CN103679371B - 协同操作过程中冲突测量方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种协同操作过程中冲突测量方法及其装置，装置包括物理框架、人机显控界面模块、测量模块和软件模块；物理框架功能为：支撑人机显示和控制界面、固定各测量指标参数设备和为协同成员建立模拟场景的整体物理机构框架。人机显控界面模块包括：包括显示装置和控制装置，功能为显示任务信息，成员操作控制装置完成协同任务。测量模块包括：计时器、眼动仪和运动跟踪仪。本发明可定量测量协同操作中的冲突及类型；定量测量分析与冲突直接相关的主要参数指标；可以分析权衡与冲突相关因素，并指导和帮助多人协同操作显示和控制装置的设计和布局。可通过人的生理参数和任务操作参数的测量，提前提示成员间冲突将发生。

Description

协同操作过程中冲突测量方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种协同操作过程中冲突测量方法及其装置，属于信息科学技术领域。
背景技术
飞机座舱、核电站控制室等许多操作任务是在时间压力下，由多名操作者（一般都是2人及2人以上）协同操作完成。多人协同完成操作任务过程中必然会伴随有冲突，冲突的发生很大程度上影响着协同工作绩效，甚至有时会带来安全问题。据统计，在航空事故中每年约20%以上的航空事故与飞行员的协同操作有关。特别是在时间压力下的协同操作任务，冲突成为影响团队操作与安全的重要因素之一。因此，解决协同操作过程中冲突问题，是提高多人协同操作绩效，保障操作顺利的重要环节。但目前，协同中冲突测量主要是主观分析评价，很难定量测量冲突及影响冲突的主要参数指标。
目前冲突主观分析评价主要存在下列不足：（1）在试验任务后或者打断操作任务才能进行分析测量，会影响冲突的测量结果；（2）主观评价依靠被试者回忆，不能够准确、定量分析测量冲突；（3）主观评价测量不能准确地定量分析测量影响冲突的指标。
发明内容
本发明的目的是为了解决在时间压力下，多人协同操作过程中冲突的定量测量的技术问题，提出一种协同操作过程中冲突测量方法及装置。
本发明的测量方法为：
本发明的测量时间压力下协同操作中测量冲突的方法是基于建立的SAT（情境意识（Situation awareness）-动作（Action）-时间（Time）单元）单元模型，确定测量协同过程中与冲突相关3个指标，指标包括：时间指标、操作动作指标和情境意识指标，并根据冲突发生的原因，把冲突分为5类。
1类冲突发生在需要2人协同操作的情景中，其中1人操作动作早于规定时间，而导致发生冲突；
2类冲突发生在需要2人协同操作的情景中，其中1人操作动作晚于规定的时间，而导致发生冲突；
3类冲突发生在需要2人协同操作的情景中，2人有动作但不在规定时间内或者出现动作操作干涉；
4类冲突发生在需要2人协同操作的情境中，其中1人或2人无操作动作；
5类冲突发生在不需要协同操作动作的情境中，其中1人或2人有操作动作。
在冲突单元模型中，需要测量指标包括：时间、操作动作和情境意识3类。根据研究为准确测量冲突，确定了指标的表示参数及其意义：
时间指标参数包括：开始协同的时间和协同的持续时间。测量协同操作过程中，参与协同任务的成员开始协同操作的时间及协同操作持续时间，在SAT单元中与任务规定时间进行对比分析。
动作指标参数包括：操作动作和动作极限范围。测量协同成员的操作动作，分析协同成员操作动作能否满足任务操作要求；测量成员动作极限范围，发现在协同过程中协同成员之间动作是否发生干涉。
情境意识指标参数包括：注视区域和注视时间。测量协同成员的眼睛注视区域和注视时间，确定成员的情景意识。按协同任务要求，需要协同成员有操作或无操作的情景时，根据测量成员情景意识参数来判断是否满足任务要求情景。
上述指标既有与任务内容相关的指标，也有与人体生理参数相关的指标。指标参数的测量方法为：指标参数通过不同的测量模块来实现，时间指标参数利用计时器模块进行测量；动作指标参数利用运动跟踪仪进行测量；情境意识指标参数利用眼动仪进行测量。
冲突的计算方法：在测量冲突中建立SAT模型，模型个数为参与协同操作的人数，建立的SAT分别用来记录和分析协同操作所有成员的时间、运动和情境意识指标参数。通过装置及协同任务的实验，测量获得所有SAT单元模型的指标参数，通过分析和计算得到冲突的数目及冲突类型。
ti表示协同操作任务中第i个成员的操作时间：
或
注：i为协同成员的个数
Si表示协同操作任务中的第i个成员的情景意识。
注：i为协同成员的个数
Oi表示协同操作任务中第i个成员的操作动作
注：i为协同成员的个数
计算冲突的公式为：Ci表示第i个成员与成员间在协同操作中有冲突发生
或
注：i为协同成员的个数
本发明的测量装置为：
本发明是一种协同操作中冲突测量装置，主要包括物理框架、人机显控界面模块、测量模块和软件模块主要四部分。
物理框架功能为：支撑人机显示和控制界面、固定各测量指标参数设备和为协同成员建立模拟场景的整体物理机构框架。
人机显控界面模块包括：包括显示装置和控制装置，功能为显示任务信息，成员操作控制装置完成协同任务。
测量模块包括：计时器、眼动仪和运动跟踪仪。该模块为本发明的核心模块。通过研究分析得到与冲突相关的指标包括时间指标、情境指标和操作动作指标，利用该模块可测量和记录冲突过程中团队成员的生理和任务操作等参数，经过仪器的测量分析指标参数，可得到协同过程中发生冲突的结果及相关生理指标和任务信息。
软件模块功能为：记录和计算指标参数模块输入数据，输出测量结果。
该测量装置可以模拟团队成员的协同任务，记录和分析与冲突相关的各项指标参数，包括冲突过程中实际人的生理参数和任务操作参数，最终可分析计算得到冲突及冲突类型。
本发明的优点在于：
（1）本发明可定量测量协同操作中的冲突及类型；
（2）本发明可定量测量分析与冲突直接相关的主要参数指标；
（3）本发明可以分析权衡与冲突相关因素，并指导和帮助多人协同操作显示和控制装置的设计和布局。
（4）本发明可通过人的生理参数和任务操作参数的测量，提前提示成员间冲突将发生。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是本发明的SAT模型示意图；
图3是本发明的运动跟踪仪手臂标记点位置；
图4是本发明的运动跟踪仪腿部标记点位置；
图5是头戴式眼动仪图；
图6是本发明方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种协同操作过程中冲突测量装置，如图1所示，包括物理框架、人机显控界面模块、测量模块和软件模块；
物理框架支撑人机显控界面模块的显示装置和控制装置，固定各测量指标参数设备，为协同成员建立模拟场景的整体物理机构框架；
人机显控界面模块包括显示装置和控制装置，显示装置显示必要的协同任务信息和协同显示信息界面，控制装置是被操作人员操作来完成协同任务；
测量模块包括计时器、眼动仪和运动跟踪仪；测量的参数如下；计时器测量时间指标参数，指标参数包括：开始协同的时间和协同的持续时间；运动跟踪仪测量动作指标参数，指标参数包括：操作动作和动作极限范围；眼动仪测量情境意识指标参数，指标参数包括：注视区域和注视时间；如图2所示，软件模块中建立SAT模型，测量模块将每个成员的时间指标参数、动作指标参数、情境意识指标参数输入至一个SAT模型，每个SAT模型中设有协同任务中规定的任务时间、操作动作和情境意识，将数据输出至SAT模型中，与协同任务中规定参数进行比较，获取冲突的数目及冲突类型；规定参数包括：规定的任务时间、操作动作和情境意识，SAT模型的个数为参与协同操作的人数，SAT模型中：
Ti表示协同操作任务中第i个成员的操作时间：
或
Si表示协同操作任务中的第i个成员的情景意识：
Oi表示协同操作任务中第i个成员的操作动作：
Ci表示第i个成员与成员间在协同操作中有冲突发生
或
其中，式中i表示第i个成员；
根据所有SAT单元模型的指标参数，获取所有成员协同操作过程中冲突的数目及冲突类型。
显示装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同任务职责确定。
控制装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同任务职责确定。
一种协同操作过程中冲突测量方法，如图6所示，包括以下几个步骤：
步骤一：设置物理框架、人机显控界面模块；
构建人机显控界面模块，包括显示装置和控制装置，显示装置和控制装置根据试验要求和协同任务要求确定；物理框架对人机显控界面模块的显示装置和控制装置进行支撑；
协同任务中的成员通过人机显控界面模块进行协同任务模拟；
步骤二：根据协同任务中的成员，建立每个成员相对应的SAT模型；
SAT模型的个数为参与协同操作的人数，SAT模型中：
Ti表示协同操作任务中第i个成员的操作时间：
或
Si表示协同操作任务中的第i个成员的情景意识：
Oi表示协同操作任务中第i个成员的操作动作：
Ci表示第i个成员与成员间在协同操作中有冲突发生
或
其中，式中i表示第i个成员；
步骤三：确定测量参数，进行指标测量；
构建测量模块，每个成员均设置有一个测量模块，测量模块包括计时器、眼动仪和运动跟踪仪；对应测量的参数为：计时器测量时间指标参数，时间指标参数包括：开始协同的时间和协同的持续时间；运动跟踪仪测量动作指标参数，动作指标参数包括：操作动作和动作极限范围；眼动仪测量情境意识指标参数，情境意识指标参数包括：注视区域和注视时间；；
每个测量模块分别对一个成员进行指标测量；
步骤四：确定协同任务；
确定协同任务，得到规定的任务时间、操作动作和情境意识，将数据输出至SAT模型中；
步骤五：调试、佩戴测量模块中的测量仪器；
调试、佩戴测量仪器，包括：眼动仪、运动跟踪仪及计时器；
步骤六：开始协同任务操作并进行数据测量；
协同任务开始后，协同任务中成员按照协同任务内容进行操作，测量模块进行指标测量，将得到的参数输出至SAT模型中；
步骤七：测量模块将每个成员的时间指标参数、动作指标参数、情境意识指标参数输入至一个SAT模型，获取冲突的数目及冲突类型；
根据（公式1）、（公式2）、（公式3）获取每个成员的操作时间、情景意识、操作动作，通过（公式4）成员在协同过程中某个动作是否引起或存在冲突。
本例中显示装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同任务职责确定显示信息，包括模拟显示仪表界面、显示协同任务信息及外景等；控制装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同任务职责确定，控制装置包括操作者使用的驾驶杆、协同任务中使用的操作控制按钮等；
本例中的协同操作任务为飞机轰炸任务。
本例使用的运动跟踪仪是根据标记人体主要关节来测量运动参数，需要分析协同操作任务，准确确定与人体动作有关的身体关节，并标记位置。飞机驾驶舱内操作动作主要是手臂和腿部动作，因此标记点位置如图3、图4所示；本例中采用眼动仪为头戴式眼动仪（如图5），眼动仪有一定重量，为了不影响测量结果，一般佩戴时间不应超过15分钟。
本发明是一种协同操作过程中冲突测量方法及装置，实施应包括以下几个步骤（如图6所示）：
步骤一：设置人机显控界面模块；
根据试验要求和协同任务要求，建立和设置显示装置和控制装置等试验环境。
所述的显示装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同任务职责确定显示信息，包括模拟显示仪表界面、显示协同任务信息及外景等；设置显示任务信息，包括显示重要仪表、任务目标初始值和飞行关键点要求（关键位置时飞机速度、高度、坡度和升降速度等）等。
所述的控制装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同任务职责确定，控制装置包括操作者使用的驾驶杆、协同任务中使用的操作控制按钮等；
操作者通过人机显控界面模块进行协同任务模拟；
步骤二：根据协同人员，建立相对于的SAT模型。
SAT模型如图2所示，建立每个成员对应SAT，并建立每个SAT测量参数。
步骤三：确定测量参数后，进行指标测量；
测量指标参数装置包括计时器、眼动仪和运动跟踪仪，指标包括：时间指标、动作指标和情境意识指标。
每个成员位置均设置有计时器、眼动仪和运动跟踪仪。测量指标参数包括：计时器测量成员开始协同的时间和协同的持续时间，与规定时间参数比较分析得到Ti（公式1）；眼动仪测量操作者协同过程中的情境意识参数，包括协同任务中操作者的注视区域和注视时间，与任务中规定的协同情境意识进行分析对比得到Si（公式2）；运动跟踪仪测量协同任务中与冲突有关的操作动作参数，包括操作者操作动作和操作动作极限范围，与任务规定的操作及操作顺序比较分析得到Oi（公式3）。
步骤四：确定协同任务。
本发明如图1所示的实施例中，建立的试验任务为两人驾驶飞行协同任务，在时间压力下，完成特定的协同目标。分析试验任务，确定标准的协同任务流程：规定的任务时间、操作动作和情境意识，把数据加入到建立的SAT模型中。
步骤五：调试、佩戴测量仪器；
调试、佩戴测量仪器，包括：眼动仪、运动跟踪仪及计时器。协同任务开始后，分别测量操作者在协同任务过程中的指标参数。利用眼动仪，精确测量情境意识参数；利用运动跟踪仪，并标记被试者任务中主要的施力位置（如图3，图4），来测量被试者的动作参数。利用秒表进行协同时间参数的测量。
步骤六：开始协同任务操作并进行数据测量。
本发明实施例中，系统提示协同任务开始时，两名被试者按照协同任务要求进行操作，并在规定时间完成协同目标。协同任务过程中，不干扰两名被试者的操作，直至得到任务目标成功或失败的信息。任务过程中，出现被试者失误导致任务失败则重新开始任务。记录下两名被试者操作任务过程数据，包括：两名被试者的时间参数、动作参数和情境意识的指标参数。
步骤七：试验数据处理。测量三个指标参数：T、O和S，由公式（4）确定操作者在协同过程中某个动作是否引起或存在冲突C。
根据建立的SAT模型，分析测量的三个指标数据及测量的T、O和S，确定发生的冲突的类型，最终结果如表1。
表1冲突的次数和类型
该方法及装置可以测量协同过程中是否有冲突发生，并得到冲突的模式（数字（1）～（5）），根据测量影响指标（时间、操作动作和情境意识因素）的结果，指导和帮助团队人机显示和控制界面设计和布局。

Claims (2)

1.一种协同操作过程中冲突测量装置，包括物理框架、人机显控界面模块、测量模块和软件模块；该冲突测量装置用于模拟团队成员的协同操作任务，记录和分析与冲突相关的各项指标参数，包括冲突过程中实际人的生理参数和任务操作参数，分析计算得到冲突的数目及冲突类型，并分析权衡与冲突相关因素，以指导和帮助多人协同操作的显示装置和控制装置的设计和布局；其中
物理框架支撑人机显控界面模块的显示装置和控制装置，固定测量模块，为协同成员建立模拟场景的整体物理机构框架；
人机显控界面模块包括显示装置和控制装置，显示装置显示必要的协同操作任务信息和协同显示信息界面，控制装置是被操作人员操作来完成协同操作任务；
测量模块包括计时器、眼动仪和运动跟踪仪；测量的参数如下；计时器测量时间指标参数，时间指标参数包括：开始协同的时间和协同的持续时间；运动跟踪仪测量动作指标参数，动作指标参数包括：操作动作和动作极限范围；眼动仪测量情境意识指标参数，情境意识指标参数包括：注视区域和注视时间；软件模块中建立SAT模型，测量模块将每个成员的时间指标参数、动作指标参数、情境意识指标参数输入至一个SAT模型，每个SAT模型中设有协同操作任务中规定的任务时间、操作动作和情境意识，将测量模块测量得到的每个成员的时间指标参数、动作指标参数和情境意识指标参数，与协同操作任务中规定的任务时间、操作动作和情境意识进行比较，获取冲突的数目及冲突类型；SAT模型的个数为参与协同操作的人数，SAT模型中：
Ti、T* i表示协同操作任务中第i个成员的操作时间：
或
  (公式1)
公式1中，ti表示某个协同操作任务中第i个成员的实际操作时间；
Si表示协同操作任务中的第i个成员的情境意识：
  (公式2)
Oi表示协同操作任务中第i个成员的操作动作：
  (公式3)
Ci表示第i个成员与成员间在协同操作中有冲突发生
或
  (公式4)
其中，式中i表示第i个成员；
根据所有SAT模型的指标参数，获取所有成员协同操作过程中冲突的数目及冲突类型；
以及，其中显示装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同操作任务职责确定；控制装置根据真实的驾驶舱内人机界面情况及操作者的协同操作任务职责确定。
2.一种协同操作过程中冲突测量方法，包括以下几个步骤：
步骤一：设置物理框架、人机显控界面模块；
构建人机显控界面模块，包括显示装置和控制装置，显示装置和控制装置根据试验要求和协同任务要求确定；物理框架对人机显控界面模块的显示装置和控制装置进行支撑；
协同操作任务中的成员通过人机显控界面模块进行协同操作任务模拟；
步骤二：根据协同操作任务中的成员，建立每个成员相对应的SAT模型；
SAT模型的个数为参与协同操作的人数，SAT模型中：
Ti、T* i表示协同操作任务中第i个成员的操作时间：
或
  (公式1)
公式1中，ti表示某个协同操作任务中第i个成员的实际操作时间；
Si表示协同操作任务中的第i个成员的情境意识：
  (公式2)
Oi表示协同操作任务中第i个成员的操作动作：
  (公式3)
Ci表示第i个成员与成员间在协同操作中有冲突发生
或
  (公式4)
其中，式中i表示第i个成员；
步骤三：确定测量参数，进行指标测量；
构建测量模块，每个成员均设置有一个测量模块，测量模块包括计时器、眼动仪和运动跟踪仪；对应测量的参数为：计时器测量时间指标参数，时间指标参数包括：开始协同的时间和协同的持续时间；运动跟踪仪测量动作指标参数，动作指标参数包括：操作动作和动作极限范围；眼动仪测量情境意识指标参数，情境意识指标参数包括：注视区域和注视时间；
每个测量模块分别对一个成员进行指标测量；
步骤四：确定协同操作任务；
确定协同操作任务，得到规定的任务时间、操作动作和情境意识，将规定的任务时间、操作动作和情境意识输出至SAT模型中；
步骤五：调试、佩戴测量模块中的测量仪器；
调试、佩戴测量仪器，包括：眼动仪、运动跟踪仪及计时器；
步骤六：开始协同操作任务操作并进行数据测量；
协同操作任务开始后，协同操作任务中成员按照协同操作任务内容进行操作，测量模块进行指标测量；
步骤七：测量模块将测量得到的每个成员的时间指标参数、动作指标参数、情境意识指标参数输入至一个SAT模型，获取冲突的数目及冲突类型；
根据(公式1)、(公式2)、(公式3)获取每个成员的操作时间、情境意识、操作动作，通过(公式4)确定成员在协同操作过程中某个动作是否引起或存在冲突，并得到冲突的数目及冲突类型，通过人的生理参数和任务操作参数的测量，提前提示成员间冲突将发生，根据测量的任务操作时间、操作动作和情境意识的结果，指导和帮助团队人机显示和控制界面设计和布局。
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