Каждый человек из личного опыта знает, что все люди различаются ростом, комплекцией, осанкой, размерами частей тела. Каждый человек неповторим, найти двух абсолютно одинаковых людей невозможно. Поэтому перед конструктором, занимающимся проектированием автомобиля или трактора, стоит весьма непростая задача.
Казалось бы, можно выбрать достаточно большие размеры, определяющие положение водителя и пассажира в кузове, но тогда неизбежно увеличатся размеры пассажирского салона или кабины, масса машины, материалоемкость конструкции и цена машины. Человек небольшого роста в таком автомобиле или тракторе будет испытывать определенные неудобства: ему будет трудно доставать ногами и руками до органов управления, возникнут проблемы с обзорностью.
Конечно, можно пойти другим путем. Выбрать достаточно большое число людей — потенциальных пользователей, тщательно обмерить элементы их тел, вычислить средние значения размеров и на основании этих данных сконструировать рабочее место водителя и места пассажиров для «среднего» человека. Но тогда будут недовольны конструктором люди, размеры которых отличаются от средних, — а их большинство.
Конструктор должен скомпоновать места для водителя и пассажиров таким образом, чтобы обеспечить наибольшие удобства для людей любого роста и пропорций тела или хотя бы для большинства людей, а для этого необходимо прежде всего знать реальные величины, характеризующие параметры этих людей. От этого зависит надежность функционирования всей системы «человек-машина—окружающая среда», т.е. безопасность на улицах и дорогах.
Изучением размеров человеческого тела и его частей занимается антропометрия (от греч. anthropos — человек и metreo — измеряю). Поскольку все люди различны, в антропометрии применяются статистические методы. Размеры тела человека и его отдельных частей определяются антропометрическими характеристиками (АХ).
Антропометрическая характеристика — это величина, измеряемая в линейных, угловых единицах или единицах массы, соответствующая размерным характеристикам и характеристикам массы частей человеческого тела и взаимного их расположения. Антропометрическими характеристиками являются, например, рост человека, окружность головы, длина голени, масса тела, углы вращения в суставах и т.д.
Антропометрические характеристики являются случайными величинами, подчиняющимися нормальному закону распределения (рис. 1.1). На графике нормального закона распределения случайной величины по оси абсцисс откладывается значение случайной величины х (применительно к нашему случаю — числовое значение антропометрической характеристики), по оси ординат — f(x) — вероятность появления того или иного значения случайной величины (в процентах или долях единицы). Среднее, наиболее вероятное значение случайной величины — математическое ожидание М соответствует максимуму кривой распределения, ее «горбу». Ширина кривой распределения, ее растянутость по горизонтали, показывает изменчивость, варьирование случайной величины, которая характеризуется среднеквадратическим отклонением а относительно математического ожидания М. Площади, заключенные под участками кривой распределения, показывают, какое количество случайных величин попадает в эти зоны. В зону ±а относительно математического ожидания М попадает 68,25 % всех случайных величин, в зону ±2σ — 95,45 %, а в зону ±3σ — 99,73 %.
В антропометрии вероятность попадания какой-либо антропометрической характеристики в ту или иную зону кривой распределения принято оценивать в перцентилях.
Перцентиль — сотая доля объема всей совокупности людей, подвергавшихся антропометрическим исследованиям.
Если площадь, находящуюся под кривой нормального распределения, разделить на 100 равных частей (процентов), то получится соответствующее число перцентилей. Каждый из них имеет порядковый номер. На долю 1-го перцентиля приходится 1 % всех результатов наблюдений (наименьшее значение антропометрической характеристики), на долю 2-го — 2 % результатов наблюдений (значение антропометрической характеристики несколько больше) и т.д. При нормальном законе распределения 50-й пер-центиль соответствует средней арифметической величине (математическому ожиданию, моде, медиане).
Порядок определения антропометрических характеристик поясним на примере (все числа и понятия в данном примере — условные).
Предположим, требуется определить антропометрическую характеристику «рост» для студентов какого-либо факультета института. Производим измерения роста всех студентов факультета, которых оказалось 620 человек. В результате получается некоторый массив из 620 случайных чисел. Самый маленький рост (145 см) имеет только одна студентка, самый большой (195 см) — также только один студент. Начинаем строить график распределения случайной величины «рост» (рис. 1.2).
На оси абсцисс в каком-либо масштабе откладываем размер 145 и на этой отметке вверх откладываем ординату, соответствующую
(также в выбранном масштабе) единице, поскольку получен только один размер 145 см. Затем, отступив вправо по оси абсцисс на величину, равную 1/100 от диапазона изменения измеренных значений роста (от 145 до 195 см), откладываем вверх ординату, соответствующую росту 146 см. Предположим, таких замеров получилось три, соответственно откладываем вверх ординату, соответствующую числу 3. Продолжая построения, получим столбчатую диаграмму, изображающую реальное распределение роста студентов в нашем эксперименте.
Фрагмент этой диаграммы показан в левой части графика. Замечаем, что число одинаковых значений роста (с выбранной нами точностью 1 см) вначале увеличивается, а затем, после роста 170 см, начинает убывать, и, наконец, самый высокий рост 195 см встречается один раз. Это последний столбик на диаграмме. При очень большом (теоретически — бесконечно большом) числе измерений и очень малом (теоретически — бесконечно малом) интервале между значениями полученных случайных величин — «верхушками» столбиков — образуется плавная непрерывная кривая, подобная изображенной на рис. 1.1.
В реальности получить бесконечно большое число замеров нельзя, но существуют математические методы, позволяющие при ограниченном числе измерений получить достоверную плавную кривую распределения. Она показана на рис. 1.2. Максимум кривой распределения в нашем случае приходится на рост 170 см, это «самый средний» из полученных нами замеров, иначе говоря, это рост, соответствующий математическому ожиданию. Половина (50 %) обследованных нами студентов имеет рост меньше такого или такой, и можно сказать, что рост 170 см соответствует 50-му перцентилю или 50%-ному уровню репрезентативности.
Уровень репрезентативности — величина, выражаемая в процентах, соответствующая части населения при сплошном отборе индивидов, у которой численное значение какого-либо антропометрического признака меньше или равно его заданному значению.
Теперь на графике (см. рис. 1.2) отметим величину, соответствующую 5 % всех обмеренных студентов. Рост, меньший или равный полученному (предположим, в нашем случае это 151 см), соответствует 5-му перцентилю, или 5%-ному уровню репрезентативности. Таким же образом получим рост, соответствующий 95%-ному уровню репрезентативности, или 95-му перцентилю. Предположим, что это 189 см.
Итак, если мы говорим «5-й перцентиль» или «5%-ный уровень репрезентативности», это означает, что 5% людей имеют такие или меньшие антропометрические характеристики. Это люди небольшого размера. Соответственно, человек 95-го перцентиля, или 95%-ного уровня репрезентативности, имеет такой рост, что 95 % людей ниже него (или имеют такой же рост). Это высокий человек. Таким же образом, ровно половина людей, прошедших антропометрические измерения, имеет рост, меньший, чем соответствующий 50-му перцентилю (50%-ному уровню репрезентативности), или равный ему.
В идеальном случае размеры рабочего места водителя (оператора) должны быть такими, чтобы все взрослое население было в состоянии управлять данной машиной. Практически считается достаточным, чтобы около 90 % людей — потенциальных операторов — могли удобно располагаться на рабочем месте, оставшиеся 5 % людей самого малого роста и 5 % самых высоких людей будут испытывать некоторые неудобства, обычно вполне допустимые. Поэтому в конструкторской практике при компоновке рабочего места водителя автомобиля или трактора чаще всего используют размеры тела человека, соответствующие 5-му (или 10-му) и 95-му перцентилю (5%-ному и 95%-ному уровням репрезентативности). Некоторые размеры кабины проверяются применительно к 50-му перцентилю (50%-ному уровню репрезентативности).
В табл. 1.1 приведены данные, позволяющие определить численность людей, выраженную в процентах, размерам которых будет удовлетворять данная компоновка рабочего места оператора (водителя).
Антропометрические характеристики можно условно разделить на статические и динамические (рис. 1.3). Условно — потому что все антропометрические характеристики определяются в статике, при неизменной позе обследуемого. Под статическими антропометрическими характеристиками мы будем понимать линейные или угловые величины, характеризующие размеры частей тела человека, а под динамическими — линейные и угловые размеры, характеризующие углы вращения в суставах, зоны досягаемости при различных позах человека и т. п.
Таблица
Численность людей, размеры которых содержатся в выбранном интервале антропометрических характеристик
Интервал
Перцентиль (уровень репрезентативности),
%
Численность людей, АХ которых содержатся в выбранном интервале, %
М±2,5а
1...99
98
M±2g
2,5...97,5
95
М± 1,65а
5...95
90
М± 1,15а
12,5 ...87,5
75
М± 0,67а
25...75
50
Статические антропометрические характеристики используют для определения общих размеров рабочего места оператора, расположения и размеров сиденья, органов управления и других параметров; динамические антропометрические характеристики — для назначения амплитуды рабочих движений рычагов, педалей и других органов управления, определения зон досягаемости при различных положениях тела человека и т. п.
На рис. 1.4 показаны основные антропометрические характеристики, а в табл. 1.2 приведены численные значения этих антропометрических характеристик и указаны области их применения.
Численные значения антропометрических характеристик используются следующим образом.
Предположим, что требуется определить внешнюю ширину плеч (обозначим ее А) для манекена мужчины 95-го перцентиля. Для этого к математическому ожиданию М внешней ширины плеч мужчины из табл. 1.2 следует прибавить среднеквадратическое отклонение а с соответствующим коэффициентом из табл. 1.1 (для 95-го перцентиля этот коэффициент равен 1,65).
В результате получим:
А = М +1,65σ = 44,6 + 1,65-2,2 = 49,7 см.
Та же антропометрическая характеристика (внешняя ширина плеч) для манекена женщины 25-го перцентиля определится так:
А = М-0,67σ = 41,8-0,67-2,4 = 40,2 см.
При компоновке рабочего места оператора необходимо учитывать увеличение размеров тела, связанное с одеждой.
Некоторые динамические антропометрические характеристики, связанные с углами вращения в суставах (амплитуды рабочих движений), показаны на рис. 1.5, а в табл. 1.4 приведены численные значения угловых амплитуд движений различных частей тела.
Помимо кинематических характеристик движений человека, большое значение имеют временные характеристики, т.е. время, которое проходит от получения человеком-оператором сигнала (например, отклонение стрелки какого-либо прибора на панели) до приведения в действие соответствующего органа управления. Определить это время можно при следующих испытаниях.
Испытуемый человек должен с возможной максимальной скоростью выполнить то или иное рабочее движение (нажать кнопку, передвинуть рычаг, повернуть штурвал и т.п.) в ответ на известный ему, но внезапно появляющийся сигнал (вспышка сигнальной лампы, резкий звук).
Таблица
Основные размеры тела человека (статические характеристики)
Антропометрическая характеристика (см. рис. 1.4)
Размеры, см
Область применения
Мужчины
Женщины
М
о
М
а
Рабочая поза — стоя
Длина тела (рост) (/)
167,8
5,8
156,7
5,7
Определение высоты оборудования, высоты пассажирского салона автобуса
Длина тела с вытянутой вверх рукой (2)
213,8
8,4
198,1
7,6
Зоны досягаемости по вертикали, поручни пассажиров автобуса
