外文翻译--最新机械制造中的人机交互的应用 中文版

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 1 最新机械 制造中的人机交互 的应用 摘要 ：为满足客户需求，十分必要去继续发展，以先进的控制系统为支持，基于现今在计算机和软件方面技术的现代机器和生产设备。在雇员有限 的 操作下，很多制造系统能自动工作。不过，即使在先进的生产系统中，最重要的因素之一仍然是人。通常，总的系统性能取决于人的决定， 并且随着生产系统的复杂和昂贵 ， 人类 决定的意义比过去更重大。在这样的情况下， 十分必要 通过适当的人机交互，有效地应用 本文涉及到人机交互 的相应问题，以及对人类活动模型的尝试 性 研究。 本文还解释了相互作用媒介，以及提供了该领域 里的部分研究结果。目的 是对 人机交互方面的内容进行分类。 关键词 ：制造系统 人机交互 人为因素 计算机集成制造 控制 系统 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 2 1 简介 通过着重强调人为因素，可以达到 竞争和有效地利用，越来越计算机化的机器制造系统。 在不远的将来，为了生产产品， 人类与先进的数字设备之间的适当合作，例如工艺流程 与 机器的过程监控，将会成为 生产中的重要部分。在设计控制系统和新机器上，应该考虑人为操作的利与弊。更好的业务组织应该做到使动力高涨 、能力增加、人员稳定和人的工作效率提高。 基于软件工 程方面的最新成就， 以及 新的并且 非常规 的 硬件系统，还有对人类行为的深入研究，三者相结合的方法，将会大力发展 人机交互技术。这样一个多学科研究 的目的 ， 是想 通过适当的人机交互 设计，使人会更好地使用人机交互系统。 2 人与软件系统的交互 生产可认为是分离的生产。由于控制参数和限制条件 的数目和相互联系，意味着分离的生产可看成为一个复杂的系统。此系统的主要特征是 1： 众多的组成部分 组成类型的多样性 组成部分的 特殊连接 不稳定性的存在 没有灵活性损失和故障发生，能实现自动控制功能的生产系统 ，是不可能存在 的这一点，正体现了现代生产系统的重要性、复杂性。 以下两个方面，都需要在信息技术和人为因素之间密切合作。一方面，需要性能高、质量好、系统灵活；另一个方面，需要能解决复杂问题，可基于经验去学习 。为了考虑合作的有效性，人和信息系统的特性也必须考虑在内。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 3 人和信息系统的合作很依赖于人和电脑系统的行为。由于人类具有天生独特操作能力 ，那么就确定了他们在生产过程中所扮演的角色。重要的是：基于经验的自我学习能力、适应新环境能力、良好的动手操作能力、 敏锐的感觉反馈能力（如视力、听力，等等）、控制动态形势能力、 预先控制基于反馈 的 系统性能的能力，以及对未预见到形势的反应能力 ，这些能力对于在机器控制和管理方面，都是非常重要的优点。 人类欠缺的地方在于：难于或不可能去控制，快速变化的有限信息处理过程。 一旦任务变化频繁，人类将会失去决定性行为，增加错误。当工作的目标不明确或者他 或 她不能作出决定时，人类的工作效率将会降低。 通过适当的业务组织，将会消除那些 缺陷或者限制它们对生产过程的影响。一个操作者应该了解工作目标，至少也应该对其工作地点做少许决定。应该为特别的操作者或者众多操作者设计一款既实用又容易操作，能与软件系统合作的 可视化接口。然 而，一些不了解工作场合的特殊性或者人机交互系统细节的程序员，却 应用计算机去设计可视化接口。 设计软件系统时，主要侧重于信息处理，而不是 外观设计。计算机系统操作者，经常被认为是“扩展的 计算机”，他们能计算、分析、合成大量的数据，而软件系统却不能。 现代计算机信息系统，具有快速处理、高精度运算以及储存处理大量数据能力。信息系统的主要缺陷在于：拘泥于严格的算法工作、缺乏创新的反应以及真正 的智力工作，那些也被认为是新算法条件下的技能。在人配合的情况下，需要练习人的任务识别以及准确的数据输入。 人 电脑系统合作基于两 个完全不同特点的系统综合。一方是智慧的人类，他们能凭借直觉能力，解决不同的问题并且从经验中学习。另一方是信息系统，它们能短时间内处理大量的数据，并且能够做到详细，而且是瞬时反应。 虽然这样的综合问题是困难的，但是它却在适当的计算机系统设计情况下提出了补充合作的可能性。表格 1 显示了，基于计算机系统结构的人类行为。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 4 3 人机交互 现今，大多数机器在其生产过程 使用中都有特别的控制系统，这样的系统能控制机器运行。控制系统大多是基于简单的可编程控制器的简易系统，或者基于先进的多层分级控制模型的复杂系统。复杂的系统 多用于控制和监测先进的机器和工艺流程。然而，所有种类的机器控制系统 不得不通过人类操作来监控，这个操作员应具有解决复杂问题的能力，例如机器故障或系统瘫痪等情况。 Stahre 和 交互作用模型的提出者 Sheridan 正在讨论“ 机器操作员应该与机器或者内外部的系统控制进程 进行合作”的问题。 在人类操作和计算机系统与受控机器之间存在着 6 种交互模块： 1.操作者通过电脑系统间接地控制过程。 2.操作者间接地接收过程数据。 3.操作者向计算机询求或者接收信息。 4.进程向计算机询求或者接受信息。 5.操作者直接操作进程。 6.操作者通过自身的感觉观察过程。 以上 14 的交互模型，通过计算机系统控制，即：系统设计者已经设定好它们。 14 模型会适用于控制系统以及操作者的需求。操作系统最难的事情在于，控制系统中或者机器中的直接操作交互（ 5）与（ 6）之间的交互）。 这样的交互作用通常在 机器的错误情况下发生或被处理，那时人的涉入才是必要。 除了控制系统外，人机交互也可以用不同的方式实现。正确 设计的机器控制系统 ， 应该不仅在可预测的形势里考虑到相互作用，也应该能处理无法预言 的形势。例如：在受控机器或者进程中的直接人为干涉。这些在自动机器 和监控机器进程中尤为重要。 4 人操作模型 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 5 生产系统设计者，通常把注意力集中于适当的材料和信息加工，但是没有足够的关注人类行为对系统性能的影响。由于这样的情况，系统经常不能配合 人的工作。在这个 领域里曾经做过一些研究，但大多集中于工效学或者心理学问题。 建立一个描述 制造系统中人类行为的数学模型是非常重要的。基于这样的一个模型，作为对制造系统或者组成部分设计者 的辅助。 这类模拟软件将会有所发展。不过，找到人类行为模型是比较困难的。人类的行为具有较大的不确定性。因此，描述人类行为的方程式，不能够精确地表现人类 。在本文中，找到了一种这类 问题的描述方法。然而，描述的目的是描述人类，而不是建立一个精确的数学模型， 来描述诸多因素中的重要关系。 下面列举了控制系统中，人的特征因素，应该将这些因素降到最小。 ：控制延迟 可以描述为，在异常情况出现时 ，与返回到系统锁定状态之间所需要的时间： 0； t： 人反应时间 表现了操作者的行为，可以认为是在异常 情况 出现 下 与操作者决定控制方式之间，所需要的时间： t0； ：系统惯性 控制决定和控制实施与通过系统达成适当的状态之间的时间： 0； ：人为决定性正确： 0，与决定的正确性 同时增加； ：问题困难期： 0，与解决问题的困难程度同时增加； ：人的疲倦 ： 0， 与操作者的疲倦程度同时增加； ：为错误决定而担心： 0，与对错误决定的担心程度同时增加； ：人的经验： 0，与操作者的经验同时增加； ：人为扩展： 0，与操作者对工作中内容扩展程度同时增加； ：问题理解： 0， 与问题的理解程度同时增加； ：教育： 0，与教育水平同时增加； ：控制系统的友好程度： 0，与系统友好程度同时增加； ：工作条件： 0，与工作条件同时增加； ：工作动力： 0，与操作者的工作动力同时增加； v：工作负荷： v0， v 与手工工作负荷同时增加； 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 6 ：典型问题： 0，与问题的典型程度同时增加； ：责任： 0，与操作者的认真态度同时增加； ：公司目标理解： 0，与对公司目标的理解和认同程度同时增加； ：工作环境； 0，与工作环境的质量同时增加； ：满意度： 0，与可接受范围内满意度同时增加； ：其它动力因素（例如：就业机会、培训等等）： 0，与动力因素同时增加； T:设定或者相似情况下的工作时间； Td:设定天数内的工作时间； R： 工作种类； W：操作者的年龄； O：人的 个性； 在确定了最重要的人性特征之后，可以给出描述人类行为因素之间的一般公式： 控制决定延迟： 人类反应时间： 决定质量： 经验值： 工作概况： 人的疲倦度： 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 7 动力值： 以人决定 为主导的控制系统的反馈时间： 其中： Ch:以上所描述的人为因素； Cp:非 人为因素（例如：控制系统的友好程度、控制系统的反应时间等等）； 提议此模型的目的 是指出人类行为的最重要 的特征和表达它们之间的关系。下一个研究阶段将会做特殊的测试。测试的结果会提供一个更加 具体的人类模型 ，它是通过精心分析特殊因素的重要性而建立起来的 模型 。 制造系统或者它们的部分设计者，以及业务主管可以使用这个人类行为模型。 5 交互媒介 人机交互或者制造过程中的信息系统，能够通过不同类型的媒介来实现。通常，交互是在双向 进行：从操作者到机器，或者从机器到操作者。从机器或者系统观点出发，人类到机器的交互是输入，在相反方向的交互就是输出。 最常用的交互方法是常规计算机的输入 /输出装置。输入通常基于人身体动作的控制。普 遍使 有的是手指的触觉 控制如手运动。不过，也可能用身体其它部位的运动 来监控，例如 ：手、眼、膝 等等，对系统的输入也能基于声音命令，通常是使用视力 作为一种传输介质来实现系统的输出，但是使用 声音系统也很受欢迎。 其它媒介，例如力量或者温度信号和触觉反馈可在专用机器里应用。 人机交互领域里的研究，主要集中于用最好的信息交流 ，促进媒介齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 8 的发展。通讯媒介是需要不搀杂太多人为因素的信息交流的特殊过程。操作应该集中于解决控制系统里出现的那些问题，而不是与系统交流。 计算机终端是最受欢迎的用于先进的人机交互 的输入 /输出装置。通常包括：键盘、鼠标、跟踪球或者计算机手写笔。 Agah 提出了对于那些设备修改的研究， 侧重于边携式 计算机和电话通信支持的输入装置的研究，那 些方向 很有发展前途。 利用空间球和三维控制杆来解决控制 和生产机器人的出现，有较大的发展空间。 控制系统中，最流行的输出装置是可视化显示器，它们可用于数据和图 像 的传输。来自现实与虚拟世界的数据和图象，可以 在这些可视化显示器上显现出来。现实世界的数据和图象，通常在机器控制系统和监测生产管理的 屏幕上显示。研究表明，展示不同数据的几个窗口可能同时在同一屏幕上被打开。但是，应该使数据在一种简单和容易理解的方式下提出。 图像能使数据更容易理解，在远程控制条件下也是可以应用 ，这对自动生产系统或者分配生产都非常有用。 可视化的数据和图象，形成了各种类型的模拟仿真，这对操作者是非常有用的。那样就能为 建立一个新的正确的生产过程，或为 NC 和机器人控制程序提供解决方案。为了优化整个制造系统的负载和生产进度，经常使用虚拟现实技术 。在这个领域内最新的研究，大多集中于为操作控制使用而开发的虚拟现实三维可视化环境显示，还有三维图像的视频显示。 为了是机器和操作者交流，经常使用不同类型的声音显示。计算机处理现实或者虚拟的声音，用来转化为容易处理的音频数据。 声音命令系统也能用来支持人机交流。这样 的系统能认识到人讲话并且有时能从人的声音中获得附加信息。他们跟传统的计算机通信设备比较，通常由于更快的通讯而被认为 会减少运算时间。它们可应用在声音识别管理系统和虚拟现实系统中，但由于商店地板上环境嘈杂，应用它们可能有些困难。 人机交互的其它交流 媒介有： 影响力 （从操作者到系统的交流）、影响力 反馈（从系统到操作员的交流）、触觉、温度和温度反馈。 影响力 ，做为一种应用于机器人控制教学中的交流媒介，似乎只能应用于一齐齐哈尔大学毕业设计（论文）用纸 9 些特殊生产中。 6 人机交互的研究现状 先进人类系统相互作用的应用包括很多 方面 。本段的目的在于，对那些侧重于制造过程中交换 问题的研究，给予简短的回顾。想要了解更多信息的人，请参照 Agar 的人与智能系统相互作用研究的复杂分类法。 大多文章触及的是解决特殊问题下人类 系统的合作问题，然而，也应该去做一些整体性的研究。 Stahre 研究了在先进制造 过程中的人机交互问题。 Udo 为了研究人为因素和成功的先进制造系统之间的关系 ，对美国近 100 家制造类公司进行数据分析。 Johannsen 提出 了“多用户协作管理控制的人机接口设计”，他涉及了知识接口设计的问题。 Fuchs 研究“与用户思维模式相匹配的人机接口设计”。 Yoshikawa 研究方向为 ：为人机交互系统的设计，发展一个分析支持系统，它是基于模拟 技术 和接受来自于人类操作者不同观点的分析评估。 Trentesaux 提出了“分离生产中的人类操作者与分离管理系统 反应的综合问题”，为了支持复杂的制造系统，他提出了 一些结合人操作的新的设计方法（全方位考虑、多方面决定支持、预先显示）。 Barthelemy提出“管理领域内的人为因素”，他强调了人为因素在决策支持系统中的作用。 Johnson 阐述了人犯错误的一般性问题。 介于工作错误模型和人机交互问题的研究，引发了