人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究(飛行扁)課件

第9章人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究

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)計師哈利?希拉克YF-16中的兩個“第一人”試飛員菲爾?奧斯特利希總設(shè)計師哈利?希拉克YF-16中的兩YF-16的力感應(yīng)操縱桿是固定不動的，這讓菲爾?奧斯特利希犯了經(jīng)驗主義錯誤YF-16的力感應(yīng)操縱桿是固定不動的，這讓菲爾?奧斯特利希YF-16的意外首飛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中，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到抬前輪速度時（約222千米/時）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)，菲爾在高速滑跑實驗前并沒有機(jī)會體驗這種操縱桿。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。YF-16的結(jié)構(gòu)試飛工程師約翰?G?威廉姆斯回憶道：“在首此時飛機(jī)已經(jīng)向跑道左側(cè)偏離，菲爾要么犁過跑道邊的沙漠，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項目。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狀態(tài)的靈敏度被調(diào)低了50%。但因為被抱怨反應(yīng)遲鈍，又恢復(fù)了當(dāng)初的設(shè)置?！贝藭r飛機(jī)已經(jīng)向跑道左側(cè)偏離，菲爾要么犁過跑道邊的沙漠，要么就

總體性能研究：就是在明確系統(tǒng)總體要求的前提下，通過確立若干替代方案，并相應(yīng)建立有關(guān)模型和進(jìn)行模擬實驗，著重分析和研究人、機(jī)、環(huán)境三要素對系統(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)組合方案的實現(xiàn)。

總體性能研究：就是在明確系統(tǒng)總體要求的前提下，通過確9.1總體性能的三個指標(biāo)“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”是任何一個人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)都必須滿足的綜合效能準(zhǔn)則。安全：指在系統(tǒng)中不出現(xiàn)人體的生理危害或傷害高效：使系統(tǒng)的工作效率最高，使用價值最大。經(jīng)濟(jì)：在滿足系統(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。9.1總體性能的三個指標(biāo)“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”是任何一9.2總體性能研究的基本任務(wù)為了滿足人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能，就要對人-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)對系統(tǒng)總體性能的影響示意圖9.2總體性能研究的基本任務(wù)為了滿足人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體

綜合評價值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)國家的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實力2)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的種類3)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工作狀態(tài)綜合評價值Q：取得Q值后，可將圖9-1曲線轉(zhuǎn)換成圖9-2，根據(jù)圖9-2能預(yù)測人、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)對綜合評定值Q的影響示意圖取得Q值后，可將圖9-1曲線轉(zhuǎn)換成圖9-2，根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)計提供科學(xué)依據(jù)。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

本例以飛機(jī)格斗時的追蹤瞄準(zhǔn)為例，通過24名被試者的2240人次的人體實驗，獲得了人、機(jī)、環(huán)境三大因素對系統(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)實驗框圖顯示器人（飛行員）飛機(jī)操縱桿機(jī)（飛機(jī)動力學(xué)）環(huán)境（噪聲）本例以飛機(jī)格斗時的追蹤瞄準(zhǔn)為例，通過24名被試者的224

實驗中，飛機(jī)靶目標(biāo)從四個方位（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)運動示意圖

飛行員通過顯示器觀察靶目標(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)動作。++靶目標(biāo)

瞄準(zhǔn)標(biāo)記

++實驗中，飛機(jī)靶目標(biāo)從四個方位（左上、右上、左下、

實驗中，飛機(jī)的簡化動力學(xué)特性采用四種操作難度：0.5/s、0.5/[s(0.25s+1)]、0.5/[s(0.9s+1)]和0.5/s2

，并分別用動力學(xué)1，2，3，4代表；實驗中采用的環(huán)境噪聲分為5個等級：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)時間(T)---從靶目標(biāo)出現(xiàn)到炮彈擊發(fā)的時間。2）瞄準(zhǔn)精度(P)---瞄準(zhǔn)標(biāo)記偏離靶目標(biāo)中心的程度。實驗中，飛機(jī)的簡化動力學(xué)特性采用四種操作難度：0.

P和T分別定義：P(相對值)=P(實驗值)/P0(參照值)T(相對值)=T(實驗值)/T0(參照值)將P和T綜合為一個性能指標(biāo)SPSP=[0.5P2+0.5T2]1/2SP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，都將對系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生重大影響，概括如下：P和T分別定義：

1）飛機(jī)動力學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響SP1.51.00.50.5/s0.5/[s(0.25s+1)]0.5/[s(0.9s+1)]0.5/s2

圖9-5飛機(jī)動力學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響

在四種動力學(xué)中0.5/s是最好的機(jī)器參數(shù)，所以在設(shè)計任何一個人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)時，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，以提高整個系統(tǒng)的工作效率。1）飛機(jī)動力學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響

2）環(huán)境噪聲水平對系統(tǒng)性能的影響SP1.51.00.557809095100dB(A)圖9-6環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響

由圖看出，在90dB(A)噪聲下，操作者的跟蹤效率最差，三種作業(yè)難度在這一點趨勢一致，因此在設(shè)計人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)時，從“環(huán)境因素”來考慮，高噪聲固然有不良的反應(yīng)，但絕對的安靜對系統(tǒng)工作效率的提高也不一定完全有利2）環(huán)境噪聲水平對系統(tǒng)性能的影響

3）操作者技能對系統(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)該對系統(tǒng)中的三個基本要素（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)對系統(tǒng)中的操作者進(jìn)行選拔和訓(xùn)練。3）操作者技能對系統(tǒng)性能的影響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。但是它可能沒有采用類似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，雙桿操縱有三個缺點：１、大大占用了右舷的空間，使控制面板布置困難，２、在教學(xué)中教師無法知道學(xué)員的握桿位置，３、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。Lavi式駕駛員座艙人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的研究(飛行扁)課件

2）考慮機(jī)器的因素。機(jī)器的設(shè)計應(yīng)該符合人的要求，即應(yīng)選擇最優(yōu)的機(jī)器動力學(xué)，改變機(jī)器的可操作性，使操作者易于操作。

3）考慮環(huán)境的因素。人和機(jī)器應(yīng)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中工作，即應(yīng)選擇最優(yōu)的工作環(huán)境。需強(qiáng)調(diào)指出的是，在設(shè)計任何一個人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)時，不要單純追求人、機(jī)、環(huán)境單個性能的最優(yōu)值，應(yīng)根據(jù)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體指標(biāo)（安全、高效、經(jīng)濟(jì)），對它們進(jìn)行全面衡量，并分清主要因素和次要因素。2）考慮機(jī)器的因素。機(jī)器的設(shè)計應(yīng)該符合人的要求，即

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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)計師哈利?希拉克YF-16中的兩個“第一人”試飛員菲爾?奧斯特利?？傇O(shè)計師哈利?希拉克YF-16中的兩YF-16的力感應(yīng)操縱桿是固定不動的，這讓菲爾?奧斯特利希犯了經(jīng)驗主義錯誤YF-16的力感應(yīng)操縱桿是固定不動的，這讓菲爾?奧斯特利希YF-16的意外首飛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中，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到抬前輪速度時（約222千米/時）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)，菲爾在高速滑跑實驗前并沒有機(jī)會體驗這種操縱桿。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。YF-16的結(jié)構(gòu)試飛工程師約翰?G?威廉姆斯回憶道：“在首此時飛機(jī)已經(jīng)向跑道左側(cè)偏離，菲爾要么犁過跑道邊的沙漠，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項目。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狀態(tài)的靈敏度被調(diào)低了50%。但因為被抱怨反應(yīng)遲鈍，又恢復(fù)了當(dāng)初的設(shè)置?！贝藭r飛機(jī)已經(jīng)向跑道左側(cè)偏離，菲爾要么犁過跑道邊的沙漠，要么就

總體性能研究：就是在明確系統(tǒng)總體要求的前提下，通過確立若干替代方案，并相應(yīng)建立有關(guān)模型和進(jìn)行模擬實驗，著重分析和研究人、機(jī)、環(huán)境三要素對系統(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)組合方案的實現(xiàn)。

總體性能研究：就是在明確系統(tǒng)總體要求的前提下，通過確9.1總體性能的三個指標(biāo)“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”是任何一個人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)都必須滿足的綜合效能準(zhǔn)則。安全：指在系統(tǒng)中不出現(xiàn)人體的生理危害或傷害高效：使系統(tǒng)的工作效率最高，使用價值最大。經(jīng)濟(jì)：在滿足系統(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。9.1總體性能的三個指標(biāo)“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”是任何一9.2總體性能研究的基本任務(wù)為了滿足人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體性能，就要對人-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)對系統(tǒng)總體性能的影響示意圖9.2總體性能研究的基本任務(wù)為了滿足人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的總體

綜合評價值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)國家的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實力2)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的種類3)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工作狀態(tài)綜合評價值Q：取得Q值后，可將圖9-1曲線轉(zhuǎn)換成圖9-2，根據(jù)圖9-2能預(yù)測人、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)對綜合評定值Q的影響示意圖取得Q值后，可將圖9-1曲線轉(zhuǎn)換成圖9-2，根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)計提供科學(xué)依據(jù)。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

本例以飛機(jī)格斗時的追蹤瞄準(zhǔn)為例，通過24名被試者的2240人次的人體實驗，獲得了人、機(jī)、環(huán)境三大因素對系統(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)實驗框圖顯示器人（飛行員）飛機(jī)操縱桿機(jī)（飛機(jī)動力學(xué)）環(huán)境（噪聲）本例以飛機(jī)格斗時的追蹤瞄準(zhǔn)為例，通過24名被試者的224

實驗中，飛機(jī)靶目標(biāo)從四個方位（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)運動示意圖

飛行員通過顯示器觀察靶目標(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)動作。++靶目標(biāo)

瞄準(zhǔn)標(biāo)記

++實驗中，飛機(jī)靶目標(biāo)從四個方位（左上、右上、左下、

實驗中，飛機(jī)的簡化動力學(xué)特性采用四種操作難度：0.5/s、0.5/[s(0.25s+1)]、0.5/[s(0.9s+1)]和0.5/s2

，并分別用動力學(xué)1，2，3，4代表；實驗中采用的環(huán)境噪聲分為5個等級：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)時間(T)---從靶目標(biāo)出現(xiàn)到炮彈擊發(fā)的時間。2）瞄準(zhǔn)精度(P)---瞄準(zhǔn)標(biāo)記偏離靶目標(biāo)中心的程度。實驗中，飛機(jī)的簡化動力學(xué)特性采用四種操作難度：0.

P和T分別定義：P(相對值)=P(實驗值)/P0(參照值)T(相對值)=T(實驗值)/T0(參照值)將P和T綜合為一個性能指標(biāo)SPSP=[0.5P2+0.5T2]1/2SP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，都將對系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生重大影響，概括如下：P和T分別定義：

1）飛機(jī)動力學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響SP1.51.00.50.5/s0.5/[s(0.25s+1)]0.5/[s(0.9s+1)]0.5/s2

圖9-5飛機(jī)動力學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響

在四種動力學(xué)中0.5/s是最好的機(jī)器參數(shù)，所以在設(shè)計任何一個人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)時，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，以提高整個系統(tǒng)的工作效率。1）飛機(jī)動力學(xué)特性對系統(tǒng)性能的影響

2）環(huán)境噪聲水平對系統(tǒng)性能的影響SP1.5