人机工程学在汽车主动安全系统设计中的应用

第九章人的信息处理系统本章内容人的信息处理系统模型感知系统的信息加工中枢（认知）系统的信息加工人的信息输出案例：人机工程学在汽车主动安全系统设计中的应用为了解释人的认知活动，认知工效学家将人模拟成一个与计算机类似的信息处理系统。人的信息处理系统的基本组成部分如图9-1所示。第一节人的信息处理系统模型一、人的信息处理系统结构图9-1人的信息处理系统的结构图（一）感觉系统：人的信息处理的第一个阶段是感觉。在这一阶段，人通过各种感觉器官接受外界的信息，然后把这些信息传递给中枢信息处理系统。（二）中枢信息处理系统：人的认知系统接收从感知系统传入的经过编码后的信息，并将这些信息存入本系统的工作记忆中，同时从长时记忆中提取以前存入的有关信息和加工规律，进行综合分析后做出如何反应的决策，并将决策信息输出到运动系统。（三）反应（运动）系统：它执行中枢信息系统发出的命令，产生人的信息处理系统的输出。第一节人的信息处理系统模型一、人的信息处理系统结构第一节人的信息处理系统模型二、信息、信息量与信息传递模式（3）信息传递模式。人机系统中，信息在信息源和信宿（信息接收者）之间传递过程通常有三种模式：1）信息源发出的信息被信宿完全接收。2）信源发出的信息在传递过程中消耗殆尽。3）从信源发出的信息虽然有些损耗，信宿收到的信号也混有某些噪声成分，但仍有部分信源发出的信息被有效地传送到了信宿。（1）信息。信息是能消除事先不能确定的情况的信号或知识，它存在于一切事物中，是一种抽象量。（2）信息量。信息量是人机系统中设计时考虑的重要参数。有关信息量的计算通常选用对数单位进行度量。（一）感觉器官及其信息接收能力人通过感觉器官获得关于周围环境和自身状态的各种信息。感觉器官中的感受器是接收刺激的专门装置。感受器按其接受刺激的性质可分为视、听、触、味、肤觉等多种感受器。其中视觉、听觉和嗅觉接受远距离的刺激。每一种感受器通常只对一种能量形式的刺激特别敏感。这种刺激就是该感受器的适宜刺激。人的感觉和各类感受器的适宜刺激见教材表9-1。第二节感知系统的信息加工一、感觉与知觉系统人的感觉和各类感受器的适宜刺激见教材表9-1。第二节感知系统的信息加工感觉感受器适宜刺激刺激源视觉眼睛一定频率范围的电磁波外部听觉耳一定频率范围的声波外部旋转半规管肌肉感受器内耳液压变化，肌肉伸张内部下落和直线运动半规管内耳小骨位置变化内部味觉头和口腔的一些特殊细胞溶于唾液中的一些化学物质外部嗅觉鼻腔粘膜上的一些毛细胞蒸发的化学物质外部触觉主要是皮肤皮肤表面的变形弯曲接触一、感觉与知觉系统人的感觉和各类感受器的适宜刺激见教材表9-1。(续表9-1)第二节感知系统的信息加工感觉感受器适宜刺激刺激源振动觉无特定器官机械压力的振幅及频率变化接触压力觉皮肤及皮下组织皮肤及皮下组织变形接触温度觉肤及皮下组织环境媒介的温度变化，或人体接触物的温度变化，机械运动，某些化学物质外部或接触面表层痛觉确切的感觉尚不清楚，一般认为是皮肤的自由神经末梢强度很大的压力、热、冷、冲击及某些化学物质外部或接触面深层痛觉一般认为是自由神经末梢极强自压力和高热外部或接触面位觉和运动觉肌肉、腱神经末梢肌肉拉伸，收缩内部自身动觉关节不清楚内部一、感觉与知觉系统（一）感觉器官及其信息接收能力第二节感知系统的信息加工一、感觉与知觉系统人的感官除了要求“适宜刺激”信号的载体外，感官对信息载体的能量要求也有一定的限度。感官的这种对信号刺激能量范围要求称为该感官的绝对感觉阈限。要保证信息传递畅通有效，信号的能量必须较大幅度地超过人的绝对感觉阈限下限值。教材表9-2为几种主要感觉器官的刺激阈限。感觉刺激阈限下限触觉听觉视觉嗅觉味觉蜜蜂翅膀从lcm高处落到肩上的感觉在寂静场所从60m远能听到的钟摆走动声(约2×10-5Pa)在晴朗的夜晚距48km远能看到的烛光(约lO个光量子)在30m2的房间内开始嗅到的一滴香水散发的香味一匙白糖溶于9L水中初次能尝到的甜味表9-2刺激阈限（一）感觉器官及其信息接收能力第二节感知系统的信息加工一、感觉与知觉系统当信号刺激的能量分布落在绝对感觉阈限的上下限之间时，人不仅可觉察到信号的存在，还能觉察到信号刺激的能量分布差异。引起差别感觉的刺激间的最小差别称为差别感觉阈限，对最小差别量的感受能力叫差别感受性。差别感受性与差别感觉阈限成反比，两者之比是一个常数。这一关系称为韦伯定律。（二）知觉第二节感知系统的信息加工一、感觉与知觉系统人们通过感官得到了外部世界的信息，这些信息经过头脑的加工（综合与解释），产生的对事物整体的认识，就是知觉。知觉以感觉作基础，是现实刺激和已储存的知识经验的相互作用的结果，是一种主动的和富有选择性的构造过程。知觉作为一种活动过程，包含了互相联系的几种作用：觉察、分辨和确认。在知觉过程中，人对事物的觉察、分辨和确认的阈限值是不一样的。如果说人们觉察一个物体比较容易，那么要确认这个物体就要困难得多，需要的加工时间也较长。第二节感知系统的信息加工二、感知过程中的信息存储（1）感觉储存。感觉储存又称感觉记忆或瞬时记忆。它是外界输入刺激后人对信息加工的第一个模块，感觉记忆的储存时间大约为0.25s～2s。（2）感觉储存的编码。感觉储存编码形式主要依赖于信息的物理特征，因而具有鲜明的形象性。（3）感觉储存和工作记忆的交互作用。工作记忆是感觉记忆和长时记忆的中间阶段，即输入信息经过再编码，使其容量扩大。（4）感知映象的衰退和储存容量。感知记忆(包括视觉映象和听觉映象)随时间消逝而衰退。实验研究表明，感知记忆中残存的信息数量随时间的消逝而遵循指数曲线规律迅速下降。第二节感知系统的信息加工三、感知系统的信息加工人的知识经验和现实刺激是产生知觉所必需的。人的知觉过程所包含的信息加工方式主要体现为自下而上的加工和自上而下的加工两种方式。（1）自下而上的加工。指由外部刺激开始的加工，通常指先对较小的知觉单元进行分析，然后再转向较大的知觉单元，经过一系列连续阶段的加工而达到对感觉刺激的解释。（2）自上而下加工。是由有关知觉对象的一般知识开始的加工。由此可以形成期望或对知觉对象的假设。一般说来，在人的知觉活动中，非感觉信息越多，他们所需要的感觉信息就越少，因而自上而下的加工占优势；相反，非感觉信息越少，就需要越多的感觉信息，因而自下而上的加工占优势。（一）信息加工方式第二节感知系统的信息加工三、感知系统的信息加工模式是指由若干元素或成分按一定关系形成的某种刺激结构，也可以说模式是刺激的组合。模式识别是人的一种基本的认知能力或智能，在人的各种活动中都有重要的作用。人的模式识别可看作一个典型的知觉过程，它依赖于人的知识和经验。一般说来，模式识别过程是感觉信息与长时记忆中的有关信息进行比较，再决定它与哪个长时记忆中的项目有着最佳匹配的过程。关于匹配过程的实现方式，有三种主要模型:（1）模板匹配模型。（2）原型匹配模型。（3）特征分析模型。（二）模式识别第二节感知系统的信息加工三、感知系统的信息加工（1）加工周期。知觉加工器的加工周期时间与刺激脉冲反应的时间有关。（2）单位知觉。如果在一个知觉加工器的工作周期里，有多个相类似的刺激发生，那么知觉加工器就会将它们当作一个刺激单位加以处理。（3）感知加工的速率变化。在人类信息加工器模型中，知觉加工器的单位加工周期并非一个固定的常数。根据不同的刺激条件，加工周期可在一定范围内变化。（三）信息加工周期、单位知觉、感知加工的速率变化第二节感知系统的信息加工四、人的信息传递能力（1）理论能力估计与人的实际能力。哈佛大学的米勒(G．A．Miller)在大量研究和考察的基础上得出了这样的结论：“在最理想的条件下，传信能力的实际上限似乎处于25bit/s左右，至今无人声称最高值能达到40bit/s”。（2）感知觉的绝对辨认能力。如教材中表9-3为不同感知觉的绝对辨认能力。辨认能力是指当单个的刺激呈现而不与其他刺激作比较的条件下，感觉器官所具有的辨认能力。（3）信息传递率。信息传输速率（R）是指人在单位时间内能传递的信息量。由于实验条件的不同，所得的信息传递率也不完全一致。一般认为，人的通道容量约为7bit左右，即人每秒最大可传递7bit左右的信息量。实际上，人的信息传递率远远高于7bit，这是因为作用于人的感官的外界刺激往往都是多维度的。第二节感知系统的信息加工四、人的信息传递能力表9-3不同感知觉的绝对辨认能力感觉刺激维度绝对辨认能力(bit/刺激)辨认的刺激数研究者视觉在直线上(在直线度盘上)3.2510Hake、Garner(1951)点(指针)的位置3.9010Coonan、Klemmen(inMiller,1956)颜色(主波长)3.109Eriksen、Hake(1955)明度2.305Eriksen、Hake(1955)简单几何图形的面积2.202.6056Pollack(inMiller,1956)直线的长度2.60～3.007～8Pollack(inMiller,1956)直线倾斜度2.80～3.307～11Pollack(inMler,1956)弧度(其弦不变)1.60～2.204～5Pollack(inMiller,1956)第二节感知系统的信息加工四、人的信息传递能力表9-3不同感知觉的绝对辨认能力(续表9-3)感觉刺激维度绝对辨认能力(bit/刺激)辨认的刺激数研究者听觉纯音强度(音响)2.305Gamer(1953)纯音频率(音高)2.507Pollack(1952、1953)味觉食盐水浓度1.904Beebe-Center、Rodgers、Connell(1955)振动觉(胸部)振动强度2.004Geldard(inMiller,1956)振动持续时间2.305Geldard(inMillef，1956)振动位置2.807Geldard(inMiller,1956)肤觉（电击）电击强度1.703Hawker（l960)电击持续时间1.803Hawker、Warn(1961)第二节感知系统的信息加工五、注意（一）注意的基本概念注意是心理活动或意识对一定对象的指向与集中。注意的指向性是指人在某一瞬间，他的心理活动或意识选择了某个对象，而忽略了另一些对象。当心理活动或意识指向某个对象的时候，它们会在这个对象上集中起来，即全神贯注起来，这就是注意的集中性。(二)注意的功能（1）注意的选择功能。（2）注意的保持功能。（3）注意的调节及监督功能。第二节感知系统的信息加工五、注意（三）注意的种类根据引起注意和维持注意有无目的及是否需要付出意志努力，注意可分为无意注意、有意注意和有意后注意。（1）无意注意。无意注意是指事先没有目的、也不需要意志努力的注意。(2)有意注意。有意注意是指有预定目的、需要一定意志努力的注意。(3)有意后注意。有意后注意是注意的一种特殊形式。从特征上讲，它同时具有无意注意和有意注意的某些特征。第二节感知系统的信息加工五、注意（四）注意的特性(1)注意的广度。注意广度是指在一个很短的时间内能知觉的注意对象的数目。（2）注意的选择性。注意的选择性是个体在同时呈现的两种或两种以上的刺激中选择一种进行注意，而忽略另外的刺激。（3）注意的持续性。注意持续性是指注意在一定时间内保持在某个认识的客体或活动上，也叫注意的稳定性。（4）注意的分配。注意的分配性是个体在同一时间对两种或两种以上的刺激进行注意，或将注意分配到不同的活动中。第二节感知系统的信息加工1.注意的选择功能（1）过滤器理论。神经系统在加工信息的容量方面是有限度的，不可能对所有的感觉刺激进行加工。当信息通过各种感觉通道进入神经系统时，要先经过一个过滤机制。只有一部分信息可以通过这个机制，并接受进一步的加工；而其他的信息就被阻断在它的外面，而完全丧失了。（2）衰减理论。基于日常生活观察和实验研究的结果，特瑞斯曼(Treisman，1964)提出了衰减理论。衰减理论主张，当信息通过过滤装置时，不被注意或非追随的信息只是在强度上减弱了，而不是完全消失。（五）注意的认知理论五、注意第二节感知系统的