,第7章 人机系统,返回总目录,第 7 章目录,7.1 人机系统的功能和类型将人和机器联系起来，视为一个整体或系统，称为人机系统。人机系统处于一定的环境之中, 并与周围环境发生相互作用。,回到本章目录,人机系统的功能：信息接受、储存信息、处理信息、执行功能。人机系统与周围环境的相互作用，表现为人机系统的输入和输出。,人机系统的类型按有、无反馈控制环节分类，人机系统可分为闭环人机系统和开环人机系统两大类。闭环人机系统的主要特征是系统的输出对控制作用有直接的影响, 驾驶员-车辆-道路系统的方向操纵运动是一个人工闭环人机系统的典型实例。 开环人机系统的主要特征是系统的输出对控制作用没有影响。,回到本章目录,7.1 人机系统的功能和类型,7.2 人机系统的功能分配,人机系统中 “人” 与 “机” 的功能分配是否合理，对于提高人机系统的总效能, 具有重要意义。这是人机工程学的核心问题之一，存在于机器发展的各个阶段中。,回到本章目录,1.感受能力 人可识别物体的大小、形状、位置和颜色等特征，并对不同音色和某些化学物质有一定的分辨能力; 机可接受超声、辐射、徽波、电磁波、磁场等信号，超过人的感受能力。2.控制能力 人可进行各种控制，且在自由度、调节和联系能力等方面优于机器。同时，其动力源和响应运动完全合为一体，能 “独立自足” ；机在操纵力、速度、精确度、操作数量等方面都超过人的能力，但不能“独立自足”，必须外加动力源才能发挥作用。,7.2 人机系统的功能分配,3.工作效能 人可依次完成多种功能作业，但不能进行高阶运算，不能同时完成多种操纵，不能在恶劣环境条件下作业；机能在恶劣环境条件下工作，可进行高阶运算和同时完成多种操纵控制，执行单调、重复的工作也不降低效率。 4.信息处理 人的信息传递率一般为 6bit/s 左右，接受信息的速度约每秒 20 个，短时内能同时记住信息约 10 个，每次只能处理一个信息; 机能储存信息和迅速取出信息，能长期储存，也能一次废除，信息传递能力、记忆速度和保持能力都比人高得多，在作决策之前, 能将所存储的全部有关条件周密 “考虑” 一遍。,7.2 人机系统的功能分配,5.可靠性 就人脑而言, 可靠性和自动结合能力都远远超过机器, ( 但工作过程中, 人的技术高低、生理和心理状况等因素对可靠性都有影响），能处理意外的紧急事态；经可靠性设计后，机的可靠性高，且质量保持不变，但不能处理意外的紧急事态。6.耐久性 人容易产生疲劳，不能长时间连续工作，且受年龄、性别与健康情况等因素的影响；机的耐久性高，能长期连续工作，并大大超过人的能力。,7.2 人机系统的功能分配,7.适应性 人具有随机应变的能力，具有很强的学习能力，对特定的环境能很快适应；机没有随机应变的能力，只有很低的学习能力，只能适应事先设定的环境。8.创造性 人具有创造性和能动性，具有思维能力、 预测能力和归纳总结能力，会自己总结经验；机只能在人所设计的程序功能范围内进行一定程度的创造性工作, 达到一定程度的智能化。,7.2 人机系统的功能分配,机器优于人的特点:操作速度快, 能量大,精确度高, 能同时完成多项操作, 能实现高阶运算和高倍放大, 不会因单调重复和疲劳而降低工作效率, 对不利环境条件的抵抗能力强, 信息传递能力高, 记忆速度和保持能力高, 能长期储存和一次废除信息, 感受和反应能力强, 可靠性好, 耐久性高。人优于机器的特点:具有创造性和能动性,能灵活处理意外的紧急事态，人脑的神经联系复杂、元件数量多、体积小、能量消耗少、记忆容量大、可靠度高、自维修功能强, 某些感觉器官的感受性为目前的机器传感装置所不及。,7.2 人机系统的功能分配,“人” 、“机” 功能分配的原则快速、精细、笨重、危险、规律性、单调重复、高阶运算、操作复杂的工作，宜分配给机器去做；机器系统的监督、维修、故障处理，指令和程序的安排，对意外事件的处理以及情况多变的工作，宜分配给人去做。人机系统的总体设计，要考虑总的效能，不能单纯追求自动化程度，必须讲究系统的生产率、初置成本、使用经济性、可靠性四者之间的最优协调。,7.2 人机系统的功能分配,据研究资料介绍，一种无人驾驶飞机的最初800次飞行，失事次数多达155次; 而同类型的有人驾驶的飞机，最初800次飞行中，失事次数只有3次，前者是后者失事次数的52倍。即使不用人直接驾驶，而仅仅用人作监管和后备的飞机，也比完全自动化的无人驾驶飞机的可靠度高 1 倍以上。因此，可以认为,有人参与的系统会比全自动系统更经济而可靠。,回到本章目录,7.2 人机系统的功能分配,回到本章目录,7.3.1 人机界面问题的提出机械系统的人机界面（Human-Machine Interface)指的是操作人员和机器之间相互作用的区域。人机界面的问题自 20 世纪初就引起了人们的重视，在军事和大型工业领域，人们发现很多重大的事故均源于人机界面匹配不当, 许多经验和教训都表明，人机界面设计得不合理将导致操作人员的操作失误, 降低系统运行的安全性, 甚至于造成重大事故, 同时还会对操作人员造成生理或心理上的伤害，许多职业病也都源于不合理的操作环境或作业姿势。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,回到本节目录,一个机械系统的人机界面是由许多不同类型、不同结构型式的元件构成的, 通常将每一个不同的元件称为一个因素，人机界面总体是由许多因素通过某种方式组合而成的。单因素评价是对系统总体评价的基础。在这方面的研究开展得很多，也很深入。这些单因素研究有手控操纵器、脚控操纵器、座椅、工作台、视觉类元件、面板类元件、人体舒适姿势、人体测量、人体动作分析、人的失误等方面。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,当前处理机械系统人机界面的几何位置关系, 主要依靠设计人员的经验, 或者参考类似机械系统的人机界面参数, 采用静态匹配的方法, 设计的目的以满足系统功能为主, 对机器的宜人性考虑较少。造成机械系统人机界面只能采用经验设计的基本原因在于对人机界面还没有合适的、可操作的、定量的评价指标和评价方法。由于机械系统人机界面牵涉的范围很大，需要考虑的因素很多，有些因素对评价结果的影响可能是相反的，致使设计人员难以权衡，同时，在设计和评价过程中，需要查询大量的标准数据，繁琐复杂，造成现有的一些理论工具很难在实践中得到应用。随着计算机技术的发展，静态匹配的设计方法在某些设计领域已经被打破，但是这些方法多局限于某一特殊的领域，评价手段和过程不具有通用性。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,开展 “机械系统人机界面动态优化匹配方法” 的研究，其主要目的是要提出一个客观的、科学的、可操作的评价方法和评价指标，将机械系统人机界面的评价定量化，使不同的设计方案具有可比性，以指导机械系统人机界面的设计。保证所设计系统的运行安全性，提高系统工效及操作人员的舒适性，使人与机器设备、工作环境更好地配合、协调一致，充分保障劳动者的身心健康，最大程度地防止职业病的发生。,回到本节目录,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,7.3.2 人机界面优化匹配的目标保证系统运行的安全性主要是指组成人机界面的各元件的布置位置，确保 不存在引发事故的潜在危险源。(2) 提高系统的工效主要是指组成人机界面的各元件的布置位置, 总体布局合理, 层次清楚, 各元件相对于操作人员的位置, 符合人机工程设计原理和原则, 使操作人员能够高效率地认知、识别及响应、操作。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,回到本节目录,(3) 改善操作人员的舒适性主要是指组成人机界面的各元件的布置位置, 总体布局非常合理, 层次非常清楚, 各元件相对于操作人员的位置, 很好地符合人机工程设计原理和原则，使操作人员能够舒适而高效率地认知、识别及响应、操作。 (4) 保证操作人员的健康，最大程度地防止职业病的发生 主要是指组成人机界面的各元件的布置位置, 确保不存在可能引发操作人员产生职业病的潜在危险源。,回到本节目录,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,7.3.3 人机界面匹配合理程度的评价指标 (1)机械系统人机界面匹配优度的概念机械系统人机界面的匹配优度，简称匹配优度，指的是机械系统的显示、操作界面与操作人员之间匹配的合理程度，它是 0 1 之间的一个数值，越接近于 1， 就表示人与机器的几何界面匹配得越好。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,回到本节目录,(2)有关机械系统人机界面匹配评价的基本术语a.工况指在机械系统人机界面匹配评价仿真实验中组成人机界面的元件的某一种布置方式。b.重要性表示待评价的元件的作用在人机系统中的地位，包括该元件所显示的信息或被操作而产生的功能上的后果，以及该元件对其它元件的影响。c.使用频率指的是待评价的元件在工作过程中显示信息或被操作的频繁程度。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,d.最优区域指的是适合于某一百分位人体的几何区域，在此区域中，人体感知信息或人体的操纵动作最有效、最舒适、最不易产生疲劳。e.一般区域指的是某一百分位的人体所能够感知信息或操作操纵装置的区域。f.功能限制区域 指的是因机械系统功能或结构上的需要，使其人机界面中某一元件必须布置在某区域, 此区域并非按人机工程设计原理或原则所确定。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,g.显示类元件 指的是与视觉有关的元件，包括各种指示灯和仪表。h.手控操纵器指的是用手操作的操纵元件。i.脚控操纵器指的是用脚操作的操纵元件。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,(3)模糊综合评判a.模糊集合Zadeh 提出了模糊集合的概念，定义: 所谓给定了论域 U 上的一个模糊集合 A，是指对于任意 uU，都指定了一个数 A(u)0，1，叫做 u 对 A 的隶属度。映射 A : U 0,1u A (u) 叫做 A 的隶属函数。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,简单地说，隶属度指的是某因素属于某一评价的程度。隶属函数就是精确性与模糊性连接的纽带。借助隶属函数才有可能对模糊集合进行量化，也才有可能利用精确的数学方法去分析和处理模糊信息。隶属函数的构造并没有一个统一的、通用的定理或计算公式，通常是根据实际的经验或统计决定。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,在实际应用中，隶属函数是通过不断 “学习” 逐步修改完善的。由有限个元素构成的论域称为有限论域，有限论域上的模糊子集可以用向量来表示。对人机界面的评价是对有限个因素进行的，评价的结果就是这有限个向量构成的评价矩阵。例如，选评价集为好，坏时，对某一系统的评价结果为矩阵（0.8，0.2），那么，按隶属度解释，系统评价属于 “好” 的隶属度为 0.8，属于 “坏” 的隶属度为 0.2。从概率角度来说, 80% 的人认为该系统是 “好”，20%的人认为是 “坏”。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,b. 模糊综合评判对机械系统人机界面的匹配优度进行评价时，所考虑的因素涉及人体、座椅、工作台、显示器、开关、脚踏板、操纵杆、指示灯等，每个因素对系统的影响都是复杂的，对其中任一因素都不能简单地以好或坏进行评价，如何用集合来体现人的评价结果？这实际上是模糊综合评判的问题。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,c. 模糊矩阵复合运算方法的选取在实际评价中，模糊矩阵复合运算方法的选取是很重要的，不同的运算方法将得到不同的结果，对应不同的问题应该选择不同的运算方法。,7.3 机械系统人机界面的优化匹配,d. 模糊综合评判的逆问题模糊综合评判实际上是已知原像（权重分配行矩阵）和映射（单因素评判矩阵）求像（模糊综合评判的结果）的问题。实际工作中常遇到的问题是求原像，即确定权重分配，这是模糊综合评判的逆问题，是进行仿真实验的主要目的。解这种问题要依靠求解模糊关系方程。在机械系统人机界面匹配的仿真实验研究中，就是已知被试人员的评判结果和模糊关系，求被试人员头脑中对各因素的权重分配。这些权重的分配在人们评价系统总体特性时起重要的作用，但是，人们却很难明确地将它们表达出来。,