人机交互技术(Human-Computer Interaction Techniques)

什么是人机交互技术？

人机交互技术(Human-Computer Interaction Techniques)是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与

计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给

机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题等。人机交互技术是计算机

用户界面设计中的重要内容之一。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。

什么叫人机智能交互技术产品？

目前CPU的处理能力已不是制约计算机应用和发展的障碍，最关键的制约因素是人机交互技术( Human

Computer Interaction，HCI)。人机交互

是研究人、计算机以及它们之间相互影响的技术，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。作为

一门交叉性、边缘性、综合性的学科，人机交互是计算机行业竞争的焦点从硬件转移到软件之后，又一个新的、

重要的研究领域。

前，人机交互正朝着自然和谐的人机交互技术和用户界面的方向发展。本期技术专题将从多角度阐述人机交互

的最新发展及应用状况，包括多通道用户界面、笔式用户界面、智能用户界面和三维交互中的多种关键技术，

特别是对人机交互中的用户模型、用户界面模型、多通道交互信息整合、笔式交互技术、人机交互软件体系结

构等进行了深入的阐述。

人机交互技术是和计算机的发展相辅相成的，一方面计算机速度的提高使人机交互技术的实现变为可能，另一

方面人机交互对计算机的发展起着引领作用。正是人机交互技术造就了辉煌的个人计算机时代（20世纪八、九

十年代），鼠标、图形界面对PC的发展起到了巨大的促进作用。

人机交互是计算机系统的重要组成部分，是当前计算机行业竞争的焦点，它的好坏直接影响计算机的可用性和

效率，影响人们日常生活和工作的质量和效率。计算机处理速度和性能的迅猛提高并没有相应提高用户使用计

算机交互的能力，其中一个重要原因就是缺少一个与之相适应的高效、自然的人-计算机界面。人机交互是未来

IT的核心技术。随着中国逐渐成为世界的IT中心，中国也将成为人机交互技术的发展中心，而人机交互正的发

展为中国软件的腾飞提供了机会。发展平民可用技术、实现以人为本的计算是21世纪计算机发展的目标。

人机交互涉及许多热门的计算机科学和技术，如人工智能、自然语言处理、可用性工程、多媒体系统等，同时

也吸收了心理学、认知科学、语言学、人机工程学、社会学的研究成果。

人机交互界面范式的进化

伴随着计算机技术的飞速发展，人机接口技术也在不断改进: 从早期的穿孔纸带、面板开关和显示灯等交互装

置，发展到今天的视线追踪、语音识别、感觉反馈等具有多种感知能力的交互装置。用户界面的发展历经了批

处理、命令行、图形界面三个阶段，现在的研究和开发重点已经放在了Post-WIMP界面上。

● 批处理界面

在计算机发展的初期，人们通过批处理的方式使用计算机，这一阶段的用户界面是使用穿孔卡片作为输入设备，

行式打印机作为输出设备。这只是用户界面的雏形阶段。

● 命令行界面

在计算机发展的早期，人机之间的通信是通过机器语言完成的，人们使用穿孔纸带等方式完成与机器的交流。

而后出现了汇编语言和高级语言，这些语言中逐渐引入了不同层次的自然语言特性，人们可以较为容易地记忆

这些语言。

在20世纪60年代中期出现的交互终端和分时系统中，已经开始考虑如何提供给用户方便实用的界面，这些系

统提供了问答式对话、文本菜单或者命令语言进行交互，这个时期的人机界面称为命令行界面(Command Line

Interface，CLI)。

尽管熟练掌握命令语言后，人们能够灵活高效地操纵计算机，但是人们通常需要对语言进行大量记忆，在使用

中很容易产生错误。

● 图形用户界面

从20世纪60年代开始，由于超大规模集成电路的发展、高分辨率显示器和鼠标的出现，人机界面进入了图形

用户界面(Graphical User Interface，GUI)的时代。图形用户界面的主要特点是桌面隐喻、WIMP技术、直接操

纵和所见即所得。

桌面隐喻: 界面隐喻(Metaphor)是指用现实世界中已经存在的事物为蓝本，对界面组织和交互方式的比拟。将

人们对这些事物的知识（如与这些事物进行交互的技能）运用到人机界面中来，从而减少用户必需的认知努力。

界面隐喻是指导用户界面设计和实现的基本思想。桌面隐喻采用办公的桌面作为蓝本，把图标放置在屏幕上，

用户不用键入命令，只需要用鼠标选择图标就能调出一个菜单，用户可以选择想要的选项。

WIMP技术: WIMP界面可以看作是命令行界面后的第二代人机界面，是基于图形方式的。WIMP界面蕴含了语

言和文化无关性，并提高了视觉搜索效率，通过菜单、小装饰(Widget)等提供了更丰富的表现形式。

直接操纵: 直接操纵用户界面(Direct Manipulation User Interface)是Schneiderman在1983年提出来的，特点

是对象可视化、语法极小化和快速语义反馈。在直接操纵形式下，用户是动作的指挥者，处于控制地位，从而

在人机交互过程中获得完全掌握和控制权，同时系统对于用户操作的响应也是可预见的。

所见即所得(WYSIWYG): 也称为可视化操作，使人们可以在屏幕上直接正确地得到即将打印到纸张上的效果。

所见即所得向用户提供了无差异的屏幕显示和打印结果。

我国的人机交互研究

著名的人机交互国际会议ACM SIGCHI 2005年初的Workshop“Future User Interface Design Tools”提出: 下

一代用户界面的研究应该从范式、模型和软件框架三个层次展开。会议同时指出，Tangible用户界面(TUI)、

Camera-Based用户界面(CBUI)和Haptic用户界面(HUI)三类用户界面代表了自然、和谐人机交互技术和用户

界面的发展方向。

国内对这项技术的研究起步较晚，我国973、863、“十五”计划均将人机交互列为主要内容。中国科学院软件研

究所人机交互技术及智能信息处理实验室是最早开始多模态人机交互研究和开发的单位之一，分别承担了国家

自然科学基金资助的重点项目“自然、高效和面向主流的多通道（模态）用户界面研究”，国家重点基础研究发

展规划（973）“虚拟现实的基础理论、算法及其实现”中的子课题“自然、和谐的人机交互理论和方法”，国家863

高科技发展计划“基于笔和语音的多模式融合的人机交互技术与应用”、“基于多功能笔式交互的用户界面”、“基

于PC机的多通道人-机交互开发环境”、“虚拟现实中的三维交互技术”等。取得了重要的研究成果，并申请了相

关的国家专利。

中国科学院软件研究所和北京大学计算机系、杭州大学工业心理学国家专业实验室合作承担的国家自然科学基

金重点项目“多通道用户界面研究”，在我国首次对智能人机界面中多通道交互方式进行了系统性的研究，对多

通道用户界面的模型、描述方法及整合算法、多通道用户界面开发环境、多通道用户界面的评估等方面都进行

了一定的探索，取得了基础性的研究成果。清华大学计算机系、中科院自动化所、北京大学计算机系、中科院

计算所等单位在智能空间、笔输入用户界面、自然语言交互等方向也都做了大量工作。中科院心理所、浙江大

学心理系、北京师范大学心理系，也从认知心理学角度对用户界面进行了研究，取得了许多重要的研究成果。

汉王科技推出了具有自主知识产权的手写汉字识别系统。

新一代的人机交互技术(多点触摸技术)

随着苹果的inphone,微软的Surface,GestureTek公司的Illuminate Kiosk display 等等,都是摆脱了以前人们使

用键盘和鼠标来进行人机交互的一种新的操作方式,马上微软的W7就要出来了,以后我们的电脑不再需要键盘

鼠标了,只要触摸屏幕就可以操作了,现在国内很多电脑厂家已经推出了触控电脑,北京的迈思奇公司也推出了大

型多点触摸的展示和销售设备,你们大家觉得是不是在不远的未来我们就要淘汰原始的鼠标键盘的操作,以后到

哪都只要用手一摸一碰就OK了?你们会不会习惯这样的操作?

人与机的对话——浅谈人机交互的人机关系及其发展趋势

[日期：2009-02-12] 来源： 作者：肖楠 [字体：大 中 小]

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摘 要

人机交互作为一门独立学科，带来了与传统媒介大不一样的传播方式的革命，人们开始充分利用它的交

互性创造用户与计算机之间的"有意义”的联系。本文依据人机交互的发展现状，通过新旧媒体与人的关系对比

分析，体现出新媒体在互动方面的优势，预测人机交互的发展趋势，展望未来人机交互的发展前景。由于技术

的提高及设计的人性化，未来人机交互将综合多种技术，界面自然，操作简便并应用在生活中的各个领域----

人机互动，将无处不在！

关键词：人机关系

以人为本

多通道互动

智能互动

引言

随着科技的不断发展，计算机的出现引发关于“人机交互”的研究已经有半个世纪的历史。从最早的二

进制大型计算器到现在的虚拟现实，如今全世界的高科技领域精英们都在为人机交互的发展和前进不屑努力，

且已经使人机交互走向了更广阔的应用空间。本文通过简要的回顾，和计算机这种新媒介与传统媒介的对比，

分析人机关系，并基于目前科技的发展现状展望人机交互的发展前景。

一、人机交互概况

1、什么是人机交互？

当今，关于人机交互的研究已经成为世界上的一大潮流，关于人机交互的讨论也随处皆是，那么，到底

什么是人机交互呢？简单的说，就是人与计算机的互动，科学的说，人机交互CHI(Computer Human Interaction)

是一门跨学科的研究，国际上也称(HCI，Human Computer Interaction)，它的研究内容很广，包括心理学领域

的认知科学，心理学；软件工程领域的系统构架技术；信息处理领域的语音处理技术和图像处理技术；人工智

能领域的智能控制技术等。

总的来说，人机交互本质上是认知过程，人机交互理论是以认知科学为理论基础；人机交互系统是一个

闭环系统，人机交互研究是以系统科学作为人机交互研究的框架的方法学；同时，人机交互是以信息技术作为

用户界面的技术基础，通过信息系统的建模、形式化描述、整合算法、评估方法以及软件框架等信息技术最终

实现和应用人机交互理论。[引自北京大学计算机系人机交互与多媒体研究室简介]

2．人机交互的发展历史

人机交互是随着科技的不断发展而发展的，自从计算机出现以来人机交互技术经历了巨大的变化。总体

来看，它是一个从人适应计算机到计算机不断的适应人的发展史：

（1）人适应计算机

早期的手工作业阶段，计算机是现在看起来十分庞大笨拙的二进制计算机，使用者既设计者必须使用计算机代

码语言和手工操作的方法。作业控制语言及交互命令语言阶段，计算机的主要使用者（程序员）可以通过记忆

许多命令和敲击键盘，采用批处理作业语言或交互命令语言的方式来调试程序、了解计算机执行情况。

（2）计算机适应人

到了图形用户界面(GUI)阶段，由于可以直接操纵而无须掌握复杂的计算机语言，不懂计算机的普通用户

也可以熟练地使用，大大的拓宽了用户群，使信息产业得到空前的发展，计算机适应人的序幕正式拉开。科技

进一步发展，网络用户界面的出现增强了人机交互，基于超文本标记语言HTML及超文本传输协议HTTP 为主

要基础的网络浏览器是网络用户界面的代表，由它形成的WWW网已经成为当今Internet的支柱。同时新的技

术不断出现：搜索引擎、网络加速、多媒体动画、聊天工具等都使人机交互上升到一个更高的境界。多通道、

多媒体的智能人机交互阶段是真正人机交互的开始。当前计算机的两个重要的发展趋势是计算机系统的拟人化

和计算机的微型化、随身化、嵌入化。如虚拟现实、手持电脑、智能手机等。单纯视觉通道的交互方式已向多

通道交互方式转变，人机交互已经更为人性化，操作亦向自然、高效的方向发展。

二、人机关系

人机交互是在两者之间（无论是生命体还是机器）连续作用和反应的过程。交互性是人际领域和传播媒

介的基石，也无疑是我们文化的关键点之一。它使人类沟通浸染了媒介最显著的特色——时间和空间的无穷变

异性[1]。勿庸质疑，人机交互的核心就是交互性，它决定着人与机的关系。和传统的媒介相比，计算机和人产

生的交互更为深入广泛，那么我们就来分析一下新旧媒介和人的交互关系有何异同：

1、传统媒体与人的关系：

所谓传统媒体既报纸、杂志、电视、电话等信息传播媒介。就以报纸为例来看，如图一所示，信息的传

播者甲将信息A发布于媒体，当乙接触到媒体便成为信息A的接收者，接收者再对信息做出反馈B（如读者来

信选登等）通过媒体反馈给甲，此时便完成了一个交互的过程。整个过程中，传播与反馈的信息都是定量的而

非变量。那么，在这一过程中媒体的两边是信息的发出者和接受者，媒体就像一个桥梁连接二者，这种连接可

以是跨越时空的。既，发出者和接受者可以处于不同的空间，同时或不同时完成交互过程；亦可以处于相同的

空间在相同或不同的时间里完成此过程。但是传统媒体是有一定局限性的。它不是一种实时的交互，有时甚至

只有单方动作的发出而没有受众接收后的反馈渠道，严格意义上讲不成为互动，即使有也不是实时的，这是传

统媒体本身的局限性。从本质上来讲，这种交互其实是人与人之间的互动，媒体只充当被利用的承载工具，并

没有与人发生交互。

2、新媒体与人的关系：

新媒体主要指基于计算机技术的新形式媒介，它除了具有传统媒介所具有的跨越时空性，更大的特点是

具有智能性和交互双向性。新媒体的交互可分为两类：一是与传统媒体本质上没有区别的交互形式，如网站、

网络聊天、电子邮件等，只是换了一种媒体而已，本质还是人与人的交互，分析同上；另一种是人机双向交互，

如网络游戏、脱机游戏、电子宠物、虚拟现实等，媒体不再是单纯的承载工具，而变成为交互的主体：以网络

游戏为例，如图二所示，当设计者甲设计好一个软件既传达一种规则A给计算机和玩家乙，一旦玩家乙对计算

机产生动作X，一个人与机的对话就开始了（此时甲成为一种前提存在而不参与到互动中来）。由于计算机的智

能性可以对动作发出者的行为做出智能运算并做出反应，出现的结果是设计者和使用者都未知的。当乙动作于

计算机，计算机通过智能运算，形成了新的信息并针对乙发出的动作X做出反应Y，乙接受到的已经不再只是

A，而是由A和X共同作用下产生的智能化的结果——变量Y。乙收到Y后的反馈为X’，它是由A，X，Y共

同作用的结果；计算机对X’的反应为Y’，如此往复形成一系列有传承关系的交互。当媒体和乙再反馈给设计

者甲时，甲收到的是分别来自媒体和乙的反馈B、 C，当他将B、C总结应用到开发新一代软件时他变成了甲’，

投入使用后将出现媒体’和乙’形成新一轮的交互。值得注意的是，甲变为甲’是在第一重人机交互过程反馈

后的第二重人机关系，是具有时间性的。总的来看，这个交互的过程中甲和乙是分别和媒体交互的，媒体已经

跃升为交互的一方和人的关系是平等的，都是交互的主体。

综合来看，传统媒体的交互本质是人之间的交互，人与媒体的关系是不平等的利用与被利用关系，传递

的信息量是定量；新媒体的交互在传统媒体交互上又发展了一步，其本质是人与计算机之间的交互，人与媒体

的关系是平等的，它反映的不是交流双方的主客体关系，而是一种“等同关系”：机器不仅仅是工具，也是我们

社会的积极参与者[2]。

三、人机交互的发展、变化

1、以人为本

前面我们已经简要回顾过人机交互的发展历史，人机交互和计算机用户界面已经渡过了基于字符方式的

命令语言式界面的阶段，目前正处于图形用户界面时代，将来的发展趋向于以人为本的自然和谐的交互。人机

关系中计算机对人的互动（既图二中计算机对人的动作反应——变量Y）将被更加发扬光大，交互形式将利用

人的多纬度感知开发出多通道同时作用的人性化交互，以及交互中非精确语言既模糊语言的运用，实现真正意

义上的人机交互。

2、多通道互动

由于技术方面输入设备键盘、鼠标的限制，具有高效交互性的多通道媒体交互还不能普及，人机的交互

也多在此划开了分界（如图一和图二所示），但在很多领域，工程师和设计师们已经做出多方探索，使人们看到

了高效的自然人机交互的曙光。我们已经看到，基于人的感觉（如视觉可看可注视，手可控制、可触及等）开

发的效应通道的出现和应用。如视觉方面的视线跟踪系统，目前外国部分科学家已经利用这种技术研究受测者

的心理，相信在不久的将来这会不只应用于心理学研究，甚至可以取代鼠标在界面上简便、直接、快捷的选取

感兴趣的信息；听觉通道可以利用三维听觉定位器(3D Auditory Localizer)、分贝感应器、语音识别系统、声音

与画面相互转化；触觉方面的感光、感压技术为实现自然交互界面提供更多可能。意大利蓝色工房的艺术作品

中就有较多运用，如“是什么触动了我”，当人走在可以感应光影的屏幕上会触动屏幕里躺着的人翻身扭动（图

三、图四）。带有触摸屏的手机和电脑就是利用感压技术实现的。它的好处是使用户避免了生硬不自然的、频繁

耗时的通道切换从而提高自然性和效率。现在，还有一些利用人的其他生理现象实现的的交互形式，比如脉搏、

心脑电波、出汗、肾上腺素等。笔者见过的一个中国艺术家的互动作品既是采用医用测脑电波仪捕捉两名游戏

者的脑电波，第一关是谁的脑电波强度越大，屏幕里相应颜色的荷花就开的越多，直到开满屏幕进入下一关，

谁先钓到指定数量的鱼谁就胜出，游戏既结束。它运用的就是将脑电波用图象来表现的技术，从而形成了一个

有趣的游戏。而现在出现的智能健身器就是在脉搏感应记数等方面开发的互动产品。

前些年有科学家利用仪器捕捉到一种由人脑发出的微粒，研究成果表明人的大脑在思考时会发出一种极

其微小的微粒（远小于原子），可以在瞬间移动到数公里以外，而敏感的人会对这种微粒做出反应，如打喷嚏或

出现说曹操曹操到的现象（实际上是曹操将要来A地，思想微粒先于他到，敏感的人接收到这种讯息就谈到曹

操，在谈的过程中曹操正好赶到）。笔者认为当技术发展到一定程度，捕捉这种思想微粒就像捕捉手机信号一样

容易时，我相信结合以上几方面的技术利用三维显示界面的虚拟现实技术，人机交互的操作将是更随意、更简

便、更自然、更广阔的发展空间。

3．智能互动

自从深蓝的胜利打响了人机大战的第一炮，智能计算机的研究就更加紧锣密鼓的进行着，人机现场和奏

即兴乐曲业已实现，人机交互的发展已经又深入一步。人工智能的研究无疑加大了人机互动的步伐。人工智能

产物已经服务于各行各业，人们开始希望人工智能产物可以设计的更具有人的特点，期待我们的创造物——人

工智能产品可以主动与我们发生更人性化的智能交流。也有人担心人工智能一旦具有了人的特点如情绪、心智

等心理特征将会存在与人的可控制范围之外，甚至反过来控制人类。但无论怎样，技术的发展推动着人机关系

的发展，人机交互必将向更深层面的交互发展并存在于人类生活的各个角落已是一个必然的趋势，人机的互动

将无处不在！

结论

综上所述，正如图一与图二直观的对比出新媒体较传统媒体之间的差别，传统媒体只是简单的传递信息，

极具互动性的新媒体则是在人机对话过程中又有新信息产生，人的体验也会比接触传统媒体更加丰富、直观、

有趣味，机与人的关系更为密切化、平等化，它能达到的交互效果是传统媒体难望其项背的，亦是前人不敢想

象的。这就是为什么新媒体从出现以来就在短短的半个世纪里迅速使长久以来传统媒体在人们生活中的主体位

置受到威胁，且越来越被更多的人接受的原因了。无疑的，新媒体有更大的互动潜力可以挖掘，我们可以大胆

的想象将来人机交互的样子，也许想象中奇异的情景有一天真的会被高速发展的科学技术实现。其实由于人的

智慧是一种不恒定的变量，那么由变量创造出来的变量就更是不可预知的了，但可以肯定的一点是人机交互将

成为未来生活中必不可少的一部分，并逐渐扮演更重要的角色。

[参考书目]

[1]（美）Nathan ence Design（M）.Indiana:New Riders Publishing.2001.

[2]（美）巴伦·李维斯，克利夫·纳斯著 卢大川等译. 媒体等同（M）.上海：复旦大学出版社.2001.p213.

第1课 让技术人性化的科学——人机工程学

在一些好莱坞的科幻大片里，未来的世界充斥着生硬冷漠的巨型建筑、和横行无阻的巨无霸机器人，人类成了一群柔弱渺小的蝼

蚁，面对自己的造物一边作无力的挣扎，一边也对此前的技术狂热作绝望的反省。另一方面，我们也见到近来有些厂商，尤其在

计算机和家具产品领域，把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的特质来重点宣传。如何让技术的发展围绕人的需求来

展开，产品和环境的设计如何更好地适应和满足人类的生理和心理的特点，关于这些问题的答案，就涉及到本文所要介绍的人机

工程学。

1 什么是人机工程学

人机工程学是一门多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调，研究方法和评价手段

涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域，研究的目的则是通过各学科知识的应用，来指导工作器

具、工作方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。

人机工程学从不同的学科、不同的领域发源，又面向更广泛领域的研究和应用，是因为人机环境问题是人类生产和生活中普

遍性的问题。其发源学科和地域的不同，也引起了学科名称长期的多样并存，在英语中，主要有Ergonomics（欧洲）、Human

Engineering（美国）等，在汉语中，则还有“人类工效学”、“人类工程学”和“人体工学”。我国一般把“人类工效学”作为

这个学科的标准名称，不过笔者更喜欢“人机工程学”的叫法，比较起来，前者指明人类和工效的研究是学科的主要内容，但后

者更能抓住问题的核心在于人机关系，也更适合学科目的的丰富内涵。

2 人机工程学在二战时期的迅速发展

人机工程学的各个分支学科的研究，都在一定程度上具有人机工程学研究的性质。所有这些思想和方法经过长期和零散的酝

酿，在二战时期获得了突破性的进展，从此也奠定了人机工程学被视为成熟的现代学科的地位，在世界范围受到重视并被视为工

业的推动力之一。这种情形的发生，是因为战争中复杂武器的发展，使得人机协调问题的突然激化。例如空战和歼击机提出对飞

行员的体能和智能要求，使得人员的选拔和培训难度不断增大，促使在飞机的仪表显示、操纵工具和飞行员座椅等部件的设计中，

不得不加大对人的因素的考虑，进而带动了有关的技术和方法的迅速发展。

人机工程学作为一个工程学科，其研究常常是围绕具体的现实问题而展开，例如由于航空航天活动对人类生理适应性和工作

能力的挑战，促进了航空航天医学的发展，在北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系，也较早设立了人机环境专业的教学和

科研；由于工业生产中职业病的广泛危害，在北京医科大学公共卫生学院也开展了包括坐姿作业导致的肌肉骨骼劳损、粉尘污染

致癌等职业病学的研究，同时也就涉及到作业姿势，作业环境评价等方面的人机工程学的研究。

3 我们身边的人机工程学

人机工程学的基本研究对象是人的工作，有趣的是，其许多原理认识之后常常显得非常浅显，而认识之前又常常难以发现或

者易于忽视。

就日常的熟悉程度，最典型的例子莫过于青少年的学习姿势和近视眼问题。为了防止青少年写字时驼背和近视眼，人们曾设

计出各种姿势纠正器具，来限制弓腰，使学生写字时保持直坐姿势。这些器具也许会吸引家长掏腰包，但我要怀疑它们是否会得

到学生的欢迎。难题实际上在于，人的眼睛是向前长在脸上的，而不是向下长在下巴上的，而人的眼睛又倾向于对对象作正面的

观察。这样，看作业本就就要求面部向下倾斜，这时要挺直脊柱，必然导致颈部弯曲角度的加大；如果又要挺胸又要直颈，学生

就只好使劲向下撇眼睛。对此王小波在《白银时代》里有一段生动的描写：“只要不是工间操时间，我们都要挺胸垂着头写稿子，

那样子就像折断了颈骨悬在半空中的死尸。长此以往，我们都要像一些拐杖了。”所以相比之下，在作业中自然形成的适度的驼

背姿势，把这个角度的扭曲交由脊柱、颈部和眼睛来共同分担，倒可能是更适合人的生理特性的姿势。这个问题合理的解决办法

之一，是让桌面具有适当的斜度，及椅座具有所谓瀑布形的前缘，总之某种姿势的自然形成，是离不开相应的桌椅设计为诱导和

支持的。

类似的问题，也出现在操作计算机的上机姿势中。在现行的上机条件下，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。

手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，使得操作员不便背部后靠在椅子靠背上作业（后靠姿势会加大悬空的手臂的前伸程度，从

而增大肩部所需的平衡力矩，加快肩颈部的疲劳），而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由脊柱来承担，其结果

或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。如此等等，使得

计算机操作员的作业姿势，大都不是打字教科书中推荐的正确姿势。这里问题的关键和前面类似，即如果书本推荐的正确姿势没

有适当设计的桌椅的支持，就会是一种费力的姿势，而各种错误的姿势由于其省力而易于维持，便会成为人们事实上的作业姿势。

在一些计算机教育的报道中，我们见到儿童趴在与其身材不适的电脑台上，眼睛凑得很近地操作计算机，这样的“电脑从娃

娃抓起”，后果会不会是电脑职业病从娃娃得起呢？对于计算机作业姿势和作业环境，笔者已在因特网上建立了一个专门的站点

（）来加以分析和讨论。

再举一个人体测量学的例子，在一些大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。对于大多数中国人来说，

这个凸包常常是顶在后脑勺，使得当身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部的凹处，

使人的头颈更舒服的。问题的出现是由于这些座椅的设计和生产直接从国外引进，而生产者又没有有关的常识，尺寸上完全照搬。

由于中国人的身材较西方人小，结果西人垫颈的凸包就顶住了我们的后脑勺。

4 人机工程学在中国

在中国，人机工程学的研究在本世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在文革以后。1980年4月，

国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1984年，

国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学

研究的发展。此后在1989年又成立了中国人类工效学学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。

虽然人机工程学在中国已有所进展，但是和发达国家相比还非常落后。中国在人力资源方面是相对充裕和廉价的，象“王铁

人”这样的劳动楷模，就其奉献精神和坚强意志固然让人钦敬，而在人机工程学角度看来，却体现出技术的落后和对人力的滥用。

随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求也逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视，本文开篇谈

到一些厂商把“以人为本”的、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新的需求取向的意识。

笔者有一次在北京图书馆复印国际人类工效学专业杂志《Ergonomics》的几篇文章，旁边有位读者很好奇地问我ergonomics

是什么意思，当我告诉他这个词的中文译名是人机工程学或者人类工效学时，对方的反应显然仍是一头雾水。事实上，在我国不

光普通公众，即使理工科的大学毕业生，也大都不太知道这门学科的有关情况。另一方面，从中国专利局公布的专利授予可以看

出，人类发明创造的很大一部分，都是关于如何使各种器具变得更省力和方便，虽然人机工程学正是为这类改进提供系统的理论

和方法，但就象前面提到的少儿姿势纠正器一样，大多数发明人显然也缺乏有关的基本知识。这都反映出人机工程学在我国不仅

有待研究和提高，更亟需宣传和普及。杭州大学朱祖祥教授主编的《人类工效学》教程序言也指出：“人类工效学工作者除了要

努力从事研究工作外，还须向全社会广作宣传。”

5 二十一世纪的人机工程学

人机工程学致力于人与技术之间的协调，分开来讲，则有技术的人性化和人的技术化两个方面。

从信息技术的发展来看，下一个世纪技术人性化的最大体现将在于计算机虚拟现实技术的实用化。回顾人与计算机交互方式

的演变，从利用穿孔纸带输入计算程序，到面对终端机上的字符操作界面，再到个人计算机上的图形界面和多媒体，继而是网络

和虚拟现实，界面的日益“友好”或者说计算机技术的日益“人性化”，其实质也就是人机工程特性的不断的提高。彼尔?盖茨的

《未来之路》和尼葛洛庞帝的《数字化生存》都向公众介绍过虚拟现实的有关概念和前景，从人机工程学的角度来说，虚拟现实

技术把人类的空间感、行走等感觉和行为功能纳入到人机交互之中，使得人与信息的交流变得更加自然和没有阻碍。

在人的技术化方面，一方面人自觉和主动地进行学习、接受训练和选拔，从而获得更大的能力；另一方面也会被动地和不自

觉地接受技术的约束，和形成对技术的依赖，后者例如使用计算器后心算能力的减退，继而使用电脑记事后记忆力的减退。1997

年克隆羊的问世，引起了世界范围的震动，也继而引起了是否要研究克隆人的激烈争论。从生物科学的发展来看，克隆羊或者克

隆人的出现，或者在此时，或者在彼地，但都是技术不断进步的必然结果，而引起笔者更大震动的，是前不久读到的一段英国科

学家霍金的言论，记得其大意是：由于人类社会和技术环境的复杂性的不断提高，使人类作为一种生物所具有的有限能力和复杂

性日益难以适应，因而利用基因技术来改造和提高人类的素质将成为必然的选择。这个观点意味着人类这个认识和改造的主体，

将自觉地将其所发展的技术手段应用于对自身的根本性改造，这将对人类未来的演进带来复杂和深远的影响。当然，在这样的意

义上，笔者和大家一样都还是未被改进的旧人类，所以对这种新的前景也还无从臆测了。这里值得注意的是，和技术的人性化相

比，人的技术化涉及到社会、文化、宗教层面的争论，或者说涉及到的不同的价值取向的争论，而这样的争论，就越出到科技以

外的范畴去了。

第2课 人机工程学和工业设计

人机工程学和工业设计在基本思想与工作内容上有很多一致性：人机工程学的基本理论"产品设计要适合人的生理，心理因素"与

工业设计的基本观念"创造的产品应同时满足人们的物质与文化需求"，意义基本相同，侧重稍有不同；工业设计与人机工程学同

样都是研究人与物之间的关系，研究人与物交接界面上的问题，不同于工程设计(以研究与处理"物与物"之间的关系为主)。由于工

业设计在历史发展中溶入了更多的美的探求等文化因素，工作领域还包括视觉传达设计等方面，而人机工程学则在劳动与管理科

学中有广泛应用，这是二者的区别。

工业设计是一项综合性的规划活动，是一门技术与艺术相结合的学科,同时受环境/社会形态、文化观念以及经济等多方面的制

约和影响,即工业设计是功能与形式、技术与艺术的统一,工业设计的出发点是人,设计的目的是为人而不是产品,工业设计必须遵循

自然与客观的法则来进行.这三项明确地体现了现代工业设计强调"用"与"美"的高度统一，"物"与"人"的完美结合，把先进的技术科

学和广泛的社会需求作为设计风格的基础，概而言之，工业设计的主导思想以人为中心，着重研究"物"与"人"之间的协调关系。

人机工程学，在美国有人称之为人类工程学"HUMAN ENGINEERING"，人因工程学"HUMAN FACTORS (ENGINEERING)"，

在欧洲有人称之为"ERGONOMICS"，生物工艺学，工程心理学，应用实验心理学以及人体状态学等待。日本称之为"人间工学"，

我国目前除使唤用上述名称外，还有译成工效学、宜人学、人体工程学、人机学、运行工程学、机构设备利用学、人机控制学等。

人体工程不的命名已经充分体现了该学科是"人体科学"与"工程技术"的结合，实际上，这一学科就是人体科学，环境科学不断向

工程科学渗透和交叉的产物，它是以体科学中的人类学、生物学、心理学、卫生学、解剖学、生物力学、人体测量学等为"一肢"；

以环境科学中的环境保护学、环境医学 、环境卫生学、环境心理学、环境监测技术等学科为"另一肢"，而以技术科学中的工业设

计、工业经济、系统工程、交通工程、企业管理等学科为"躯干"，形象地构成了本学科的体系，从人机工程学的构成体系来看就

是一门综合性的边缘学科，其研究的领域是多方面，可以说与国民经济的各个部门都有密切的关系。由于社会分工不同，分为职

业性和非职业性两类。职业类指从事物质文明和精神文明创造活动中对工具、设备、环境进行设计、加工的专业活动，在这个范

畴中运用人机工程学以便创造符合人的生理及需求的、高效、优化和完美的"人－机－环境"系统；非职业范畴指自我服务性范畴，

如家务活动，休息及娱乐活动等，在这个范畴中，运用人体工程学以便创造出高效率，减少疲劳，有利于身心健康的高质量生活。

总而言之，人体工程学不仅有利于专业化分工的专门性创造活动，也有利于人类大的生活领域；不仅适合对生产工具、设备及环

境的创造，而且适合人们整个生活、娱乐、休息、工作、学习等各领域。显然研究和应用人体工程学原理和方法成为工为设计人

员所面临的新课题。

人机工程学研究内容及其对于设计学科的作用可以概括为以下几方面：

为工业设计中考虑"人的因素"提供人体尺度参数：应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体

结构特征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及

范围等人体结构特征参数提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数分析人

的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，分析人在劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负

荷的适应能力，探讨人在工作中影响心理状态的因素，及心理因素对工作效率的影响等。人体工程学的研究，为工业设计全面考

虑"人的因素"提供了人体结构尺度，人体生理尺度和人的心理尺度等数据，这些数据可有效地运用到工业设计中去。

为工业设计中"产品"的功能合理性提供科学依据：现代工业设计中，如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，

那将是创作活动的失败。因此，如何解决"产品"与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理和心理肌能相协调的"产品"，

这将是当今工业设计中，在功能问题上的新课题。人体工程学的原理和规律将设计师在设计前考虑的问题。

为工业设计中考虑"环境因素"提供设计准则：通过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声、光、热、振

动、尘埃和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程序，确定了人在生产和生活活动中所处的各种环境的

舒适范围和安全限度，从保证人体的健康、安全、合适和高效出发，为工业设计方法中考虑"环境因素"提供了设计方法和设计准

则。 以上几点充分体现了人机工程学为工业设计开拓了新设计思路，并提供了独特的设计方法和理论依据。 社会发展，技术进

步，产品更新，生活节奏紧张，这一切必然导致"产品"质量观的变化。人们将会更加重视"方便"、"舒适"、"可靠"、"价值"、"安全

"、和"效率"等方面的评价，人机工程学等边缘学科的发展和应用，也必须会将工业设计的水准提到人们所追求的那个崭新高度。

第3课 机械设计与人机工程学

人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器视为一个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样

的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解剖学、生

理学、心理学以及劳动卫生学等。认真研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机实现高度协调统一，形成高

效、经济、安全的有机系统。

1 人机匹配与人机系统总体设计

人机匹配是指人的特性与机器特性的适当配合。在人机系统中，人是系统的主体，机器是人创造出来的，机器当然应该适应

人的特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应；操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，指示仪表及信号应适合人

的视觉、听觉和触觉的常规要求等。

操纵机构是人将信息传给机器的工具。因为人输出信息的部位（口、手、足等）不同和操作要求不同，所以操作机构的种类

也很多。在设计时要考虑机器的动作方向、阻力、速度和安全等因素。如果操纵机构的运动方向与被控制对象的运动方向及仪表

显示方向保持一致，操作就会准确及时；也可简化培训过程，改善调节的速度和精度，并减少事故。操纵机构存在摩擦、弹性、

粘性和惯性等阻力是必要的，这可以产生“操纵直接感觉”，使操作连贯，减少振动和过载造成的干扰，保证操作控制的准确性。

控制动作分为行程调节和微量调节。行程调节可使控制器迅速接近所需位置。微量调节则使控制器准确地置于所需位置。设

计时应使操纵机构与仪表显示的位移有合适的比率。

在仪表指示设计中，视觉显示装置最多。人的正常视距为46cm～71cm，视角为39°～41°。仪表应设置在操作者正面视野内，

最佳视距为50cm～55cm;重要仪表不得超出40°视角的范围，常用仪表必须在30°视角内。仪表高度最好与眼睛相平，上下视线

在10°～45°范围内。指针刻度间距摆角不得小于10°，指针的宽度为1.0mm～2.5mm，并应贴近刻度盘表面，以减少误差。当

有多个仪表并列时，其正常位置变化所对应的指针方向应该相同，闪光信号不要太多，闪光频率以0.67Hz~1.67Hz为宜。

由于作为人机系统主体的人有易出错误的特性，除通过训练提高其可靠性外，在操作机构和指示仪表设计中还需采取安全措

施，以防偶然错失而造成严重后果。预防方法很多，常用的有顺序自锁、锁定、阻尼、槽卡、定向、定位等物理方法。

综上所述，以装运设备为例， 当总体设计时就应考虑以下几点：①1.60m~1.90m身高的驾驶员操作位置有最佳选择，既有合

适的操作空间，也有足够的自由空间；②转向机构、液压操纵杆、制动器和踏板等操作机构的排列布置，对于驾驶员应是最方便、

最舒适的区域；③应有与机器性能相适应的操作特性和制动力最佳值范围，为改善操作进程，可配备导向辅助装置；④操作者的

脚、头、手臂各部位有足够的运动空间，坐姿应符合人体解剖学和生理学特点；⑤减少机器的振动性及对操作者的噪声危害，要

降低和控制振动源和噪声源的强度，必要时可采取个人防振和防噪措施；⑥在操作者所期望的最佳视野，要使视线不被大体积货

载遮挡，必要时可偏置操作者及助手的座位。

应特别指出，良好的视野状况意味着操作工作的安全可靠性，也关系到操作者的舒适程度。

图1所示为H20型叉车根据人机工程学确定的最佳操作位置。

2 人机结合和人机功能分配

人与机器的结合形式，依复杂程度不同可分为“劳动者—工具”、“操作者—机器”、 “监控者—自动机图1H20型叉车的

操作位置器”和“监督者-智能机器”等几种。机器的自动化和智能化使其操纵复杂程度提高，对操作者提出了严格要求，操作者

的人体功能限制也对机器设计提出了特殊要求。人机结合的原则改变了传统的只考虑机械性能的设计思想，提出了同时考虑人与

机器两方面因素、以获取最佳技术经济效果的设计思想。

人体的功能动作具有对称性及协调性。操作动作的设计应使操作简便、连贯、协调和省力。在人机系统中，岗位设计要同人

机界面设计结合起来。岗位设计主要应考虑工作空间、工作姿势、座椅型式、工作台面、照明及工具安放位置等合理性；人机界

面设计主要应考虑控制装置集中方便、仪器显示明显、人机信息交换迅速及时等。通过人机结合的合理设计，可以有效地提高人

机系统效率。

通过对人体特性和机器特性的权衡分析，将人机系统的不同功能恰当地分配给人或机器，称为功能分配。功能分配是提高人

机系统效率的关键，例如设计时应考虑人的姿势不同，所能付出的力量也不同；拉力大于提力，提力大于握力，膝部屈曲160°

时蹬力最大（人腿输出力值分布见图2）。此外还应考虑人体无条件反应时间为0.1s~0.15s等。

纵观人类机械设计史可知，造成产品与人体能力之间不甚协调的基本原因有两个，一是在作产品设计时，对人机协调性不够

重视，没有认真对待，而是强调人体如何去适应产品。由于人的能力是有限的，对产品的适应性也是有限的，所以就不可能达到

期望的人机协调性。其二是人类对自身生理特点的认识在逐步深化，认识肤浅时则不能提出作为产品设计的约束条件。随着科学

技术的发展，使人们从正反两方面的经验教训中认识到人机系统协调关系的重要性，并使研究工作得以强化。

综上所述，以装运设备为例，当做人机功能分配时就应考虑以下几点：①要求付出的体力必须保持在人体生理上可以承受的

限度内，必要时可采用技术性的辅助手段；②身体的运动应符合自然的运动规律，付出的体力应与人体的活动状况相适应；③不

得因姿势不当而给人体肌肉、关节、韧带以及心血管系统造成不必要的负担；④显示仪表的选择设计和布置应与人的视觉、听觉

和触觉等察觉能力相适应。

此外还应注意操作手柄要设计得很灵活，以使操作灵活、简便。控制按钮的操作力应适当，当手或手指的静重力作用于按钮上时，

按钮不应动作，但也不能需施很大劲才能使按钮动作。只有认真考虑人的因素，才能提高操作的准确性和可靠性，才能充分发挥

人及机器的功能。

3 人机系统与环境因素

人机系统是在特定环境中进行工作的。环境对人机系统的工作效能有很大影响；人机系统对环境也有具体要求。特别是作为

系统主体的人，对工作环境的要求更为苛刻。为了保持系统的高效率、可靠性和持久性，单从不伤害人体的角度来创制环境是不

够的，还必须考虑操作者工作的舒适性。

人机系统的工作环境是多种多样的。加工机床一般安设在厂房中，它的空间及邻近条件基本是不变的；矿山采掘专用设备在

野外工作，经受粉尘污染和风雨袭击比较严重，装运设备用于倒运物料，它与道路状况和装卸条件关系密切等等。但不管是何种

工作环境，人们最关心的是温度、光照、振动及噪声等几个方面。

温度环境包括温度、湿度、风速等因素，表示方式主要是有效温度（ET）、操作温度（OT）、四小时汗率指数（）和湿

黑干球温度（WGBT）等。人体主观感受的舒适温度与人体主观条件(运动量、穿衣多少、耐热能力等)有关。客观标准的舒适温度

是生理学和医学上认为于人体最适宜的温度：工作时为19℃～21℃。休息时为25℃～29℃。标准温度为21±3℃。在“工作温度”

下，操作者可以安全、健康、有效地工作，故又称为“允许温度”。生产率与温度和湿度变化的关系见图3所示。当温度为20℃、

湿度为50%时，生产率为100%(A点)；当湿度不变，温度升高至25℃时， 生产率下降至80%(B点)；当温度升高至40℃、湿度为

80%时，生产率下降至65%(C点)。

工作环境的光线照度与人的感官疲劳和精神疲劳密切相关。人有舒适度感的基本照度要求是100Lx， 一般工作场合为200Lx，

精细加工车间为500Lx。照明光线应均匀，无眩光，光色合适。对于装运设备特别要注意，司机室应有遮阳装置，避免太阳的直

接眩光，并要避免镜面、台面强反射眩光。当几面开窗有多个阴阳时，应采用控光玻璃来减弱相反方向的入射光，手和身体在台

面上的阴影不要造成干扰，以免引起不舒适感觉，产生过早视觉疲劳、工作效率降低和活动能力减弱等状况。

人体是一个弹性系统， 有自己的振动特性(以4Hz～8Hz、10Hz～12Hz、20Hz～25Hz为第1、2、3共振峰)，人的各个器官也

有自己的共振频率。例如眼睛的共振频率为20Hz～25Hz，头为25Hz～30Hz，手为30Hz～40Hz，内脏为5Hz～8Hz，神经为245Hz～

250Hz。振动会使人不舒适，降低人的视觉和操作效率，增多失误，尤其发生共振时，可能造成人体疾患。研制产品时，要通过测

试检查，并在设备结构和元件上采用隔振、吸振和缓冲减震等装置，避免达到生理临界范围的机械振动和将冲击传至人体。

噪声是工业中多见的污染因素。工业噪声主要是由企业内的各种设备产生的。噪声会使听力下降，注意力不易集中，反应迟钝，

容易疲乏，不仅使工作速度受到影响，而且会降低工作质量。如果噪声级超过85dB，将会危害人的神经系统、心血管系统、消化

系统和内分泌系统，产生神经衰弱和高血压等病症。所以，设计产品时必须考虑降噪和防噪问题。工程中经常采取如下几项措施：

①采用能够吸收噪声的材料和结构，尽量吸收掉一些噪声能，降低噪声；②利用隔声板、隔声罩、隔声管道和消声器等坚实的材

料或装置隔离噪声传播的通路，控制噪声；③对于振动较严重的噪声源，可采用弹簧、橡胶和气垫等元件减少振动力的传递或者

在振动表面覆盖以阻尼材料，降低噪声辐射率。

在设备的减噪和防噪设计中采取何种措施为好，要在仔细检测的基础上，根据噪声源和传播途径有针对性地选择，而且必须

兼顾技术可行性和经济性，以获得理想效益。

第4课 人机工程学及其应用

我们看到有越来越多的厂商将“以人为本”、“人体工学的设计”作为产品的特点来进行广告宣传，特别是计算机和家具等与人

体直接接触的产品更为突出。实际上，让机器及工作和生活环境的设计适合人的生理心理特点，使得人能够在舒适和便捷的条件

下工作和生活，人机工程学就是为了解决这样的问题而产生的一门工程化的科学。这里向大家介绍人机工程学的起源、应用和发

展前景。

1．电话机的设计是人机工程学的发端

提起人机工程学首先要介绍一个人物――亨利?德雷夫斯（Henry Dreyfess，1903-1972），他是人机工程学的奠基者和创始

人。德雷夫斯起初是做舞台设计工作的，1929年他建立了自己的工业设计事务所。他1930年开始与贝尔公司合作，德雷夫斯坚

持设计工业产品应该考虑的是高度舒适的功能性，提出了“从内到外（from the inside out）”的设计原则，贝尔公司开始认为

这种方式会使电话看来过于机械化，但经过他的反复论证，公司同意按照他的方式设计电话机。这以后德雷夫斯的一生都与贝尔

电话公司有结缘，他是影响现代电话形式的最重要设计师。

大家知道自从贝尔先生发明电话机以来的相当长时间，贝尔公司是美国具有垄断地位的最大的电话公司和电话生产厂家，基

本不受竞争的威胁。因而，德雷夫斯可以比较少的考虑外型设计在市场上的竞争效果，而更多地集中在电话机的完美功能性设计

方面。

贝尔公司1927年首次引进横放电话筒，改变了以往纵放电话筒的设计，1937年德雷夫斯提出了从功能出发，听筒与话筒合

一的设计。德雷夫斯设计的300型电话机，今天看起来虽然老式，但这一设计首次把过去分为两部分、体积很大的电话机缩小为

一个整体。由于这个设计的成功，使贝尔公司与德雷夫斯签订了长期的设计咨询合约。

五十年代初期，制作电话机的材料由金属转为塑料，从而基本确定了现代电话机的造型基础。到五十年代末，德雷夫斯已经

设计出一百多种电话机。德雷夫斯的电话机因此进入了美国和世界的千家万户，成为现代家庭的基本设施。

德雷夫斯的人机工程学的其它研究成果是在1955年以来他为约翰?迪尔公司开发的一系列农用机械中，这些设计围绕建立舒

适的、以人机学计算为基础的驾驶工作条件这一中心，特点是外型简练，其中与人相关的部件设计合乎人体舒适的基本要求，这

是工业设计的一个非常重要的进步与发展。

德雷夫斯的设计信念是设计必须符合人体的基本要求，他认为适应于人的机器才是最有效率的机器。他经过多年研究，总结

出有关人体的数据以及人体的比例及功能，1955年出版了专著《为人的设计》，该书收集了大量的人体工程学资料，1961年他又

出版了著作《人体度量》（the Measure of Man），从而为工业设计领域奠定了人机工程学这门学科，德雷夫斯成为最早把人机

工程学系统运用在设计过程中的一个设计家。

2．人机工程学的研究方向

人机工程学现在已发展为一门多学科交叉的工业设计学科，研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调，

研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域，研究的目的则是通过各学科知识的

应用，来指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。

人机工程学从不同的学科、不同的领域发源，又面向更广泛领域的研究和应用，是因为人机环境问题是人类生产和生活中普

遍性的问题。其发源学科和地域的不同，也引起了学科名称长期的多样并存，在英语中，主要有Ergonomics（欧洲的提法）、Human

Engineering（美国的提法）等，在汉语中，则还有“人类工效学”、“人类工程学”和“人体工学”等表述。我国一般把“人类

工效学”作为这个学科的标准名称， 而“人机工程学”的叫法更为普遍。总之，人类和工效的研究和人机关系是这个学科的核心

内容。

人机工程学的各个分支学科的研究，在第二次世界大战期间获得了突破性的进展，因为战争中复杂武器的发展，使得人机协

调问题的突然激化。例如空战和歼击机提出对飞行员的体能和智能要求，使得人员的选拔和培训难度不断增大，促使在飞机的仪

表显示、操纵工具和飞行员座椅等部件的设计中，不得不加大对人的因素的考虑，进而带动了有关的技术和方法的迅速发展。

人机工程的应用领域是十分广泛的，几乎涉及人类工作和生活的各个方面。下面列出几大类主要应用方向：

（1）人体工作行为解剖学和人体测量；工作事故，健康与安全

包括人体测量和工作空间设计；姿势和生物力学负荷研究；与工作有关的骨骼、肌肉管理问题；健康人机工程；安全文化与

安全管理；安全文化评价与改进

（2）认知工效学和复杂任务；环境人机工程

认知技能和决策研究；环境状况和因素分析；工作环境人机工程

（3）计算机人机工程；显示与控制布局设计；人机界面设计与评价

软件人机工程；计算机产品和外设的设计与布局；办公环境人机工程研究；人机界面形式

（4）专家论证：多工作环境；人的可靠性

专家论证调查研究；法律人机工程；伤害原因；人的失误和可靠性研究；诉讼支持；

（5）工业设计应用

医疗设备；坐的设计与舒适性研究；家具分类与选择；工作负荷分析；

（6）管理与人机工程

人力资源管理；工作程序；人机规则和实践；手工操作负荷

（7）办公室人机工程与设计；医学人机工程

办公室和办公设备设计；心理生理学；行为标准；三维人体模型

（8）系统分析；产品设计与顾客；军队系统；

组织心理学；产品可靠性与安全性；服装人机工程；三维人体模型；军队人机工程；自动语音识别；

（9）人机工程战略；社会技术系统；暴力评估与动机；

（10）可用性评估与测试；可用性审核；可用性评估；可用性培训；试验与验证；仿真与试验；仿真研究；仿真与原型；

3．人机工程学的应用方向

人机工程学作为一个工程应用学科，基本研究对象是人的工作，常常是针对具体的现实问题。其中许多原理认识之后常常显

得非常浅显，而认识之前又常常难以发现或被忽视。

最常见的如青少年的学习姿势不当会导致近视眼。为了防止写字时驼背和近视眼，人们曾设计出各种姿势纠正器具，来限制

弓腰，使学生写字时保持直坐姿势。这些器具未必使学生满意。问题的关键是：人的眼睛是向前长在脸上的，适合于正面的观察，

而看书和写字要求面部向下倾斜，这时要挺直脊柱，必然导致颈部弯曲角度加大。如果又要挺胸又要直颈，就只好使劲向下撇眼

睛。实际上，在作业中自然形成的适度的驼背姿势，把这个角度的扭曲交由脊柱、颈部和眼睛来共同分担，倒可能是更适合人的

生理特性的姿势。这个问题合理的解决办法是让桌面具有适当的斜度，另外椅座应该设计为具有瀑布形的前缘，所以相应的桌椅

设计是最重要的。

类似的问题，也出现在操作计算机的上机姿势中。一般情形下操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬

空形成肩颈部的静态疲劳，使得操作员不便背部后靠在椅子靠背上工作，而当操作员脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部需要由

脊柱来承担，其结果或者是腰背的疲劳酸痛，或者是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕抵在桌沿而引发腕管综合

症。

又如大客车座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起来的凸包。从设计上来说，这道凸包本来是用来垫靠颈部的凹处，

使人的头颈更舒服的。而对于大多数中国人来说，这个凸包常常是顶在后脑勺，使得当身体后靠在椅背时，不得不稍稍低头。问

题的出现是由于这些座椅的设计是从国外引进，而生产者在尺寸上完全照搬。由于中国人的身材较西方人小，就成为现在这样的

结果。

随着信息化社会的到来，在计算机人机接口方面已经进入沟通和智能交互的时代，基于语音的应用和笔等自然的人机交互手

段开始进入实用阶段。像电脑触摸屏、光电笔输入设备，实现了书写手感自然舒适，与用笔在纸上移动的感觉相似。笔可以代替

鼠标，使用者用电脑笔击点触摸屏，就可以完成电脑操作；笔也可代替键盘，直接在显示屏上书写；此外汉字形变连笔的汉字识

别问题也解决了。还有IBM的语音识别技术，尤其是中文语音识别技术产品Via Voice实现了“你读计算机能够识别出来”。这

样使未受过专业训练的普通百姓也能利用计算机与大家共同交流了。

4．人机工程学在中国的发展

中国人机工程学研究是从本世纪三十年代开始的，但系统和深入的开展则在改革开放以后。1980年4月，国家标准局成立了

全国人类工效学标准化技术委员会。1984年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术

委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。1989年又成立了中国人类工效学学会，再在1995年9月创刊了学会

会刊《人类工效学》季刊。

如北京航空航天大学设立了人机环境专业的教学和科研；北京医科大学公共卫生学院也开展了包括坐姿作业导致的肌肉骨骼劳损、

粉尘污染致癌等职业病学的研究，同时也就涉及到作业姿势，作业环境评价等方面的人机工程学的研究。

人机工程学在中国的进展和发达国家相比有相当大的距离。随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求也逐

步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视。我们高兴地看到看到目前市场上的琳琅满目的产品，有许多也是充分考虑了人性

化的需求。需要指出的是，人机工程学在我国不仅有待研究和提高，更需宣传和普及。

5．展望二十一世纪的人机工程学

二十一世纪人类步入了信息时代，人机工程学的发展必然向着信息化、智能化、网络化的方向发展。人机工程学作为应用性

学科，与人的工作生活息息相关，设计生产出更加人性化、高效能的设备、工具和日常生活用品是努力的目标。以发展的眼光看，

人机工程学又分为技术人性化和人的技术化两个方面。

下一个世纪技术人性化的最大体现将在于计算机虚拟现实技术的实用化。从人与计算机交互方式的演变，从利用穿孔纸带输

入计算程序，到面对终端机上的字符操作界面，再到个人计算机上的图形界面和多媒体，继而是网络和虚拟现实，就是计算机技

术的日益“人性化”的过程，也就是人机工程特性的不断提高。盖茨的《未来之路》、尼葛洛庞帝的《数字化生存》和美国前副

总统戈尔的“数字地球”的讲演都谈到虚拟现实的有关概念和前景，从人机工程学的角度来说，虚拟现实技术把人类的空间感、

行走等感觉和行为功能纳入到人机交互之中，使得人与信息的交流变得更加自然和没有阻碍。

在二十一世纪，随着计算机技术和网络技术的发展，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，这不仅可以节省

大量的时间和资源，而且可以增强企业的竞争能力，使产品更具有使用性和人性化。

在人的技术化方面，一方面人自觉和主动地进行学习、接受训练和选拔，从而获得更大的能力；另一方面也会被动地和不自觉地

接受技术的约束，和形成对技术的依赖，后者例如使用计算器后心算能力的减退，继而使用电脑记事后记忆力的减退。

英国科学家霍金认为：由于人类社会和技术环境的复杂性的不断提高，使人类作为一种生物所具有的有限能力和复杂性日益

难以适应，因而利用基因技术来改造和提高人类的素质将成为必然的选择。此观点意味着人类这个认识和改造的主体，将自觉地

将其所发展的技术手段应用于对自身的根本性改造，这将对人类未来的演进带来复杂和深远的影响。值得注意的是，和技术的人

性化相比，人的技术化涉及到社会、文化、宗教层面的争论，而这样的争论就超出科技的范畴了。

“请问星期三从北京到上海的航班有哪些？”通过普通电话，用自然的语音交流方式，一位学生正试着从网上查找需要的信息。

不久前英特尔公司在京办的一个研究论坛上，展示了其微处理器体系结构及人机界面领域的最新研究成果。英特尔微处理器研究

试验室主任傅雷德?鲍莱克称："现在人们一提上网就想到电脑，其实人们需要的并不是计算机，而是一个可以帮助人们工作的助

手。人们希望能和电脑对话，用身体语言和它交流，甚至希望它能理解你的每一个暗示。计算机将从以机器为中心的界面转向更

为人性化的界面。"

随着人机工程学的应用和实践，我们相信这种情况就是不久的将来我们的生活中的场景。

第5课 人机工程技术研究的现状及发展趋势

一、 让技术人性化的科学——人机工程学

1 什么是人机工程学

人机工程学是研究“人—机—环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论

与方法的科学。

人机工程学研究在设计人机系统时如何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。对于这些研究，在美国有人称之为人类工程学“HUMAN

ENGINEERING”，人因（素）工程学“HUMAN FACTORS (ENGINEERING)”，在欧洲有人称之为“ERGONOMICS”，生物工艺学，工程

心理学，应用实验心理学以及人体状态学等等。日本称之为“人间工学”，我国目前除使用上述名称外，还有译成工效学、宜人

学、人体工程学、人机学、运行工程学、机构设备利用学、人机控制学等。人体工程不同的命名已经充分体现了该学科是“人体

科学”与“工程技术”的结合，实际上，这一学科就是人体科学，环境科学不断向工程科学渗透和交叉的产物，它是以人体科学

中的人类学、生物学、心理学、卫生学、解剖学、生物力学、人体测量学等为“一肢”；以环境科学中的环境保护学、环境医学 、

环境卫生学、环境心理学、环境监测技术等学科为“另一肢”，而以技术科学中的工业设计、工业经济、系统工程、交通工程、

企业管理等学科为“躯干”，形象地构成了本学科的体系，从人机工程学的构成体系来看就是一门综合性的边缘学科，其研究的

领域是多方面的，大致包括电话、电传、计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海、现代化医院、环境

保护、教育、互联网等，人机工程学甚至可用于大规模社会系统，因此可以说与国民经济的各个部门都有密切的关系。

2 人机工程学的国内外发展状况

人机工程技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4项：软件、人机交

互、网络、高性能计算机。其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等并列的六项国家关键技术之一，

并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也很重要”。美国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发

展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的人机界面这项内容。日本也提出了FPIEND21计划（Future Personalized

Information Environment Development），其目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。我国973、S-863、十五计划及未来的

十一五计划均将人机交互列为主要内容。

在中国，人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在“文革”以后。1980年

4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1984

年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工

程学研究的发展。此后在1989年又成立了中国人类工效学学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。20世纪

90年代初，北京航空航天大学首先成立了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、

北大医学部等大学也先后成立了相应的专业。当前，随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求正逐步提高，

对产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新的

需求取向的意识。

3人机工程的应用领域

（1）事故、健康与安全：包括事故与安全、事故调查、事故改造、健康与安全、健康人机工程、危险分析、健康与安全课题、

健康与安全规则的应用、工业工作压力、机器防护、安全文化与安全管理、安全文化评价与改进、警示与提醒技术、安全概率分

析；

（2）人体工作行为解剖学和人体测量：解剖学、人体测量、人体测量和工作空间设计、生物力学、残疾人设计、姿势和生物

力学负荷研究、工作中的滑倒、差错研究、背部疼痛、听觉障碍研究；

（3）认知工效学和复杂任务：认知技能和决策研究、法律人机工程、团队工作、过程研究；

（4）计算机软件人机工程 ：软件设计、软件发展、软件人机工程、执行和可用性；

（5）计算机终端：设计与布局：计算机产品和外设的设计与布局、计算机终端工作站、显示屏设备与规则、显示屏健康与安

全、办公环境人机工程研究；

（6）显示与控制布局设计：显示与控制信息的选择与设计；

（7）控制室设计：控制台和控制室的布局设计、控制室人机工程；

（8）环境人机工程：环境状况和因素分析、噪音测量、工作中的听力损失、热环境、可视性与照明、工作环境人机工程、振

动；

（9）专家论证：多工作环境 ：专家论证调查研究、法律人机工程、工作赔偿申诉、伤害诉讼、伤害原因、诉讼支持；

（10）人机界面设计与评价：人机界面的设计与发展、知识系统、人机界面形式、HCI/MMI原型、GUI原型；

（11）人的可靠性：人的失误和可靠性研究、人的失误分析、人因审查、人因整合、人的可靠性评价；

（12）工业设计应用“信息设计、市场/用户研究、医疗设备、座椅的设计与舒适性研究、座椅设计与分类、家具分类与选择；

（13）工业/商业工作空间设计：工业工作空间设计、工业人机工程、工作设计与组织、人体测量学与工作空间设计、工作空

间设计与工作站设计、警告、标签与说明、工作负荷分析；

（14）管理与人机工程：变化管理、成本-利益分析、突发事故应变研究、人机战略实施、操作效能、操作负荷分析、标准化

研究、人力资源管理、工作程序、人机规则和实践；

（15）手工操作负荷，安全与培训：手工操作评价与培训、手工操作与举力、手工操作负荷；

（16）办公室人机工程与设计：办公自动化、办公室和办公设备设计、办公室设计人机工程；

（17）生理学方面和医学人机工程：生理学、生理能力、医学人机工程、医学设备、心理生理学、行为期望、行为标准；

（18）产品设计与顾客：人机工程销售与市场、产品设计与测试、产品中人机工程、产品发展、产品可靠性与安全性、产品

缺陷、产品材质、服装人机工程；

（19）风险评估：多种工作状况：风险与成本-利益分析、风险评估与风险管理、风险预测、总体骨骼、肌肉风险研究；

（20）社会技术系统与人机工程：组织行为、组织变化、组织心理学、人机工程战略、社会技术系统、暴力评估与动机；

（21）系统分析：系统分析与设计、系统整合、系统需求、电信系统与产品、人机系统、人员配备研究、三维人体模型、实

验设计、系统设计标准与类别、通信分析；

（22）任务分析：任务分析与工作设计、任务分析与综合、团队协作；

（23）管理培训与人员培训：人机工程培训、整体培训、认知技能/决策分析、工程师培训、STUDIO中的训练、训练模型、

培训需求分析；

（24）可用性评估：可用性评估与测试、可用性审核、可用性评估、可用性培训、试验与验证、仿真与试验、仿真研究、仿

真与原型；

（25）用户需求与用户指导：用户文档、用户指导、用户手册与说明、用户界面设计与原型、用户需求分析与类别、用户实

验管理；

（26）车辆与交通人机工程：航空人机工程、头盔显示、乘客环境、铁路车辆与系统、交通设计、车辆设计、车辆人机工程、

车辆安全性 ；

（27）其它特殊的人机工程应用：原子能、军队人机工程、过程控制、文化调查、调查与研究方法、自动语音识别。

二、 当前人机工程技术研究的发展趋势

1人机界面技术研究

在人机工程学中人机界面是最重要的一个研究分支，它是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流的一切领域都

属于人机界面。可将设计界面定义为设计中所面对、所分析的一切信息交互的总和，它反映着人一物之间的关系。

广义的人机界面：在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人-机界面，人与机之间的信息交流和控

制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用”于人，实现机-人信息传递；人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信

息，经过脑的加工、决策，然后作出反应，实现人-机的信息传递。人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性。研究人机界面

主要针对两个问题： 显示和控制。

狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面。人机界面（Human-Computer Interface），又称人机接口、用户界面（User

Interface）、人机交互（Human-Computer Interaction），是计算机科学中最年轻的分支科学之一。它是计算机科学和认知心理

学两大科学相结合的产物，同时也吸收了语言学、人机工程学和社会学等科学的研究成果。通过30余年的发展，已经成为一门以

研究用户及其与计算机的关系为特征的主要学科之一。尤其80年代以来，随着软件工程学的迅速发展和新一代计算机技术研究的

推动，人机界面设计和开发已成为国际计算机界最为活跃的研究方向。随着计算机技术、网络技术的发展，人机界面学的发展，

会朝着以下几个方向发展：

（1）高科技化

信息技术的革命，带来了计算机业的巨大变革。计算机越来越趋向平面化、超薄型化；便捷式、袖珍型电脑的应用，大大改

变了办公模式；输入方式已经由单一的键盘、鼠标输入，朝着多通道输入化发展。追踪球、触模屏、光笔、语音输入等竞相登场；

多媒体技术、虚拟现实及强有力的视觉工作站提供真实、动态的影像和刺激灵感的用户界面，在计算机系统中，各显其能，使产

品的造型设计更加丰富多彩，变化纷呈。

（2）自然化

早期的人机界面很简单，人机对话都是机器语言。由于硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人工智能、窗口系统

等软件技术的进步，图形用户界面(Graphic User Interface)、直观操作(Direct Manipulation)、“所见即所得”(What you see

is what you get)等交互原理和方法相继产生并得到了广泛应用，取代了旧有“键入命令”式的操作方式，推动人机界面自然化

向前迈进了一大步。然而，人们不仅仅满足于通过屏幕显示或打印输出信息，进一步要求能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及

形体、手势或口令，更自然地“进入”到环境空间中去，形成人机“直接对话”，从而取得“身临其境”的体验。

（3）人性化

现代设计的风格已经从功能主义逐步走向了多元化和人性化。今天的消费者纷纷要求表现自我意识、个人风格和审美情趣，

反映在设计上亦使产品越来越丰富、细化，体现一种人情味和个性。一方面要求产品功能齐全、高效，适于人的操作使用，另一

方面又要满足人们的审美和认知精神需要。 现代电脑设计，已经摆脱了旧有的四方壳纯机器味的淡漠。坚锐的棱角被圆滑、单一

的米色不再一统天下；机器更加紧凑、完美，被赋予了人的感情。软界面中颜色、图标的使用，屏幕布局的条理性，软件操作间

的连贯性和共通性，都充分考虑了人的因素，使之操作更简单、友好。 目前，人机交互正朝着从精确向模糊，从单通道向多通道

以及从二维交互向三维交互的转变，发展用户与计算机之间快捷、低耗的多通道界面。

（4）和谐的人机环境

今后计算机应能听、能看、能说，而且应能“善解人意”，即理解和适应人的情绪或心情。未来计算机的发展是以人为中心，

必须使计算机易用好用，使人以语言、文字、图像、手势、表情等自然方式与计算机打交道。

国外一些大公司如IBM、微软等在中国国内建立的研究院大多以人机接口为主要研究任务，尤其是在汉语语音、汉字识别等

方面，如汉语识别与自然语言理解，虚拟现实技术，文字识别，手势识别，表情识别等。我们应该在人机交互方式技术竞争中，

特别是在人机界面的优化设计、视觉-目标拾取认知技术等方面取得主动权。

2视觉-目标拾取认知技术研究

眼睛是心灵的窗户，透过这个窗口我们可了解人的许多心理活动。人类的信息加工在很大程度上依赖于视觉，来自外界的的

信息有80～90％是通过人的眼睛获得的。眼动的各种模式一直与人的心理变化相关，对于眼球运动即眼动的研究被认为是视觉信

息加工研究中最有效的手段，吸引了神经科学、心理学、工效学、计算机科学、临床医学、运动学等领域专家的普遍兴趣，其研

究成果在工业，军事，商业等领域得到广泛应用。

在视觉-目标拾取认知技术科学研究中最为重要的问题就是人对信息流的获取（输入）和信息流的控制（输出）这两个问题。

据研究人对外部信息流的获取有80%是通过视觉获得的，由于视觉的重要性，有关视觉-眼动系统的研究始终是科学界关注的问题

之一，其中有关人眼的搜索机制早就引起了神经病学家、眼科学家、生理学家、解剖学家以及工程师们的极大兴趣，特别是近年

来，世界各国对视觉-眼动系统的研究越来越多：NASA、哈佛、麻省、剑桥、牛津等著名科研机构或大学都设有专门的视觉-眼动

系统研究部门。而人对外部信息流的控制主要是通过手、脚、口等效应器官进行的，其中研究人的目标拾取运动这一基本、重要

的作业运动形式，可以为人机界面系统的设计、评估、操作提供量化的理论依据和理论指导，因此，该研究具有很好的工程应用

价值，并一直是工效学、心理学、生理学等学科的研究热点。近年来，随着计算机及人机界面技术的发展，眼动仪在人机界面设

计上受到高度重视。美国空军最早在新的人机交互设计中运用视觉追踪技术，最初的主要目的是要把视觉追踪用于战斗机座舱的

设计。这一领域的深入研究表明，视觉追踪技术不但可以用于战斗机座舱的设计，而且还可以运用视觉追踪技术，把人眼作为计

算机的一种输入工具，形成视觉输入人机界面。另外，日本的ATR通讯系统研究实验室和东京工业大学已将眼动测量用于对虚拟

现实的研究，有效地解决了大的视场和高精度的图象显示之间的矛盾。随着高性能摄像机的出现和图象处理技术的发展，眼动仪

将朝着高精度、高实用性和低成本的方向发展。

国内对视觉测量的研究起步始于七十年代末、八十年代初。一般都是引进了国外设备作实验研究，西安电子科技大学在自主

开发研制眼动仪样机方面做了很多工作。北京航空航天大学人机环境工程研究所九十年代末开展了飞机座舱人机界面评价实验台

的研制，利用视觉与眼动系统分析控制面板仪表布局是研究内容之一。

由于人是人-机-环境系统的主体，只有深刻认识人在系统中的作业特性，才能研制出最大程度地发挥人及人机系统的整体能

力的优质高效系统。人的目标拾取运动作为人的一种输出形式，具有速度—精确度的折衷关系，即目标拾取运动的完成时间与命

中目标的精确度成反比。这种特性广泛存在于人的各种输出和其他控制系统中。所以如何建立人的目标拾取运动过程中实用、精

确的速度—精确度折衷关系理论模型就成了研究的主要任务。

三、 前景展望

现代人机系统中，作业人员是在特定环境中操作和管理复杂系统和各种数字化设备，当人在这种环境中工作时，既要靠眼睛

来观察环境，又要靠细致的注视来完成精确的控制动作，通过人机工程技术分析，就可知道人在操作时如何分配注意力、体力，

同时了解仪表、屏幕以及外视景如何设计和合理分配才能获得最好的人机交互，既减轻操作人员的工作负荷又避免出错，切实提

高人机工效。这对于计算机系统、自动化控制、交通运输、工业设计、军事领域以及社会系统中重大事变（战争、自然灾害、金

融危机等）的应急指挥和组织系统、复杂工业系统中的故障快速处理、系统重构与修复、复杂坏境中仿人机器人的设计与制造等

问题的解决都有着重要的参考价值。

人机工程技术研究的现状及发展趋势

雷士军 原创 | 2010-04-21 08:01 | 获2票 投票 投票人 标签： 科技

一、 让技术人性化的科学——人机工程学

1 什么是人机工程学

人机工程学是研究“人—机—环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、

健康问题提供理论与方法的科学。

人机工程学研究在设计人机系统时如何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。对于这些研究，

在美国有人称之为人类工程学“HUMAN ENGINEERING”，人因（素）工程学“HUMAN FACTORS

(ENGINEERING)”，在欧洲有人称之为“ERGONOMICS”，生物工艺学，工程心理学，应用实验心理学以及人

体状态学等等。日本称之为“人间工学”，我国目前除使用上述名称外，还有译成工效学、宜人学、人体工程学、

人机学、运行工程学、机构设备利用学、人机控制学等。人体工程不同的命名已经充分体现了该学科是“人体

科学”与“工程技术”的结合，实际上，这一学科就是人体科学，环境科学不断向工程科学渗透和交叉的产物，

它是以人体科学中的人类学、生物学、心理学、卫生学、解剖学、生物力学、人体测量学等为“一肢”；以环境

科学中的环境保护学、环境医学 、环境卫生学、环境心理学、环境监测技术等学科为“另一肢”，而以技术科

学中的工业设计、工业经济、系统工程、交通工程、企业管理等学科为“躯干”，形象地构成了本学科的体系，

从人机工程学的构成体系来看就是一门综合性的边缘学科，其研究的领域是多方面的，大致包括电话、电传、

计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海、现代化医院、环境保护、教育、互联网等，

人机工程学甚至可用于大规模社会系统，因此可以说与国民经济的各个部门都有密切的关系。

2 人机工程学的国内外发展状况

人机工程技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4

项：软件、人机交互、网络、高性能计算机。其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技

术等并列的六项国家关键技术之一，并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也很重要”。美

国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的

人机界面这项内容。日本也提出了FPIEND21计划（Future Personalized Information Environment Development），

其目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。我国973、S-863、十五计划及未来的十一五计划均将人机交互

列为主要内容。

在中国，人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在“文革”

以后。1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人

类工效学的基础标准的制定。1984年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。

这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。此后在1989年又成立了中国人类工效学

学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。20世纪90年代初，北京航空航天大学首先成立

了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也

先后成立了相应的专业。当前，随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求正逐步提高，

对产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是

出于对这种新的需求取向的意识。

3人机工程的应用领域

（1）事故、健康与安全：包括事故与安全、事故调查、事故改造、健康与安全、健康人机工程、危险分析、

健康与安全课题、健康与安全规则的应用、工业工作压力、机器防护、安全文化与安全管理、安全文化评价与

改进、警示与提醒技术、安全概率分析；

（2）人体工作行为解剖学和人体测量：解剖学、人体测量、人体测量和工作空间设计、生物力学、残疾人

设计、姿势和生物力学负荷研究、工作中的滑倒、差错研究、背部疼痛、听觉障碍研究；

（3）认知工效学和复杂任务：认知技能和决策研究、法律人机工程、团队工作、过程研究；

（4）计算机软件人机工程 ：软件设计、软件发展、软件人机工程、执行和可用性；

（5）计算机终端：设计与布局：计算机产品和外设的设计与布局、计算机终端工作站、显示屏设备与规则、

显示屏健康与安全、办公环境人机工程研究；

（6）显示与控制布局设计：显示与控制信息的选择与设计；

（7）控制室设计：控制台和控制室的布局设计、控制室人机工程；

（8）环境人机工程：环境状况和因素分析、噪音测量、工作中的听力损失、热环境、可视性与照明、工作

环境人机工程、振动；

（9）专家论证：多工作环境 ：专家论证调查研究、法律人机工程、工作赔偿申诉、伤害诉讼、伤害原因、

诉讼支持；

（10）人机界面设计与评价：人机界面的设计与发展、知识系统、人机界面形式、HCI/MMI原型、GUI原型；

（11）人的可靠性：人的失误和可靠性研究、人的失误分析、人因审查、人因整合、人的可靠性评价；

（12）工业设计应用“信息设计、市场/用户研究、医疗设备、座椅的设计与舒适性研究、座椅设计与分类、

家具分类与选择；

（13）工业/商业工作空间设计：工业工作空间设计、工业人机工程、工作设计与组织、人体测量学与工作

空间设计、工作空间设计与工作站设计、警告、标签与说明、工作负荷分析；

（14）管理与人机工程：变化管理、成本-利益分析、突发事故应变研究、人机战略实施、操作效能、操作

负荷分析、标准化研究、人力资源管理、工作程序、人机规则和实践；

（15）手工操作负荷，安全与培训：手工操作评价与培训、手工操作与举力、手工操作负荷；

（16）办公室人机工程与设计：办公自动化、办公室和办公设备设计、办公室设计人机工程；

（17）生理学方面和医学人机工程：生理学、生理能力、医学人机工程、医学设备、心理生理学、行为期

望、行为标准；

（18）产品设计与顾客：人机工程销售与市场、产品设计与测试、产品中人机工程、产品发展、产品可靠

性与安全性、产品缺陷、产品材质、服装人机工程；

（19）风险评估：多种工作状况：风险与成本-利益分析、风险评估与风险管理、风险预测、总体骨骼、肌

肉风险研究；

（20）社会技术系统与人机工程：组织行为、组织变化、组织心理学、人机工程战略、社会技术系统、暴

力评估与动机；

（21）系统分析：系统分析与设计、系统整合、系统需求、电信系统与产品、人机系统、人员配备研究、

三维人体模型、实验设计、系统设计标准与类别、通信分析；

（22）任务分析：任务分析与工作设计、任务分析与综合、团队协作；

（23）管理培训与人员培训：人机工程培训、整体培训、认知技能/决策分析、工程师培训、STUDIO中的

训练、训练模型、培训需求分析；

（24）可用性评估：可用性评估与测试、可用性审核、可用性评估、可用性培训、试验与验证、仿真与试

验、仿真研究、仿真与原型；

（25）用户需求与用户指导：用户文档、用户指导、用户手册与说明、用户界面设计与原型、用户需求分

析与类别、用户实验管理；

（26）车辆与交通人机工程：航空人机工程、头盔显示、乘客环境、铁路车辆与系统、交通设计、车辆设

计、车辆人机工程、车辆安全性 ；

（27）其它特殊的人机工程应用：原子能、军队人机工程、过程控制、文化调查、调查与研究方法、自动语音

识别。

二、 当前人机工程技术研究的发展趋势

1人机界面技术研究

在人机工程学中人机界面是最重要的一个研究分支，它是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息

交流的一切领域都属于人机界面。可将设计界面定义为设计中所面对、所分析的一切信息交互的总和，它反映

着人一物之间的关系。

广义的人机界面：在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人-机界面，人与机之

间的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用”于人，实现机-人信息传递；人通过

视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策，然后作出反应，实现人-机的信息传递。人机界

面的设计直接关系到人机关系的合理性。研究人机界面主要针对两个问题： 显示和控制。

狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面。人机界面（Human-Computer Interface），又称人机接口、

用户界面（User Interface）、人机交互（Human-Computer Interaction），是计算机科学中最年轻的分支科学之一。

它是计算机科学和认知心理学两大科学相结合的产物，同时也吸收了语言学、人机工程学和社会学等科学的研

究成果。通过30余年的发展，已经成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特征的主要学科之一。尤其80

年代以来，随着软件工程学的迅速发展和新一代计算机技术研究的推动，人机界面设计和开发已成为国际计算

机界最为活跃的研究方向。随着计算机技术、网络技术的发展，人机界面学的发展，会朝着以下几个方向发展：

（1）高科技化

信息技术的革命，带来了计算机业的巨大变革。计算机越来越趋向平面化、超薄型化；便捷式、袖珍型电

脑的应用，大大改变了办公模式；输入方式已经由单一的键盘、鼠标输入，朝着多通道输入化发展。追踪球、

触模屏、光笔、语音输入等竞相登场；多媒体技术、虚拟现实及强有力的视觉工作站提供真实、动态的影像和

刺激灵感的用户界面，在计算机系统中，各显其能，使产品的造型设计更加丰富多彩，变化纷呈。

（2）自然化

早期的人机界面很简单，人机对话都是机器语言。由于硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人

工智能、窗口系统等软件技术的进步，图形用户界面(Graphic User Interface)、直观操作(Direct Manipulation)、“所

见即所得”(What you see is what you get)等交互原理和方法相继产生并得到了广泛应用，取代了旧有“键入命令”

式的操作方式，推动人机界面自然化向前迈进了一大步。然而，人们不仅仅满足于通过屏幕显示或打印输出信

息，进一步要求能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体、手势或口令，更自然地“进入”到环境空间中去，

形成人机“直接对话”，从而取得“身临其境”的体验。

（3）人性化

现代设计的风格已经从功能主义逐步走向了多元化和人性化。今天的消费者纷纷要求表现自我意识、个人

风格和审美情趣，反映在设计上亦使产品越来越丰富、细化，体现一种人情味和个性。一方面要求产品功能齐

全、高效，适于人的操作使用，另一方面又要满足人们的审美和认知精神需要。 现代电脑设计，已经摆脱了旧

有的四方壳纯机器味的淡漠。坚锐的棱角被圆滑、单一的米色不再一统天下；机器更加紧凑、完美，被赋予了

人的感情。软界面中颜色、图标的使用，屏幕布局的条理性，软件操作间的连贯性和共通性，都充分考虑了人

的因素，使之操作更简单、友好。 目前，人机交互正朝着从精确向模糊，从单通道向多通道以及从二维交互向

三维交互的转变，发展用户与计算机之间快捷、低耗的多通道界面。

（4）和谐的人机环境

今后计算机应能听、能看、能说，而且应能“善解人意”，即理解和适应人的情绪或心情。未来计算机的发

展是以人为中心，必须使计算机易用好用，使人以语言、文字、图像、手势、表情等自然方式与计算机打交道。

国外一些大公司如IBM、微软等在中国国内建立的研究院大多以人机接口为主要研究任务，尤其是在汉语

语音、汉字识别等方面，如汉语识别与自然语言理解，虚拟现实技术，文字识别，手势识别，表情识别等。我

们应该在人机交互方式技术竞争中，特别是在人机界面的优化设计、视觉-目标拾取认知技术等方面取得主动权。

2视觉-目标拾取认知技术研究

眼睛是心灵的窗户，透过这个窗口我们可了解人的许多心理活动。人类的信息加工在很大程度上依赖于视

觉，来自外界的的信息有80～90％是通过人的眼睛获得的。眼动的各种模式一直与人的心理变化相关，对于眼

球运动即眼动的研究被认为是视觉信息加工研究中最有效的手段，吸引了神经科学、心理学、工效学、计算机

科学、临床医学、运动学等领域专家的普遍兴趣，其研究成果在工业，军事，商业等领域得到广泛应用。

在视觉-目标拾取认知技术科学研究中最为重要的问题就是人对信息流的获取（输入）和信息流的控制（输

出）这两个问题。据研究人对外部信息流的获取有80%是通过视觉获得的，由于视觉的重要性，有关视觉-眼动

系统的研究始终是科学界关注的问题之一，其中有关人眼的搜索机制早就引起了神经病学家、眼科学家、生理

学家、解剖学家以及工程师们的极大兴趣，特别是近年来，世界各国对视觉-眼动系统的研究越来越多：NASA、

哈佛、麻省、剑桥、牛津等著名科研机构或大学都设有专门的视觉-眼动系统研究部门。而人对外部信息流的控

制主要是通过手、脚、口等效应器官进行的，其中研究人的目标拾取运动这一基本、重要的作业运动形式，可

以为人机界面系统的设计、评估、操作提供量化的理论依据和理论指导，因此，该研究具有很好的工程应用价

值，并一直是工效学、心理学、生理学等学科的研究热点。近年来，随着计算机及人机界面技术的发展，眼动

仪在人机界面设计上受到高度重视。美国空军最早在新的人机交互设计中运用视觉追踪技术，最初的主要目的

是要把视觉追踪用于战斗机座舱的设计。这一领域的深入研究表明，视觉追踪技术不但可以用于战斗机座舱的

设计，而且还可以运用视觉追踪技术，把人眼作为计算机的一种输入工具，形成视觉输入人机界面。另外，日

本的ATR通讯系统研究实验室和东京工业大学已将眼动测量用于对虚拟现实的研究，有效地解决了大的视场和

高精度的图象显示之间的矛盾。随着高性能摄像机的出现和图象处理技术的发展，眼动仪将朝着高精度、高实

用性和低成本的方向发展。

国内对视觉测量的研究起步始于七十年代末、八十年代初。一般都是引进了国外设备作实验研究，西安电

子科技大学在自主开发研制眼动仪样机方面做了很多工作。北京航空航天大学人机环境工程研究所九十年代末

开展了飞机座舱人机界面评价实验台的研制，利用视觉与眼动系统分析控制面板仪表布局是研究内容之一。

由于人是人-机-环境系统的主体，只有深刻认识人在系统中的作业特性，才能研制出最大程度地发挥人及

人机系统的整体能力的优质高效系统。人的目标拾取运动作为人的一种输出形式，具有速度—精确度的折衷关

系，即目标拾取运动的完成时间与命中目标的精确度成反比。这种特性广泛存在于人的各种输出和其他控制系

统中。所以如何建立人的目标拾取运动过程中实用、精确的速度—精确度折衷关系理论模型就成了研究的主要

任务。

三、 前景展望

现代人机系统中，作业人员是在特定环境中操作和管理复杂系统和各种数字化设备，当人在这种环境中工

作时，既要靠眼睛来观察环境，又要靠细致的注视来完成精确的控制动作，通过人机工程技术分析，就可知道

人在操作时如何分配注意力、体力，同时了解仪表、屏幕以及外视景如何设计和合理分配才能获得最好的人机

交互，既减轻操作人员的工作负荷又避免出错，切实提高人机工效。这对于计算机系统、自动化控制、交通运

输、工业设计、军事领域以及社会系统中重大事变（战争、自然灾害、金融危机等）的应急指挥和组织系统、

复杂工业系统中的故障快速处理、系统重构与修复、复杂坏境中仿人机器人的设计与制造等问题的解决都有着

重要的参考价值。

人机交互：一个被忽视的重要领域

2009/11/23/09:22 来源：慧聪机械工业网

[慧聪机械工业网]鼠标、键盘、浏览器、触摸式屏幕……

在许多人还对“人机交互”一词备感陌生的时候，这些人机交互技术的标志性产物早已

经渗透到了我们的日常生活当中。

现在，随着物联网、信息物理系统（CPS）等新概念、新技术的出现，人机交互技术的重

要性更加凸显。在真实物理世界和虚拟信息空间融合为一的过程中，如何设计出不用学习就可以

方便大众使用的人机交互界面已成为中外科学家共同关注的焦点之一。

2009年10月到2010年6月，中国计算机学会、微软亚洲研究院和中科院软件所等一起

联合举办中国人机交互杰出学者系列讲座，希望由此带动中国人机交互走向世界。

围绕我国人机交互的发展现状，国际前沿技术的最新进展等话题，《科学时报》记者采

访了中国计算机学会副秘书长、清华大学计算机系教授胡事民，中科院软件所研究员戴国忠，微

软亚洲研究院院长洪小文等多位专家。

与国际前沿的差距

和北京大学教授董士海一样，戴国忠是我国最早开展人机交互的学者之一。

戴国忠对《科学时报》记者表示，人机交互是最接近大众的信息技术。普通大众真正认

识计算机就是从人机交互开始的。以前我国这方面的研究基本跟随国外的技术路线而行，与国际

前沿研究水平有一定差距。这主要表现在我国的研究队伍规模较小。

究其原因，胡事民告诉《科学时报》记者，主要是因为人机交互学科本身的特点所致。

“我国人机交互在前辈带领下，经过近30年的研究，得益于许多国家研究计划的支持，

已取得了相当多的成果。”胡事民说，不过，因为人机交互是计算机科学和认知心理学相结合的

产物，同时还涉及到人体工效学、社会学、生理学、医学、语言学、哲学等诸多学科，是一门综

合性很强的科学，因此对研究人员的知识结构要求很高。

“许多学者不具备从事人机交互研究的知识背景，同时也不愿投入大量精力去学习，这

直接导致了我国人机交互研究队伍规模不大，人员不多。”胡事民说。

近年来，人机交互成了一个被忽视的领域，没有得到应有重视。许多老专家退休后，年

轻学者由于知识结构或其他原因逐渐放弃了这一领域，这是人才凋落的又一原因。

不过，谈及我国人机交互研究的现状时，胡事民表示：“目前国内仍有多个科研院所、

著名大学都将人机交互作为一个重要的科研方向，并且越来越重视。”例如中科院软件所、中科

院心理所、清华大学、北京大学、北京师范大学、大连海事大学、北京理工大学等等。

其中，中科院软件所是最早开始人机交互技术研究和开发的单位之一。在戴国忠的领导

下，该所在笔交互方面作出了很多卓有特色的研究。此外，北京大学的多通道交互、清华大学的

多媒体与交互技术集成、北京理工大学的触摸式交互也都取得了一定的成果，具备了较为深厚的

研究基础和条件。

然而，“作为计算机领域最重要的新技术，以及信息技术服务大众的关键，我国投入人

机交互研究的队伍规模与成果显示度跟这个学科的重要性是不相匹配的。”胡事民说，一个学科

如果要有创新，必须有一批高水平的研究团队互相促进，才能营造良好的创新环境、产生有价值

的创新成果。他希望，能够借助中国人机交互杰出学者系列讲座这样的活动，推动更多的中国学

者关注人机交互，并投身其中。

未来方向：自然用户界面

10月26日，“中国人机交互杰出学者系列讲座”第一场报告会在中科院软件所举行。

会前，美国华盛顿大学计算机科学与工程系副教授JamesLanday、微软美国研究院可视化及互动

领域研究员DesneyTan及戴国忠所领导的团队都分别向媒体演示了其最新成果。当晚，微软美国

研究院首席研究员JonathanGrudin和DesneyTan还向数百名关心该领域发展的中国师生介绍了其

研发的国际最前沿的人机交互成果，并发表了他们对该领域的看法。

《科学时报》记者近距离接触了由戴国忠等人研发的思维显示器（IdeaNote）：拿着一

支手写笔，在平板电脑上像用普通笔一样写写画画，就可以完成全部的思维编辑工作，并将最终

的文档以正规格式保存到计算机里。

戴国忠告诉记者，移动办公是未来人机交互的主流应用之一。人有四大主要活动：思维

采集、交流、创造以及以工作的方式作贡献。现有软件技术很难支持思维采集，也很难支持创造

性思维的表达，所以他们研发了这个软件，希望能够支持四大活动中最主要思维的采集活动，解

决传统办公软件解决不了的问题。

与戴国忠不同，JamesLanday将研究重心放在了人机交互对大众日常活动的影响上。他

所介绍的Ubigreen应用，通过行动推断技术，将机主所采用的交通方式信息显示在手机屏幕上，

随时提醒机主每周交通工具的使用情况及二氧化碳减排量。如果机主的交通方式可以减少对环境

的影响，如采用步行、骑自行车或乘坐公共交通工具，该软件就会在手机上给予积极的反馈：手

机屏幕中的大树会长叶开花，结出红红的大苹果。

DesneyTan是一位新加坡出生、美国长大的年轻学者。据他介绍，在计算机技术的发展史上，人

机界面经历了几次重大变革，最初是上世纪四五十年代由指示灯和机械开关组成的操纵界面，转

变成六七十年代由终端和键盘组成的字符界面，再到80年代以来的图形用户界面（GUI）。他认

为未来的人机交互是自然用户界面，不用通过任何学习，人就能和计算机非常自然的交互，就像

人跟人交互一样。

中国的机遇

“随着CPS、物联网等技术的发展，如果克服了人机交互这一技术瓶颈，中国将获得比

欧美国家更多机遇。”洪小文告诉《科学时报》记者。

据他介绍，从1975年成立至今，人机交互在微软的历史上始终是最重要的项目之一。“互

联网从1969年起就存在了，之所以能这么普及，其实也是因为人机界面突破的关系。”洪小文认

为。在互联网普及以前，无论是电子邮件、即时通信，还是各种数据库，其实都已存在，只是用

的人很少，直到有了浏览器，这些应用才得以真正广泛使用。这是人机界面给人类带来的类似工

业革命的巨大变革。

据了解，现在微软亚洲研究院有200余名有博士学位的研究人员在从事研究工作，他们

都有各自不同的教育背景，如研究计算技术、心理学、工业设计，编程、做硬件的，甚至做美术

设计及设备的。洪小文认为，人机交互是所有学科里最需要跨学科参与的研究之一。

为此，他举例说，做人机交互需要一些核心技术，如语音、视觉、触摸式，通过跨学科

的交流与合作才能做出优秀的人机界面。

他认为，中国改革开放30年来的进步有目共睹，各行各业蓬勃发展，制造业、IT业、

汽车行业等都需要设计。而且这些设计不仅要好看，还要好用。现在，人不但要跟机器打交道，

还要跟物品打交道，跟汽车打交道，这些都需要人机界面。“因此，现在很多人都开始研究人机

界面，这是各种创新中非常重要的一环，它触及了创新的最核心。”洪小文说。

人机工程技术研究的现状及发展趋势

作者：北京城市学院信息学部 刘伟

摘要：本文首先介绍了人机工程学的概念，回顾了人机工程技术国内外的研究状况，指出了人机工程技术研究

的应用领域；其次通过对人机界面技术及视觉-目标拾取认知技术研究的规律研究的分析，对当前人机工程技术

研究的发展趋势进行了探讨；最后对人机工程技术的应用前景进行了分析。

关键词：人机工程；人机界面；视觉；目标拾取。

一、让技术人性化的科学--人机工程学

1什么是人机工程学

人机工程学是研究“人—机—环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康

问题提供理论与方法的科学。

人机工程学研究在设计人机系统时如何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。对于这些研究，在美

国有人称之为人类工程学“HUMAN ENGINEERING”，人因（素）工程学“HUMAN FACTORS (ENGINEERING)”，

在欧洲有人称之为“ERGONOMICS”，生物工艺学，工程心理学，应用实验心理学以及人体状态学等等。日本

称之为“人间工学”，我国目前除使用上述名称外，还有译成工效学、宜人学、人体工程学、人机学、运行工程

学、机构设备利用学、人机控制学等。人体工程不同的命名已经充分体现了该学科是“人体科学”与“工程技

术”的结合，实际上，这一学科就是人体科学，环境科学不断向工程科学渗透和交叉的产物，它是以人体科学

中的人类学、生物学、心理学、卫生学、解剖学、生物力学、人体测量学等为“一肢”；以环境科学中的环境保

护学、环境医学 、环境卫生学、环境心理学、环境监测技术等学科为“另一肢”，而以技术科学中的工业设计、

工业经济、系统工程、交通工程、企业管理等学科为“躯干”，形象地构成了本学科的体系，从人机工程学的构

成体系来看就是一门综合性的边缘学科，其研究的领域是多方面的，大致包括电话、电传、计算机控制台、数

据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海、现代化医院、环境保护、教育、互联网等，人机工程学甚至

可用于大规模社会系统，因此可以说与国民经济的各个部门都有密切的关系。

2人机工程学的国内外发展状况

人机工程技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4项：

软件、人机交互、网络、高性能计算机。其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等

并列的六项国家关键技术之一，并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也很重要”。美国国

防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的人机

界面这项内容。日本也提出了FPIEND21计划（Future Personalized Information Environment Development），其

目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。我国973、S-863、十五计划及未来的十一五计划均将人机交互列

为主要内容。

在中国，人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在“文革”

以后。1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人

类工效学的基础标准的制定。1984年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。

这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。此后在1989年又成立了中国人类工效学

学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。20世纪90年代初，北京航空航天大学首先成立

了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也

先后成立了相应的专业。当前，随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求正逐步提高，

对产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是

出于对这种新的需求取向的意识。

3人机工程的应用领域

（1）事故、健康与安全：包括事故与安全、事故调查、事故改造、健康与安全、健康人机工程、危险分析、健

康与安全课题、健康与安全规则的应用、工业工作压力、机器防护、安全文化与安全管理、安全文化评价与改

进、警示与提醒技术、安全概率分析；

（2）人体工作行为解剖学和人体测量：解剖学、人体测量、人体测量和工作空间设计、生物力学、残疾人设计、

姿势和生物力学负荷研究、工作中的滑倒、差错研究、背部疼痛、听觉障碍研究；

（3）认知工效学和复杂任务：认知技能和决策研究、法律人机工程、团队工作、过程研究；

（4）计算机软件人机工程 ：软件设计、软件发展、软件人机工程、执行和可用性；

（5）计算机终端：设计与布局：计算机产品和外设的设计与布局、计算机终端工作站、显示屏设备与规则、显

示屏健康与安全、办公环境人机工程研究；

（6）显示与控制布局设计：显示与控制信息的选择与设计；

（7）控制室设计：控制台和控制室的布局设计、控制室人机工程；

（8）环境人机工程：环境状况和因素分析、噪音测量、工作中的听力损失、热环境、可视性与照明、工作环境

人机工程、振动；

（9）专家论证：多工作环境 ：专家论证调查研究、法律人机工程、工作赔偿申诉、伤害诉讼、伤害原因、诉

讼支持；

（10）人机界面设计与评价：人机界面的设计与发展、知识系统、人机界面形式、HCI/MMI原型、GUI原型；

（11）人的可靠性：人的失误和可靠性研究、人的失误分析、人因审查、人因整合、人的可靠性评价；

（12）工业设计应用“信息设计、市场/用户研究、医疗设备、座椅的设计与舒适性研究、座椅设计与分类、家

具分类与选择；

（13）工业/商业工作空间设计：工业工作空间设计、工业人机工程、工作设计与组织、人体测量学与工作空间

设计、工作空间设计与工作站设计、警告、标签与说明、工作负荷分析；

（14）管理与人机工程：变化管理、成本-利益分析、突发事故应变研究、人机战略实施、操作效能、操作负荷

分析、标准化研究、人力资源管理、工作程序、人机规则和实践；

（15）手工操作负荷，安全与培训：手工操作评价与培训、手工操作与举力、手工操作负荷；

（16）办公室人机工程与设计：办公自动化、办公室和办公设备设计、办公室设计人机工程；

（17）生理学方面和医学人机工程：生理学、生理能力、医学人机工程、医学设备、心理生理学、行为期望、

行为标准；

（18）产品设计与顾客：人机工程销售与市场、产品设计与测试、产品中人机工程、产品发展、产品可靠性与

安全性、产品缺陷、产品材质、服装人机工程；

（19）风险评估：多种工作状况：风险与成本-利益分析、风险评估与风险管理、风险预测、总体骨骼、肌肉风

险研究；

（20）社会技术系统与人机工程：组织行为、组织变化、组织心理学、人机工程战略、社会技术系统、暴力评

估与动机；

（21）系统分析：系统分析与设计、系统整合、系统需求、电信系统与产品、人机系统、人员配备研究、三维

人体模型、实验设计、系统设计标准与类别、通信分析；

（22）任务分析：任务分析与工作设计、任务分析与综合、团队协作；

（23）管理培训与人员培训：人机工程培训、整体培训、认知技能/决策分析、工程师培训、STUDIO中的训练、

训练模型、培训需求分析；

（24）可用性评估：可用性评估与测试、可用性审核、可用性评估、可用性培训、试验与验证、仿真与试验、

仿真研究、仿真与原型；

（25）用户需求与用户指导：用户文档、用户指导、用户手册与说明、用户界面设计与原型、用户需求分析与

类别、用户实验管理；

（26）车辆与交通人机工程：航空人机工程、头盔显示、乘客环境、铁路车辆与系统、交通设计、车辆设计、

车辆人机工程、车辆安全性 ；

（27）其它特殊的人机工程应用：原子能、军队人机工程、过程控制、文化调查、调查与研究方法、自动语音

识别。

二、当前人机工程技术研究的发展趋势

1人机界面技术研究

在人机工程学中人机界面是最重要的一个研究分支，它是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流

的一切领域都属于人机界面。可将设计界面定义为设计中所面对、所分析的一切信息交互的总和，它反映着人

一物之间的关系。

广义的人机界面：在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人-机界面，人与机之间的

信息交流和控制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用”于人，实现机-人信息传递；人通过视觉

和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策，然后作出反应，实现人-机的信息传递。人机界面的

设计直接关系到人机关系的合理性。研究人机界面主要针对两个问题： 显示和控制。

狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面。人机界面（Human-Computer Interface），又称人机接口、用户

界面（User Interface）、人机交互（Human-Computer Interaction），是计算机科学中最年轻的分支科学之一。它是

计算机科学和认知心理学两大科学相结合的产物，同时也吸收了语言学、人机工程学和社会学等科学的研究成

果。通过30余年的发展，已经成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特征的主要学科之一。尤其80年代

以来，随着软件工程学的迅速发展和新一代计算机技术研究的推动，人机界面设计和开发已成为国际计算机界

最为活跃的研究方向。随着计算机技术、网络技术的发展，人机界面学的发展，会朝着以下几个方向发展：

（1）高科技化

信息技术的革命，带来了计算机业的巨大变革。计算机越来越趋向平面化、超薄型化；便捷式、袖珍型电脑的

应用，大大改变了办公模式；输入方式已经由单一的键盘、鼠标输入，朝着多通道输入化发展。追踪球、触模

屏、光笔、语音输入等竞相登场；多媒体技术、虚拟现实及强有力的视觉工作站提供真实、动态的影像和刺激

灵感的用户界面，在计算机系统中，各显其能，使产品的造型设计更加丰富多彩，变化纷呈。

（2）自然化

早期的人机界面很简单，人机对话都是机器语言。由于硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人工智

能、窗口系统等软件技术的进步，图形用户界面(Graphic User Interface)、直观操作(Direct Manipulation)、“所见

即所得”(What you see is what you get)等交互原理和方法相继产生并得到了广泛应用，取代了旧有“键入命令”

式的操作方式，推动人机界面自然化向前迈进了一大步。然而，人们不仅仅满足于通过屏幕显示或打印输出信

息，进一步要求能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体、手势或口令，更自然地“进入”到环境空间中去，

形成人机“直接对话”，从而取得“身临其境”的体验。

（3）人性化

现代设计的风格已经从功能主义逐步走向了多元化和人性化。今天的消费者纷纷要求表现自我意识、个人风格

和审美情趣，反映在设计上亦使产品越来越丰富、细化，体现一种人情味和个性。一方面要求产品功能齐全、

高效，适于人的操作使用，另一方面又要满足人们的审美和认知精神需要。 现代电脑设计，已经摆脱了旧有的

四方壳纯机器味的淡漠。坚锐的棱角被圆滑、单一的米色不再一统天下；机器更加紧凑、完美，被赋予了人的

感情。软界面中颜色、图标的使用，屏幕布局的条理性，软件操作间的连贯性和共通性，都充分考虑了人的因

素，使之操作更简单、友好。 目前，人机交互正朝着从精确向模糊，从单通道向多通道以及从二维交互向三维

交互的转变，发展用户与计算机之间快捷、低耗的多通道界面。

（4）和谐的人机环境

今后计算机应能听、能看、能说，而且应能“善解人意”，即理解和适应人的情绪或心情。未来计算机的发展是

以人为中心，必须使计算机易用好用，使人以语言、文字、图像、手势、表情等自然方式与计算机打交道。

国外一些大公司如IBM、微软等在中国国内建立的研究院大多以人机接口为主要研究任务，尤其是在汉语语音、

汉字识别等方面，如汉语识别与自然语言理解，虚拟现实技术，文字识别，手势识别，表情识别等。我们应该

在人机交互方式技术竞争中，特别是在人机界面的优化设计、视觉-目标拾取认知技术等方面取得主动权。

2视觉-目标拾取认知技术研究

眼睛是心灵的窗户，透过这个窗口我们可了解人的许多心理活动。人类的信息加工在很大程度上依赖于视觉，

来自外界的的信息有80～90％是通过人的眼睛获得的。眼动的各种模式一直与人的心理变化相关，对于眼球运

动即眼动的研究被认为是视觉信息加工研究中最有效的手段，吸引了神经科学、心理学、工效学、计算机科学、

临床医学、运动学等领域专家的普遍兴趣，其研究成果在工业，军事，商业等领域得到广泛应用。

在视觉-目标拾取认知技术科学研究中最为重要的问题就是人对信息流的获取（输入）和信息流的控制（输出）

这两个问题。据研究人对外部信息流的获取有80%是通过视觉获得的，由于视觉的重要性，有关视觉-眼动系统

的研究始终是科学界关注的问题之一，其中有关人眼的搜索机制早就引起了神经病学家、眼科学家、生理学家、

解剖学家以及工程师们的极大兴趣，特别是近年来，世界各国对视觉-眼动系统的研究越来越多：NASA、哈佛、

麻省、剑桥、牛津等著名科研机构或大学都设有专门的视觉-眼动系统研究部门。而人对外部信息流的控制主要

是通过手、脚、口等效应器官进行的，其中研究人的目标拾取运动这一基本、重要的作业运动形式，可以为人

机界面系统的设计、评估、操作提供量化的理论依据和理论指导，因此，该研究具有很好的工程应用价值，并

一直是工效学、心理学、生理学等学科的研究热点。近年来，随着计算机及人机界面技术的发展，眼动仪在人

机界面设计上受到高度重视。美国空军最早在新的人机交互设计中运用视觉追踪技术，最初的主要目的是要把

视觉追踪用于战斗机座舱的设计。这一领域的深入研究表明，视觉追踪技术不但可以用于战斗机座舱的设计，

而且还可以运用视觉追踪技术，把人眼作为计算机的一种输入工具，形成视觉输入人机界面。另外，日本的ATR

通讯系统研究实验室和东京工业大学已将眼动测量用于对虚拟现实的研究，有效地解决了大的视场和高精度的

图象显示之间的矛盾。随着高性能摄像机的出现和图象处理技术的发展，眼动仪将朝着高精度、高实用性和低

成本的方向发展。

国内对视觉测量的研究起步始于七十年代末、八十年代初。一般都是引进了国外设备作实验研究，西安电子科

技大学在自主开发研制眼动仪样机方面做了很多工作。北京航空航天大学人机环境工程研究所九十年代末开展

了飞机座舱人机界面评价实验台的研制，利用视觉与眼动系统分析控制面板仪表布局是研究内容之一。

由于人是人-机-环境系统的主体，只有深刻认识人在系统中的作业特性，才能研制出最大程度地发挥人及人机

系统的整体能力的优质高效系统。人的目标拾取运动作为人的一种输出形式，具有速度—精确度的折衷关系，

即目标拾取运动的完成时间与命中目标的精确度成反比。这种特性广泛存在于人的各种输出和其他控制系统中。

所以如何建立人的目标拾取运动过程中实用、精确的速度—精确度折衷关系理论模型就成了研究的主要任务。

三、 前景展望

现代人机系统中，作业人员是在特定环境中操作和管理复杂系统和各种数字化设备，当人在这种环境中工作时，

既要靠眼睛来观察环境，又要靠细致的注视来完成精确的控制动作，通过人机工程技术分析，就可知道人在操

作时如何分配注意力、体力，同时了解仪表、屏幕以及外视景如何设计和合理分配才能获得最好的人机交互，

既减轻操作人员的工作负荷又避免出错，切实提高人机工效。这对于计算机系统、自动化控制、交通运输、工

业设计、军事领域以及社会系统中重大事变（战争、自然灾害、金融危机等）的应急指挥和组织系统、复杂工

业系统中的故障快速处理、系统重构与修复、复杂坏境中仿人机器人的设计与制造等问题的解决都有着重要的

参考价值。(end)

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18018zhao 2009-10-16 18:08:35 123.181.39.* 举报 摘要：本文首先介绍了人机工程学的概念，回顾了人机工程

技术国内外的研究状况，指出了人机工程技术研究的应用领域；其次通过对人机界面技术及视觉-目标拾取认知

技术研究的规律研究的分析，对当前人机工程技术研究的发展趋势进行了探讨；最后对人机工程技术的应用前

景进行了分析。

关键词：人机工程；人机界面；视觉；目标拾取。

一、 让技术人性化的科学——人机工程学

1.什么是人机工程学

人机工程学是研究“人—机—环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健

康问题提供理论与方法的科学。

人机工程学研究在设计人机系统时如何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。对于这些研究，在

美国有人称之为人类工程学“HUMAN ENGINEERING”，人因（素）工程学“HUMAN FACTORS

(ENGINEERING)”，在欧洲有人称之为“ERGONOMICS”，生物工艺学，工程心理学，应用实验心理学以及人

体状态学等等。日本称之为“人间工学”，我国目前除使用上述名称外，还有译成工效学、宜人学、人体工程学、

人机学、运行工程学、机构设备利用学、人机控制学等。人体工程不同的命名已经充分体现了该学科是“人体

科学”与“工程技术”的结合，实际上，这一学科就是人体科学，环境科学不断向工程科学渗透和交叉的产物，

它是以人体科学中的人类学、生物学、心理学、卫生学、解剖学、生物力学、人体测量学等为“一肢”；以环境

科学中的环境保护学、环境医学 、环境卫生学、环境心理学、环境监测技术等学科为“另一肢”，而以技术科

学中的工业设计、工业经济、系统工程、交通工程、企业管理等学科为“躯干”，形象地构成了本学科的体系，

从人机工程学的构成体系来看就是一门综合性的边缘学科，其研究的领域是多方面的，大致包括电话、电传、

计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海、现代化医院、环境保护、教育、互联网等，

人机工程学甚至可用于大规模社会系统，因此可以说与国民经济的各个部门都有密切的关系。

2.人机工程学的国内外发展状况

人机工程技术是21世纪信息领域需要解决的重大课题。美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4

项：软件、人机交互、网络、高性能计算机。其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技

术等并列的六项国家关键技术之一，并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也很重要”。美

国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的

人机界面这项内容。日本也提出了FPIEND21计划（Future Personalized Information Environment Development），

其目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。我国973、S-863、十五计划及未来的十一五计划均将人机交互

列为主要内容。

在中国，人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在“文革”

以后。1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人

类工效学的基础标准的制定。1984年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。

这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。此后在1989年又成立了中国人类工效学

学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。20世纪90年代初，北京航空航天大学首先成立

了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也

先后成立了相应的专业。当前，随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求正逐步提高，

对产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是

出于对这种新的需求取向的意识。

3.人机工程的应用领域

（1）事故、健康与安全：包括事故与安全、事故调查、事故改造、健康与安全、健康人机工程、危险分析、

健康与安全课题、健康与安全规则的应用、工业工作压力、机器防护、安全文化与安全管理、安全文化评价与

改进、警示与提醒技术、安全概率分析；

（2）人体工作行为解剖学和人体测量：解剖学、人体测量、人体测量和工作空间设计、生物力学、残疾人

设计、姿势和生物力学负荷研究、工作中的滑倒、差错研究、背部疼痛、听觉障碍研究；

（3）认知工效学和复杂任务：认知技能和决策研究、法律人机工程、团队工作、过程研究；

（4）计算机软件人机工程 ：软件设计、软件发展、软件人机工程、执行和可用性；

（5）计算机终端：设计与布局：计算机产品和外设的设计与布局、计算机终端工作站、显示屏设备与规则、

显示屏健康与安全、办公环境人机工程研究；

（6）显示与控制布局设计：显示与控制信息的选择与设计；

（7）控制室设计：控制台和控制室的布局设计、控制室人机工程；

（8）环境人机工程：环境状况和因素分析、噪音测量、工作中的听力损失、热环境、可视性与照明、工作

环境人机工程、振动；

（9）专家论证：多工作环境 ：专家论证调查研究、法律人机工程、工作赔偿申诉、伤害诉讼、伤害原因、

诉讼支持；

（10）人机界面设计与评价：人机界面的设计与发展、知识系统、人机界面形式、HCI/MMI原型、GUI原

型； 0

zhoulinrz 2009-11-5 19:46:28 115.51.196.* 举报 触摸屏原理

随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的

国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只

要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技

术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。 ??

触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以

崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查

询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控

制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。将来，触摸屏还要走入家庭。

随着使用电脑作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使

得系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具有具有相当大的优越性。触摸屏出现在中国市场上至今只有

短短的几年时间，这个新的多媒体设备还没有为许多人接触和了解，包括一些正打算使用触摸屏的系统设计师，

还都把触摸屏当作可有可无的设备，从发达国家触摸屏的普及历程和我国多媒体信息业正处在的阶段来看，这

种观念还具有一定的普遍性。事实上，触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统

以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。发达国家的系统设计师们和我国率先使用触摸屏的系统

设计师们已经清楚的知道，触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。

它极大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的

魅力。解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。

随着城市向信息化方向发展和电脑网络在国民生活中的渗透，信息查询都已用触摸屏实现--显示内容可触摸的

形式出现。为了帮助大家对触摸屏有一个大概的了解，笔者就在这里提供一些有关触摸屏的相关知识，希望这

些内容能对大家有所用处。

一、触摸屏的工作原理 ??

为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显

示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和

触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；

而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同

时能接收CPU发来的命令并加以执行。

二、触摸屏的主要类型 ??

按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线

式以及表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解那种触摸屏适用于那种场合，关键就在于要懂

得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。下面对上述的各种类型的触摸屏进行简要介绍一下：

1、 电阻式触摸屏 （电阻式触摸屏工作原理图）

这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是

一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）

导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许

多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸

点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一

接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。 电阻

类触摸屏的关键在于材料科技，常用的透明导电涂层材料有： ??

A、ITO，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，透光率为

80％，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80％。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸

屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。 ??

B、镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使

用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。镍金导电层虽然延展性好，但是只

能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作

电压分布层，只能作为探层。

1．1四线电阻屏

四线电阻模拟量技术的两层透明金属层工作时每层均增加5V恒定电压：一个竖直方向，一个水平方向。总共

需四根电缆。 特点：高解析度，高速传输反应。 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理。 具有光面及

雾面处理。 一次校正，稳定性高，永不漂移。

1．2五线电阻屏

五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，我们可以简单

的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上，而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体，有触摸后

分时检测内层ITO接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线，

外层只作导体仅仅一条，触摸屏得引出线共有5条。 特点：解析度高，高速传输反应。 表面硬度高，减少擦

伤、刮伤及防化学处理。 同点接触3000万次尚可使用。 导电玻璃为基材的介质。 一次校正，稳定性高，永

不漂移。 五线电阻触摸屏有高价位和对环境要求高的缺点

1. 3电阻屏的局限

不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏,它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，它可

以用任何物体来触摸,可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。电阻触摸屏共同的

缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。

不过,在限度之内，划伤只会伤及外导电层，外导电层的划伤对于五线电阻触摸屏来说没有关系,而对四线电阻触

摸屏来说是致命的。

2、 电容式触摸屏

2．1电容技术触摸屏 ??

是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一

层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层ITO涂层作为工作面,四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽

层以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，

对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上

的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确

计算，得出触摸点的位置。

2．2电容触摸屏的缺陷

电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏，当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。电容屏反光严重，

而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反

射，还造成图像字符的模糊。 电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，当有导体靠近与夹

层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时，流走的电流就足够引起电容屏的误动作。我们知道，电容值虽

然与极间距离成反比，却与相对面积成正比，并且还与介质的的绝缘系数有关。因此，当较大面积的手掌或手

持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手扶住显

示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。 电容屏的另一个

缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。 电容屏更主要的缺

点是漂移：当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。例如：开

机后显示器温度上升会造成漂移：用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移；电容触摸屏附

近较大的物体搬移后回漂移，你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移；电容屏的漂移原因属于技术上的先

天不足，环境电势面（包括用户的身体）虽然与电容触摸屏离得较远，却比手指头面积大的多，他们直接影响

了触摸位置的测定。此外，理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性，如：体重不同或者手指湿润程度不

同的人吸走的总电流量是不同的，而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系，电容触摸屏采用

的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点，漂移后控制器不能察觉和恢复，而且，4个A/D完成后，

由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点，电容屏的漂移是

累积的，在工作现场也经常需要校准。 电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的

敲击，敲出一个小洞就会伤及夹层ITO，不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层，电容屏

就不能正常工作了。

3、红外线式触摸屏 （红外线式触摸屏工作原理图）

红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装

一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用

户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触

摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。 早期观念上，红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制

和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，因而一度淡出过市场。此后第二代红外屏部分解决了抗光干扰的问

题，第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进，但都没有在关键指标或综合性能上有质的飞跃。

但是，了解触摸屏技术的人都知道，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技

术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其它材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，如单一传感器的

受损、老化，触摸界面怕受污染、破坏性使用，维护繁杂等等问题。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能

和高分辨率，必将替代其它技术产品而成为触摸屏市场主流。 过去的红外触摸屏的分辨率由框架中的红外对管

数目决定，因此分辨率较低，市场上主要国内产品为32x32、40X32，另外还有说红外屏对光照环境因素比较敏

感，在光照变化较大时会误判甚至死机。这些正是国外非红外触摸屏的国内代理商销售宣传的红外屏的弱点。

而最新的技术第五代红外屏的分辨率取决于红外对管数目、扫描频率以及差值算法，分辨率已经达到了

1000X720，至于说红外屏在光照条件下不稳定，从第二代红外触摸屏开始，就已经较好的克服了抗光干扰这个

弱点。 第五代红外线触摸屏是全新一代的智能技术产品，它实现了1000*720高分辨率、多层次自调节和自恢

复的硬件适应能力和高度智能化的判别识别，可长时间在各种恶劣环境下任意使用。并且可针对用户定制扩充

功能，如网络控制、声感应、人体接近感应、用户软件加密保护、红外数据传输等。 原来媒体宣传的红外触摸

屏另外一个主要缺点是抗暴性差，其实红外屏完全可以选用任何客户认为满意的防暴玻璃而不会增加太多的成

本和影响使用性能，这是其他的触摸屏所无法效仿的。

4、表面声波触摸屏 （表面声波触摸屏工作原理图）?

4.1 表面声波

表面声波，超声波的一种，在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面浅层传播的机械能量波。通过楔形三角基

座（根据表面波的波长严格设计），可以做到定向、小角度的表面声波能量发射。表面声波性能稳定、易于分析，

并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性，近年来在无损探伤、造影和退波器方向上应用发展很快，表

面声波相关的理论研究、半导体材料、声导材料、检测技术等技术都已经相当成熟。 表面声波触摸屏的触摸屏

部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。玻

璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收

换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。

4.2 表面声波触摸屏工作原理

以右下角的X-轴发射换能器为例： 发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方

表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表

面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信

号。 当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左

边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所

有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比

最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。

发射信号与接收信号波形 在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其它能够吸收或

阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一

时刻位置上波形有一个衰减缺口。 接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐

标 控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。

除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压

力大小值。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。

4.3表面声波触摸屏特点

清晰度较高，透光率好。高度耐久，抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)。反应灵敏。不受温度、

湿度等环境因素影响，分辨率高，寿命长（维护良好情况下5000万次）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的

图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正；有第三轴（即压力轴）响应，目前在公共场所使用较多。 表面声

波屏需要经常维护，因为灰尘，油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使波不

能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用，用户需严格注意环境卫生。

必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁，并定期作一次全面彻底擦除。 ?

触摸屏原理

表面声波屏

声波屏的三个角分别粘贴着X，Y方向的发射和接收声波的换能器（换能器：由特殊陶瓷材料制成的，分为发

射换能器和接收换能器。是把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能和由反射条纹汇聚成的表面声

波能变为电信号。），四个边刻着反射表面超声波的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸

收，于是改变了接收信号，经过控制器的处理得到触摸的X，Y坐标。

四线电阻屏

四线电阻屏在表面保护涂层和基层之间覆着两层透明电导层ITO（ITO：氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到

1800个埃（埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时透光率又上升。

是所有电阻屏及电容屏的主要材料。），两层分别对应X，Y轴，它门之间用细微透明绝缘颗粒绝缘，当触摸时

产生的压力使两导电层接通，由于电阻值的变化而得到触摸的X，Y坐标。

五线电阻屏

五线电阻屏的基层之上覆有把X，Y两方向的电压场加在同一层的透明电导层ITO，最外层镍金导电层（镍金

导电层：五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展

性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命。）只用来作纯导体，当触摸时，用分时检测接触点X轴和Y轴电压

值的方法测得触摸点的位置。内层ITO需四条引线，外层一条，共5根引线。

电容屏

电容屏表面涂有透明电导层ITO，电压连接到四角，微小直流电散部在屏表面，形成均匀之电场，用手触屏时，

人体作为耦合电容一极，电流从屏四角汇集形成耦合电容另一极，通过控制器计算电流传到碰触位置的相对距

离得到触摸的坐标 。

红外屏

红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装

一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用