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1、第三章 人机系统中人的 基本特征与热感觉,人机环境系统中，包含着人、机、环境三大要素，它们相互依存、相互制约、互相补偿。在这三大要素中人是工作的主体，是主要方向，起着主导作用。,因此，在设计任何人机环境系统时都需要对人的特性进行充分考虑，确保机的设计与环境的设计符合人的需要。 本章主要从人的物理特性、生理特性、心理特性以及人的数学模型与热感觉等方面进行研究。,3.1 人的几何与物理特征,人的物理特性主要包括几何特性、力学特性、热学特性、电学特性、声学特性以及其它物理特性。这些物理特性对实现人、机、环境三者优势的最优组合，使人在使用时处于安全、舒适和宜人的环境中十分必要。因此，它是人机环境系统工
2、程中必须要熟悉与掌握的人机学基本数据之一。,3.1.1 人的几何特征,人的几何特性（又称人体测量数据）分为人体静态几何特性与人体动态几何特性。 人体静态几何特性又称静态人体测量尺寸（例如人体的长度、宽、高、围等）； 人体动态几何特性又称动态人体测量尺寸（例如人体活动时的各种度量）。,人体的测量基准面和基准轴,人体测量头部基准点,人体测量躯干部与四肢部基准点,人体测量数据的应用,在人体测量中，被测者通常只是一个特定群体中较少量的个体，其测量数值为离散的随机变量。 使测量数据能够反映出该群体的形态特征及差异程度。对于静态人体测量数据，应遵循概率统计的理论原则。人体尺寸基本是呈正态高斯分布曲线。,人
3、体身高分布和适应域,例1.当已知某项人体测量尺寸的均值为 ，标准差为 ，设欲求的任一个 百分位的人体测量尺寸（不妨记为 ）时，则 值可由下式决定，即 （31） 式中为与有关的变换系数（查表得），借助于（31）式，在设计适用于90%华北男性使用的产品时，试计算应按怎么样的身高范围去设计该产品的尺寸？,解：查表得华北地区男性身高平均值M1693mm，标准差 56.6mm；欲使产品适用于90%的人，故以第5百分位和第95百分位为确定尺寸的界限值。查表得这时变换系数 （当 取5时， 1.645；当 取95时， 1.645），于是借助于（31）式便得到： 16931.64556.61600mm 1693
4、1.64556.61786mm 于是按身高16001786mm范围设计产品尺寸，将适用于90%华北地区的男性。,人体静态几何特性,国家标准GB100001988提供了七类共47项人体尺寸基础数据，同时还将年龄分成了三段：1825岁（男、女）；2635岁（男、女）以及3660岁（男）与3655岁（女），分别按这些年龄段给出了各项人体尺寸的数据。,立姿人体尺寸,坐姿人体尺寸,人体水平尺寸,人体头部尺寸,人体手部尺寸,人体足部尺寸,我国地域辽阔，按人体测量尺寸的相关资料将全国分为六个区域，即 东北、华北区域 包括：黑龙江、吉林、辽宁、 内蒙古、山东、北京、天津、河北。 西北区域 包括：甘肃、青海、山
5、西、陕西、西藏、宁夏、河南、新疆。 东南区域 包括：安徽、江苏、上海、浙江。 华中区域 包括：湖南、湖北、江西。 华南区域 包括：广东、广西、福建。 西南区域 包括：贵州、四川、云南。 另外，港、澳、台地区的标准另行公布。,人体动态几何特性,动态人体尺寸测量的特点是，在任何一种身体活动中，身体各部位的动作并不是独立无关的而是协调一致的，具有活动性与连贯性。例如手臂可及的极限并非唯一由手臂长度所决定，它还受到肩部运动、躯干的扭转、背部的弯曲以及操作本身所带来的影响。,车辆驾驶的静态图与动态图,上、下肢的转动、移动范围,人体各部位的活动范围,常用的人体动力学模型分为14个模块，如下图所示。在这个模
6、型中人体被分解成头、躯干、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足与右足共14个节段。,人体的14节段模型,坐姿人体模板的侧视图,人体外形模板,人体模板用于轿车驾驶室的设计,3.1.2 人的力学特征,生物力学是研究生物系统运动规律的科学。人体生物力学侧重研究人体各部分的力量、活动范围、速度，人体组织对于不同阻力所发挥出的力量等问题。人的骨骼和肌肉是人体的主要运动器官，人体的力学特性也主要由这两种器官决定的。人体骨骼共有206块，其中有177块直接参与人体运动。,人体骨骼分布图,肌肉的三元件力学模型,人体中的肌肉可分为三类，即骨骼肌、心肌和平滑肌。 肌肉收
7、缩的力学特性可用三元件简化力学模型加以描述，如上图所示。图中C.C表示收缩元件；S.C表示串联顺应元件，相当于串联的无阻尼弹性元件；P.C表示并联顺应元件，相当于并联的无阻尼弹性元件。三个元件构成的性质共同决定了肌肉的力学特性。,肌肉的功率速度曲线,上图给出了肌肉的收缩速度与肌肉产生的张力之间的关系。 由图上可以看出：在中等程度的后负荷作用下，产生的张力与它收缩时的初速度大致呈反比关系。,著名的Hili（希尔）方程便给出了肌肉收缩速度 与张力 之间的数学描述，即：,人体所能产生的最大功率可以用如下近似公式给出，即,3.1.3 人的其它物理学特征,人的热力学特性 人体各部分的温度不同。 体表的温
8、度称为体表温度或皮肤温度； 人体深部的温度，包括颅腔、胸腔和腹腔内部的温度，称为核心温度。,在环境温度为23时， 人体躯干的体表温度为32， 额部为3334，手部30，足部27 ； 人体核心温度不易测量，通常临床用较易测定的腋下、口腔或直肠温度代替核心温度，简称体温（通常，腋下温度的正常值为36.037.4，口腔温度为36.637.7，直肠温度为36.937.9）。,体温的相对稳定是依赖人体复杂的体温调节系统来保证的，下丘脑是体温生理调节的神经中枢，它能感受局部脑组织0.1温度的变化。,人体的体温调节机制可分为生理性调节与行为性调节两类，其调节系统是个复杂的负反馈控制系统，如下图所示，图中Tc
9、与Ts分别表示核心温度与皮肤湿度；图中T0为基准温度（其调定点为：核心温度为37.0，皮肤温度为33.3）。,人体温度调节负反馈控制系统,人体与环境之间的热交换主要有4种形式：辐射、传导、对流和蒸发。 辐射热交换主要取决于物体间的温度差、有效辐射面积以及物体表面的反射特性和吸收特性；其关系式为,人体与环境间的导热热流率,人体与环境间的对流热交换,蒸发热交换主要取决于人体表皮肤的 值与环境的 值，其关系式为：,人的电学特性,1.生物电阻抗在低频电流的作用下，人体组织显示了复杂的电阻抗特性。一些组织表现为通常的电阻特性，即电流、电阻、电压服从欧姆定律。在更多场合下，人体组织的电阻特性是非线性。生物
10、膜的电容有储能作用，也有极化电容的性质。生物膜的极化与去极化正是充电和放电过程。,人的电学特性,2.人体的容积导体特性人体的组织器官呈现容积导体特性，通常采用电桥法或者四电极法测量人体组织器官的电阻抗。这些电子仪器根据测量结果画出的图形称为电阻抗图，例如心阻抗图，肺阻抗图，脑组抗图等。借助于这些阻抗图对判断组织器官的正常与病变有重要价值。,人的电学特性,3.人体生物电生物电现象是人体乃至生物界的普遍现象，细胞膜电位的瞬时改变导致组织兴奋。单个细胞的电活动往往是非常微弱的，生物电位的变化是微伏级的水平，只有当组织内许多细胞的群体性和一致性的电活动时才可以构成明显的生物电信息。这些生物电信息可以反
11、映出相应组织器官的功能状态与特性。,人的磁学特性,人体组织本身是非磁性的、磁化率很小。,人的声学特性,人语言的频率范围较宽，其中对语言可懂度有贡献的频谱范围覆盖了2007000HZ。在人们日常对面交谈中，人口部辐射的声功率为10mW，在离人嘴部前1m远处，长时间谈话的有效声压级平均为65dB（其中男为67dB，女为63dB）左右。语言的峰值声压级比平均值约高12dB，最小值比平均值约低18dB。,人的光学特性,人体辐射出的电磁波谱分布范围较宽，但强度很弱，必须用专门的仪器才能感知其存在。,3.2 人的生理特征,人的生理特征、心理特征和人的能力限度是进行人机环境系统设计与优化的基础，因此在进行人
12、机环境系统研究中搞清楚人的生理与心理特征至关重要。,3.2.1 人的感觉与知觉特性,人的感觉特征： 1.感受性以及感觉阈限 2.感觉的适应 在同一刺激的持续作用下，人的感受性发生变化的过程称之为感觉的适应。 3.余觉 刺激取消之后，感觉可以存在一极短时间，这种现象称之为余觉。,人的知觉特性,知觉大体上可分为空间知觉、时间知觉和运动知觉三大类。,知觉的基本特征,知觉的整体性 知觉的理解性 知觉的恒定性 当知觉的条件在一定的范围变化时而知觉的印象却保持相对不变的特性，这就叫知觉的恒定性。 错觉,错觉,错觉是在特定条件下，人们对作用于感觉器官之外事物所产生的不正确的知觉。 错觉的种类很多，有空间错觉
13、、运动错觉、时间错觉等。 人的错觉有害也有益。,3.2.2 人的生理适应性,条件反射也是实现机能调节和适应性的重要方面之一。 疲劳现象也是人生理适应性的一种特殊表现形式。,人体的生理调节,神经调节 体液调节 自身固有的机制进行调节,条件反射,巴甫洛夫认为，条件刺激与非条件反射在大脑皮层建立的暂时联系是产生条件反射的机理。 正是由于条件反射是机体经过后天学习而建立的反射，所以机体就可以通过学习将环境中的种种有关刺激作为条件刺激和非条件刺激结合起来，从而使机体对环境的适应性大大提高。,疲劳及相应的生理与心理表现,过度的刺激与工作负荷可引起人体的疲劳。机体的疲劳有多种形式，反复或过度的机械性负荷可引
14、起肌肉的疲劳；反复或过度的感觉刺激可引起神经的疲劳；脑力和心理上的过分负担还可引起精神的疲劳。神经疲劳可表现为过度使用的神经疼痛，对感觉刺激的阈值提高。对于视觉疲劳可引起视锐度下降，闪光融合频率提高。,3.2.3 人的生理节律性,人的生理节律可分为：昼夜节律、周节律、月节律等。,3.3.1 人的心理过程,人的心理过程可以分为认识过程、情感过程和意志过程。,3.3.2 人的个性,个性是人所具有的个人意识倾向性和比较稳定的心理特点的总称。,3.4 人的数学模型,人体是一个开放的，复杂的巨系统，人的行为具有随机性、时变性和非线性特征。,3.4.1 人的控制模型,人的数学控制模型的发展可以划分为三个时
15、期（如下图所示），而且这三个时期的发展都与工程控制理论的发展密切相关。,人控制模型的发展以及与控制理论的关系,人的传递函数模型（Transfer Function Model，简称TFM模型）是第一个发展时期的主要模型。以D.T.McRuer提出的“非线性模型”与“穿越模型”以及S.M.Shinners提出的“时间序列模型”最具有代表性。,20世纪60年代，Kleiman D.L根据现代控制理论，提出了人的最佳控制模型（Optimal Control Model，简称OCM模型）的概念，这标志着人的控制模型的研究已经进入了第2个发展时期。,显然，上述两类模型都是用确定性的数学方法来描述人的不确
16、定行为，故有一定的局限性。,神经网络（Neural Network）和模糊控制（Fuzzy Control）方面的文章从1988年开始就在Neural Network杂志上刊载了。 美国教授查德（L.A.Zadeh）首次提出了模糊数学和模糊控制的概念。,人的传递函数模型,这类模型是20世纪50年代根据经典控制理论发展起来的。第二次世界大战期间，人的传递函数被认为是一种线性函数，即,1947年人们发现操纵反应与输入信号不成线性关系，于是塔斯廷将人的传递函数修改为,1957年麦克鲁尔和克伦达尔提出了通用线性连续模型，其传递函数为,人操作者的准线性传递函数模型,1965年McRuer在准线性模型的基础上又进一步改进，提出了“穿越模型”(Cross Over Model)。,人的穿越模型,人的最佳控制模型,人
