1、第五章 人的系统功能特征 Human Factors Engineering 主要学习内容 n 人的信息传递理论 n 人的信息接受系统 n 人的信息处理系统 n 人的信息输出系统 第一节 人的信息传递理论 外界 刺激 感觉器官 视觉 听觉 嗅觉 味觉 触觉 其它 知觉中枢 运动中枢 思考 判断 创造 记忆 运动器官 行动 发声 对 外 界 的 反 应 中枢神经系统 人与外界的协调模式 人的信息 接受系统 人的信息 处理系统 人的信息 输出系统 一 .人与外界的统一协调 第一节 人的信息传递理论 n 二 .人的神经系统机能特征 n 反射弧 感受器 传入神经元 中间神经元 传出神经元 效应器 第一
2、节 人的信息传递理论 n 三 .人的信息流模型 n 视网膜上 的投影 （刺激） 短 暂 视 觉 存 储 视觉 形象 响应 器官 长 期 存 储 短期 存储 输出响应 信息流模型 第一节 人的信息传递理论 n 信息流或信息处理过程的一些规律： 人的行为或动作都是信息处理的结果 人的信息处理能力是有限的 信息处理往往包含很多阶段 同时或快速交替处理 2个以上的信息，可能会降低信息接受和 处理的速度 人的信息处理能力可以加强或者扩展 大脑皮层处理的信息只是感觉器官接受到信息的很小一部分 信息处理的终结是人体响应 第二节 人的信息接受系统 n 一 .人的视觉信息接受系统 n （一）视觉刺激 信息大约
3、85%是通过视觉系统获得的 可见光波 波长 380nm 780nm 。紫外线 红外线。 人类能接受的光波只占整个电磁光谱的人类能接受的光波只占整个电磁光谱的 1/70 第二节 人的信息接受系统 n （二）视觉系统 视觉是由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成 的。视觉系统主要是一对眼睛它们各由一支视神经 与大脑视神经表层相连。 角膜 虹膜 巩膜 脉络膜 视网膜 水晶体 玻璃液 视锥细胞：中央 ，明视觉细胞， 产生色觉，辨别细节， 500万 -700万（红绿蓝） 视杆细胞：周围， 对弱光反应敏感， 不能感受颜色，对 精细辨别贡献不大， 1.2亿 第二节 人的信息接受系统 文字分析 数字辨析 大脑
4、底部 视觉交叉处 大脑左半球，分析文字功能强； 大脑右半球，分辨数字能力强 第二节 人的信息接受系统 n （三）视觉机能 1.视角与视力 2.视野与视距 3.中央视觉和周围视觉 4.双眼视觉和立体视觉 5.色觉与色视野 6.视觉的适应 第二节 人的信息接受系统 n 1.视角与视力 n 视角： 被看目标物的两点光线投入眼球的交角。 L D 眼睛能分辨被看 目标物最近两点光 线投入眼球时的交 角，称为临界视角。 视角 第二节 人的信息接受系统 n 视力 ： 又叫视敏度，指眼睛分辨物体细节能力的一 个生理尺度，用临界视角的倒数来表示，即： 视力 =1/临界视角 ：在标准距离（ 5m）下，能分辨 出
5、1 视角细节时，视力为 1.0。 5m a 第二节 人的信息接受系统 n 例：试确定标准视力检查表中表示视力为 0.5的 E字 大小？（ tan1 2.9110-4 ） n 当视力水平为 0.5的时候， 1/0.5 2 通过参考三角函数 值可知： n tan1 2.9110-4 n h 50002.9110-42 2.91mm a 5m h h 第二节 人的信息接受系统 n 影响视力（视敏度）的因素 照明强度： 照明水平对视敏度有明显的影响。 亮度比： 亮度比是指观察目标与背景之间的亮度差别 。 暴光时间： 在一定的时间范围内， 人眼感受性随光刺 激时间的增长而提高。 运动： 观察目标运动，
6、或两者同时运动都会引起视敏 度一下降。 主体因素： 如视网膜的位置，瞳孔的直径，年龄等等 。 小资料： 驾驶员的视敏度随着车速的 升高而逐渐下降。当车速为 0时（静止），视力为 1.2； 当车速为每小时 30千米，视力为 0.9；当车速为每小时 40千米 ，视力为 0.8;当车速为每小时 70千米时 ,视力为 0.5。由此可 看出：当车速达到每小时 72千米时，其视力下降 58%， 第二节 人的信息接受系统 第二节 人的信息接受系统 n .视野与视距 n 视野 是指人的头部和眼球固定不动的情况下 ，眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间 范围，常用角度来表示。 第二节 人的信息接受系统 水 平
7、面 内 的 视 野 图 15。 15。 最佳视野范 围 60。 60。 有效视野范围 90。 90。 4 14。 最大固 定视野 扩大的视 野 第二节 人的信息接受系统 0标准视线 10站立时的自然视线 15 坐着时的自然视线 30 颜色辨别界限 40 颜色辨别界限 25 眼睛最佳转动 30 最佳眼睛转动 50 70 视野界限 视野界限 垂 直 面 内 的 视 野 第二节 人的信息接受系统 n 视距： 视距是人在操作系统中正常的观察距 离。 n 视距的确定 工作的精确度 观察目标的大小 合适的视距 380mm 760mm 560mm 第二节 人的信息接受系统 n 3.中央视觉和周围视觉 n 工
8、业盲指对视野各方面都要缩小到 10 以内的人。 视锥细胞： 感色力强， 分辨物体能力强 视杆细胞： 观察空间 范围和 运动物体 中央视觉 周围视觉 第二节 人的信息接受系统 n 4.双眼视觉和立体视觉 n 单眼视物只能能看到物体的平面。 n 双眼视物时具有分辨物体深浅、远近等相对 位置的功能，形成立体视觉。 n 立体效果不完全靠双眼，如物体表面的反光 和阴影等都会加强立体效果。 三维立体图 第二节 人的信息接受系统 n 5.色觉和色视野 视网膜除了能辨别光的明暗外，还有很强的辨色能 力可以分辨处 180多种颜色。 色觉： 指人的辨色能力 色盲： 缺乏辨别某种颜色的能力 色弱： 辨别某种颜色的能
9、力较弱 由于各种颜色对人眼的刺激不同，人眼的色视野也 不同。 第二节 人的信息接受系统 180 白。 120 黄。 100 蓝。 60 绿红。 130。 白 95 。 黄 80。 蓝 45。 红 40。 绿 第二节 人的信息接受系统 n 6.视觉适应 n 视觉的适应：视觉适应是人眼随视觉环境中光量变 化而感受性发生相顺应性变化的过程。 n 暗适应： 人由明亮的环境转入暗环境，在暗环境中 视网膜上的视杆细胞感受光的刺激，使视觉感受性 逐步提高的过程称为暗适应。 暗适应过程中， 1.2亿视 杆细胞工作 第二节 人的信息接受系统 n 明适应： 人由暗环境转入明亮的环境，视杆细胞失去 感光作用，视网膜
10、上的视锥细胞感受强光的刺激，是 视觉阈限由很低提高到正常水平，这一过程称为明适 应。 明适应过程中， 500-700万个 视锥 细胞工作 第二节 人的信息接受系统 n （四）视觉特征 1.眼睛沿水平方向运动比垂直方向快而且不易疲劳。 n 2.视线的变化习惯于从左到右、从上到下和顺时钟方 向。 床前明月光， 疑是地上霜。 床前明月光，疑是地上霜。 书本、钟表、仪表的设计都是这样的！ 第二节 人的信息接受系统 n 3.人眼对水平尺寸的估计比垂直尺寸要准确。 n 4.在同等情况下，人眼观察力的顺序从好到坏为： 左上、右上、左下、右下。 n 5.双眼的运动和视物总是协调的、同步的。 n 6.直线轮廓的
11、物体相对于曲线轮廓的物体更容易被 人眼接受。 n 7.颜色对比与人眼辨色能力有一定的关系。 危险！从远方辨认颜色顺序：红、绿、黄、白 危险！ 第二节 人的信息接受系统 n 二 .听觉信息接受系统 n （一）听觉刺激 听觉是仅次于视觉的第二大信息接受系统 适宜的刺激是一定频率和一定强度的声波 正常人的最佳听闻频率范围在 2020000赫兹之间 次声波 超声波人的听闻频率区域 20hz 20000hz 音频测试 第二节 人的信息接受系统 声音强度（分贝 ） 大气静压强 1.01105Pa 声波作用使大气压强变化 二者之差为 声压 表示声音强弱 的物理量 210-5pa 说什 么？ 20pa 受不了
12、 ！ 第二节 人的信息接受系统 n 声压级是指声压与基准声压之比的以 10为底的对数 乘以 20，用符号 Lp表尔，单位是分贝 Decibel (DB)。 其表达式为 ： n P声压， Pa； n P0基准声压， P0 2*10-5Pa， 210-5pa ： 0db， 20pa： 120db 第二节 人的信息接受系统 n （二） .听觉系统 1 耳廓 2 外耳道 3 鼓膜 4 听小骨 5 锤骨 6 砧骨 7 镫骨 8耳咽管 9耳蜗 外耳 内耳中耳 1 2 3 4（ 5、 6、 7） 8 9 第二节 人的信息接受系统 n （三）听觉的物理特性 n 1.听觉区域与频率的关系 n 听阈： 在最佳听闻
13、频率范围，一个正常人刚刚听到正 弦式纯音的最低声强，称为相应频率下的听阈值，也 叫听觉阈下限。 n 痛阈： 在一定频率范围，一个正常人能 正常 听到正弦 式纯音的最强声强，称为相应频率下的痛阈值，也叫 听觉阈上限。 n 听觉区域： 某一频率声音的听阈值与痛阈值之间的声 强区域。 n 不同频率下的声音，其听阈值和痛阈值不一样，听觉 区域也不一样 第二节 人的信息接受系统 0 20 40 100 80 60 120 50 100 500 1k 5k 10k 20k 140 声强 db 声频 hz 听阈痛与和听觉区域图 第二节 人的信息接受系统 n （三）听觉的物理特性 n 2.频率响应 n 最大频
14、率响应范围为 1620000hz，最佳响应范围 2020000hz n 随着年龄的增长，人对 不同频率的声音，听觉阈值的 大小值是会有很大变化的 n 为不同年龄阶段人群设置声音信息传递装置时，应该 考虑到声音频率的合适性。 第二节 人的信息接受系统 0 20 30 40 50 60 70 10 听力损失（ db ） 7020 30 40 50 60 年龄（岁） 12000hz 8000hz 4000hz 1000hz 500hz 听力损失曲线 第二节 人的信息接受系统 n 3.方向敏感度 n 对声音方位的判断 t1 t2 a 哎，尽最大努力 终于判定声音来 自左侧！ 3 t=30微秒 第二节
15、人的信息接受系统 n 方向敏感度 n 人耳对不同频率的来自不同方位的声音的感受能力是 不一样的 5000hz 2500hz 500hz 200hz 方位指示 右 前在比较适中的声频范围内，一般： 频率越高，方向 敏感度越差； 频率越低，方向 敏感度越好。 右耳方向敏感度 第二节 人的信息接受系统 n 掩蔽效应 掩蔽： 一个声音被另外一个声音所掩盖的现象 掩蔽效应： 一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用 而提高的效应 残留掩蔽： 掩蔽声撤掉后，掩蔽效应并不马上消失 一般低频的音容易掩蔽高频的声音 掩蔽效应有利有害，可加以应用： 用音乐声掩蔽噪音 听力考试时，要尽量避免被别的声音掩蔽 第二节 人的
16、信息接受系统 特征 视觉信息 听觉信息 信息接受条件 需注意信息源，在视野之内 不必注意信息源 信息的性质 由空间位置决定 由时间变化决定 接受的信息量 同时大量接受 不能同时接受 信息接受方法 多样 单一 单位时间的信息量 相对较大 相对较小 视觉信息和听觉信息的比较 第三节 人的信息处理系统 第三节 人的信息处理系统 人的信息处理系统基本结构图 物 理 环 境 耳 眼 其它器官 时间分配 适应过程 决策 短时记忆长时记忆 语言 姿势识别 手脚 语言 和 运 动 反 应 反馈 储存子系统 感觉子系统 信息处理子系统 反应子系统 n 一 .人的信息处理系统模型 第三节 人的信息处理系统 n （
17、一）唐德斯的减法模型 建立在一种最古老的心理学的假定之上的：人的信息 处理系统包括几个连续的，具有相对独立功能的阶段 。唐德斯的模型很简明、直观，但是除了对简单反应 到选择反应这一情形外，把这个模型用到更复杂的信 息处理过程很少能获得成功。 感觉 感觉 反应选择 反应 简单反应时间 选择反应时间 唐德斯的减法模型唐德斯的减法模型 第三节 人的信息处理系统 n （二）威尔福德的单通道模型 n 单通道模型假定人在某一时刻只能做一件事。严格的单通道模 型是由威尔福德根据心理不应期试验的结果提出的。 n 威尔福特认为被试者对第二个信号的反应时间可以用下面的公 式来预测： RT2=RT1+DT2-ISI
18、 n 式中 ISI是两个刺激信号之间的时间间隔， DT2是处理第二个刺 激需要的时间， RT1和 RT2是分别是被试者对第一个和第二个 刺激信号的实际反应时间。 n 威尔福特单通道模型的核心内容是当人的信息处理系统已经开 始处理某一信号之后，后来的信息就不能够进入这个系统直到 前一个信号被处理完了以后。 第三节 人的信息处理系统 n （三）布若苯特的过滤模型 n 布若苯特认为在人的信息处理系统中，在信息到达人的工作记忆之前， 它 们是被平行处理的。但是在通过了工作记忆之后，人在某一时刻就只能处 理一个信息。 n 布若苯特的过滤模型对研究人的信息处理系统起过很大的推动作用。 n 布若苯特的过滤模
19、型比威尔福德的模型适应性要广泛的多，实际上可以认 为威尔福德的模型是布若苯特模型的一个特例。 感 觉 过 滤 器 信息 中心 第三节 人的信息处理系统 n （四）克尼曼的单资源模型 n 克尼曼提出了一个单资源模型作为过滤模型的一个补 充。 n 单资源模型假定人的信息处理系统的能力是一种资源 ，有一定的限度的。在这个限度之内，人可以相当自 由地分配自己的注意力，也可以同时干一件以上的事 情。 n 克尼曼的单资源模型对于解释在信息处理过程中由于 瓶颈位置没有确定而造成的矛盾有一定的帮助。 第三节 人的信息处理系统 n （五）维肯斯的多资源模型 n 维肯斯认为人的信息处理系统是一个多资源的系统 .
20、这些资源 可以按两两对应的关系分为三组。 n 第一组是阶段资源。对应于早期阶段 (如感觉 )和晚期阶段 (如反 应 )； n 第二组为两个通道资源，对应于视觉和听觉资源； n 第三组是过程编译资源，对应于图象和文字资源。 n 多资源理论认为，人有多个不同的资源，而不是一个中心的资 源，每一种资源有它自己的一些特性。当不同的工作用到不同 的资源时，它们之间的干扰就小些，如果它们所需要的资源相 同或相近，它们之间的干扰就大些。 第三节 人的信息处理系统 n 二 .影响信息处理系统处理能力的因素 n （一）唤醒水平 n 唤醒（警觉）水平是指人体总的 生理性激活程度。 第三节 人的信息处理系统 n （
21、二）动机因素 n 人在进行信息处理时，如果没有接受和处理信息的积 极意识和精神准备，信息处理的效率会比较低。 n （三）练习状况 n 练习能够提高信息处理能力 第三节 人的信息处理系统 n （四）疲劳程度 疲劳导致信息处理能力下降。 疲劳造成作业数量和质量的降低，处理时间增加，完 成单位动作需要付出更多的劳动 处理的信息量愈大疲劳愈严重，处理速度下降愈快 。 随着监视作业时间的延长，由于疲劳导致处理信息 能力下降。一般在监视作业 30分钟以后，随着时间 的延长，作业者对信号漏报会增加。 第三节 人的信息处理系统 n （五）待处理事物的编码方式 编码 方式 工作性 质 及条件 较 好的 编码 方
22、式 颜 色、形状、 图 案、字 母、数 码 辨 识 数 码 、字母、形状 颜 色、形状、 图 案、字 母、数 码 搜索定位 颜 色、数 码 颜 色、形状、 图 案、字 母、数 码 比 较 、 验证 差 别 不大 颜 色、形状、 图 案、字 母、数 码 计 数 颜 色、数 码 、形状 编码方式的优劣 第三节 人的信息处理系统 n 三 .信息处理过程的一些规律 n 人的行为或动作都是信息处理的结果 n 人的信息处理能力是有限的 n 信息处理往往包含很多阶段 n 同时或快速交替处理 2个以上的信息，可能会降低信 息接受和处理的速度 n 人的信息处理能力可以加强或者扩展 n 大脑皮层处理的信息只是感觉
23、器官接受到信息的很 小一部分 n 信息处理的终结是人体响应 第四节 人的信息输出系统 n 人机系统中，操作者接受系统的信息并经中枢加工后 ，依据加工的结果对系统作出反应，这一环节称为操 作者的 信息输出 。 n 信息输出是人对系统进行有效控制并使系统正常运行 的必要环节。 n 人的信息输出有动作输出、语言输出等多种形式。 n 人的主要的信息执行器官有手、 脚、 口等。 n 运动输出质量的主要指标： l 1.反应时间 l 2.运动速度 l 3.运动准确性 第四节 人的信息输出系统 n 一 .反应时间 n （一）概念 n 反应时 (RT)： 指外界刺激出现到操作者根据刺激信息 作出反应完成之间的时
24、间间隔。又称 反应潜伏期 。 n 反应过程： 包括刺激使感觉器官产生感觉，经由神经 传递至大脑，经过加工处理，再从大脑传给肌肉，肌 肉收缩作用于外界的各种客体。 第四节 人的信息输出系统 n 反应时的构成： n 神经冲动传导至神经中枢的传入时间 T1 n 神经中枢进行信息加工处理的时间 T2 n 传出神经将冲动传导至肌肉引发肌肉收缩的时间 T3 T1 T3 T2 第四节 人的信息输出系统 n （二）简单反应时和选择反应时 n 1.简单反应时 n 简单反应时： 如果呈现的刺激只有一个，只在刺激出 现时作出特定的反应，这时获得的反应时称为简单反 应时。 n 简单反应时的特点： 刺激与反应都只有一个
25、，不必费 时间去识别、判断。反应容易，反应时最短。 n 可以用 简单反应时测定仪 进行测量 手遇到烫的东西马上收手；听到起跑枪响马上起跑 第四节 人的信息输出系统 n 2.选择反应时 n 选择反应时： 有多种不同的刺激信号，刺激与反应之间表现为 一一对应的前提下，要求作出不同的反应，这时获得的反应时 称为选择反应时。 n 选择反应时的特点： 刺激信号多而复杂； 需要分析、思考和选择； 容易出现错误； 其反应时比简单反应时长 刺激与反应的内容的复杂化，选择反应时可能迟延。 n 可以用 选择反应时测定仪 测定选择反应时 第四节 人的信息输出系统 （三）简单反应时的影响因素 n 反应时间的长短不仅与
26、反应类型有关，还受到其它许 多因素的影响： 不同的感觉器官 刺激信号性质 人的主体因素 第四节 人的信息输出系统 感 觉 器官 反 应时间 感 觉 器官 反 应时间 触 觉 110 160 湿 觉 180 240 听 觉 120 160 嗅 觉 210 390 视觉 150 200 痛 觉 400 1000 冷 觉 150 230 味 觉 330 1100 ms 1.不同感觉器官的影响不同感觉器官的影响 各种感觉器官的反应时间各种感觉器官的反应时间 第四节 人的信息输出系统 n 2.刺激信号性质的影响 n a.刺激的强度 第四节 人的信息输出系统 n b.刺激的空间特性 n 刺激强度也应包括空
27、间累积，如面积与强度是可 以相互替代的。 n c.刺激的清晰度 n 信号本身越清晰，其刺激反应时越短 n 此外信号的清晰度还与背景环境有关 方 块边长 /mm 3 6 12 24 48 反 应时 /ms 195 188 184 182 179 刺激面积与反应时 第四节 人的信息输出系统 n d.刺激的持续时间 刺激强度也应包括刺激时间的累积。在一定范围内， 反应时随刺激时间的增加而缩短。 随着光刺激时间越长，反应时越短。但是再进一步增 加刺激时间，反应时却不再缩短。 光刺激 时间 /ms 3 6 12 24 48 反 应时 /ms 191 189 187 184 174 光刺 激时间与反应时
28、第四节 人的信息输出系统 n 3.人的主体因素 影响反应时的主体因素有很多：机体对环境的适应、 精神准备程度、个体差异、唤醒水平、动机、练习和 疲劳因素等等。 n a.机体对环境条件的适应状态 人的机体越适应环境条件的状态，刺激反应时短。 对新的环境、不熟悉的环境，或不断变化的环境，机 体没有适应时反应时就长。 在视、听信号刺激反应中，为了缩短反应时，必须考 虑机体对环境的适应问题。 第四节 人的信息输出系统 n b.精神准备程度 n 人对将要出现的刺激在精神上有准备或准备充 分，反应时就短无准备或准备不充分则反应 时长。准备程度可以用预备时间长短来说明。 第四节 人的信息输出系统 n c.年
29、龄因素 20岁以前，随着年龄的增长，反应时缩短； 20岁以后 ，随着年龄增长，反应时逐渐变长。 第四节 人的信息输出系统 n （四）选择反应时的影响因素 n 影响选择反应时的因素，除了影响简单反应时 的各种因素外下列一些因素具有特别重要意 义： n 1.刺激物数量的影响 n 2.刺激物间差别的影响 n 3.作业时间长短的影响 n 4.信号间隔与发生频度的影响 第四节 人的信息输出系统 第四节 人的信息输出系统 信号间隔小于 0 5s，连续发出的信号往往检查不出 来。信号有规则地呈现时，识别速度快 对不限定间隔时间的信号，作业人员能预期发生时 ，识别时间较短；非预期发生时则识别时间长。 对发生频
30、度高的监视作业，识别时间较短，信号检 出率高；相反则识别时间长，检出率低。 信号刺激频率稳定、频率较高（但是间隔在 0.5s以上 范围）的时候，反应时间较短。 第四节 人的信息输出系统 n 二 .运动速度 n 运动速度可以完成运动的时间表示，影响运动 时间的因素： n 1.运动执行器官 n 2.运动方向 n 3.运动轨迹特征 第四节 人的信息输出系统 动 作部位 动 作特点 最少平均 时间 手 抓取 直 线 曲 线 0.07 0.22 旋 转 克服阻力 不克服阻力 0.72 0.22 脚 直 线 的 克服阻力的 0.36 0.72 直 线 的 脚向 侧 面 0.36 0.72 1.46 躯干
31、弯曲 倾 斜 0.72 1.62 1.26 s人体各部位动作一次的最少平均时间人体各部位动作一次的最少平均时间 对于相同的动作，其不同器官的运动速度按照： （指 -手腕 -手臂 -脚 -腿 -躯干）的顺序变缓 第四节 人的信息输出系统 100 102 123 128 129 第四节 人的信息输出系统 n 动作轨迹特征对运动速度的影响： 1.直线运动比曲线运动快 2.圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活 3.光滑的曲线运动比折线式曲线运动速度快 4.水平动作比垂直动作快 5.顺时针动作比逆时针动作灵活。 6.手向着身体的动作比离开身体的动作灵活。 7.前后往复动作比左右往复动作速度快。 第四节 人的信息输出系统 n 三 .运动准确性 n 影响运动准确性的因素有： 1.运动速度 2.运动结束点与人体的相对位置 3.运动方向 4.操作方式 第四节 人的信息输出系统 n 运动速度对运动准确性的影响 最佳点 准确性 高 低 快 慢 速度 运动速度与准确性两者之间存在着互相补偿的关 系，速度越慢，准确性越高，但速度降到一定程 度后，曲线渐趋平坦。 第四节 人的信息输出系统 n 四 .肢体的出力范围 立姿时手的操纵力
