航空人因工程学的应用.docx
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航空人因工程学的应用
航空人因工程学研究方法和产品设计应遵循的原则述评
摘要
人因工程学即了解人的能力与限制，以应用于工具机器系统、工作方法和环境设计，使人能在安全舒适及合乎人性的状态下，发挥最大工作效率，并提高生产力及使用者满意度的科学领域。
该学科在其自身发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善了自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门应用研究范围都极为广泛的综合性学科。
本文着重阐述了人因工程学的研究方法以及在产品设计,尤其是飞机驾驶舱显示器设计时应遵循的原则，在此基础上提出了对未来的展望。
关键词人因工程学实验方法显示器设计原则
1引言
人因工程学是近几十年发展起来的边缘学科，是了解人的能力与限制，以应用于工具、机器系统、工作方法和环境设计，使人能在安全舒适及合乎人性的状态下，发挥最大工作效率，并提高生产力及使用者满意度的科学领域。
它系统地运用生人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统的功效。
人机工程学研究设计人机系统时，侧重于考虑人的特性和能力，以及人受机器、作业和环境条件的限制。
人机工程学还研究人的训练、人机系统设计和开发，以及同人机系统有关的生物学或医学问题。
在我国，人机工程学还有一些别的称呼，常见的有：
人体工程学、人类工效学、人体测量学、人因学、宜人学等。
在北美，本学科一般称为人因工程学或人机工程学，前苏联称为工程心理学，欧洲、日本和其他国家称为工效学（丁玉兰，2002）。
该学科在其自身发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善了自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门应用研究范围都极为广泛的综合性学科。
本文将主要从人因工程学的研究方法和在产品设计方面应遵循的原则两方面作出综述。
2研究方法
人因工程学的全面研究涉及多个学科，其跨度可以从理解大脑的信息加工到理解人体的生理和心理局限，同时，人因学研究者还要懂得人的身体如何和系统发生交互作用等等。
正因为如此，虽然研究的基本原理还是一致的，但是在研究方法上人因工程学和其他学即存在相同点也存在诸多不同之处。
2．1实验研究方法
实验研究是寻找自变量和因变量之间的关系，目的是考察在没有其他变量影响的前提下，自变量的变化对因变量的实质性影响。
严格控制条件下的实验堆揭示基本规律和发现基本原理都是非常有用的。
实验研究的主要步骤如下：
（1）提出实验研究的问题和理论假设；
（2）明确试验计划；（3）实验操作；（4）数据分析；（5）推到结论（C.D.威肯斯等著，张侃等译，2005）。
在试验设计阶段，不同的实验设计的主要区别在于有多少个变量，每个变量有多少个水平，什么条件下同组测试或是多组测试等等。
由此实验设计有存在两组设计、多组设计、因素设计、组件设计、组内设计、混合设计以及多变量设计等不同设计方案。
实验研究时除了根据实验自变量和应变量之间的关系来确定实验设计方案外，干扰变量和实验控制也是非常重要的环节。
在试验结束后需要对实验数据进行分析。
研究者通常要进行两类统计：
描述性统计和推断性统计。
根据统计结果最后得出相应的结论。
实验研究方法已经成为现代人因工程学研究的必不可少的方法之一。
以1990年代开发的新一代大型民机波音777为例，在其设计和研制过程中就大量运用了实验法来解决许多人因工程方面的问题。
777项目的工效学专家在实验室或模拟舱中通过让飞行员在各种控制条件下完成特定的作业来获取各种指标数据，这些数据为设计决策提供了有效的实验依据。
例如，777首次引进了类似个人微机的光标控制装置（CCD）。
飞行员可用CCD来直接控制ECL和数据链通讯等显示器，从而大大增加了人机交互的有效性。
针对驾驶舱的特殊环境，工效学专家对4种设计方案通过系统响应、位移增量、操作稳定性、以及低头操作极小化等指标进行了多次工效学实验，并组织了2次航空界工效学专家和3次用户评审，最终选定了触板式方案（CraneJM，BangES，1996）。
2．2描述性研究方法
虽然实验研究有其很多长处，但是多数情况下研究都是在真实世界中进行的，也存在相当多的我们不可能直接控制的变量。
因此，当失去对变量的控制时，描述性研究方法就成为了研究者最好的选择了。
尽管描述性方法不能实际调节和控制实验，但是可以描述某些存在的关系。
人因工程学中运用到的有以下几种典型的描述性方法。
2.2.1故障和事故分析
工效学事故分析侧重于对与人误有关事故的分析。
该方法通过对飞行任务、飞行操作、飞行员认知加工和人机界面等方面的分析为如何从人机界面设计的角度来预防或减少类似事故的发生提供了重要的依据。
工效学事故分析对项目初期人机界面的需求定义发挥了重要的作用。
例如，对1977～1984年期间所发生的93起事故的分析表明，33%的事故原因是与飞行员偏离了基本的飞行操作程序有关，而且传统的手工飞行检查表可导致忘记复核系统状态和应急状态下的漏查。
为预防或减少此类事故的发生，777首次引进了与自动感应等系统相连的字符显示式ECL，其画面可在多功能显示器上切换获得。
由工效学专家主持的ECL项目通过一系列工效学实验为正常和应急状态下的ELC设置了合适的自动化层次，从而优化了飞行员的工作负荷和情景意识之间的权衡关系（MckenzieWA，HartelMC，1995）。
2.2.2模拟和复杂建模
波音777项目中的源矩阵液晶显示器（AMLCD）、电子检查表（ECL）、光标控制器（CCD）和优化的显示/告警系统等都采用了快速原型模拟法来产生人机界面设计概念，以便快速有效地通过工效学实验来筛选设计概念，然后在模拟舱中加以验证。
777模拟舱在系统设计确定以前就已发挥作用，这比以往机型提前了一年时间。
777项目共采用了2台模拟驾驶舱，一台用作为概念设计（后装备为全功能），另一台为设备整合化模拟舱。
模拟舱为777的工效学实践提供了以下功能:
物理仿真（如仪表板布局评价）、视觉仿真（如舱外视觉验证）、动态仿真（如过载体验）、认知仿真（如情景意识实验）和全任务仿真（如在各种飞行阶段中对某系统的综合评价）。
快速原型和早期模拟舱验证既为用户评价和工效学实验提供了有效的平台，也为提高项目初期设计决策的准确性和减少项目后期因设计方案的改变而带来的损失提供了保证（JacobsenAJ,XuW，1997）。
建模法采用可计算量化的模型在各种条件下对设计方案进行工效学评价，从而为设计参数筛选等提供了一个快速和经济的手段。
计算机辅助设计（CAD）技术的应用使777成为波音首个无纸化项目。
工效学专家利用了CAD内嵌式三维人体模型和人体测量数据等对驾驶舱布局和工作空间开展了及达性和可视性等工效学评价。
因采用了美国和日本人口数据，777驾驶舱的工作空间和舒适性相比其他机型适合于更大的群体范围。
为评价飞行员撞击生存性从9G提高到16G的新要求、座椅舒适性以及头部负伤标准，工效学专家采用了人体测量和生物力学等建模手段。
工效学专家还采用客观生理心理测量和主观评价指标来建立评价新增人机系统对飞行员工作负荷影响的模型。
2.2.3计算机辅助人机工程设计（CAED）的方法
浙江大学基于计算机辅助人机工程设计（CAED）的技术，提出了面向工作空间的虚拟人体模型的方法，处于国内领先水平。
例如，对人机工程咨询系统、人机工程仿真系统和人机工程评价系统的整合研究（罗仕鉴,孙守迁，2005）。
将人体测量、人体建模、虚拟人运动控制与仿真、人机评价等关键技术结合起来，构建了计算机辅助人机工程设计系统，并以汽车驾驶座椅设计为例进行了实时评价验证。
徐孟，孙守迁等人在2006年以解剖学知识为依据，给出了人体单轴、双轴、多轴关节及关节间的运动约束模型，并采用了关节约束下的基于逆向运动学控制方法和基于运动捕获数据的姿势两种方法来控制人体模型，通过开发了一个面向人机工程应用的人体建模系统，以VisualC++为开发工具、OpenGL为图形平台，对上述方法进行论证。
一般来说，计算机辅助人机工程设计（CAED）包括计算机科学与技术、人机工程学、生理学、运动学与动力学、工程技术等多项技术，虚拟人体模型是其中的关键技术。
国内学者提出，虚拟人体模型应满足以下条件：
①个性化的人体模型，使其具有人体数据咨询能力；②人的运动特性尽量多；③具备实时性、交互性强的动作操纵及运动检测能力（徐孟，孙守迁，2006）。
目前常用的CAED软件有JACK，SAMMIE，ERGO等，主要是通过人体建模来进行相关评测。
CAED具有很多优势，如：
设计前期对设计方案和布局进行仿真评价，减少设计返工和实物原型制作，缩短从设计到制造的周期和成本等（罗仕鉴，孙守迁，2005）。
尤其是针对有可能会造成工作者身体伤害、具有一定危险性的实验性项目，如汽车碰撞试验等，CAED技术具有不可替代的优势。
因此，可以预见，这方面的研究将成为人机工程学研究的热点和发展趋势之一。
此外，在人机界面设计方面，哈尔滨工程大学的学者提出了基于灰色理论的人机界面主观评价方法和人机界面设计评价的实时交互方法（颜声远,李庆芬等，2005）。
2.3人机工程学研究方法发展趋势
从最新的研究来看，人机工程学的研究方法仍呈现出多学科交叉的态势，涉及管理学、医疗卫生、环境科学、工程技术、教育学、心理学等多门学科研究方法的综合，这一趋势将会延续下去。
除了一般性的原理和方法之外，计算机技术的发展提供了更多的可能性和更广阔的空间，如虚拟人体模型、虚拟环境空间、人机界面技术等，可以预见人机工程学与计算机技术的日益紧密结合也将是发展趋势之一。
此外，由于人因工程学是一门综合性交叉学科，在学科的研究方法中要兼有基础研究和应用研究，并向应用性研究方向倾斜。
人因工程学在其自身发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善了自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门应用研究范围都极为广泛的综合性学科。
以上阐述了研究方法，接下来以飞机驾驶舱显示器为例，对相关设计原则进行综述。
3驾驶舱显示器设计原则
飞机座舱显示系统作为人机接口，其设计的好坏，直接关系到飞行员能否做出正确的判断和决策，进而能否合理的控制，从而保障飞行员的安全、确保顺利完成飞行任务。
随着飞机性能要求的不断提高，飞行员的工作负荷及操作难度日益增大。
对飞机座舱显示系统的设计工效要求也越来越高。
为了增强飞行员的情境意识，降低工作负荷，改善对整体的把握，驾驶舱显示系统设计必须遵循以下原则。
3.1显示信息内容最优化
目前，由于缺乏设计标准，越来越多的信息引入到显示器上，从而导致了信息过多、混乱，增加了飞行员的工作负荷，延迟了认知和判断的时间。
但若信息量不足，又会使飞行员情境意识下降。
因此，显示内容的最优化至关重要。
显示信息内容优化的时候应该考虑到人的绝对判断的局限性，冗余增益，同时最好是能给使用者提供一定的预测辅助。
国外就此研究提出了功能分配与折衷（FunctionAlloca．tionIssuesandTradeoffs，FAIT）分析法来研究显示信息内容。
并利用该分析法确定了在自由飞行环境下交通意识的信息需求。
FAIT是人一机系统中确定人为因素问题的一个系统程序，能提供许多传统任务分析所没有的信息，分为六个主要步骤。
国内目前也开始着手这方面的研究，如新型歼击机应急操纵时的显示信息及其优先级（郭小朝，刘宝善，马雪松等，2004）。
3．2显示方式优化
飞行员在飞行过程中，主要靠视觉通道获取机内外信息。
飞机各系统状态也是是通过不同的信号显示通知飞行员的，如果显示方式混乱，必将影响驾驶员判读，从而危及安全飞行。
一个好的显示方式必须符合飞行员的认知特点和感知运动操作特性。
事实上，直观知觉到的显示信息更易被认知。
研究发现，图形数据格式信息显示界面不仅认知反应时间短、操作错误少、心理负荷低，而且情境意识增强。
飞机座舱内的电光显示器通常为阴极射线管（CRT）显示屏或液晶显示屏作为视觉显示终端（VisualDisplayTerminal,VDT）。
VDT的屏面亮度以每平方米15-20cd
为视觉显示终端（VisualDisplayTerminal,VDT）。
VDT的平面亮度以每平方米15-29cd、显示画面的背景亮度以300-450lx为合适范围（张智君，朱祖祥，2001）。
在微光环境（黄昏、黑夜、黎明等）下，人对CRT显示器的颜色色标作相对辨认时。
对紫色、品红色、蓝绿色、绿色、红色的相对辨别能力比较差（王纬，葛列众，李宏汀，2000）。
因此显示器字符最好以绿色显示，优先选择飞行员容易辨认和区别的颜色编码设计色彩显示。
采用液晶显示器时，虽然观察角度较小的时候可以通过增大字符尺寸提高辨认效果，但显示字符尺寸介于30*16和42*32平方毫米之间时，在700毫米视距上的观察角度仍然不宜大于30度。
在显示方式优化的时还需要考虑到多资源原则。
需要飞行员同时加工多种信息的时候，可以将呈现信息的方式区分开来，有的用视觉呈现，有的用听觉呈现。
实验表明，警告、注意和提示三级告警采用视觉（信号灯）方式，优于它们都采用视听双显示方式，也优于纯听觉告警方式。
此外，在听觉显示中，告警语音最好采用汉语普通话女声（中频提升），在主告警音结束后间隔0.15-0.40s，接着以4-6字/s的语速、0.02-0.04s的句间隔时间反复播放话音短语（GJB2782-1996）。
。
最佳的告警方式是警告信号采用灯光和话音显示，其余两类信号采用灯光显示（张彤，郑锡宁，朱祖祥，1995）。
3．3显示器布局的优化
显示器的布局是否合理，关系到认知效果、巡检时间和工作效率。
显示器的布局与排列应考虑人的视觉特性、相近性原则、使用频率和重要性、一致性原则等。
显示器应当处于主要的视觉区域内，即飞行员作业时双眼的视觉作业域在中心视轴左右94度，视平线上55～56度、下65一70度范围内。
显示器布局设计时需要考虑的另外一个因素是使用时的重要性。
如果显示信息很重要，即使不是经常使用，也应该考虑将其放在主要视觉范围内，或者是改变其呈现方式，在视觉的基础上加上听觉警示。
显示相关性或使用顺序要求显示器布局设计的时候应当关注将关系密切或经常先后使用的显示器放在一起。
考虑到注意和记忆局限性，显示器的布局方式应该一致，同一项目放在同一空间位置，这样也方便记忆和查找信息。
为了方便记忆和信息查找的另外一种方法就是将显示器布局进行结构分组。
最后，新时期布局应当靠近与之相联系的控制器，这符合刺激放应相容性，从而可以避免混乱。
3.4显示画面的背景、光照
由于背景、光照直接影响认知效果，因此，显示画面、字体设计中必须要充分考虑背景和照明因素。
一般情况下不应采用强反射背景，因为，强反射背景会产生闪烁眩目的现象。
影响认知效果。
浙江大学有关实验表明，眩光强度越大，对视觉作业绩效的影响越大；反射眩光离判读者视线越近，视觉作业绩效越差；当视标亮度为1.5cd／mz，反射眩光的亮度为30cd／m2，不同反射眩光面积对被试视觉作业绩效有显著影响，并且反射眩光面积越大，视觉作业绩效越差。
一般认为背景色有暗色较好的趋势，目标色有亮色较好的趋势。
研究发现，彩色CRT上目标一背景间的对比度是影响视觉工效的重要因素，对比度大的配合，视觉工效较好：
对比度与视觉工效的关系呈一负脉；中方波函数关系；当对比度小于一0.13或大于1.3时，视觉工效较好；当对比度值处于一0.13—1.3之间时，视觉工效较低（刘伟，袁修干，2001）。
4小结
人因工程学是近几十年才发展起来的新新学科，且是一门复杂的学科，涉及的学科知识非常广泛。
在近二十年的发展中，也取得了十分显著的成就，包括在研究方法上开发出了许多适合本学科特点的研究方法，如：
计算机辅助人机工程设计（CAED）的方法。
同时人因工程学的相关研究成果也运用到了实际的生产中，如上述的显示器的设计。
本文最后就研究方法和显示器设计方面对人因工程学未来的发展提出一些展望。
（1）实验方法上人因工程学需要更有效的并且可计算量化的研究方法，以便在研发中为初步的设计决策提供快速的参考依据。
例如，心理工作负荷和认知方面的可量化研究方法。
（2）毫无疑问全球不同文化区域间存在着显著差异。
飞机驾驶舱显示器设计方面如何从驾驶舱人机界面设计角度来帮助消除文化因素（包括国家、企业和职业文化）对飞行安全的影响一直是对航空工效学的挑战。
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