科學研究
人因工程實驗室

什么是人因與工效學?

        人因工程有三個專業研究領域:生理人因學、認知人因學和組織人因學。生理人因學:關注人在進行生理活動時人體解剖學、人體測量學、生理學和生物力學特征。認知人因學:關注認知過程,如感知、記憶、推理和響應等過程。他們影響著人與系統其他元素的交互。相關課題包括腦力負荷、決策過程、熟練操作、人機交互、人的可靠性、工作壓力和訓練等。這些方面都影響著人機系統的設計。組織人因學:關注社會技術系統的優化,包括組織的結構、政策和過程。人因與工效學研究所在此三大專業領域下,逐步形成較為完善的十五個專題研究室,見圖1。

圖1 人因與工效學研究所15個專題研究室


        這十五個專題研究室分布于人因與工效學研究所的八大主題實驗室中(見圖2)。

圖2 實驗室與專題研究室關系圖

        根據國際工效學聯合會(IEA)的定義,人因工程(工效學)是一個研究人與系統其他元素之間的交互作用的科學領域,是一個將理論、原則、數據、方法進行設計以提升人類福利并優化整體系統表現的專業。 
人因與工效學研究專家秉持著以用戶為中心的思想,致力于通過比較分析用戶的需求、能力和限制來評估和設計任務、工作、產品、環境和系統等。  

駕駛安全與駕駛仿真測試研究室 
Driving Safety and Driving Simulation Testing

中國2009年已經成為世界最大的汽車市場,然而近年來快速的汽車化卻也帶來了更多的道路事故,中國社會(包括駕駛員及其他道路使用者、政府管理部門、道路人性化設計等)還遠遠滯后于汽車化的步伐,而國內外均普遍認為駕駛員是道路事故的主要責任人,為此需要開展針對我國特定經濟、社會、文化背景下的駕駛員研究。

駕駛安全與駕駛仿真測試研究室設計了多款適用于不同研究目的的實驗系統和實驗場景,包括大屏幕全尺度模擬器(圖1左,中)、桌面型模擬器(圖1右)、險情反應及干預訓練情景(圖2)、導向標識評價場景(圖3)、注意力分散測評場景(圖4)等。研究成果已經發表于多篇國際期刊論文中,有關系統已被國內外多家單位采用。


美國密蘇里科技大學開發的全尺度駕駛模擬器(左)和本實驗室的全尺度模擬器(中)、桌面模擬器(右)


險情反應及干預訓練情景(例)

導向標識評價場景

注意力分散(使用手機)實驗測評場景

駕駛安全與駕駛仿真測試研究室的主要方向包括: 
道路交通事故數據分析與趨勢; 
駕駛人員認知、態度、行為和能力的研究、測試與干預; 
汽車安全裝置有效性評價; 
駕駛仿真測試技術及理論; 
道路安全管理。

在眾多的研究方法中,基于駕駛仿真的研究方法具有一系列突出優點,主要包括: 
實驗過程安全; 
實驗過程可控制; 
實驗情景可設計、可重復; 
實驗數據可自動記錄和分析; 
實驗手段近似實車道路駕駛等。

 

工業工程系-心理學系聯合行為仿真研究實驗平臺 
IE-Psych Joint Behavior Simulation Research Platform

人在特定情境下會表現出特定行為,基于虛擬情景仿真技術的方法可以營造較為逼真的實驗情景,便于以安全、可設計、可控制、可重復和可自動記錄的方式來開展行為研究,彌補社會學研究方法存在的一系列不足。

清華大學工業工程系具有多面從事虛擬現實技術及應用的基礎積累,而心理學系為我校新復建的新系,兩系在人的研究中具有交叉的學術領域和互補的學術優勢。為此在學校支持下,兩系聯合成立本實驗平臺,以便先期開展探索性的行為模擬研究。

 

自主開發的環繞仿真實驗平臺

 

 

實驗研究中使用的兩層大型酒店平面圖

 

 

行為研究中使用的虛擬現實硬件

 

 

多種駕駛行為研究(超車、換道、侵犯、注意力分散、注視區變化等)

 

 

尋路行為研究中的實驗場景高空俯視圖及任務地點分布

 

目前在學校資助基金支持下,已經開展了生死攸關情境下逃生-救援研究,下一步將繼續在多個可能的優先領域開展實驗行為研究。我們也歡迎國內外兄弟院校的研究人員與我們合作,充分運用這一平臺開展高水平的行為研究。 

人體運動跟蹤與仿真研究室 
Human Motion Tracking and Simulation

許多復雜系統的研究需要將人與系統的交互考慮在內,為此需要建立“人在環路”的仿真系統,以便實現人與系統在仿真環境下的自然交互,進而分析人的績效和對系統進行優化等。人體運動跟蹤與仿真研究室建立了基于光學跟蹤和磁性跟蹤技術的人機交互仿真系統(圖1),并成功運用該系統: 
分析工人的操作動作和評價工作場所的設計(用于三菱重工,圖2); 
測評工人仿真組裝任務中的疲勞問題(用于歐洲航天防務集團,圖3); 
實現特種技能訓練和考評以及動畫制作(圖4)。

圖1(a) 由8臺CCD攝像頭組成的運動跟蹤系統示意圖

圖1(b) 光學跟蹤系統工作流程示意圖 
 

圖2 現實與虛擬場景中執行拆卸動作的人(實時對應,例)

圖3 站姿和坐姿條件下的鉚接組裝任務(例)

圖4 技能訓練及考評,也可以用于游戲制作

 研究室的主要研究方向包括:

作業動作的運動跟蹤:綜合考慮人-機-環境的交互作用,研究特定作業動作,構建相應的仿真環境,并在該虛擬環境下對特定的作業工作的動作進行跟蹤研究(NSFC,三菱重工,利寶等資助); 
仿真與工效學評價:從人體生理、認知局限等工效學角度,在仿真系統內測定個體在任務完成過程中的生理和心理反應,為任務或工作優化與設計提供科學數據(863計劃,EADS等資助)。

人體測量與生物力學研究室 
Anthropometry and Biomechanics 

人體測量與生物力學研究室主要關注現代數字化人體測量理論與技術、基于三維人體測量的產品適配設計、數字化仿真方法在工效學評價和優化中的應用、生物力學等熱點問題。

  
 

體測量與生物力學研究室的研究工作包括:

人體全身及各部位的三維數字化掃描和數據處理,人體形狀分析,基于人體測量數據的號型劃分和虛擬人體模型;

基于人體測量數據和模型進行產品適體設計,相關軟件工具的開發,產品適體性的模擬分析和驗證;

人體姿態的實時連續測量和職業安全風險評估,人體姿態的預測,職業生物力學模型和分析,基于生物力學的作業優化等。

體力負荷與疲勞研究室 
Physical Load and Fatigue

體力負荷與疲勞研究室針對作業人員的體力作業,通過問卷、實驗設計與實施、仿真建模分析,研究作業人員的勞動強度水平、作業休息制度的制定與改善、疲勞程度的測定與降低疲勞。研究室的目標是既提高作業效率,又保證作業者的健康、舒適和安全。

研究室關注的方向包括: 
通過不斷修正心理物理測量方法,來探究特定人群可承受的體力負荷,以及每種狀態下的疲勞水平,從而不斷更新理論,并提升其應用價值; 
通過實驗對個體在特定作業或任務下的生理指標進行測查,觀察個體的感覺反應,并結合個體的心理狀況自我報告,為每種作業或任務的流程和管理優化提供參考; 
考慮個體的生理和認知局限與勞動強度水平、疲勞程度和工作時間的匹配關系,對工作地的環境和布局進行評估并優化。


研究室的主要科研活動包括: 
中國建筑工人復合手工物料搬運作業時生理和感覺反應; 
手工物料搬運中人因素的定量化及基于神經網絡的評估; 
地面光滑度對手工物料搬運者的心理物理和生理影響研究; 
基于人因學的工作地設施布局優化研究; 
基于心理物理學方法的中國人群RWL方程驗證。

辦公工效學研究室 
Office Ergonomics

辦公工效學研究室致力于從人因與工效學角度,基于生理學、人體體能和極限性等基本原理,為白領和藍領設計適合其辦公或工作的環境,從而緩解或防止不好的辦公環境設計引發的腕管綜合癥、慢性背痛、頸椎病、視覺疲勞、聽力損傷等一系列難以挽回的傷害。

辦公工效學研究室關注的方向主要包括:

工作姿勢:與人體背部,上下肢,頭部和頸部結構有關。姿勢長期不合理易引發慢性背痛、頸椎病等;

工作臺:包括桌子和椅子以及工作臺凈空,其中桌子與個體身高有關,易引發疲勞、肩部不適等;椅子與人體各部分的生理尺寸有關。易引發背部和腰部疼痛、上肢損傷等;足部空間與個體尺寸有關。若空間不夠,則無法找到合適的姿勢,從而引發慢性背痛、頸椎病等;腕部空間與人能夠自由伸展的手指范圍有關。易造成手指超負荷,從而引發腱鞘炎、腕管綜合癥等;

工作面上的設備與布局:與上肢彎曲度有關。易引發肩周炎、慢性背痛、頸椎病等。其中文件夾的布局是否合理與人體上肢伸展幅度和人的視野范圍有關。存放位置不當,易引發頸部不適、視覺疲勞和頭痛;筆記本電腦:與人的視野范圍和肘部活動幅度有關。使用不當易引發頸部不適、視覺損傷、肘部超負荷;屏顯:與個體的認知局限有關。字體、顏色、用詞和布局不當,易引發記憶負荷或信息加工負荷、視覺不適等;輸入設備:使用過程中,與個體的手指、肘部、腕部、乃至視野范圍等都有關。易引發腱鞘炎、腕管綜合癥、視覺疲勞等;

環境:采光和顏色、噪聲、空氣、濕度、振動,輻射等不當,易引發視覺損傷、聽力損傷等,降低工作效率和舒適度等;

組織管理:工作設計、工作效率、加班、激勵、動機和輪班和管理策略改變等問題管理不善,易引發員工舒適度降低、不滿情緒增加,從而導致離職、人員流失、職業危險等。

 


 

管理與組織工效學研究室 
Management and Organization Ergonomics

管理與組織工效學研究室針對工作地現場、工作團隊、人員行為及作業等方面,應用管理學、人因學、系統分析和實驗分析的方法,將人-機-環境作為一個整體研究對象,解決人-機-環境的各種交互關系的管理與組織工效問題。研究室還面向企事業單位,以理論講授與案例討論分析相結合的方法,從事工作地現場管理、精益管理、企業管理等方面的培訓和咨詢服務。工作地現場管理通過應用編碼技術、行跡管理技術、目視控制、心理學法則等,對生產制造型以及辦公服務型工作地進行設計與改善,使得工作地安全、高效、健康和舒適。

 

研究室關注的方向包括: 
對特定組織內的人機環境進行調研分析,從而優化其人機環境; 
為特定組織或企業研究并開發流程改善優化與再造、精益管理模式; 
考察并制定不同單位或行業的管理與組織發展戰略和決策; 
探究特定組織內的用戶和潛在用戶的特征、偏好等,并進行用戶體驗調研。


研究室主要科研活動包括: 
客運專線調度所人機環境研究; 
視覺搜索與檢測作業的績效及其改進; 
電視插播廣告的長度提示對廣告效果的影響; 
中鐵集裝箱箱管模式研究; 
車間績效考核管理體系研究; 
鐵路客運站服務質量評價和提升。 
 

IT設計中的可用性與用戶體驗研究室 
Usability and User Experience of IT Design

交互設計作為一門學科和技術,中心問題就是要開發易于使用的交互式產品。它強調優化用戶與系統、環境或產品之間的交互,要求這些交互支持和擴充的用戶行為。交互設計的目標可以分為兩類:可用性目標和用戶體驗目標。

可用性目標是關于滿足特定的可用性標準的(如有效性),在ISO9241中對可用性作出了明確定義。

用戶體驗目標是指用戶在系統交互時的感覺如何,主要使用主觀性的術語來描述用戶體驗的本質,如:令人滿意、讓人有成就感、富有啟發性、讓人得到情感上的滿足、可激發創造性等。

可用性目標與用戶體驗目標之間存在著權衡折衷的問題,對兩者的不同追求會對產品有不同的影響,要根據具體的任務,用戶及使用的環境來確定。IT設計中的可用性與用戶體驗研究室致力于針對特定產品進行可用性評估和用戶體驗測試,并根據具體的任務、用戶和環境取得可用性和用戶體驗之間的權衡,為開發易于使用的交互式產品提供設計標準、原型等。


研究室的主要研究課題

可用性衡量標準

認知工效與人機交互研究室 
Cognitive Ergonomics And Human-Computer Interaction

認知工效與人機交互研究室的目標是成為信息技術產品與服務測試和評估的國際中心,以及設計和評估不同的新交互科技。研究室主要關注三大方面:設計標準和指南,用戶需求分析及用戶研究,以及計算機人機交互等。

設計標準和指南

致力于從人因與工效學的角度考量現有產品設計,為各類產品提供設計標準或指南。主要的研究包括: 
通用原理,如《人機工程設計標 準》,《人機工程術語標準研究》,《工作系統設計的人類工效學原則》(中國標準化研究院)等; 
針對移動終端設備的設計標準(中國標準化研究院) ; 
針對網站的用戶界面設計標準(日本NTT); 
針對軟件的可用性與設計指南(聯想); 
針對辦公環境的設計指南(國際勞工組織北京局)。

用戶需求分析和用戶研究

重點圍繞如何運用工效學手段把握用戶的特征,從而保證產品開發的成功率。主要的研究包括: 
面向老年人的設計,包括手機、網站、移動交流平臺等; 
年輕用戶對手機服務的需求研究; 
面向服務業的用戶滿意度調查分析等。

計算機人機交互

重點針對軟件的界面設計、移動應用以及智能設備進行實驗、教學與研究。主要的研究包括: 
針對特定產品的人機交互研究,如家電,移動終端設備等; 
人機交互的跨文化比較研究,如人與機器人交互跨文化研究; 
面向特定產品的最新人機交互模式與范例研究等。 
 

決策理論與方法研究室 
Human Decision Theory and Methodologies

決策理論與方法研究室旨在研究人的決策過程中的主要影響因素及不同的人在不同情景下的決策過程。隨著機器設備的性能越來越高,人本身逐漸成為人機系統中的薄弱環節。由于人在決策過程中的失誤而帶來安全事故屢見不鮮,因此越來越多的人因工程、認知科學等研究領域和應用領域的人員,研究在復雜情況下人的決策過程。另一方面,隨著全球化經濟的發展,不同國家文化之間的合作和溝通越來越頻繁,但由于來自不同文化的人在決策過程中的差異,使得在合作和溝通中產生沖突,導致最后的合作失敗的情況也經常發生。

針對以上背景現狀,研究室關注的主要研究方向包括:

復雜系統中人的決策研究 

隨著科學技術的發展,工業系統的數字化、復雜化的程度越來越高,經常出現信息量過載、操作任務過于復雜、系統界面設計不合理等問題,這些因素對人的決策過程有重大的影響,從而導致人的操作績效下降。傳統的人的決策研究不能完全解釋人在復雜系統環境中的決策過程。此外,情景意識(situation awareness)是人在決策過程中獲取信息的不可缺少的環節,它的形成分別會受到人本身的特點、周圍的環境因素以及任務本身的影響。 
研究室旨在探索復雜環境中的各影響因素對人的情景意識和決策過程的影響

跨文化環境中的個體決策和團隊決策研究 

來自不同文化背景的個體在價值觀、思維方式、溝通方式,團隊傾向以及個性等方面都可能存在差異。有效的跨文化的交流、合作和協同發展必須要考慮到文化差異對個體和團體決策的影響。 
研究室的主要課題包括: 
文化差異對個體態度、動機與決策過程的影響 
文化差異對團體互動、協作與決策過程的影響。 
數字化工業系統中人機交互行為、復雜度與失誤

  
復雜系統中人的決策研究

  
文化差異對決策過程影響的研究

人的失誤與系統安全研究室 
Human Error and System Safety

人的失誤與系統安全實驗室主要關注復雜系統(尤其是安全關鍵系統)的人因學問題、可靠性與安全。

  
 

人的失誤與系統安全研究室的研究主題包括:

人的績效測量、建模與仿真; 
面向情境意識的界面設計及其評估; 
新界面技術的適用性; 
人機交互過程的錯誤恢復策略; 
人的失誤的定性和定量模型; 
任務復雜度的度量; 
大型數字化界面的人因學驗證和可靠性評估; 
應急操作規程的設計; 
復雜系統操作員的班組培訓和行為培訓; 
非理性決策對系統安全的影響等。

通用設計研究室 
Design for All

信息通信技術給人們的工作和生活帶來巨大好處的同時也產生了新形式的社會隔離和區別,特殊人群難以平等地享受信息社會的好處。通用設計研究室致力于通過以用戶為中心的設計方法,研究包括殘疾人和老年人在內的各種用戶的需求,從而設計適合不同特定群體成員的可用產品,提高其用戶體驗和生活質量。

通用設計研究室所關注的方向主要包括:

基礎理論研究:研究特定群體的生理局限、認知狀況和心理特征,從而為正確探析用戶需求和限制提供佐證; 
針對不同群體的產品設計和界面設計:如面向老年人和某些有生理障礙或缺陷的人群的手機、網頁或智能家電設計; 
科技接受:研究特定群體對新技術的需求、接受程度或排斥狀況以及接受或排斥的原因,為新技術、新產品在界面設計、功能和內容等設置上如何充分考慮生理認知限制,真正贏得用戶喜歡等提供指導意見。 
產品可用性測試:通過定性定量的可用性測試方法,如啟發式評估和焦點小組討論法,設計相應的任務,考察特定群體對產品的可用性評估和體驗狀態,為產品的改進提供參考標準; 
原型或平臺開發:為緩解特定群體的心理狀況,提高其生活質量,增加其獨立性,研發相應的原型系統或平臺。例如,為防止老年人的社會疏離和社交排斥現象,增加老年人真實生活中成員相遇機會,研究室開發并檢驗了老年人移動社交平臺系統。

通用設計研究室與業界有廣泛合作,與老年人相關的研究項目主要有:

面向老年人的用戶界面設計準則和產品設計(日本NTT,利寶集團); 
滿足老年人獨立生活需求和提高老年人生活質量的所有領域的服務(包括已有服務和新服務)的即插即拔和低成本互連的開發性架構系統 (歐盟第七框架資助項目OASIS); 
開發防止老年人社交疏離的移動社交平臺和提高老年人生活質量的營養顧問系統。

跨文化設計研究室 
Cross-Culture Design

生活在不同文化規范下的人所具有的心理與行為特征深深地根植于當地的文化傳統之中。跨文化設計研究室致力于從文化對個體影響的三個層次,可觀察的外在物品(observable artifacts)、個體的價值觀(values)、個體的潛在假設(underlying assumptions), 來研究個體的知覺、思維過程、情感以及行為方式,分析不同文化背景下的用戶特征和用戶需求,從而設計迎合客戶需求的可用性產品。

Good computing systems for everyone – how on earth? Cultural aspects

文化與人機交互:不同文化背景下的個體在感知、開發和使用計算機等電子產品方面存在一些差異。研究室承擔了多項課題,其中包括國家自然科學基金項目:人與機器人交互的跨文化研究,并發表了許多篇專業論述。

文化與用戶界面:文化通過對個人的知覺、思維過程、情感、行為方式及偏好的影響,間接影響了用戶對用戶界面的體驗和可用性評價。跨文化設計研究室的主要工作包括: 
文化差異與用戶界面設計; 
符號設計的跨文化效應研究; 
汽車購買決策輔助網站的用戶體驗設計研究; 
數字維修文件的跨文化設計研究; 
在線社交性的跨文化研究等。

文化差異與管理:在工作中,不同文化下的個體有著不同的需要,有著滿足需要的獨特的方式,有著獨特的行為表現和生活態度。研究室致力于分析不同文化背景下個體的顯性文化沖突和價值觀沖突,為管理工作提供一些佐證和參考價值。例如,用于IBM的文化差異與項目管理研究。

普適計算與移動運算研究室 
Ubiquitous Computing and Mobile Computing

普適計算與移動運算研究室主要研究普適計算環境中人機交互模式和特點、任務績效以及用戶體驗。普適計算的概念是用戶能夠在任何時間、任何地點、以任何方式獲取信息并與信息系統交互。


研究室主要從事的研究包括:

基于情境的移動計算應用設計 

現代移動運算技術可以通過感應用戶所在的位置、時間、環境、當前任務等,來提供最有效的信息和服務。研究室針對“人-機-環境”模式下人機交互面臨的新挑戰,包括在多個設備/任務中跳轉、用戶的注意力分配、輸入/輸出的難易、環境壓力以及用戶對情境感知技術的接受度和個人隱私問題等。

應用普適計算支持老年人獨立生活 

對于老年人來說,生理和(或)心理的衰退、居住條件、交通設施的匱乏、社區信息和溝通服務的短缺以及低收入水平是影響他們獨立性的主要因素。研究室與歐盟第七框架OASIS項目團隊一起致力于建立一個基于本體和語義服務的開放性平臺,這些服務將覆蓋老年人對于獨立生活、自主行動以及智能工作空間的需求。


面向老年人的移動社交平臺設計

社會化計算研究室 
Social Computing

隨著網絡溝通工具的普及、用戶共享內容的涌現以及在線社交網絡的繁榮,社會化計算對人們日常生活中的溝通、協作、學習、維系關系、交換信息等活動產生了深遠影響,并可能進一步影響信息傳播、市場營銷以及企業管理。社會化計算研究室主要研究信息系統與社交行為以及社會生活之間的相互作用與影響。

社會化計算研究室的主要研究方向包括:

社交性:社交網絡軟件的新維度 

社交網絡軟件應能夠促進社交活動、提升社會連接性,亦即具備社交性。對于不同類型的社交網絡軟件(如IM、SNS、博客等),社交性意味著什么?受到哪些設計因素的影響?對用戶使用社交網絡的意愿和滿意度到底有何種影響?文化差異對社交性設計有何影響?研究室旨在回答以上問題。 
社會化計算與學習 

對于個體學習而言,社會化計算為個體提供了開放的知識分享和學習的平臺,對學習溝通的效果和學習社區中的社會臨場感產生影響;對于組織學習而言,社會化計算提供了一個輕量級、易于使用和操作靈活的工具,促進溝通和協作,提供了一個分布式的知識分享模式。研究室針對社會化計算與學習效果之間的關系進行研究,并在此基礎上討論在線知識分享與管理系統的質量評價模型。 
社會網絡分析、信息傳播與營銷研究 

社交網絡軟件的廣泛應用為分析用戶之間的社會關系提供了豐富的數據。社會網絡既為個體傳播信息提供了便利,又成為限制條件;社會網絡關系研究對于信息傳播和營銷策略有直接意義。研究室結合社會行為中的定性研究方法和數據挖掘的定量研究方法,對于社交網絡與信息傳播之間的互動進行研究。研究課題包括: 
社會性媒體(Social media,如微博客,SNS等)的社群分析 
針對基于社會網絡的移動廣告設計與傳播模式的研究(與華為科技有限公司合作) 
社會化計算中的個人 
人的行為與其所在的社會構型之間有著很強的聯系,此方面的研究課題包括: 
社交網絡系統中人際關系對用戶行為的影響; 
個體分享行為動機的形成; 
影響用戶滿意度和忠誠度的設計因素。

 


基于社交網絡的移動廣告研究框架(針對基于社會網絡的移動廣告設計與傳播模式的研究)


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