TRIZ理論在人機(jī)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?

劉鳳山,李 梅,楊 泰

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 ,山西 太原 030051)

人機(jī)工效學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科[1].從其研究內(nèi)容可以看出,人機(jī)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)是必不可少的.然而,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性.因而在人機(jī)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中就需要一種行之有效的理論進(jìn)行指導(dǎo).

發(fā)明問題解決理論(T RIZ)對研發(fā)和解決問題的思路有明確的指導(dǎo)性,即可以在解決問題之初,確定“解”的方法和位置,有效地避免各種傳統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法中反反復(fù)復(fù)進(jìn)行探索的工作[2].因此,把 TRIZ理論引入到人機(jī)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中,將有效解決設(shè)計(jì)中的沖突,縮短設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間.

1 TRIZ創(chuàng)新理論

T RIZ理論是由前蘇聯(lián)的根里奇?阿齊舒勒(Genrich Altshuller)及其研究同伴們通過對250萬份專利的研究后,于20世紀(jì) 40年代后期提出的.隨著人們對 TRIZ的學(xué)習(xí)和認(rèn)識,T RIZ除了在產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)更新中的應(yīng)用,也逐步涉及到管理、市場、心理學(xué)等不同的領(lǐng)域.

T RIZ是基于知識的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法學(xué),主要研究技術(shù)沖突和物理沖突[3].技術(shù)沖突是指一個(gè)作用同時(shí)導(dǎo)致有用和有害兩種結(jié)果,也可能有用作用的引入或有害效應(yīng)的消除導(dǎo)致一個(gè)或幾個(gè)子系統(tǒng)或系統(tǒng)變壞.技術(shù)沖突主要表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)子系統(tǒng)之間的沖突;物理沖突指為了實(shí)現(xiàn)某種功能,一個(gè)子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有一種特性,但同時(shí)出現(xiàn)了與此特性相反的特性.針對技術(shù)沖突,T RIZ的設(shè)計(jì)者 Altshuller等人提出了 40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理.對于解決物理沖突,TRIZ提供了 4條分離原理,即空間分離,時(shí)間分離,基于條件的分離,整體和部分的分離.另外,T RIZ理論利用 39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)及沖突矩陣,將特定與其可以發(fā)明原理聯(lián)系起來,便于實(shí)際創(chuàng)新過程中的應(yīng)用.

運(yùn)用 TRIZ解決發(fā)明問題中的技術(shù)沖突主要分為3步[4]：①分析技術(shù)系統(tǒng),確定系統(tǒng)中需要改善的因素.②明確技術(shù)沖突,識別改善過程中可能惡化的其他部分.③利用沖突矩陣來選用發(fā)明原理,從而解決技術(shù)沖突.

2 視覺疲勞分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 初步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

人機(jī)工效學(xué)視覺疲勞分析實(shí)驗(yàn)的目的是：模擬現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中手工作業(yè)工站,測試作業(yè)人員隨著工作時(shí)間的積累而引起的視覺疲勞對工作效率的影響程度.實(shí)驗(yàn)中共征集了 15名被試人員,年齡均在 20～30歲之間.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟如下：

1)生產(chǎn)環(huán)境的模擬.為模擬現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)環(huán)境,需要使用的實(shí)驗(yàn)儀器有：溫濕度計(jì)、聲振計(jì)、照度儀.經(jīng)測量,操作過程中實(shí)驗(yàn)室溫度為 20～ 25℃,濕度為 25%RH.因模擬的是簡單手工作業(yè),故無大型器械和高分貝聲源存在,噪音范圍為 70～ 80 dB.根據(jù)照明工程協(xié)會建議的工廠照明[5],小型工件、精密視覺工作宜采用的照度為600 lx.

2)作業(yè)過程的模擬.模擬手工作業(yè)可通過一種簡單乏味的操作來實(shí)現(xiàn)[6],本實(shí)驗(yàn)中利用手指靈活度測試儀對其進(jìn)行計(jì)量.手指靈活度測試儀是測定手指、手、手腕靈活性的心理學(xué)儀器,也可測定手和眼的協(xié)調(diào)能力.為保證作業(yè)過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度在中等以下,可在實(shí)驗(yàn)過程中對被試人員進(jìn)行心率監(jiān)控,心率在 125次 /分以下[7]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才有效.圖 1中選用了一位男性被測對象(安靜狀態(tài)下的心率為 69次 /分)和一位女性被測對象(安靜狀態(tài)下的心率為 76次 /分)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中手工作業(yè)過程中的心率變化曲線.二者身體健康,具有較好的代表性.由圖 1可以看出,在操作過程中,二者的心率一直處于 100次 /分以下,可見此作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度屬輕度,滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求.

圖1 心率變化曲線Fig.1 Heart rate curve

3)視覺疲勞的測定.可通過檢測閃爍臨界頻率(Critical Flicker Frequency,CFF)來測定視覺疲勞[8].閃爍臨界頻率即一個(gè)頻率較低的閃光刺激會產(chǎn)生忽明忽暗的感覺,叫光的閃爍;隨著閃光頻率不斷地增加,閃爍感覺就會逐漸消失,最后變成一個(gè)穩(wěn)定的光,叫光的融合;感到光融合時(shí)閃光的最低頻率和感到光閃爍時(shí)閃光的最高頻率的平均數(shù),叫閃爍臨界頻率.CFF反映了眼睛對光的刺激在時(shí)間上變化的分辨能力.隨著視覺疲勞的加重,這種辨別能力就會下降,從而 CFF的值就會降低.

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)的沖突分析與確定

TRIZ理論的應(yīng)用,首先應(yīng)當(dāng)明確發(fā)明問題中的各因素及其相互之間的影響[9].下面就通過對各部分疲勞的分析來確定技術(shù)沖突.疲勞是人在工作中由于經(jīng)受的活動(dòng)力度較大或者時(shí)間較長而產(chǎn)生的工作能力減退的狀態(tài),一般分為整體疲勞、局部疲勞、肌肉疲勞以及心理疲勞[10].在作業(yè)過程中,在產(chǎn)生視覺疲勞的同時(shí),必然伴隨著手、臂、肩等的局部疲勞.在此實(shí)驗(yàn)中,視覺疲勞與其他局部疲勞共同構(gòu)成了影響生產(chǎn)效率的因素,所以只是測定視覺疲勞,并不能確定其對工作效率的影響程度.因此,視覺疲勞與其他局部疲勞分別對工作效率影響程度的測定就構(gòu)成了一對技術(shù)沖突[11].根據(jù)以上對技術(shù)沖突的描述,可以在 T RIZ沖突矩陣表中查詢對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)和特性,如表 1所示.結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求,選定適用的發(fā)明原理[12],如表 2所示.

表1 沖突解決矩陣Tab.1 Conflict resolution matrix

表2 發(fā)明原理的選用Tab.2 Selection of inventiv e principles

2.3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)沖突分析而選定原理,對實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn).

1)預(yù)處理.在現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中,新招募工人與工作經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)人員的工作效率之間是有明顯差別的[13].在實(shí)驗(yàn)中,隨著工作量的增加,作業(yè)人員的操作熟練程度不斷地提高,這樣熟練程度對工作效率的影響比較大,就會干預(yù)疲勞對工作效率影響程度的研究.因而,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前兩天需要被試人員了解操作過程,并進(jìn)行反復(fù)操作,充分熟悉操作步驟和要領(lǐng).這樣在進(jìn)行測量時(shí),即使在實(shí)驗(yàn)初期,熟練程度的影響依然明顯,卻不影響中期和后期的數(shù)據(jù).

2)拋棄和再生部件.周期作業(yè)便有終末激發(fā)期的存在[14],即在工作即將完成前,由于大腦興奮致使工作效率提高的現(xiàn)象.這一段時(shí)期以及后面數(shù)據(jù)將不適用于視覺疲勞的研究,在后期對數(shù)據(jù)處理分析時(shí),應(yīng)丟棄這些數(shù)據(jù).

3)反過來做.視覺疲勞與其他局部疲勞共同影響工作效率,為檢測視覺疲勞的影響,也可反過來測定其他局部疲勞對工作效率的影響.通過增加對視覺反應(yīng)時(shí)和簡單運(yùn)動(dòng)時(shí)的測試,可以檢測其他局部疲勞程度并進(jìn)一步測試視覺疲勞,從而對視覺疲勞的影響范圍更加準(zhǔn)確地界定.

4)有效作用的連續(xù)性.由于實(shí)驗(yàn)測量分析的是隨著疲勞的積累,各項(xiàng)參數(shù)的變化,所以在實(shí)驗(yàn)過程中,被試人員操作不可以間斷,不可刻意休息,需盡量保證高效率作業(yè).

5)反饋.當(dāng)手、臂、肩等的局部疲勞明顯地影響到工作效率時(shí),已經(jīng)難以測定視覺疲勞的影響,這時(shí)實(shí)驗(yàn)須停止.疲勞程度就需要被試人員及時(shí)反饋.將疲勞程度分為五級[10],在受測人達(dá)到中度疲勞時(shí),就主動(dòng)要求實(shí)驗(yàn)停止.

6)惰性環(huán)境.實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境是不斷變化的,如溫濕度、噪聲、照明等都不是確定值,然而這些在相對較短的實(shí)驗(yàn)過程中是難以模擬的[15].為便于測量,實(shí)驗(yàn)中將采用惰性環(huán)境,即將作業(yè)測定環(huán)境維持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi),但同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)環(huán)境盡量接近實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境.

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)依次對其進(jìn)行檢測,所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后如圖 2～圖 4所示.圖 2的作業(yè)時(shí)間變化曲線中已去掉了終末激發(fā)期的數(shù)據(jù).另外,由于實(shí)驗(yàn)初期隨著被試人員操作熟練程度的提高,作業(yè)時(shí)間也相應(yīng)地減少,因此這一段曲線也不可用于視覺疲勞分析.在視覺疲勞分析中,僅采用第3次至第12次作業(yè)時(shí)間.對作業(yè)時(shí)間與閃爍臨界頻率、視覺反應(yīng)時(shí)和簡單運(yùn)動(dòng)時(shí)分別作相關(guān)分析,得到的相關(guān)系數(shù)為-0.94,0.67,-0.03.閃爍臨界頻率和簡單運(yùn)動(dòng)時(shí)分別反應(yīng)的是視覺疲勞和其他局部疲勞,視覺反應(yīng)時(shí)的變化是兩種疲勞共同作用的結(jié)果.可見,在這一段時(shí)間內(nèi),工作效率的變化主要是由視覺疲勞引起的,其他的局部疲勞程度較低,對工作效率的影響非常小.

圖2 作業(yè)時(shí)間變化曲線Fig.2 Chang e of operating time

圖3 CFF變化曲線Fig.3 Change of critical frequency of flicker

圖4 視覺反應(yīng)時(shí)和簡單運(yùn)動(dòng)時(shí)變化曲線Fig.4 Chang e of visual reaction time and simple mov ement time

3 結(jié)束語

經(jīng) TRIZ理論解決技術(shù)沖突后的實(shí)驗(yàn),主要改進(jìn)效果如下：①區(qū)分了同時(shí)產(chǎn)生的視覺疲勞與其他局部疲勞分別對工作效率的影響程度;②提出了實(shí)驗(yàn)中被忽略的環(huán)境因素設(shè)定;③排除了操作熟練程度對疲勞和工作效率的檢測的影響,全面考慮了體力疲勞以外的精神因素(終末激發(fā))對工作效率的影響,對實(shí)驗(yàn)后期數(shù)據(jù)的處理和分析起到指導(dǎo)作用.

T RIZ理論的產(chǎn)生是為了應(yīng)用于產(chǎn)品的創(chuàng)新過程,雖然其涉足的研究領(lǐng)域在逐漸擴(kuò)大,但是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍然稀少,理論中的大部分發(fā)明原理并不能直接引用.人機(jī)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)中有許多不確定因素,尤其是穩(wěn)定性較差的“人”作為被測試個(gè)體,更增加了實(shí)驗(yàn)難度.在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用 TRIZ理論,需要明確其中的技術(shù)沖突,選定標(biāo)準(zhǔn)解,并且需要充分結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體要求,將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為可行的設(shè)計(jì)方案.

[1]丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué) [M].第3版.北京：北京理工大學(xué)出版社,2005.

[2]王成軍,沈豫浙.應(yīng)用創(chuàng)造學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2010.

[3]檀潤華.發(fā)明問題解決理論[M].北京：科學(xué)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.工程心理學(xué) [M].北京：團(tuán)結(jié)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]馬江彬.人機(jī)工程學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)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.工業(yè)心理學(xué) [M].杭州：浙江教育出版社,2001.

[11]李祥松.TRIZ理論在滾輪轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)減振設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)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.創(chuàng)新算法 [M].譚培波,茹海燕,譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社,2008.

[13]王凡,孟立凡.關(guān)于機(jī)械加工中操作者技能水平的研究 [J].人類工效學(xué) ,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]蔡啟明.人因工程 [M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[15]顧力剛.V DT作業(yè)及其管理研究 [D].武漢：華中科技大學(xué),2004.