人機交互的控制及失誤
1 感受-運動數據庫
1.1動做的速度和準確性安全
通常講，速度是完成動做的主要要求。但在諸如跟蹤動做（它要求連續的控制）、某些要求有準確性和控制性的定位動做以及進行某些操做活動時，準確性就成了主要要求。然而，在某些狀況下，可能速度和準確性二者都須要。網絡
許多動做是由某些外部刺激（聽到警告信號）而引發的。在受到這種刺激後所作動做的時間，實際上包括一組延遲的時間。這些延遲的性質及其典型的時間（以毫秒錶示）範圍以下：接受器的延遲爲1～38ms；神經傳達至外皮的時間爲2～100ms；中樞神經加工延遲爲70～300ms；神經傳達到肌肉的時間爲10～20ms；肌肉潛伏和啓動的時間爲30～70ms；總加起來爲113～528ms。從受到刺激到作出反應的總時間常稱爲「反應時間」。然而，人們還能區分開始一個動做的時間（這是對反應時間做更嚴格的定義）和作這一動做的時間（有時稱動做時間）。app
1.2簡單反應時間和選擇反應時間框架
簡單反應時間是指：只有一個特殊的刺激出現時（一般是我的期待着該刺激的出現，如在通常實驗室作實驗時），人們所產生的某一專門的反應時間。一般，這種狀況下的反應時間最短，約爲150～200ms，至關有表明性的數值是200ms。因刺激的形態，性質（包括其強度和延續時間）不一，也因爲受試人的年齡不一樣以及其餘的我的之間的差異，這一數值可能有高有低。在選擇反應時間（那時存在兩個或兩個以上刺激和可能有兩個或兩個以上的反應）的狀況下，因爲下列因素反應時間一般要增長，如鑑別特殊刺激的時間，須要從新給刺激源「編碼」、作決策的時間、天然也須要時間計算刺激的個數並做相應的反應。選擇的個數影響反應時間的某些指標以下：ide
表 1 選擇的個數影響反應時間函數
選擇數目工具 |
1佈局 |
2性能 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
近似的反應時間（s） |
0.20 |
0.35 |
0.40 |
0.45 |
0.50 |
0.55 |
0.60 |
0.60 |
0.65 |
0.65 |
有關簡單反應時間和選擇反應時間的多數資料來自實驗室，在試驗中受試人期待着某一刺激的出現。但當刺激不常常發生或當它們不爲人們所期待時，做出反應的時間就會增長。Johansson等在瑞典收集了有關321個汽車司機在聽到信號使用制動踏板的反應時間的資料。這一試驗是在兩種狀況下進行的，一種狀況是駕駛員在10km範圍內期待信號，另外一種狀況是在沒有預先警告的「突擊」條件下進行的，這兩種狀況的平均反應時間以下：
表 2 兩種狀況平均反應時間
條 件 |
平均反應時間（s） |
「期待」信號 |
0.54 |
「突擊」信號 |
0.73 |
有些受試人在突擊的條件下的反應時間達2秒以上，調查人員統計半數以上的駕駛員做出反應的時間要超過0.9s。所以總的來講，有至關充足的理由能夠認爲：當人們沒有「期待」，準備本身必須做出反應時，比指望着某些信號或暗號做出反應時的反應時間要長的多。
能影響反應時間的其餘因素還有許多。例如：經過練習通常會減小反應時間。此外，假如要做出的反應與一我的的「期待」一致，比不一致時反應時間將要短的多。
接到信號後實施一個動做的時間，固然會因爲動做的類型、動做的行程不一樣而不一樣：對於多數控制活動，最低限度的動做時間約爲300ms左右，再加上估計的200ms反應時間，總反應時間就要達到500ms左右。然而，反應機械的性質、距離與位置也能影響反應時間總量。可見，做某些反應的時間要受到一系列變化因素的影響，例如刺激的性質、選擇的數量、期待的程度、使用的裝置等等。在某些狀況下，所要求的總的反應時間的大小是具備重大意義的。
雖然時間如人們所說的那樣，是關鍵問題，但咱們不該爲人類反應上的時遲而以爲無能爲力。事實上，還有許多方法能幫助和支持人們對刺激迅速反應。例如：使用能以最短的反應時間傳遞感受通道；以清楚、絕不含糊的方式呈現刺激信號；最大限度地減小應選擇的刺激數量；若是可能，預先提供有關刺激的警告；利用接近外皮的身體器官，以減小神經傳導時間；使用能最大限度地縮小反應時間的控制機械；訓練工做人員等等均可加快反應速度，減小對時間的要求。在更爲特殊的狀況下，人們甚至能夠繞過人體反應，直接使用行動肌肉電位以控制反應。
定位動做
當一我的（一般用手）要拿什麼東西或者將什麼東西移到另一個地方時，就要做定位動做，所以它們是身體一部分的移動。定位動做的時間及其準確性受到下列因素的影響，如：激起該動做的刺激的性質；該動做的距離和方向，是視覺的仍是非視覺的（即「盲目的」）控制等，某些定位動做能被分解爲兩個或三個相對不一樣的成分，即反應時間（在激起該活動的刺激物發生後開始反應的時間）、基本移動時間或總移動時間（使肢體接近終點）以及將身體一部分帶到指定準確位置的運動輔助類型或矯正類型的動做時間。若是終點自己是固定的，那麼輔助的或矯正的動做實質上就會取消。在進行定位動做時，反應時間與動做距離相關，但並不與距離成比例。
（1）定位動做的方向
因爲身體結構的特色，朝某些方向活動要比朝另一些方向活動快些。以Stier等發表的資料爲例，他們在試驗中，令受試人用右手在水平面上從一箇中心點出發做八個方向的定位動做，測得各方向定位動做的平均時間。得出：主要靠肘樞軸的旋轉所進行的有控手臂動做（如向左下方和右上方的活動），要比更大程度上用上臂及肩部的動做（如右下方和左上方）花費較少的時間。
（2）盲目定位運動
當不可能用視覺控制動做時，操做者就需依靠動覺官能進行反饋。就像眼睛看着別的事物，而又要伸手觸及一個控制儀器那樣，操做者在自由的空間把手（或腳）從一個位置移向另外一個位置的動做，大概是最多見的一種盲目定位動做。衆所周知的Fitts試驗，在有關自由空間中做相似動做的方向準確性方面所提供的數據，多是可利用的最好的資料。試驗中，他將靶子排列在受試人左右周圍0°、45°、90°和135°的地方，靶子分三層（中心層或稱參考層和位於中心層上下各45°的上下層）。眼睛被矇住的受試人都拿着一個帶尖頭的標靶器，並把它壓向他們想觸及的每個靶子，擊中靶心記0分，擊中各靶環相應記1～5分，脫靶記6分。
表示試驗結果，圖中各圓表示受試人在相應位置觸及靶子的準確程度，圓的大小與打擊該目標的平均準確性評分紅比例，圓越小準確性越高。在圓中四個象限內的黑圓點相應地與每一象限內的評分數成比例。由上圖可知，靶子在正前方位置上做的盲目定位動做最準確；在兩邊位置上做的盲目定位動做準確性最差。至於靶子的高度，則下層靶子的準確性最大；中心層的準確性中等；上層最差。此外，擊中右面目標的準確程度又要比左面的略爲高些。
通常而言，在放置人們盲目地伸手夠得着的控制儀器或其餘裝置時，位置放在靠近中心並低於肩膀的高度，人們一般比較容易準確地伸手夠到；而位置放在遠離中心的旁邊或較高處，則準確性較低。
（3）連續動做
連續動做是在動做時間內須要準確控制的那些動做。偏離所指望的途徑，是由身體一部分的抖動所產生。Mead等對連續動做過程當中產生抖動的研究用了一個有趣的方法。並得出結論：在垂直平面上做向裏、向外的手臂動做時，手的抖動最大（此處是上、下抖動）；而在水平面上做向右、向左的手臂動做時，抖動最小。
（4）操縱動做
多數操縱動做要用手、手指或者二者都有，如在使用手工工具或控制儀器時。可是，McCORMICK（該書做者）在巴基斯坦和印度，曾吃驚地看到靈巧的切肉匠竟將刀夾在他們的腳趾間切肉！因爲操縱動做的性質各不相同，難以做任何歸納的討論。
（5）重複動做
任何一種重複動做都是由連續進行的同一動做組成。這種動做能夠是自我定速的，或是定速的（自我定速動做的速度由駕駛員控制，而定速動做的速度則由某些外部因素所控制，如信號、機械傳輸的滯後等）。雖然各人進行同一做業的專門方式有多種差異，但各人的行動反映着肌肉反應的一個「子程序」，這個子程序已爲各人所熟悉，所以能自動地根據前面說起的「執行程序」來完成。
進行重複做業的最重要方面，大概是要不斷地安排工做間歇，特別是在定速的工做中。但是，正如Corlett所指出的，要說清間歇（積極的仍是消極的）的性質、何時應該間歇，是很困難的，由於這取決於工做的性質、部分地也取決於各人的狀況不一樣。在缺少有關安排這種間歇的專門準則的狀況下，負責監視這種工做的人要善於識別有關的跡象（無論什麼樣的），這種跡象有助於決定究竟什麼時候安排這類減輕疲乏的間歇才合適，這裏須要注意有關人員的反應。
（6）序列動做
在多數狀況下，序列動做屬於同一大類，只是有些特徵不一樣，就像在操做鍵盤是那樣。但是在某些狀況下，多種類型的動做的混雜可能會逐個發生，如在起飛前的一系列動做。多數序列動做的研究，是有關第一類（同種動做）的研究，特別是在使用鍵盤時的同種動做。
在同種動做中，手要從一處移向另外一處。有關序列動做，特別要指出，有很多跡象代表：從一位置移向另外一位置所需的時間（移動時間），會受到兩端位置上所執行的操做性質的影響。Schappe考察了有關該相關做用的研究後，得出結論認爲：身體一部分（如手）移動時間的長短，事實上受到移動動做兩端操做活動的影響，而這二者又都要受知覺因素的影響。因爲存在這種相互做用，在採起預約的工做時間順序表來估計完成各操做活動所容許的時間方面，就提出了一個有關各類基本動做「允許」時間的可加性問題。然而，總時間的估計可能要受到這種相互做用的不利影響，其範圍人們也許還不清楚。但是，某些預約的工做時間表制定，在推導序列動做所容許的總時間的計算中，必定程度上考慮了這種相互做用。
（7）靜態反應
在靜態反應中，某些肌肉的做用一般相互制約，以維持身體或身體某些部位的平衡。所以，若是身體一部分（如手）保持着一個固定的姿態，那麼，控制手動做的各類肌肉就要相互平衡，以防止手做其它的動做。但肌肉爲支持這一平衡所必須保持的緊張狀態，須要持續不斷的做用力，這爲曾試圖在一段時間內保持某一靜止狀態的大多數人所證明。事實上，保持一靜止姿態要比某些可調姿態更令人疲勞。
靜止姿態的失常有兩類：一類稱抖動（身體一部分微小的振動），另外一類是整個身體或身體一部分偏離原來位置。
（8）保持靜態姿式時的抖動
在身體一部分必須保持一準確、不動的姿式的工做活動中（如在巡航中，持操縱桿與某一位置），抖動有特別重要的意義。附帶說說有關抖動的一個有趣的現象：一般一我的越想控制抖動，結果抖動得就越厲害。下述四個條件有利於減少抖動：
1）使用視覺基準；
2）在靜態反應中，支撐整個身體（例如坐着時）和身體相應部分（如手或臂）；
3）手的位置（當手放在心臟水平線上下20.3cm範圍內時，手的抖動較小）；
4）摩擦（被使用的裝置上有機械摩擦能減少抖動，由於摩擦能增長消耗身體的部分振動能量）。
工做負荷
（1）工做負荷的概念
工做負荷的概念有點難以捉摸，如Leplat就叫人注意有關此概念的下列兩種觀點：（a）將工做負荷當作做業的特性，所以將它當作施加在人身上的義務和強制（他建議把這個當作工做的須要）；（b）將工做負荷當作人在完成做業中的負荷或後果（他爲這概念保留了負荷這個詞）。與此相同，Welford發表的觀點，認爲工做負荷的基本思想用「我的身體一部分的肌肉出力」這個詞來表達最易爲人們理解，這裏又可區分兩種類型的肌肉出力，即在完成某一特殊做業中施出的瞬時最大力；和在一既定時期內所作的工做量。在腦力活動方面，工做負荷的觀念更難以捉摸，但大致上可設想上述的兩種類型，即腦力上所做的瞬時最大出力，與一段時間內所作的腦力工做量。Welford指出：當需求量確實超過我的負荷能力時（這意味着工做量要受到限制），改變策略可能使需求降到我的負荷能力範圍之內的水平。許多工效的研究目標，就是採起措施令人類活動的工做負荷保持在其負荷能力範圍之內。
（2）工做負荷與應激
一項做業或某個環境條件所帶來的工做負荷能夠限制在我的負荷能力範圍以內。不然，會變成產生應激的源泉。
應激的後果（這種後果經常是生理或心理上的）可表現爲某些應損狀態，或表如今效能上的變化。持續的應激能夠影響到我的的健康和操做情況。
2. 反應選擇
通常而言，控制裝置的功能分爲下述幾種：啓動一些設備（一般用「通-斷」開關）；做出不連續的（即單獨的、截然分開的）設定（如選擇控制器）；連續控制（如控制一架飛機）；數據輸入（如使用計算機或打字機）。某些系統的控制至關複雜，如飛行交通指揮或管理一個核電站的運行。可是，無論該系統的性質如何，人相應的基本職能大致是不變的，即：信息輸入、信息處理以做決策、做出行動或反應。採起的行動提供系統的輸入。在要求連續控制的一些系統中，操做者一般能獲得某些形式的反饋。
2.1 人的輸入與輸出通道
在某些狀況下，系統的輸入來自我的，如判斷是否應開始某個特殊的行動（如***空中的目標）。然而，在大多數「典型的」系統運行中（駕駛飛機時），常常存在來自環境的刺激而引發操做人員的反應。這種狀況，刺激天然要被這一或另外一感受器官所接受。視覺與聽覺是最主要的感受通道。可是某些其它的感受，諸如皮膚的感受（壓力和溫度）、動覺、身體運動與平衡的感受，在某些狀況下也是有用的輸入通道。對感受接受器的輸入，固然應該包括與所論系統控制有關的刺激，這種刺激能夠直接從原始（遠處的）源接受到，或間接經過某些人工顯示器接受到。
運動反應（特別是手和腳）和語言（如在飛機指揮塔的操做中）是系統控制中使用的最基本的輸出通道（即效應器）。最多見的運動反應包括控制裝置的使用，如操縱桿、按鈕和踏板等。可是在特殊狀況下也使用其餘的反應（如腦電圖、肌電圖等）。另外，在控制過程當中使用眼睛的動做，也已取得了某些進展。在任何既定的狀況下選擇輸出通道，固然都取決於該通道對達到當時的目標是否合適。
控制過程當中，人所處地位的性質天然取決於所涉及的系統類型、人要完成的職能以及控制過程當中提供給人的設備類型。在簡單狀況下，人的做用多是按一個按鈕或開關；在複雜的跟蹤任務中，我的要有能力對不斷變化的輸入信號做出反應，如駕駛員要不斷地觀察外景及管理衆多的顯示/控制器。無論操做的複雜程度如何，信息輸入（如來自顯示器）和輸出（一般是控制設備的某些物理反應）之間總要夾雜着進行某些形式的信息處理和決策。各類控制任務中涉及決策的範圍普遍，有的極爲簡單（在某些狀況下），實質上只是做有限的反應，有的複雜。在某些操做中，工做負荷在必定時間內可達到高峯，由此帶來腦力負荷太重的危險。
控制操做中負擔太重可能產生的後果之一，是短時記憶能令人們忘記有關的信息。在一次模擬機場控制（涉及地面調度員與駕駛員之間的通信聯繫）的試驗中，證明了這種遺忘的結果。在此次試驗過程當中的某以階段，要求調度員記憶四位數的飛機識別號（應答器代碼）。圖1表示低信息負荷和高信息負荷條件下，上述信息的遺忘曲線。高信息負荷條件下，遺忘曲線惡化得較爲顯著。
圖1低信息負荷和高信息負荷條件下信息的遺忘曲線
2.2 影響人的控制的因素
在某些控制操做中，不但不會發生影響正確控制的特殊問題，並且沒有對有關我的產生不愉快後果的任何理由的可能性。操做家電等簡單的設備，不多會產生嚴重的問題。可是在某些條件下，特別是當操做要求高、難度大時，人對系統或設備的控制具備重要意義。在這一方面，Baum等特別提到對完成任務效能或策略會起某些影響的各類因素，他們曾區分任務自己的因素與我的的因素以下：
任務自己的因素
給控制者的輸入（特別是其複雜程度）；
顯示覆雜性；
控制複雜性；
過程複雜性。
操做人員的因素
操做人員的技能；
操做人員的動力。
任務自己的因素天然要影響控制者所必須做的那些決策的性質與複雜性，而控制動做必須以這類決策爲基礎。
2.3輸入-輸出關係
關於控制者的決策和控制者所做出的反應，Baum等曾強調設計系統時，必須對系統的輸入-輸出關係進行分析的重要性。可用輸入-輸出矩陣的形式進行打分來講明什麼樣的系統輸入影響着每個輸出，並敘述輸出如何受到影響，用十點記分法對上述影響按做用大小分等級。
一、兼容性
兼容性是指與人們指望或預料一致的刺激與反應（無論它是個別地進行或是結合地進行），在空間、運動和概念上的相互關係。
（1）兼容性關係的基礎
構成人們指望或預料的通常基礎有三個。首先，某些兼容性關係是清楚地表現出來的，或者說是該關係內涵的。顯示器與其相應的控制器之間位置關係的狀況尤爲是如此。例如一排有四個顯示器，它們下面就有各自對應的控制器。第二，某些兼容性關係來源於文化，併爲人們所熟知，如紅色表示「中止」，綠色表示「經過」。第三，存在着多種「反應傾向」，這些傾向起碼是某些（不必定是全部的）人的特性，如順時針方向轉動控制按鈕，以增長與此相關數值的傾向，一些這樣的傾向，比其它傾向更強，由於這是大部分人的特性或習慣。實際上，兼容性的這些基礎是相互交叉混合的，並非輪廓清楚的不一樣範疇。有關某些運動的那些兼容性關係，經常被說成是習俗。
無論兼容性關係的來源如何，在設計顯示/控制器時，這概念包含着十分明確的人的因素的含義，由於應用了兼容性原則，一般將提升有關設備或系統的使用效果。但咱們必須記住有關兼容性的兩種可能限制：（1）某些兼容性比另外一些兼容性做用更大（如更爲鮮明或者爲更多的人們所公認）；（2）在某些狀況下設計某些系統時，爲了應用某一個兼容性關係的優勢，可能必須違反另外一個兼容性關係。
（2）空間兼容性
空間兼容性的課題有許多種，其中多數是觀測顯示器與對應的控制器以及它們的佈局、觀測任一組顯示器或控制器佈局中的所有外形類似點。
（3）動做關係上的兼容性
在幾種不一樣的環境裏，系統中的動做關係可從兼容性的觀點加以考慮。舉例以下：
1）控制裝置的動做追隨顯示的移動（如移動操縱桿向右以追隨雷達顯示器上反射脈衝向右移動）；
2）控制裝置的動做控制顯示的移動（如油門杆的移動控制速度表的運動）；
3）控制裝置的動做產生某一特殊的系統反應（如駕駛杆的轉動控制飛機姿態的變化）；
據Bradley的研究，對具備固定指針的活動刻度盤來講，通常最好根據下列原則：
1）刻度盤與控制旋鈕同一方向旋轉（即控制器與顯示器之間具備直接驅動的聯繫）；
2）刻度值從左至右增長；
3）控制器順時針旋轉以增長受調整指標的數值。
如採用旋轉控制器與固定的直線型顯示器，Warrick主張採用下列原則：直線型顯示器的指示器的移動方向與控制器旋鈕上最近點移動方向一致。（刻度邊原則的影響不大）
從上述能夠看出，與動做有關的兼容性關係確實複雜，甚至可能發生各原則之間的相互矛盾，從而使顯示/控制設計工做更爲複雜。最佳的操做配置應該能使各類操做原則結合在一塊兒促進並增強同一個反應傾向。同時還應指出，當同一系統或同一類系統的不一樣模式中，使用某種程度上相同的顯示器和控制器時，設計的原則也應相同，這是特別重要的。
（4）杆式控制器的動做關係
Smith等人曾對跟蹤任務中杆形控制器和有關顯示指示器動做的兼容性進行了研究。得出的結論是：對跟蹤類任務，將操縱桿安裝在水平位置上或垂直位置上，效果大體類似，只要當操縱桿安裝在水平位置上時，控制-顯示的相互聯繫不是向上-向下就行。
（5）概念兼容性
最經常使用的一種概念兼容性，大概是涉及到在系統、信號或其餘刺激的代碼應用中的相關性，這種相關性能夠是固有的，或者也能夠是由文化習俗而得的。
二、跟蹤操做的性質
在人的控制方面，跟蹤操做提出了很多特殊的問題，爲此本章需做某些專門的探討。跟蹤任務是要求對一些事物進行連續控制的任務，如駕駛飛機等。跟蹤任務的基本要求是要在恰當的時間內執行正確的動做。在某些狀況下，完成任務的速度由駕駛員所掌握；在另外一些狀況下，任務進行的速度由外界因素所決定。這時，人對任務一定要進行的速度就沒法控制。
對跟蹤操做的分析可能十分複雜，同時在此對這類操做進行普遍論述也並不恰當。可是，對這些操做的某些方面要做簡要的討論，以便對跟蹤操做中所涉及到的一些概念提供某些基礎，同時對有關跟蹤性能的各類因素提供一些粗淺的想法。
（1）跟蹤任務中的輸入與輸出
在跟蹤任務中，某些輸入詳細規定了爲人們所指望的輸出。這輸出能夠是不變的（如按肯定的高度駕駛飛機），也能夠是變化的（如跟蹤一架正在機動的飛機）。這種輸入，一般直接來自外界環境，並機械傳感器或人們所檢測。若是經過機械傳感器檢測，那麼這種輸入能夠經過顯示器的信號形式呈現給操做者。有時輸入信號被稱爲目標（一些狀況下它確實也是目標），而它的移動則稱爲軌跡。
輸入規定着人們指望的「系統」輸出。輸入可能有不一樣的種類。階躍輸入是規定着一個有顯著區別的指望輸出目標的輸入，如從控制塔發出一個規定飛機改變飛行高度的指令，或在計算尺某一特殊值上作一標記。在某些狀況下「跟蹤」可能有許多階躍輸入。等速輸入規定着某些特殊輸出保持在某一特殊值上，如速度、某些變量的變化率或加速度等，如要求飛機保持某個速度（速率）。等加速度輸入主要在實驗室條件下應用。複雜輸入是哪怕有一點規律性也是極其微小的輸入，如軍機在企圖擺脫導彈打擊時的規避運動。
輸出一般是由使用控制機械的身體反應來實現（若是由人來控制），或是用傳遞某些形態的能量來實現（若是由設備來控制）。在某些系統中，輸出經過顯示器上的指示反映出來，有時這種指示稱做跟隨指示或遊標；在另外一些系統中，人們能經過系統外部行爲觀察到輸出，如飛機的運動。這兩種狀況的輸出一般稱爲控制對象。
（2）跟蹤任務中的追蹤顯示器與補償顯示器
輸入（目標）和輸出（控制對象）可反映在追蹤顯示器上，或反映在補償顯示器上。若是反映在追蹤顯示器上，則兩個指示都移動，每一指示都反映各自相對於另外一指示的空間位置。在補償顯示器中，兩指示之一（目標或控制對象）是固定的，而另外一個則是活動的。當這二者重疊時，則控制對象是處在目標上面；二者的任何偏離表明着偏差，而操做者的職能是要操縱控制器去消除或最大限度地縮小這一偏差，任何偏離（偏差）的根源，都不能預測，到底是目標已經移動或改變行程，仍是控制對象已經移動都不能反映出來。在追蹤顯示器中，操做者能獲得有關兩對象實際位置的信息；而在補償顯示器中，操做者只知道絕對偏差或偏離，因爲不須要反映這兩個對象的可能數值或位置的所有範圍，在節省儀器棉板空間方面，補償顯示器有時有實際的優勢。
（3）系統的控制階
控制階是指：控制動做與它旨在控制的輸出之間控制關係的等級。控制階的性質及其對跟蹤任務的關係，很是錯綜複雜，對這個課題咱們再也不深刻討論。但爲了使讀者對控制階有一些印象，首先敘述「位置」的概念。這是指系統的輸出，由於跟蹤任務的目標是控制系統以便使輸出儘量緊密地符合輸入（固然，輸入規定了輸出是什麼）。雖然咱們能很方便地設想一架飛機在空間的「位置」，但咱們應從更廣闊的範圍，做爲輸出的測量去思考它。它能夠表示爲刻度盤上移動的指針、雷達屏幕上的反射脈衝，機器每分鐘旋轉的指標或其餘。
1）位置（零階）控制
在位置控制的跟蹤任務中，控制裝置的移動直接控制着輸出，如移動飛機鎖定雷達上的目標。若是系統含有顯示器，那麼在控制動做及其所產生的顯示動做之間有直接的關係。
2）速度（一階）控制
用速度控制系統時，操做者動做的直接結果就是控制在輸出正被改變時的速度。飛機上的油門就是一個速度或一階控制裝置，由於它控制着飛機的速度（位置改變的速率）。油門杆的行程大小，控制着速度的大小，儘管在動做與速度儀表顯示存在着時滯。而飛機自己又控制着飛機在空中的位置。某些機關炮的操做是用手輪或搖把控制着機關炮改變方向的速度，故也涉及到速度控制。
3）加速度（二階）控制
加速度是物體運動速度的變化率。操縱飛機的駕駛杆，就是加速度控制的一例。由於，駕駛杆偏轉的角度控制着機翼的角度，而機翼所指的方向自己又決定着飛機轉彎的變化率。所以，駕駛杆以某一給定的速度偏轉就使飛機朝着偏轉的方向有一個相應的加速度。
4）高階控制
某些系統所具備的控制體系，可看做高階的系統，如三階、四階的控制。例如三階的控制涉及直接控制加速度的變化率（急動），從而控制速度，最後控制着任何被控制對象的位置。因爲駕駛員、飛機的實際運動與位置、飛機的質量（或重量）之間的聯繫，控制一架飛機大致上是三階、甚至是四階的控制。在控制一架飛機時，？在具備一系列控制聯繫（相似船隻）的連續控制過程當中，一連串連鎖反應的影響，能夠用數學函數來描述，猶如一個變量的位置變化，能改變其次一個變量的速度（速率）和再其次的變量的加速度，等等。
（4）採用各類控制階的控制反應
許多系統的操做者須要做出控制反應，以實現人們所指望發生的、爲輸入所要求的系統的操做（如飛機的飛行航線）。在缺少任何操做方案幫助操做者的狀況下，採用較高的控制階，這類控制就會十分複雜。運用位置、速度、加速度控制系統對正弦、階躍、等速輸入做出恰當的反應。總的來講，控制階越高，對輸入中任何單一的變化做反應時，操做者所需作的控制動做的數量也越大。所以，在須要高階控制（相似2、3、四階系統）的複雜系統的狀況下，就必須設想某些方法和手段以解除操做者從事這類腦力活動的必要，或者說免除操做者要「補償」狀況的反應要求與人們反應能力之間的不一致。如下將討論某些相似的措施。
1）輔助裝置
使用輔助裝置就是這樣的措施之一。輔助裝置最先發展應用於射擊跟蹤系統，也最適用於通常類型的跟蹤場合。在這類跟蹤任務中，操做者要用某些裝置跟隨一運動的目標。其做用是改變控制器輸出，以幫助跟蹤裝置。在速度輔助裝置中，對控制器進行簡單的調整就會影響跟蹤系統中速度和位置這兩個份量。若是採用速度輔助系統，試圖使高倍望遠鏡保持瞄準高空飛機，當跟不上目標時，從新捕捉目標的控制動做將自動使望遠鏡的運動速度加快（固然，這樣也就改變了望遠鏡的位置）。同理，若是望遠鏡的瞄準線超過了目標，校訂運動將自動地下降它的速度（並相應地影響其位置）。這樣的速度輔助裝置將簡化跟蹤裝置的運動速度迅速與目標運動速度相匹配的問題，從而改進了跟蹤效能。在加速度輔助裝置中，控制動做控制着控制對象的三個變量，即加速度、速度和位置。
輔助裝置在操做上的效果，是使操做人員擺脫腦力運算（相似某些跟蹤任務所要求的微分、積分及代數和），這樣操做者所爲難的工做就變成了主要是放大（實際上，意味着操做者只要算出控制器運動與控制對象運動的比值）。輔助裝置操做效果取決於一系列的因素，諸如：輸入信號的性質、控制階以及該系統是追蹤型的仍是補償型的。所以，應該在控制場合中，有選擇地使用那些特別適合的輔助裝置。
2）加快裝置
涉及2、三或更高階控制的車輛控制系統中，使用加快裝置特別合適。加快裝置顯示器的電子設備很是複雜，但使用這類顯示器的做用通常是想操做者顯示：爲實現某一特殊的輸出反應，該做什麼樣的控制動做。從本質上講，在下列狀況下使用加快系統最爲合適，即：操做者動做的後果並不能當即反映在系統上，而要有必定的延遲，這種延遲一般是由系統的動能特性所形成，如在飛機和潛艇上就是如此。考慮2、三或更高階系統所要求的反應時，在有加快裝置的狀況下，操做者仍需做哪些反應，這將會獲得說明，從而沒必要承擔計算複雜的控制動做應該是什麼的那些腦力活動（另外，計算這些動做也是行不通的）。
雖然，加快裝置能簡化和改善某些跟蹤任務，但它也有某些可能的侷限性和不足之處。例如在典型的加快系統中，操做者並不能獲得有關係統當前狀況的信息，由於顯示器主要顯示採起什麼樣的控制動做。同時也應記住，在很是簡單的系統中；或在控制動做到系統效應間沒有延遲的系統中；以及在已經有相似系統反應的實時反饋的系統中，加快裝置都沒有任何明顯的優勢。
3）預測顯示器
另外一個簡化高階系統控制的方法是使用預測顯示器。實際上，預測顯示器是使用系統的一個短時模式來預測系統（或控制對象）將來的偏移，並在觀察裝置或其餘裝置上給操做者顯示此偏移。這模式根據一個或多個有關操做者使用控制器將要作什麼的假設（如：使控制器回到中間位置，保持其所在位置，或使其移到一個末端或另外一個末端）重複地計算有關真實系統的將來的預測，並顯示這樣產生的預測，使操做者能減少預測輸出與指望輸出之間的偏離。
預測顯示器對於複雜的控制系統具備特殊的優越性，在複雜的控制系統中，如潛艇、飛機、宇宙飛船的操做人員須要在幾秒鐘之前就進行預計。在這種狀況下使用預測顯示器的優勢已爲許多試驗結果所證明，例如Dey對一架垂直起飛與降落的飛機所做的模擬試驗就證明了這一點。在試驗中，偏離指望航線的指標值，在使用預測顯示器的狀況下爲2.48，而在不用預測顯示器的狀況下則爲7.29。試驗與其它試驗所提供的證據至關一致地說明，使用了預測顯示器，控制特性有改善。
利於跟蹤任務完成的各類可能措施的相對效用，變得愈來愈與輸入的類型（正弦、階躍、等速等等）、控制階（零階、一階、二階等等）以及顯示器的類型（追蹤的仍是補償的）相互交融在一塊兒。在某些狀況下，輔助裝置是有用的，但廣泛適用性較差。至於說到加快裝置，Bradley對某些試驗中所採用的研究策略提出了重要的問題，同時也指出加快顯示器的某些缺點。總的來講，他的結論是：對於高階控制系統來講，「真實動做」的預測顯示器可能要遠比加快顯示器容易操做，也安全得多
三、影響跟蹤操做的因素
人對跟蹤操做的控制效率受多種因素的影響，諸如：顯示器與控制器的性質、跟蹤系統的特色等，如下簡要討論其中一些因素。
（1）顯示器類型：追蹤型的和補償型的
回顧了有關視覺模擬追蹤顯示器較補償顯示器的可能優勢以後，Bradley得出結論，認爲若是要在這二者中做一選擇，則常規的追蹤（真實運動）顯示器要比補償（相對運動）顯示器受歡迎。他的論斷是根據大量試驗得出的，見表3:
表3 常規追蹤（真實運動）顯示器與補償（相對運動）顯示器之間的比較
控制階 |
試驗次數 |
各試驗結論中可信優越的比較 |
無肯定結果 |
|
追蹤顯示器 |
補償顯示器 |
|||
零階 |
45 |
29 |
0 |
16 |
高階 |
34 |
14 |
7 |
13 |
Bradley論證說：在補償跟蹤試驗中最好的七次試驗結果多是因爲不恰當試驗程序引發的，所以不該予以重視。在「無肯定結果」一欄所包括的三個涉及零階控制的試驗結果確實有利於補償跟蹤，但他指出，試驗的變化因素可能會影響這樣的結果（他只提到在使用環行顯示器與曲柄跟蹤器同時執行兩個跟蹤任務的狀況下，使用補償顯示器的效果證實較好）。
有關追蹤顯示器與補償顯示器的多數試驗涉及能提供連續跟蹤信息的模擬顯示。在一次數字顯示的試驗中發現這兩類顯示的性能並沒有區別。所以，該試驗提示咱們，追蹤顯示的通常優勢，在數字顯示（相對於模擬顯示）中並無徹底表現出來。
雖然，一般追蹤顯示的跟蹤性能要比補償顯示器的效果好（至少視覺的模擬顯示是這樣）。但從實際考慮，尤爲是補償顯示器佔有控制面板上的空間較少，有時可能會主張採用補償顯示器。
（2）跟蹤中偏差顯示的特徵
在某些補償跟蹤系統中，偏差（輸入與輸出之間的誤差）能具備不一樣程度的特徵。雖然各類試驗的結果與其並不徹底相符，但證實了：在跟蹤任務中，因爲提供了更多（而不是更少）專門信息，中間的控制功能是加強了。
（3）對將來跟蹤信息蹤影的預視
在某些跟蹤位置，我的對將來的跟蹤蹤影可能有某些預視。總的來講，輸入有一些預視，有助於操做者完成跟蹤任務。若是預視能顯示緊接「當前」位置前面的那一部分蹤影，而不是在當前位置與被預視的跟蹤之間有一段信息間隔的那種「時滯」預視，那麼這種預視是最有效的。預視的時間持久看來要比至少有幾回預視機會的效果來得差。若是預視持續時間大體近似0.5s，則操做性能會穩定地改善，超過這一時間，預視的效果就會迅速地下降。
（4）預測
預視一個跟蹤過程的輸入，是指必須在控制反應以前，有機會看到輸入的某些部分。另外一方面，預測（有時稱爲預知）則是在沒有任何預視的條件下，操做者預測將來跟蹤蹤影的能力。只有在以往的輸入已經具備某些系統模式並且被操做者掌握時，這種預測纔有可能進行。總的來講，正弦波輸入預測相對地較爲容易，尤爲是使用追蹤顯示器的狀況下更是如此（相對補償顯示器而言）。隨着實踐經驗的豐富，某些操做者也能掌握一些相對不規則的輸入模式。
（5）定速的與自我定速的跟蹤
多數跟蹤任務是自我定速的，在這種任務中，一我的能控制輸出的速度。但在某些跟蹤任務中，速度並不爲我的所控制。如Bradley曾提到：在飛機着陸時，飛機駕駛員不得不將飛行速度掌握在極窄的範圍內，同時要將飛機保持在嚴格規定的下滑道上。當任務是自我定速時，跟蹤是最容易的，而隨着外界規定速度的等級的提升，困難也不斷增長。
（6）跟蹤中的時滯
在某些跟蹤任務中，可能有各類類型的時滯。例如，一個顯示器的時滯，既包括軌跡輸入上的延遲，又包括相關係統輸出的延遲。反應時滯是我的對某一輸入做出反應所用的時間。而控制系統時滯則是從我的做出控制反應後到受控制系統做出反應之間的時間。基本上有三種類型的控制時滯，對階躍輸入，如圖2所示。
圖2 階躍輸入後的三種時滯圖
在這三種時滯中，傳輸時滯只推遲我的反應的效果，通過一段固定的時間間隔後，輸出纔跟隨控制反應。指數時滯是指：跟隨階躍輸入的輸出是用指數函數描述的狀況。而S形時滯是由S形曲線表示。
3 人的失誤
3.1失誤的定義和分類
因爲人被要求的機能和實際上人所達到的機能間有誤差，其結果有可能以某種形式給系統帶來不良影響，把這叫作人失誤。
根據人的做業內容將人失誤緣由歸類爲：
①設計過失：因計算錯誤或考慮出錯引發的設計錯誤或因[完善的設計產生的錯誤。
② 製造過失：技術含量低，使用了劣質或用錯了材料，沒按圖面要求等引發的過失。
③ 操做過失：這是最通常的人失誤含義。做業人員在操做過程產生的各類失誤。
④保養過失：機器或設備的安裝問題或修理出錯。
⑤ 維修過失：將次品當正品，或將正品判爲次品的判斷失誤。
⑥ 處理過失：沒按說明書要求進行的物品的保管和運輸帶來的過失。
3.2人失誤的發生緣由和防止對策
人失誤的發生緣由和防止對策如圖3所示。
①情況緣由：如做業環境惡劣，或操做不方便等，原由與系統設計的緣由。
②我的緣由：與人的我的特性有關，如缺少動力或大氣，技術不熟練，身體不佳。
③精神壓力緣由：這裏分心理的和生理上的壓力。
圖 3 人失誤的發生緣由和防止對策
層次1的防止對策是最基本的減小人失誤的對策。具體來講，對於情況緣由，要改善系統、改善環境、改進人機界面。對於我的緣由，要進行職能教育、培訓、提升人工做的積極性等。對精神壓力緣由，爲了保持人的最佳工做狀態，應儘可能避開單調反覆的做業，或者常常提供必須且充分的信息給做業人員。
層次2的防止對策是如何將人失誤無害化或及時進行修正。在系統設計上應有聯鎖裝置、防錯裝置、安全裝置等。另外在失誤發生後應能立刻經過光或音等方式將信息反饋到做業人員。
層次3的防止裝置是儘可能將失誤或事故局部化或不讓他發生。其應由安全裝置或安全對策構成，根據狀況還應設置多重安全裝置。
3.3產生人失誤的心理緣由
一、知覺緣由
人視覺信息最大輸入量爲3×106bit/s，聽覺信息最大輸入量爲3×104bit/s。而人的中樞(神經)最大信息處理量是102bit/s，僅至關於輸入量的千分之一，而對與實驗相關的基於知識的處理能力僅6～7bit/s。即人瞬間獲取的信息量與對其進行處理的能力極不相稱，這就爲人失誤埋下伏筆。
這就體現了SRK模型的重要性，做爲SRK模型的動態應用模型有圖4所示的GSMS模型(Genetic Error Modelling System)。基於技能的行動是如同交叉路口遇到紅燈，做爲條件反射立刻踩剎車這樣的行動。
圖 4 GSMS模型
顯然，在精密做業中人不加思考或檢查就採起行動容易出問題。如同戰鬥過程當中雷達顯示有飛機接近，不加辨認就按導彈發射按鈕有可能擊中友機。這類失誤在正常狀況下是不會發生的，但在人緊張或疲勞等時有可能發生。美國攻打伊拉克戰爭中屢次發生的誤擊英軍戰機和誤炸友軍事件除了技術緣由外，與過分緊張，缺少仔細檢查和辨認有很大關係。
二、情緒緣由
人與計算機除了具備情報處理系統這一相同點外，人還會因生活、教育環境、組織形式或人的意欲和情緒等對情報處理系統產生影響。或者說人與計算機不一樣之處在於人具備兩面性。如人具備理性和情緒是人的特性，而情緒將支配行動。
人的大腦新皮質系由做爲情緒、本能、意欲等的中樞的舊皮質所支配。對於人的生命維持起重要做用的機能中樞起着管理人的情緒、防衛、意欲、食慾、性慾等的人的行動的做用，他們對情報處理系統影響甚大。對容易誘發人失誤的緣由主要有：
①性急。如不爲完成任務的時間留有餘地而趕任務，或緊急狀況下不按操做程序操做等。日本交通事故者約50%的心理背景都存在因各類緣由產生心情很差而出差錯。
②過分自信。如同基於技能行爲，做業人員過分自信。或認爲之前這樣作過沒出問題，此次這樣作也不會出問題而放鬆警戒最終招致失誤。
③疲勞或單調做業。在人疲勞時或因自動化生產過程當中的監視做業的單調無聊將下降總的情報處理能力。監視做業是人最易出差錯的做業，應採用做業休息制及交替制等來下降出錯率。
④生氣。因人間關係、家庭生活、工做不順或人不適應機器等而令人的情緒變壞、抱有發怒或***的情感。這類情感的起伏將令人的情報處理精度引發突發變質。
⑤緊急事態。如遇到突如其來沒法預測的停機事故而吃驚、對因本人知識不足不能善後處理而引發不安、對因故障帶來的嚴重後果的恐懼或因無效操做引發的混亂等都將極度下降新皮質系的情報處理能力。
⑥面子觀念。出於對小集團利益的照顧或友情觀念等不及時處理事故和故障而招致更大程度的失誤或事故。
3、社會心理緣由
任何一個做業都是在必定的社會環境中實施或受其影響的。其影響將以各類形態轉而影響人的情緒。例如，工廠裏的做業環境、人間關係、對工廠和職務的知足度、經驗、對做業的理解度、工廠的安全文化、家庭等各類因素都會產生影響。其中，人的性格、資質、生活經歷等左右着人的感覺性。
認識行動中的失誤在某種程度上可加以解明和預防。但牽涉到情緒因素和社會心理因素而產生的失誤或因偶發事故引發的失誤很難經過數學模型加以解明。可是，人之因此產生失誤，必定可從包括人機界面、軟件、環境、心理等方面的認知行動規則上找緣由。爲此，對過去發生的失誤事例從人機界面觀點對其分門別類創建數據庫，編寫以人爲中心的失誤防止手冊是很是必要的。
4 人的控制理論模型
做爲人-機-環境系統中的工做主體，人對外部世界的認識是經過感受得到的，感受器官接受到外界環境信息，並經大腦處理後造成知覺信息，進而根據這些信息來控制本身的行動。在視覺-情境認知-目標拾取認知技術科學研究中最爲重要的問題就是人對信息流的獲取（輸入）、認知（中間處理）和信息流的控制（輸出）這三個問題。
因爲人是人-機-環境系統的主體，只有深入認識人在系統中的做業特性，才能研製出最大程度地發揮人及人機系統的總體能力的優質高效系統。人的目標拾取運動做爲人的一種輸出形式，具備速度—精確度的折衷關係，即目標拾取運動的運動的完成時間與命中目標的精確度成反比。這種特性普遍存在於人的各類輸出和其餘控制系統中。因此如何創建人的目標拾取運動過程當中實用、精確的速度—精確度折衷關係理論模型就成了研究的主要任務.
創建描述人的目標拾取運動的理論模型是一個經過實驗分析和理論研究來獲取運動過程當中的固有特性，並用數學語言來描述這些不變特性之間的關係的過程。到目前爲止，描述人的目標拾取運動的模型通常分爲兩類：第一類是從運動策略的角度進行研究。這類研究偏重對運動過程的分析，每每是提出一些假設，經過對實驗數據的分析和研究來驗證它們，最終獲得理論模型；這種方法通常不研究人對運動的深層控制機理，只關心運動過程當中能夠觀察到的物理量的變化狀況；所以，這類研究的生理基礎較薄弱，不能深入地說明問題的本質；可是，這種研究是從實驗結果出發的，其結論與實驗結果吻合較好，具備必定的實用價值。第二類研究則從運動控制優化來進行。通常是先根據人的生理模型創建運動的控制模型或給出運動的動力學和運動學分析，並提出必定的目標函數，將目標拾取運動過程轉化爲一個優化問題來處理；這種研究方法的理論基礎較爲堅實，實驗數據只是被用來驗證模型的正確性，並非推導出這種模型的基礎；所以，這種研究雖然更能從本質上反映人對運動的控制形式，但得到的理論模型可能同實驗觀測到的一些現象和結論不徹底相符。早期的研究成果大可能是在第一類的研究方向上取得的，近年來，許多研究人員在第二類研究方向上進行了大量的工做。下面是按時間順序分析了人的目標拾取運動研究發展過程當中所提出的具備表明性的理論和模型：
（1）Woodworth理論（1899）（速度-準確性折衷關係理論）
按照正常的經驗，命中準確性與肢體運動完成時間成正比，而與速度成反比。
（2）Fitts定理（1954/1964）
隨着信息理論的發展，一些實驗生理學家以信息理論爲框架，來研究人的知覺工程、認知過程和運動過程，提出了許多描述人的特性的模型。其中，Fitts定理做爲信息理論在描述人的一維目標拾取運動過程的應用，取得了巨大的成功。Fitts認爲一個目標拾取運動任務的難易程度（ID）能夠採用信息理論中的計量單位比特（bits）來描述：
ID = Log2 (2A/W) （1）
MT = a + b * ID （2）
ID：一個目標拾取運動任務的難易程度，難度指數；可採用信息論中的計量單位比特（bits）來描述；A：爲起始點到目標中心的距離；W：爲目標寬度或運動終止區域的偏差允許量；MT：爲運動時間；a、b 均爲由實驗肯定的係數。
（3）Plamondon肌肉運動整合模型（1995）
Plamondon等人從1989年開始研究人的目標拾取運動，他以終端效應器的速度爲主要研究的方向；根據衆多的實驗數據和研究結果，他認爲終端效應器的速度隨時間變化曲線爲「鐘形」，如圖5所示；最後，他從生理學層次分析了人體運動過程，把致使終端效應器的肌肉系統分爲兩個子系統：主動肌系統和拮抗肌系統，要求的運動是經過這兩個子系統的整合做用實現的，如圖5.6所示：
不管主動做用系統和拮抗做用系統都是經過肌肉的整合做用來工做的，即其表現出來的運動特性是由大量相互獨立的神經肌肉網絡共同工做、相互做用、相互耦合的綜合做用造成的，而且每個個別因素在總的影響中所起的做用都是微小的。
（4）袁修幹—王立剛的目標拾取運動的理論模型（1998）
A．根據有關實驗分析的結果提出了關於目標拾取運動的的5條基本假設：
（a）人的運動控制系統是模擬控制系統，因爲神經衝動、神經傳導等生物現象的做用，使屢次重複相同條件的目標拾取運動時，運動過程（包括運動完成時間和終點位置）不是徹底相同，而是服從正態分佈。
（b）人的目標拾取運動的運動過程通常包括一個規劃運動和一系列修正運動。運動難度較小，只有規劃運動存在；修正運動的數量隨運動難度增長而增長。
（c）規劃運動的加速度變化較劇烈，具備基本相等的加速和減速階段。該階段的持續時間與平均速度成正比，與運動距離的平方根成正比。
（d）修正運動的數量和持續時間由運動難度決定，而運動難度則由目標的水平和垂直尺度與運動距離共同決定。
（e）運動夾角和目標形狀對目標拾取運動的難度指數影響不大。
B．在以上五條基本假設的基礎上，提出了目標拾取運動的理論模型：
（1）根據假設2能夠獲得：整個目標拾取運動過程的運動時間等於規劃運動階段和修正運動階段各自花費的時間之和，即
T = T0 + T1 （3）
其中T爲總的運動時間，T0爲規劃運動階段運動時間，T1爲修正運動階段運動時間。
（2）根據假設3和假設4分別將規劃運動階段運動時間T0和修正運動階段運動時間T1代入方程（3），獲得目標拾取運動的運動時間與其主要影響因素的關係式：
其中a、b、c、d均爲實驗係數。W、H分別爲目標的水平和垂直尺度。
對於一維目標拾取運動或W等於H時，式（4）可簡化爲：
採用典型的實驗數據對所提出的理論模型進行了檢驗，代表該模型對各類一維和二維的目標拾取運動具備較普遍的適用性和較高的描述精度，具備必定的實用價值。
經過對以上諸典型模型的分析，咱們能夠看出目標拾取運動各模型中的不足並得出如下結論：
（1）之前的目標拾取運動模型大都是從簡單的經驗、信息論、控制論、生理學等角度提出的，而在實際工做中，每每伴隨着人的各類心理變化及認知環境的變化，因此如何把這些因素整和起來進而造成一個定性與定量相結合的應用模型，這將是認知技術的一個重要研究方向。
（2）目標拾取運動做爲認知技術中的一種基本操做，對於系統的設計具備着重要的影響。在實際工做中，大多數運動是三維的，所以開展對三維目標拾取運動的研究工做十分必要。
（3）在認知技術中，存在着大量對運動目標的拾取操做，戰鬥機駕駛員瞄準敵機就是一個典型的事例，因此應進一步開展對具體系統中的目標拾取操做的研究。實現目標拾取運動做業效率測試技術是一個重要研究方向，細緻、準確地記錄目標拾取運動的有關數據，能夠爲做業效率的研究、訓練以及工程評價提供先進的手段。
（4）在複雜的操做過程當中，存在着以經驗爲基礎的無視覺（或弱感受）拾取操做過程，如何正確地揭示這種運動的規律仍然是困饒人們的一個未揭開的謎。
在真實的複雜背景下，對視覺-目標拾取認知技術進行總體、系統的研究，根據人的視覺認知過程及肢體目標拾取操做/控制過程的生理、心理、環境基礎，建造精確、可靠的數學模型已成爲研究者所追求的目標。人類認知的經驗代表：人具備從複雜環境中搜索特定目標，並對目標信息有選擇處理的能力。這種搜索與選擇的過程被稱爲注意力集中（focus attention）。在多批量、多目標、多任務狀況下，快速有效地獲取所須要的信息是人面臨的一大難題。如何將人的認知系統所具備的環境聚焦（environment focus）和自聚焦（self focus）機制應用於多模塊認知技術系統的學習，根據處理任務肯定注意機制的輸入，使整個系統在注意機制的控制之下有效地完成信息處理任務並造成高效、準確地信息輸出，有可能爲上述問題的解決提供新的途徑。如何創建適度規模的多模塊認知技術系統是首先解決的問題，另外，如何控制系統各功能模塊間的整和與協調也是須要解決的一個重要問題。
經過研究，咱們是這樣看待認知技術問題的：首先人的認知過程不是被動地對環境的響應，而是一種主動行爲，人們在環境信息的刺激下，經過眼動、頭動，改變觀察點，從動態的信息流中抽取不變性，在交互做用下產生有知覺的操做或控制；其次，認知技術計算是動態的、非線形的，一般不須要一次將全部的問題都計算清楚，而是對所須要的信息加以計算；再者，認知技術計算應該是自適應的，認知技術系統的特性應該隨着與外界的交互而變化。所以，認知技術計算應該是外界環境和人的認知感知器共同做用的結果，二者缺一不可。
研究基於人類行爲特徵的視覺-目標拾取認知技術，即研究在不肯定性動態環境中的感知及反應能力，對於社會系統中重大事變（戰爭、天然災害、金融危機等）的應急指揮和組織系統、複雜工業系統中的故障快速處理、系統重構與修復、複雜壞境中仿人機器人的設計與製造等問題的解決都有着重要的參考價值。
5 人機交互技術中有關人的特性研究
人機交互系統是指由人和機器、環境構成並完成特定任務的系統。人是人-機交互系統的主體；機器是該系統中除人外，與人相對應的「物」；有時也將環境條件做爲人-機交互系統中一個獨立因素。人-機交互系統設計思想的發展經歷了三個階段。二次世界大戰之前，人-機交互系統的設計思想是以機器的性能提升做爲提升人-機交互系統性能的主要手段。這是人-機交互系統發展的第一階段。因爲當時機械設計水平較低，複雜程度弱，功能單一，提升機器的設計水平和性能對提升整個系統的性能起關鍵做用。二次大戰期間，因爲戰爭的須要，首先在軍事產品中出現了複雜的人-機交互系統，如戰鬥機的操縱和駕駛系統、自動火炮的瞄準和操縱系統等。這是人-機交互系統發展的第二階段，在這個階段，人們尚未從根本上認識到系統中人的能力和可靠性等問題，而是但願經過對人的訓練等手段令人可以適應機器，從而保證人-機交互系統中機器性能能夠充分發揮。可是，人們很快發如今某些複雜的系統運行過程當中，不一樣的操縱人員(包括通常水平和高水平的操做員)每每會在某些特定的條件下犯相似的錯誤，致使系統故障甚至毀壞。這促使研究人員開始注意到系統中人的性能。研究發現越是在機器設備自動化程度高的系統中，人的性能的問題越突出。例如：日本對災害事故的統計，有80%是由人的因素形成的。1959年至2004年的世界噴氣民航機失事統計也代表，70%～75%的失事緣由是因爲機組人員操做失誤所形成。這些事實促令人-機交互系統的設計思想有了進一步的發展。現階段人-機交互系統的設計思想突出地表現爲以人爲核心的設計方法和思路。例如波音飛機公司在客機B-777飛機的設計中，真正採用以人爲核心的人-機交互系統設計思想進行了該型飛機的駕駛艙設計。設計中遵循「以機組爲中心」的設計原則，在充分考慮駕駛員特性的前提下，引入新的技術和功能。這種設計思想直接致使的結果是機組任務分工明確，工做溫馨性提升，新技術的採用對人機界面沒有負效應，並且提升了飛機駕駛的安全可靠性，設計出的駕駛艙是一個爲衆多民航機駕駛員所認爲「成功」的現代化駕駛艙。
圖 7 人-機交互系統的理論模型
以人爲核心的人-機交互系統設計的主要內容是：將人-機交互系統中的人做爲設計主體，人-機交互系統及其各個分系統的設計均應按照人機工程的理論和方法，圍繞着更好地發揮人的能力、提升人的性能的原則進行。人-機交互系統的理論模型如圖5.7所示，在系統運行過程當中，環境和機器的狀態和特性都會對人的性能產生必定的做用，這些做用是人機工效學研究的內容。以人爲核心的人-機交互系統設計正是要經過對其中具備共性的做用研究，避免下降人的性能的做用，令人在系統運行中可以保持高效、準確和可靠的工做狀態，從而提升整個系統的性能。要正確分析環境和機器對人的性能的做用，必須創建準確、可靠的人-機交互系統中人的模型。以人爲核心的人-機交互系統設計階段中，人處於系統的主體地位，人的模型必須可以反映人-機交互系統中人的主要特性和人對機器及環境做用的響應，即系統中人的性能。
在人-機交互系統設計中必須考慮人的生理特性，要求在機器設備和環境等因素的做用下人的生理特性參數仍能處於合適的範圍內。如軍用飛機駕駛艙設計中的急性高空缺氧問題。人在缺氧狀況下，輕則睏倦、疲勞，直接影響工做效率，重則噁心欲吐，甚至意識模糊、意識喪失，嚴重威脅安全。所以對於軍用飛機駕駛艙這種典型的人-機交互系統，人的生理模型中必須包含急性高空缺氧對人的做用，其最直接的反映是給出急性高空缺氧的一些生理耐限值，如最佳值、夜航安全值、功效保證值、功效容許值、缺氧耐限值和缺氧極限值等。在人的生理模型中通常要考慮的因素有：溫度、照明、噪聲、振動和視野等。對於不一樣的人-機交互系統，因爲其工做條件不一樣，要求考慮的人的生理特性也不一樣。地面的人-機交互系統(汽車駕駛室等)設計中，缺氧問題就不用或不多被考慮，而例如乘坐溫馨性的問題卻可能被放在重要地位。所以，針對不一樣的人-機交互系統設計，創建人的生理特性模型時，要根據系統的狀況，具體問題具體分析，抽取合適的評判參數。人的生理特性的研究起源於醫學和生理學研究。有着堅實的基礎。已經發展得較爲成熟。做爲人-機交互系統的設計人員，應將醫學和生理學的研究成果與人機工效學原理相結合，創建側重於人機工效分析的人的生理模型。
因爲人的心理特性在人-機交互系統運行中的表現是隱性的，因此長期以來對人的心理特性模型的研究並無引發人們足夠的重視。隨着機器設備自動化程度的大幅度提升，對人的各個方面素質的要求就愈來愈高，人的心理問題也日益變得重要起來。人的心理特性對人-機交互系統設計影響的一個典型實例是色彩問題，一般在人-機交互系統中，用紅色表示警告信息，這不只僅是由於紅色具備穿透效果好的物理特性，更重要的緣由是在人的心理中紅色與警告之間具備某種特殊的聯繫，這不是某我的的反映，而是大多數人的心理反映。人的心理學是一門複雜的學科，其研究的內容包含許多方面，在人-機交互系統中，一般只研究那些對系統運行產生影響的內容。
經過某些人-機交互系統的事故分析，能夠發現人的心理特性具備一種錯誤非線形放大的規律，通常表現爲人的心理特性具備必定的閾值，當系統任務變化或機器設備和環境狀態變化帶來的干擾信息出如今安全區時，人的心理特性具備自我調節的能力，能夠進行自動糾正，當干擾信息出如今危險區時，人的心理特性不但不能自我調節，還可能放大幹擾，形成系統運行事故。人的心理特性受干擾時的曲線示意圖如圖8所示。因爲人-機交互系統中人的心理特性模型的研究工做開展的較晚，加之人的心理特性固有的複雜性，這方面的研究工做應該進一步開展。
隨着人-機交互系統自動化程度和複雜程度的不斷提升，系統中的機器和環境監控設備等與系統中的人之間的信息交換就愈來愈多，這是因爲機器自己在目前階段尚不具有像人同樣的對各類不正常狀況的綜合分析和處理能力，對系統的總體運行控制仍然必須依靠，甚至更加依靠系統中的人的做用。估計未來機器能夠具有必定的人工智能，但同人的智能相比，至少在至關長的一段時期內不能相提並論。即便是人這種高智能生物，其對信息的處理能力依然是有限的。所以系統中其它部分提供給人的信息必須符合人的認知能力，也就是說，給人的信息輸入要符合人機工效的要求，保質保量。人的認知能力是指人感知各類輸入信息，將其轉化成綜合信息，而後將這種綜合信息做爲決策依據的能力，其隨輸入的信息量的變化示意曲線如圖9示。
提供信息的目的是反映問題。信息量太少說明不了問題，信息量太大會淹沒主要問題，甚至影響人的認知能力。信息的質量包含狹義和廣義兩方面的內容：從狹義上講，每條信息必須是準確的。如一條信息提示飛機燃料不足，實際上是電子線路故障的誤報，這種信息就是不許確的。從廣義上講，即便提供的每一條信息都是準確的，若是信息的結構組織很差，一樣會形成人的決策失誤。如1992年7月20日美國一架V-22「魚鷹」傾轉旋翼飛機墜毀事
件。該事故調查報告代表，其主要緣由是由於該飛機駕駛艙信息傳遞設計不足，雖然在機器發生故障時提供了許多在狹義上講是準確的信息，可是因爲未能在關鍵時刻向駕駛員報告最重要信息而形成駕駛員判斷失誤，沒法實施正確的補救措施，致使了飛機墜毀。所以，如何設計人-機交互系統的信息流動，使其提供給人的信息恰到好處是十分重要的。事實上，自動化和計算機的發展帶來了所謂的「信息應激」問題，使對人的認知特性的研究成爲人機工程中一個新的熱點方向，典型的問題如「人-計算機系統工程」等，正吸引愈來愈多的研究人員參與。經過以上分析代表，人的認知特性模型應該準確反映人對信息的接受、反映和綜合等特性。系統信息流傳遞的設計應經過這個模型來檢驗。人在造成決策後，將經過各類運動或動做來實現系統控制。人的運動和動力學特性模型能夠用來進行系統操縱性的工效分析。對應某個具體任務，如飛機的俯仰控制，是經過推拉駕駛杆實現的。在完成該類任務時，通常至少會涉及到兩個重要的工效學問題：一、推拉駕駛杆的過程當中是否會與其它設備或部件發生碰撞或干涉；二、推拉駕駛杆的過程當中做用在人的手臂上的副作用力大小如何，是否在人手臂的生理限度以內。第一個問題屬於人體運動學，第二個問題屬於人體動力學，對這兩個問題的回答必須依據人的運動和動力學特性模型。
以上幾方面的因素對人-機交互系統人機交互特性的影響各有側重，然而它們並非相互獨立的，而是幾個方面同時進行、同時做用的。例如溫度對人的影響通常來自環境因素的改變，首先影響的是人的生理特性，在人自身溫度調節失效後甚至調節過程當中，人的認知特性將受到干擾，從而影響人的決策的正確造成。目前，因爲對人在單因素條件下的人機工效特性的認識尚不夠深刻，對複合因素做用下的模型研究更是十分困難。然而，實際的人-機-環境系統中人每每是處於各類因素的耦合做用下，所以只有創建該模型，才能較爲真實、可靠地反映人的特性。我國對人-機-環境系統和人機工效學的研究工做起步較晚，對其認識仍有不足.。隨着科技水平的不斷進步，人-機交互系統設計和研究已受到愈來愈大的重視。從此應進一步開展與人-機交互系統中人的模型相關的各方面的研究工做，特別應該重視多因素耦合做用下人機特性模型的研究，提升和改進實驗手段。