人机与环境工程的研究进展

人机与环境工程的研究进展

人类工程和环境科学是20世纪80年代形成并发展起来的一门综合科学，它涉及生物化学、心理学、医学、力学（固体和液体）、热学、电学等多学科的交叉科学。它包括生物化学、心理学、医学、力学（固体和液体）、热学、物理、计算机、模拟、空调、真空和测量等多项技术。从系统的角度来看，人类、机器和环境是一个有机的整体（大环境系统）。人类、机器和环境的特征、相互关系，以及以整个系统为安全舒适、效率和经济的最佳组织。根据研究对象和重点的不同，人类和环境工程的研究可分为以下分支。1)人机工程学.主要研究人及机器的特性、人与机器的关系和人、机器及人机系统对环境的适应性;2)飞行器(飞机及航天器)环境控制及生命保障技术.研究能创造适合人、机器及人机系统安全、舒适、高效和经济的生活及工作的微环境技术及与之有关的防护技术;3)环境模拟技术.研究人、机及人机系统所能遇到的各种自然环境和诱发环境的人工复现技术和模拟环境下的试验技术,用以研究及考核人、机及人机系统的环境适应性和可靠性,检验和评价人机-环境系统数学模型和仿真结果的正确性.1人类环境系统1.1计算机环境仿真研究人-机-环境系统研究内容包括以下几个部分,见图1所示.1)人的特性研究.研究人的工作能力、体力负荷、智力负荷和心理负荷;人为失误和人的可靠性;人体测量技术;人员选拔和训练方法;人的数学模型(控制模型和决策模型)等.2)机器特性研究.研究机器特性及其建模技术.3)环境特性研究.研究人机共处的环境特性及其建模技术.4)人-机关系研究.研究静态人-机关系,如作业域的布局与设计等;动态人-机关系,如人机功能分配、人机界面设计及评价等;多媒体技术在人-机关系中的应用,如将人体测量数据生成动态人体模型,结合计算机辅助设计生成的舱室布局,动态显示人的最佳作业域和视野范围.5)人-环关系研究.研究环境因素对人的影响,个体防护及救生方案的研究等.6)机-环关系研究.研究人机工程相关的机-环关系及特性.7)人-机-环境系统总体性能研究.人-机-环境系统总体数学模型建模技术及理论研究;全数学模拟、半物理模拟和全物理模拟技术的研究;总体性能(安全、高效、经济)的分析、设计和评价等.1.2重重车台下作业,将其作业过程和作业姿态放在特定的状态下,一般在和谐小工况下作业,在一般有机作用下.将计算机仿真技术用于实际工程问题的定量分析、科学设计及评价,必将提高人-机-环境系统工程的设计效率、及时发现并纠正错误、缩短设计周期、降低研制费用.在航空航天等高科技领域,还涉及很多使用常规技术无法实现或代价过大的实验过程,如航天员在失重状态下的舱外作业.美国在制定修复哈勃望远镜计划时曾先用计算机模拟失重状态下航天员作业过程及作业姿态、再让航天员依据该作业过程及作业姿态在中性水槽下练习训练.当航天员完全熟悉并掌握该作业过程后才被送入太空实行修复任务,结果圆满完成了任务.1.2.1不同作业任务和对象的仿真设计人机系统计算机仿真主要包括设备的计算机辅助设计、人体模型的建立及对所建人机系统模型进行工效分析及评定等.对不同的作业任务和对象,所需建立的人体模型的内涵有很大的不同.如英国诺丁汉大学开发的SAMMIE系统能进行工作范围测试、干涉检查、视域检测、姿态评估和平衡计算.美国CALSPAN公司开发的CAL-3D软件可模拟人被汽车碰撞后的运动过程,即人体的运动学和动力学特性仿真.1.2.2人体热调节系统数学模型人-环系统计算机仿真主要包括局部环境的设计、模拟与控制等.影响人机工效的环境主要有光环境(照明、色彩)、声环境、振动、热环境、空气质量和电磁环境等.对于航空航天特殊作业环境还涉及到低压、缺氧、超重与失重和救生等问题.图2为北航人机与环境工程研究所采用贴体网格技术结合二方程式模型模拟的飞机座舱气流分布.Yale大学John.B.Price基础实验室同NASA的Johnson宇航中心合作研究人体热调节系统数学模型,Buchburg和Harrh将人体热调节系统数学模型和外部调温装置(水冷服)进行了联合研究.航天员舱外宇航服设计中人体热平衡计算就是基于不断完善的人体热调节系统数学模型进行的.目前,采用负反馈控制的人体热调节系统数学模型能定量地描述人体的热调节过程.北航人机与环境工程研究所结合国家863计划对舱外航天服进行了数值模拟.1.3信息显示/控制在人机系统操作中,人从外界接收到信息,经过中枢加工后,一般都要转化为操作反应,进而实现系统的控制.信息显示/控制系统工作的效率和可靠性在很大程度上取决于两个方面:一是要从系统整体角度,而不是仅从显示对比度、颜色、亮度等个别影响因素角度去完成信息显示/控制人机界面(接口)的工效设计和评定;二是如何保证人的信息获取与人的效应器输出速度和准确性的最佳匹配.对信息显示/控制的评定内容主要有以下几个方面:1)用反应时间及准确度评估显示器布局工效Card提出了由人的知觉系统、认知系统和运动系统构成的情报处理模型.各系统的单位处理时间分别为τp,τc和τm时,则从信号发生到产生反应的时间为T=τp+τc+τm(1)Τ=τp+τc+τm(1)Fitts提出的完成目标拾取运动所需时间与式(1)紧密相关.北航人机与环境工程研究所开展的对目标拾取运动的研究中对Fitts提出的公式进行了修正.2)用眼睛运动分析评估显示器布局工效作业人员在特定环境中操作和管理复杂系统和机械设备时,分析眼睛的运动就可知道人在操作时如何分配注意力.同时了解仪表、屏幕以及外景如何设计和合理分配才能获得最好的人机交互,既减轻操作人员的工作负担,又避免出错,切实提高人机工效.北航人机与环境工程研究所结合“211”工程建设开展了采用眼动仪对眼睛运动的分析研究.另外国外将视觉追踪用于显示/控制器布局、将人眼作为控制器的研究取得突破性进展,图3是其人眼控制操作计算机的实验照片.2飞行环境的影响飞行器是飞机(在近地较稠密大气层中飞行)和航天器(在远地轨道及空间飞行)的总称,它们在飞行中会遇到复杂多变的外部环境.飞机飞行时,外界大气的压力、温度、湿度、氧分压和其他参数均在很宽范围内变化;航天器飞行于高真空、超低温、强太阳辐照(轨道飞行)、微及零重力、强离子辐射和其他的空间环境下.飞行器的座舱和环境控制系统为人员和设备所在的有限空间创造一个微环境,控制其中的各种参数(压力、温度、氧浓度、气流组织、空气质量等)在适于人和设备生存和工作的范围内.2.1飞机环境控制系统飞机环境控制系统主要由引气系统、制冷系统、座舱压力调节系统、温度调节系统等组成.2.1.1除水、除水、除水环境控制系统(ECS)中的制冷系统主要有两大类型:蒸发循环制冷系统和空气循环制冷系统.由于飞机上空气制冷的综合优势,目前航线上和绝大部分作战飞机都采用空气循环制冷系统,主要有4种形式:1)简单式(涡轮-风扇式),低压除水;2)两轮升压式(涡轮-压气机式),低压除水或高压除水;3)三轮升压式(涡轮-压气机-风扇式),低压除水或高压除水;4)四轮升压式(涡轮-压气机-涡轮-风扇式),高压除水,又称冷凝循环制冷系统.我国早期的军用机环境控制系统主要是采用简单式(涡轮-风扇式),如歼6、歼7.在20世纪80年代研制出升压式涡轮、高压除水系统的样机(两轮升压式),目前已在歼10等型号机上应用.国外军用机目前采用较多的是两轮升压式或三轮升压式的环境控制系统.三轮升压式高压除水系统是目前采用的高性能制冷系统,能量利用效率最高.它可以充分利用涡轮的制冷能力和回流部分座舱空气,与低压除水系统相比可以节省30%左右的发动机压气机引气量,除水效率提高10%～15%.尽管低压除水系统引气量较大,水分离器的维修工作量亦大,但与高压除水系统相比它有系统附件少,重量轻,价格低,工作可靠性高等优点.为了降低飞机价格,同时由于ECS技术的进步,MD-95,737-600,737-700等近期出厂的飞机都选用了三轮升压式低压除水系统.今后飞机ECS的制冷系统将普遍采用三轮升压式高压除水系统或三轮升压式低压除水系统.两种系统各有优、缺点,可按飞机实际情况选取.图4和图5为其系统原理图.2.1.2综合控制方案设计已经发展了第2代综合数字式控制系统,把ECS的各子系统(如引气、制冷、加热、座舱压力调节等系统)在功能上和结构上综合起来,并通过数据总线(DataBus)与机上其它系统综合,使用多变量控制技术和综合控制系统,实现更稳定的参数控制和故障检测隔离重构.2.1.3系统附件空气动压轴承涡轮冷却器技术已趋成熟,并且具有效率高、寿命长、无需维护等优点,是今后制冷系统中首选的涡轮冷却器,.2.1.4蒸发制冷ecs目前世界上正在进行研制的新环境控制系统很多,例如:闭式空气循环制冷系统、闭式蒸发循环制冷系统、部分闭式空气循环系统、全电驱动的空气循环制冷系统等.但是真正能装备在旅客机上还需要一定的时间.同时由于从舒适性的要求,旅客机新鲜空气的供应量需要进一步增大,目前的开式空气循环制冷形式仍具有较大优势,因此今后若干年内飞机上仍以目前使用的开式空气循环制冷系统为主.对于战斗机,随着电子设备的迅速增多,耗功急剧增大,对ECS系统的耗能提出了高要求.由于蒸发制冷系统在较高使用温度的高能效及在空中使用所遇到的技术问题得到解决,美国F22综合战斗机的ECS中采用了蒸发制冷.2.2环控生保系统载人航天器的生命保障系统由环境控制系统,食物与水的供应以及废物处理系统组成.环境控制系统调节座舱和航天服内的压力、温度和湿度,并且控制舱内气体成分,清除二氧化碳和微量污染成分,补充由于人体代谢消耗的氧及座舱的泄漏量.监视仪器和自动控制系统是总的生命保障功能中不可缺少的部分.这些仪器用于自动控制及为航天员监视(包括医监设备)提供数据.食物和水的供应,连同废物的处理(包括大小便的处理),是维持航天员的健康,保持环境和个人卫生所必不可少的.对于短时间近地轨道航天器,氧和水可以简单地贮存在舱内贮箱中.对于星际航行器来说,必须回收人体代谢产物,如二氧化碳、呼气中的水气、汗液及尿等,再生成有用的氧和洁净的水.图6为俄罗斯“联盟号”飞船的环控生保系统流程图,.航天服是保证航天员在整个航行过程中生命安全和执行太空行走任务的一种个人防护装备.其基本要求和主要用途:1)当座舱失压而处于应急状态(应急航行)时,能立即穿好并处于充气加压的密闭状态,以保证航天员不受低压和缺氧的危害;2)航天员在舱外空间作业时,由航天服给宇航员提供一个与外界隔绝、能保证密闭微小环境,不受空间环境因素的危害;3)弹射离舱时,用以防止速压、高空低温的危害;降落到海上时,又可用来防寒抗浸、水上漂浮,保证航天员安全返回.在载人航天器生命保障领域,我国起步较晚,但正在急起直追,目前已试制了用于宇宙飞船的整套生命保障系统,并已在神州号系列飞船上进行了试飞.3环境模拟技术的发展随着社会的发展和科学技术的进步,人的生存和工作空间不断扩大,对各类产品的需求量和质量要求不断提高,因而对人的环境适应性和产品的环境可靠性提出了更高的要求.为此,需要进行各种类型的环境适应性及可靠性试验,并对产品制定相应的环境试验规范,美国2000年元旦正式颁布的新军标MIL-STD-810F代表了当前最新的环境试验要求.据此,各国先后建立了各种类型和不同规模的环境模拟试验设备.环境模拟设备和环境试验技术经历了由单参数模拟到多参数模拟,从静态模拟到动态模拟,从产品试验到人机系统环境试验的发展道路.当前的发展方向是:建立整机多参数综合动态环境模拟设备和进行多参数综合动态环境试验及人机系统环境试验.伴随着环模设备和环境试验技术的发展,吸取了多门学科(热学、力学、电学、生物学、医学和光学等)和多项技术(制冷、真空、空调、自动控制、计量等)的相关理论和方法,在实践中逐渐形成了一门独立的技术理论体系——环境模拟技术.它是一门综合性的工程技术,主要研究各种自然环境和诱发环境的人工复现技术和在模拟环境下的试验技术.3.1环境对产品的影响人和产品无时无刻不处在各种复杂的自然和人工环境中,环境因素对人的生存及工作和产品的可靠性有重要影响.因此,研究各种环境的性质和特点,分析其对人类生活及工作,和对产品造成的影响有极其重大的现实意义.环境种类繁多,分类不一,通常分为:气候环境、力学环境、电磁环境和复合环境.气候环境一般又分为地面环境、空中环境和空间环境.由于地面环境和空中环境的交融,按环境参数又可分为:温度环境、压力环境、湿热环境、砂尘环境、烟雾环境、雨环境、霉菌环境和太阳辐照环境,以及多参数综合环境等.空间环境是个特殊的环境,相对独立,通常包括:高真空环境、冷黑环境、微重力环境、高能带电粒子环境、弱磁场环境、原子氧环境、微流星环境、空间碎片环境、等离子体环境和磁层亚爆环境等.不同的环境对人和产品有不同的影响,但均使产品可靠性降低、人的工作能力下降甚至危及生命安全.3.2环境模型的类型和设备3.2.1地面环境模拟室地面环境模拟设备主要有以下几类:低温环境模拟、高温环境模拟、湿热环境模拟、太阳辐照模拟、砂尘环境模拟、雨环境模拟、浸渍模拟、酸性环境模拟、爆炸性大气环境模拟、积冰/冻雨环境模拟和霉菌环境模拟等.图7为总装华阴试验场的大型高低温环境室流程.该设备有1000m3,145m3和45m3三个环境室,采用一套空气制冷系统和各自独立的电加热设备.低温可达到-100℃,高温可达+80℃,1984年建成并经国家验收.在大型环模设备中该设备首次成功采用了空气制冷.图8为某单位新建成的汽车空调整车热环境模拟室流程.该设备试验间尺寸L×W×H=16m×8m×8m,温度范围:常温～+50℃,湿度可到(85±5)%(≤40℃),太阳辐照度最大1kW/m2,模拟的最大风速120km/h.当前地面环境模拟的主要发展方向是:1)多参数综合动态环境模拟.美国最新的MIL-STD-810F军标规定了温度/湿度/低气压/振动四综合环境试验.2)由于地面兵器的空运及机载使用,带来传统的地面兵器遭遇空中使用的特殊环境,如温度冲击、快速温度变化和温压环境.3.2.2双路热动力试验和高空试验目前,空中环境模拟试验主要有:飞机环境控制系统空中环境模拟试验和飞机发动机高空性能试验.飞机环控系统空中环境模拟试验模拟空中飞行时的外界大气压力和温度,以及发动机压气机引气参数和冲压空气参数.图9为中航603所用于环控系统及附件试验的双路热动力试验台流程.发动机高空性能试验在发动机高空性能试验台上进行,图10为高空试验台组成原理图.当前,空中环境模拟的发展方向是:模拟按照飞行任务包线确定的气压及温度变化和模拟由飞行任务包线与发动机工作状态共同确定的压气机引气参数变化及冲压空气参数变化.3.2.3空间环境模拟设备空间环境模拟试验主要有:热平衡试验(载人及无人航天器),热真空试验(载人及无人航天器),载人航天器人机组合舱外活动的空间环境试验,微重力试验,空间辐照环境试验,空间高能粒子辐照试验,电子、质子、紫外线综合辐照试验,原子氧、紫外线综合辐照试验,空间碎片及微流星环境试验,空间防污染环境试验和磁环境试验等.图11是我国1998年建成的KM6超大型空间环境模拟设备的原理总图.它的主容器(立式)直径12m,高22.4m,主辅容器总容积3200m3,可以完成载人航天器和大型卫星的整船(星)热真空及热平衡试验,宇航员舱外活动环境试验和航天器系统及部件试验.已承担神州号飞船及我国多种人造卫星的空间环境试验.其规模及技术水平居世界第4位.对于新研发的复杂系统,最佳的技术途径是:先根据已有的知识和资料建立数学模型及仿真模型,进行人-机-环境系统的仿真;再根据仿真结果进行系统样机的研制;最后在模拟的环境条件下进行人、机单独的及人机系统的静动态环境试验,对人、机及人机系统的性能进行考核和评论,并对模型进行校正.4空调空气-应环更优指标下一个不确定的资现代空气调节的作用是在人、机所在的有限空间创造一个安全舒适和高效工作的空气环境.包括:热环境和空气质量环境(空气中杂质成份及分布).其主要功能:调节空气温/湿度、合理组织气流和控制空气质量(空气成份控制).伴随着社会的进步和生活水平的提高,空调已渗透到了各个领域,发挥着举足轻重的作用,成为一种不可替代的技术.尤其是舒适性空调,越来越受到人们的关注.未来空调的发展方向是:在保护环境的前提下,消耗最少的能源,创造最有利的工艺环境和健康舒适的人居环境.即高效(节能)、环保、室内空气质量及热舒适和先进的控制,.4.1空调的节能空调耗能占社会总能耗的15%～16%,因此,世界各国都把节能作为空调的一个重要发展方向.4.1.1制冷循环的提效技术目前广泛使用的电驱动蒸汽压缩式制冷空调的节能技术主要集中在3个方面:改善制冷循环,对制冷循环的薄弱环节加以改进,由静态转为动态分析;加强制冷系统的控制,使系统的运行工况随负荷的变化而自动调节;开发新的制冷剂(以保护环境为原则).1)改善制冷循环.改善制冷循环主要是提高制冷效率.利用强化换热技术,强化冷凝器和蒸发器的传热,实现低温差传热是提高换热效率的有效手段.新近开发出的换热器空气侧的换热系数相对于普通换热器提高了20%～200%.其他的制冷附件也有了很大的进展,比如螺杆式、涡旋式压缩机、热管等.这些都对制冷循环性能的提高有大的作用.2)计算机控制.自动控制技术突破了制冷系统变负荷定工况的瓶颈.利用VAV(变风量)和VWV(变水量)等控制技术,采用自适应控制、模糊控制、人工神经网络等控制软件,实现状态最佳点控制,达到节能的目的.4.1.2用电移峰填谷所谓的新型制冷技术是基于传统制冷原理的高能源利用率及基于其他制冷原理的制冷技术.1)燃气空调.燃气空调,如吸收式制冷空调,以低品位的初始能源——燃气作为动力源,直接利用热能,避免了发电过程中的效率损失,而且不破坏大气臭氧层,对环境污染小,缓解了空调负荷高峰期的用电压力.2)蓄冷技术.主要有冰蓄冷和水蓄冷2种方式,通过对用电移峰填谷大大缓解了用电高峰的压力.这种制冷方式的送风温度低,风量小,所以使风机和水泵的功率减小;而且因为室内空气湿度降低,减少了空调的热负荷,达到节能和降低运行费用的双重效果.相变材料(PCM)在蓄冷技术的应用也有很大的潜力,尚需解决其性能衰减和过冷的问题.3)太阳能制冷.太阳能是天然能源中最有优势和最合理的能源,而且太阳辐射强度最强的时候,往往也是越需要制冷的时候.最受关注的是太阳能吸收式制冷和吸附-除湿制冷,太阳能压缩制冷和金属氢化物制冷由于成本较高,没有广泛使用.一旦太阳能技术成熟,配套设施成本降低,太阳能空调定会有很大的发展前景.4)其他制冷技术.城市集中三联供系统是利用城市各类能源,使用一套或多套系统向城市居民区供暖,供冷和生活热水的集成系统.它摒弃了效率低下的小锅炉,充分利用了城市废热、低品位能源.磁制冷空调利用固体磁性材料的磁热效应制冷,它效率高,无运动部件,不需制冷剂,单位体积工质的制冷量大,是一种很有前途的节能空调制冷系统.美国ASTRONAUTIC公司的试验表明,用这种方式工作的冰箱比普通压缩式冰箱的效率高30%～40%.4.2环保性的一般规定1974年,Rowland和Molina论证了卤代烃物质会分解出氯原子,对地球的保护层——臭氧层具有危害性.为保护大气臭氧层,1987年的《蒙特利尔协定书》要求禁止使用CFC制冷剂,并逐步淘汰HCFC制冷剂.某些制冷剂和驱动能源产生具有温室效应的气体,所以《京都议定书》等国际性协定对其排放量做了规定.为了地球环境,环保型空调是重要的发展方向之一.评价空调的环保性有很多因素,其中最重要的是:GWP(温室效应指数)和ODP(臭氧破坏指数).替代工质研究工作开展以来,人工合成工质和自然工质受到广泛的关注,由于合成工质潜在的危害性要若干年后才能发现,如R134a.大部分人建议不要用人工合成的工质,未来空调将更多地使用天然制冷剂作为制冷工质.目前有潜力的天然制冷剂有氨、碳氢化合物、二氧化碳和水.自然工质在环保方面具有巨大的优势,相对于合成剂几乎是绿色工质.另外,自然工质的单位冷量相当大,它的使用对于节能也能起到一定的作用.缺点是安全性、效率和配套的制冷附件问题.比如NH3易燃;CO2临界温度低,效率低,工作压力过高;水的单位制冷量小、需要的压缩机排气量大等.如果解决了这方面的问题,制冷附件技术又有更高层次的发展,天然工质将是空调领域的首选.控制驱动能源的有害气体排放,提高制冷系统的密封性,也是环保的重要措施.4.3空调建筑节能技术空调的舒适性包括热舒适、空气质量和噪音等多方面,室内空气质量对人的健康及工作效率有重要影响.70年代能源危机后,为了节能尽量提高建筑物的密闭性和保温性,降低新风供给,并大量使用合成材料进行装修,因而导致了室内空气质量不良.因此采取最优技术手段解决室内空气质量是当前空调的重要发展方向之一.提高工作环境的舒适性主要从以下几方面入手:增大新风量;提供合理的气流组