人机工程学概念是最近几十年从只有少数专家知道而发展到广泛公众意识到的专业学科，它反映了合乎人们使用的产品最佳设计。
可这样表述人机工程学：人机工程学是人和他的工作关系的一种学说，其目的是人的工作和工作环境要与人相适应。人机工程学可分宏观人机工程学和微观人机工程学。宏观人机工程学包括调整工作组织的结构、调整企业运转和调整生产小组。微观人机工程学包含为组织生产调整工作岗位和工作方法。
在微观人机工程学范围存在产品设计和工作岗位设置之间的差别。
以下说明汽车制造中汽车的人机工程学。
1.对整车的人机工程学要求
在汽车工业中有很多根据人机工程学方法的使用领域和要求（图6.4-1）。
图6.4-1 人机工程学方法的使用领域和要求
汽车工业的重点首先是空间几何学和人—机接口（相互作用）。
空间几何学的目标是实现用户的主观和客观的期待。人—机相互作用的设计目标是驾驶人的最好的压力要求（没有过高的、也没有过低的压力要求）。
图6.4-2为人机工程学的工作原理和最佳的配合范围。
图6.4-2 人机工程学工作原理
为确定驾驶人和乘员的“真正”的空间心情，在汽车开发的组装件（Package）阶段是开发的重要一步。所有重要的部件“组合”在组装件中（参见4.2节），并这样地把这些部件画在一张图上，使它们能装入确定的空间尺寸中。汽车的一个“重要部件”当然是乘员。首先要确定有多少人，是什么样的人要“装入”新开发的汽车中。确切的是5座高档轿车必须要装载5名乘员和行李。运动型汽车则要确定在后座是否一定要有合乎标准的座椅，或者是2+2方案（后座设计只是为幼儿或儿童）。
对人机工程学有重要意义的是在“确定尺寸链阶段”要考虑汽车的寿命周期。汽车寿命包括开发时间约为15～25年。
在中欧，人体高度的平均增长至少到目前，每10年增长1.5cm。这意味着目前按人机工程学设计的乘员空间方案在未来15年可能要增大。
至20世纪80年代，车身内部空间设计采用二维样板（侧视图，没有宽度）。自20世纪50年代以来有一个SAE样板，它与H点测量装置一起目前还在使用，但进行了修正。SAE样板的很多基本法则得到验证。SAE样板在侧视图上是一个带运动的腿的躯体（图6.4-3），并可以添加头部轮廓与视椭圆。视椭圆在侧视图和顶视图上。
图6.4-3 用SAE样板设计汽车
自20世纪70年代以前出现骨架娃娃（DIN33408）。它是一个人体模型，在侧视图上有运动的手臂、腿、头部和躯体。
有不同人体尺寸的样板和男人、女人的样板。他们可以是1∶1比例或缩小的比例。很遗憾，这些样板有3个缺点：
1）这些样板只是一个侧视图（视椭圆除外）。
2）样板不能随人体增高而增长（如前所述）。
3）没有说明根据什么样的人调整人体姿势。
采用CAD技术可以克服二维样板的缺点。驾驶人位置
座椅、信息技术部件（显示装置）和行驶功能调节件是驾驶人与汽车的重要接口。作为驾驶人的支撑、保持和定位功能的座椅在汽车中有重要作用。座椅调整通常由驾驶人独立完成。但显示装置和调节件的空间位置常常是确定座椅位置的另一种方法。这种位置引起驾驶人的不舒服的强迫姿势和使人体肌肉紧张，应尽可能避免。
驾驶人的坐姿应在舒适的基本位置，并有足够的运动空间，以通过调整座椅达到最佳的身体姿势。
在组装件中由汽车工程确定的座椅调整范围表示座椅在纵向和高度上的调整的可能性。体形小的女人，即5%的女人，坐在调整范围的左上部（臀部或H点）；魁梧的男人，即95%的男人，坐在右下部。在座椅调整范围所选择的H点是座椅基准点（SRP），它用以对比测量（图6.4-4）。
图6.4-4 座椅调整范围（SRP为座椅基准点）
重要的是在座椅调整范围内的每一次调整，驾驶人看显示装置应有最好的视野，并能最好地接近操作件，但也可能被遮挡。因此，在各车型中还考虑了转向盘的倾斜和高、低的附加调整，以保证驾驶人的最佳视野位置。
座椅本身还有很多调整功能（图6.4-5）。
图6.4-5 座椅的调整尺寸和调整功能
图中缩写为
当然，改善舒适性的各种可能性还在不断扩展，如“气候座椅”、“按摩座椅”。使用者对汽车舒适性的要求各不相同。各种要求符合金字塔的规律。
设计座椅要考虑不可或缺的人机工程学观点，即
1）躯体固定。
2）操作的自由空间。
3）方便上、下汽车和易于调整。
2.人机工程学的基本原理
在早期的组装件定义阶段，在汽车开发过程中采用CAD技术，并用三维图形表示，不仅可加快组装件设计进程，而且可达到高度的预测能力。
在现代工业社会，时间成为竞争的重要因素。汽车开发过程日趋综合性导致在设计流程中必须更早、更快和同时实现多目标。
在设计和在人体模型中同时使用流行的CAD程序、计算和显示，并向开发者提供。目前有很多专门的和附加的研究项目，如碰撞仿真（如Madymo程序）或气候感觉。
此外，还开发了更多的通用的人体模型。这些模型可设计驾驶人的位置。所有这些计算模型可以在一定的应用场合精确地或稍粗略地模拟三维人体模型图像。
在汽车工业中采用了由德国汽车工业生产厂家开发的作为标准的人体模型RAMSIS。目前的RAMSIS人体模型可以研究汽车方案中驾驶人的手—臂系统和腿部的静态姿势和运动状态。此外，还可表述驾驶人的视野和操作件的可接近性。RAMSIS模型甚至可“从眼睛中看到”一些目标和识别由于转向盘引起的阻挡。
仿真计算得到的人体姿势与在行驶模拟器和在实际汽车上进行的专门行驶试验得到的真实人体姿势的一致性已被证实（图6.4-6、图6.4-7）。
图6.4-6 用RAMSIS设计仪表板总成
人体模型仿真的优点是通过舒适性的人体模型至少可确定人体舒适性的改进方向。为检验头部的静态自由度（如头部的轮廓）是一个可用的好的辅助方法，它符合人的实际反应。
使用RAMSIS模型的重要准则是正确选择空间约束。必须要有现有的经验数据。各汽车厂家的经验数据是不同的。
图6.4-7 从人体模型（RAMSIS）眼睛的视野中可识别的覆盖范围
在现代汽车开发流程中，在组装件中利用RAMSIS模型可以找到与设计有重大关系的人（驾驶人）的位置，并确定驾驶人的活动范围、视野和人的接触面。然后再将这些接触面传输到车身外形设计程序ALIAS。CAD设计师在考虑这些接触面后就可画出车内草图。这时设计师可结合人机工程学定位一些操作件，如加热（采暖）操作件和收音机操作件等（参见4.1节）。
完成样车外形设计模型后就可铣削泡沫塑料件，并安装在人机工程学模型中，以判断假人（试验人）在车内的情况并确定车身的梁。利用前面的这些设计程序一般可得到多种目标方案。设计师从中再选出成本低、开发时间短的样车结构方案。
传统的车身方案模型一般分为车身空间几何部分和显示装置座框、操作件座框部分。操作件座框主要是功能图案结构，它是作为用户界面组以将操作方案转换为硬件和与操作方案相连的显示逻辑和操作逻辑、外观、所用材料、操作声音等反映人机工程学的结果。使用车身空间几何学，以进行人体测量学试验和车内空间感觉试验。
车身模型的目标设置是为组装件和设计提出建议。在使用人体模型CAD前还要针对汽车几何形状、操作空间和视野范围进行人体测量学试验（图6.4-9）。目前，可以在汽车设计的较早阶段进行人体测量学的很多虚拟试验。
人体测量学的测量
利用上面所说的车身方案可进行系列试验。在这些试验中根据选用的各种人体模型（假人）评定车身的几何空间。为得到可靠的用户群的人体尺寸的分布，需要精确知道测试者的人体尺寸。为此，采用无接触的测量法。摄影机从各个角度拍摄人体模型或用激光扫描器检测人体模型表面。
图6.4-8 激光剖面法
在用摄影机从各个方向拍摄人体模型时可以人工或自动合成人体模型，拍摄一直持续到符合被测量的人体模型的图像。
在用激光扫描器测量时，激光线投射到人体模型上。安装在人体模型周围的多架摄影机拍摄定义角度下的激光线。
因为激光源和摄影机位置已知，就可计算X、Y方向的成型断面。通过从上向下的整体排列移动可得到Z方向的成型断面位置（图6.4-8）。
这样就可得到相应于三维点云的人体表面。三角测量程序可从点云中的各个点计算封闭的人体模型表面。
图6.4-9 车身模型，以查明可用空间
测量可在三维人体模型上进行。这时可直接测量或通过人体模型的配合检测圆周和圆周的间隔距离。
当前，判断车身空间印象（也就是判断汽车个性）越来越重要。从多高的高度起（如墙裙高度）可产生安全的（受保护的）好心情；从多高的高度起会妨碍向外观察的视野？
为能比较不同车身的几何空间方案，要制造不同的车身模型。这些车身模型允许乘员电动调整几何空间并直接与经历过的几何空间比较。这样的任务目标令乘员鼓舞，如老一代汽车与新一代汽车的几何空间调整或汽车自己对比：变换座椅布置或不同的汽车外部方案（图6.4-10和图6.4-11）。汽车外部与内部的组合变化具有很大的优点，因为调整车身的几何空间可以很容易地与外部的几何形状协调起来，或反之（图6.4-12）。采用可存储程序的调整装置可很方便，且精确地实现一些综合性的变形方案。
如果以拼接方式建立车身模型（平面用一系列的骨架表示，平面的表面部分地相互连在一起）则目前主要使用按计算机辅助设计数据铣削的泡沫塑料件（图6.4-13）。(www.xing528.com)
图6.4-11 可调座椅框架的短方案（长度不变、高度增加）
图6.4-12 查明头部的侧向自由度
图6.4-13 按计算机辅助设计数据铣削的泡沫塑料件，以及早评定空间感觉
用户满意和安全的汽车用户界面设计对设计者、人机工程学者和零部件设计师提出了全新的任务。软件工业在这方面只能给予有限的帮助。因为台式计算机的移动应用（即在汽车行驶时的应用）从本质上是不同的。
汽车上可供使用的操作功能在最近几年急剧增加。在20世纪60年代，除了单纯的行驶功能外有20～30个功能，即二次功能。当前配置好的高档轿车约超过500个操作功能。图6.4-17是汽车显示装置和操作元件的增长状况。
20世纪80年代末，显示装置数暂时逆转。这是由于使用多功能显示装置，如输出文本的显示屏。许多汽车状态信息的报警信号灯（如洗涤液面）成为多余。另一个逆转是20世纪90年代初，操作元件数第1次下降。这也是采用多功能操作产生的，即采用可自由放置和书写的键。
作为专门配置，首次使用新的显示屏幕，并形成多种功能。第一次提供导航系统，甚至带有地图显示。在地图显示屏上驾驶人可以规划他的行车线路和跟踪他的目的地（参见6.4.2小节）。
未来，通过信息联网和几乎是在任何地方和任何时间提取信息这个事实可以进一步提升“二次功能”，即不是直接属于汽车行驶的功能，而直接记录下来。
3.开发方法、人机工程学融入产品形成过程
在汽车开发过程中的人体模型
在新产品的定义和设计阶段通过计算机仿真可减少费时、费钱的试验。从人机工程学视角，需要注意这样的事实，人的不同特性和需求较早只包含在计算机辅助CAX的链条中的部分环节中，其结果不总是合乎人的所有目标的重点。这个不足不仅关系到产品的人机工程学质量，而且关系到设计汽车驾驶人的位置。
自20世纪60年代以来，世界范围开发了约150个不同目标设定的人机模型（设计/人机工程学评估座椅工作位置或手动的工作位置、气候模型、碰撞模型、动画片工具）。其中大部分是由工业企业开发的、完全专门的重点任务“汽车车内开发（In-house-Entwicklung）。”
在汽车（和摩托车）的实例中，应该示范地解释在汽车产品形成的前后过程中为模拟人的行为所用的一些工具。焦点定位在产品形成过程的观察。如果评定人机工程学融入产品的整个形成过程（图6.4-14），则显然，产品修改晚，成本就高。因为产品的细化程度和相应的成本随开发时间几乎呈指数增长。
图6.4-14 人机工程融入产品形成过程
最有效的使用模拟工具是从产品开发开始的（见10.2节）。顺序是在目标定义阶段（想象的产品）和在方案阶段。即目标分类阶段结束，必须确定产品方案参数。为此，在这两个阶段要处理接下来产生的一些可选择方案。这些可选择方案受项目进展状况的约束。另外，在预研发阶段所有参与产品开发过程的专业组要控制他们的要求。对模拟工具有两个主要要求：
1）快速：为增加更多的设想方案和变形产品，在总是短的时间和总是高的要求时必须完成人机工程学的各项试验。
2）透明：为向所有产品合作伙伴提供有效的决策帮助，试验结果必须能演示、图解和快速、准确地移植。
上面介绍的各种人体模型特别适用于汽车开发。这些模型的设定目标相互间当然或多或少有差别。人体模型模拟程序RAMSIS对车身几何空间设计有很大帮助。
1）RAMSIS：模拟乘员（驾驶人）的计算机辅助的人体测量学数学系统（RAMSIS—Rechnergestütztesanthropometrisch-mathematisches System zur Insassen-Simulation）是一个三维人体模型，以计算和分析驾驶人工作位置（图6.4-15）。
图6.4-15 在汽车中的人体模型位置
RAMSIS的特征是驾驶人的姿势模型。根据用摄像机或用标记系统测量被研究的驾驶人在不同场景（轿车、载货汽车、摩托车）取得的数据，并利用RAMSIS人体模拟程序就可提供驾驶人关节角度的分布函数的统计模型。这样，RAMSIS就可在定义的任务下，借助约束就可模拟驾驶人在行驶时的最大可能的姿势。
RAMSIS人体模拟程序除经典地检验驾驶人的视野模拟和操作空间外，还有不少的分析工具，如反光镜的视野、姿势的运动舒适性和安全带分析。在产品形成中RAMSIS人体模拟程序用在方案定义和方案开发阶段。
自从采用人体模拟程序以来，工业界、供货商、大学不断地继续开发一些新软件。一个重要的分项目是“RAMSIS-Dynamisch”（图6.4-16）。图中是模拟驾驶人上、下车时从手臂、腿部直至整个身体的运动过程。其他大多数的人体模型程序（如Transom/Jack或DELMIA/SAFEWORK）也有类似的模拟过程。
一个重要工作是将RAMSIS人体模拟程序通过座椅与汽车耦合。至今，利用平移矢量可实现这种耦合。平移矢量是将按SAE定义的H点与人体模型股部（臀部）关节建立联系，这样人体模型位于座椅调整范围。每个人的偏移矢量是不同的。对每个座椅必须重新确定性别、人体尺寸、肥胖程度和偏移之间的统计关系。利用多体系统在计算机中描述座椅的特性，目前可以尝试模拟实际的单人座椅的性能。
图6.4-16 为动态上、下汽车进一步开发RAMSIS
最后可能放弃当前还需要的和已经叙述过的车身试验（座椅框架）。
一个重要的用于设计和人机工程学试验的工厂中工位的模拟工具，除Transom/Jack模拟程序外还有eM-Human程序。
2）eM-Human（早先称为Rob CAD/man）：它是一个应用程序，可在试验室内模拟规划的工人装配系统eM-Power（Teconomatix）。它可虚拟地再现所有重要的、有关人机工程学和动态的工人操作情景。在细节中观察可接近性（操作空间和自由空间）、可辨认性、可达到性和节奏时间等。
还开发了其他一些模型，如气候模型、声学模型。
在聚焦人体模型以后，最近又开发了可扩大应用范围和可图形演示的新的人体模型模拟程序。
对未来人体模拟工具的重大挑战在于要能真实地和从总体上表示人的特性，直至人的认知能力。
4.人—机相互作用的新发展
在考虑汽车新操作方案前要先回答一个基本问题：为何在汽车仪表板总成中需要人—机相互作用的新方案？汽车操作件在超过100年的汽车史中不断增长。每个汽车驾驶人都习惯于这些操作。进一步观察表明，当人们从单纯的行驶功能的操作（一次功能）来看，传统的标准化操作件很快就达到它们的限度。二次功能的操作件数在过去几十年急剧增加。原因是购车者希望在汽车上有更多功能，同时还希望简化操作。
分析最近50年汽车仪表板总成上的操作元件（开关）数量和显示装置数量表明，自20世纪70年代中期以来，显示装置和操作件急剧增长（图6.4-17）。
图6.4-17 在汽车仪表板总成上显示装置和操作元件的增长状况（实例宝马）
至今，由于微电子的发展，汽车功能已进入一个新世纪。由于功能的快速增加，也开始了“按钮的战争（Krieg der Knöpfe）”。因为不会出现功能增长的终结，所以要开发人—机相互作用的新的形式。早先在汽车上只有少量的装置、收音机和采暖（加热），以后增加了收音机功能（CD、磁带、音响调节功能）；为存储显示汽车数据的车用计算机，如燃料消耗、行驶里程、跟踪路径的导航系统；直至带显示器的多功能仪器（装置）。
使用电视屏幕（显示屏）的最大的优点是它可以不放在观察事件的操作范围，而是直接处理驾驶人的视野范围。为使眼睛对距离的调节时间最短电视屏幕离驾驶人的眼睛应较高，尽可能广地观察行驶情景；同时电视屏幕离驾驶人较远的眼睛应近一些，这样驾驶人就可很少地离开行驶情景的观察。
可以将电视屏幕的操作件放在驾驶人最佳的手臂活动范围，且不要求转移视线去操作它。这意味着开关数或输入操作件数应尽量少（图6.4-18）。
电视屏幕是新操作方案的一个中央部件，在汽车行驶的适用性上必须不断优化操作，目标是最少的视力转移操作。
在操作方式中，世界上有两个开发的基本方向：触摸屏系统和机械输入件系统。
图6.4-18 典型的现代轿车仪表板总成设计
触摸屏系统首先由日本汽车生产厂家使用。它的优点是紧凑，整个系统组成一个单元，可降低没有操作过这类系统的使用者的操作门槛，因为手和眼睛相互紧密配合。缺点是无论在寻找功能，还是触发功能时没有触觉反馈。此外，电视屏幕应位于驾驶人手臂操作范围。但这使驾驶人眼睛与电视屏幕之间的距离较近，延长眼睛对距离的调节时间。
图6.4-19 图形菜单（此为：调节基频）与操作件转矩变化间的图表关系
机械输入系统有很好的触觉反馈。很多欧洲汽车生产厂家使用的旋钮可以指示标线在刻度盘上移动的位置。在宝马的智能操作系统中使用了有可变触觉反馈的输入件。输入件通过触觉记号、可感觉的“撞击”和其他一些效应，可在菜单中给出附加的定位，这样的操作不需要转移视线。图6.4-19是收音机音响调节采用可变触觉（手感）的实例。在调节基频时，使用者感觉在调节范围终端有一个撞击和在中间位置有一个可变的卡槽。
为操作电视屏幕，输入件采用不同的方案（如大众辉腾，奥迪A8）。作为操作的中心件，总是采用旋—压按钮。另外还补充一些选择菜单的键。利用部分固定设置、部分可变的预设键可降低没有使用经验的使用者操作门槛。当然，操作键越多，视线移动就多。
另一个方案是只使用几个操作件操作电视屏幕，而不再补充其他的键。还有一种操作件是在旋—压按钮上增加一个“滑动”自由度。这样就可在没有视线转移时选择菜单，因为选择菜单就像换档那样就可实现。此外，新的操作技术，如可变的力反馈（Force-Feed Back）和语音输入减少驾驶人视线转移和很少地离开行驶情景的观察而进一步改善汽车操纵性。同样，将长时间以来已熟悉的汽车收音机无线电台键进一步开发成优选键。这些优选键附加地占据收音机功能，如电话号码和导航目标，从而节省复杂的输入过程。
虽然多年来语音输入在部分场合已使用，但语音输入的主题仍在谈论。语音输入还在发展，从扩大已知的词汇；识别未知的、只是作为ASCⅡ符号的现有词汇，如在电话存储器中的姓名；在流利阅读课文中识别关键词（Wordspotting）；直至自然的对话。这不仅是进一步开发单纯的语音识别技术问题，更是要开发对话结构。可接受的语音输入系统很大部分取决于识别能力，也取决于对话状况。
在未来几年，语音识别（至少对通过语音操作的一些重要功能）要有冗余设计，即这些重要功能可通过其他的介质操作。其原因在于不排除会出现语音输入后不完全正常工作的情况。在这时，人们只思考外部的嘈杂声、车内的小孩、感冒使声音发生变化等。
驾驶人辅助系统是未来设计人—机相互作用的挑战（见8.5.5小节）。驾驶人辅助系统直接支持驾驶人的行驶任务，也即控制汽车的纵向和横向动力学性能，如汽车偏离车道时，辅助系统是如何支持驾驶人的；汽车纵向动力学系统的控制范围不够时，辅助系统指示驾驶人需要自己制动；在驾驶人处于“短暂睡眠”的危险状态时，警告驾驶人。这些可能的辅助系统从显示器显示、声音/振动提示到操作件的直接干预。这样，如汽车偏离车道时，则驾驶人辅助系统通过转向力矩向汽车发出信号，促使驾驶人修正车道。在这期间已有第一批配备车道保持的辅助系统投放到市场。
通过线控（by Wire）转向、加速、减速，也就是电控，出现很多新的人—机相互作用的方案。这方面最大的挑战中的一个挑战在于开发替代的、比在长期的汽车发展中采用的感觉更好的系统。
在这期间新的人—机作用的形式和驾驶人辅助系统的功能其总的功能数量似乎已达到临界状态。这些临界状态受两个因素制约：
1）驾驶人的心理状态。这是操作二次功能（非操纵汽车行驶的一次功能）所必需的，它随行驶状况的不同而有很大的差别。
2）用户总是接受新的功能。但对年长的驾驶人，接受新功能的准备不足，所以要经过一段时间的熟悉，以操纵以前没有或很少使用的这些新功能的汽车。
在这期间，从法规方向，在操纵汽车中了解到潜在的边界，并采取一些干预措施。从世界范围的“驾驶人心神烦乱”讨论（美国、日本、欧洲）中，得到第一手材料以及不少建议。这些建议不涉及人—机相互作用方式。各汽车生产厂家不断进行汽车的开发与试验。这些试验最终体现到人—机接口。这方面的实例是“交通拥堵试验（Okklusionstest）”。
参考文献
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