航天工效學

工效學(Ergonomics)是一門套用學科，是研究各種因素，包括人的生理、心理因素，環境因素和人一機匹配因素對工效影響規律的科學。工效學也稱人素工程(Human Factor Engineering)，即在與人有關的工程系統設計中，以人的身體、生理和心理特徵為依據進行科學設計，以使人和機之間達到最佳的匹配。其主要方面是如何創造工作環境條件以適合在其中工作的人。

航天工效學是工效學在載人航天工程的套用，是關於如何以航天員為中心，實現航天員與載人太空飛行器之間的適配，既充分發揮航天員的主導作用和能動作用，又能保證航天員的安全和工作的可靠性，以使整個載人航天系統具有最大的安全性、可靠性和工作效能。

基本介紹

• 中文名：航天工效學
• 外文名：space ergonomics

形成和發展

英國是世界上開展工效學研究最早的國家，但該學科的奠基性工作實際上是在美國完成的。儘管該學科的起源可以追溯到20世紀初期，但作為一門獨立的學科只有60多年歷史。

要論述航空航天工效學的形成和發展，就必須先要說明工效學的形成與發展，該學科大致經歷了以下三個階段。

經驗工效學

20世紀初，美國學者F·W·泰勒(Frederick W.Taylor)在傳統管理方法的基礎上，首創了新的管理方法和理論，並據此制訂了一整套以提高工作效率為目的的操作方法，考慮了人使用的機器、工具、材料及作業環境的標準化問題。例如，他曾經研究過鏟子的最佳形狀、重量，研究過如何減少由於動作不合理而引起的疲勞等。其後，隨著生產規模的擴大和科學技術的進步，科學管理的內容不斷充實豐富，其中動作時間研究、工作流程與工作方法分析、工具設計‘、裝備布置等，都涉及人和機器、人和環境的關係問題，而且都與如何提高人的工作效率有關．其中有些原則至今對工效學研究仍有一定的意義。因此，人們認為他的科學管理方法和理論是後來工效學發展的奠基石。

從泰勒的科學管理方法和理論的形成到第二次世界大戰之前，稱為經驗工效學的發展階段。這一階段主要研究內容是：研究每一職業的要求；利用測試方法來選擇工人和安排工作；制訂培訓方案，使人力得到有效的發揮；研究最優良的工作條件，以及最好的管理組織形式。

在經驗工效學發展階段，研究者大多是心理學家，其中，突出的代表是美國哈佛大學心理學教授H·閩斯特伯格(H．Munsterberg)，其代表作是《心理學與工業效率》。他提出了心理學對人在工作中的適應與提高效率的重要性。他把心理學研究工作與泰勒的科學管理方法聯繫起來，對選擇、培訓人員與改善工作條件、減輕疲勞等問題曾做過大量的實際丁作。由於當時該學科的研究偏重於心理學方面，因而在這一階段大多稱該學科為“套用實驗心理學”。學科發展的主要特點是：在人一機關係上是以選擇和培訓操作者為主，使人適應於機器。

經驗工效學階段一直延續到第二次世界大戰之前。當時，人們所從事的勞動在複雜程度和負荷量上都有了很大的變化。此時改革工具、改善勞動條件和提高勞動效率成為最迫切的問題，從而使研究者對經驗工效學所面臨的問題進行科學的研究，並促使經驗工效學進入科學工效學階段。

科學工效學

工效學發展的第二階段是第二次世界大戰期間。在這個階段中，由於戰爭的需要，許多國家大力發展效能高、威力大的新式武器和裝備。但由於片面注重新式武器和裝備的功能研究，而忽視了其中“人的因素”，因而由操作失誤而導致失敗的教訓屢見不鮮。例如，由於戰鬥機中座艙及儀表位置設計不當，造成飛行員誤讀儀表和誤用操縱器而導致意外事故；或由於操作複雜、不靈活和不符合人的生理尺寸而造成戰鬥命中牢低等。失敗的教訓引起決策者和設計者的高度重視。通過分析研究，使人們逐步以以到，在人和武器的關係中．主要的限制因素不是武器而是人，並深深感到“人的因素”在設計中是不能忽視的一個重要條件；同時還認識到，要設計一個高效能的裝備，只有工程技術知識是不夠的，還必須有生理學、心理學、人體測量學、生物力學等學科的知識。因此，在第二次世界大戰期間，首先在軍事領域中開展了與設計相關學科的綜合研究與套用。例如，為了使所設計的武器能夠符合戰士的生理特點，武器設計工程師不得不請解剖學家、生理學家和心理學家為設計操縱合理的武器出謀獻策，最終收到了良好的效果。軍事領域中對“人的因素”的研究和套用，使科學工效學應運而生。

科學工效學階段一直延續到20世紀50年代末。在其發展的後一階段，由於戰爭的結束．該學科的綜合研究與套用逐漸從軍事領域向非軍事領域發展，並逐步利用軍事領域中的研究成果來解決：廣業與工程設計中的問題，如飛機、汽車、機械設備、建築設施及生活用品等。在這一發展階段中，由於該學科的研究課題已超出了心理學的研究範疇，促使許多生理學家、工程技術專家也涉足到該學科中來共同研究，從而使該學科的名稱有所變化，大多稱它為“工程心理學”，、該學科在這一階段的發展特點是：重視工業業與工程設計中“人的因素”，力求使機器適應於人。

現代工效學

到了20世紀60年代，歐美各國進入了大規模的經濟發展時期。在這一時期，由於科學技術的進步，使工效學獲得了更多的研究發展機會。例如，原子能的利用、電子機算機的普及．以及各種自動裝置的廣泛使用，使人一機關係更趨複雜。所有這一切，不僅給工效學提供了新的理論和新的實驗場所。同時也給該學科的研究提出了新的要求和新的課題，從而促使工效學進入了系統的研究階段。從20世紀60年代至今，可以稱它為現代工效學發展階段。

現代工效學發展有三個特點。

不同於傳統工效學研究中著眼於選擇和訓練特定的人，使之適應工作要求，現代工效學著眼於機械裝備的設計，使機器的操作不越出人類能力的界限之外；密切與實際套用相結合，通過嚴密計畫設定的廣泛實驗性研究，儘可能利用所掌握的基本原理。進行具體的機械裝備設計；力求使實驗心理學、生理學、功能解剖學等學科的專家與物理學、數學、工程學方面的研究人員共同努力、密切合作。

現代工效學研究的方向是把人一機一環境系統作為一個統一的整體來研究，以創造最適合於人操作的機械設備和作業環境，使人一機一環境系統相協調，從而獲得系統的最高綜合效能。

由於工效學的迅速發展及它在各個領域中的作用愈來愈顯著，從而引起各學科專家、學者的關注。1961年，正式成立了國際人類工效學學會(IEA)，該學術組織為推動各國工效學的發展起了重大的作用。IEA自成立至今，已分別在瑞典、前西德、英國、法國、荷蘭、美國、波蘭、日本、澳大利亞等國家召開了10多次國際性學術會議，交流和探討不同時期該學科的研究動向和發展趨勢，從而有力地推動該學科不斷向縱深發展。

現代工效學在我國起步雖晚，但發展迅速。目前．該學科的研究和套用已擴展到工農業、交通運輸、醫療衛生，以及教育系統等國民經濟的各個部門，由此也促進了該學科與工程技術和相關學科的交叉滲透，使該學科成為國內科學論壇上一門引人注目的邊緣學科．在此情況下，我國已於1989年正式成立了與IEA相應的國家一級學術組織——中國人類工效學學會(Chinese Ergonomics Society，CEs)。目前，該學術組織已成為IEA的會員。現代工效學在航空航天領域的套用以及與航空航天學科的結合就逐步形成了航空航天工效學。

研究內容

工效學研究應包括理論和套用兩個方面，但現代工效學研究的總趨勢還是重於套用。縱觀該學科在各國的發展過程。可以看出確定該學科研究內容有如下的一般艦律。總的來說，往往先從人體測量、環境因素、作業強度和疲勞等方面著手研究，隨著這些問題的解決，才轉到感官知覺、運動特點和作業姿勢等方面的研究，然後，再進一步轉到操縱、顯示設計、人機系統控制．以及工效學原理在各種工業與工程設計與套用等方面的研究，最後則進入工效學的前沿領域，如人機關係、人與環境關係、人的特性模型、人機系統的定量描述、人際關係，以及團體行為、組織行為等方面的研究。

雖然現代工效學的研究內容和套用範圍極其廣泛，但該學科的根本研究方向卻是通過揭示人、機、環境之間相互關係的規律，以達到確保人-機-環境系統總體性能的最最佳化。

該學科研究的主要內容可概括為以下幾個方面。

人體特性的研究

主要研究對象是在工程中與人體有關的問題。例如，人體形態特徵參數、人的感知特性、人的反應特性，以及人在勞動中的心理特徵等。研究的目的是，如何解決機械設備、工具、作業場所及各種用具和用品的設計與人的生理、心理特點相適應，從而可能為使用者創造安全、舒適、健康和高效的工作條件

人機系統的總體沒計

人機系統工作效能的高低首先取決於它的總體設計。也就是要在整體上使“機”與人體相適應。人機配合成功的基本原因是兩者都有自己的特點，在系統中可以互補彼此的不足，如機器功率大、速度快、不會疲勞等。而人具有智慧、多方面的才能和很強的適應能力。如果注意在分工中取長補短，則兩者的結合就會卓有成效。顯然，系統的摹本設汁是人與機器之間的分工，以及人與機器之間如何有效地交流信息等問題。

工作場所和信息傳遞裝置的設計

工作場所設計得合理與否，將對人的工作效率產生直接的影響。工作場所設計一般包括工作空間設計、座位設計、工作檯或操縱台設計，以及作業場所的總體布置等。這些設計都需要套用人體測量學和生物力學等知識和數據。研究作業場所設計的目的是保證物質環境適合於人體特點．使人以無害於健康的姿勢從事勞動，既能高效地完成工作，又感到舒適和不致過早產生疲勞。

人與機器及環境之問的信息交流分為兩個方面：顯示器向人傳遞信息．控制器則接受人發出的信息。顯示器研究包括視覺顯示器、聽覺顯示器，以及觸覺顯示器等各種類型顯示器的設計，同時還要研究顯示器的布置和組合等問題。控制器設計則要研究各種操縱裝置的形狀、大小、位置及作用力等在人體解剖學、生物力學和心理學方面的問題，在設計時，還須考慮人的定向動作和習慣動作等。

環境控制與安全保護設計

從廣義上說，工效學所研究的效率，不僅是指所從事的工作在短期內有效地完成，而且是指在長期內不存在對健康有害的影響，並使事故危險性縮小到最低限度。環境控制方面．應保證照明、微小氣候、噪聲和振動等常見的作業環境條件適合操作人員的要求。

保護操作者免遭“因作業而引起的病痛、疾患、傷害或傷亡”也．是設計者的基本任務。因而在設計階段，安全防護裝置就視為機械的一部分，應將防護裝置直接接人機器內。此外，還應考慮在使用前操作者的安全培訓，研究在使用中操作者的個體防護等。 根據有關專家對英、美等國家的工效學研究所做的考察資料，可把現代工效學研究的方向歸納如下：①工作負荷研究，包括體力活動、智力活動、工作緊張等因素引起的生理負荷和心理負荷：②丁作環境研究．包括高空、深水、地下、加速、高溫、低溫和輻射等異常工作環境條件下的生理效應．以及一般工作與生活環境中振動、噪聲、空氣、照明等因素的工效學研究；③工作場地、工作空間、工具裝備的工效學研究；④信息顯示的工效學問題，特別是計算機終端顯示研究；⑤計算機設計與使用的工效學研究；⑥人本管理的I：效學研究；⑦工作成效的測量與評定；⑧機器人設計的智慧型模擬。

研究方法

航空航天工效學的研究廣泛採用了人體科學和生物科學等相關學科的研究方法及手段，也汲取了系統工程、控制理論、統計學等其他學科的研究方法，而且該學科的研究也建立了一些獨特的新方法，以探討人、機、環境要素間複雜的關係問題．這些方法包括：①測量人體各部分靜態和動態數據；②調查、詢問或直接觀察人在作業時的行為和反應特徵：③對時間和動作的分析研究；④測量人在作業前後，以及作業過程中的心理狀態和各種生理指標的動態變化；⑤觀察和分析作業過程和工藝流程中存在的問題；⑥分析差錯和意外事故的原因；⑦進行模型試驗或用電子計算機進行模擬試驗；⑧運用數字和統訓。學的方法找出各變數之間的相互關係．以便從中得出正確的結論或發展成相關的理論。

日前常用的研究方法有以下幾種。

觀察法

為了研究系統中人和機的工作狀態，常採用各種各樣的觀察方法．如工人操作動作的分析、功能分析和工藝流程分析等。

實測法

這是一種藉助於儀器設備進行實際測量的方法。例如，對人體靜態與動態參數的測量．對人體靜態參數的測量或者對系統參數、作業環境參數的測餐等。

實驗法

它是當實測法受到限制時採用的一種研究方法。一般在實驗室進行，但也可以在作業現場進行。例如，為了獲得人對各種不同顯示儀表的認讀速度和差錯率的數據時，可在實驗室進行。如須了解色彩環境對人的心理、生理和工作效率的影響時，由於需要進行長時問和多人次的觀測．才能獲得比較真實的數據，通常在作業現場進行試驗。

模擬和模型試驗法

由於機器系統一般比較複雜，因而在進行人機系統研究時常採用模擬的方法。模擬方法包括各種技術和裝置的模擬，如操作訓I練模擬器、機械的模型及各種人體模型等．通過這類模擬方法可以對某些作業系統進行逼真的試驗，也可以得到從實驗室研究外推所需的更符合實際的數據。因為模擬器或模型的價格通常比它所模擬的真實系統要便宜得多，但又可以進行符合實際的研究．所以常能獲得較多的套用。

計算機數值仿真法

由於人機系統中的操作者是具有主觀意志的生命體，用傳統的物理模擬和模剖方法研究人機系統，往往不能完全反映系統中生命體的特徵，其結果與實際相比必有一定的誤差。另外，隨著現代人機系統越來越複雜，採用物理模擬和模型方法研究複雜的人機系統，不僅成本高、周期長，而且模擬和模型裝置一經定型，就很難修改變動。為此，一些更為理想而有效的方法逐漸被研究、創建並得以推廣，其中的計算機數值仿真法已成為工效學研究的一種現代方法。

數值仿真是在計算機上利用系統的數學模型進行仿真性實驗研究、研究者可對尚處於設計階段的未來系統進行仿真，並就系統中的人、機、環境三要素的功能特點及其相互間的協調性進行分析，從而預知所設計產品的性能，並改進設計。套用數值仿真研究，能大大縮短設計周期，並降低成本。

分析法

分析法是在上述各種方法中獲得了一定的資料和數據後採用的一種研究方法。目前，工效學研究常採用如下幾種分析法。

1．瞬間操作分析法

生產過程一般是連續的，人和機械之間的信息傳遞也是連續的。但要分析這種連續傳遞的信息很困難，因而只能用間歇性的分析測定法，即採用統計學的隨機取樣法，對操作者和機械之間在每一間隔時刻的信息進行測定後，再用統計推理的方法加以整理，從而獲得研究人一機一環境系統的有益資料。

2．知覺與運動信息分析法

由於外界給人的信息，首先由感知器官傳到神經中樞，經大腦處理後，產生反應信號再傳遞給肢體以對機械進行操作，被操作的機械又將狀態信息反饋給操作者，從而形成一種反饋系統。知覺與運動信息分析法就是對此反饋系統進行測定分析，然後用信息傳遞理論來闡明人-機間信息傳遞的數量關係。

3．動作負荷分析法

在規定操作所必需的最小間隔時間的條件下，採用電子計算機技術來分析操作者連續操作的情況．從而可推算操作者工作的負荷程度。另外．對操作者在單位時間內工作負荷進行分析，也可以獲得用單位時間的作業負荷率來表示操作者的全工作負荷。

4．頻率分析法

對人機系統中的機械系統使用頻率和操作者的操作動作頻率進行測定分析，其結果可以獲得作為調整操作人員負荷參數的依據。

5．危象分析法

對事故或近似事故的危象進行分析，特別有助於識別容易誘發錯誤的情況；同時，也能方便地查找出系統中存在的而又須用較複雜的研究方法才能發現的問題。

6．相關分析法

在分析方法中．常常要研究兩種變數，即自變數和因變數。用相關分析法能夠確定兩個以上的變數之間是否存在統計關係。利用變數之間的統計關係可以對變數進行描述和預測，或者從中找出合乎規律的東西。例如，對人的身高和體重進行相關分析，便可以用身高參數來描述人的體重。由於統計學的發展和計算機的套用，使相關分析法成為工效學研究一種常用的方法。

調查研究法

目前，工效學專家還採用各種調查研究方法來抽樣分析操作者或使用者的意見和建議。這種方法包括簡單的訪問、專門調查、非常精細的評分、心理和生理學分析判斷，以及間接意見與建議分析等。

發展前景

航天工效學發展經歷了從萌芽、誕生、成長、壯大到成熟，伴隨著我國載人航天事業的蓬勃發展已經成為一門獨立的交叉邊緣學科。針對載人運輸飛船已經形成了系統性工效學要求相關標準，建立了科學合理的研究方法，並與工程部門一起形成一整套行之有效的疊代工作機制，這些對學科未來發展奠定了堅實的基礎。

按照我國載人航天發展“三步走”的戰略，第一步突破天地往返技術；第二步突破多人多天飛行和交會對接技術，發射短期有人照料的空間實驗室；第三步建造空間站，解決較大規模、長期有人照料的空間套用問題。同時，面向後續航天發展，還將實現載人登月、深空探測等目標。面向我國載人航天任務的需要，藉助載人航天發展的大好契機，遵循任務帶學科、學科促任務的發展思路，推動航天工效學向更深更廣的方向發展。

交會對接任務工效學研究

交會對接是空間實驗室、空間站以及後續深空探測等任務中必須解決的關鍵技術，列入了我國載人航天二步一階段發展目標。人控交會對接是自動交會對接的重要備份，航天員作為整個飛船交會對接控制迴路中的一個組成部分涉及大量的工效學問題。航天工效學將深入研究人控交會對接過程中航天員的空間感知能力、決策能力、操作控制能力，確保飛船控制特性、信息的顯示與航天員手控能力相匹配，保證人控交會對接任務的成功。

空間站任務工效學研究

空間站任務中，航天員將面臨大量的艙外組裝、維修、在軌實驗研究等工作。如何使太空飛行器的人-機界面設計與航天員長期飛行時的能力相匹配將是後續航天工效學研究重點，包括航天員在軌遙操作工效，研究航天員在遙操作過程中的空間知覺特徵、控制能力和操作反饋特徵等；艙外作業工效，研究航天員著艙外航天服後身體活動能力、手操作能力、感知能力等以及空間站適居性工效學研究。同時，面向工程研製實際和航天飛行任務的實際需求，建立包括空間實驗室、空間站等多層次的人一機工效學設計要求、評價指標和評價方法。

長期飛行時生物節律、心理、疲勞、微重力等應激因素會對航天員在軌駐留期間的工作能力產生極大影響。為保證飛行任務完成，在空間試驗室和空間站階段均需要對航天員在軌作業負荷進行預測與評估，對在軌工作能力和負荷進行監測，提出工程上可行的工作負荷分析方法和工作績效的評價方法，用於航天員作業負荷評價和飛行任務設計。

載人登月

面向後續載人登月任務，航天工效學將重點研究在1/6重力作用下，航天員著登月服後的操作能力，包括身體活動能力、手操作能力、感知能力等。開展登月服工效學要求與評價方法研究，建立登月艙、月球基地的布局、適居性等相關工效學要求和評價方法，對登月作業任務規劃開展工效學設計與評價工作。

深空探測任務工效學研究

深空探測任務對航天員的能力提出更高要求，長期失重環境、生物節律變化、狹小孤閉的空間、適居性、乘員互動等因素，對長期飛行環境下航天員的工作能力提出了極大挑戰。航天工效將對航天員在軌飛行中的不同層面的能力與特性開展深入的研究，包括空間知覺、心理調控、情緒與認知活動的相互作用、航天員基本認知和決策特徵，探索其相關規律，這些研究將對作業任務規劃、太空飛行器設計最佳化提供重要的支撐。

總之，我國載人航天后續的發展對航天工效學提出了更高的要求、更嚴峻的挑戰，同時也帶來了極大的發展機遇和空間，發展前景是光明的，前途是遠大的，任務是艱巨而繁重的。航天工效學應該抓住機遇、明確發展方向，緊密結合我國載人航天發展的需要，在更高和更深層次上完善提高學科的內涵、研究方法和技術手段，讓航天工效學更好地為我國載人航天事業服務。