航空人機工程計算機仿真

前言

　　人機工程是一門運用系統(tǒng)科學(xué)理論和系統(tǒng)科學(xué)方法，正確處理人、機、環(huán)境三大要素間的關(guān)系，研究人-機-環(huán)境最優(yōu)組合的工程技術(shù)科學(xué)。人機工程既是一種設(shè)計思想和理論，同時也是一種有效的系統(tǒng)綜合設(shè)計和評價技術(shù)，其面向工程應(yīng)用的研究已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界普遍關(guān)注的問題?！　≡诘诙问澜绱髴?zhàn)期間，人機工程的專家和學(xué)者為了提高飛機性能、減少飛行員操作失誤等，開展了大量的人素學(xué)研究。這一里程碑式的研究方法和成果奠定了航空人機工程的研究基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代，隨著計算機和電子技術(shù)在航空、航天和大型及復(fù)雜人機系統(tǒng)中的普及應(yīng)用，對人的認(rèn)知特性的研究再次引起國內(nèi)外高度重視，而研究結(jié)果極大地提高了飛機等大型重要人機系統(tǒng)界面設(shè)計的科學(xué)性?！　娜藱C工程研究方法和歷史來看，都是從人的因素出發(fā)，強調(diào)以人為本，進行人-機-環(huán)境最優(yōu)組合。為此，人機工程有關(guān)課題必須有心理學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)工程和工程技術(shù)等多學(xué)科的專家協(xié)同研究?？紤]到直接設(shè)計工作往往是由工程技術(shù)人員完成的，因此，發(fā)展具有一定通用性的計算機仿真技術(shù)是使該學(xué)科的研究發(fā)展走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵。航空人機工程計算機仿真試圖將人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程的思想、理論以及工程應(yīng)用的研究成果，用現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)綜合集成起來，使其成為一種可用于工程問題定量分析、設(shè)計及評價的現(xiàn)代技術(shù)。　　本書的結(jié)構(gòu)及主要章節(jié)內(nèi)容如下：　　第1章是航空人機工程概述。論述了人機工程學(xué)科的形成和發(fā)展、航空人機工程研究的內(nèi)容和方法等?！　〉?章是人體特性與分析。其內(nèi)容主要包括人的物理特性、人的生理和心理特性、生理與負(fù)荷、反應(yīng)時間及人體生理和心理測量等。　　第3章是認(rèn)知特性與分析。其內(nèi)容主要包括理解和認(rèn)識、人的知覺、學(xué)習(xí)和習(xí)慣、文字和標(biāo)識符號的判別和認(rèn)知、音聲的知覺和傳遞、注意和注意力分配、決策、空間認(rèn)知等。　　第4章是大氣環(huán)境與座艙環(huán)境。其內(nèi)容主要包括大氣環(huán)境，如大氣層結(jié)構(gòu)、大氣成分和大氣層壓力分布；座艙環(huán)境主要介紹了座艙壓力要求、艙內(nèi)溫?zé)岘h(huán)境及要求、艙內(nèi)通風(fēng)換氣條件及要求等；座艙照明與顏色；噪聲；艙內(nèi)舒適度評價等?！　〉?章是人機功能分配。其內(nèi)容主要包括人機功能分配概述、人機特性分析、人機特性比較、人機功能分配的原則與方法、人機功能分配的發(fā)展趨勢等?！　〉?章是戰(zhàn)斗機座艙布局與評價。其內(nèi)容主要包括座艙儀表/顯示器布局的發(fā)展、操縱裝置布局的發(fā)展、彈射座椅、座艙布局原則和評價方法、基于人體模型的座艙布局與評價、飛機座艙布局工效綜合評價與評價方法。在該章中詳細推導(dǎo)了人體建模的理論和方法。　　第7章是座艙人機顯示界面的設(shè)計與評價。其內(nèi)容主要包括飛行員的信息需求及信息認(rèn)知和處理特點、飛機HUD主要顯示信息的設(shè)計考慮、飛機下顯顯示信息的設(shè)計考慮、影響信息顯示辨識的環(huán)境因素、視覺編碼設(shè)計的工效評價方法、界面設(shè)計顏色匹配性、界面作業(yè)模型與工效評價、平顯界面仿真模型與信息顯示工效評價等?！　〉?章是空間定向與空間定向障礙。其內(nèi)容主要包括飛行中空間定向、空間定向障礙概述、常見的飛行錯覺、顯示裝備帶來的SD問題、空間定向障礙的預(yù)防與克服等。　　第9章是大型客機座艙布局和評價。其內(nèi)容主要包括大型客機座艙布局和工效評價流程、JACK虛擬人體模型的構(gòu)建、可達域和舒適域、視野、基于CATIA的座艙建模和布局、基于JACK的工效評價、工作姿態(tài)受力計算、飛機客艙座椅布局分析等?！　”緯僧吋t哲和莊達民編著。空軍航空醫(yī)學(xué)研究所賈宏博、謝溯江、姚欽博士和北京航空航天大學(xué)的王睿、張磊、完顏笑如和白穆等博士和碩士生參與了編寫和資料收集等工作。本書在編著過程中引用了大量國內(nèi)外專家、學(xué)者的研究成果和出版著作與論文中的學(xué)術(shù)理論和方法，在此一并表示感謝。　　由于作者水平有限，書中難免有遺漏和不當(dāng)之處，懇請各位專家和廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《航空人機工程計算機仿真》介紹和分析了航空入機工程中人、機、環(huán)境三大要素的特性和關(guān)系，介紹了飛機座艙設(shè)計的人機功能分配方法與原則，對飛行員空間定向障礙分析了其產(chǎn)生原因和預(yù)防措施。結(jié)合對航空人機工程的研究，介紹了采用計算機仿真和實驗的方法對座艙布局、座艙人機顯示界面進行綜合設(shè)計和評價的方法。　　《航空人機工程計算機仿真》共9章，即航空人機工稈概述、人體特性與分析、認(rèn)知特性與分析、大氣環(huán)境與座艙環(huán)境、人機功能分配、戰(zhàn)斗機座艙布局與評價、座艙人機顯示界面的設(shè)計與評價、空間定向與空間定向障礙、大型客機座艙布局和評價?！　　逗娇杖藱C工程計算機仿真》對從事航空人機工程的科技人員及高等學(xué)校有關(guān)專業(yè)人員有應(yīng)用或參考價值。

書籍目錄

第1章 航空人機工程概述/11.1 人機工程學(xué)科的形成和發(fā)展/21.2 航空人機工程研究內(nèi)容和方法/41.2.1 人機工程研究內(nèi)容/51.2.2 人機工程的研究方法/61.2.3 航空人機工程的相關(guān)學(xué)科/11參考文獻/13第2章 人體特性與分析/142.1 人的物理特性/152.1.1 人體尺寸/152.1.2 人體尺寸的統(tǒng)計特性/192.1.3 人體各部分尺寸與身高的相關(guān)計算/212.1.4 人體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計/242.2 人的生理和心理特性/262.2.1 人的感覺特性/262.2.2 視覺特性/272.2.3 聽覺特性/342.2.4 嗅覺和味覺/382.2.5 皮膚和身體感覺/402.3 生理與負(fù)荷/422.3.1 身體疲勞與影響因素/422.3.2 生理疲勞和心理疲勞/432.4 反應(yīng)時間/452.5 人體生理和心理測量/47參考文獻/58第3章 認(rèn)知特性與分析/603.1 理解和認(rèn)識/613.1.1 理解/613.1.2 認(rèn)識/623.2 人的知覺/653.2.1 知覺特征/653.2.2 知覺的種類/663.3 學(xué)習(xí)和習(xí)慣/673.4 文字和標(biāo)識符號的判別和認(rèn)知/743.4.1 文字/數(shù)字的判別和認(rèn)知/743.4.2 標(biāo)識符號的認(rèn)知與評價/753.4.3 色彩認(rèn)知/793.5 音聲的知覺和傳遞/823.6 注意和注意力分配/863.7 決策/873.7.1 決策的信息加工模型/873.7.2 人行為三層次控制模型/883.7.3 整合模型/903.8 空間認(rèn)知/913.8.1 空間認(rèn)知的形成機制/923.8.2 空間認(rèn)知能力的影響因素/923.8.3 影響空間認(rèn)知的生理因素/933.8.4 空間認(rèn)知在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用/94參考文獻/95第4章 大氣環(huán)境與座艙環(huán)境/964.1 大氣環(huán)境/974.1.1 大氣層結(jié)構(gòu)/974.1.2 大氣成分/984.1.3 大氣層壓力分布/994.2 座艙環(huán)境/994.2.1 座艙壓力要求/994.2.2 艙內(nèi)溫?zé)岘h(huán)境及要求/1014.2.3 艙內(nèi)通風(fēng)換氣條件及要求/1024.2.4 氣流速度及分布/1054.2.5 供氣潔凈度/1064.2.6 座艙空氣污染物與控制/1064.3 座艙照明與顏色/1084.4 噪聲/1114.5 艙內(nèi)舒適度評價/1124.6 航空心理衛(wèi)生/115參考文獻/115第5章 人機功能分配/1165.1 人機功能分配概述/1175.2 人機特性分析/1205.2.1 人的因素/1205.2.2 飛機座艙設(shè)計的發(fā)展趨勢/1315.3 人機特性比較/1335.3.2 航空作業(yè)環(huán)境下人機特性比較/1345.4 人機功能分配的原則與方法/1375.4.1 人機功能分配要求/1375.4.2 人機功能分配原則/1385.4.3 人機功能分配步驟/1405.4.4 人機功能分配層次/1425.5 人機功能分配的評價方法/1435.5 人機功能分配的發(fā)展趨勢/150參考文獻/152第6章 戰(zhàn)斗機座艙布局與評價/1546.1 座艙儀表/顯示器布局的發(fā)展/1556.2 操縱裝置布局的發(fā)展/1606.3 彈射座椅/1626.3.1 彈射座椅的發(fā)展歷史/1626.3.2 彈射座椅的結(jié)構(gòu)組成/1636.3.3 座椅設(shè)計的工效要求/1656.4 座艙布局原則和評價方法/1686.4.1 座艙布局原則/1686.4.2 基于連接的儀表布局評價/1726.4.3 基于簡潔性法則的控制器布局評價/1736.5 基于人體模型的座艙布局與評價/1746.5.1 飛行員人體模型概述/1756.5.2 人體幾何模型/1756.5.3 人體運動學(xué)模型/1796.5.4 人體動力學(xué)模型/1846.5.5 人體力量模型/1916.5.6 操縱裝置布局與評價/1926.6 飛機座艙布局工效綜合評價與評價方法/1986.6.1 座艙工效綜合評價指標(biāo)體系的構(gòu)建/1986.6.2 飛機座艙人機工效綜合評價方法/200參考文獻/205第7章 座艙人機顯示界面的設(shè)計與評價/2097.1 飛行員的信息需求及信息認(rèn)知和處理特點/2107.1.1 不同飛行任務(wù)和階段對信息的需求/2107.1.2 飛行員儀表掃視/2117.2 飛機HUD主要顯示信息的設(shè)計考慮/2137.3 飛機下顯顯示信息的設(shè)計考慮/2157.3.1 儀表信息顯示設(shè)計的指導(dǎo)思想/2157.3.2 主要信息顯示的設(shè)計/2157.4 影響信息顯示辨識的環(huán)境因素/2207.5 視覺編碼設(shè)計的工效評價方法/2217.5.1 調(diào)查研究法/2217.5.2 實驗研究法/2227.5.3 生理與心理信息測量/2237.6 界面設(shè)計顏色匹配性/2247.6.1 基于反應(yīng)時間的顏色匹配客觀分析/2247.6.2 基于模糊理論的顏色匹配主觀分析/2267.7 界面作業(yè)模型與工效評價/2287.7.1 作業(yè)模型/2287.7.2 實驗方案與實驗結(jié)果/2307.7.3 實驗結(jié)果分析/2337.8 平顯界面仿真模型與信息顯示工效評價/2357.8.1 工效評價系統(tǒng)/2357.8.2 平顯界面仿真模型/238參考文獻/240第8章 空間定向與空間定向障礙/2438.1 飛行中空間定向/2438.1 飛行中空間定向/2448.1.1 飛行中空間定向的概念及特點/2448.1.2 飛行中空間定向生理心理學(xué)機制/2458.2 空間定向障礙概述/2528.2.1 空間定向障礙的概念與分類/2528.2.2 空間定向障礙的特點/2528.2.3 空間定向障礙的影響因素/2538.3 常見的飛行錯覺/2548.3.1 按形態(tài)分類的錯覺/2548.3.2 按知覺分類的錯覺/2568.4 顯示裝備帶來的SD 問題/2668.5 空間定向障礙的預(yù)防與克服/2708.5.1 教育與訓(xùn)練/2708.5.2 空間定向信息的顯示/2748.5.3 飛行人員如何預(yù)防和克服飛行錯覺/279參考文獻/279第9章 大型客機座艙布局和評價/2859.1 大型客機座艙布局和工效評價流程/2879.2 JACK虛擬人體模型的構(gòu)建/2899.3 可達域和舒適域/2929.4 視野/2979.5 基于CATIA的座艙建模和布局/3009.6 基于JACK的工效評價/3039.7 工作姿態(tài)受力計算/3069.8 飛機客艙座椅布局分析/312參考文獻/317縮略語/318

章節(jié)摘錄

　　在實際的工程應(yīng)用中，可按照下述五個步驟進行。　　1.系統(tǒng)功能分析　　確定系統(tǒng)的各個功能要求之間的相互關(guān)系（即層次關(guān)系、邏輯關(guān)系及時序關(guān)系）。系統(tǒng)的功能分析可以用功能流程圖來表示，它是以圖形的方式描述系統(tǒng)設(shè)計要求的一種手段。功能流程圖一直向下展開到為確定系統(tǒng)的各項需求（硬件、軟件、設(shè)施、人員、資料）所必需的層次。　　2.方案概要設(shè)計　　提出理論上可行的人機功能分配方案。先處理那些不要求進一步判斷的功能，即已很明確或明令指定分配的功能。這些功能包括兩種：一種是性能特性已很清楚是屬于人或機器所特有的功能；另一種是屬于航空技術(shù)限制的那些功能。這一步可能產(chǎn)生3種分配結(jié)果：①由于應(yīng)激因素（輻射、噪聲、振動、壓力、失重等）、規(guī)則條例、作業(yè)要求超過人的能力等原因，而把有關(guān)功能明確分配給自動化系統(tǒng)或機器，如高速計算。②把某些功能分配給飛行員。③做出的分配是不可接受的，其原因主要為，當(dāng)明確分配給自動化系統(tǒng)時，卻不存在實現(xiàn)此功能的可行技術(shù)，或自動化系統(tǒng)的費用太高而不可接受，或可靠性不滿足要求等。反之，將功能分配給人時，要么該功能的要求超出人的能力范圍，要么人的可靠性、技術(shù)支持費用不符合規(guī)定目標(biāo)。此時就需對功能或要求重新進行定義?！　τ谛枰M一步判斷的功能所進行的分配則需要考慮到系統(tǒng)的智能化程度。如果將系統(tǒng)功能分為感知、決策與執(zhí)行三個類型，它們可能采用的智能程度描述如表5.7所示。針對每個類型的系統(tǒng)智能程度劃分，結(jié)合考慮人機能力，來合理確定該項功能是否應(yīng)該分配給人或機器來完成?！　?.獲利與費用考慮　　即針對支持費用、操作者的工作效率、乘員安全以及操作負(fù)荷等建立目標(biāo)函數(shù)和各方案的約束條件。一旦操作者被引入系統(tǒng)，就可以把某些原擬分配給機器來完成的作業(yè)交給人去完成。除了這個獲利考慮外，人對機器的相對代價也須考慮。即用所謂“投入與產(chǎn)出”的分析方法考慮到底使用自動化系統(tǒng)有利，還是使用飛行員操作更節(jié)省費用的問題。當(dāng)然，這一步的分析可能修改或推翻前一步的決策?！　?.進行方案比較　　確定最終的人機功能分配決策。測試評估包括推理演繹測試和實驗測試（首先對單功能，然后對系統(tǒng)整體測試），針對支持費用、人員作業(yè)效率、乘員安全以及操作負(fù)荷等建立目標(biāo)函數(shù)及各方案的約束條件。在這一步中，還要包括情感與認(rèn)知的考慮。

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