人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究課件

1、第9章人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究 試飛員菲爾奧斯特利?？傇O(shè)計(jì)師哈利希拉克YF-16 中的兩個(gè)“第一人”YF-16 的力感應(yīng)操縱桿是固定不動(dòng)的，這讓菲爾奧斯特利希犯了經(jīng)驗(yàn)主義錯(cuò)誤YF-16 的意外首飛YF-16 的結(jié)構(gòu)試飛工程師約翰G威廉姆斯回憶道：“在首次高速滑跑試驗(yàn)中，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到抬前輪速度時(shí)（約 222 千米/時(shí)）出現(xiàn)了飛行員誘發(fā)的劇烈橫向振蕩（飛行員反復(fù)輸入了左右最大滾轉(zhuǎn)指令）。請(qǐng)記住這是第一種安裝固定式操縱桿的飛機(jī)，菲爾在高速滑跑實(shí)驗(yàn)前并沒(méi)有機(jī)會(huì)體驗(yàn)這種操縱桿。由于機(jī)頭已經(jīng)抬起，振蕩導(dǎo)致平尾擦地，刮掉了右平尾的翼尖，左平尾靜電刷也蹭地。此時(shí)飛機(jī)已經(jīng)向跑道左側(cè)偏離，菲爾要么犁過(guò)跑道邊的

2、沙漠，要么就硬著頭皮起飛，他選擇了后者。感謝他這么做挽救了整個(gè)項(xiàng)目。起飛后菲爾駕機(jī)飛行了 6 分鐘并最終安全降落。在下次飛行前，操縱桿在起落架放下?tīng)顟B(tài)的靈敏度被調(diào)低了 50%。但因?yàn)楸槐г狗磻?yīng)遲鈍，又恢復(fù)了當(dāng)初的設(shè)置?！?總體性能研究：就是在明確系統(tǒng)總體要求的前提下，通過(guò)確立若干替代方案，并相應(yīng)建立有關(guān)模型和進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，著重分析和研究人、機(jī)、環(huán)境三要素對(duì)系統(tǒng)總體性能的影響和所應(yīng)具備的各自功能及相互關(guān)系，不斷修正和完善人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，最終確保最優(yōu)組合方案的實(shí)現(xiàn)。9.1 總體性能的三個(gè)指標(biāo) “安全、高效、經(jīng)濟(jì)” 是任何一個(gè)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)都必須滿(mǎn)足的綜合效能準(zhǔn)則。安全：指在系統(tǒng)中不出

3、現(xiàn)人體的生理危害或傷害高效：使系統(tǒng)的工作效率最高，使用價(jià)值最大。經(jīng)濟(jì)：在滿(mǎn)足系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下，盡可能投資最省，也即保證系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。9.2 總體性能研究的基本任務(wù)為了滿(mǎn)足人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能，就要對(duì)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，并制定共同的性能準(zhǔn)則。 經(jīng)濟(jì) 安全 效能參數(shù) 效能參數(shù) 效能參數(shù) 高效 0 人的參數(shù) 0 機(jī)的參數(shù) 0 環(huán)境參數(shù) 圖9-1 人、機(jī)、環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)總體性能的影響示意圖 綜合評(píng)價(jià)值Q：Q=W1安全W2 高效 W3 經(jīng)濟(jì)式中，W1 、 W2 、 W3為各指標(biāo)加權(quán)系數(shù)，并 W1 W2 W3 =1式中，W1 、 W2 、 W3的選擇取決于三種因素 1) 國(guó)家

4、的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力 2) 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的種類(lèi) 3) 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工作狀態(tài) 取得Q值后，可將圖9-1曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成圖9-2，根據(jù)圖9-2能預(yù)測(cè)人、機(jī)、環(huán)境的最優(yōu)參數(shù)。 Q Q Q 0 人的參數(shù) 0 機(jī)的參數(shù) 0 環(huán)境參數(shù) 圖9-2 人、機(jī)、環(huán)境參數(shù)對(duì)綜合評(píng)定值Q的影響示意圖9.3 總體性能研究舉例 為了全面提高人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能，必須首先從系統(tǒng)的總體高度出發(fā)，找出人、機(jī)、環(huán)境三大因素對(duì)系統(tǒng)總體性能影響的定量數(shù)據(jù)，從而提出提高系統(tǒng)性能的措施，為系統(tǒng)的總體分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。 本例以飛機(jī)格斗時(shí)的追蹤瞄準(zhǔn)為例，通過(guò)24名被試者的2240人次的人體實(shí)驗(yàn)，獲得了人、機(jī)、環(huán)境三大因素對(duì)

5、系統(tǒng)總體性能影響的定量結(jié)果，為人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體分析和設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。敵機(jī) + 我機(jī)姿態(tài)目標(biāo) 圖9-3 飛機(jī)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖顯示器人（飛行員）飛機(jī)操縱桿機(jī)（飛機(jī)動(dòng)力學(xué)）環(huán)境（噪聲） 實(shí)驗(yàn)中，飛機(jī)靶目標(biāo)從四個(gè)方位（左上、右上、左下、右下）隨機(jī)出現(xiàn)12條航路。 圖9-4 靶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖 飛行員通過(guò)顯示器觀察靶目標(biāo)和瞄準(zhǔn)標(biāo)記之間的偏差，利用操縱桿進(jìn)行飛機(jī)方位角和高低角的兩自由操縱，盡快讓瞄準(zhǔn)標(biāo)記壓在靶目標(biāo)上，并利用操縱桿上的射擊按鈕，完成炮彈擊發(fā)動(dòng)作。 + + 靶目標(biāo) 瞄準(zhǔn)標(biāo)記 + + 實(shí)驗(yàn)中，飛機(jī)的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)特性采用四種操作難度：0.5/s、0.5/s(0.25s+1)、0.5/s(0

6、.9s+1)和0.5/s2 ，并分別用動(dòng)力學(xué)1，2，3，4代表；實(shí)驗(yàn)中采用的環(huán)境噪聲分為5個(gè)等級(jí)：57，80，90，95，100dB(A)，并分別用噪聲水平1，2，3，4，5代表。 人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)（系統(tǒng)工作效果）為： 1）作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間(T)-從靶目標(biāo)出現(xiàn)到炮彈擊發(fā)的時(shí)間。 2）瞄準(zhǔn)精度(P)-瞄準(zhǔn)標(biāo)記偏離靶目標(biāo)中心的程度。 P和T分別定義：P(相對(duì)值)=P(實(shí)驗(yàn)值)/P0(參照值)T(相對(duì)值)=T(實(shí)驗(yàn)值)/T0(參照值)將P和T綜合為一個(gè)性能指標(biāo)SPSP=0.5P2+0.5T21/2SP的值愈小，系統(tǒng)性能就愈好。 結(jié)果表明，在人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)中，人、機(jī)、環(huán)境的參數(shù)改變，都將對(duì)

7、系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生重大影響，概括如下： 1）飛機(jī)動(dòng)力學(xué)特性對(duì)系統(tǒng)性能的影響 SP 1.5 1.0 0.5 0.5 /s 0.5/s(0.25s+1) 0.5/s(0.9s+1) 0.5/s2 圖9-5 飛機(jī)動(dòng)力學(xué)特性對(duì)系統(tǒng)性能的影響 在四種動(dòng)力學(xué)中0.5/s是最好的機(jī)器參數(shù)，所以在設(shè)計(jì)任何一個(gè)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)時(shí)，從“機(jī)的因素”考慮，應(yīng)設(shè)法盡量降低控制系統(tǒng)的階次，使機(jī)器適合人的使用，以提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。 2）環(huán)境噪聲水平對(duì)系統(tǒng)性能的影響 SP 1.5 1.0 0.5 57 80 90 95 100 dB(A)圖9-6 環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響 由圖看出，在90dB(A)噪聲下，操作者的跟蹤

8、效率最差，三種作業(yè)難度在這一點(diǎn)趨勢(shì)一致，因此在設(shè)計(jì)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)時(shí)，從“環(huán)境因素” 來(lái)考慮，高噪聲固然有不良的反應(yīng)，但絕對(duì)的安靜對(duì)系統(tǒng)工作效率的提高也不一定完全有利 3）操作者技能對(duì)系統(tǒng)性能的影響 (1)操作者訓(xùn)練次數(shù)的影響 (2)訓(xùn)練方法的影響 (3)個(gè)體差異的影響 總而言之，為了改善人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)中的三個(gè)基本要素（人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)）作如下選擇 1）考慮人的因素 操作者應(yīng)該適應(yīng)機(jī)器的要求，即應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中的操作者進(jìn) 行選拔和訓(xùn)練。Lavi式駕駛員座艙座艙采用氣泡式擋風(fēng)玻璃，具有良好的視野。但是它可能沒(méi)有采用類(lèi)似F-16大傾斜座椅和雙桿控制，IAI選擇了傳統(tǒng)的垂直座椅和中置控制桿。原因如下，傾斜座椅抬高了飛行員的膝蓋，雙桿操縱有三個(gè)缺點(diǎn)：、大大占用了右舷的空間，使控制面板布置困難，、在教學(xué)中教師無(wú)法知道學(xué)員的握桿位置，、如果飛行員右手受輕傷,他就不能駕駛Lavi返回基地。而采用中置操縱桿，飛行員可以不太困難的用左手控制飛行。 2）考慮機(jī)器的因素。機(jī)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該符合人的要求，即應(yīng)選擇最優(yōu)的機(jī)器動(dòng)力學(xué)，改變機(jī)器的可操作性，使操作者易于操作。 3）考慮環(huán)境