工业设计中的人机工程学理论、技术与应用研究进展
摘 要：人机工程学是工业设计中重要的辅助手段。通过对近年来在国内外发表的人机工程学研究论文的分析与归纳，较为系统地总结了工业设计中的人机工程学理论、技术与应用研究的进展状况，探讨了人机工程学在工业设计领域内的应用方法、研究理论与技术，并针对信息化条件下工业设计的发展，提出了人机工程学的发展趋势与研究热点。
关键词：工业设计；人机工程学；综述；研究进展；趋势
1 人机工程学的学科内容与发展历史
1．1 人机工程学的学科内容
人机工程学是研究人、机、环境之间相互作用的学科，通常指在研究如何使设计的机械设备系统、人机系统或人机环境系统最大限度地适合人类的形态、生理和心理特征，以求达到安全、舒适、高效生产和工作的目的。它系统地运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成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。该学科在发展过程中，融合了各个学科理论，打破了学科间界限，从而成为了一门应用和研究范围都很广泛的综合性学科。
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。
1．2 人机工程学的学科渊源
人机工程学的发展历史并不长，其正式成为一门学科是从二次大战以来。当时，人们在使用各种高效能的新式武器时，出现了很多人为的事故和错误，为了解决这些问题，人们开始对人一机系统进行研究，以保证人员和机器的有效配合，降低事故率，从而催生出了这门崭新的交叉性学科。
近年来，有学者将人机工程学的学科内涵加以扩大和延伸，从“人-器物”或“人-用具”的视觉进行研究，重新认识和理解人机工程学的历史发展和渊源。例如，文献[2]认为：人机工程学作为一门学科是新兴的，但在人类造物实践和造物历史中，人们就不断在研究如何使用工具以及工具如何适应人。尽管古代没有人机工程学这一名词，但从人机工程学研究的最基础问题——人与工具或用具的关系而言，人机工程学的存在如同人类制造工具一样古老。文献提出，尽管人机工程学这门科学直至20世纪才出现，但早在25个世纪以前的古希腊，人们已经有意或无意运用相关的规律进行设计活动。通过对一系列古文献和设计实物如日用品、雕塑及建筑材料加工的研究，表明朴素的人机工程学思想与原则，在很早以前就已经被提出。
1．3 工业设计中的人机工程学
工业设计的一般定义是：“就批量生产的工业产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计。”传统工业设计的核心是产品设计。伴随着历史的发展，设计内涵的发展也趋于更加广泛和深入。现在，人类社会的发展已进入了现代工业社会，设计所带来的物质成就及其对人类生存状态和生活方式的影响是过去任何时代所无法比拟的，现代工业设计的概念也由此应运而生。工业设计同样是一门综合性的学科，其根本目的是为了创造人造物，核心是人造物对使用者的身、心具有良好的亲和性与匹配，这种匹配，不仅要满足入的使用需求，还要是人的生理、心理等各方面需求取得恰到好处的匹配，这体现了以人为本的设计思想。因此，工业设计与人机工程学关系密不可分，人机工程学的原则、方法和技术是实现这种匹配的重要保证。
下文将从国内外两方面对工业设计中人机工程学研究状况和发展趋势做出综述。
2 我国人机工程学研究的现状、热点与发展趋势
我国自上世纪80年代以来，正式开展了对人机工程学的研究，近年来发展尤为迅速。研究主要侧重于人机工程学的实际应用，与此同时有关学者也提出了新的相关理论方法。
2．1 我国人机工程学应用研究的进展
2．1．1 人机工程学应用研究论文统计
在我国，人机工程学主要应用于：人机之间分工及相互适应问题、信息传递过程、人机界面设计、作业环境及安全装置问题、操作者疲劳的特点以及减轻疲劳和紧张度的措施等。
文献借助维普《中文科技期刊数据库》，按照不同的学科门类、发表的年限以及人机工程学的研究内容，对1994～2003年国内近4000种主要刊物上发表的有关人机工程学应用研究方面的论文进行全面检索和统计，共找到相关论文892篇。
2．1．2 人机工程学在工业设计中的应用领域与案例
从上文统计结果中可以看到，人机工程学应用最多的领域是“人与机器的关系”，即运用人机工程学原理对产品进行改良性设计，使之更符合人体特性。例如，文通过对锅柄操作方式的解析，根据人操持锅柄的方式、姿势及舒适度，辅以模型制作与实验的方法，对锅柄进行了改良性设计。文献指出现有汽车设计方法，尤其是应用在公交车设计时存在的缺点和弊端，特别是驾驶员座椅设计SAE方法的不足，结合中国城市公交车的现状，对公交车内、外环境设计进行了基于人机工程学的研究，提出了科学、合理、人性化的公交车设计新方法。文献运用人机工程学原理展开对台式电脑键盘的设计，从键盘的平面布局、主键盘区、编辑与定位键盘区和数字辅助键盘区的按键搭配、定位键、色彩以及整体设计等角度，对键盘进行了改进和完善体现了键盘的人性化设计，提高了键盘作业的效率。
由于环境条件(热、照明、噪声、湿度、振动、色彩及其他影响舒适的因素)与人的生活和工作紧密相关，人机工程学应用研究还较多地集中于工作空间设计。如文献认为环境无障碍设计和人机工程的聚焦点在于“协调人与环境的关系”，特别是老年人、残疾人、行动不便者对居住环境有更多的依赖性，因此针对上述群体，运用人机工程学的方法对居住环境中的过道、门、楼梯、卧室、起居室、厨房、洗手间及日用家具等进行尺寸分析和研究，在此基础上提出人机参数，使之符合人的行为、生理、心理需求。文献指出作业空间色彩会直接影响操作者的情绪、情感及认知，进而影响到工人的身心健康和工作效率，并分析了环境色彩对人的生理、心理影响、作业者心理感觉等级的评价尺度以及客观环境因素(如光源、材料表面和肌理、设备形状与色彩等)对作业空间色彩的影响等。
此外，随着电子产品和设备的广泛使用，显示、控制、信息流动和自动化过程中的人机界面设计也成为人机工程学应用的重点之一。例如，文献从人机工程学、多状态界面以及视觉传达3个方面阐述了当前界面设计的先进技术与原则，提出并介绍了多层次多状态界面和各种图标的概念，并运用人机工程学的方法原则从整体布局、合理使用界面的最佳视区和有效视区、界面布局顺序3个方面对一款国产CAD软件界面进行了改进设计。文献分析了当前多媒体控制台的不足，根据人机工程学原理，设计了一款坐、立姿两用多媒体控制台，分析了控制台的结构、形式，主要尺寸的确定方法和依据，改善了教师使用多媒体控制台的条件和环境，在提高授课效果的同时保证健康。
2．1．3 人机工程学应用方法总结
从上文可以看到，当今国内人机工程学的研究侧重于应用。很多学者致力于将人机工程学的一般原理和方法运用于实际设计案例，在产品造型设计、工作空间设计及界面设计中取得了良好的效果，积累了宝贵的经验。其常用的设计方法主要有：①人体参数法。设计者主要依据现有的人体特征数据，如人体各部分尺寸、重量、体表面积、人体结构特征参数、人体机能特征参数(视觉、听觉、触觉、感觉)、疲劳机理、劳动负荷等，对产品进行改良性设计，使之符合人体特性；②调查方法。由于特殊人群或产品的特殊使用要求，设计师一般以调查方法获得相关信息，包括人体特征、使用习惯、消费心理、社会属性等，并建立起相应资料库；③模型方法。为检验产品是否满足人机工程学的要求，设计者常常通过建立三维计算机模型或是实际尺寸模型，用以检测产品与人体尺寸、形状及用力是否配合以及是否具有正确的产品语义。
随着以人为本观念的提出，国内对人机工程学的应用会愈加重视，将会有更多的学者和设计师将其原则和方法运用到实际产品中去，必将会有更多的成功案例出现。
2．2 新的理论体系与研究方法的提出及发展趋势
2．2．1 设计心理学理论和人机工程学新的学科研究对象
除了应用以外，近年来我国学者还提出了有关人机工程学的新的理论和研究方法。这些理论和方法主要着眼于在当今信息化时代背景下人们的生产和生活方式所发生的根本性变化。设计心理学便是理论研究的热点之一。设计心理学理论建立在心理学基础上，是将人们心理状态，尤其是人们对于需求的心理意识作用于设计的一门学问。它同时研究人们在设计创造过程中的心态，以及设计对社会及社会个体所造成的心理影响，并反作用于设计，起到使设计能够更加反映和满足人们心理需求的作用。主要研究方法有观察法、访谈法、问卷法、实验法、案例研究法、抽样调查法、投射法、心理描述法等。如，文献通过实例提出不同的使用群有不同的心理方面的人机感受，不同的环境对于心理要求也不一样。为什么人或什么事做设计、在什么环境下使用、购买产品的使用群情况是做出设计的首要目标。人机工程学应更注重对使用者心理的研究，技术理论的合理是心理感受合理的先决条件。
与此同时，工业设计设计本身也出现了很多新的思想和流派，如非物质化设计、感性设计、后现代主义设计等等，因而与之紧密相关的人机工程学，其研究对象也必然会出现新的内涵。文献认为，人机工程学是研究人在设计、制造和使用人造物过程中所发生的全部人机关系，提出必须充分关注这一过程中环境因素的作用、限制和反作用。其基本内容包括：四肢的活动与技能局限；五官的感知与操作控制；人脑的功能与心理需求；环境的影响与产品适应。
计算机技术的迅猛发展，为人机工程学的研究手段和评价方法提供了新的可能性。
2．2．2 计算机辅助人机工程设计(CAED)的方法
在研究方法方面，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，文献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。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。文献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抖为开发工具、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；⑨具备实时性、交互性强的动作操纵及运动检测能力。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。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。
3 国际人机工程学研究状况与发展趋势
3．1 国内外人机工程学研究状况的比较
国外(主要指欧美国家)开展人机工程学研究比较早，各围纷纷建立了相应的组织，如英国1950年成立人机学研究会、美国1957年成立人类因素工程学会、日本于1963年成立人机工学研究会等，进行了广泛而深入的研究工作。
比较而言，国内外人机工程学研究的领域、内容和重点既有异也有同。相同的研究热点包括：人体测量、人机工程学在组织管理上的应用、工作适应性、职业病防治等。此外，国外的研究热点还有：工作荷载、职业健康、产品和工具中的人机工程学原理、如何改进工作方法和工作区域，特别是对特殊人群的研究等。
文献依据2001年至2005年人机工程学各领域发表的论文关键词，对5年当中，国内外人机工程学的研究热点、方法和目标进行了比较，并结合国内的科技发展状况和社会环境状况，预测了国内人机工程学的发展方向。
3．2 近两年来国际人机工程学研究论文检索结果统计分析
为了系统地了解国际人机工程学最新的研究状况，笔者利用当前国际上权威的三大检索工具(El、SCI、ISTP)之一的EI，对近两年来(2006年～2008年)国际上发表的有关人机工程学论文(El Compendex)进行了检索(检索时间2008年6月5日)，并对检索结果进行了系统分析。
上文曾经提到，“人机工程学”在国内有很多翻译名称，如人类工效学、人体工程学、人因学等，这些名称的内涵是相同的，都可归结为一个英文词汇“Ergonomics”。因此，笔者使用“Ergonomics”作为关键词进行检索。查到两年来EI Compendex的论文共计1906篇。
根据上述统计结果，可以看到：①当前人机工程学的研究仍主要集中在欧美发达国家，特别是英美两国(占到总论文数的32.68％)，其他一些国家和地区如中国、韩国、台湾地区、印度等，近年来也有较大发展；②从控制词(Controlled Vocabulary)状况分析，人机工程学仍呈现出多学科交叉的态势，理论研究与应用研究并重，特别是应用研究正日益成为研究的重点；③从分类码(Classification Code)来看，随着近年来计算机技术的广泛应用，人机工程学呈现出与计算机技术紧密结合的态势(与计算机应用、计算机外部设备、人工智能有关的论文分别占到35.1％、26.9％、19.6％)。另外，新的生物力学、有关个体的人机工学研究比重也较多。
3．3 国外人机工程学研究热点及趋势
3．3．1 人机工程学的应用与理论研究
通过查阅近年来发表在国际权威的人机工程学杂志诸如《International Journal of IndustrialErgonomics》、《Applied Ergonomics》、《Ergonomics》、《Human Factors and Ergonomicsin Manufacturing》等的文献，大多数研究者的工作还是着眼于人机工程学的实际应用。
在理论上，随着时代的变迁，社会经济条件发生了明显变化，工业设计本身也经历了深刻变革，各种设计思想和流派让人目不暇接。产品本身的功能(Function)似乎变得不那么重要，正在让位于形式(Form)，用户越来越注重产品的“情感体验”，在这种情况下，出现了“感性意象”理论。感性意象是人对物所持有的感觉，是对物心理上的期待和感受，是一种高度凝聚的深层次的人的情感活动。用户如何感知某个产品反映了其自身的需求渴望和心理评判标准，涉及人机工程学、心理学、符号学、美学、社会学、工业设计、计算机技术等学科。感性意象的研究主要在日本、韩国、中国(包括台湾地区)、美国、欧洲等，尤其以日本的感性工学(Kanseiengineering)为代表。不同的国家和地区，说法和研究手段各有差异，目前有感性工学、意象尺度(Image scale)、基于用户知识和设计知识的设计研究(Semantic differential method)等几种形式。
针对在新的时代背景之下，对年轻一代人机工程学的教育问题以及教学、学习环境问题，A Wood提出了“人机工程教育学(Educationalergonomics)”的理论。这一理论认为人机工程教育位于学术研究、家庭生活以及社会经济生活三者的交集，具有十分重要的地位。而对人机工程学知识的缺乏和漠视，使得设计师与使用者遭遇到了许多问题，影响了产品的正常使用、人们的彼此交往和效能的提高，其主要的原因是缺少正确的人机工程教育。提出通过学校、家庭和社会对年轻人进行有效的人机工程教育，并分析了在两种人机工程学教育的发展趋势之下，面临的挑战和机遇。文献对这一问题也进行了探讨，提出了对于不具备丰富人机工程学知识的一般设计师和新手，在设计中应如何使用相关理论和知识。同时，对于这些方法的可靠性和有效性进行了评测，并发现不同的方法在不同的案例中的可靠性和有效性也是不同的，文章以车载广播和磁带播放机的设计为例，说明如何选择适合个案的人机工程学应用方法。
此外，人机工程学方法和原则如何有效应用于实际，是另一个新的课题，学界和企业界提出了“参与式人机工程学” (ParticipatoryErgonomics)的理论与方法。
所谓“参与式人机工程学”，是包括企业管理层、设计者、操作者等一系列相关人员在内，共同参与以发现人机工程学的问题，并寻求解决之道。参与的人员必须要学习和了解人机工程学原则与方法，并能够对作业空间、设备等进行分析。“参与式人机工程学”的产生是由于在传统情况下将人机工程学应用于实际往往并不容易，工人往往很难接受新的工作方法，而雇主又往往因为成本的问题拒绝引入人机工程学的改进方法。“参与式人机工程学”可以让所有参与者(特别是操作工人)主动担当角色，来判断和分析现场存在的危险要素并进行改善，从而激发员工的积极性，提高工作效率，改善健康状况，减少与工作相关的肌肉骨骼伤害，并改造落后的技术和组织管理，最终提高产品质量与工作业绩。
完备的“参与式人机工程学”应包括以下几个要素：①参与性。现场工作人员比其他人员更了解工作内容，员工应该参与改善活动并提出建议，这样一来，员工较易接受新的改进方案；②组织性。企业管理层的支持是非常之重要的。人机工程学的应用团队应当分为两个层次：一是由管理层组成的指导委员会；另一个是领班和具体操作员组成的现场工作组。现场工作人员必须能够发现与分析隐藏于现场的人机工程学问题并提出改进建议，而指导委员会必须就建议做出决策。在此过程中，所提出的建议会在两组之间反复修正，人机工程学的专业工程师协调并帮助两组人员商讨人机、组织管理、生产作业等方面的问题，选择比较好的方案；③人机工程学的方法和工具。参与的人员必须学习并掌握人机工程学的知识；④工作原理。工作原理有两种，一种为微观人机工程学(micro-ergonomics)，主要针对减轻工作负荷；另一种为宏观人机工程学(macro-ergonomics)，主要强调作业的重新设计与组织管理的改变。两者兼具方可起到持续改进的效用；⑤执行与落实能力。
《Applied Ergonomics》在2006年6月出了一期专刊，专门对参与式人机工程学进行了探讨。如文献比较详尽地探讨了参与式人机工程学在工业生产中的作用问题，分析了参与式人机工程学所要实现的目标、参与对象及实施过程，并以四个案例(两个成功案例和两个失败案例)说明人机工程学改进的个人决策和集体决策问题。文献讨论了为了满足不同需求的参与式人机工程学方法的有效性问题，提出针对不同地域和人群，其工作方式也应做出相应调整，特别对于发展中国家的中小型企业，提出了具有适时的、低成本的参与式人机工程学方法。
此外，虚拟人体模型和虚拟环境空间的研究也是当前国外人机工程学研究热点。
3．3．2 人机工程学研究发展趋势
从最新的研究来看，人机工程学的研究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，这一趋势将会延续下去。国际上还有许多学者致力于人机工程学的实际应用，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，随着人们更加注重情感需求，人机工程学的研究也会更加关注对于设计师和使用者的心理研究，使产品除了满足正常使用功能之外，还能提供更丰富的情感体验。
