作者：黄河
出版社：清华大学出版社
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设计人类工效学试读：
前言
人类工效学是一门建立在工程学、医学、心理学、解剖学、人类学、信息论等一系列科学基础之上的新兴边缘学科，它正式作为一门学问，至今也不过几十年历史，但它以强大的生命力迅速发展着。开始只是应用于军事方面的研究，第二次世界大战后主要应用于企业中的人机关系，后来迅速渗透到人类生活的各个方面。尤其是进入21世纪以来，随着我国科学发展观和构建和谐社会战略思想的推进，以人为中心的设计理念和以人为本的管理思想逐渐成为时代发展的主题。目前工效学在制造业、服务业、工业设计、建筑景观设计、公共生活空间、计算机软硬件、航空航天系统、医疗系统、交通、电信、残障人士辅助设备、军事武器等各方面广泛应用，并在使人类活动的科学化、适宜化以及提高人机系统效能方面作出了突出贡献，日益显示出它的重要作用和价值。人类工效学对于广大的设计人员，尤其对从事建筑、室内、环境、工业设计和工程技术研究等人员来说，已是一门极为重要的必修课程。近年来，这门新学科在我国广为传播，迫切需要这方面的参考书，尤其是对指导实际设计和科学研究有启迪的书更为需要。
笔者有幸于1998年赴日本千叶工业大学经营工学专攻留学，师从著名的劳动科学专家肝付邦宪教授和产业保健人间工学专家三泽哲夫教授，留学期间第一次接触到人间工学（工效学）这门学科。在导师的悉心指导下，系统学习了人类工效学的理论知识和研究方法，并运用工效学方法进行了一系列的实验和调查研究。从一个对工效学一知半解的门外汉到2002年以全优的成绩获得硕士学位，2005年获得博士学位，毕业后在日本一流的制造企业从事生产管理等工作。随着学习和研究的深入，深感这门学科对设计和管理的重要性。留日期间，还十分荣幸得到日本建筑、室内和家具研究权威，千叶工业大学理事小原二郎教授的指导。小原先生历任千叶大学教授及工学部长、千叶工业大学教授及理事、江南大学（原无锡轻工业学院）名誉教授等职，是日本人类工效学会创始者之一，取得很多先驱性的业绩而荣获国家蓝绶褒章和勋二等瑞宝章等国家殊荣。同时，小原先生还平易近人、热情好客，十分关怀中国留学生和中国的设计事业。小原先生在我博士毕业前还赠送了他的代表作之一——《来自人类工程学的发想》给我留念和学习，这是他几十年研究人类工效学成果的结晶，在日本及国外都得到高度评价，并因此获得日本建筑学会赏。自发行以来不断再版，经销不衰。
笔者于2007年回国后一直从事工效学方面的教学与研究工作。现在我国已成为世界的制造大国和经济大国，取得了令世界刮目相看的成就，但是我国还不是制造强国和创造大国，我们与发达国家还有一定的距离。对从事制造业和设计创造极为重要的人类工效学正在受到我国制造业、设计界等社会各个领域的重视，但深入的基础研究和应用研究成果尚不多。
鉴于以上背景，为进一步提高我国企业和设计院校工业设计的水平和质量，笔者以在日本留学所掌握的工效学的理论知识和研究实践为基础，参考了国内外有关工效学的著作和研究成果，并结合国情编著《设计人类工效学》一书。本书在内容和结构安排上具有以下特点。（1）科学性和系统性：本书介绍了工效学的基本理论知识和研究方法，使读者对工效学的基本原理有一个全面了解，为实际应用提供理论基础知识。同时，本书参考了国内外有关著作和资料，数据资料都是基于工效学调查或实验基础所得，力求科学性、系统性和逻辑性。（2）理论性和实用性：在介绍工效学基础理论和方法的基础上，以与人们生活息息相关的衣食住行等为主线，重点介绍在衣服、鞋、卧具、家具、器具、交通工具、室内设计、通用设计等生活产品和环境中的应用。资料篇还附有设计用人体尺寸等，供从事工业设计和工程管理者参考。（3）易读性和趣味性：本书图文并茂，通俗易懂，结合生活实例论述，对推动工效学在我国的普及，指导和促进工效学在工业设计教育及企业设计实践中的应用，具有较高的现实指导意义。
全书共分基础篇、应用篇和资料篇3部分，计14章。第1～3章为基础篇，介绍工效学基本理论；第4～11章为应用篇，介绍工效学在生活中的应用；资料篇主要附有工效学有关的设计用人体尺寸。
本书的写作计划源于日本，成在祖国。本书在编写过程中，得到了肝付邦宪教授和三泽哲夫教授的指导和帮助，得到了小原二郎先生等专家提供的宝贵资料。在这里还特别要感谢清华大学出版社理工分社张秋玲社长和冯昕编辑的热情鼓励、指导和帮助。在此谨向所有关心、支持和帮助本书出版的单位和专家、朋友们表示最衷心的感谢！
知识就是力量，智慧和创新改变命运。衷心希望本书的出版能对从事建筑、室内装饰、工业设计等设计领域的设计人员、研究人员、设计院校师生和广大读者在理论和实践上有所裨益。由于笔者水平有限，书中不妥和疏漏之处，恳请广大读者和有关专家学者予以批评指正。黄河2015年10月5日基础篇
工效学是近几十年发展起来的一门新兴边缘性学科，它是研究人、机、环境如何达到最佳匹配，并使整个人-机-环境系统适应人的生理和心理特点，保障人们安全、健康、舒适、高效地工作和生活的一门学科。随着社会、经济的迅速发展，工效学越来越显示出它的重要性，也越来越受到各行各业的高度重视。对于广大设计和管理人员，尤其是从事建筑、室内、环境、产品的工业设计和工程技术人员而言，已是一门极为重要的必修课程。因此，学习和掌握工效学的基本原理与知识，对科学指导生产实践，提高人们生活品质具有重要意义。第1章人类工效学概述
在远古时代，人类为了生存，捕获猎物、耕作生产以及生活都要依靠工具。从世界各国的工具进化中，我们可以看到在漫长的历史进程中人类与工具的关系，这也是人类工效学的萌芽。
无论在高山峻岭、大洋深处，或地球的两极，都有人的足迹，人类正在为建设美好的家园而努力。然而，在这些地区人类的活动是很困难的，因为要承受缺氧、失重、辐射、高温、高压、低温、振动和噪声等重重考验。宇航员起飞时要承受6.5倍的重力加速度，返回地球时则为11倍。1951年美国宇航员斯塔乘坐的火箭车时速为960km，到停止只用1.4s，相当于190km/h的汽车撞到墙上。我国神舟载人飞船3次成功安全返回地面，反映了我国航天事业取得了突破性的发展。之所以能成功，是因为宇航员采取了防护和减少伤害的姿势。人类用科学的方法，测出了人体的许多具体参数，如肢体的容积、密度、质量、重心位置、转动惯量和动作、角度限制等，以此作为制定各种环境、条件安全标准的主要依据，所有这些为宇航员的安全返回提供了设计的依据。因此，宇宙飞船安全返回地面也体现了人类工效学的研究成果。
人类工效学作为一门新兴学科，诞生于1945年的美国，“二战”后在欧洲也同样得到了发展。由于该学科研究和应用的领域极其广泛，各学科领域的专家都从自身的角度来给本学科下定义，因而世界各国对本学科的命名不尽相同，即使同一个国家对本学科名称的提法也很不统一，甚至有很大差别。例如，该学科在美国称为“Human Engineering”（人类工程学）或“Human Factors Engineering”（人的因素工程学）；西欧国家多称为“Ergonomics”（人类工效学），这是将希腊语中“作业”（ergon）和“管理、法则”（nomos）合在一起创造的新词；日本称为“人间工学”。比较各国的人类工效学，美国将研究重点放在工程学方面；欧洲则把重点放在人类科学方面，主要以英国和德国为中心，进行着相似内容的研究；日本的研究可说介于前两者之间。
在日本，开始关注人类工效学是在1955年前后，并于1964年成立了日本人间工学会，会员的组成比例为：心理学占30.6%，医学占25.2%，工学占14.1%，设计人员占13.8%，建筑占7.2%。到1977年会员不仅增加了服装等新的领域的研究者，同时组成比例也发生了变化，依次为：工学21%，医学14.6%，服装11.3%，心理学10.2%，设计7%，建筑3.5%，还有其他领域的会员。目前，会员达2000多人，研究领域更为广泛。图1-1为日本人间工学会会员的专业领域（按大类分）。图1-1 日本人间工学会会员的专业领域分类
在大的专业分类基础上，若再细分的话，就工学和医学的会员还可再分为多个专业领域。如工学可分为：安全工学，IE，运动力学，应用力学，画像工学，管理工学，环境工学，金属工学，教育工学，机械工学，航空工学，工作机械，可靠性工学，汽车工学，振动工学，车辆设计，系统工学，食品安全工学，照明工学，自动控制工学，精密机械，纤维工学，生产技术，造船工学，铸造，通信工学，电气工学，电子工学，道路工学，土木工学，动作解析，热工学，农业工学，木材加工技术等。医学可分为：医用电子，医学，运动生理，宇宙生理学，卫生学，眼科，环境医学，感觉生理，解剖学，潜水生理学，基础医学，外科，健康教育，公众卫生，交通医学，航空医学，产业医学，妇产科，人工脏器，循环器病学，牙科，小儿神经，体育医学，动物生理，内科，保健体育，理学疗法，劳动卫生等。由此可见，从事人类工效学研究的人员涉及很多学科领域。
人类工效学在我国起步较晚，常见的名称有人体工学、人类工程学、人机工程学、工程心理学、宜人学、人的因素等。目前该学科普遍采用人类工效学这一名称，其学会组织叫“中国人类工效学学会”。随着社会的进步、科技的发展、学科的交叉，其内涵和外延都在变化，因而其定义和名称也将发生变化。
由于人类工效学从一开始就是一门交叉学科，涉及不少学科和专业领域，加上各国的研究侧重点不同，因而世界各国对本学科的定义也不尽相同，即使一个国家，提法也很不统一，现介绍几种代表性的定义供参考。1.1 人类工效学的定义
人类工效学是一门建立在数学、物理学、力学、生理学、解剖学、卫生学、心理学、技术科学、人类逻辑学、生理物理学、生物力学、人类学、自动控制、信息论、社会学等一系列科学基础上的一门新兴学科，是一门研究“人-物-环境”之间相互作用的学科。
与该学科名称一样，目前国内外对本学科所下的定义也不统一。（1）美国人类工效学专家C.C.伍德（Charles C. Wood）所下的定义为：设备设计必须适合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代价而求得最高效率。W.B.伍德森则认为：人类工效学研究的是人与机器相互关系的合理方案，亦即对人的知觉显示、操作控制、人机系统的设计及其布置和作业系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得最高的效率及作业时感到安全和舒适。著名的美国人类工效学及应用心理学家A.查帕尼斯（A.Chapanis）说：“人类工效学是在机械设计中，考虑如何使人获得操作简便而又准确的一门科学。”（2）我国1979年出版的《辞海》中对人类工效学下的定义是：人类工效学是一门新兴的边缘学科。它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。用以设计使操作者能发挥最大效能的机构、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的合适位置。（3）国际人类工效学学会（International Ergonomics Association，IEA）为本学科所下的定义是最有权威、也最全面的，即人类工效学是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；研究在工作中、家庭生活和休闲时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。
从上述定义来看，尽管学科名称和定义不同，但是本学科在研究对象、研究方法、理论体系等方面并不存在根本上的区别。这正是人类工效学作为一门独立的学科存在的理由，同时也充分体现了学科边界模糊、学科内容综合性强、涉及面广等特点。1.2 人类工效学的产生与发展
英国是世界上开展人类工效学研究最早的国家，但本学科的奠基性工作实际上是在美国完成的。所以，人类工效学有“起源于欧洲，形成于美国”之说。其发展大致经历了以下三个阶段。1. 经验人类工效学
这一阶段是20世纪初，美国学者F.W.泰勒（Frederick W. Taylor，图1-2）在传统的管理经验基础上，首创了新的管理方法和理论，并据此制定了一整套以提高工作效率为目的的操作方法，考虑了人使用的机器、工具、材料及作业环境的标准问题。例如，他曾经研究过铲子的最佳形态、重量，研究过如何减少疲劳，研究过动作时间、工作流程与工作方法分析、工具设计、装备布置等。因此，人们认为他的科学管理方法和理论是后来人类工效学发展的奠基石。从泰勒的科学管理方法和理论的形成到第二次世界大战之前，称为经验人类工效学的发展阶段。这一阶段主要研究内容是：研究第一职业的要求；制定培训方案，使人力得到最有效的发挥；研究最优良的工作条件；研究最好的管理组织形式；研究工作动机，促进工人和管理者之间的合作等。在这一阶段，研究者大都是心理学学科的，其主要特点为：在人机关系上以选择和培训操作者为主，使人适应于机器。图1-2 科学管理之父——泰勒2. 科学人类工效学
这一阶段是在第二次世界大战期间，由于战争的需要，许多国家大力发展效能好、威力大的新式武器和装备，但由于片面注重新式武器和装备的功能研究，忽视了其中“人的因素”，因而导致由于操作失误而失败的例子屡见不鲜。例如，由于战斗机中座舱及仪表位置设计不当，造成飞行员误读和误用操纵器而导致意外事故。通过分析研究，逐步认识到：在人和武器的关系中，主要的限制因素不是武器而是人，“人的因素”在设计中是一个重要条件；要设计好一个高效能的装备，只有工程技术知识是不够的，还必须有生理学、心理学、人体测量学、生物力学等学科方面的知识。因此，在第二次世界大战期间，首先在军事领域中开展了与设计相关学科的综合研究和应用。军事领域中对“人的因素”的研究和应用，使科学人类工效学应运而生。在其发展的后一阶段，由于战争的结束，本学科的综合研究与应用逐渐从军事领域向非军事领域发展，并逐步应用军事领域中的研究成果来解决工业与工程设计中的问题，如飞机、汽车、机械设备、建筑设施以及生活用品等。本学科在这一阶段的发展特点是：重视工业与工程设计中“人的因素”，力求使机器适应于人。3. 现代人类工效学
20世纪60年代之后，欧美各国进入了大规模的经济发展时期。在这一时期，由于科学技术的进步，使人类工效学获得了更多的发展机会。例如，在宇航技术的研究中，提出了人在失重情况下如何操作等新问题。同时，由于控制论、信息论、系统论和人体科学等学科中新理论的建立，在本学科中应用“新三论”来进行人类系统的研究便应运而生。所有这一切，促使人类工效学进入了系统研究阶段。从20世纪60年代至今，可以称为现代人类工效学的发展阶段。现代人类工效学研究的方向和特点是：把人-物-环境系统作为一个统一的整体来研究，以创造适合于人工作的机械设备和作业环境，使人-机-环境系统相协调，从而获得系统的最高综合效能。
随着人类工效学所涉及的研究和应用领域的不断扩大，从事本学科研究的专家所涉及的专业和学科也越来越多，主要有解剖学、生理学、心理学、工业卫生学、工业与工程设计、工作研究、建筑与照明工程、管理工程等专业领域。
1961年国际人类工效学学会（IEA）正式成立，该学术组织为推动各国人类工效学的发展起了重大作用。我国于1989年正式成立了与IEA相应的本学科国家一级学术组织——中国人类工效学学会（Chinese Ergonomics Society，CES）。这是我国人类工效学发展中新的里程碑。1.3 人类工效学的研究方法
人类工效学的研究主要运用人体科学及其相关学科的研究方法及手段，同时结合系统工程、控制理论、统计学等方法。半个多世纪以来，本学科也建立了一些独特的研究方法，以探讨人、机、环境要素间复杂的关系问题。如：测量人体各部分静态和动态数据；调查或直接观察人在作业时的行为和反应特征；对时间和动作的分析研究；测量人在作业前后以及作业过程中的心理状态和各种生理指标的动态变化；观察和分析作业过程和工艺流程中存在的问题；分析差错和意外事故的原因；进行模型实验或用电子计算机进行模拟实验；运用数字和统计学的方法找出各变数之间的相互关系，以便从中得出正确的结论或发展成有关理论。
目前常用的研究方法有以下几种。
1）实测法
这是一种借助于仪器设备进行实际测量的方法。例如，对人体静态与动态参数的测量，对人体生理参数的测量或者是对系统参数、作业环境参数的测量等。
2）实验法
这种研究方法，一般是在实验室进行，但也可以在作业现场进行。例如，为了获得家具的体压分布或人对各种不同显示仪表的认读速度和差错率的数据时，一般在实验室进行；如需了解色彩环境对人的心理、生理和工作效率的影响时，由于需要进行长时间和数次观测，通常在作业现场进行。
3）观察法
为了研究系统中人、机的工作状态，常采用各种各样的观察方法，如工人操作动作的分析、功能分析和工艺流程分析等大都采用观察法。
4）分析法
分析法是在上述各种方法中获得了一定的资料和数据后采用的一种研究方法。目前，人类工效学研究常采用如下几种分析法：（1）瞬间操作分析法。即采用统计学中的随机取样法，对操作者和机械之间在每一间隔时刻的信息进行测定后，再用统计推理的方法加以整理，从而获得研究人-机-环境系统的有用资料。（2）知觉与运动信息分析法。知觉与运动信息分析法，就是对此反馈系统进行测定分析，然后用信息传递理论来阐明人、机间信息传递的数量关系。（3）动作负荷分析法。在规定操作所必需的最小间隔时间条件下，采用电子计算机技术来分析操作者连续操作的情况，从而可推算操作者工作的负荷程度等。（4）相关分析法。用相关分析法能够确定两个以上的变量之间是否存在统计关系。利用变量之间的统计关系可以对变量进行描述和预测，或者从中找出合乎规律的东西。例如，对人的身高和体重进行相关分析，便可以用身高参数来描述人的体重。由于统计学的发展和计算机的应用，使相关分析法成为人类工效学研究的一种常用方法。
此外，还采用频率分析法和危害分析法等方法。
5）调查研究法
这种方法包括简单的访问、专门调查，直至非常精细的评分、心理和生理学分析判断以及间接意见与建议分析等。
6）模拟和模型试验法
此法为进行人机系统研究时常采用模拟的方法。模拟方法包括各种技术和装置的模拟，如操作训练模拟器、机械的模型以及各种人体模型等。通过这类模拟方法可以对某些操作系统进行逼真的试验，并从实验室研究外推得到所需的更符合实际的数据。图1-3为应用模拟和模型试验法研究人机系统特性的典型实例。尤其像汽车等交通工具的破坏性、安全性等研究主要采用这种方法。图1-3 研究车辆碰撞的人机系统的模拟与模型
7）计算机仿真技术
随着现代人机系统越来越复杂，采用物理模拟和模型方法研究复杂人机系统，不仅成本高、周期长，而且模拟和模型装置一经定型，就很难作修改变动。因此，计算机仿真技术已成为人类工效学研究的一种现代方法。
计算机仿真技术（computer simulation technology）是利用计算机科学和技术的成果，建立被仿真的系统模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一种综合性技术。研究者可对尚处于设计阶段的未来系统进行仿真，并就系统中的人、机、环境三要素的功能特点及其相互间的协调性进行改进设计。应用计算机仿真技术，能大大缩短设计周期，并降低成本。图1-4是人体动作分析仿真图形输出。图1-4 人体动作分析仿真图形输出
在国外，也有学者按照学科性质来对研究方法进行分类，以下简要进行说明。1.3.1 心理学的测定法
心理学测定法主要有精神物理学的测定法、尺度法和官能检查等。所谓精神物理学的测定法，就是测量当给予某种刺激时，要多大以上调查对象才能感受得到，或者多大程度的刺激值，能进行大小区别等。举个具体的例子，如雷达斑点的辉度，要多大以上才能看见？电视机画像的瑕疵、录音机的杂音，多大程度以上能被知觉？像调查这样的一些问题所用的方法就是精神物理学测定法。
所谓尺度法就是根据规则将对象用数字分配，从而求如何根据法则来分配。主要有名义尺度、顺序尺度、间隔尺度、比率尺度等。下面简单进行说明。
名义尺度：就像棒球选手背上的号码一样，谁是几号、号码的大小并没有什么特别的意思。第一色盲、第二色盲等色盲分类的1、2，就是这个意思。
顺序尺度：像学习成绩的排次，酒的1级、2级的区别，矿物的硬度等，只用数字单纯按顺序表示，1和2的间隔，2和3的间隔，不必保证相等。平均值等必须表示出来。
间隔尺度：像年号、温度（绝对温度除外）等，虽然数值间的差有数量的意思，但零的位置仅仅是为了方便而确定。一般可以用平均值，但不使用比率。
比率尺度：长度、质量、密度、电阻等，数值的间隔、比率都有量的意义。
心理学测定得到的数值，很多使用的是顺序尺度，这和大量使用比率尺度的物理学等不同，如果用相同方法处理，会招致混乱，这点要十分注意。
这些尺度间只求证了数值间有怎样的关系，作为对进行人体测量的有力方法，还要进行官能检查。也就是说，将人类各种各样的感知方法用数量来测定。如对色彩、音响、设计优良性、使用方便性等的情感评价时，经常用到SD（semantic differential）法。下面就这一概念作简要说明。
在工效学领域必要的感觉、知觉测定法中，评定者判断的基准并不一定明确存在。比如，像视觉表示的全体印象、汽车的乘坐感觉、坐椅子的感觉、使用机器器具的感觉、音乐的音色等日常所说的感觉、印象等，这些质的要素的心理效果要用量来把握。这种情况下，SD法使用简便，而且对主观的事情能相对客观地把握，从这个意义上说是一种有效的方法。SD法是美国伊利诺伊大学的奥斯古德（C.E.Osgood）教授为了语言的心理学研究而开发的方法。如它的名字一样，本来这是分析意思的方法，研究语言对个人赋予感情的手段。SD法在日本的色彩、配色、音色、语音印象、手感等感觉性心理效果，以及商品、企业、广告的印象调查等领域，都得到广泛使用。
这个方法如果运用于心理学测定，可以说和以前的评定尺度相类似。评定尺度就是在如下的直线上画出等间隔的区分，记入评定标准的词语。
评定者对于评定对象的某个侧面，在这个尺度7阶段相应的地方画上标记。像这样，心理尺度虽然不能像物理尺度那样被确保等隔性，但可简单当作等间隔，各区分从1分到7分，或者相当-3到+3的得分。从经验可知，即使评定结果用统计方法处理，也不会有大的偏差。SD法能同时给予多个评定尺度，来评定语言、色彩或其他的刺激。尺度两端使用的形容词也不限于“好的—坏的”等评价，各种各样的形容词都能用。另外，进行评定的人，不限于专家，一般的人也能进行评定。1.3.2 动作-时间研究
我们工作的时候，如果作业方法不恰当，既不能提高生产效率，又会增加疲劳。为了对此进行科学的探究，发现更好的作业方法，在20世纪初的时候，以泰勒和吉尔布雷斯（Gilbreth）为中心展开了研究工作。这个方法就是通过秒表或照片、映像，用动作要素分析作业，去除不必要的动作，组合好的动作，从而创造最佳的作业方法。下面以吉尔布雷斯初期进行的研究作为例子进行介绍。他详细分析了造房子时瓦工的作业，调查了瓦的存放场所和作业进展的配合怎样变化才能使效率提高。此外，还用动作分析算出用铁铲取沙石时，多少量才能使疲劳最小，以及和木柄的粗细、长度、把手的位置、与重心的关系等。作业研究的最初就是在这些实际场合应用的。毋庸置疑，构成作业研究中心的是动作和时间分析。使用这个方法，能判断人和机器是否能互相适应。另外，如果改良，就能很快正确地操作机械，这些问题就都能解决。从以上讲过的例子也能很好理解这点。
表1-1所列的符号表示人的动作，这种方法是根据发明者吉尔布雷斯名字字母相反排列而命名的，根据这些来进行作业的分析。表1-1 动作-时间分析用的图例1.3.3 人体测量——形态学的测定
工效学显著的效果在于设计出的机器，能使人的疲劳减少，又便于使用，减少误操作，且效率高。因此，首先对人体的尺寸、手脚能达到的范围、作业或操作时人承受多大的负担等身体上的量及其变化，就需要客观地评价。这些就是人体测量和形态学测定的目的。例如仪表盘，必须放在视线到达并能轻松读到数据的范围，控制用的旋钮或把手，要在手能到达的范围内，而且必须要装在容易操作的方向。此外，和人体直接接触的衣服的裁剪或椅子等的设计，也须以人体各部分的尺寸作为基础。从这个意义上说，人体测量是工效学最基础的东西。
虽然到现在为止有很多人体测量的相关资料发表过，但这些主要都是从人类学的角度进行的。也就是说，以骨骼为中心进行测量，被称为“骨计测”，但包括器械设计时必要的软部测量等资料相对较少。除此之外，由于各自设计目的不同，必要的测量部位或测量方法也不同，设计需要的数据直接利用以往资料的情况也不是很多，今后还需要不断积累各种情况下人体测量的数据，以满足各种需求。1.3.4 生理学的测定
生理学的测定是对身体生理性变化的测定法。工作时承受的负担根据工作性质而不同，但都能通过呼吸、肌电图、心率、精神反射电流（galvanic skin reflex, GSR）等进行测定。根据这些测定，可以对作业负荷、紧张感等进行大致分类。生理学测定必须从综合性的立场进行判定，否则结论就会出错。此外，除了上述几种生理指标外，脑波、血压、眼球运动等也常被同时测定。下面就其中几种简单加以说明。
肌电图：因为动作是通过肌肉的紧张、松弛而完成的，因此，如果调查肌肉的兴奋状态，就能知道动作时哪块肌肉是以怎样的强度在动。这种记录不同肌肉活动程度的图表就叫肌电图（electromyography，EMG），如图1-5所示此图是跳远时肌电图的例子，振幅大的地方表示肌肉运动也大。肌电仪就是用示波器记录装置记录下肌肉活动时产生的生物电信号，以此来知道对身体的负担。图1-5 肌电图示例
闪光融合频率（flicker fusion frequency）：使光按一定的速度闪烁，开始眼睛能看见光闪烁，随着闪烁的速度加快，人眼不再能分辨，看上去就像一道连续光。开始出现看起来像融合时的闪烁频率就是闪光融合频率。随着疲劳，这个值会下降。因此如果作业前后测定这个值作比较，就可以知道作业负担的大小了（图1-6）。图1-6 新干线驾驶姿势的不同和闪频值下降比率之间的关系
精神反射电流（GSR）：出汗有两种，一种是温热刺激下调节体温的发汗，另一种是由于情绪刺激，中枢神经兴奋而出汗的精神性发汗。高度紧张或兴奋时，手掌或脚底都会出汗。用电流将皮肤表面发生的微弱变化获取并表现出来的测定方法就叫GSR法。
相对代谢率（relative metabolic rate，RMR）：众所周知，劳动或运动的时候，强度大呼吸就会急促。这是因为消耗能量时，想要吸入新的氧气，呼吸量、呼吸次数会增多。测定作业时消耗的氧气量，和安静时的消耗量（即基础代谢氧气消耗量）比较，就能测定作业时消耗掉能量的大小，也就能知道作业强度。这叫做相对代谢率（RMR），可用以下公式表示：
RMR=运动代谢/基础代谢=（运动时氧气消耗量–安静时氧气消耗量）/基础代谢氧气消耗量
表1-2是根据这个方法测定的日常生活或运动时相对代谢率的例子。表1-2 日常生活的RMR1.4 人类工效学的研究内容和应用领域
人类工效学是一门实践、应用性很强的交叉学科。由于各国科学和工业基础的不同，研究侧重点也不相同。例如，美国侧重工程和人机关系；法国侧重劳动生理学；苏联注重工程心理学；保加利亚偏重人体测量；捷克、印度等注重劳动卫生学；日本则介于欧美之间。尽管如此，本学科的根本研究方向应是共同的，即通过揭示人、物、环境之间相互关系的规律，达到确保人-物-环境系统总体性能的最优化。
本学科实际上是“人体科学”、“技术科学”和“环境科学”的融合，并不断向工程科学渗透和交叉的产物，其学科体系如图1-7所示。图1-7 人类工效学学科体系
人类工效学主要的研究内容有如下几个方面。
1）人体特征的研究（1）人体计测。人体计测包括静态和动态的计测，必须按国家标准、用专用工具进行。静态计测主要是对不同民族、区域的男女老少人体的205项数据进行计测。这些资料为建筑、室内、家具、家电、交通工具、环境设施等设计提供了极为重要的数据。然而由于人是动态的，仅有静态数据在实际运用中仍然会遇到各种问题，所以出现了动态计测，即对人的基本动作，如蹲、坐、起等日常起居生活动作和劳作活动全过程的空间范围进行计测。这些数据为使用者创造更为安全、健康、舒适和高效的工作、生活条件提供了基础资料。随着计算机技术的普及，过去难以量化的心理计测也变成现实，这使人体计测更为完善，使设计更符合人的生理特点，更具个性，也更人性化。（2）作业姿势和人体负担研究。人在日常生活、生产和社会活动中有各种姿势、动作，一般分为站立、平坐、椅坐和卧位4种。进一步细分，各种动作姿势可分为34种。由于不同的姿势和劳作活动，人的生理（如出汗、体重减轻）、心理（如压迫、痛苦等）都有不同反应和变化，会出现不同的负担。不同的工作消耗的能量不同，心脏负担、心跳不同，肌肉的活动和负担也不同，通过姿势和人体负担的研究，可以为设计提供优化的根据，从而减少疲劳和职业病，提高工作效率。
2）人机系统的设计研究
人机系统工作效能的高低首先取决于它的总体设计。人机配合成功的根本原因是两者都有自己的特点，在系统中可以互补彼此的不足，如机器功率大、速度快、不会疲劳等，而人具有智慧、多方面的才能和很强的适应能力。系统设计基本问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地传递信息、有效互补等。
3）作业环境和信息传递装置的界面设计
作业环境设计的合理与否，将对人的工作效率产生直接的影响。作业环境设计一般包括：作业空间设计、座位设计、工作台或操纵台设计以及作业场所的总体布置等。这些设计都需要应用人体测量学的知识和数据。研究作业场所设计的目的是保证物质环境适合于人体的特点，使人以无害于健康的姿势从事劳动，既能高效率地完成工作，又感到舒适和不致过早产生疲劳。
人与机器之间的信息交流，由显示器向人传递信息，控制器则接收人发出的信息。显示器研究包括视觉显示器、听觉显示器以及触觉显示器等各种类型显示器的设计，同时还要研究显示器的布置和组合等问题。控制器设计则要研究各种操纵装置的形状、大小、位置以及作用力等在人体解剖学、生物力学和心理学方面的问题。在设计时，还需考虑人的定向、动作和习惯动作等。人机界面的设计是能否正确识别操作的关键所在，也是安全的要素之一。
4）环境与安全设计研究
从某种意义上说，人类工效学研究工作效率，不仅是指创造舒适高效的工作环境、提高效率，而且是指在较长时期内不对健康产生有害的影响，并使事故危险性缩小到最低限度，确保人身安全。从环境控制方面应保证照明、通风、温湿度、噪声和振动等常见作业环境条件适合操作人员的要求。保护操作者免受因作业而引起的病痛、疾患、伤害或伤亡也是设计者的基本任务。因而在设计阶段，安全防护装置被视为机械的一部分，应将防护装置直接置入机器内。此外，还应考虑使用前操作者的安全培训，研究在使用中操作者的个体防护等。
根据有关专家对英、美等国家的人类工效学研究所作的考察资料，可把近期国外人类工效学研究方向归纳如下：（1）工作负荷研究，包括体力活动、智力活动、工作紧张等因素引起的生理负荷和心理负荷。（2）工作环境研究，包括高空、深水、地下、加速、高温、低温和辐射等异常工作环境条件下的生理效应，以及一般工作与生活环境中振动、噪声、空气、照明等因素的人类工效学研究。（3）工作场地、工作空间、工具装备的人类工效学研究。（4）信息显示的人类工效学问题，特别是计算机终端显示中人的因素的研究。（5）计算机设计与使用的人类工效学研究。（6）安全管理的人类工效学研究。（7）工作成效的测量与评定。（8）机器人设计的智能模拟等。
随着科技的进步，尤其是人类科学研究的日新月异，人们对生活和工作环境的要求越来越高，由“人-物”向“人-物-环境”系统方向发展，由对人的生理研究向人的心理综合研究方向发展。
下面简要地就环境、安全和作业空间进一步论述。1.4.1 环境
人类的作业活动受到环境的影响。比如在空气条件中，为了了解气压、温度等任意一个因素变化会对精神性作业产生怎样的影响，研究者进行了实验。图1-8所示为温度、湿度等微气候环境与生产量的关系。在正常的空气状态下容易工作，但离开这个状态，想要维持正常时的作业量，自动控制机能就在身体内部起作用。环境条件变坏，作业状态也恶化，甚至会无法作业。虽然可以认为环境舒适的状态下，作业量会增加，但也不一定全都这样，因为还受其他条件的影响。只是要长时间保持作业效率，必须有舒适的环境。日本学者胜木新先生综合了大量研究者的研究结果，得出如表1-3所示结论。表1-3 不同种类的作业及其极限温度作业种类体感（不舒适）温度80°F（27℃）脑力劳动75°F（24℃）轻作业70～75°F（21.4～24℃）肌肉作业
从图1-8可以看出，产量随着气温而波动，在高温的8月，无论是压延工厂还是纺织工厂，产量均出现最低值。像这样，环境影响着人的身心健康，但人的身心具有适应环境的能力，不仅仅是被动地受影响。不能彻底适应环境时，人的机能就失去平衡，就会生病。发现人体机能舒适工作的范围，将其人为地控制，并设计其环境，就是工效学的课题。图1-8 环境和生产1.4.2 安全
灾害或事故发生的原因当中，人机不适合的情况时有发生。图1-9是工厂安全事故发生件数和成因的例子。为防止事故发生，排除缺乏适应性的人，配置有适应性的人，使人和机械、环境匹配，是重要的手段之一。但从工效学的角度上，首先应该发现人-机系统的不合适情况，然后从机械方面加以改善。但是，由于对人类的诸多特性还没有判明，因此，作为实际的解决方法，除了改进机器的工效学设计，在人的因素方面也同样有必要采取措施，来填补人机之间的间隙。例如，交通问题从某种程度上也可以通过政治、社会的手段加以解决，但汽车是一个快速行驶的物体，很难完全防止事故的发生。为此，在人的方面也要具备适应这种事态的能力，才能期待提高交通安全的效果。图1-9 工厂安全事故起因与件数
为防止灾害，工效学方面的对策主要有：（1）改良构造，使机械或器具的操作不勉强，不伴有危险。（2）如同飞机的高度仪或汽车的速度仪一样，表示器械动作状态的视觉表示器，它的形态、文字、数字、符号、指针、刻度等，必须符合工效学的要求。图1-10是不同字体的数字在照明和日光条件下的误读率。图1-10 数字的字体和误读率（3）关于照度、照明方法、温度、湿度、振动、有毒气体等的作业环境，必须适当。（4）人的诸特性之中，有必要充分考虑有关刺激和精神状态、紧张及其之后的迟缓、生理节奏、作业者的适应性等诸多条件。（5）还要考虑其他和作业相关的工学方面防止事故发生的有关要素，如作业空间、作业时间、作业顺序、教育培训、管理等。1.4.3 作业空间
目前已有许多以人体测量为基础的研究成果，表明空间位置和作业能力的关系。设计机械时，如果不考虑空间的宽度和作业能力的关系，就会出现许多问题，如在手达不到的地方配置按钮，或使不上力的地方装上把手等。密度大的作业或频率高的工作，有必要放在能轻松作业的范围内。从平面上看，在手能到达的最大作业区域中，有一块易于作业的通常作业域，主要作业最好能设计在这个区域内进行。手的操作范围如图1-11所示。机械是物理性的，即使它的位置变化了，作业效率也不会下降，但人和机械不同，随着空间位置变化，作业能力会有所不同。在不合适的作业位置上进行操作，效率会下降，也容易发生事故。从这个角度讲，根据作业内容的不同决定合适的位置就显得尤为重要了。图1-11 手的操作范围1.5 产品设计与人类工效学
工业设计大至宇航系统、城市规划，中至机械设备、交通工具等，小至家具、服装、生活用品等，在设计和制造时，人类各种生产与生活所创造的“物”，都必须把“人的因素”作为一个重要条件予以考虑。因此，应用人类工效学原理和方法进行研究就成为工业设计者必备的基本能力之一。人类工效学与工业设计相关的研究领域可用表1-4加以说明。表1-4 人类工效学与工业设计相关的研究领域
人类工效学研究对工业设计的作用可以概括为以下几个方面。1. 为设计提供人体尺度参数
应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；提供人体各部分的出力范围、活动范围、动作速度、动作频率、重心变化以及动作时的习惯等人体机能特征参数；分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感受器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探求人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。2. 为设计的功能合理性提供科学依据
如何解决“物”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理、心理机能相协调的“物”，这是当今工业设计在功能问题上的新课题。如信息显示装置、操纵控制装置、工作台和控制室等部件的形状、大小、色彩及其布置方面的设计基准，都是以人类工效学提供的参数和要求为设计依据的。3. 为设计中“环境因素”提供设计准则
通过研究人体对环境中各种物理、化学因素的反应、适应能力，分析声、光、热、振动、粉尘和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程度，确定了人在生产活动和生活中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，从保证人体健康、安全、舒适和高效出发，为工业设计中考虑“环境因素”提供了分析评价方法和设计准则。4. 为“人-物-环境”系统设计提供理论依据
人类工效学的显著特点是在研究人、物、环境三个要素本身特性的基础上，将所设计的“物”和使用“物”的人以及人与“物”所共处的“环境”作为一个系统来研究。在这个系统中，人、物、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。系统设计的一般方法，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究人、物、环境三个要素对系统总体性能的影响，应具备的各自功能及其相互关系，经过不断修正和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。5. 为“以人为本”的设计思想提供工作程序
一项优良设计必然是人、环境技术、经济、文化等因素巧妙平衡的产物。“以人为本”的主导思想具体表现在各项设计均应以人为主线，将人类工效学理论贯穿于设计的全过程。人类工效学研究指出，在产品设计全过程的各个阶段，都必须进行人类工效学设计，以保证产品使用功能得以充分发挥。
总之，随着社会的发展、科技的进步、生活节奏加快等因素，必然导致人们对“物”的质量观的变化，人们将会更加注重“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等指标方面的评价。人类工效学等新兴边缘学科的迅速发展和广泛应用，也必会将工业设计的水准推到人们所追求的崭新的高度上。1.6 21世纪人类工效学的课题
人类工效学已经渐渐渗透到我们的日常生活中来。安全的产品或用具，舒适的工作场所或住宅，对高龄者或障碍者友善的无障碍环境，易于使用的信息工具，预防与工作有关的健康障害的对策，防止身心过度压力的对策等，都是和人的特性相适应的、以生活者为中心的设计目的在实践中活用工效学的例子。
随着产业结构的急剧变化以及信息技术革命性的进展，人们的压力不断增加，成为深刻的社会问题。21世纪的工效学必须解决的问题堆积如山，在进一步谋求国际协作的同时，为了正确且迅速地解决工效学方面的课题，确立积极的战略计划日显重要。日本人间工学会在21世纪初期公布了社会必须考虑的工效学方面的重要课题。课题按大类分为3方面：①人间工学的相应课题；②研究组织和合作体制等的相应课题；③促进应用的相应课题。以大分类课题为轴心的具体课题包括以下内容。1. 基于人间工学需求有必要计划性实施的课题
随着社会构成和产业结构的急剧变化，工效学有必要采取适当的措施来应对日益高涨的社会需求。具体来说，可以考虑以下方面：（1）确立生活者中心的工效学设计方法；（2）开发信息技术人性化的相关准则；（3）开发适于高龄社会的通用设计准则；（4）制定有助于安全本质化的预防人为失误的对策；（5）有助于预防组织性失误的组织学上的应用；（6）制定对策预防由作业和压力引起的健康障碍。2. 研究组织和合作体制的相关课题
为了进一步整顿基础，使工效学需求迅速且正确地应对各种变化，在努力充实研究组织和扩充合作机制的同时，进一步提升工效学在学术上的地位，也是很有必要的。具体来说，有以下方面：（1）制定研究合作体制，使工效学应用到产业；（2）有效利用工效学专业资格制度，积极开发人才；（3）进行跨地域联合，为国际社会进一步作贡献；（4）提升工效学的体系化和教育质量；（5）作为独立领域确立工效学在科学技术研究方面的地位；（6）探讨与21世纪相适应的有效果、有效率的学会组织的运营方式。3. 促进工效学应用的对策课题
为了促进工效学的研究成果在社会实践中的进一步应用，有必要通过新的视点，采取与以前不同的新对策来开展。具体来说，有以下方面：（1）人本设计等具有工效学性质的理念、概念等在社会上的普及和实践性应用；（2）有助于解决问题的工效学信息系统的组织性研究；（3）策划和出版各种工效学指南；（4）编纂数据库、辞典、教科书等；（5）开发和普及产品的工效学评价指标；（6）建立工效学在国际标准、国内规格方面的应用体系；（7）定期召开国际研讨会等；（8）从工效学的视点出发，对政府等官方机构的政策进行咨询建议。
以上是日本人间工学会在21世纪初提出的具有优先性、战略性的工效学的课题。工效学的领域和作用，在国际工效学会的定义中，已被国际上承认，日本人间工学会只是进行了具体化。这些课题对我国工效学的发展也有很好的参考作用。第2章工效学的基础知识2.1 人体测量
量物体的时候，“测定”和“测量”这两个词常作为意思相近的词被使用，但从人体测量学的角度看，两者有着不同的含义。“测定”只有量的意思，“测量”还需将测定得到的资料，用统计学的方法进行进一步处理。图2-1表示人体的外形及其测定点。另外，人体测量通常是指从形态学的角度进行测定，一般通过形态来掌握人的身体尺寸。若从生理学的角度测定，将对生活中各种动作引起的人体生理学方面的量的变化进行测定，若从人体运动结构学的角度测定，将对关节运动域或作业范围等进行测定。因此，虽然说是人体测量，其内容包括相当广的范围。可以说，如果没有人体各方面的测量，对“身体的追求”将无法进行。图2-1 人体的外形与测定点
设计器械的时候，首先要考虑的第一个问题就是人体尺寸及其设计尺寸。人身体尺寸的本身通过上述的测量就能得到，但是要呈现无法表现的形态的特质，就不得不用其他的方法。这被称为生物体观察，即根据观察生物体得到区分的方法，具体说有体型的分类、脸型的分类等。当然和这种分类正好完全一致的人是极少数的，但从工效学的角度，测量和观察一起使用，将使资料更加科学有效。如安全帽或内衣等的设计就是很好的例子。设计上经常用到的生物体观察有以下这些：
头型——作业帽
脸型——眼睛、作业面具、电话机
体型——衣服、椅子、床
手型——各种作业用手套、器物的柄
足型——袜子、鞋2.1.1 测定方法
人体尺寸测量作为体格判定的基础资料，常测的项目有身高、体重、坐高等，测量用的身高仪、坐高仪、体重计等也是最基本的测量工具。然而，除此之外的人体各部分测量，不仅因为人体有复杂的形态，被肌肉、皮肤等软组织覆盖，而且关节等的可动部分很多，姿势一改变，很多时候皮肤上的测量点就会移动，测量并不简单。另外，研究者对于测量部位的定义也不一定一致，而且还没有简单方便的测量工具，因此身体各部分测量值的发表数据也参差不齐。作为测量工具，马丁式人体测量仪最常用，它由大型的游标卡尺和分线规组成，但如果被测者数量较多时，就不是很方便了。用卷尺可以测量曲面的长度，用曲线仪可以测量复杂的曲面，想求测量值的比例时，可以使用投影法，画出人体断面图，根据这个进行测量。手掌的长度或手指尺寸等的测量，用印画纸很方便，这是利用蓝照片的感光用纸进行测量的方法。另外，还有二重面积计法，在画出躯干、头、颈部、上肢、下肢等的情况下，可以将人体曲面放在平面上记录，也很方便。2.1.2 人体的大小和重量
人体的大小通常用身高、坐高、胸围、体重等表现。这些值根据性别、民族的不同而不同。另外，即使同一民族，地域差异或职业性也使得这些值有所不同。表2-1和表2-2是各国人的身高、体重值。表2-1 各国人身高一览表2-2 各国人体重一览
从工效学的角度看，比起身高、体重这些体位的数值，人体部位的大小尺寸更为重要，而且不仅是这些部位的裸尺寸，还经常需要穿着衣服时的尺寸，穿着鞋子时的尺寸，戴着帽子时的尺寸等。
身体各部位的测量值和身高之间有一定比例关系，图2-2是人体主要部位的尺寸和以身高为基准计算出的大概比率。根据这个概略值进行设计就很方便。图2-3是以身高为基准的比率关系求出的设备、物体的尺寸图。图2-2 人体尺寸的概算值图2-3 以身体为基准的设备、物体的概算图标
以上介绍了尺寸的关系，在设计时重量分配的关系也经常被用到。图2-4表示身体各部分重量概略的比率。现在简单介绍一下该图的使用方法。图2-4 身体各部分的重量比（站姿）
例如，日本成年男子体重的平均值是67.9kg。根据图示，头部的重量约占体重的8%，因此可以知道，头重的概略值约为5.4kg。另外，坐在椅子上的时候，座面承受的重量，可以用总重量的85%减去膝以下的重量大概算出。卧姿的体重分布如图2-5所示。床的设计就要根据这样的体重分布条件，考虑弹簧的强度，使人能以轻松的姿势就寝。另外，需要注意的是人体的重心，不在正中心，而在中心稍靠上，肚脐的偏下方。图2-5 身体各部分的重量比（卧姿）2.1.3 测量值的应用
人体测量数据可以说是工效学最基本的资料之一，必须以这些资料作为制作机械或道具的基础。但实际上，由于目的不同，测量部位或方法也不同，而且对象具有多面性，因此发现必要的数据并不容易。如果急需设计数据，只能在可能的范围内收集资料，以便当前使用。因为以前的很多资料，都是从人类学的角度出发，主要以测骨骼固定点的骨测量为主，基本未考虑身体软部分的数值等，而且身体部位和机械直接接触的地方，是设计上重要的部分，但这些数据也很缺乏，因此，能直接使用到机械或家具设计上的人体测量数据，至今为止发表的也不多。随着研究的普及和深入，这些资料会慢慢齐全起来。
使用人体测量值时，要注意以下方面。第一，不穿衣服姿态下测定的测量值，直接用到设计尺寸上的情况很少，因此，这个数值如果不加一些空隙，就不能成为实用值。根据对象不同，有的情况下，或许这个空隙尺寸比测量值本身更重要。当然，人体穿上衣服时与机械、建筑设计时的空隙尺寸完全不同，衣服的空隙和测量值相比较小，但机械、建筑等比起测量值本身，空隙更大，这种情况相当普遍。如果不好好理解这些，直接使用测量值，就有可能设计出相当不好使用的东西，这点特别需要留意。另一个需要注意的是，测量值不仅根据民族、职业、年龄、性别等而不同，东西南北地域不同也有差别。因此，一个数值不能将它作为全体共通的东西。实际上，以某个数值作为基础，进行设计作业时不得不修正数据的情况经常发生。因此，应用测量值时有必要注意以下方面。（1）设计开始时就要考虑人的因素，到试制阶段再考虑恐怕已经太迟了。（2）不要忘记人一直在动，也就是说，要在身体的周围留有某种程度的充裕。这个思考方法有必要牢记在心。（3）为了设计所有人都能操作的装置，要参考第95百分位数以上或第5百分位数以下的数值。人体测量的数据常以百分位数（P）k来表示人体尺寸等级，最常用的是第5%（P）、第50%（P）、第55095%（P）三种百分位数。其中，P表示“小”身材，是指有95%955的人体尺寸大于此值；P表示“中”身材，是指大于和小于此人体50
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