TRIZ理论在人机工效学实验设计中的应用❋

刘凤山,李 梅,杨 泰

(中北大学 机械工程与自动化学院 ,山西 太原 030051)

人机工效学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科[1].从其研究内容可以看出,人机工效学实验是必不可少的.然而,实验设计的合理性直接影响到实验结果的准确性和有效性.因而在人机工效学实验设计的过程中就需要一种行之有效的理论进行指导.

发明问题解决理论(T RIZ)对研发和解决问题的思路有明确的指导性,即可以在解决问题之初,确定“解”的方法和位置,有效地避免各种传统创新设计方法中反反复复进行探索的工作[2].因此,把 TRIZ理论引入到人机工效学实验设计过程中,将有效解决设计中的冲突,缩短设计所需要的时间.

1 TRIZ创新理论

T RIZ理论是由前苏联的根里奇◦阿齐舒勒(Genrich Altshuller)及其研究同伴们通过对250万份专利的研究后,于20世纪 40年代后期提出的.随着人们对 TRIZ的学习和认识,T RIZ除了在产品研发、技术更新中的应用,也逐步涉及到管理、市场、心理学等不同的领域.

T RIZ是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化方法学,主要研究技术冲突和物理冲突[3].技术冲突是指一个作用同时导致有用和有害两种结果,也可能有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏.技术冲突主要表现为一个系统中两个子系统之间的冲突;物理冲突指为了实现某种功能,一个子系统或元件应具有一种特性,但同时出现了与此特性相反的特性.针对技术冲突,T RIZ的设计者 Altshuller等人提出了 40个发明创造原理.对于解决物理冲突,TRIZ提供了 4条分离原理,即空间分离,时间分离,基于条件的分离,整体和部分的分离.另外,T RIZ理论利用 39个标准工程参数及冲突矩阵,将特定与其可以发明原理联系起来,便于实际创新过程中的应用.

运用 TRIZ解决发明问题中的技术冲突主要分为3步[4]：①分析技术系统,确定系统中需要改善的因素.②明确技术冲突,识别改善过程中可能恶化的其他部分.③利用冲突矩阵来选用发明原理,从而解决技术冲突.

2 视觉疲劳分析实验设计

2.1 初步实验设计

人机工效学视觉疲劳分析实验的目的是：模拟现代生产制造系统中手工作业工站,测试作业人员随着工作时间的积累而引起的视觉疲劳对工作效率的影响程度.实验中共征集了 15名被试人员,年龄均在 20～30岁之间.实验设计步骤如下：

1)生产环境的模拟.为模拟现代制造系统中的生产环境,需要使用的实验仪器有：温湿度计、声振计、照度仪.经测量,操作过程中实验室温度为 20～ 25℃,湿度为 25%RH.因模拟的是简单手工作业,故无大型器械和高分贝声源存在,噪音范围为 70～ 80 dB.根据照明工程协会建议的工厂照明[5],小型工件、精密视觉工作宜采用的照度为600 lx.

2)作业过程的模拟.模拟手工作业可通过一种简单乏味的操作来实现[6],本实验中利用手指灵活度测试仪对其进行计量.手指灵活度测试仪是测定手指、手、手腕灵活性的心理学仪器,也可测定手和眼的协调能力.为保证作业过程中的劳动强度在中等以下,可在实验过程中对被试人员进行心率监控,心率在 125次 /分以下[7]实验数据才有效.图 1中选用了一位男性被测对象(安静状态下的心率为 69次 /分)和一位女性被测对象(安静状态下的心率为 76次 /分)在进行实验中手工作业过程中的心率变化曲线.二者身体健康,具有较好的代表性.由图 1可以看出,在操作过程中,二者的心率一直处于 100次 /分以下,可见此作业的劳动强度属轻度,满足实验设计的要求.

图1 心率变化曲线Fig.1 Heart rate curve

3)视觉疲劳的测定.可通过检测闪烁临界频率(Critical Flicker Frequency,CFF)来测定视觉疲劳[8].闪烁临界频率即一个频率较低的闪光刺激会产生忽明忽暗的感觉,叫光的闪烁;随着闪光频率不断地增加,闪烁感觉就会逐渐消失,最后变成一个稳定的光,叫光的融合;感到光融合时闪光的最低频率和感到光闪烁时闪光的最高频率的平均数,叫闪烁临界频率.CFF反映了眼睛对光的刺激在时间上变化的分辨能力.随着视觉疲劳的加重,这种辨别能力就会下降,从而 CFF的值就会降低.

2.2 模拟实验的冲突分析与确定

TRIZ理论的应用,首先应当明确发明问题中的各因素及其相互之间的影响[9].下面就通过对各部分疲劳的分析来确定技术冲突.疲劳是人在工作中由于经受的活动力度较大或者时间较长而产生的工作能力减退的状态,一般分为整体疲劳、局部疲劳、肌肉疲劳以及心理疲劳[10].在作业过程中,在产生视觉疲劳的同时,必然伴随着手、臂、肩等的局部疲劳.在此实验中,视觉疲劳与其他局部疲劳共同构成了影响生产效率的因素,所以只是测定视觉疲劳,并不能确定其对工作效率的影响程度.因此,视觉疲劳与其他局部疲劳分别对工作效率影响程度的测定就构成了一对技术冲突[11].根据以上对技术冲突的描述,可以在 T RIZ冲突矩阵表中查询对应的标准工程参数和特性,如表 1所示.结合实验要求,选定适用的发明原理[12],如表 2所示.

表1 冲突解决矩阵Tab.1 Conflict resolution matrix

表2 发明原理的选用Tab.2 Selection of inventiv e principles

2.3 实验的改进

根据实验冲突分析而选定原理,对实验步骤进行优化和改进.

1)预处理.在现代生产制造系统中,新招募工人与工作经验丰富的作业人员的工作效率之间是有明显差别的[13].在实验中,随着工作量的增加,作业人员的操作熟练程度不断地提高,这样熟练程度对工作效率的影响比较大,就会干预疲劳对工作效率影响程度的研究.因而,在进行实验前两天需要被试人员了解操作过程,并进行反复操作,充分熟悉操作步骤和要领.这样在进行测量时,即使在实验初期,熟练程度的影响依然明显,却不影响中期和后期的数据.

2)抛弃和再生部件.周期作业便有终末激发期的存在[14],即在工作即将完成前,由于大脑兴奋致使工作效率提高的现象.这一段时期以及后面数据将不适用于视觉疲劳的研究,在后期对数据处理分析时,应丢弃这些数据.

3)反过来做.视觉疲劳与其他局部疲劳共同影响工作效率,为检测视觉疲劳的影响,也可反过来测定其他局部疲劳对工作效率的影响.通过增加对视觉反应时和简单运动时的测试,可以检测其他局部疲劳程度并进一步测试视觉疲劳,从而对视觉疲劳的影响范围更加准确地界定.

4)有效作用的连续性.由于实验测量分析的是随着疲劳的积累,各项参数的变化,所以在实验过程中,被试人员操作不可以间断,不可刻意休息,需尽量保证高效率作业.

5)反馈.当手、臂、肩等的局部疲劳明显地影响到工作效率时,已经难以测定视觉疲劳的影响,这时实验须停止.疲劳程度就需要被试人员及时反馈.将疲劳程度分为五级[10],在受测人达到中度疲劳时,就主动要求实验停止.

6)惰性环境.实际生产作业环境是不断变化的,如温湿度、噪声、照明等都不是确定值,然而这些在相对较短的实验过程中是难以模拟的[15].为便于测量,实验中将采用惰性环境,即将作业测定环境维持在相对稳定的范围内,但同时要求实验环境尽量接近实际生产环境.

2.4 实验验证与数据分析

应用改进后的实验依次对其进行检测,所得到的实验数据经整理后如图 2～图 4所示.图 2的作业时间变化曲线中已去掉了终末激发期的数据.另外,由于实验初期随着被试人员操作熟练程度的提高,作业时间也相应地减少,因此这一段曲线也不可用于视觉疲劳分析.在视觉疲劳分析中,仅采用第3次至第12次作业时间.对作业时间与闪烁临界频率、视觉反应时和简单运动时分别作相关分析,得到的相关系数为-0.94,0.67,-0.03.闪烁临界频率和简单运动时分别反应的是视觉疲劳和其他局部疲劳,视觉反应时的变化是两种疲劳共同作用的结果.可见,在这一段时间内,工作效率的变化主要是由视觉疲劳引起的,其他的局部疲劳程度较低,对工作效率的影响非常小.

图2 作业时间变化曲线Fig.2 Chang e of operating time

图3 CFF变化曲线Fig.3 Change of critical frequency of flicker

图4 视觉反应时和简单运动时变化曲线Fig.4 Chang e of visual reaction time and simple mov ement time

3 结束语

经 TRIZ理论解决技术冲突后的实验,主要改进效果如下：①区分了同时产生的视觉疲劳与其他局部疲劳分别对工作效率的影响程度;②提出了实验中被忽略的环境因素设定;③排除了操作熟练程度对疲劳和工作效率的检测的影响,全面考虑了体力疲劳以外的精神因素(终末激发)对工作效率的影响,对实验后期数据的处理和分析起到指导作用.

T RIZ理论的产生是为了应用于产品的创新过程,虽然其涉足的研究领域在逐渐扩大,但是在实验设计中的应用仍然稀少,理论中的大部分发明原理并不能直接引用.人机工效学实验中有许多不确定因素,尤其是稳定性较差的“人”作为被测试个体,更增加了实验难度.在实验设计过程中应用 TRIZ理论,需要明确其中的技术冲突,选定标准解,并且需要充分结合实验的具体要求,将标准解转化为可行的设计方案.

[1]丁玉兰.人机工程学 [M].第3版.北京：北京理工大学出版社,2005.

[2]王成军,沈豫浙.应用创造学[M].北京：北京大学出版社,2010.

[3]檀润华.发明问题解决理论[M].北京：科学出版社,2004.

[4]Rajagopalan S,Andrzej K.Application of the T RIZ creativity enhancement approach to design of inherentlysafer chemical processes[J].Chemical Engineering and Processing,2006,45(6)：507-514.

[5]方俐洛.工程心理学 [M].北京：团结出版社,1989.

[6]Hu Bo,Ma Liang,Zhang Wei,et al.Predicting realworld ergonomic measurements by simulation in a virtual environment[J]. InternationalJournal of Industrial Ergonomics,2011,41(1)：64-71.

[7]马江彬.人机工程学及其应用[M].北京：机械工业出版社,1993.

[8]James L,Mukunda C A.The relationship between macular pigment and visual performance[J].Vision Research,2010,50(13)：1249-1256.

[9]Johannes F,Jurgen J,Stefan B,et al.The theory of inventive problem solving as option generation tool within cleanerproduction projects[J]. Journal of Cleaner Production,2010,18(2)：128.

[10]朱祖祥.工业心理学 [M].杭州：浙江教育出版社,2001.

[11]李祥松.TRIZ理论在滚轮转子式压缩机减振设计中的应用 [J].机电产品开发与创新,2009,22(4)：1.Li Xiangsong. Application ofTRIZ todamping design of rolling piston type rotary compressor[J].Development&Innovation of Machinery&Electrical Products,2009,22(4)：1.(in Chinese)

[12]根里奇◦阿奇舒勒.创新算法 [M].谭培波,茹海燕,译.武汉：华中科技大学出版社,2008.

[13]王凡,孟立凡.关于机械加工中操作者技能水平的研究 [J].人类工效学 ,2005,11(3)：4-6.Wang Fan,M eng Lifan.Study on the skill level of operators in machine process[J].Chinese Journal of Ergonomics,2005,11(3)：4-6.(in Chinese)

[14]蔡启明.人因工程 [M].北京：科学出版社,2005.

[15]顾力刚.V DT作业及其管理研究 [D].武汉：华中科技大学,2004.