人信息处理

信息的概念来源于通讯理论。在通讯系统中，被传输的对象是消息，而不是能量，能量（如电讯号）只不过是传递消息的媒介。例如，同一个消息，可以用完全不同的能量形式传输，如信件、电话、电报等。不依赖于能量形式而被传输的消息称“信息”。信息可以严格定量的形式给出，此即消息中所包含的信息量，是评价通讯系统有效度的重要指标。
信息量(Ⅰ)的简单表达式为：
　I=n lgm　(1)
式中： m—事件的可能状态数，n—单元数。可见，m愈大，每个状态出现的概率()愈小，事件的不定性或熵即愈大，所能提供的信息量也即愈大。
通道中单位时间内所能传输的信息量为信息传输速率(C)。其表达式为：
　C=I/T　(2)
式中：I—信息量，T—传输时间。
上述有关信息、信息量、信息传输速率的概念，适用于包括人的神经系统在内的任何通讯系统。神经系统中传输的并非神经冲动的能量，而是其所携带的信息。由此观点出发，可将人脑看作是一个由若干子系统所组成的复杂信息处理系统。

人信息处理系统

感觉信息处理 应用信息论的方法可深入研究感觉系统信息处理过程，如信息传输能力、采样、编码、传递和识别等。例如，曾观察到人的反应时间与感觉刺激物的熵有关：
　RT =a+bHT　(3)
式中： R_T—反应时间，H_T—传输的信息量（比特）,a、b—常数。人对含有不同信息量的图片之识别速度，也服从这个规律。但刺激物的熵增加时，识别速度达到一定水平后却不再增加。这表明感觉系统的信息传输能力有一定限度。信息传输速率即是反映上述能力的客观指标，在工程设计中有重要意义。人体感觉系统的信息传输速率依刺激物的性质、维数和工作类型的不同而变化。如阅读工作中的信息传输速率约为43比特/秒，电视屏上图象判读试验中测得的信息传输速率约为70比特/秒。根据生物电指标估算人色觉通道的信息传输速率也约为70比特/秒。
感觉系统对外界刺激进行采样和提取有用信息的过程系按非连续、量子化的方式进行。以时间域为例，按一定时间间隔对外界刺激变量进行采样，采样间隔则取决于刺激的频宽。频宽为F时，采样间隔T=1/2F(КотеЛлъ-ников定律)。当刺激物以速度或加速度形式出现时，采样间隔可按通式T=计算，其中K为导数的阶数。
人信息处理系统的一个重要特点，是能对外界信息进行主动搜索。人的视线分布概率与被观察图形中的信息量分布相一致，即人能主动搜索信息量最丰富的区域。这是统计匹配的一种表现，在仪表布局等研究中有重要意义。通过采样获得的外界信息，需从外周部分传递至中枢。通讯中均需先对信息进行编码，才能实现信息传递。现已证明，感觉信息的传递也是以各种编码方式进行。以色觉信息的传递为例： 视觉感受器中的三种视锥细胞能分别感受不同光波刺激，产生相应的三种电反应；但从水平细胞至丘脑，就不再出现这种三色的电反应，而呈拮抗式的四色电反应，表明色觉信息传递在不同阶段有不同的编码。利用感觉系统信息处理的原理，可设计具有特殊效果的、高质量的人机界面和信息工具(见“显示器设计”)。
中枢信息处理 从感觉通道传入中枢的大量信息，须经历中枢信息处理过程。其中，记忆机制又是各种信息处理活动赖以进行的基础。记忆可分三种形式，即“感觉信息贮存”、“短时记忆”和“长时记忆”。感觉信息传入大脑后，须先贮存一段时间，使大脑得以从感觉输入中提取有用的信息、抽取特征和进行模式识别。这种感觉信息贮存过程衰减很快（几分之一秒），所能贮存的数量也有一定限度。短时记忆(亦称“操作记忆”)的持续时间比感觉信息贮存时间长，但也只有若干秒（不超过几十秒），其所能贮存之数量也有一定限度，例如，在一连串所显示的词中，人只能记住最后5个左右。飞行人员对仪表信息进行综合时需有短时记忆参加。凡比短时记忆长的记忆过程，都属于长时记忆。长时记忆实际上不受时间和容量的限制，有的可延续一生。飞行人员训练活动必须以良好的长时记忆功能为基础。这是因为只有在记忆功能的基础上，才能产生大脑的学习功能，而学习功能又是人智能行为的基础。复杂智能活动是人脑信息处理的高级形式，在现代人机系统中应充分发挥人的这些高级功能的作用。近年又提出“内模型”概念，将脑的内部世界看作是外部世界的模型。作为人机系统中操作者的“人”，通过反复学习，即可在大脑中建立起关于被控对象的内模型。贮存于人脑中的内模型，与预测未来的控制过程、提高控制效率、信息取样、决策、监视等活动有密切关系。内模型的建立也是人脑记忆和学习功能的一种特殊形式。记忆、学习和建立内模型又是人脑决策过程的基础。操作者必须通过反复训练，建立良好的内模型，才能作出正确的决策。
从信息处理观点研究人脑活动规律，还涉及更广泛的领域，如注意、警觉、预测、问题解决、各种应激因素的影响以及年龄和个体差异等，在人机设计中都有一定意义。
运动反应 也涉及多种重要的信息活动。运动输出实质上是将信息从人送入机器。运动动作中需有运动程序记忆参加。运动输出后必须获得反馈信息，包括内反馈、外反馈等。内反馈由本体感觉提供，缺乏这种反馈将导致运动失调。外反馈由视觉等外部信息通道提供，缺乏这种反馈也使运动控制发生困难。人的输出与反馈输入构成闭环，在神经中枢的参与下，对运动控制动作不断进行修正，保证控制的精度和速度。它对于保证飞行人员的操纵效率和特殊环境中（如失重状态下）的身体姿态控制，具有重要意义。
人操作者模型 人在系统中实际工作时，感觉、运动和中枢活动是同时进行的。可以对人在系统中的行为建立综合的模型。根据模型的类型可分为生理的、心理的、信息论的和控制理论的模型等。前面提到的内模型属于生理-心理性质的模型。控制理论模型将人脑看作黑箱，分析人的输入和输出，发展了很多种类的具体模型，如传递函数模型、最佳控制模型、时间系列模型、非线性模型(开关模型、阈值模型、取样模型等)。人操作者数学模型可提供给飞机设计人员在计算机上进行系统设计。但由于人的功能极为复杂，目前较实用的是描述人在跟踪控制系统中的行为的模型。最简单的跟踪控制可用下列传递函数模型表达：

式中： K_p—零频增益 (0.1～100),T_L—提前时间常数(0～5s),T_I—滞后时间常数(6～20s),T_L、T_I—构成闭环系统的相位差(60～100°),T_N—神经肌肉延迟(0.08～0.16 s),τ—有效时间延迟(0.2～0.5s),r(n)—余项噪声。