《智能制造系統(tǒng)感知分析與決策 》 課件 第9章 制造系統(tǒng)適人性評估與驗證

2024第9章制造系統(tǒng)適人性評估與驗證導(dǎo)讀本章探討了人的感知覺特性及其在制造系統(tǒng)中的交互應(yīng)用。分析多通道交互手段，并對比了它們的特點以確定適用場景。討論制造現(xiàn)場中作業(yè)人員的基礎(chǔ)能力與疲勞變化，強(qiáng)調(diào)制造系統(tǒng)需感知作業(yè)人員的交互特性與狀態(tài)。通過需求分析和增強(qiáng)現(xiàn)實環(huán)境下的多通道交互手段，展示制造系統(tǒng)適人性評估與驗證的實例，為虛實融合技術(shù)集成提供了應(yīng)用案例。01人的感知覺特性02多通道交互特性03作業(yè)能力與作業(yè)疲勞04人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證05本章小結(jié)06項目單元07本章習(xí)題目錄01PARTONE人的感知覺特性1人的感知覺特性在日常生活中，我們通過感官與環(huán)境互動并感知世界。感覺和知覺是認(rèn)知的兩個基本階段，共同幫助我們理解外界信息。感覺為知覺提供基礎(chǔ)，知覺是對感覺信息的加工，讓我們更深入地理解世界。接下來，我們將探討感覺和知覺的特性，以及它們?nèi)绾问苌怼⑿睦砗铜h(huán)境因素的影響，并討論如何提高感知能力。理解這些概念有助于我們設(shè)計更人性化、高效的交互系統(tǒng)。1人的感知覺特性1.1人的感覺特性感覺是指通過感覺器官直接接收來自環(huán)境的物理刺激，并在大腦中轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號的過程。這些神經(jīng)信號隨后被大腦解讀為具體的感知體驗，如視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等。1人的感知覺特性1.1.1感覺的分類外部感覺包括視覺、味覺、嗅覺、聽覺和皮膚感覺等，它們是對外部世界的感知。內(nèi)部感覺包括如運(yùn)動覺、平衡覺和機(jī)體覺（包括內(nèi)臟覺和痛覺），它們提供關(guān)于身體內(nèi)部狀態(tài)和位置的信息。1人的感知覺特性1.1.2感覺器官及其信息接收能力人通過感覺器官獲得關(guān)于周圍環(huán)境和自身狀態(tài)的各種信息。感覺器官中的感受器是接收刺激的專門裝置。感受器按其接受刺激的性質(zhì)可分為視、聽、觸、味、膚覺等多種感受器。每一種感受器通常只對一種能量形式的刺激特別敏感，這種刺激就是該感受器的適宜刺激。1人的感知覺特性1.1.2感覺器官及其信息接收能力人的感覺和各類感受器的適宜刺激1人的感知覺特性1.1.3感覺閾限絕對感覺閾限：感官對信號刺激的能量有特定要求，稱為絕對感覺閾限。信號能量需超過最小刺激量以引起感覺，而最大刺激量則為感覺閾上限，超過此上限可能無效或?qū)θ梭w造成傷害。1人的感知覺特性1.1.3感覺閾限差別感覺閾限：當(dāng)信號刺激能量在絕對感覺閾限范圍內(nèi)時，人能感知到信號及其能量差異。最小可感知差異稱為差別感覺閾限，感知這種差異的能力稱為差別感受性。1人的感知覺特性1.1.4感覺的特性感覺適應(yīng)：持續(xù)刺激下，感官敏感性降低，如久聞不覺臭。感覺后象：刺激停止后，感覺印象仍短暫留存，如暗室中火柴轉(zhuǎn)動留下的火花圈。感覺對比：不同刺激影響同一感官，產(chǎn)生對比現(xiàn)象，分同時對比（如黑人牙齒顯白）和繼時對比（如吃藥后糖更甜）。聯(lián)覺：一種刺激引發(fā)一種感覺并同時引起另一種感覺，如黑色給人沉悶感。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性視覺是關(guān)鍵感官，幫助我們捕捉和理解環(huán)境的視覺信息。這些信息通常以光線形式存在，被眼睛捕捉并經(jīng)過生理反應(yīng)，由大腦解析成圖像。視覺系統(tǒng)主要由眼睛和大腦組成，眼睛接收光線并聚焦在視網(wǎng)膜上，大腦則解析圖像為可理解信息。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性視野與視距

視野是指在頭部和眼球固定時，眼睛正前方所能看見的空間范圍。視野的大小和形狀與視網(wǎng)膜上感覺細(xì)胞的分布有關(guān)，可通過視野計測定。視距是在操作系統(tǒng)中正常的觀察距離。視距不當(dāng)會影響認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確性，且與工作精確度相關(guān)，應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求選擇最佳視距。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性暗適應(yīng)與明適應(yīng)視覺器官的感受性隨光亮度變化而變化，這種適應(yīng)性稱為視覺適應(yīng)，分為暗適應(yīng)和明適應(yīng)。暗適應(yīng)是指從亮處進(jìn)入暗處時，眼睛需要一段時間才能看清物體。開始時，瞳孔放大，視桿細(xì)胞逐漸活躍，整個過程約需30分鐘。明適應(yīng)則是相反過程，瞳孔縮小，視錐細(xì)胞迅速活躍，感受性迅速降低，約1分鐘后完成。1人的感知覺特性1.1.5視覺特性①眼睛在水平方向上的運(yùn)動比垂直方向更迅速且不易疲勞，通常先察覺水平方向的物體。因此，許多儀表設(shè)計為橫向長方形以適應(yīng)這一視覺特性。②視線的變化習(xí)慣于從左到右，從上到下和順時針方向運(yùn)動。所以，儀表的刻度方向設(shè)計應(yīng)遵循這一規(guī)律。③人眼對水平方向尺寸和比例的估計更準(zhǔn)確，導(dǎo)致水平式儀表的誤讀率（28%）低于垂直式儀表（35%）。④眼睛偏離視中心時，左上區(qū)域觀察效果最佳，右下區(qū)域最差。儀表布置應(yīng)考慮這一視覺特性。⑤兩眼的運(yùn)動協(xié)調(diào)同步，正常情況下不可能一只眼睛轉(zhuǎn)動而另一只眼睛不動，因而通常都以雙眼視野為設(shè)計依據(jù)。1人的感知覺特性1.1.6聽覺特性聽覺是僅次于視覺的重要感覺，其適宜的刺激是聲音。振動的物體是聲音的聲源，振動在彈性介質(zhì)中以波的方式進(jìn)行傳播，所產(chǎn)生的彈性波稱為聲波，一定頻率范圍的聲波作用于人耳就產(chǎn)生了聲音的感覺。1人的感知覺特性與聽覺相關(guān)的物理量①聲壓：聲波對媒體的作用，單位是Pa，1Pa=1N/m2。是人耳主觀感覺的音量強(qiáng)度。它取決于聲音頻率、聲強(qiáng)和聲波的波形。②基礎(chǔ)聲壓：一般取為2×10-5Pa，正常人耳對1000Hz聲音剛剛能覺察其存在的聲壓值，也就是1000Hz聲音的可聽閾聲壓。1人的感知覺特性聽覺的絕對感受閾聲音的聲壓必須超過某一最小值，才能使人產(chǎn)生聽覺。因此，能引起有聲音感覺的最小聲壓級稱為聽閾。不同頻率的聲音聽閾不同。在理想情況下，人對1000Hz純音的絕對閾限為0.00002Pa。1人的感知覺特性聽覺的空間定位聽覺通過感知聲音到達(dá)雙耳的時間和強(qiáng)度差異來定位聲源。1cm距離差導(dǎo)致約0.029ms的時間差。高頻聲源主要依據(jù)強(qiáng)度差，低頻聲源依據(jù)時間差進(jìn)行方位判斷。1人的感知覺特性掩蔽效應(yīng)掩蔽是指一個聲音被另一個聲音掩蓋的現(xiàn)象，掩蔽效應(yīng)是聽閾因掩蔽而提高的現(xiàn)象。設(shè)計聽覺裝置時，需根據(jù)需要利用或避免掩蔽效應(yīng)。掩蔽聲去除后，掩蔽效應(yīng)不會立即消失，稱為殘余掩蔽或聽覺殘留。1人的感知覺特性1.2人的知覺特性感覺提供零散、原始信息，而知覺則是對這些信息的整合和解釋，形成有意義的感知體驗。知覺是多種感覺的綜合，源自感覺，且與感覺緊密相關(guān)，常合稱為“感知覺”。1人的感知覺特性1.2.1知覺的基本特性（1）整體性：知覺對象是由許多部分組成的，各部分具有不同的特征，人們并不把對象感知為許多個別的孤立部分，而總是把它知覺為一個統(tǒng)一的整體。01（2）選擇性：在每一時刻里作用于人的感覺器官的刺激是眾多的。人能選擇其中少數(shù)刺激加以反應(yīng)。這種對外來信息有選擇的進(jìn)行加工的能力稱為知覺的選擇性。02（3）恒常性：知覺恒常性是指在知覺條件變化時，由于知識和經(jīng)驗的影響，人們對客觀事物的感知保持相對穩(wěn)定，如大小、亮度等屬性。03（4）理解性：人們在感知現(xiàn)實界的對象和現(xiàn)象時，往往根據(jù)以前所獲得的知識和經(jīng)驗來解釋它們。知覺的理解性是通過人在知覺過程中的思維活動而實現(xiàn)的。041人的感知覺特性1.2.2知覺的信息加工知覺的信息加工主要有兩種：自下而上的加工和自上而下的加工。自下而上：知覺的產(chǎn)生依賴于感覺器官提供的信息，即客觀事物的特性，對這些特性的加工叫自下而上的加工，或叫數(shù)據(jù)驅(qū)動加工。自下而上的加工基于感覺信息。例如，對顏色和明度知覺依賴于光的波長和強(qiáng)度。自上而下：知覺的產(chǎn)生依賴于個體的知識經(jīng)驗、興趣和心理準(zhǔn)備狀態(tài)，這涉及到自上而下的加工，即概念驅(qū)動的加工。自上而下的加工需要經(jīng)驗介入以整合信息。兩者相互補(bǔ)充，共同作用。1人的感知覺特性1.2.3錯覺錯覺是對外界事物的錯誤知覺，是知覺恒常性的顛倒，包括空間、大小、形狀、方向、距離和運(yùn)動錯覺等。圖中每一條水平線都是完全互相平行的，要證明這一點，只需要斜視或者從側(cè)面入視圖像，但即便完全確信這些線條是平時的之后，這種視錯覺依然存在。1人的感知覺特性1.2.3錯覺增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（AR）是將現(xiàn)實與虛擬信息融合的新興技術(shù)。它通過電腦、手機(jī)、AR眼鏡等設(shè)備，模擬并疊加虛擬信息到現(xiàn)實世界中，增強(qiáng)人們的感官體驗。AR通過計算機(jī)技術(shù)，在真實世界中創(chuàng)造虛擬物體，形成新的視覺世界，提供更真實的視錯覺體驗。AR中的視錯覺02PARTTWO多通道交互特性2多通道交互特性在數(shù)字化和智能化時代，人機(jī)交互已融入日常生活。多通道交互技術(shù)結(jié)合了多種輸入（如語音、眼動、手勢）和輸出（如語音、視覺、觸覺反饋），模擬人類自然交流，使交互更直觀、自然。2多通道交互特性2.1語音交互特性隨著人工智能的發(fā)展，語音識別技術(shù)迅速進(jìn)步，推動了語音交互技術(shù)的成熟。語音交互通過自然語言實現(xiàn)人機(jī)對話，比傳統(tǒng)交互方式更自然、高效。人類語言的多樣性，如口音、語法等，對語音識別提出挑戰(zhàn)。目前，市場上有多種語音交互產(chǎn)品，如智能助手和智能音響，它們集成了語音助手功能，展示了語音交互技術(shù)在實際應(yīng)用中的快速發(fā)展。2多通道交互特性2.1.1語音交互技術(shù)組成語音交互技術(shù)主要組成部分：語音識別（ASR）：語音識別技術(shù)將口頭語言轉(zhuǎn)換為文本，包括聲學(xué)特征提取、模型構(gòu)建和語言解碼。深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展顯著提高了識別率。語音合成（TTS）：語音合成技術(shù)將文本轉(zhuǎn)換成自然語音，使機(jī)器能以人類語音形式交流。自然語言處理（NLP）：自然語言處理技術(shù)是語音交互技術(shù)的核心，負(fù)責(zé)對文本進(jìn)行語法和語義分析，使機(jī)器理解并響應(yīng)人類語言。2多通道交互特性2.1.2語音交互的優(yōu)勢語音交互快速、簡單、自然，能提高效率并釋放雙手。它符合人類本能，無需學(xué)習(xí)成本，提供更自然的體驗。此外，它能通過語氣、語調(diào)理解用戶意圖和情感，實現(xiàn)智能交互。2多通道交互特性2.1.3語音交互技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域A（1）智能家居：通過語音指令控制家電設(shè)備，如開關(guān)燈、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度等。B（2）智能助手：如蘋果Siri、微軟Cortana等，為用戶提供信息查詢、日程管理等服務(wù)。C（3）車載系統(tǒng)：通過語音交互實現(xiàn)導(dǎo)航、音樂播放等功能，提高駕駛安全性。DE（4）醫(yī)療領(lǐng)域：在手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)設(shè)備等場景中應(yīng)用語音交互技術(shù)，提高醫(yī)療效率。（5）教育娛樂：在語言學(xué)習(xí)、游戲等場景中應(yīng)用語音交互技術(shù)，提升用戶體驗。2多通道交互特性2.1.4技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，語音交互技術(shù)將在以下幾個方面得到進(jìn)一步突破：提高識別準(zhǔn)確率：通過深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，不斷提高語音識別技術(shù)的識別準(zhǔn)確率。增強(qiáng)交互自然性：通過自然語言處理技術(shù)，使機(jī)器更好地理解人類的語言意圖，實現(xiàn)更加自然的交互方式。跨語言交互：支持多種語言的語音交互技術(shù)，滿足不同用戶的需求。情感識別與表達(dá)：通過語音情感分析技術(shù)，使機(jī)器能夠識別并表達(dá)情感，提高交互的親和力。2多通道交互特性2.2眼動交互特性眼動交互技術(shù)是智能人機(jī)交互領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，它通過捕捉和分析眼動信息，如凝視和眨眼，實現(xiàn)用戶與設(shè)備間的自然交互，反映視覺感知和認(rèn)知活動。2多通道交互特性2.2.1眼動交互技術(shù)原理眼動交互技術(shù)依賴于眼睛跟蹤技術(shù)，通過測量眼球運(yùn)動來確定視點位置和視線方向。主要方法包括瞳孔檢測和注視估計。國際上已有成熟的眼動跟蹤設(shè)備，如Eyelink、ASL、SMI和Tobii眼動儀，為眼動交互提供技術(shù)支持。2多通道交互特性2.2.2眼動交互過程眼控交互過程通常劃分為識別、選擇、觸發(fā)和釋放四個階段，在交互過程中，每一步的具體呈現(xiàn)都應(yīng)當(dāng)給予用戶明確的提示。這種明確的信息反饋應(yīng)當(dāng)是可視化的，使用戶能夠明確感知到系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。眼控交互階段對應(yīng)的描述與反饋形式2多通道交互特性2.2.3眼動交互技術(shù)應(yīng)用場景（3）虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實：如MicrosoftHoloLens2，通過眼動追蹤技術(shù)，實現(xiàn)更加自然、沉浸的交互體驗。3（1）輔助駕駛：通過眼動信息監(jiān)測駕駛員的注意力狀態(tài)，提高駕駛安全性。12（2）醫(yī)療診斷：通過分析患者的眼動數(shù)據(jù)，輔助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷。2多通道交互特性2.2.4技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢眼動交互技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題：視覺反饋機(jī)制：缺乏有效的眼控交互視覺反饋機(jī)制，導(dǎo)致用戶無法準(zhǔn)確獲取當(dāng)前眼控交互進(jìn)程與狀態(tài)，影響交互體驗。意圖識別：米達(dá)斯接觸問題指的是用戶眼動的隨意性使得計算機(jī)難以準(zhǔn)確識別其意圖，區(qū)分有意和無意的眼動是眼控交互中的挑戰(zhàn)。視疲勞問題：眼控交互過程中依賴眼睛作為交互通道，增加了眼部負(fù)擔(dān)。因此，深入研究視疲勞的產(chǎn)生機(jī)理和避免策略是實現(xiàn)自然眼控交互的關(guān)鍵技術(shù)之一。2多通道交互特性2.3手勢交互特性手勢是肢體語言的關(guān)鍵部分，能在交流中傳達(dá)語言難以表達(dá)的意圖和情感。手勢識別技術(shù)是人機(jī)交互領(lǐng)域的重要分支，它通過捕捉和分析肢體動作使計算機(jī)理解人類手勢，提供更自然、直觀的交互方式，并提升操作效率和體驗。2多通道交互特性2.3.1手勢識別技術(shù)原理（1）數(shù)據(jù)采集：使用攝像頭、傳感器或其他圖像采集設(shè)備捕捉用戶的手部動作，獲取包含手勢信息的圖像或視頻數(shù)據(jù)。（2）預(yù)處理：對采集到的圖像或視頻進(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)整圖像大小、濾波、邊緣檢測等，以提高后續(xù)處理的準(zhǔn)確性和效率。（3）特征提?。豪脠D像處理算法提取出手勢的關(guān)鍵特征，如手的形狀、運(yùn)動軌跡、手指關(guān)節(jié)的位置等。這些特征將用于描述和識別不同的手勢。（4）特征選擇和降維：從提取到的特征中選擇最具代表性的幾個特征，并進(jìn)行降維處理。這一步可以減少特征維度，提高后續(xù)分類和識別的效果。（5）分類和識別：利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，將提取到的特征與已有的手勢模式進(jìn)行比對和分類，從而識別出手勢。手勢識別技術(shù)的核心在于通過數(shù)學(xué)算法和計算機(jī)視覺技術(shù)，捕捉、分析和理解人類的手部動作，從而將其轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可理解的指令或信號。其技術(shù)原理主要包括以下幾個步驟：2多通道交互特性2.3.2手勢識別應(yīng)用場景手勢識別技術(shù)典型應(yīng)用場景：（1）在智能手機(jī)和平板電腦上，手勢識別技術(shù)允許用戶通過滑動、縮放、旋轉(zhuǎn)等手勢操作，增強(qiáng)了交互體驗。（2）在游戲娛樂領(lǐng)域，手勢識別技術(shù)提供了沉浸式體驗，玩家可以通過手勢直接控制游戲動作。（3）在智能家居中，手勢識別技術(shù)簡化了設(shè)備控制，用戶可以輕松地通過手勢來開關(guān)設(shè)備或調(diào)節(jié)設(shè)置。2多通道交互特性2.3.3技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢多樣性與準(zhǔn)確性的挑戰(zhàn)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用：手勢識別面臨多樣性和復(fù)雜性的挑戰(zhàn)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用通過模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動提取關(guān)鍵特征，提高手勢識別的準(zhǔn)確率。隨著技術(shù)進(jìn)步，識別準(zhǔn)確率有望進(jìn)一步提升。2多通道交互特性2.3.3技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢環(huán)境干擾的挑戰(zhàn)與多模態(tài)融合：環(huán)境干擾如光照、噪聲和遮擋會影響手勢識別效果。多模態(tài)融合方法結(jié)合語音、觸摸、視覺等交互方式，使手勢識別系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下更穩(wěn)健，提高準(zhǔn)確率并增強(qiáng)用戶體驗。2多通道交互特性2.3.3技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢實時性與計算成本的挑戰(zhàn)與硬件與軟件的協(xié)同優(yōu)化：手勢識別系統(tǒng)要求實時性和準(zhǔn)確性，但復(fù)雜算法可能消耗大量計算資源，影響實時性。研究者通過硬件和軟件的協(xié)同優(yōu)化來降低計算成本并提高效率，隨著硬件技術(shù)進(jìn)步，系統(tǒng)的實時性將提升。03PARTTHREE作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞ATP-CP系列在要求能量釋放速度很快的情況下，肌細(xì)胞中的ATP能量由磷酸肌酸（CP）與二磷酸腺苷合成予以補(bǔ)充，即：上述過程簡稱為ATP-CP系列。ATP-CP系列提供能量的速度極快，但由于CP在人體內(nèi)的儲量有限，其產(chǎn)能過程只能維持肌肉進(jìn)行大強(qiáng)度活動幾秒鐘。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞需氧系列在中等勞動強(qiáng)度下，ATP以中等速度分解，又通過糖和脂肪的氧化磷酸化合成而得到補(bǔ)充。這一過程需要氧參與合成ATP，故稱為需氧系列。在合成的開始階段，以糖的氧化磷酸化為主；隨著持續(xù)活動時間的延長，脂肪的氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕^程。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞乳酸系列在大強(qiáng)度勞動時，能量需求速度較快，相應(yīng)ATP的分解也必須加快，但其受到供氧能力的限制。此時便靠無氧糖酵解產(chǎn)生乳酸的方式來提供能量，故稱其為乳酸系列乳酸逐漸擴(kuò)散到血液，一部分排出體外，一部分在肝、腎內(nèi)部又合成為糖原。營養(yǎng)充足合理的條件下，經(jīng)過休息，乳酸可以較快的合成為糖原。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞.3.1.1人體能量的產(chǎn)生機(jī)理三種產(chǎn)能的一般特性3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞.3.1.1人體能量的產(chǎn)生機(jī)理肌肉活動時能量的來源示意圖3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)人體作業(yè)時的需氧量取決于勞動強(qiáng)度和持續(xù)時間，強(qiáng)度越大、時間越長，需氧量越多。氧需的滿足主要依賴循環(huán)系統(tǒng)和呼吸器官。最大攝氧量是血液每分鐘能供應(yīng)的最大氧量，成年人通常不超過3L/min，常鍛煉者可達(dá)4L/min以上，老年人則為1～2L/min。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)在體力作業(yè)中，隨著勞動強(qiáng)度增加，需氧量上升，但攝氧能力有限。當(dāng)需氧量超過最大攝氧量時，人體依賴無氧糖酵解供能，導(dǎo)致體內(nèi)氧虧負(fù)，形成氧債。氧債及其補(bǔ)償3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)當(dāng)作業(yè)需氧量小于最大攝氧量時：作業(yè)初期2-3分鐘內(nèi)，心肺功能未同步，肌肉暫時缺氧工作，產(chǎn)生輕微氧債（圖中的A區(qū)）。隨后，心肺功能逐漸適應(yīng)，呼吸和循環(huán)系統(tǒng)加強(qiáng)，氧供應(yīng)滿足需求，達(dá)到動態(tài)平衡，作業(yè)可長時間持續(xù)。作業(yè)結(jié)束后，恢復(fù)期需償還氧債（圖中的B區(qū)），理論上A區(qū)等于B區(qū)。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.2作業(yè)時人體的耗氧動態(tài)當(dāng)作業(yè)勞動強(qiáng)度過大，需氧量超過最大攝氧量時：即使心肺功能逐漸適應(yīng)，穩(wěn)定狀態(tài)仍被破壞，機(jī)體在缺氧狀態(tài)下工作，持續(xù)時間受限于氧債能力，一般約為10L。如果勞動者每分鐘供氧量為4L，而最大攝氧量為3L/min，每分鐘將產(chǎn)生1L氧債，以7g乳酸為代價（圖中的A區(qū)）。這種情況下，作業(yè)時間最多持續(xù)10分鐘，達(dá)到氧債衰竭狀態(tài)?；謴?fù)期需償還的氧債為A區(qū)加C區(qū)之和。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.1.3能量代謝能量代謝是指人體能量的產(chǎn)生和消耗。人體代謝的能量等于體外做功的能量和體內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱的能量之和。在無體外做功時，體內(nèi)能量等于散發(fā)的熱量，以維持體溫恒定。能量代謝分為三種，即基礎(chǔ)代謝、安靜代謝和活動代謝。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞基礎(chǔ)代謝人體代謝速率隨條件變化而異?；A(chǔ)代謝是指在特定基礎(chǔ)條件下（清醒、靜臥、空腹、室溫約20℃）的能量代謝?；A(chǔ)代謝率（BMR）表示單位時間內(nèi)維持基本生命活動的能量消耗。健康人的基礎(chǔ)代謝率相對穩(wěn)定，波動一般不超過平均值的15%。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞安靜代謝安靜代謝是指在作業(yè)或勞動開始前，為維持身體平衡和姿勢所對應(yīng)的能量代謝，包括基礎(chǔ)代謝量。測定通常在作業(yè)前后進(jìn)行，被測者靜坐，通過呼氣分析法測量。安靜狀態(tài)可通過呼吸或脈搏判斷，安靜代謝率（R）通常取基礎(chǔ)代謝率的120%。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞能量代謝能量代謝量是指人體在作業(yè)或運(yùn)動時消耗的總能量，記為M。它與勞動強(qiáng)度直接相關(guān)，是計算每日能量消耗和所需熱量補(bǔ)給的依據(jù)，也是評估作業(yè)負(fù)荷的重要指標(biāo)。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞相對能量代謝率體力勞動強(qiáng)度不同，消耗的能量也不同。由于勞動者個體差異，即使勞動強(qiáng)度相同，能量消耗也有差異。為了統(tǒng)一衡量，通常使用活動代謝率與基礎(chǔ)代謝率的比值，即相對能量代謝率（RMR），來評估勞動強(qiáng)度。還可用簡易方法近似計算人在體力勞動中的能量消耗：3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2作業(yè)能力的動態(tài)變化作業(yè)能力是指作業(yè)者完成某種作業(yè)所具備的生理、心理特征，這些特征綜合體現(xiàn)了個體所蘊(yùn)藏的內(nèi)部潛力。在實際生產(chǎn)過程中，這種潛力可以從作業(yè)者單位作業(yè)時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量間接地體現(xiàn)出來。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.2作業(yè)能力的動態(tài)變化規(guī)律作業(yè)能力隨著作業(yè)時間和作業(yè)環(huán)境的變化而呈現(xiàn)動態(tài)變化。在實際生產(chǎn)過程中，當(dāng)作業(yè)動機(jī)等其他因素保持相對穩(wěn)定時，生產(chǎn)成果的波動主要反映了作業(yè)能力的變化。這種變化一般可以分為三個階段。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.2作業(yè)能力的動態(tài)變化規(guī)律作業(yè)能力變化階段：（1）入門期（InductionPeriod）：工作日開始時，作業(yè)者因神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)尚未完全適應(yīng)，導(dǎo)致工作效率較低。隨時間推移作業(yè)者適應(yīng)環(huán)境，效率提升。此階段工作動力定型鞏固，生產(chǎn)率提高，不良品率下降。（2）穩(wěn)定期（SteadyPeriod）：當(dāng)作業(yè)能力達(dá)到最高水平時，即進(jìn)入穩(wěn)定期。此階段作業(yè)者的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量保持在一個相對穩(wěn)定的水平，其他相關(guān)指標(biāo)變動不大。（3）疲勞期（FatiguePeriod）：作業(yè)者開始感到勞累，作業(yè)速度和準(zhǔn)確性開始降低，不良品率開始增加。疲勞期的出現(xiàn)標(biāo)志著作業(yè)者需要休息和恢復(fù)體力，以避免過度疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.2作業(yè)能力的動態(tài)變化規(guī)律勞動生產(chǎn)率動態(tài)變化典型曲線

3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.2.3作業(yè)能力的波動與影響因素作業(yè)能力的波動受多種因素影響，這些因素復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)。除了作業(yè)者自身的個體差異外，環(huán)境條件、勞動強(qiáng)度、工作性質(zhì)和鍛煉與熟練效應(yīng)等都對作業(yè)能力產(chǎn)生顯著影響。其大致可歸納為生理因素、環(huán)境因素、工作條件和性質(zhì)、鍛煉與熟練效應(yīng)等四種。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞生理因素年齡與性別：體力勞動的作業(yè)能力在25至30歲后逐漸下降，與心肺功能減退相關(guān)，而腦力勞動的高峰在20至40歲間，之后逐漸下降。男性在體力勞動上通常強(qiáng)于女性，但腦力勞動上性別差異不大。身材和健康狀況：對作業(yè)能力有顯著影響，健康狀況包括營養(yǎng)和疾病狀況。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞環(huán)境因素空氣狀況、噪聲、照明、色彩和微氣候：環(huán)境因素顯著影響體力和腦力勞動的作業(yè)能力。長期暴露于污染空氣可引發(fā)呼吸系統(tǒng)問題，減少體力勞動能力。惡劣環(huán)境條件也會增加腦力勞動負(fù)擔(dān)，降低效率。溫度與濕度：過高或過低的溫度和濕度都會影響作業(yè)者的舒適度和作業(yè)能力。適宜的環(huán)境溫度和濕度有助于提高作業(yè)效率和減少疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞工作條件和性質(zhì)生產(chǎn)設(shè)備與工具：好的生產(chǎn)設(shè)備與工具能減輕勞動強(qiáng)度，減少靜態(tài)作業(yè)成分和作業(yè)的緊張程度，從而提高作業(yè)能力。勞動強(qiáng)度：勞動強(qiáng)度大的作業(yè)不能持久。合理的勞動強(qiáng)度既能發(fā)揮作業(yè)者的最高作業(yè)能力，又不致?lián)p害其健康。勞動組織與勞動制度：科學(xué)的勞動組織和勞動制度對作業(yè)能力的發(fā)揮有很大影響。例如，作業(yè)輪班制度會對作業(yè)者的生物節(jié)律、身體健康和作業(yè)能力產(chǎn)生影響。3213作業(yè)能力與作業(yè)疲勞鍛煉與熟練效應(yīng)鍛煉：鍛煉能增強(qiáng)作業(yè)者的體質(zhì)和耐力，提高作業(yè)能力。無論是體力勞動還是腦力勞動，適當(dāng)?shù)腻憻挾寄苁箼C(jī)體形成鞏固的動力定型，減輕疲勞感。熟練效應(yīng)：經(jīng)常重復(fù)某一作業(yè)能增強(qiáng)身體各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性，減少疲勞，提升作業(yè)能力。這種熟練效應(yīng)是反復(fù)練習(xí)的結(jié)果，隨著生產(chǎn)量的增加，作業(yè)者熟練度提高，單位產(chǎn)品所需勞動時間減少。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.1作業(yè)疲勞的概念與分類作業(yè)疲勞是勞動者在勞動過程中出現(xiàn)的機(jī)能衰退和能力下降現(xiàn)象，可能伴有疲倦感等自覺癥狀。高強(qiáng)度或持續(xù)作業(yè)易引發(fā)疲勞，表現(xiàn)為肌肉酸痛、疲乏、頭暈、注意力下降、視覺模糊和效率降低。體力疲勞分為局部疲勞和全身疲勞，以及短時間劇烈活動后的疲勞和長時間中等強(qiáng)度作業(yè)后的疲勞。后者在人機(jī)系統(tǒng)中更常見。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.2疲勞的產(chǎn)生與積累按照疲勞的積累狀況，工作過程一般分為四個階段：工作適應(yīng)期最佳工作期疲勞期疲勞過度積累期3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞工作適應(yīng)期工作開始時，神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)功能尚未完全建立，導(dǎo)致呼吸循環(huán)器官和四肢調(diào)節(jié)遲緩，工作能力未完全激發(fā)，人體處于克服惰性狀態(tài)，活動水平不高，不易產(chǎn)生疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞最佳工作期人體各機(jī)構(gòu)逐漸適應(yīng)工作環(huán)境的要求，人體操作活動效率達(dá)到最佳狀態(tài)并能持續(xù)較長的時間。只要活動強(qiáng)度不是太高，這一階段不會產(chǎn)生疲勞。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞期在最佳工作期之后，作業(yè)者開始感到疲勞，出現(xiàn)動機(jī)下降和興奮性降低。作業(yè)速度和準(zhǔn)確性下降，工作效率和質(zhì)量降低，疲勞不斷積累。進(jìn)入疲勞期的時間取決于活動強(qiáng)度和環(huán)境條件，強(qiáng)度大或環(huán)境惡劣時，保持最佳效率的時間短；反之則延長。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞過度積累期疲勞產(chǎn)生后，應(yīng)采取措施控制，如適當(dāng)休息或調(diào)整活動強(qiáng)度，以避免因疲勞積累導(dǎo)致暫時喪失活動能力或工作停止。疲勞積累還可能引發(fā)事故和器質(zhì)性病變。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.3累積損傷與疲勞體力疲勞是累積損傷疾病是指由于不斷重復(fù)使用身體某部位而導(dǎo)致的肌肉骨骼的疾病。不同的作業(yè)會導(dǎo)致不同表現(xiàn)形式的累積損傷，但各種累積損傷都與下列因素密切相關(guān)：受力、重復(fù)、姿勢、休息。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞受力累積損傷發(fā)生的必要因素是人體某部位受力，持續(xù)外力擠壓導(dǎo)致軟組織、肌肉或關(guān)節(jié)無法維持舒適狀態(tài)。重負(fù)荷工作導(dǎo)致肌肉快速疲勞，需要較長恢復(fù)時間。骨骼肌需恢復(fù)彈性，恢復(fù)時間不足易導(dǎo)致軟組織損傷。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞重復(fù)累積損傷的關(guān)鍵因素是人體某部位的重復(fù)受力，任務(wù)重復(fù)性高導(dǎo)致肌肉收縮快且頻繁。高速收縮肌肉產(chǎn)生的力量小于低速收縮，因此高重復(fù)率工作需要更多肌肉力量和更長恢復(fù)時間。休息時間不足會引起組織緊張，累積損傷主要由重復(fù)施力引起。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞姿勢不正確的作業(yè)姿勢是累積損傷的重要因素，影響關(guān)節(jié)舒適度。不良姿勢增加組織機(jī)械壓力。作業(yè)姿勢應(yīng)遵循人體力學(xué)原則：保持動作節(jié)奏和關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)以減輕疲勞；平衡協(xié)同肌群與拮抗肌群以提高準(zhǔn)確性；瞬時用力應(yīng)利用人體質(zhì)量進(jìn)行快速運(yùn)動；穩(wěn)定力量依賴于肌體穩(wěn)定性；動作應(yīng)符合解剖學(xué)、生理學(xué)和力學(xué)原理。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞休息休息時間不足導(dǎo)致肌肉恢復(fù)不充分，引起乳酸積聚和能量過度消耗，造成肌肉疲勞、力量減弱和反應(yīng)遲緩。疲勞肌肉繼續(xù)工作增加軟組織損傷風(fēng)險。充分休息有助于肌肉恢復(fù)正常狀態(tài)。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.3.3疲勞測定方法疲勞測定方法應(yīng)滿足客觀性、定量化等條件。疲勞可以從三種特征上表露出來。①身體的生理狀態(tài)發(fā)生特殊變化。例如，心率、血壓、呼吸及血液中的乳酸含量等發(fā)生變化。②進(jìn)行特定作業(yè)時的作業(yè)能力下降。例如對特定信號的反應(yīng)速度下降，工作績效下降等。③疲勞的自我體驗感知與評價。疲勞的特征：3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞測定方法的要求疲勞測定方法應(yīng)滿足如下要求：測定結(jié)果應(yīng)當(dāng)是客觀的表達(dá)，而不依賴于研究者的主觀解釋測定結(jié)果應(yīng)當(dāng)能定量化表示疲勞的程度；測定方法不能導(dǎo)致附加的疲勞，或使被測者分神；測定疲勞時，不能導(dǎo)致被測者不愉快、造成心理負(fù)擔(dān)或病態(tài)感覺。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞常見的測定方法疲勞的測定方法包括四類：①生化法：通過檢測體液成分如乳酸、蛋白質(zhì)、血糖等變化來評估疲勞。缺點是需中斷作業(yè)并可能引起不適。②工作績效測定：通過產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量、錯誤率等指標(biāo)來衡量疲勞對效率的影響。③生理心理測試法：利用膝腱反射、觸覺辨別、皮膚反應(yīng)、心率、視覺融合、心電圖、肌電圖等生理心理指標(biāo)來評估疲勞。④疲勞癥狀調(diào)查法：通過詢問作業(yè)者的主觀感受來判定疲勞程度。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞疲勞與安全生產(chǎn)的關(guān)系疲勞在不同方面增加事故發(fā)生的風(fēng)險：主觀上，引起身體不適、頭暈、頭痛，降低意志控制和注意力，減少信心和工作能力。身體和心理上，導(dǎo)致感覺和運(yùn)動機(jī)能變化，如臉色蒼白、多汗、動作失調(diào)、語言不清，增加無效動作。工作上，降低繼續(xù)工作能力，減少效率和質(zhì)量，減慢速度，動作不準(zhǔn)確，反應(yīng)遲鈍。增加困倦和人為失誤，事故常由不安全行為和物的不安全狀態(tài)交叉導(dǎo)致，其中人的不安全行為是主要原因。導(dǎo)致省能心態(tài)，使人在操作中尋求省力，可能導(dǎo)致操作不到位，增加事故發(fā)生的可能性。消除疲勞和不安全行為是預(yù)防事故的關(guān)鍵。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.1疲勞的一般規(guī)律（3）疲勞程度與生理周期有關(guān)，機(jī)能下降時疲勞較重。C（2）疲勞具有累積效應(yīng)，未消除的疲勞可能延續(xù)到次日。B（4）人對疲勞有一定的適應(yīng)能力，但長時間高強(qiáng)度作業(yè)會導(dǎo)致疲勞累積。D（1）疲勞可以通過休息恢復(fù)，但恢復(fù)過程不完全，且精神疲勞的恢復(fù)較體力疲勞更為困難。A3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑（1）改善工作條件：工作環(huán)境設(shè)計應(yīng)考慮照明、色彩、噪音、溫濕度和空氣質(zhì)量，以降低疲勞并提升效率。設(shè)備和工具應(yīng)符合人體工程學(xué)，減少靜態(tài)作業(yè)和重復(fù)動作，減輕肌肉和關(guān)節(jié)壓力。輔助工具，如對于電腦使用者，人體工程學(xué)鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器可減少眼疲勞和手腕負(fù)擔(dān)。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑（2）改進(jìn)工作方法：合適的工作姿勢對動作流暢和穩(wěn)定至關(guān)重要。設(shè)計合理的工作場地和位置，研究合適的工作姿勢是必要的。經(jīng)濟(jì)作業(yè)速度是指在體力作業(yè)中，能夠以最小能量消耗完成作業(yè)的速度。維持這一速度可以減少疲勞，延長持續(xù)工作時間。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑（3）合理安排工作時間和休息：科學(xué)安排工作時間：避免長時間連續(xù)工作，合理安排工作和休息時間，保證有足夠的休息和恢復(fù)時間。多樣化休息方式：除了常規(guī)的午休外，還可以在工作間隙進(jìn)行短暫的休息。短暫的休息有助于緩解肌肉緊張和心理壓力。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑（4）提高身體素質(zhì)：加強(qiáng)體育鍛煉：適度的體育鍛煉可以增強(qiáng)肌肉力量、柔韌性和心肺功能，提高身體素質(zhì)和抵抗疲勞的能力。合理飲食：保證營養(yǎng)均衡的飲食，攝入足夠的蛋白質(zhì)、碳水化合物等營養(yǎng)素，為身體提供足夠的能量和營養(yǎng)支持。建立健康的生活方式：保持充足的睡眠時間，確保每天有足夠的睡眠來恢復(fù)體力和精力。避免過度飲酒和吸煙等不良生活習(xí)慣，保持規(guī)律的作息時間。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑（5）心理調(diào)節(jié)：學(xué)會放松：通過深呼吸、冥想、瑜伽等方法學(xué)會放松身心，減輕心理壓力和緊張感。保持樂觀心態(tài)：積極面對工作和生活中的挑戰(zhàn)和困難，保持樂觀的心態(tài)和情緒，有助于提高抵抗疲勞的能力。3作業(yè)能力與作業(yè)疲勞3.4.2降低疲勞的途徑（6）改進(jìn)生產(chǎn)組織與勞動制度：合理安排輪班制度：對于需要輪班工作的員工，應(yīng)合理安排輪班制度，避免頻繁改變工作時間和班次。輪班期間，確保員工有足夠的休息和恢復(fù)時間。疲勞測定與監(jiān)測：利用生化法、工作績效測定等方法，定期對作業(yè)者的疲勞程度進(jìn)行測定和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和解決疲勞問題。04PARTFOUR人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求在中國"制造2025"戰(zhàn)略推動下，制造業(yè)正向智能制造轉(zhuǎn)型，汽車行業(yè)尤為顯著。轉(zhuǎn)型要求制造系統(tǒng)快速適應(yīng)新消費需求和設(shè)計迭代。汽車制造中，白車身生產(chǎn)和工業(yè)機(jī)器人涂膠作業(yè)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對成本、質(zhì)量和生產(chǎn)自動化及效率提升具有決定性影響。4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求白車身（BIW）是車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件的焊接總成，其制造成本占汽車總成本的30%至60%，設(shè)計階段決策影響整車成本高達(dá)70%。白車身裝配技術(shù)復(fù)雜，涉及多種尺寸和形狀的部件，許多工序依賴手工，挑戰(zhàn)自動化提升。重復(fù)性勞動易導(dǎo)致工人疲勞，影響效率和增加工傷風(fēng)險。白車身生產(chǎn)線4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求目前，白車身的可制造性驗證主要依賴于物理原型和計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件。由于B企業(yè)的生產(chǎn)線創(chuàng)建時間較長，缺乏精確的數(shù)字化模型，因此一直采用物理樣機(jī)方法進(jìn)行白車身與生產(chǎn)線的適配性驗證。這種方法涉及到在實體生產(chǎn)線上直接驗證白車身與生產(chǎn)線之間的干涉情況和安全距離等。利用物理樣機(jī)進(jìn)行白車身通過性驗證4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.1制造業(yè)產(chǎn)線驗證現(xiàn)狀與需求傳統(tǒng)的物理樣機(jī)驗證方法存在如下缺陷：物理樣機(jī)方式需要預(yù)先生產(chǎn)出實體模型，驗證周期太長。原有產(chǎn)線因驗證以及調(diào)試過程一般需要停產(chǎn)兩周，無法對迭代設(shè)計進(jìn)行快速響應(yīng)，時間成本較大。驗證結(jié)果對設(shè)計階段的反饋作用差。物理樣機(jī)驗證方式的檢測結(jié)果完全依賴于產(chǎn)線工人經(jīng)驗化判斷，驗證過程直觀性較差。實體驗證過程中，測定實體車模型與產(chǎn)線設(shè)備間距離時通常需要工人手動在測定位置粘貼測點，人工成本增加。4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.2虛實融合驗證的特點及優(yōu)勢白車身設(shè)計需考慮成本和生產(chǎn)線兼容性，驗證其適配性對生產(chǎn)效率至關(guān)重要。機(jī)器人路徑規(guī)劃影響生產(chǎn)安全和效率，設(shè)計階段的可制造性驗證是必要的。實體模型驗證和虛擬仿真是兩種主要的產(chǎn)線驗證方法，各有優(yōu)勢和局限性。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)字孿生模型的虛實融合，提高了驗證準(zhǔn)確性和操作效率。虛實融合技術(shù)在白車身生產(chǎn)中優(yōu)化驗證流程，降低成本，提升安全性。4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.3虛實融合產(chǎn)線驗證案例白車身與產(chǎn)線適配性驗證過程需求分析4人在環(huán)的虛實融合產(chǎn)線驗證4.3虛實融合產(chǎn)線驗證案例在驗證過程中，需要構(gòu)建基于增強(qiáng)現(xiàn)實的虛實融合環(huán)境，實現(xiàn)對實體產(chǎn)線的建模；并且為了確保白車身的動態(tài)移動過程，需要采用基于標(biāo)記或