1 感觉-运动

1.1动作的速度和准确性

一般讲，速度是完成动作的主要要求。但在诸如跟踪动作（它要求连续的控制）、某些要求有准确性和控制性的定位动作以及进行某些操作活动时，准确性就成了主要要求。然而，在某些情况下，可能速度和准确性两者都需要。

许多动作是由某些外部刺激（听到警告信号）而引起的。在受到这种刺激后所做动作的时间，实际上包括一组延迟的时间。这些延迟的性质及其典型的时间（以毫秒表示）范围如下：接受器的延迟为1～38ms；神经传达至外皮的时间为2～100ms；中枢神经加工延迟为70～300ms；神经传达到肌肉的时间为10～20ms；肌肉潜伏和启动的时间为30～70ms；总加起来为113～528ms。从受到刺激到做出反应的总时间常称为“反应时间”。然而，人们还能区分开始一个动作的时间（这是对反应时间作更严格的定义）和做这一动作的时间（有时称动作时间）。

1.2简单反应时间和选择反应时间

简单反应时间是指：只有一个特殊的刺激出现时（通常是个人期待着该刺激的出现，如在一般实验室做实验时），人们所产生的某一专门的反应时间。通常，这种情况下的反应时间最短，约为150～200ms，相当有代表性的数值是200ms。因刺激的形态，性质（包括其强度和延续时间）不一，也由于受试人的年龄不同以及其他的个人之间的差别，这一数值可能有高有低。在选择反应时间（那时存在两个或两个以上刺激和可能有两个或两个以上的反应）的情况下，由于下列因素反应时间通常要增加，如鉴别特殊刺激的时间，需要重新给刺激源“编码”、做决策的时间、自然也需要时间计算刺激的个数并作相应的反应。选择的个数影响反应时间的某些指标如下：

表 1 选择的个数影响反应时间

有关简单反应时间和选择反应时间的多数资料来自实验室，在试验中受试人期待着某一刺激的出现。但当刺激不经常发生或当它们不为人们所期待时，作出反应的时间就会增加。Johansson等在瑞典收集了有关321个汽车司机在听到信号使用制动踏板的反应时间的资料。这一试验是在两种情况下进行的，一种情况是驾驶员在10km范围内期待信号，另一种情况是在没有预先警告的“突击”条件下进行的，这两种情况的平均反应时间如下：

有些受试人在突击的条件下的反应时间达2秒以上，调查人员统计半数以上的驾驶员作出反应的时间要超过0.9s。因此总的来说，有相当充足的理由可以认为：当人们没有“期待”，准备自己必须作出反应时，比期望着某些信号或暗号作出反应时的反应时间要长的多。

能影响反应时间的其他因素还有许多。例如：通过练习一般会减少反应时间。此外，假如要作出的反应与一个人的“期待”一致，比不一致时反应时间将要短的多。

接到信号后实施一个动作的时间，当然会由于动作的类型、动作的行程不同而不同：对于多数控制活动，最低限度的动作时间约为300ms左右，再加上估计的200ms反应时间，总反应时间就要达到500ms左右。然而，反应机械的性质、距离与位置也能影响反应时间总量。可见，作某些反应的时间要受到一系列变化因素的影响，例如刺激的性质、选择的数量、期待的程度、使用的装置等等。在某些情况下，所要求的总的反应时间的大小是具有重大意义的。

虽然时间如人们所说的那样，是关键问题，但我们不应为人类反应上的时迟而觉得无能为力。事实上，还有许多方法能帮助和支持人们对刺激迅速反应。例如：使用能以最短的反应时间传递感觉通道；以清楚、毫不含糊的方式呈现刺激信号；最大限度地减少应选择的刺激数量；如果可能，预先提供有关刺激的警告；利用接近外皮的身体器官，以减少神经传导时间；使用能最大限度地缩小反应时间的控制机械；训练工作人员等等都可加快反应速度，减少对时间的要求。在更为特殊的情况下，人们甚至可以绕过人体反应，直接使用行动肌肉电位以控制反应。

定位动作

 当一个人（通常用手）要拿什么东西或者将什么东西移到另外一个地方时，就要作定位动作，因此它们是身体一部分的移动。定位动作的时间及其准确性受到下列因素的影响，如：激起该动作的刺激的性质；该动作的距离和方向，是视觉的还是非视觉的（即“盲目的”）控制等，某些定位动作能被分解为两个或三个相对不同的成分，即反应时间（在激起该活动的刺激物发生后开始反应的时间）、基本移动时间或总移动时间（使肢体接近终点）以及将身体一部分带到指定准确位置的运动辅助类型或矫正类型的动作时间。如果终点本身是固定的，那么辅助的或矫正的动作实质上就会取消。在进行定位动作时，反应时间与动作距离相关，但并不与距离成比例。

（1）定位动作的方向

由于身体结构的特点，朝某些方向活动要比朝另外一些方向活动快些。以Stier等发表的资料为例，他们在试验中，令受试人用右手在水平面上从一个中心点出发作八个方向的定位动作，测得各方向定位动作的平均时间。得出：主要靠肘枢轴的旋转所进行的有控手臂动作（如向左下方和右上方的活动），要比更大程度上用上臂及肩部的动作（如右下方和左上方）花费较少的时间。

（2）盲目定位运动

当不可能用视觉控制动作时，操作者就需依靠动觉官能进行反馈。就像眼睛看着别的事物，而又要伸手触及一个控制仪器那样，操作者在自由的空间把手（或脚）从一个位置移向另一个位置的动作，大概是最常见的一种盲目定位动作。众所周知的Fitts试验，在有关自由空间中作类似动作的方向准确性方面所提供的数据，可能是可利用的最好的资料。试验中，他将靶子排列在受试人左右周围0°、45°、90°和135°的地方，靶子分三层（中心层或称参考层和位于中心层上下各45°的上下层）。眼睛被蒙住的受试人都拿着一个带尖头的标靶器，并把它压向他们想触及的每一个靶子，击中靶心记0分，击中各靶环相应记1～5分，脱靶记6分。

表示试验结果，图中各圆表示受试人在相应位置触及靶子的准确程度，圆的大小与打击该目标的平均准确性评分成比例，圆越小准确性越高。在圆中四个象限内的黑圆点相应地与每一象限内的评分数成比例。由上图可知，靶子在正前方位置上作的盲目定位动作最准确；在两边位置上作的盲目定位动作准确性最差。至于靶子的高度，则下层靶子的准确性最大；中心层的准确性中等；上层最差。此外，击中右面目标的准确程度又要比左面的略为高些。

一般而言，在放置人们盲目地伸手够得着的控制仪器或其他装置时，位置放在靠近中心并低于肩膀的高度，人们通常比较容易准确地伸手够到；而位置放在远离中心的旁边或较高处，则准确性较低。

（3）连续动作

连续动作是在动作时间内需要准确控制的那些动作。偏离所期望的途径，是由身体一部分的抖动所产生。Mead等对连续动作过程中产生抖动的研究用了一个有趣的方法。并得出结论：在垂直平面上作向里、向外的手臂动作时，手的抖动最大（此处是上、下抖动）；而在水平面上作向右、向左的手臂动作时，抖动最小。

（4）操纵动作

多数操纵动作要用手、手指或者两者都有，如在使用手工工具或控制仪器时。但是，McCORMICK（该书作者）在巴基斯坦和印度，曾吃惊地看到灵巧的切肉匠竟将刀夹在他们的脚趾间切肉！由于操纵动作的性质各不相同，难以作任何概括的讨论。

（5）重复动作

任何一种重复动作都是由连续进行的同一动作组成。这种动作可以是自我定速的，或是定速的（自我定速动作的速度由驾驶员控制，而定速动作的速度则由某些外部因素所控制，如信号、机械传输的滞后等）。虽然各人进行同一作业的专门方式有多种差别，但各人的行动反映着肌肉反应的一个“子程序”，这个子程序已为各人所熟悉，因此能自动地根据前面提及的“执行程序”来完成。

进行重复作业的最重要方面，大概是要不断地安排工作间歇，特别是在定速的工作中。可是，正如Corlett所指出的，要说清间歇（积极的还是消极的）的性质、什么时候应该间歇，是很困难的，因为这取决于工作的性质、部分地也取决于各人的情况不同。在缺乏有关安排这种间歇的专门准则的情况下，负责监视这种工作的人要善于识别有关的迹象（不管什么样的），这种迹象有助于决定究竟何时安排这类减轻疲乏的间歇才合适，这里需要注意有关人员的反应。

（6）序列动作

在多数情况下，序列动作属于同一大类，只是有些特征不同，就像在操作键盘是那样。可是在某些情况下，多种类型的动作的混杂可能会逐个发生，如在起飞前的一系列动作。多数序列动作的研究，是有关第一类（同种动作）的研究，特别是在使用键盘时的同种动作。

在同种动作中，手要从一处移向另一处。有关序列动作，特别要指出，有不少迹象表明：从一位置移向另一位置所需的时间（移动时间），会受到两端位置上所执行的操作性质的影响。Schappe考察了有关该相关作用的研究后，得出结论认为：身体一部分（如手）移动时间的长短，事实上受到移动动作两端操作活动的影响，而这两者又都要受知觉因素的影响。由于存在这种相互作用，在采取预定的工作时间顺序表来估计完成各操作活动所允许的时间方面，就提出了一个有关各种基本动作“容许”时间的可加性问题。然而，总时间的估计可能要受到这种相互作用的不利影响，其范围人们也许还不清楚。可是，某些预定的工作时间表制定，在推导序列动作所允许的总时间的计算中，一定程度上考虑了这种相互作用。

（7）静态反应

在静态反应中，某些肌肉的作用通常相互制约，以维持身体或身体某些部位的平衡。因此，如果身体一部分（如手）保持着一个固定的姿态，那么，控制手动作的各种肌肉就要相互平衡，以防止手作其它的动作。但肌肉为支持这一平衡所必须保持的紧张状态，需要持续不断的作用力，这为曾试图在一段时间内保持某一静止状态的大多数人所证实。事实上，保持一静止姿态要比某些可调姿态更使人疲劳。

静止姿态的失常有两类：一类称抖动（身体一部分微小的振动），另一类是整个身体或身体一部分偏离原来位置。

（8）保持静态姿势时的抖动

在身体一部分必须保持一准确、不动的姿势的工作活动中（如在巡航中，持操纵杆与某一位置），抖动有特别重要的意义。附带说说有关抖动的一个有趣的现象：通常一个人越想控制抖动，结果抖动得就越厉害。下述四个条件有利于减小抖动：

1）使用视觉基准；

2）在静态反应中，支撑整个身体（例如坐着时）和身体相应部分（如手或臂）；

3）手的位置（当手放在心脏水平线上下20.3cm范围内时，手的抖动较小）；

4）摩擦（被使用的装置上有机械摩擦能减小抖动，因为摩擦能增加消耗身体的部分振动能量）。

工作负荷

（1）工作负荷的概念

工作负荷的概念有点难以捉摸，如Leplat就叫人注意有关此概念的下列两种观点：（a）将工作负荷看成作业的特性，因此将它看成施加在人身上的义务和强制（他建议把这个看成工作的需要）；（b）将工作负荷看成人在完成作业中的负荷或后果（他为这概念保留了负荷这个词）。与此相同，Welford发表的观点，认为工作负荷的基本思想用“个人身体一部分的肌肉出力”这个词来表达最易为人们理解，这里又可区分两种类型的肌肉出力，即在完成某一特殊作业中施出的瞬时最大力；和在一既定时期内所做的工作量。在脑力活动方面，工作负荷的观念更难以捉摸，但大体上可设想上述的两种类型，即脑力上所作的瞬时最大出力，与一段时间内所做的脑力工作量。Welford指出：当需求量确实超过个人负荷能力时（这意味着工作量要受到限制），改变策略可能使需求降到个人负荷能力范围以内的水平。许多工效的研究目标，就是采取措施使人类活动的工作负荷保持在其负荷能力范围以内。

（2）工作负荷与应激

一项作业或某个环境条件所带来的工作负荷可以限制在个人负荷能力范围之内。否则，会变成产生应激的源泉。

应激的后果（这种后果常常是生理或心理上的）可表现为某些应损状态，或表现在效能上的变化。持续的应激可以影响到个人的健康和操作状况。

2. 反应选择

一般而言，控制装置的功能分为下述几种：启动一些设备（通常用“通-断”开关）；作出不连续的（即单独的、截然分开的）设定（如选择控制器）；连续控制（如控制一架飞机）；数据输入（如使用计算机或打字机）。某些系统的控制相当复杂，如飞行交通指挥或管理一个核电站的运行。但是，不管该系统的性质如何，人相应的基本职能大体是不变的，即：信息输入、信息处理以作决策、作出行动或反应。采取的行动提供系统的输入。在要求连续控制的一些系统中，操作者通常能得到某些形式的反馈。

2.1 人的输入与输出通道

 在某些情况下，系统的输入来自个人，如判断是否应开始某个特殊的行动（如攻击空中的目标）。然而，在大多数“典型的”系统运行中（驾驶飞机时），经常存在来自环境的刺激而引起操作人员的反应。这种情况，刺激自然要被这一或另一感觉器官所接受。视觉与听觉是最主要的感觉通道。但是某些其它的感觉，诸如皮肤的感觉（压力和温度）、动觉、身体运动与平衡的感觉，在某些情况下也是有用的输入通道。对感觉接受器的输入，当然应该包括与所论系统控制有关的刺激，这种刺激可以直接从原始（远处的）源接受到，或间接通过某些人工显示器接受到。

运动反应（特别是手和脚）和语言（如在飞机指挥塔的操作中）是系统控制中使用的最基本的输出通道（即效应器）。最常见的运动反应包括控制装置的使用，如操纵杆、按钮和踏板等。但是在特殊情况下也使用其他的反应（如脑电图、肌电图等）。另外，在控制过程中使用眼睛的动作，也已取得了某些进展。在任何既定的情况下选择输出通道，当然都取决于该通道对达到当时的目标是否合适。

控制过程中，人所处地位的性质自然取决于所涉及的系统类型、人要完成的职能以及控制过程中提供给人的设备类型。在简单情况下，人的作用可能是按一个按钮或开关；在复杂的跟踪任务中，个人要有能力对不断变化的输入信号作出反应，如驾驶员要不断地观察外景及管理众多的显示/控制器。不管操作的复杂程度如何，信息输入（如来自显示器）和输出（通常是控制设备的某些物理反应）之间总要夹杂着进行某些形式的信息处理和决策。各种控制任务中涉及决策的范围广泛，有的极为简单（在某些情况下），实质上只是作有限的反应，有的复杂。在某些操作中，工作负荷在一定时间内可达到高峰，由此带来脑力负荷过重的危险。

控制操作中负担过重可能产生的后果之一，是短时记忆能使人们忘记有关的信息。在一次模拟机场控制（涉及地面调度员与驾驶员之间的通讯联系）的试验中，证实了这种遗忘的结果。在这次试验过程中的某以阶段，要求调度员记忆四位数的飞机识别号（应答器代码）。图1表示低信息负荷和高信息负荷条件下，上述信息的遗忘曲线。高信息负荷条件下，遗忘曲线恶化得较为显著。

图1低信息负荷和高信息负荷条件下信息的遗忘曲线

2.2 影响人的控制的因素

在某些控制操作中，不但不会发生影响正确控制的特殊问题，而且没有对有关个人产生不愉快后果的任何理由的可能性。操作家电等简单的设备，很少会产生严重的问题。但是在某些条件下，特别是当操作要求高、难度大时，人对系统或设备的控制具有重要意义。在这一方面，Baum等特别提到对完成任务效能或策略会起某些影响的各种因素，他们曾区分任务本身的因素与个人的因素如下：

任务本身的因素

       给控制者的输入（特别是其复杂程度）；

       显示复杂性；

       控制复杂性；

       过程复杂性。

操作人员的因素

       操作人员的技能；

       操作人员的动力。

任务本身的因素自然要影响控制者所必须作的那些决策的性质与复杂性，而控制动作必须以这类决策为基础。

2.3输入-输出关系

关于控制者的决策和控制者所作出的反应，Baum等曾强调设计系统时，必须对系统的输入-输出关系进行分析的重要性。可用输入-输出矩阵的形式进行打分来说明什么样的系统输入影响着每一个输出，并叙述输出如何受到影响，用十点记分法对上述影响按作用大小分等级。

1、兼容性

兼容性是指与人们期望或预料一致的刺激与反应（不管它是个别地进行或是结合地进行），在空间、运动和概念上的相互关系。

（1）兼容性关系的基础

构成人们期望或预料的一般基础有三个。首先，某些兼容性关系是清楚地表现出来的，或者说是该关系内涵的。显示器与其相应的控制器之间位置关系的情况尤其是如此。例如一排有四个显示器，它们下面就有各自对应的控制器。第二，某些兼容性关系来源于文化，并为人们所熟知，如红色表示“停止”，绿色表示“通过”。第三，存在着多种“反应倾向”，这些倾向起码是某些（不一定是所有的）人的特性，如顺时针方向转动控制按钮，以增加与此相关数值的倾向，一些这样的倾向，比其它倾向更强，因为这是大部分人的特性或习惯。实际上，兼容性的这些基础是相互交叉混合的，并不是轮廓清楚的不同范畴。有关某些运动的那些兼容性关系，常常被说成是习俗。

不管兼容性关系的来源如何，在设计显示/控制器时，这概念包含着十分明确的人的因素的含义，因为应用了兼容性原则，通常将提高有关设备或系统的使用效果。但我们必须记住有关兼容性的两种可能限制：（1）某些兼容性比另一些兼容性作用更大（如更为鲜明或者为更多的人们所公认）；（2）在某些情况下设计某些系统时，为了应用某一个兼容性关系的优点，可能必须违反另一个兼容性关系。

（2）空间兼容性

空间兼容性的课题有许多种，其中多数是观测显示器与对应的控制器以及它们的布局、观测任一组显示器或控制器布局中的全部外形相似点。

（3）动作关系上的兼容性

  在几种不同的环境里，系统中的动作关系可从兼容性的观点加以考虑。举例如下：

1）控制装置的动作追随显示的移动（如移动操纵杆向右以追随雷达显示器上反射脉冲向右移动）；

2）控制装置的动作控制显示的移动（如油门杆的移动控制速度表的运动）；

3）控制装置的动作产生某一特殊的系统反应（如驾驶杆的转动控制飞机姿态的变化）；

据Bradley的研究，对具有固定指针的活动刻度盘来说，一般最好根据下列原则：

1）刻度盘与控制旋钮同一方向旋转（即控制器与显示器之间具有直接驱动的联系）；

2）刻度值从左至右增加；

3）控制器顺时针旋转以增加受调整指标的数值。

如采用旋转控制器与固定的直线型显示器，Warrick主张采用下列原则：直线型显示器的指示器的移动方向与控制器旋钮上最近点移动方向一致。（刻度边原则的影响不大）

从上述可以看出，与动作有关的兼容性关系确实复杂，甚至可能发生各原则之间的相互矛盾，从而使显示/控制设计工作更为复杂。最佳的操作配置应该能使各种操作原则结合在一起促进并加强同一个反应倾向。同时还应指出，当同一系统或同一类系统的不同模式中，使用某种程度上相同的显示器和控制器时，设计的原则也应相同，这是特别重要的。

（4）杆式控制器的动作关系

Smith等人曾对跟踪任务中杆形控制器和有关显示指示器动作的兼容性进行了研究。得出的结论是：对跟踪类任务，将操纵杆安装在水平位置上或垂直位置上，效果大致相似，只要当操纵杆安装在水平位置上时，控制-显示的相互联系不是向上-向下就行。

（5）概念兼容性

 最常用的一种概念兼容性，大概是涉及到在系统、信号或其他刺激的代码应用中的相关性，这种相关性可以是固有的，或者也可以是由文化习俗而得的。

2、跟踪操作的性质

  在人的控制方面，跟踪操作提出了不少特殊的问题，为此本章需作某些专门的探讨。跟踪任务是要求对一些事物进行连续控制的任务，如驾驶飞机等。跟踪任务的基本要求是要在恰当的时间内执行正确的动作。在某些情况下，完成任务的速度由驾驶员所掌握；在另一些情况下，任务进行的速度由外界因素所决定。这时，人对任务必定要进行的速度就无法控制。

  对跟踪操作的分析可能十分复杂，同时在此对这类操作进行广泛论述也并不恰当。但是，对这些操作的某些方面要作简要的讨论，以便对跟踪操作中所涉及到的一些概念提供某些基础，同时对有关跟踪性能的各种因素提供一些粗浅的想法。

（1）跟踪任务中的输入与输出

在跟踪任务中，某些输入详细规定了为人们所期望的输出。这输出可以是不变的（如按确定的高度驾驶飞机），也可以是变化的（如跟踪一架正在机动的飞机）。这种输入，通常直接来自外界环境，并机械传感器或人们所检测。如果通过机械传感器检测，那么这种输入可以通过显示器的信号形式呈现给操作者。有时输入信号被称为目标（一些情况下它确实也是目标），而它的移动则称为轨迹。

输入规定着人们期望的“系统”输出。输入可能有不同的种类。阶跃输入是规定着一个有显著区别的期望输出目标的输入，如从控制塔发出一个规定飞机改变飞行高度的指令，或在计算尺某一特殊值上做一标记。在某些情况下“跟踪”可能有许多阶跃输入。等速输入规定着某些特殊输出保持在某一特殊值上，如速度、某些变量的变化率或加速度等，如要求飞机保持某个速度（速率）。等加速度输入主要在实验室条件下应用。复杂输入是哪怕有一点规律性也是极其微小的输入，如军机在企图摆脱导弹打击时的规避运动。

输出通常是由使用控制机械的身体反应来实现（如果由人来控制），或是用传递某些形态的能量来实现（如果由设备来控制）。在某些系统中，输出通过显示器上的指示反映出来，有时这种指示称作跟随指示或游标；在另一些系统中，人们能通过系统外部行为观察到输出，如飞机的运动。这两种情况的输出通常称为控制对象。

（2）跟踪任务中的追踪显示器与补偿显示器

输入（目标）和输出（控制对象）可反映在追踪显示器上，或反映在补偿显示器上。如果反映在追踪显示器上，则两个指示都移动，每一指示都反映各自相对于另一指示的空间位置。在补偿显示器中，两指示之一（目标或控制对象）是固定的，而另一个则是活动的。当这两者重叠时，则控制对象是处在目标上面；两者的任何偏离代表着误差，而操作者的职能是要操纵控制器去消除或最大限度地缩小这一误差，任何偏离（误差）的根源，都不能预测，究竟是目标已经移动或改变行程，还是控制对象已经移动都不能反映出来。在追踪显示器中，操作者能得到有关两对象实际位置的信息；而在补偿显示器中，操作者只知道绝对误差或偏离，由于不需要反映这两个对象的可能数值或位置的全部范围，在节省仪器棉板空间方面，补偿显示器有时有实际的优点。

（3）系统的控制阶

控制阶是指：控制动作与它旨在控制的输出之间控制关系的等级。控制阶的性质及其对跟踪任务的关系，非常错综复杂，对这个课题我们不再深入讨论。但为了使读者对控制阶有一些印象，首先叙述“位置”的概念。这是指系统的输出，因为跟踪任务的目标是控制系统以便使输出尽可能紧密地符合输入（当然，输入规定了输出是什么）。虽然我们能很方便地设想一架飞机在空间的“位置”，但我们应从更广阔的范围，作为输出的测量去思考它。它可以表示为刻度盘上移动的指针、雷达屏幕上的反射脉冲，机器每分钟旋转的指标或其他。

1）位置（零阶）控制

在位置控制的跟踪任务中，控制装置的移动直接控制着输出，如移动飞机锁定雷达上的目标。如果系统含有显示器，那么在控制动作及其所产生的显示动作之间有直接的关系。

2）速度（一阶）控制

用速度控制系统时，操作者动作的直接结果就是控制在输出正被改变时的速度。飞机上的油门就是一个速度或一阶控制装置，因为它控制着飞机的速度（位置改变的速率）。油门杆的行程大小，控制着速度的大小，尽管在动作与速度仪表显示存在着时滞。而飞机本身又控制着飞机在空中的位置。某些机关炮的操作是用手轮或摇把控制着机关炮改变方向的速度，故也涉及到速度控制。

3）加速度（二阶）控制

加速度是物体运动速度的变化率。操纵飞机的驾驶杆，就是加速度控制的一例。因为，驾驶杆偏转的角度控制着机翼的角度，而机翼所指的方向本身又决定着飞机转弯的变化率。因此，驾驶杆以某一给定的速度偏转就使飞机朝着偏转的方向有一个相应的加速度。

4）高阶控制

某些系统所具有的控制体系，可看作高阶的系统，如三阶、四阶的控制。例如三阶的控制涉及直接控制加速度的变化率（急动），从而控制速度，最后控制着任何被控制对象的位置。由于驾驶员、飞机的实际运动与位置、飞机的质量（或重量）之间的联系，控制一架飞机大体上是三阶、甚至是四阶的控制。在控制一架飞机时，？在具有一系列控制联系（类似船只）的连续控制过程中，一连串连锁反应的影响，可以用数学函数来描述，犹如一个变量的位置变化，能改变其次一个变量的速度（速率）和再其次的变量的加速度，等等。

（4）采用各种控制阶的控制反应

许多系统的操作者需要作出控制反应，以实现人们所期望发生的、为输入所要求的系统的操作（如飞机的飞行航线）。在缺乏任何操作方案帮助操作者的情况下，采用较高的控制阶，这类控制就会十分复杂。运用位置、速度、加速度控制系统对正弦、阶跃、等速输入作出恰当的反应。总的来说，控制阶越高，对输入中任何单一的变化作反应时，操作者所需做的控制动作的数量也越大。因此，在需要高阶控制（类似二、三、四阶系统）的复杂系统的情况下，就必须设想某些方法和手段以解除操作者从事这类脑力活动的必要，或者说免除操作者要“补偿”情况的反应要求与人们反应能力之间的不一致。以下将讨论某些类似的措施。

1）辅助装置

使用辅助装置就是这样的措施之一。辅助装置最早发展应用于射击跟踪系统，也最适用于一般类型的跟踪场合。在这类跟踪任务中，操作者要用某些装置跟随一运动的目标。其作用是改变控制器输出，以帮助跟踪装置。在速度辅助装置中，对控制器进行简单的调整就会影响跟踪系统中速度和位置这两个分量。如果采用速度辅助系统，试图使高倍望远镜保持瞄准高空飞机，当跟不上目标时，重新捕捉目标的控制动作将自动使望远镜的运动速度加快（当然，这样也就改变了望远镜的位置）。同理，如果望远镜的瞄准线超过了目标，校正运动将自动地降低它的速度（并相应地影响其位置）。这样的速度辅助装置将简化跟踪装置的运动速度迅速与目标运动速度相匹配的问题，从而改进了跟踪效能。在加速度辅助装置中，控制动作控制着控制对象的三个变量，即加速度、速度和位置。

     辅助装置在操作上的效果，是使操作人员摆脱脑力运算（类似某些跟踪任务所要求的微分、积分及代数和），这样操作者所为难的工作就变成了主要是放大（实际上，意味着操作者只要算出控制器运动与控制对象运动的比值）。辅助装置操作效果取决于一系列的因素，诸如：输入信号的性质、控制阶以及该系统是追踪型的还是补偿型的。因此，应该在控制场合中，有选择地使用那些特别适合的辅助装置。

2）加快装置

涉及二、三或更高阶控制的车辆控制系统中，使用加快装置特别合适。加快装置显示器的电子设备非常复杂，但使用这类显示器的作用一般是想操作者显示：为实现某一特殊的输出反应，该作什么样的控制动作。从本质上讲，在下列情况下使用加快系统最为合适，即：操作者动作的后果并不能立即反映在系统上，而要有一定的延迟，这种延迟通常是由系统的动能特性所造成，如在飞机和潜艇上就是如此。考虑二、三或更高阶系统所要求的反应时，在有加快装置的情况下，操作者仍需作哪些反应，这将会得到说明，从而不必承担计算复杂的控制动作应该是什么的那些脑力活动（另外，计算这些动作也是行不通的）。

虽然，加快装置能简化和改善某些跟踪任务，但它也有某些可能的局限性和不足之处。例如在典型的加快系统中，操作者并不能得到有关系统当前情况的信息，因为显示器主要显示采取什么样的控制动作。同时也应记住，在非常简单的系统中；或在控制动作到系统效应间没有延迟的系统中；以及在已经有类似系统反应的实时反馈的系统中，加快装置都没有任何明显的优点。

3）预测显示器

另一个简化高阶系统控制的方法是使用预测显示器。实际上，预测显示器是使用系统的一个短时模式来预测系统（或控制对象）未来的偏移，并在观察装置或其他装置上给操作者显示此偏移。这模式根据一个或多个有关操作者使用控制器将要做什么的假设（如：使控制器回到中间位置，保持其所在位置，或使其移到一个末端或另一个末端）重复地计算有关真实系统的未来的预测，并显示这样产生的预测，使操作者能减小预测输出与期望输出之间的偏离。

预测显示器对于复杂的控制系统具有特殊的优越性，在复杂的控制系统中，如潜艇、飞机、宇宙飞船的操作人员需要在几秒钟以前就进行预计。在这种情况下使用预测显示器的优点已为许多试验结果所证实，例如Dey对一架垂直起飞与降落的飞机所作的模拟试验就证实了这一点。在试验中，偏离期望航线的指标值，在使用预测显示器的情况下为2.48，而在不用预测显示器的情况下则为7.29。试验与其它试验所提供的证据相当一致地说明，使用了预测显示器，控制特性有改善。

利于跟踪任务完成的各种可能措施的相对效用，变得越来越与输入的类型（正弦、阶跃、等速等等）、控制阶（零阶、一阶、二阶等等）以及显示器的类型（追踪的还是补偿的）相互交融在一起。在某些情况下，辅助装置是有用的，但普遍适用性较差。至于说到加快装置，Bradley对某些试验中所采用的研究策略提出了重要的问题，同时也指出加快显示器的某些缺点。总的来说，他的结论是：对于高阶控制系统来说，“真实动作”的预测显示器可能要远比加快显示器容易操作，也安全得多

3、影响跟踪操作的因素

人对跟踪操作的控制效率受多种因素的影响，诸如：显示器与控制器的性质、跟踪系统的特点等，以下简要讨论其中一些因素。

（1）显示器类型：追踪型的和补偿型的

回顾了有关视觉模拟追踪显示器较补偿显示器的可能优点之后，Bradley得出结论，认为如果要在这两者中作一选择，则常规的追踪（真实运动）显示器要比补偿（相对运动）显示器受欢迎。他的论断是根据大量试验得出的，见表3:

表3  常规追踪（真实运动）显示器与补偿（相对运动）显示器之间的比较

Bradley论证说：在补偿跟踪试验中最好的七次试验结果可能是由于不恰当试验程序引起的，因此不应予以重视。在“无确定结果”一栏所包括的三个涉及零阶控制的试验结果确实有利于补偿跟踪，但他指出，试验的变化因素可能会影响这样的结果（他只提到在使用环行显示器与曲柄跟踪器同时执行两个跟踪任务的情况下，使用补偿显示器的效果证明较好）。

有关追踪显示器与补偿显示器的多数试验涉及能提供连续跟踪信息的模拟显示。在一次数字显示的试验中发现这两类显示的性能并无区别。因此，该试验提示我们，追踪显示的一般优点，在数字显示（相对于模拟显示）中并没有完全表现出来。

虽然，通常追踪显示的跟踪性能要比补偿显示器的效果好（至少视觉的模拟显示是这样）。但从实际考虑，尤其是补偿显示器占有控制面板上的空间较少，有时可能会主张采用补偿显示器。

（2）跟踪中误差显示的特征

在某些补偿跟踪系统中，误差（输入与输出之间的偏差）能具有不同程度的特征。虽然各种试验的结果与其并不完全相符，但证明了：在跟踪任务中，由于提供了更多（而不是更少）专门信息，中间的控制功能是增强了。

（3）对未来跟踪信息踪迹的预视

在某些跟踪位置，个人对未来的跟踪踪迹可能有某些预视。总的来说，输入有一些预视，有助于操作者完成跟踪任务。如果预视能显示紧接“当前”位置前面的那一部分踪迹，而不是在当前位置与被预视的跟踪之间有一段信息间隔的那种“时滞”预视，那么这种预视是最有效的。预视的时间持久看来要比至少有几次预视机会的效果来得差。如果预视持续时间大致近似0.5s，则操作性能会稳定地改善，超过这一时间，预视的效果就会迅速地降低。

（4）预测

预视一个跟踪过程的输入，是指必须在控制反应之前，有机会看到输入的某些部分。另一方面，预测（有时称为预知）则是在没有任何预视的条件下，操作者预测未来跟踪踪迹的能力。只有在以往的输入已经具有某些系统模式而且被操作者掌握时，这种预测才有可能进行。总的来说，正弦波输入预测相对地较为容易，尤其是使用追踪显示器的情况下更是如此（相对补偿显示器而言）。随着实践经验的丰富，某些操作者也能掌握一些相对不规则的输入模式。

（5）定速的与自我定速的跟踪

多数跟踪任务是自我定速的，在这种任务中，一个人能控制输出的速度。但在某些跟踪任务中，速度并不为个人所控制。如Bradley曾提到：在飞机着陆时，飞机驾驶员不得不将飞行速度掌握在极窄的范围内，同时要将飞机保持在严格规定的下滑道上。当任务是自我定速时，跟踪是最容易的，而随着外界规定速度的等级的提高，困难也不断增加。

（6）跟踪中的时滞

     在某些跟踪任务中，可能有各种类型的时滞。例如，一个显示器的时滞，既包括轨迹输入上的延迟，又包括相关系统输出的延迟。反应时滞是个人对某一输入作出反应所用的时间。而控制系统时滞则是从个人作出控制反应后到受控制系统作出反应之间的时间。基本上有三种类型的控制时滞，对阶跃输入，如图2所示。

图2  阶跃输入后的三种时滞图

在这三种时滞中，传输时滞只推迟个人反应的效果，经过一段固定的时间间隔后，输出才跟随控制反应。指数时滞是指：跟随阶跃输入的输出是用指数函数描述的情况。而S形时滞是由S形曲线表示。

3 人的失误

3.1失误的定义和分类

由于人被要求的机能和实际上人所达到的机能间有偏差，其结果有可能以某种形式给系统带来不良影响，把这叫做人失误。

根据人的作业内容将人失误原因归类为：

①设计过失：因计算错误或考虑出错引起的设计错误或因[完善的设计产生的错误。

② 制造过失：技术含量低，使用了劣质或用错了材料，没按图面要求等引起的过失。

③ 操作过失：这是最一般的人失误含义。作业人员在操作过程产生的各种失误。

④保养过失：机器或设备的安装问题或修理出错。

⑤ 维修过失：将次品当正品，或将正品判为次品的判断失误。

⑥ 处理过失：没按说明书要求进行的物品的保管和运输带来的过失。

3.2人失误的发生原因和防止对策

人失误的发生原因和防止对策如图3所示。

①状况原因：如作业环境恶劣，或操作不方便等，起因与系统设计的原因。

②个人原因：与人的个人特性有关，如缺乏动力或大气，技术不熟练，身体不佳。

③精神压力原因：这里分心理的和生理上的压力。

图 3 人失误的发生原因和防止对策

  层次1的防止对策是最基本的减少人失误的对策。具体来说，对于状况原因，要改善系统、改善环境、改进人机界面。对于个人原因，要进行职能教育、培训、提高人工作的积极性等。对精神压力原因，为了保持人的最佳工作状态，应尽量避开单调反复的作业，或者经常提供必须且充分的信息给作业人员。

  层次2的防止对策是如何将人失误无害化或及时进行修正。在系统设计上应有联锁装置、防错装置、安全装置等。另外在失误发生后应能马上通过光或音等方式将信息反馈到作业人员。

  层次3的防止装置是尽量将失误或事故局部化或不让他发生。其应由安全装置或安全对策构成，根据情况还应设置多重安全装置。

3.3产生人失误的心理原因

1、知觉原因

人视觉信息最大输入量为3×106bit/s，听觉信息最大输入量为3×104bit/s。而人的中枢(神经)最大信息处理量是102bit/s，仅相当于输入量的千分之一，而对与实验相关的基于知识的处理能力仅6～7bit/s。即人瞬间获取的信息量与对其进行处理的能力极不相称，这就为人失误埋下伏笔。

  这就体现了SRK模型的重要性，作为SRK模型的动态应用模型有图4所示的GSMS模型(Genetic Error Modelling System)。基于技能的行动是如同交叉路口遇到红灯，作为条件反射马上踩刹车这样的行动。

图 4 GSMS模型

  显然，在精密作业中人不加思考或检查就采取行动容易出问题。如同战斗过程中雷达显示有飞机接近，不加辨认就按导弹发射按钮有可能击中友机。这类失误在正常情况下是不会发生的，但在人紧张或疲劳等时有可能发生。美国攻打伊拉克战争中多次发生的误击英军战机和误炸友军事件除了技术原因外，与过度紧张，缺乏仔细检查和辨认有很大关系。

2、情绪原因

人与计算机除了具有情报处理系统这一相同点外，人还会因生活、教育环境、组织形式或人的意欲和情绪等对情报处理系统产生影响。或者说人与计算机不同之处在于人具有两面性。如人具有理性和情绪是人的特性，而情绪将支配行动。

人的大脑新皮质系由作为情绪、本能、意欲等的中枢的旧皮质所支配。对于人的生命维持起重要作用的机能中枢起着管理人的情绪、防卫、意欲、食欲、性欲等的人的行动的作用，他们对情报处理系统影响甚大。对容易诱发人失误的原因主要有：

①性急。如不为完成任务的时间留有余地而赶任务，或紧急情况下不按操作程序操作等。日本交通事故者约50%的心理背景都存在因各种原因产生心情不好而出差错。

②过度自信。如同基于技能行为，作业人员过度自信。或认为以前这样做过没出问题，这次这样做也不会出问题而放松警惕最终招致失误。

③疲劳或单调作业。在人疲劳时或因自动化生产过程中的监视作业的单调无聊将降低总的情报处理能力。监视作业是人最易出差错的作业，应采用作业休息制及交替制等来降低出错率。

④生气。因人间关系、家庭生活、工作不顺或人不适应机器等而使人的情绪变坏、抱有发怒或攻击的情感。这类情感的起伏将使人的情报处理精度引起突发变质。

⑤紧急事态。如遇到突如其来无法预测的停机事故而吃惊、对因本人知识不足不能善后处理而引起不安、对因故障带来的严重后果的恐惧或因无效操作引起的混乱等都将极度降低新皮质系的情报处理能力。

⑥面子观念。出于对小集团利益的照顾或友情观念等不及时处理事故和故障而招致更大程度的失误或事故。

3、社会心理原因

任何一个作业都是在一定的社会环境中实施或受其影响的。其影响将以各种形态转而影响人的情绪。例如，工厂里的作业环境、人间关系、对工厂和职务的满足度、经验、对作业的理解度、工厂的安全文化、家庭等各种因素都会产生影响。其中，人的性格、资质、生活经历等左右着人的感受性。

认识行动中的失误在某种程度上可加以解明和预防。但牵涉到情绪因素和社会心理因素而产生的失误或因偶发事故引起的失误很难通过数学模型加以解明。但是，人之所以产生失误，一定可从包括人机界面、软件、环境、心理等方面的认知行动规则上找原因。为此，对过去发生的失误事例从人机界面观点对其分门别类建立数据库，编写以人为中心的失误防止手册是非常必要的。

4 人的控制理论模型

作为人-机-环境系统中的工作主体，人对外部世界的认识是通过感觉获得的，感觉器官接受到外界环境信息，并经大脑处理后形成知觉信息，进而根据这些信息来控制自己的行动。在视觉-情境认知-目标拾取认知技术科学研究中最为重要的问题就是人对信息流的获取（输入）、认知（中间处理）和信息流的控制（输出）这三个问题。

由于人是人-机-环境系统的主体，只有深刻认识人在系统中的作业特性，才能研制出最大程度地发挥人及人机系统的整体能力的优质高效系统。人的目标拾取运动作为人的一种输出形式，具有速度—精确度的折衷关系，即目标拾取运动的运动的完成时间与命中目标的精确度成反比。这种特性广泛存在于人的各种输出和其他控制系统中。所以如何建立人的目标拾取运动过程中实用、精确的速度—精确度折衷关系理论模型就成了研究的主要任务.

建立描述人的目标拾取运动的理论模型是一个通过实验分析和理论研究来获取运动过程中的固有特性，并用数学语言来描述这些不变特性之间的关系的过程。到目前为止，描述人的目标拾取运动的模型一般分为两类：第一类是从运动策略的角度进行研究。这类研究偏重对运动过程的分析，往往是提出一些假设，通过对实验数据的分析和研究来验证它们，最终得到理论模型；这种方法一般不研究人对运动的深层控制机理，只关心运动过程中可以观察到的物理量的变化情况；因此，这类研究的生理基础较薄弱，不能深刻地说明问题的本质；但是，这种研究是从实验结果出发的，其结论与实验结果吻合较好，具有一定的实用价值。第二类研究则从运动控制优化来进行。一般是先根据人的生理模型建立运动的控制模型或给出运动的动力学和运动学分析，并提出一定的目标函数，将目标拾取运动过程转化为一个优化问题来处理；这种研究方法的理论基础较为坚实，实验数据只是被用来验证模型的正确性，并不是推导出这种模型的基础；因此，这种研究虽然更能从本质上反映人对运动的控制形式，但获得的理论模型可能同实验观测到的一些现象和结论不完全相符。早期的研究成果大多是在第一类的研究方向上取得的，近年来，许多研究人员在第二类研究方向上进行了大量的工作。下面是按时间顺序分析了人的目标拾取运动研究发展过程中所提出的具有代表性的理论和模型：

（1）Woodworth理论（1899）（速度-准确性折衷关系理论）

按照正常的经验，命中准确性与肢体运动完成时间成正比，而与速度成反比。

（2）Fitts定理（1954/1964）

    随着信息理论的发展，一些实验生理学家以信息理论为框架，来研究人的知觉工程、认知过程和运动过程，提出了许多描述人的特性的模型。其中，Fitts定理作为信息理论在描述人的一维目标拾取运动过程的应用，取得了巨大的成功。Fitts认为一个目标拾取运动任务的难易程度（ID）可以采用信息理论中的计量单位比特（bits）来描述：

ID = Log₂ (2A/W)        （1）

MT = a + b * ID           （2）

  ID：一个目标拾取运动任务的难易程度，难度指数；可采用信息论中的计量单位比特（bits）来描述；A：为起始点到目标中心的距离；W：为目标宽度或运动终止区域的误差容许量；MT：为运动时间；a、b 均为由实验确定的系数。

 （3）Plamondon肌肉运动整合模型（1995）

    Plamondon等人从1989年开始研究人的目标拾取运动，他以终端效应器的速度为主要研究的方向；根据众多的实验数据和研究结果，他认为终端效应器的速度随时间变化曲线为“钟形”，如图5所示；最后，他从生理学层次分析了人体运动过程，把导致终端效应器的肌肉系统分为两个子系统：主动肌系统和拮抗肌系统，要求的运动是通过这两个子系统的整合作用实现的，如图5.6所示：

    无论主动作用系统和拮抗作用系统都是通过肌肉的整合作用来工作的，即其表现出来的运动特性是由大量相互独立的神经肌肉网络共同工作、相互作用、相互耦合的综合作用形成的，并且每一个个别因素在总的影响中所起的作用都是微小的。

（4）袁修干—王立刚的目标拾取运动的理论模型（1998）

    A．根据有关实验分析的结果提出了关于目标拾取运动的的5条基本假设：

（a）人的运动控制系统是模拟控制系统，由于神经冲动、神经传导等生物现象的作用，使多次重复相同条件的目标拾取运动时，运动过程（包括运动完成时间和终点位置）不是完全相同，而是服从正态分布。

（b）人的目标拾取运动的运动过程一般包括一个规划运动和一系列修正运动。运动难度较小，只有规划运动存在；修正运动的数量随运动难度增加而增加。

（c）规划运动的加速度变化较剧烈，具有基本相等的加速和减速阶段。该阶段的持续时间与平均速度成正比，与运动距离的平方根成正比。

（d）修正运动的数量和持续时间由运动难度决定，而运动难度则由目标的水平和垂直尺度与运动距离共同决定。

（e）运动夹角和目标形状对目标拾取运动的难度指数影响不大。

B．在以上五条基本假设的基础上，提出了目标拾取运动的理论模型：

（1）根据假设2可以得到：整个目标拾取运动过程的运动时间等于规划运动阶段和修正运动阶段各自花费的时间之和，即

T = T0 + T1  （3）

其中T为总的运动时间，T0为规划运动阶段运动时间，T1为修正运动阶段运动时间。

（2）根据假设3和假设4分别将规划运动阶段运动时间T0和修正运动阶段运动时间T1代

入方程（3），得到目标拾取运动的运动时间与其主要影响因素的关系式：

其中a、b、c、d均为实验系数。W、H分别为目标的水平和垂直尺度。

对于一维目标拾取运动或W等于H时，式（4）可简化为：

  采用典型的实验数据对所提出的理论模型进行了检验，表明该模型对各种一维和二维的目标拾取运动具有较广泛的适用性和较高的描述精度，具有一定的实用价值。

通过对以上诸典型模型的分析，我们可以看出目标拾取运动各模型中的不足并得出以下结论：

（1）以前的目标拾取运动模型大都是从简单的经验、信息论、控制论、生理学等角度提出的，而在实际工作中，往往伴随着人的各种心理变化及认知环境的变化，所以如何把这些因素整和起来进而形成一个定性与定量相结合的应用模型，这将是认知技术的一个重要研究方向。

（2）目标拾取运动作为认知技术中的一种基本操作，对于系统的设计具有着重要的影响。在实际工作中，大多数运动是三维的，因此开展对三维目标拾取运动的研究工作十分必要。

（3）在认知技术中，存在着大量对运动目标的拾取操作，战斗机驾驶员瞄准敌机就是一个典型的事例，所以应进一步开展对具体系统中的目标拾取操作的研究。实现目标拾取运动作业效率测试技术是一个重要研究方向，细致、准确地记录目标拾取运动的有关数据，可以为作业效率的研究、训练以及工程评价提供先进的手段。

（4）在复杂的操作过程中，存在着以经验为基础的无视觉（或弱感觉）拾取操作过程，如何正确地揭示这种运动的规律仍然是困饶人们的一个未揭开的谜。

  在真实的复杂背景下，对视觉-目标拾取认知技术进行整体、系统的研究，根据人的视觉认知过程及肢体目标拾取操作/控制过程的生理、心理、环境基础，建造精确、可靠的数学模型已成为研究者所追求的目标。人类认知的经验表明：人具有从复杂环境中搜索特定目标，并对目标信息有选择处理的能力。这种搜索与选择的过程被称为注意力集中（focus attention）。在多批量、多目标、多任务情况下，快速有效地获取所需要的信息是人面临的一大难题。如何将人的认知系统所具有的环境聚焦（environment focus）和自聚焦（self focus）机制应用于多模块认知技术系统的学习，根据处理任务确定注意机制的输入，使整个系统在注意机制的控制之下有效地完成信息处理任务并形成高效、准确地信息输出，有可能为上述问题的解决提供新的途径。如何建立适度规模的多模块认知技术系统是首先解决的问题，另外，如何控制系统各功能模块间的整和与协调也是需要解决的一个重要问题。

  通过研究，我们是这样看待认知技术问题的：首先人的认知过程不是被动地对环境的响应，而是一种主动行为，人们在环境信息的刺激下，通过眼动、头动，改变观察点，从动态的信息流中抽取不变性，在交互作用下产生有知觉的操作或控制；其次，认知技术计算是动态的、非线形的，通常不需要一次将所有的问题都计算清楚，而是对所需要的信息加以计算；再者，认知技术计算应该是自适应的，认知技术系统的特性应该随着与外界的交互而变化。因此，认知技术计算应该是外界环境和人的认知感知器共同作用的结果，两者缺一不可。

  研究基于人类行为特征的视觉-目标拾取认知技术，即研究在不确定性动态环境中的感知及反应能力，对于社会系统中重大事变（战争、自然灾害、金融危机等）的应急指挥和组织系统、复杂工业系统中的故障快速处理、系统重构与修复、复杂坏境中仿人机器人的设计与制造等问题的解决都有着重要的参考价值。

5 人机交互技术中有关人的特性研究

  人机交互系统是指由人和机器、环境构成并完成特定任务的系统。人是人-机交互系统的主体；机器是该系统中除人外，与人相对应的“物”；有时也将环境条件作为人-机交互系统中一个独立因素。人-机交互系统设计思想的发展经历了三个阶段。二次世界大战以前，人-机交互系统的设计思想是以机器的性能提高作为提高人-机交互系统性能的主要手段。这是人-机交互系统发展的第一阶段。由于当时机械设计水平较低，复杂程度弱，功能单一，提高机器的设计水平和性能对提高整个系统的性能起关键作用。二次大战期间，由于战争的需要，首先在军事产品中出现了复杂的人-机交互系统，如战斗机的操纵和驾驶系统、自动火炮的瞄准和操纵系统等。这是人-机交互系统发展的第二阶段，在这个阶段，人们还没有从根本上认识到系统中人的能力和可靠性等问题，而是希望通过对人的训练等手段使人能够适应机器，从而保证人-机交互系统中机器性能可以充分发挥。但是，人们很快发现在某些复杂的系统运行过程中，不同的操纵人员(包括一般水平和高水平的操作员)往往会在某些特定的条件下犯类似的错误，导致系统故障甚至毁坏。这促使研究人员开始注意到系统中人的性能。研究发现越是在机器设备自动化程度高的系统中，人的性能的问题越突出。例如：日本对灾害事故的统计，有80%是由人的因素造成的。1959年至2004年的世界喷气民航机失事统计也表明，70%～75%的失事原因是由于机组人员操作失误所造成。这些事实促使人-机交互系统的设计思想有了进一步的发展。现阶段人-机交互系统的设计思想突出地表现为以人为核心的设计方法和思路。例如波音飞机公司在客机B-777飞机的设计中，真正采用以人为核心的人-机交互系统设计思想进行了该型飞机的驾驶舱设计。设计中遵循“以机组为中心”的设计原则，在充分考虑驾驶员特性的前提下，引入新的技术和功能。这种设计思想直接导致的结果是机组任务分工明确，工作舒适性提高，新技术的采用对人机界面没有负效应，而且提高了飞机驾驶的安全可靠性，设计出的驾驶舱是一个为众多民航机驾驶员所认为“成功”的现代化驾驶舱。

图 7  人-机交互系统的理论模型

  以人为核心的人-机交互系统设计的主要内容是：将人-机交互系统中的人作为设计主体，人-机交互系统及其各个分系统的设计均应按照人机工程的理论和方法，围绕着更好地发挥人的能力、提高人的性能的原则进行。人-机交互系统的理论模型如图5.7所示，在系统运行过程中，环境和机器的状态和特性都会对人的性能产生一定的作用，这些作用是人机工效学研究的内容。以人为核心的人-机交互系统设计正是要通过对其中具有共性的作用研究，避免降低人的性能的作用，使人在系统运行中能够保持高效、准确和可靠的工作状态，从而提高整个系统的性能。要正确分析环境和机器对人的性能的作用，必须建立准确、可靠的人-机交互系统中人的模型。以人为核心的人-机交互系统设计阶段中，人处于系统的主体地位，人的模型必须能够反映人-机交互系统中人的主要特性和人对机器及环境作用的响应，即系统中人的性能。

  在人-机交互系统设计中必须考虑人的生理特性，要求在机器设备和环境等因素的作用下人的生理特性参数仍能处于合适的范围内。如军用飞机驾驶舱设计中的急性高空缺氧问题。人在缺氧情况下，轻则困倦、疲劳，直接影响工作效率，重则恶心欲吐，甚至意识模糊、意识丧失，严重威胁安全。因此对于军用飞机驾驶舱这种典型的人-机交互系统，人的生理模型中必须包含急性高空缺氧对人的作用，其最直接的反映是给出急性高空缺氧的一些生理耐限值，如最佳值、夜航安全值、功效保证值、功效允许值、缺氧耐限值和缺氧极限值等。在人的生理模型中一般要考虑的因素有：温度、照明、噪声、振动和视野等。对于不同的人-机交互系统，由于其工作条件不同，要求考虑的人的生理特性也不同。地面的人-机交互系统(汽车驾驶室等)设计中，缺氧问题就不用或很少被考虑，而例如乘坐舒适性的问题却可能被放在重要地位。因此，针对不同的人-机交互系统设计，建立人的生理特性模型时，要根据系统的情况，具体问题具体分析，抽取合适的评判参数。人的生理特性的研究起源于医学和生理学研究。有着坚实的基础。已经发展得较为成熟。作为人-机交互系统的设计人员，应将医学和生理学的研究成果与人机工效学原理相结合，建立侧重于人机工效分析的人的生理模型。

  由于人的心理特性在人-机交互系统运行中的表现是隐性的，所以长期以来对人的心理特性模型的研究并没有引起人们足够的重视。随着机器设备自动化程度的大幅度提高，对人的各个方面素质的要求就越来越高，人的心理问题也日益变得重要起来。人的心理特性对人-机交互系统设计影响的一个典型实例是色彩问题，通常在人-机交互系统中，用红色表示警告信息，这不仅仅是因为红色具有穿透效果好的物理特性，更重要的原因是在人的心理中红色与警告之间具有某种特殊的联系，这不是某个人的反映，而是大多数人的心理反映。人的心理学是一门复杂的学科，其研究的内容包含许多方面，在人-机交互系统中，通常只研究那些对系统运行产生影响的内容。

  通过某些人-机交互系统的事故分析，可以发现人的心理特性具有一种错误非线形放大的规律，一般表现为人的心理特性具有一定的阈值，当系统任务变化或机器设备和环境状态变化带来的干扰信息出现在安全区时，人的心理特性具有自我调节的能力，可以进行自动纠正，当干扰信息出现在危险区时，人的心理特性不但不能自我调节，还可能放大干扰，造成系统运行事故。人的心理特性受干扰时的曲线示意图如图8所示。由于人-机交互系统中人的心理特性模型的研究工作开展的较晚，加之人的心理特性固有的复杂性，这方面的研究工作应该进一步开展。

  随着人-机交互系统自动化程度和复杂程度的不断提高，系统中的机器和环境监控设备等与系统中的人之间的信息交换就越来越多，这是由于机器本身在目前阶段尚不具备像人一样的对各种不正常情况的综合分析和处理能力，对系统的整体运行控制仍然必须依靠，甚至更加依靠系统中的人的作用。估计将来机器可以具备一定的人工智能，但同人的智能相比，至少在相当长的一段时期内不能相提并论。即使是人这种高智能生物，其对信息的处理能力依然是有限的。因此系统中其它部分提供给人的信息必须符合人的认知能力，也就是说，给人的信息输入要符合人机工效的要求，保质保量。人的认知能力是指人感知各种输入信息，将其转化成综合信息，然后将这种综合信息作为决策依据的能力，其随输入的信息量的变化示意曲线如图9示。

  提供信息的目的是反映问题。信息量太少说明不了问题，信息量太大会淹没主要问题，甚至影响人的认知能力。信息的质量包含狭义和广义两方面的内容：从狭义上讲，每条信息必须是准确的。如一条信息提示飞机燃料不足，其实是电子线路故障的误报，这种信息就是不准确的。从广义上讲，即使提供的每一条信息都是准确的，如果信息的结构组织不好，同样会造成人的决策失误。如1992年7月20日美国一架V-22“鱼鹰”倾转旋翼飞机坠毁事

件。该事故调查报告表明，其主要原因是因为该飞机驾驶舱信息传递设计不足，虽然在机器发生故障时提供了许多在狭义上讲是准确的信息，但是由于未能在关键时刻向驾驶员报告最重要信息而造成驾驶员判断失误，无法实施正确的补救措施，导致了飞机坠毁。因此，如何设计人-机交互系统的信息流动，使其提供给人的信息恰到好处是十分重要的。事实上，自动化和计算机的发展带来了所谓的“信息应激”问题，使对人的认知特性的研究成为人机工程中一个新的热点方向，典型的问题如“人-计算机系统工程”等，正吸引越来越多的研究人员参与。通过以上分析表明，人的认知特性模型应该准确反映人对信息的接受、反映和综合等特性。系统信息流传递的设计应通过这个模型来检验。人在形成决策后，将通过各种运动或动作来实现系统控制。人的运动和动力学特性模型可以用来进行系统操纵性的工效分析。对应某个具体任务，如飞机的俯仰控制，是通过推拉驾驶杆实现的。在完成该类任务时，一般至少会涉及到两个重要的工效学问题：1、推拉驾驶杆的过程中是否会与其它设备或部件发生碰撞或干涉；2、推拉驾驶杆的过程中作用在人的手臂上的反作用力大小如何，是否在人手臂的生理限度之内。第一个问题属于人体运动学，第二个问题属于人体动力学，对这两个问题的回答必须依据人的运动和动力学特性模型。

  以上几方面的因素对人-机交互系统人机交互特性的影响各有侧重，然而它们并不是相互独立的，而是几个方面同时进行、同时作用的。例如温度对人的影响一般来自环境因素的改变，首先影响的是人的生理特性，在人自身温度调节失效后甚至调节过程中，人的认知特性将受到干扰，从而影响人的决策的正确形成。目前，由于对人在单因素条件下的人机工效特性的认识尚不够深入，对复合因素作用下的模型研究更是十分困难。然而，实际的人-机-环境系统中人往往是处于各种因素的耦合作用下，因此只有建立该模型，才能较为真实、可靠地反映人的特性。我国对人-机-环境系统和人机工效学的研究工作起步较晚，对其认识仍有不足.。随着科技水平的不断进步，人-机交互系统设计和研究已受到越来越大的重视。今后应进一步开展与人-机交互系统中人的模型相关的各方面的研究工作，特别应该重视多因素耦合作用下人机特性模型的研究，提高和改进实验手段。

有人说：“没有机器智能，只有人的智能。”

实际上，应该是：没有人的智能，就没有机器智能。

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