基于模糊的特种飞机任务系统操作台人机工效综合评价研究

摘 要： 在分析特种飞机任务系统操作台主要功能和特点的基础上，结合人机工程学设计原则，建立了适合于该产品的人机工效评价指标体系，并根据该体系具有不确定性和模糊性的特征，采用模糊数学的方法处理并量化评价指标，建立了综合模糊评价模型，解决操作台总体评价的问题。根据该评价体系和模型对某型操作台产品给出了评价分析。

关键词： 特种飞机； 操作台； 人机工效； 综合评价

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 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

包括预警机、电子侦察机和对地监视飞机等空中平台在内的特种飞机，是现代战争的重要信息化武器装备，任务系统操作台为任务系统战勤操作员提供传感器控制和信息处理显示控制等人机交互功能，是最为重要的人机界面，因此其人机工程设计被各方面所重视。在该类产品的设计评审中，各类专家和用户会提出很多关于操作台人机工效方面的问题和建议或者是对于人机工效方面的评价，可以指导产品开发部门对产品的设计和研发。随着综合一体化设计思想的不断渗透，任务系统战勤操作员的不同职责更趋向于统一，每个操作员的职责更加丰富，工作负荷不断加大，对操作员的要求不断提高，这也要求人机交互性能不断提高，以减轻操作员负担，提高操作员效率。

目前国内针对战斗机飞行员座舱[1]以及车类驾驶舱[2]的人机工效评价方面的研究较多， 但还没有已发表的关于特种飞机任务系统操作台人机工效评价方面的研究论文，因此形成一套适合于该类产品的人机工效综合评价体系对于本产品的评估和后续产品的改进有重要意义。

1 评价指标体系建立

1.1 评价方法选择

对特种飞机任务系统操作台人机工效评价的高与低，实际是评价该操作台能否使用户感觉愉快、增强兴趣、工作舒适、降低疲劳，能否充分发挥人与席位的作用，达到提高工作效率的目的。选择合适的评价方法也是值得研究的一项内容。特种飞机任务系统操作台与飞机驾驶舱功能定位不同，重要性也不同，如战斗机驾驶舱人机工效评价由于与飞行安全有关，很多评价需要确切的测量结果如驾驶员的心率、脉搏等生理负荷参数[3]。而任务系统操作台由于其不影响飞行安全，且一般配备至少6个操作台，其人机工效评价更注重其给操作员的直观感受、操作舒适性等方面，当然也有一部分指标可以获得实测数据并可与国军标中的标准做对比来进行评价。因此大部分评价要由使用者或操作者进行主观评估，而没有必要采集大量的实测数据，所以必然受个人知识、经验、文化和使用习惯等诸多已知、未知和非确定因素的影响，具有一定的模糊性。而现有评价方法中主观估计法随意性大，易出差错，估计风险大；概率评估法需要应用大量较为复杂的分析技术，掌握难度较大；灰色理论法的关联度、白化权函数的确定仍然不太科学。同时由于模糊数学法客观性较好，既科学又简单，计算量较小，对模糊问题可以量化处理，因此本文选择使用模糊数学的方法对操作台的人机工效给出量化的评价[4?5]。

1.2 评价指标体系建立

对特种飞机任务系统操作台人机工效进行综合评价，首先应对影响其人机工效的各种要素进行分析和分类，以确定需要进行评价的项目。不同类型产品根据其使用要求不同，其人机工效的评价侧重点也不同，在选择评价项目时即参考已有的座舱类人机工效评价方面的研究成果，也结合国军标对人机工程方面的相关要求。特种飞机任务系统操作台主要为操作员提供操作平台和人机交互界面，操作平台上安装有键盘、轨迹球、显示器、开关、耳机话筒和吸氧设备等供操作员操作使用，在显示器上显示有运行在计算机上的应用软件界面，是操作员执行任务时的主要界面，据此建立了特种飞机任务系统操作台人机工效评价指标体系。如图1所示。

图1 特种飞机任务系统操作台人机工效综合评价体系

2 模糊数学评价模型

模糊数学是用精确的数学方法研究和处理“模糊性”问题的数学，评价可分为一级评价和多级评价。一级评价的一般过程包括：建立因素集、备择评语集、权重集、模糊评价矩阵和模糊综合评价集。为考虑加权的综合评价，作模糊矩阵的合成运算。

[B=W·R=（b1，b2，b3，…，bn）]

模糊评价矩阵的合成有多种模型，本研究采用加权平均方法计算。计算结果与评价集进行对比即可得到综合评价结果。

3 建立模糊综合评价体系

根据模糊数学评价模型，结合操作台的评价体系建立了本席位的模糊综合评价体系。

3.1 因素集

[U=（u1，u2，u3，…，un）]

它表示人机工效评价体系各项指标的集合，有[n]项评价指标。结合前面的评价指标体系，可得操作台的人机工效评价因素集为：

[U=（u1，u2，u3，…，u7）]=（活动空间，设备布局，安全可靠，界面清晰，快速响应，最小工作，指导用户）

3.2 权重集

每个评价因素对评价对象的重要等级不是完全相同的，单因素的评价结果对系统总体的影响不同，因此在评价前应确定评价因素的权重系数。

[W=（w1，w2，w3，…，wn）， 0≤w≤1]

[i=1nwi=1]

本研究采用的确定权重系数的方法为专家评分法，邀请特种飞机领域相关专家和部队用户对各因素进行权重打分，得到权重集：

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

3.3 评语集

[E=（e1，e2，e3，...，em）]

表示对人机工效评价的结果等级分类集合。本研究将评价结果分为5个等级，5种评价等级分别定义为：

优：能很好的满足使用要求，用户体验极佳，不需要改进；

良：能较好的满足使用要求，用户体验较好，有可以改进之处；

中：基本满足使用要求，用户体验一般，建议改进；

较差：基本不能满足使用要求，用户体验不好，很多地方建议改进；

差：不能满足使用要求，用户体验极差，强烈建议改进。

5级之间没有明显的界限，具有一定的模糊度。对该集合可进行量化：

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

3.4 隶属度矩阵

单因素评价结果[ej]下的模糊评价集为：

[Ri=（ri1，ri2，ri3，…，rim）]

[rij]反映被评价系统在某评价指标体系下对某一评语[ej]的符合程度。因此针对[n]个评价指标的模糊评价矩阵为：

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

考虑权重后的评价矩阵为：

[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]。

该集合的确定是进行人机工效评价的关键。本模型通过邀请特种飞机领域相关专家和部队用户对操作台进行直接使用后对其进行评价的方式来确定模糊评价矩阵。

3.5 评价分析

根据隶属度最大原则max [B]所对应的评价等级即为人机工效评价的定性结果。进行定量分析，评价值[S=BET，]与评价集进行对比可得到该评价结果在评语集中所处的位置。

4 评价应用举例

根据该评价模型，对某型特种飞机任务系统操作台进行综合评价。

[U=（u1，u2，u3，…，u7）]=（活动空间，设备布局，安全可靠，界面清晰，快速响应，最小工作，指导用户）

[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）=（优，良，中，较差，差）=（5，4，3，2，1）]

邀请10位业内专家对各单因素进行评价，对结果进行加权平均后得到被评价产品的隶属度矩阵为：

[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。隶属度0.344对应的评判等级为良，因此该操作台的人机工效综合评价结论为良。定量分析[S=B·ET=3.363 5。]

定性分析可以看出该型号操作台人机工效评价量化指标为3.363 5，虽然评价等级为良，但其量化指标接近于中的水平属于良偏中的水平。聚类分析可看出，该型操作台人机界面的优良率为0.475，较差以下水平为0.199 5，说明优良率并不很高，且有很多可以改进之处，个别问题亟待改进。

5 结 语

特种飞机任务系统操作台是操作员执行特种飞机既定功能的直接交互平台，在研制和使用过程中经常受到使用者的评价，需要建立一套合适的人机工效评价方法。本研究通过模糊综合评价方法建立了一套适合于该系列产品的人机工效综合评价模型，对其人机工效进行量化总体评价。通过评价结果可以指导产品的后续设计决策。使用该评价体系对早期型号产品进行评价，从结果来看产品存在很多需要进行设计改进之处。而新的型号产品在评价较低的因素上面确实进行了改进，也验证了该评价体系的合理性。本评价体系采用了一级综合评价和直观总体式评价，随着一体化设计理念的推进，功能的不断集中和丰富，适用于特种飞机任务操作台多层次评价体系和基于任务的客观评价体系的建立也是亟待解决的问题。

参考文献

[1] 康卫勇，王黎静，袁修干，等.战斗机座舱人机界面基本模型分析[J].中国安全科学学报，2006，16（1）：49?54.

[2] 赵君，郝建平，王松山，等.装甲车舱室人机界面评价技术研究[J].微计算机信息，2009，25（19）：243?244.

[3] 刘伟，袁修干，柳忠起，等.人机显示/控制界面适配性综合评价指标和评价方法[J].中国安全科学学报，2004，14（4）：32?34.

[4] 颜春萍.人机系统价值的模糊综合评价[J].湖南科技大学学报：自然科学版，2007，22（1）：78?80.

[5] 李栋，朱序璋，杨宏刚.基于模糊理论的机械系统人机界面综合评判[J].机电产品开发与创新，2006，19（5）18?20.

[6] 李刚刚.C语言实现可视化人机界面的有效方法[J].现代电子技术，2011，34（7）：142?144.