 在不同工作强度下人的生理反应
工作强度 氧耗 肺活量 直肠温度 脉搏
(l/min) (l/min) (C) (次/分钟)
很低(休息) 6-7 60-70
低 11-20 75-100
中等 20-31 100-125
高 31-43 125-150
很高 43-56 150-175
极端高 60-100 >39 >175
三. 测量脉搏
因为心跳很容易测量, 所以测量心跳成了评估工作负荷中最常见的一种方法. 最
简单的方法是通过感觉测量人手腕处的脉搏, 但是在人工作时这样测量人的脉搏对工作
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有干扰, 因此也会产生不正确的结果. 现在已有连续记录心跳的仪器. 现有最先进的方
法是用心电图. 心电图记录的是心脏肌肉的运动, 心跳是单位时间骨 R波峰值的数量.
正如我们已经指出过的, 在一定的限度内, 当工作是动态的而不是静态的, �当工
作的节奏是固定的, 只有所用的力是可以变化时, 心跳与所做的功是线性的.
当工作相对较轻时, 心跳很快就增加到与之相应的水平, �然后在工作过程中一直
保持正常水平. 当工作停止几分钟后, 心跳又恢复到工作前的水平.
当工作很费力时, 心跳一直增加直到工作被中断, �或工人由于太累而不得不放弃
工作. 图 10-6给出了在几种不同的工作状态下脉搏的变化情况.
四. 心跳的标准
穆勒(Muller)提出在测量心跳时采用下列定义:
休息脉搏: 在工作之前的平均心跳.
工作时脉搏: 在工作时的平均心跳.
工作脉搏: 工作脉搏与休息脉搏的差异.
总恢复脉搏: 从工作停止到脉搏回到休息时的水平时的脉博总数.
总工作脉博: 从工作开始到心跳恢复到休息时的水平心跳的总数
穆勒考虑用总恢复脉搏作为测量疲劳和恢复的方法. 由于"疲劳"�是一个主观概念,
我们认为应该用心跳, 特别是总恢复脉搏作为个人体力劳动的一个指标.
穆勒等根据他们的研究成果提出了这样的工作负荷标准: �心跳不可以无限地提高,
当工作停止后, 应能在 15分钟恢复到休息时水平. 这个极限可以保证在工作时能量的
使用的速度与能量提供的速度是一样的, 可以保持一个稳定状态. 在这些条件下最大的
能量输出就是在一个八小时工作日连续工作的极限.
当工作脉搏比休息时高 30次时(应在同一姿式下测量, 以使静负荷相同)�就达到
了一个男人连续工作的极限. 罗默特(Rohmert)�等人用自行车测功计发现人的心跳达到
稳定状态时的工作脉搏为 40次/分钟, 即极限为工作脉搏等于 40次/分钟, 但他们的休
息脉搏是在工人躺下时测的. 他们还发现 4千焦耳的工作对应于 10�个工作脉搏.
几项在工厂中进行的调查表明在工人坐着时比站着时更容易测脉搏. �所以我们建
议, 休息脉搏应当在工人坐着时测量. 因此, 对男工人的连续工作时的极限应为 35个
工作脉搏. 没有对女工的研究数据, 但根据生理学的原理, 把女工的极限定为工作脉搏
等于 30次/分钟似乎是合理的. 同样, 休息脉搏应该在坐着时测量.
美国的柏欧哈(Brouha)做了一个关于用心跳测量工作负荷的非常详细的研究, 他
的重要发现有:
(1)每分钟 360mkg的劳动使妇女产生 50个工作脉搏, 使男人产生 40个工作脉搏.
(2)用总恢复脉搏来测量工作强度比用总工作脉搏要好.
(3)在工作停止后, 在以下时间间隔测量手腕处的脉搏:
从 30秒到 1分钟;
从 1分 30秒到 2分钟;
从 2分 30秒到 3分钟.
(4)柏欧哈推荐下列标准作为决定工作负担的可接受极限: �第一个读数不能超过
110次/分钟. 第三个读数比第一个读数要减少 10次/. 在这种条件下, �工作负荷可以
保持八小时.
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五. 热环境与心跳
正如我们已经指出过的, 心跳既可以测量工作负荷, 也可以测量热负荷. �这是可
以理解的, 因为心脏是一个水泵, 一方面它给肌肉提供能量, 另一方面当需要散热时,
它又把血送到皮肤中和血管, 即在热环境工作时, 心脏和血液循环系统有两项功能: (1)
把能量输送给肌肉; (2) 把热从人的体内输送到皮肤. 心脏和循环系统的这种双重负担
在工农业中是很常见的. 当在 25度以上做重体力劳动, 排除多余的热给心脏增加了一
个额外负担. 锻工取铸件就是这样的一个例子. 工人需要大量的时间休息以恢复疲劳,
有时一半以上的工作时间被用来休息. 净工作时间与每分钟的铸件数, 周围的温度有关,
心跳随着这两个条件的变化而变化.
六. 静负荷与心跳
在第三章里, 我们已经给出了一个种土豆的例子. 当把蓝子提在手里时, �工作脉
搏为 40次 而当把蓝子挎在肩膀上时, 工作脉搏为 31次, 即由于静负荷的作用, 使人
的脉搏增加了 9次/分钟, 尽管所做得功是一样的. 这表明静负荷可以增加人的心跳.
在试验室, 人们是通过负重或拉某一物体来研究静负荷的. 林德(Lind)�等人在一
项研究中发现尽管静负荷很大, 但心跳不会超过 100次/分钟, 而且在负荷撤消之后,
心跳很快就恢复到休息时的水平.
第六节 几个重体力劳动的实例
一. 钢铁行业的重体力劳
