车辆人机工程学理论课件(第7章)

⑦第7章人机系统⑦第7章人机系统1人机系统的功能分配2人机系统设计4人机系统的功能和类型31机械系统人机界面的优化匹配33人机系统的数学模型35返回总目录第7章目录人机系统的功能分配2人机系统设计4人机系统的功能和类型31机27.1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7.1人机系统的功能和类型回到本章目录3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。人机系统的功能：信息接受、储存信息、4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人机系统的类型回到本章目录7.1人机系统的功能和类型57.2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7.2人机系统的功能分配人机系统中“人61.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1.感受能力人可识别物体的大小、形状、位置和颜色等特征，73.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85.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97.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10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机器优于人的特点:操作速度快,能量大,精确度高,11

“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“人”、“机”功能分配的原则7.2人机系统的功12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据研究资料介绍，一种无人驾驶飞机的最初800次飞行，137.3机械系统人机界面的优化匹配人机界面问题的提出人机界面优化匹配的目标人机界面匹配合理程度的评价指标匹配优度的试验评价方法评价的软件系统回到本章目录7.3机械系统人机界面的优化匹配人机界面问题的提出人机界面147.3.1人机界面问题的提出

机械系统的人机界面（Human-MachineInterface)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7.3.1人机界面问题的提出7.3机械系统人机界面的优15一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16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当前处理机械系统人机界面的几何位置关系,主要依靠设17

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开展“机械系统人机界面动态优化匹配方法”的研究，187.3.2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7.3.2人机界面优化匹配的目标7.3机械系统人机界面19(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(3)改善操作人员的舒适性回到本节目录7.3机械系统人机207.3.3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7.3.3人机界面匹配合理程度的评价指标7.3机械系21(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(2)有关机械系统人机界面匹配评价的基本术语7.3机械系统22d.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d.最优区域7.3机械系统人机界面的优化匹配23g.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g.显示类元件7.3机械系统人机界面的优化匹配24(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u∈U，都指定了一个数μA(u)∈[0，1]，叫做u对A的隶属度。映射μA:U[0,1]

uμA(u)

叫做A的隶属函数。7.3机械系统人机界面的优化匹配(3)模糊综合评判7.3机械系统人机界面的优化匹配25

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简单地说，隶属度指的是某因素属于某一评价的程度。隶属26

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在实际应用中，隶属函数是通过不断“学习”逐步修改27b.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b.模糊综合评判7.3机械系统人机界面的优化匹配28c.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c.模糊矩阵复合运算方法的选取7.3机械系统人机界面的优29d.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。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7.3机械系统人机界面的优化匹配30e.贴近度贴近度的计算是试探法求解模糊关系方程的基础，贴近度是模糊向量作内积和外积运算的结果。不少文献提出了各种不同的贴近度定义及算法，对于贴近度的各种不同定义，不能笼统地比较优劣，应根据具体问题作具体选择。7.3机械系统人机界面的优化匹配e.贴近度7.3机械系统人机界面的优化匹配31(4)匹配优度的表达与计算

a.匹配优度的计算采用模糊综合评判的方法进行计算。

匹配优度的计算过程类似于一个模糊专家系统的决策判断过程，它利用已有的知识对同一类问题进行判断和分析，评价结果体现了专家的知识、经验和决策。7.3机械系统人机界面的优化匹配(4)匹配优度的表达与计算7.3机械系统人机界面的优化匹配32

人们对事物进行评价是一个很复杂的过程，它包括了两个部分，即客观评价部分和主观评价部分，客观评价的基础是评价人所掌握的准则、客观标准或规律，而主观评价则与评价人的感觉、习惯、所处环境和审美观等因素相关。这两个部分相互作用、互相影响，给人们对评价结果的分析造成困难。人们无法从评价结果中看出客观评价和主观评价各占有多大的比例。因此，在构造评价指标时将它的权重因子分成两个部分，分别表示主观因素和客观因素。7.3机械系统人机界面的优化匹配人们对事物进行评价是一个很复杂的过程，它包括了两个部33

客观权重的构成是系统设计时指定的重要性和使用频率。

人的主观评价，尤其是专家的评价，是经验和知识的体现，这是有价值的部分。因此，作为评价指标的一个部分，将人的主观评价规律作为主观权重引入评价系统，以使评价结果更符合人的思维。由于人体尺寸的差异，不同百分位的人体对同一个人机界面的评价是不同的。另外，不同用途的系统对各种显示元件或操纵元件的要求也不相同，这是系统设计所决定的，是客观因素。因此，我们将它们纳入客观评价部分。7.3机械系统人机界面的优化匹配客观权重的构成是系统设计时指定的重要性和使用频率。734对于某一个给定的人体（按照性别、年龄段和人体尺寸百分位三个特征的不同组合选定）Humank

，对系统中的任意一个元件

Itemi的评价必然与下列因素有关：重要性

Importancei

使用频率

Frequencyi

最优区域

AreaBesti

一般区域

AreaGenerali

功能限制区域

FuncAreaLimiti

布置位置

Positioni7.3机械系统人机界面的优化匹配对于某一个给定的人体（按照性别、年龄段和人735对元件Itemi的评价结果可以表示为：

ItemEvaluationi=Φi(AreaBesti

，

AreaGenerali

，FuncAreaLimiti

，Positioni，

Humank

)

式中:Φi

为对元件Itemi的客观评价函数。7.3机械系统人机界面的优化匹配对元件Itemi的评价结果可以表示为：36客观评价与元件Itemi在系统中占有的地位,也就是重要性和使用频率有关。这两个因素可以表示为该元件在系统中的客观评价权重系数，即：

Ωi=ωi(Importancei

,Frequencyi

)

而主观评价规律的构成成分很复杂，根据现有的研究结果还无法一一将所有的影响因素罗列出来，也不能定量地指出各因素之间的相互关系，因此将主观评价规律以权重系数

Ψ的形式引入，与客观评价权重系数Ω组合成一个总的权重系数W

:

W=f(Ω,Ψ)7.3机械系统人机界面的优化匹配客观评价与元件Itemi在系统中占有37于是，对系统的评价就可以表示为:

式中:k表示给定的人体,Wi表示总的权重系数,上角标*表示评价采用的是广义的求和、求积运算。7.3机械系统人机界面的优化匹配于是，对系统的评价就可以表示为:7.3机械系统人机38b.评价结果对单一因素评价的结果是一个向量，所有的向量按照下式构成对系统的单因素评价矩阵：

R=(r1

r2…

rn)T因此，对系统的评价为：Es=A○R

式中○表示模糊运算子，A表示待评价因素的重要性权重系数。最后，对Es进行归一化处理,即得:

这就是对系统评价的结果，即匹配优度的表达式。7.3机械系统人机界面的优化匹配b.评价结果因此，对系统的评价为：7.3机械系39(5)隶属度运用隶属函数将已有的研究结论和数据统一起来是本项研究的一个重要特点，是评价指标计算的基础。

梯形函数7.3机械系统人机界面的优化匹配(5)隶属度梯形函数7.3机械系统人机界面的优化匹配40

上图中的d为评价函数中“稳定评价区域”的中心，“稳定评价区域”表示在这一区域内对该因素的评价是一致的，即在d的f邻域内的评价都是一样的；d-f的左边，对该因素的评价是线性下降的，下降的速度由g的大小决定；在d+f的右边，对该因素的评价也是线性下降的，下降速度由h的大小决定。梯形函数的表达式示如下：7.3机械系统人机界面的优化匹配上图中的d为评价函数中“稳定评价区域”41(6)主观评价规律a.主观评价规律权重系数人对机械系统人机界面进行评价时，通常是从现实的人机界面中逐一提取组成元件的特征参数与人脑中的已有知识比较，经过综合后作出的决策。知识的范围很广，最主要的是那些可称为“公理”的知识，即被绝大多数人认同的知识。在引入主观评价时，对“公理”性的知识，仍然采用客观评价的结果，对难以准确描述的经验性知识，则采用“主观评价规律权重系数”的方式体现，系数通过人机工程学实验的方法确定。

7.3机械系统人机界面的优化匹配(6)主观评价规律7.3机械系统人机界面的优化匹配42“主观评价规律权重系数”表示人在作主观评价时对不同类型的元件所分配的权重。它与人的主观感受有关，反映了人在作主观评价时对各类元件的评价在系统总体评价中的比例。7.3机械系统人机界面的优化匹配“主观评价规律权重系数”表示人在作主观评价时对不43b.机械系统人机界面多参数调节式仿真试验台

7.3机械系统人机界面的优化匹配7.3机械系统人机界面的优化匹配44机械系统人机界面多参数调节式仿真试验台结构示意图7.3机械系统人机界面的优化匹配机械系统人机界面多参数调节式仿真试验台结构示意图7.3机械45该试验台能够模拟多数机械系统人机界面的匹配关系；试验台各部件的几何位置是可以调节的，可以根据需要设计多种实验工况，并且能够使用摄像系统记录实验过程，供后续分析使用。该仿真试验系统还可以作为研究人机界面的一种试验设备，通过试验的方法来评价人机界面匹配的合理程度，进而指导人机界面的设计。该试验台是根据人机工程学原理和人机界面设计原则，依据有关的设计标准进行设计的。试验台主要部件的安装位置都是可调节的,其调节范围可以覆盖不同百分位成年人的人体尺寸范围。7.3机械系统人机界面的优化匹配该试验台能够模拟多数机械系统人机界面的匹配关系；试验46部件可调节的因素配备的附件座椅座椅的安装位置、座面高度、靠背倾斜角度、腰靠位置手控操纵器安装位置根据不同需要选择一种或多种元件（旋钮、开关等）脚控操纵器脚踏板的安装位置不同形式的踏板仪表板倾斜角度，安装位置仪表安装位置根据不同需要选择不同尺寸的指针式或数字式仪表指示灯安装位置根据不同需要选择不同类型、颜色、大小的指示灯工作台台面高度，台面相对于水平面的倾角7.3机械系统人机界面的优化匹配部件可调节的因素配备的附件座椅座椅的安装47

表7-2中各部件安装位置的调节均在一定范围内进行。所谓“一定范围”，是指无论视觉显示区域、手控操纵区域、脚控操纵区域、座椅、还是辅助装置的安装区域，都是以前研究中已经提出的、覆盖我国成年人人体尺寸范围的控制区域，包括最优区域、一般区域和最大区域。也就是说，“一定范围”是以人机界面合理匹配关系研究中所提出的有关数据为依据的，各种操纵动作在该区域内均视为有效，符合人机界面合理匹配的原则，也符合操纵装置的布置原则。7.3机械系统人机界面的优化匹配表7-2中各部件安装位置的调节均在一定范围内进行48c.实验工况设计和实验人员选择所有实验工况都是由以下几大类元件组合而成：视觉类元件、手控操纵器、脚控操纵器、仪表板和座椅。其中，视觉类元件包括指示灯、指针式仪表1、指针式仪表2及仪表板；手控操纵器包括按键、旋钮、开关、操纵杆及方向盘；脚控操纵器是不同形式的脚踏板。每个元件可调节的范围是不一样的，一般都含有最优区域、最大区域、一般区域。考虑到人对事物评价的模糊性，根据模糊数学的原理，制定实验评价标准如下：7.3机械系统人机界面的优化匹配c.实验工况设计和实验人员选择7.3机械系统人机界面的优49一级（很舒适）操作完成后，被试感觉各元件位置布置得当，无劳累感觉，操作无障碍，视觉舒适，操作力度合适。二级（舒适）操作完成后，被试感觉各元件位置布置基本得当，身体局部有轻度劳累感，操作无很大障碍，视觉较舒适，操作力度较合适。三级（一般）被试操作幅度较大，存在操作障碍并出现交叉操作现象，视觉不舒适，操作力度不够，有轻度劳累感。四级（不舒适）操作完成后，被试明显感到各元件位置布置不合理，视觉劳累，身体各部位移动幅度较大，操作力度明显不够，身体感觉劳累。五级（很不舒适）操作时，被试对各操纵器的操作费力、费时，视觉很劳累，一段时间之后，全身劳累，从心理上不想再继续操作。一级、二级、三级、四级、五级分别记为5、4、3、2、1分。7.3机械系统人机界面的优化匹配一级（很舒适）操作完成后，被试感觉各元件位置布置得当，无50被试是指在试验台上操作的人，我们挑选了身高符合GB10000-88《中国成年人人体尺寸》第5、第50、第95三个典型百分位尺寸的成年男子和成年女子共27名参与试验。他们是具有大学本科以上学历的在校本科生、研究生或教师，对人机工程学的基本知识都有一定程度的了解，有的还是这方面的研究人员或专家，因此，他们的评价结果具有一定的代表性。7.3机械系统人机界面的优化匹配被试是指在试验台上操作的人，我们挑选了身高符合GB51d.实验设计的理论基础模糊综合评判中，A和R为已知，由此而求出B:B=A○R这类问题,称为综合评判的正问题。如果已知的是B和R，A为未知，要根据B和R求A，即:X○R=B或者A，B为已知，R为未知，要根据A、B求R，即:

A○X=B这两类问题，称为综合评判的逆问题。7.3机械系统人机界面的优化匹配d.实验设计的理论基础7.3机械系统人机界面的优化匹配52

权重分配A的确定并无通用的计算公式，正确与否往往取决于专家的判断或有经验者长期积累的经验，这些经验知识很难用数学公式表达。但B往往可以通过实践检验建立起来，因此，由B和R反过来求A，有利于总结专家的经验，使它得到量化。同样道理，由A、B求R，可以帮助我们检验建立起来的数学模型是否合适。从模糊数学的角度看，模糊综合评判的逆问题，实质就是求解模糊关系方程的问题。而一个模糊关系方程可能有解，也可能无解。当模糊关系方程有解时，解往往不止一个，而是一个或多个解区间，这时，是取方程的最大解，极小解还是取它们的中间值，在处理综合评判的逆问题时，只有根据实际情况才能作出恰当的抉择。7.3机械系统人机界面的优化匹配7.3机械系统人机界面的优化匹配53当用试探法求解模糊关系方程（7-21）时（式中X即为我们要求的A），可事先人为地给出k个权重分配：A1,A2,A3,…，Ak然后分别代入方程（7-20）求出B：

Bj=Aj○R(j=1,2,…,k)再根据择近原则求出与已知的B最贴近的模糊集，即若:

则Bj0所对应的Aj0即是所求的近似权重分配。在实验中代表了人在对人机界面进行评价时对各因素分配的权重，体现了人的主观评价规律。7.3机械系统人机界面的优化匹配当用试探法求解模糊关系方程（7-21）时（式中X即为我们54e.数据处理实验数据的统计分析结果①视觉类元件和座椅在整个系统中所占的权重比较大。②相对于视觉类元件和座椅，操作类元件（操纵器）在整个系统中所占的权重较小；其中，手控操纵器占有比脚控操纵器稍大的权重。③被试对人机界面的综合评价具有一定的可靠性和实用性。④试验系统综合评价成绩与试验系统中大多数元件的评价成绩间存在着显著的相关性。7.3机械系统人机界面的优化匹配e.数据处理7.3机械系统人机界面的优化匹配55主观评价规律的计算采用非线性规划与试探法相结合的方法，求解模糊方程，对大量的实验数据，将贴近度作为迭代计算的核心问题，在整个可能解空间内反复搜索，直到寻找到一个贴近度最大的解作为权重分配方案。对每一个实验工况和算子选择方案下的10个因素：指示灯、仪表1、仪表2、仪表板、按键、旋钮、开关、操纵杆、脚踏板和座椅，分别编写优化计算程序共60个，每个程序都在可行的范围内逐一测试，反复计算和比较贴近度，计算时，对于相近的贴近度，经过近350小时的反复计算，得出了多组不同的权重分配方案进行比较。对于这些不同权重分配方案，选择其中贴近度最大的一个作为优选方案。7.3机械系统人机界面的优化匹配主观评价规律的计算7.3机械系统人机界面的优化匹配56

不同算子下计算结果的综合比较（节选部分工况）7.3机械系统人机界面的优化匹配不同算子下计算结果的综合比较（节选部分工况）7.3机械系统57不同算子的比较7.3机械系统人机界面的优化匹配不同算子的比较7.3机械系统人机界面的优化匹配58决定选用有界和与积算子下的计算结果作为主观评价规律权系数的实用值，如表所示。

元件视觉类元件仪表板手操纵元件脚操纵元件座椅Ψ0.200.220.320.090.177.3机械系统人机界面的优化匹配决定选用有界和与积算子下的计算结果作为主观评价规律权系数的实59(7)将主观评价规律引入评价体系的方法在式(7-14)中,Ω

表示客观因素权系数,Ψ表示主观评价规律权系数,f

表示它们的一种组合方式,f

的选择必须使构造出来的权重

W满足归一化的要求。

建立方程组:在此f采用的是直接迭加的方式，即:(7-25)

7.3机械系统人机界面的优化匹配(7)将主观评价规律引入评价体系的方法建立方程组60对于任意给定的实数t∈R，由于所以

W满足归一化要求。7.3机械系统人机界面的优化匹配对于任意给定的实数t∈R，7.3机61虽然式(7-25)中t的选取从函数的构造上没有特别的限制，可以取任意的实数，但是，为了使评价有意义，研究中规定t的取值范围为t∈[0,1]。

当t=0时，权重W中仅含有主观评价成分，因此，可以将评价结果作为主观评价使用。

当t=1时，权重W中仅含有客观评价成分，即不考虑主观评价规律的影响。

当t∈(0,1)时，评价结果中就结合了主观和客观规律在内，t越大，客观评价的成分就越大，t越小，主观评价的成分就越大。如果实验设计和实验样本选择较好，那么主观评价规律能够较好地反映人的经验和知识。7.3机械系统人机界面的优化匹配虽然式(7-25)中t的选取从函数的构造上没有62(8)机械系统人机界面的评价指标

a.分层次模糊综合评判运用分层次模糊综合评判的方法对机械系统人机界面进行评价的过程可以概括为四个步骤：①系统层次划分;②各层次权重系数的确定;③从低层次开始逐层进行评价;④对评价结果进行归一化处理。

7.3机械系统人机界面的优化匹配(8)机械系统人机界面的评价指标7.3机械系统人机界面的优63待评价因素的层次结构图7.3机械系统人机界面的优化匹配待评价因素的层次结构图7.3机械系统人机界面的优化匹配64

b.具体表达式的推导

组成机械系统的元件十分复杂，不能分得太具体，研究中将人机界面的组成元素按照操作方式分为六大类：视觉类（V），手操作类（H），脚操作类（F），工作台类（T），面板类（P）和座椅类（S），以此为基础构造实际的评价模型。评价模型中采用的数据是人机工程学设计中已有的研究结论，具有完整性和权威性。评价采用五级评分制，即选评价集为:

B=(b1,b2,b3,b4,b5)=(优秀，良好，中等，较差，极差)。7.3机械系统人机界面的优化匹配b.具体表达式的推导7.3机械系统人机界面的优化匹配65

视觉类元件：对视觉类元件（V），考虑它的三个因素：

①该元件的位置与操作者的距离v1；②该元件在垂直面所处的区域v2；③该元件在水平面所处的区域v3。以元件在垂直面所处的区域v2为例，根据已有的研究数据，在垂直面内，根据辨别能力，其视角可以分为下图表示的几个区域，即辩色范围（BOG），眼睛最大活动角（COF），眼睛最容易活动角（DOE），视线极限角（AOH）等。7.3机械系统人机界面的优化匹配视觉类元件：7.3机械系统人机界面的优化匹配66

辩色范围（BOG）眼睛最大活动角（COF）眼睛最容易活动角（DOE）视线极限角（AOH）等人眼的视觉特征7.3机械系统人机界面的优化匹配辩色范围（BOG）人眼的视觉特征7.3机械系统人机界面的优67

根据梯形函数的表达式(7–21)，可以构造隶属函数。例如，隶属于评价“极差”(b5)的隶属函数为：7.3机械系统人机界面的优化匹配根据梯形函数的表达式(7–21)，可以构造隶属函数。68

隶属于评价“较差”(b4)的隶属函数为：7.3机械系统人机界面的优化匹配隶属于评价“较差”(b4)的隶属函数为：7.3机械系统人69

隶属于评价“中等”(b3)的隶属函数为：7.3机械系统人机界面的优化匹配隶属于评价“中等”(b3)的隶属函数为：7.3机械系统人70

隶属于评价“良好”(b2)的隶属函数为：7.3机械系统人机界面的优化匹配隶属于评价“良好”(b2)的隶属函数为：7.3机械系统人71

隶属于评价“优秀”(b1)的隶属函数为：7.3机械系统人机界面的优化匹配隶属于评价“优秀”(b1)的隶属函数为：7.3机械系统人72

利用这5个隶属函数就可以实现对视觉类元件垂直面布置位置的模糊评价，即得：

对该视觉类元件的其余两个因素v1和v3评价的方法是类似的。都必须先构造隶属函数（每个因素各5个），再计算待评价因素对各隶属函数的隶属度，这样就分别计算出和：7.3机械系统人机界面的优化匹配利用这5个隶属函数就可以实现对视觉类元件垂直面布73

因此，对该视觉类元件的单因素评价矩阵Rv就是由这三个因素组成：

7.3机械系统人机界面的优化匹配因此，对该视觉类元件的单因素评价矩阵Rv就是由74

Rv

中的元素表示评价因素对评价集的隶属度，由于各评价因素一般是相互独立的，相关性很小。从Rv

中还不能明确地体现对该元件的评价结果。为此，根据该元件各因素的重要性，构造权重矩阵:并且，令

定义评判结果为:

○7.3机械系统人机界面的优化匹配Rv中的元素表示评价因素对评价集的隶属度，由于各评75

这里的○表示模糊运算子，可以根据实际评判的需要选择不同的类型。模糊矩阵和的广义乘积为模糊矩阵，它就是对视觉类元件的评价结果。中的各元素为：

手操作类元件（H），脚操作类元件（F），工作台类元件（T），面板类元件（P）和座椅类元件（S），均可用类似方法进行评价。7.3机械系统人机界面的优化匹配这里的○表示模糊运算子，可以根据实际评判的需要选76系统总体评价的评价矩阵：

7.3机械系统人机界面的优化匹配系统总体评价的评价矩阵：7.3机械系统人机界面的优化匹配77并且，令

○7.3机械系统人机界面的优化匹配并且，令○7.3机械系统人机界面的优化匹配78计算出的系统评价是一个模糊集合，集合中的元素表示隶属于评价集的隶属度，要判断对系统的评价，采用“最大隶属原则”，其定义为：

对于Zadeh算子，B中各元素计算得：7.3机械系统人机界面的优化匹配计算出的系统评价是一个模糊集合，集合中的元素表示隶属79设A1，A2，…，An

∈F（U），u0∈U，若有i∈{1，2，…，n}，使：

则认为u0相对隶属于Ai。

根据该原则，取B中最大值对应的评价作为对系统的评价。回到本节目录7.3机械系统人机界面的优化匹配设A1，A2，…，An∈F（U），u0∈U，若有i807.3.4机械系统人机界面匹配评价的软件系统

用于机械系统人机界面评价及匹配优度计算的软件系统—HMIE（Human-MachineInterfaceEvaluation)。(1)软件系统的功能软件主要含有建模、评价、人体数据和人体模型等模块。HMIE软件系统运用计算机辅助设计技术，将评价模型及评价过程由数学模型转化成计算机程序，它含有GB10000-88《中国成年人人体尺寸》的标准数据和人机工程学、人体生物力学等学科的基本规则及人机界面评价的相关参数，其中包括通过实验得出的主观评价规律权重系数。7.3机械系统人机界面的优化匹配回到本节目录7.3.4机械系统人机界面匹配评价的软件系统7.3机81运用该评价系统能够在计算机上随意地构造机械系统的虚拟人机界面，对其中任意一个元件的重要性、使用频率等客观权重可以根据实际系统设计的需要进行调整，对元件的几何尺寸、安装位置和角度等因素均可任意改动，同时，能够反复对单一元件或整个系统进行评价，评价结果以对话框和文件的形式输出，用于分析评价的详细过程。7.3机械系统人机界面的优化匹配运用该评价系统能够在计算机上随意地构造机械系统的82在计算机上构造的机械系统人机界面是三维的实体，可以从空间的任意角度查看人机界面，以直观地检验某些设计时存在的干涉问题，同时，系统还提供了三个标准的视图—主视图、俯视图和侧视图，通过坐标锁定功能，能够方便地用鼠标器在屏幕上准确地选择、移动和修改元件。通过内嵌的人体模型，可以选择不同百分位、不同性别、不同年龄的中国国家标准人体尺寸对虚拟的人机界面进行评价，得出匹配优度。整个评价过程可以在瞬间完成，界面标准，易学易用。7.3机械系统人机界面的优化匹配在计算机上构造的机械系统人机界面是三维的实体，可以从83(2)软件系统的设计特点HMIE完全具备了JensenHolland指出的6条基本要求：a.采用面向对象的方法；b.采用标准的操作系统；c.实现基本的图形编辑手段；d.菜单驱动；e.动态属性修改；f.全屏幕编辑。7.3机械系统人机界面的优化匹配(2)软件系统的设计特点7.3机械系统人机界面的优化匹配84机械系统的虚拟人机界面7.3机械系统人机界面的优化匹配机械系统的虚拟人机界面7.3机械系统人机界面的优化匹配85软件评价流程图7.3机械系统人机界面的优化匹配软件评价流程图7.3机械系统人机界面的优化匹配86a.根据待评价人机系统的几何构造草图，初步确定其人机界面各组成元件的重要性、使用频率、元件形式、元件数量等等。这些特性在系统的总体设计阶段就已经确定了。b.确定人机系统中“人”的特性。不同的系统对操作人员的要求不同，因此要确定合适的操作人员。c.调整各个元件的位置使之与设计草图一致。d.选取一个百分位、性别、年龄的人体对所设计的系统进行评价。(3)软件评价的实施步骤7.3机械系统人机界面的优化匹配a.根据待评价人机系统的几何构造草图，初步确定其人机87e.如果对评价结果满意，则终止评价过程，根据需要保存或打印所设计的人机界面及评价结果，否则继续调整各元件的相对位置，再重新评价，直到满意为止。f.根据需要调整元件的权重系数，或选用不同的人体对系统进行评价。g.更换不同的元件反复进行评价。h.如果有不同的设计方案，则对别的方案进行评价。

7.3机械系统人机界面的优化匹配e.如果对评价结果满意，则终止评价过程，根据需要保存88软件运行界面7.3机械系统人机界面的优化匹配软件运行界面7.3机械系统人机界面的优化匹配89评价人体数据输入7.3机械系统人机界面的优化匹配评价人体数据输入7.3机械系统人机界面的优化匹配90添加评价人体图7-15c17.3机械系统人机界面的优化匹配添加评价人体图7-15c17.3机械系统人机界面的优化匹91添加工作台、仪表板、座椅7.3机械系统人机界面的优化匹配添加工作台、仪表板、座椅7.3机械系统人机界面的优化匹配92添加方向盘、布置操纵杆、布置脚控元件7.3机械系统人机界面的优化匹配添加方向盘、布置操纵杆、布置脚控元件7.3机械系统人机界面93布置仪表板元件7.3机械系统人机界面的优化匹配布置仪表板元件7.3机械系统人机界面的优化匹配94评价结果7.3机械系统人机界面的优化匹配评价结果7.3机械系统人机界面的优化匹配95直观评价——拉变速杆、拨旋钮，踩脚踏板回到本节目录7.3机械系统人机界面的优化匹配直观评价——拉变速杆、拨旋钮，踩脚踏板回到本节目录7.3机967.3.5机械系统人机界面匹配优度的试验评价方法

采用这种方法进行评价的基本步骤是：首先根据实际问题初步设计出若干种可供选择的人机界面配置方案；由此确定需要进一步通过仿真试验进行评价的典型试验工况；按照所选择的试验工况，在试验台上布置人机界面中各元件的位置；根据系统的使用条件及其适用的人群范围选择典型的被试；对各试验工况进行主观评价；根据试验得出的评价成绩，对所研究的人机界面进行匹配评价，从中选出优化匹配方案。

7.3机械系统人机界面的优化匹配回到本节目录7.3.5机械系统人机界面匹配优度的试验评价方法

97(1)机械系统人机界面匹配评价的试验设计a.试验工况的选择b.试验评价的标准c.试验指导语d.试验评价的评分e.被试的选择7.3机械系统人机界面的优化匹配(1)机械系统人机界面匹配评价的试验设计7.3机械系统人机98(2)机械系统人机界面匹配合理程度的评价试验评价试验在“机械系统人机界面优化匹配多参数调节式仿真试验台”上进行。按照所选择的试验工况，由主试在试验台上布置人机界面中各元件的位置；被试在指导语的提示下对当前试验工况进行规范操作；根据自身的真实感受给当前试验工况综合评价评分。所有被试对每一种试验工况都完成试验和评分后，收集和保存好试验评价评分统计表，查看是否有遗漏。全部试验完成后,在主试的指导下,被试可按自己的感受布置一种自己认为最佳的工况,用摄像系统摄下这一工况的图像,输入图像处理系统进行处理，得出该工况的布置尺寸。7.3机械系统人机界面的优化匹配(2)机械系统人机界面匹配合理程度的评价试验评价试验7.399(3)机械系统人机界面匹配合理程度的试验评价方法

完成评价试验后，对试验结果进行统计处理，求出不同性别、不同身高的被试对各试验工况评分成绩的平均值和标准差并且比较其差异大小。然后，根据统计分析结果(平均成绩或平均秩越高，舒适的程度就越高)，选取评价成绩好的若干个试验工况作为机械系统人机界面设计的准优化匹配工况。如有必要，还可对所选取的准优化匹配界面进行进一步的专家级试验评价，并从中选取最优匹配的人机界面。7.3机械系统人机界面的优化匹配(3)机械系统人机界面匹配合理程度的试验评价方法

100(4)评价示例以一种通用机械系统的人机界面为例,人机界面由三个视觉类元件（指示灯、仪表1、仪表2），三个手操作类元件（按键、旋钮、开关），一个脚操作类元件（脚踏板）和一个座椅类部件（座椅）组成。通过初始设计，共确定了20种典型试验工况。

回到本节目录7.3机械系统人机界面的优化匹配(4)评价示例以一种通用机械系统的人机界面为例,人1017.4人机系统设计在机器设计中的地位和作用人机系统设计的概念对人机系统设计的要求人机系统设计的程序

人机系统设计的内容人机系统设计的评价

人机系统设计的方法

回到本章目录7.4人机系统设计在机器设计中的地位和作用人机系统设计的1027.4.1人机系统设计在机器设计中的地位和作用

机器设计过程的六个阶段:原理设计；概略设计或初步设计；人机工程设计；结构设计；造型设计；完成产品设计。在完成机器设计的总任务中,人机工程设计的作用主要是使“人”与“机”高度协调地统一在一个系统之中,实现人机系统综合性能的优化。回到本节目录7.4人机系统设计7.4.1人机系统设计在机器设计中的地位和作用回到本节目1037.4.2人机系统设计的概念(1)设计是人们对特定问题的主动求解活动a.问题的“真实性”考查b.问题的“定义”c.问题的“求解策略”7.4人机系统设计回到本节目录7.4.2人机系统设计的概念7.4人机系统设计回到本节104(2)人机系统设计的概念人机系统设计的特定问题是谋求整个人机系统的综合优化。着重掌握以下几点要领:系统的观念：“系统”是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体。b.

人机系统的性质:在于“人”、“机”之间存在着信息、能量、物质的传递和交换。c.人的主导作用：肯定人机系统中人的主导地位和作用，是人机工程学的一个基本思想。d.人机功能的合理分配e.人机界面的优化匹配:人机系统设计必须在产品或工程设计的初期就介入进去，以利于充分考虑人的因素，反映人的需要。7.4人机系统设计(2)人机系统设计的概念7.4人机系统设计105(3)人机系统设计的目标

人机系统设计的目标是在总体上、系统级的最高层次上正确解决好人机功能分配、人机关系协调、人机界面匹配三个基本问题,以求得令人满意的人机系统方案,获得安全、健康、舒适、高效的综合效益。回到本节目录7.4人机系统设计(3)人机系统设计的目标回到本节目录7.4人机系1067.4.3对人机系统设计的要求(1)系统功能达到预定的目标,完成预定的任务。(2)系统中人与机器都能充分发挥各自的作用,彼此协调地工作,既要使机器发挥最高的效能，又要使操作者付出尽量少的劳动。使得人机系统的总体效率尽量提高而能耗尽量降低。(3)人机系统必须安全可靠。(4)人机系统应当使操作者在操作时感到舒适和方便。(5)人机系统的设计必须充分考虑其社会效益。(6)系统的输入和输出功能符合设计能力,其调整环节应力求完善。回到本节目录7.4人机系统设计7.4.3对人机系统设计的要求回到本节目录7.4人机系1077.4.4人机系统设计的内容(1)确定人机系统的功能及其在人、机间的合理分配。(2)信息显示器的选型、设计和布置。(3)操纵器的选型、设计和布置。(4)机器的危区分析和安全防护设计。(5)人机界面的优化匹配。(6)人机系统的可靠性设计。(7)作业空间设计。(8)作业环境的设计和控制。

回到本节目录7.4人机系统设计7.4.4人机系统设计的内容回到本节目录7.4人机系统1087.4.5人机系统设计的程序定义系统目标和作业要求系统作业要求应定义三方面的内容：a.系统做什么？b.做的标准是什么？c.如何进行测量？(2)定义系统的输入/输出及其功能(3)初步设计：功能分配、作业要求研究及作业分析。(4)人机界面设计(5)作业辅助设计：制定对使用者的素质要求和选择操作人员的标准；设计操作手册、作业辅助手段、培训方案。(6)系统验证：以人的作业效能为主要验证标准。回到本节目录7.4人机系统设计7.4.5人机系统设计的程序回到本节目录7.4人机系统1097.4.6人机系统设计的方法(1)功能分析与功能分配a.功能化的设计思维：要求以最抽象的方式描述设计问题，为设计者创造性的发挥提供更多的机会。b.功能分析与功能分配：包括描述、确定、分解和分配系统功能的全过程。c.功能分配的原则：比较分配原则、剩余分配原则、经济分配原则、宜人分配原则、弹性分配原则。7.4人机系统设计回到本节目录7.4.6人机系统设计的方法7.4人机系统设计回到本节110(2)作业分析作业分析是指对分配给人的功能进行分析，其目的是使作业与作业者之间建立协调一致的关系。

确定系统作业结构b．确定作业c.描述作业：作业流程图、作业分析表d.建立作业序

系统作业结构的三种基本形式7.4人机系统设计(2)作业分析系统作业结构的三种基本形式7.4人机系统设计111(3)作业辅助（PerformanceAids）是指一种“信息装置”或文件，其中包含作业者作业时需要使用的信息。a.作业辅助的种类:记忆辅助类、作业步骤类。b.作业辅助信息：提示信息、关系信息、模拟信息、举例信息。c.作业辅助设计：作业辅助设计须满足准确性、可靠性、完整性、简明性的要求。回到本节目录7.4人机系统设计(3)作业辅助（PerformanceAids）回到本1127.4.7人机系统设计的评价

对人机系统设计的评价,目的在于全面了解系统设计的优点和缺点,分析存在的问题,找出其中的薄弱环节、不良因素或潜在危险,为改进人机系统设计提供依据。7.4人机系统设计回到本节目录7.4.7人机系统设计的评价7.4人机系统设计回到本节113(1)人机系统设计的评价标准评价标准包含两方面：系统作业标准、人的效果标准从人机工程学的综合效果考虑，对人机系统设计的评价可提出下列几项标准:a.安全标准b.经济效益标准c.宜人化标准d.社会效益标准7.4人机系统设计(1)人机系统设计的评价标准7.4人机系统设计114(2)评价方法a.定性评价的量化处理方法：以对车辆驾驶座椅的静态乘坐舒适性这一单项要素的评价为例,我们可以按五级评分制规定评分的尺度。分值定性评价的基本描述5很舒适,很好,很满意,优4舒适,良好,满意,良3基本可用,中等,一般2不舒适,差,不满意,不及格1很不舒适,很差,很不满意,不能用7.4人机系统设计(2)评价方法分值定性评价的基本描述5很舒115定性评价的当量分值:式中:E—评价的当量分值;Pk—第k位评价人员给出的评分;n—参予评价的评价人员的人数。对于包含有m项评价要素的人机系统,其总分值Q的计算方法,可根据具体评价对象的情况和评价要求,选取下列五种方法之一。7.4人机系统设计定性评价的当量分值:7.4人机系统设计116①联系链的概念:人体器官与机器之间的关联关系。视觉链；听觉链；操作链；行走链。根据人的基本动作，联系链分为三类:相应联系链、对应联系链、逐次联系链②联系链值计算分析评价法：这个方法主要适用于只有一个操作者的人机系统的评价。b.定性评价的提问式列表检查法：这是人机系统评价中使用较为普遍的一种定性评价方法,既可用于系统评价,也可用于单元评价。c.人机系统联系链分析评价法7.4人机系统设计①联系链的概念:人体器官与机器之间的关联关系。b.定性评1171）绘制人机系统联系链分析图圆形符号表示操作者；矩形符号表示机器设备；三角形符号表示联系链的使用频率,内中的数字1～5是描述使用频率的分值；棱形符号表示联系链的重要性,内中的数字1～5是描述重要性的分值。不同的线型表示不同类型的联系链:细实线表示操作链；虚线表示视觉链；点划线表示行走链；双点划线表示听觉链。7.4人机系统设计1）绘制人机系统联系链分析图7.4人机系统设计118③联系链作图分析评价法

人机系统联系链作图分析法回到本节目录2)确定各联系链的重要性与使用频率的分值3)计算各联系链的链值7.4人机系统设计③联系链作图分析评价法人机系统联系链作图1197.5人机系统的数学模型人机系统数学模型的概念人机系统模型的结构

人机系统模型的特性人机系统的模糊控制模型人机系统的传递函数模型回到本章目录7.5人机系统的数学模型人机系统数学模型的概念人机系统模1207.5.1人机系统数学模型的概念

描述人机系统动态特性的数学表达式，称为人机系统数学模型。方法上较为成熟的是传递函数模型，越来越引起人们重视的则是模糊控制模型。回到本节目录7.5人机系统的数学模型7.5.1人机系统数学模型的概念回到本节目录7.5人机1217.5.2人机系统模型的结构

典型的人机系统是一种人工闭环控制系统。以汽车驾驶的方向操纵系统为例。人机系统模型的结构由人(驾驶员)的动态特性模型与机(汽车)的动态特性模型两个子模型组成,通常这两个子模型是串联的组合关系。回到本节目录7.5人机系统的数学模型7.5.2人机系统模型的结构回到本节目录7.5人机系统1227.5.3人机系统模型的特性(1)频率响应特性：人作为系统中的控制器，主要响应低频信号，对高频信号的响应则有所衰减。信号频率越高，响应衰减程度越大。(2)非线性：人的行为具有明显的非线性特征，利用数学公式恰当地描述人的行为时，可以把人的传递函数看成是一个带有附加“残余”项的线性连续模型，其中残余项表示指人的响应中与输入不是线性相关的那一部分。但事实上，残余项却往往非常大，是实际响应的主要组成部分。(3)时变性(4)离散性：人的行为是一个离散系统。7.5人机系统的数学模型回到本节目录7.5.3人机系统模型的特性7.5人机系统的数学模型回123(5)滞后性：在有些人机系统中，常设置一个辅助跟踪器，其主要作用是向人提供一个信号导前量，对受控系统的滞后效应进行补偿。(6)随机性：随机性可通过适当的训练、鼓励或者简化人的控制任务而使之减小。(7)自适应性：人的自适应能力表现在很多方面，例如，人采取适合于控制输入激励函数特性的方法称为输入自适应;采取适应受控系统动态特性变化的方法称为任务自适应；基于人的感觉现象的自适应过程称为生物自适应；根据以往的经验发展自己控制技能的过程称为学习自适应。回到本节目录7.5人机系统的数学模型(5)滞后性：在有些人机系统中，常设置一个辅助跟踪1247.5.4人机系统的传递函数模型(1)人机系统的补偿跟踪模型图7-20所示的人机系统模型结构，是描述人与机器之间相互作用的基本结构，为了获得与某些使用情况相当吻合的模型，必须将图7-20所示的复杂的相互作用关系进行简化。

7.5人机系统的数学模型回到本节目录7.5.4人机系统的传递函数模型7.5人机系统的数学模125最常用的简化结构是图7-21(a)所示的补偿跟踪结构。7.5人机系统的数学模型最常用的简化结构是图7-21(a)所示的补偿跟踪结构。7126

在人机系统的补偿跟踪模型中,“机”的传递函数和反馈环节的传递函数都可以根据具体机器系统的动力学理论和控制工程理论加以确定。而人的传递函数则需要依据“机”的传递函数与系统输入信号的类型来选定。也就是说，人的自适应能力将扩展到机械系统与显示系统的动力学模型上，因而对于同一类型的系统输入信号，将根据“机”的传递函数的不同而使用不同形式和数值的人的传递函数。所以，人的数学模型的研究工作，应包括对于系统输入信号与“机”的传递函数的各种不同组合所进行的试验，以发现为了适应某种具体情况，人的大脑会综合什么形式和数值的传递函数。7.5人机系统的数学模型在人机系统的补偿跟踪模型中,“机”的传递函数和反127

由于“机”的动态特性所具有的实际约束和人体自身的限制而限定了人的传递函数的范围，只需对这个范围进行研究，就可得到相当简单的普遍性模型，并能获得为适应具体的系统输入信号和所需的“机”的传递函数而改变系统参数的调节规律。

利用图7-21(b)所示的人机系统补偿跟踪模型的仿真实验装置可进行人的传递函数的实验建模。因为人具有很强的自适应能力，若采用正弦信号进行实验，则人会很快认识到特定正弦波的重复性质而适应它，并且能以近似的频率和窄带随机信号所具有的较高精度进行调节动作，其结果将影响实验的正确性，所以,通常采用随机信号进行建模试验。7.5人机系统的数学模型由于“机”的动态特性所具有的实际约束和人体自身的128

因为所要建立的线性模型是人的行为的良好预测器，所以模型的预测值与人的实际输出值的差值必然是很小的量。由此，根据人所感受的误差信号和人的总输出的测量值来求人的最优线性传递函数的问题，可以归结为寻找一个使人的传递函数的输出信号与人的总输出信号之间的均方误差为最小的传递函数。在各种不同形式的数学模型中，对所测数据拟合较好的最常用解析式为：7.5人机系统的数学模型因为所要建立的线性模型是人的行为的良好预测器，所以模型129

K—人工控制环节的增益,取值范围1～100TA—操作人员的导前时间常数,取值范围0～2.5sD—操作人员的反应时间,取值范围为0.2±20%sTL—操作人员的中枢信息传递和加工过程的时间常数,取值范围为0～20sTN—操作人员的神经肌肉调节过程的时间常数,取值范围为0.1±20%ss—拉普拉斯变换的算子上式给出的传递函数形式已经被广泛用于描述人的动态特性。当一个受过很好训练的操作者完成的任务较简单，跟踪的是低频信息时，该传递函数的线性、连续性模型给出的结果与实际情况十分吻合。7.5人机系统的数学模型K—人工控制环节的增益,取值范围1～1007.5130表7-12给出常用的拉普拉斯变换对照表，可查得给定时间函数表达式的拉普拉斯变换表达式。表7-13所列是一些研究者采用具有确定传递函数的受控部件组成的测量系统，对人的传递函数基本模式中的各个参数之测定结果，可供进一步研究人的传递函数模型时参考。(2)人机系统的预瞄跟踪模型驾驶过程中,驾驶员总是提前一段距离观测将要跟随的道路行驶路径。更适合于描述车辆驾驶员方向操纵过程的人机系统传递函数模型应当是预瞄跟踪模型。

7.5人机系统的数学模型表7-12给出常用的拉普拉斯变换对照表，可查得给131

7.5人机系统的数学模型7.5人机系统的数学模型132

预瞄跟踪模型可以划分为预瞄环节P(s)、反馈预估环节B(s)、前向校正环节F(s)、偏差比较器及“机”的传递函数五个组成部分。预瞄环节P(s)、反馈预估环节B(s)、前向校正环节F(s)和偏差比较器构成为驾驶员模型(即人的模型)。预瞄环节P(s)提前观测各种参考输入信息f,并从中抽取受控系统在未来某一时刻将要跟随的特征参量fp；反馈预估环节B(s)感知当前时刻受控系统的状态信息y,并据此估计同一未来时刻受控系统的特征参量yp的估计值；通过偏差比较器将两个特征参量fp、yp进行比较后,给出偏差信号ε；7.5人机系统的数学模型预瞄跟踪模型可以划分