直升機概念設計中的人機工效評估

連金強

摘 要：本文在查閱文獻的基礎上，采用德爾菲方法建立了直升機座艙人機工效評估指標體系，提出了用于人機工效評估的四個準則：座艙布局指數、顯示界面設計指數、人機功能分配指數和座艙環境指數，利用多種綜合評估方法對設計方案進行評估對比。最后根據本文提出的評估準則對3種方案進行了評估，并對結果進行了分析。

關鍵詞：指標體系；人機工效；評估方法

中圖分類號： V212.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）36-190-2

1 評估指標體系的建立

傳統的人機工效評估主要針對某一方面（比如座艙布局、顯示界面）進行深入而忽略了其他方面的考慮，導致最終篩選出的方案出現一些缺陷。因此，有必要從系統角度對駕駛艙人機工效全面綜合地評估，而這需要建立在合理完善的指標體系基礎之上。

通過分析影響人機工效的各種因素，從座艙環境、人機功能分配、座艙布局和顯示界面設計四個方面，將研究目的背景，指標框架體系和初步擬定的指標制成專家調查表，選定8人組成的專家組，通過兩輪的咨詢，專家意見基本趨于一致，確立了一級指標和二級指標，建立如表1所示的指標體系。

座艙布局主要考慮座艙空間的合理性、操縱裝置的布局和座椅的設計。采用座艙布局指數這一指標來衡量操作的舒適性和便捷性。

顯示界面設計主要考慮儀表板布局，顯示器及頭盔瞄準顯示器的視覺特性。該指數是人機界面交互中反映用戶體驗和獲取信息效率的一個指數。

人機功能分配指數用于衡量駕駛艙設計的智能化水平，包括操縱系統和航電系統的先進水平是否利于降低人的工作任務。

座艙環境指數綜合溫度、噪聲、振動和照明等因素，反映出環境的適宜性。

2 指標權重的確定

權重是指同一層中每項指標對上級指標的影響程度，它是反映各指標在評價對象中價值地位的系數（0～1）。綜合評估中確定指標權重比較常用的方法是層次分析法，但是層次分析法判斷矩陣難于確定，一致性難于保證，而且只適用于指標不多于9個的情況。

本文使用改進層次分析法（G1法）能很好地避免上述問題。G1法確定指標權重系數一般分為以下3個步驟：

①確定序關系。若評價指標μi相對于某評價準則的重要程度大于（不小于）μj，則記μi？酆μj。若評價指標μ1，μ2，μ3，…，μn相對于某評價準則的關系式為μ1？酆μ2？酆μ3？酆…μn，則稱評價指標μ1，μ2，μ3，…，μn之間按？酆確定了序關系。

②指標間相對重要程度的判斷。專家根據上面確立的序關系，對相鄰的兩個指標的重要程度之比wk-1/wk=rk（k=2，3，…，n；wk表示指標μk的權重）做出判斷。

③權重系數wk的確定。

根據專家給出rk的理性賦值，計算權重系數wk。

3 指標參數的確定

對人機工效進行綜合評估，需要得到各指標參數值，其關鍵在于選擇合適的評估方法。將指標體系最底層指標值量化，采用系統評價方法進行自下而上聚合，最終得到對人機工效的整體評價，該方法的核心在于底層指標的量化和評價函數的確定。

4 計算準則層指數

在獲取二級指標的評估值后，由于各個指標取值標準、量綱不相同，需要對其進行需要規范化處理，即對各指標值歸一量化到區間[0，1]，采用線性加權求得一級指標值，如座艙空間指數：

w11i為二級指標的權重系數，權重系數計算值在表2中列出。經過逐級計算可以得出座艙布局指數A1、顯示界面設計指數A2、人機功能分配指數A3和座艙環境指數A4。

5 綜合評估方法

人機工效評估是一個多指標綜合評估問題，多指標評估原理為采用一定的方法將建立的指標體系合成一個用于評估參考的綜合指數。應用上文闡述的方法計算出反映人機工效特性的4個屬性：座艙布局指數、顯示界面設計指數、人機功能分配指數和座艙環境指數，然后分別采用線性加權法、模糊綜合評價法和蛛網圖法對3個方案進行綜合評估選擇。

5.1 線性加權法

線形加權法計算公式如下：

三種方案評估分值分別為：0.81，0.775，0.8125；

5.2 蛛網圖法

根據指標個數將圓分成相應等分，將評估指標量化值標記在區間為[0，1]的半徑坐標軸上，依次連接各數據點形成一個多邊形，這樣在二維平面中能夠直觀地給出多個方案多指標的相對優劣關系。

僅靠直觀不足或者難以給出準確判斷，而采用改進的等效面積作為多方案評估的依據則在直觀顯示的基礎上使得評估結果更加科學。等效面積是指蛛網圖上多邊形圍成的面積，作為評估參考值具有一定意義。等效多邊形面積計算公式為（注：A5即A1）：

利用上式計算出三種方案的等效面積分別為S1= 0.08203，S2=0.07530，S3=0.08097。

5.3 模糊綜合評估法

①建立因素集。A={A1，A2，A3，A4}，分別表示座艙布局指數、顯示界面設計指數、人機功能分配指數和座艙環境指數。

②采用G1法確定各指標權重值。

③建立評語集。V={很好（0.9），較好（0.7），一般（0.5），較差（0.3），很差（0.1）}

④利用隸屬度函數確定模糊評判矩陣如下：

改變權重系數，再次對上述方案作出評估，從結果看來，蛛網圖法和模糊綜合法在3種權重條件下，評估結論均一致，且三種方案評估分值差異突出，能夠容易選出最有方案；線性加權法對方案評估差異較小，并且在某些情況下評估結果不一定可靠。

6 結束語

對直升機人機工效評估是一項復雜的任務，需要涉及多方面多領域，尤其專家經驗知識的引入，這在指標體系建立階段表現明顯。單項指標的評估更是需要大量的實驗、仿真、統計等基礎工作，主觀性比較強的指標也離不開專家的主觀評價。文章通過建立起的評估模型，應用了3種方法對三種假想方案作出評估，結果對比可以看出蛛網圖法模型簡單，結果可以直觀顯示亦可定量比較，而且實施起來較方便，在概念方案評估階段具有很大的實用價值；模糊綜合評估法雖然適合評估模糊的，難以量化的問題，評估結果可靠，但實施起來不如蛛網圖法快捷；線性加權法簡潔易懂但是只對線性關系的指標才可靠，不建議采用。

參 考 文 獻

[1] 郭贊，郭定，等.直升機座艙顯示界面人機工效指標體系評估研究[J].電光與控制，2011，18（5）：68-70.

[2] 白振東，劉虎，等.飛機總體設計優化中的多目標方案優選方法[J].航空學報，2009，，30（8）：1447-1453.