人因工程学在产品设计中的原则应用

1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：文章介绍了航空人因工程学的研究方法，并对各研究方法进行了比较评价。“人的因素”是飞机驾驶环境设计中不可忽视的一个因素，文章以飞机驾驶舱显示器为例，介绍了在显示器设计中应遵循的人因学原则，并总结了应用人因学进行设计的一些优点。文章最后展望了人因学在民航驾驶舱中的进一步研究应用。关键词：航空人因；研究方法；飞机驾驶舱；显示器；设计原则1.引言安全是航空运输的生命线，是民航工作的头等大事。随着信息和计算机技术以及民航事业的飞速发展，飞机驾驶舱内采用的新技术装备越来越多，飞行员需要处理的信息量逐渐增多，其作业工作负荷也逐渐加大。根据国际民航组织（ICAO）对1988~~1997年间全球民用飞机解体事故的统计，70%左右的事故原因与机组的人误有关。由此可见，航空人因学在民机驾驶舱研发中占有不可忽视的重要作用。近年来，国内外在人体测量、视觉工效学评价、工作能力和工作负荷测量等方面开发了多种新技术，从人因学角度对飞机驾驶舱环境的安全性进行了研究[1]。本文主要介绍了航空人因工程学的研究方法，以及在飞机驾驶舱设计中应遵循的人因学原则。2.人因工程学主要研究方法人因工程在很大程度上是一门实验科学，其主要任务是把与人的能力和行为有关的信息及研究结果应用于产品、设施、程序和周围环境的设计中去[2]。这些知识主要来源于实验和观察。人因工程学把采集的经验数据不仅应用于产品的设计中，而且用于评价设计的优劣。这样，人因工程在系统设计中具有双重任务：开始时是设计的基础，结束时是评估手段。从人因学的研究结果看，研究方法通常被分为三类：描述性研究、实验性研究、评价研究。现实中一个具体的研究往往涉及多个类别。虽然每一类都有不同的目标，使用不同的方法，但它们全都有相同的决策过程：选择研究地点、选择变量、选择采样主体、收集数据、分析数据[3]。22.1描述性研究描述性研究用于描绘人的某些特性，如人体尺寸的测量、不同年龄人的听力损失、能够抬多重的箱子等。常用的方法有观测法、调查和问卷法等等。虽然描述性研究比较枯燥，但它对于人因科学的意义非常重要，许多设计决策都是基于描述性研究从而得到基本数据。另外，在方案给出之前，描述性研究还常用于确定问题的范围。比如，对操作者进行调查、了解他们对设计效率和操作问题的一些看法等。2.2实验性研究实验性研究的目的是为了检测一些变量对人的行为的影响，通常根据实际问题、有关系统理论和统计学方法来决定需要调查的变量和检测的行为。例如，评价手臂活动的时候需要研究肩部的负荷大小、人们的视野等。通常，实验性研究更关心变量是否对行为有影响以及如何影响的问题；描述性研究则更关心所描述对象的统计结果，如平均值、标准偏差和百分比等。2.3评价研究评价研究类似于实验性研究，但它的目的多是为了评价一个系统或产品，并希望事先了解人们在使用系统或产品时的行为表现。评价研究比实验性研究更为全面和复杂。它通过比较目标的差异来评价一个系统或产品的各个方面。人因工程专家通过对设计优秀的系统评价提出改进建议。评价研究常用的方法是成本收益分析。在无法进行预测时，评价研究要特别注意选择数据的收集方法和设备。3.各研究方法的比较3.1研究地点的选择研究地点的选择是首要问题，即是选择实地研究，还是选择实验室研究？对不同的研究方法有不同的选择规则。（1）描述性研究描述性研究是为了收集某一个特殊群体的有关数据，如飞机驾驶员、机务维修人员等。实践中常使用实地研究方式来收集实际数据。（2）实验性研究实验性研究在选择地点时比较复杂。在实际环境中进行任务变化、环境约束、被测者的特征等方面的研究比较理想，因为这样获得的结论更容易推广到现实中去；然而也有不利的一面，如成本高、被测者有一定的危险、不能进行实验控制等。由于受到资源限制，不能重复很多次实验，因此许多变量不能被有效控制，而且有时过程太分散，一些数据收集不到。实验室中进行的实验在实验控制方面具有极大的优势。许多变量都能得到控制，实验能3随意重复，数据的收集也更加精确，但可能过于理想化，失去了一定的普及性。一般认为，实验室研究的成果有时不太实用，在应用之前，必须经过现实世界的检验。理论研究最好在实验室进行，这样便于把多个变量分离开，观察它们的不同影响，这种精确度在不受控的现实中是不可能实现的。而现实世界是应用研究结果的最终环境，往往有些变量在高度控制的实验室中非常有效，但在现实世界中因其它变量的影响，会完全失去作用。（3）评价研究要想检测一个系统或设备的性能，让被测物体在一个完全可以替代实际环境的情形下使用才比较真实。例如，对于飞机上用的计算机地图显示器，就应该在飞行中测量，这样在不同的航路下测量才能反映真实情况。在实验室中很好操作的设备，在天气恶劣、交通繁忙的情况下操作可能就比较困难。3.2变量的选择（1）描述性变量被测变量分为两个基本类别：标准变量和分类变量。标准变量描述研究中的重要行为和特征。根据所收集数据的不同，这些变量可分为：实体特征数据，比如手臂的活动空间、体重等；行为表现方面的数据，如反映时间、视觉的敏锐性和记忆的范围等；主观数据，如偏好、观点和等级观念等；生理数据，如心跳速率、体温等。在一些描述性研究中，常选择有分类的样本研究。这些样本都是经过年龄、性别、教育程度等特征进行划分以后，比较有代表性的一些人。（2）实验性研究在实验研究中，研究人员在其他变量受控的情况下，改变一个或多个变量考察它们对被测行为的影响。实验中要控制独立变量，以免独立变量的影响相互混淆。（3）评价研究为评价研究选择变量，研究者要把评价系统或设备的目标转化成具体的、可测量的标准变量。3.3被测者的选择（1）描述性研究描述性研究的目标是从具有代表性的样本中收集数据。而且样本应该包含总体的所有相应特征，两者的构成也要相同。相关性也是很重要的，但也有某些采样，尽管与被测群体的特性不完全符合，但对整个研究的影响不是很大，因此仍然比较有用。例如在测量人们对空4中交通控制的听觉警报的反映时间时，可以只选择一、两个城市进行研究，并不需要在全国各地进行抽样。为了获得具有代表性的样本总体，应该从群体中随机的选择样本个体。随机抽样就是群体中的每一个个体都有相等的机会被选入样本。在现实社会中，获得一个完全随机的抽样几乎是不可能的。样本空间越大，结果的可信程度越高，但抽样需要花费大量的财力和时间。（2）实验性研究在实验性研究中，被测对象对目标群体的代表性不需要达到描述性研究的程度。实验性研究更关注被测对象是否和目标群体受独立变量影响的方式一样。实验性研究所使用的样本容量比描述性研究中使用的要小，但使用较少的数据可能会得出错误的结论。（3）评价研究评价研究中选择个体与描述性研究和实验性研究考虑的因素一样，被测对象必须能够代表最终用户群体。被测者必须达到一定的数量，能够据此对用户群体的行为做出科学的判断。4.飞机驾驶舱显示器设计原则在人机系统中，显示装置是将设备的信息传递给操作者，使之能做出正确的判断和决策，进行合理操作的装置。随着高速处理芯片和计算机图形技术的迅速发展,以计算机为核心的电子综合显示控制界面已成为新一代飞机驾驶舱人机界面设计的必然趋势[4]。在显示装置设计中，除了要确切地反映设备的状况外，还应该根据人的感觉器官的生理特征来确定其结构，使人与显示装置之间能充分协调。在进行显示装置的造型设计时，还必须从系统整体出发，既要考虑到人的生理、心理特征，又要考虑到系统整体的需要和美观。4.1易读性原则在民航飞机驾驶舱显示器的设计中，易读性对一个优秀的显示器来讲是必须具备的特质。在人-机系统中，机器设备的各种参数大多是由显示仪表传递给操作者[5]，而且设备中所有显示装置与操作者的相互关系都是通过操作者的感知活动联系在一起的。所以，为获得良好的操作效果，必须使显示器具有易读性。4.2自上而下加工原则人们对信号的感觉是建立在已有经验的基础上的，并具有一定的预期。因此，信号的显示方式应尽量与人们的经验和预期相一致。如果信号的显示方式与人们的预期相反，那么我们需要更多的物理证据才能对信号做出正确判断，这就增加了操作者犯错误的概率。4.3冗余增益原则当视觉或听觉的条件变差时，只有当同一条信息呈现不止一次时，才能对这条信息进行5正确的理解。当采用两种或两种以上的物理方式来表达同一条信息时，即使其中一种呈现方式受到了干扰而变得不容易识别，但却不会影响另一种呈现方式。4.4可辨别性原则相似容易造成混淆，因而信号要使用可辨别的成分。相似的信号不但在感知时容易发生混淆，当它们被存储在长时间记忆中以便于用于以后操作时也容易出现混淆。当信号容易混淆时，设计时就要去掉不必要的相似特征并突出不相似的特征以便更好的区分。4.5形如其表原则一个显示器的外表应与它要反映的内容相一致。温度有高有低，所以在显示器温度变化时就应该上下变化，有升有降。如果显示器包含多个组成部分，这些部分的装配方式就应该与它们所表征的环境中的装配方式一致，或者与操作者对环境的表征相一致。4.6运动一致原则仪表显示应在空间关系、运动关系和概念上与系统中其他显示装置、操作装置兼容。显示装置的编码应与相关操纵装置的编码一致，运动方向相同。动态信息的运动空间模式和方向都应与用户的心理模式相一致，也就是要与显示器所表征元素的实际物理运动方向一致。比如在高度升高时，飞行员会认为飞机在向上爬升，因此，高度仪表的运动显示也应当随着高度的增加而向上上升。4.7访问信息的消耗降到最低原则将选择性注意从一个显示位置移动到另一个显示位置时，就会出现时间消耗和精力消耗。因此，在设计显示器时，必须把时间和精力消耗降到最低点[5]。降低访问信息消耗的一个最直接的方式就是采用小显示器，这样只需要微小的视觉扫视就能看到所有的信息，但这种处理方式要谨慎使用，因为显示器过小会降低显示信息的可辨别性。4.8接近相容原则同一种任务会包含两种或两种以上的信息显示方式，要完成任务就要对这些信息进行心理整合。也就是说，在一项任务中具有两种显示信息时就需要注意的分配[5]。例如使用相同的颜色，用线连接或者采用相同的布局模式，这些都是达到显示接近性的方法。然而，显示的接近性并不总是有益的，尤其是只需要关注同时呈现的两个显示元素中的一个时，过度的显示接近就会使需要集中注意的元素受到另一个元素的干扰。4.9一致性原则仪表显示应与人的反应相一致。人的感觉与人的反应之间应有适宜的关系，某些信号对某些反应方式有利，而某些信号则对反应不利。当对应于某些显示方式而采用某些反应方式最为合适时，这种对应关系称为显示-反应通道相一致[6]。6对于一般的仪表显示，口头读数时的反应比手动动作时的反应要快；对于不同空间位置的信号灯作定位反应，则手动作反应比口头报告方式要快；对于连续变化的信号作追踪反应，以采用操作杆和足蹬等连续操作作为最佳。显示—反应通道一致性好的系统，其操作效率高，人为差错率低。4.10多通道人机界面设计多通道人机界面的基础是视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等新的交互技术[7]。在传统的交互模式下，用户主要用手和眼睛与鼠标、键盘、显示器等设备进行精确方式下的二维交互；而多通道人机交互则寻求新的交互手段，以充分利用人的眼、耳、嘴、手，视觉、听觉及触觉通道，它允许用户利用多个交互通道以并行、非精确方式与计算机系统进行交互。用户可以使用自然的交互方式，如语音、手势、眼神、表情等与计算机系统进行协同工作，其交互通道之间有串行/并行、互补/独立等多种关系，因此这种人机交互的方式更加类似于人与人之间的日常交流，其交互自然性和效率得到极大的提高。5.应用人因学进行设计的一些优点5.1可以降低成本、提高效率人因学的核心内容是降低成本、提高效率，它研究人从事重体力作业、技能作业和脑力作业时的生理、心理变化，并据此确定作业的合理负荷及耗能量、合理的作业和休息制度、合理的操作方法，以减轻疲劳、保障健康、提高作业效率。人因学还研究作业分析和动作经济学原理，寻求最经济、最省力、最有效的标准工作方法和标准作业时间，以消除无效劳动，合理利用人力和设备，降