基于模糊的特種飛機任務系統操作臺人機工效綜合評價研究

摘 要： 在分析特種飛機任務系統操作臺主要功能和特點的基礎上，結合人機工程學設計原則，建立了適合于該產品的人機工效評價指標體系，并根據該體系具有不確定性和模糊性的特征，采用模糊數學的方法處理并量化評價指標，建立了綜合模糊評價模型，解決操作臺總體評價的問題。根據該評價體系和模型對某型操作臺產品給出了評價分析。

關鍵詞： 特種飛機； 操作臺； 人機工效； 綜合評價

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0011?03

Research on man?machine ergonomics comprehensive assessment of special

aircraft mission system operating board based on fuzzy

ZHAO Xin1， YE Hai?jun1， JIANG Zhi2

（1. China Academy of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China；

2. Air Force Military Representative Office Stationed in Jingchang， Beijing 100041， China）

Abstract： Based on the analysis of mainly function and features of special aircraft mission systemoperating board， a man?machine ergonomics evaluation indicators system suitable for the product was established， combined with the design principle of ergonomics. The method of fuzzy mathematics is used to deal with and quantify the evaluation indicators according to the fuzzy and uncertain features of this evaluation system. A comprehensive fuzzy evaluation model was established to solve the problem of operating board comprehensive evaluation. The operating board is evaluated and analyzed based on the evaluation system and model.

Keywords： special aircraft； operating board； man?machine ergonomics； comprehensive evaluation

0 引 言

包括預警機、電子偵察機和對地監視飛機等空中平臺在內的特種飛機，是現代戰爭的重要信息化武器裝備，任務系統操作臺為任務系統戰勤操作員提供傳感器控制和信息處理顯示控制等人機交互功能，是最為重要的人機界面，因此其人機工程設計被各方面所重視。在該類產品的設計評審中，各類專家和用戶會提出很多關于操作臺人機工效方面的問題和建議或者是對于人機工效方面的評價，可以指導產品開發部門對產品的設計和研發。隨著綜合一體化設計思想的不斷滲透，任務系統戰勤操作員的不同職責更趨向于統一，每個操作員的職責更加豐富，工作負荷不斷加大，對操作員的要求不斷提高，這也要求人機交互性能不斷提高，以減輕操作員負擔，提高操作員效率。

目前國內針對戰斗機飛行員座艙[1]以及車類駕駛艙[2]的人機工效評價方面的研究較多， 但還沒有已發表的關于特種飛機任務系統操作臺人機工效評價方面的研究論文，因此形成一套適合于該類產品的人機工效綜合評價體系對于本產品的評估和后續產品的改進有重要意義。

1 評價指標體系建立

1.1 評價方法選擇

對特種飛機任務系統操作臺人機工效評價的高與低，實際是評價該操作臺能否使用戶感覺愉快、增強興趣、工作舒適、降低疲勞，能否充分發揮人與席位的作用，達到提高工作效率的目的。選擇合適的評價方法也是值得研究的一項內容。特種飛機任務系統操作臺與飛機駕駛艙功能定位不同，重要性也不同，如戰斗機駕駛艙人機工效評價由于與飛行安全有關，很多評價需要確切的測量結果如駕駛員的心率、脈搏等生理負荷參數[3]。而任務系統操作臺由于其不影響飛行安全，且一般配備至少6個操作臺，其人機工效評價更注重其給操作員的直觀感受、操作舒適性等方面，當然也有一部分指標可以獲得實測數據并可與國軍標中的標準做對比來進行評價。因此大部分評價要由使用者或操作者進行主觀評估，而沒有必要采集大量的實測數據，所以必然受個人知識、經驗、文化和使用習慣等諸多已知、未知和非確定因素的影響，具有一定的模糊性。而現有評價方法中主觀估計法隨意性大，易出差錯，估計風險大；概率評估法需要應用大量較為復雜的分析技術，掌握難度較大；灰色理論法的關聯度、白化權函數的確定仍然不太科學。同時由于模糊數學法客觀性較好，既科學又簡單，計算量較小，對模糊問題可以量化處理，因此本文選擇使用模糊數學的方法對操作臺的人機工效給出量化的評價[4?5]。

1.2 評價指標體系建立

對特種飛機任務系統操作臺人機工效進行綜合評價，首先應對影響其人機工效的各種要素進行分析和分類，以確定需要進行評價的項目。不同類型產品根據其使用要求不同，其人機工效的評價側重點也不同，在選擇評價項目時即參考已有的座艙類人機工效評價方面的研究成果，也結合國軍標對人機工程方面的相關要求。特種飛機任務系統操作臺主要為操作員提供操作平臺和人機交互界面，操作平臺上安裝有鍵盤、軌跡球、顯示器、開關、耳機話筒和吸氧設備等供操作員操作使用，在顯示器上顯示有運行在計算機上的應用軟件界面，是操作員執行任務時的主要界面，據此建立了特種飛機任務系統操作臺人機工效評價指標體系。如圖1所示。

圖1 特種飛機任務系統操作臺人機工效綜合評價體系

2 模糊數學評價模型

模糊數學是用精確的數學方法研究和處理“模糊性”問題的數學，評價可分為一級評價和多級評價。一級評價的一般過程包括：建立因素集、備擇評語集、權重集、模糊評價矩陣和模糊綜合評價集。為考慮加權的綜合評價，作模糊矩陣的合成運算。

[B=W·R=（b1，b2，b3，…，bn）]

模糊評價矩陣的合成有多種模型，本研究采用加權平均方法計算。計算結果與評價集進行對比即可得到綜合評價結果。

3 建立模糊綜合評價體系

根據模糊數學評價模型，結合操作臺的評價體系建立了本席位的模糊綜合評價體系。

3.1 因素集

[U=（u1，u2，u3，…，un）]

它表示人機工效評價體系各項指標的集合，有[n]項評價指標。結合前面的評價指標體系，可得操作臺的人機工效評價因素集為：

[U=（u1，u2，u3，…，u7）]=（活動空間，設備布局，安全可靠，界面清晰，快速響應，最小工作，指導用戶）

3.2 權重集

每個評價因素對評價對象的重要等級不是完全相同的，單因素的評價結果對系統總體的影響不同，因此在評價前應確定評價因素的權重系數。

[W=（w1，w2，w3，…，wn）， 0≤w≤1]

[i=1nwi=1]

本研究采用的確定權重系數的方法為專家評分法，邀請特種飛機領域相關專家和部隊用戶對各因素進行權重打分，得到權重集：

[W=（w1，w2，w3，…，w7）=（0.125，0.13，0.16，0.15，0.145，0.14，0.15）]

3.3 評語集

[E=（e1，e2，e3，...，em）]

表示對人機工效評價的結果等級分類集合。本研究將評價結果分為5個等級，5種評價等級分別定義為：

優：能很好的滿足使用要求，用戶體驗極佳，不需要改進；

良：能較好的滿足使用要求，用戶體驗較好，有可以改進之處；

中：基本滿足使用要求，用戶體驗一般，建議改進；

較差：基本不能滿足使用要求，用戶體驗不好，很多地方建議改進；

差：不能滿足使用要求，用戶體驗極差，強烈建議改進。

5級之間沒有明顯的界限，具有一定的模糊度。對該集合可進行量化：

[E=（e1，e2，e3，e4，e5）=（優，良，中，較差，差）=（5，4，3，2，1）]

3.4 隸屬度矩陣

單因素評價結果[ej]下的模糊評價集為：

[Ri=（ri1，ri2，ri3，…，rim）]

[rij]反映被評價系統在某評價指標體系下對某一評語[ej]的符合程度。因此針對[n]個評價指標的模糊評價矩陣為：

[R=R1R2?Ri?Rn=r11r12…r1j…r1mr21r22…r2j…r2m?ri1ri2…rij…rim?rn1rn2…rnj…rnm]

考慮權重后的評價矩陣為：

[B=W·R=（w1，w2，w3，…，wn）r11r12…r1j…r1mr21r22…r2j…r2m?ri1ri2…rij…rim?rn1rn2…rnj…rnm=（b1b2b3…bn）]

其中[bj=i=1nwirij]。

該集合的確定是進行人機工效評價的關鍵。本模型通過邀請特種飛機領域相關專家和部隊用戶對操作臺進行直接使用后對其進行評價的方式來確定模糊評價矩陣。

3.5 評價分析

根據隸屬度最大原則max [B]所對應的評價等級即為人機工效評價的定性結果。進行定量分析，評價值[S=BET，]與評價集進行對比可得到該評價結果在評語集中所處的位置。

4 評價應用舉例

根據該評價模型，對某型特種飛機任務系統操作臺進行綜合評價。

[U=（u1，u2，u3，…，u7）]=（活動空間，設備布局，安全可靠，界面清晰，快速響應，最小工作，指導用戶）

[W=（w1，w2，w3，…，w7）=（0.125，0.13，0.16，0.15，0.145，0.14，0.15）]

[E=（e1，e2，e3，e4，e5）=（優，良，中，較差，差）=（5，4，3，2，1）]

邀請10位業內專家對各單因素進行評價，對結果進行加權平均后得到被評價產品的隸屬度矩陣為：

[R=0.20.40.30.100.10.30.40.10.10.40.50.1000.10.30.40.10.100.40.40.200.10.30.30.3000.20.40.30.1]

[B=W·R=0.1310.3440.325 50.156 50.043]

定性分析Max [B=]0.344。隸屬度0.344對應的評判等級為良，因此該操作臺的人機工效綜合評價結論為良。定量分析[S=B·ET=3.363 5。]

定性分析可以看出該型號操作臺人機工效評價量化指標為3.363 5，雖然評價等級為良，但其量化指標接近于中的水平屬于良偏中的水平。聚類分析可看出，該型操作臺人機界面的優良率為0.475，較差以下水平為0.199 5，說明優良率并不很高，且有很多可以改進之處，個別問題亟待改進。

5 結 語

特種飛機任務系統操作臺是操作員執行特種飛機既定功能的直接交互平臺，在研制和使用過程中經常受到使用者的評價，需要建立一套合適的人機工效評價方法。本研究通過模糊綜合評價方法建立了一套適合于該系列產品的人機工效綜合評價模型，對其人機工效進行量化總體評價。通過評價結果可以指導產品的后續設計決策。使用該評價體系對早期型號產品進行評價，從結果來看產品存在很多需要進行設計改進之處。而新的型號產品在評價較低的因素上面確實進行了改進，也驗證了該評價體系的合理性。本評價體系采用了一級綜合評價和直觀總體式評價，隨著一體化設計理念的推進，功能的不斷集中和豐富，適用于特種飛機任務操作臺多層次評價體系和基于任務的客觀評價體系的建立也是亟待解決的問題。

參考文獻

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