CN105787157A - 一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法 - Google Patents

一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法，对座舱的工效设计进行有效分析，包括步骤：将飞行员在不同飞行阶段中所要完成的操作任务分解为多个元任务，用决策节点和对应每个决策节点的决策状态来描述一个元任务；将元任务中不同决策节点对应的决策状态数求和得到元任务的决策次数；设置用于评价飞行员动作特性的动作指标并形成飞行员动作指标集，根据飞行员动作指标和元任务决策次数构建动作决策相关性模型；利用动作决策相关性模型得出不同座舱工效设计方案与飞行员动作决策间的相关性水平，实现对飞机座舱方案工效设计水平的有效分析。

Description

一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法
技术领域
本发明涉及航空人机工效技术领域，尤其是一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法。
背景技术
飞行任务下的动作决策过程，需要飞行员感知与决策有关的信息，并在当时特定的任务情境下，运用基于分析(短时，工作记忆)、联想(长时记忆)的预测方式，实现任务连续情境的模式识别与匹配，从而进行相应的决策，并根据决策采取动作。随着飞机智能化水平的不断提高，飞行任务逐渐趋于复杂和多样化，当飞行任务越复杂，飞行员需要做出的决策次数越多，飞行员要承受的心理及生理负荷越大，操纵动作更容易出错，因此，亟需提出一种与飞行员动作决策具有相关性的座舱工效设计参数分析方法，基于该方法分析飞机座舱的工效设计是否合理，为提高飞行操纵效率、优化座舱内部布置设计提供依据。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法。
技术方案：本发明提出的技术方案为：一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法，包括：
步骤1：定义飞机座舱内不同种类操作设备的工效设计参数；所述工效设计参数包括操作设备的种类、形状、体积、排列顺序、在座舱中的安装位置、设备间的间距；基于工效设计参数在半物理座舱工效设计试验平台构建飞机座舱工效设计方案，飞行员基于飞机座舱工效设计方案和控制系统的支持，执行操作任务；
步骤2：将飞行员在不同飞行阶段中所要完成的操作任务分解为多个元任务，用决策节点和对应每个决策节点的决策状态来描述一个元任务；所述决策状态包括根据该节点飞行员能够采取的操作方案；
步骤3：将每个元任务用编号j表示，j＝[1,2,...]，设元任务j中包含n个决策节点，定义在决策节点处进行一次决策状态的选择记为一次决策；计算元任务j中不同决策节点对应的决策状态数，将不同决策节点对应的决策状态数求和得到元任务j的决策次数；
步骤4：设置用于评价飞行员动作特性的动作指标并形成飞行员动作指标集；根据飞行员动作指标集和元任务j的决策次数，构建用于描述飞行员动作指标与元任务j决策次数之间关联关系的飞行员动作决策相关性模型；所述动作指标包括：飞行员动作的全面性指标、飞行员动作的准确性指标和飞行员动作及时性指标；
步骤5：根据动作指标与元任务j决策次数之间的关联关系，得出不同座舱工效设计参数与飞行员动作决策间的相关性水平，表示为L＝{l1，l2,…}，设目标水平为li，从不同种类飞机座舱工效设计参数中选取满足目标水平为li的方案。
进一步的，所述步骤3中元任务j的决策次数计算步骤包括：
2-1根据元任务中各决策节点之间的逻辑关系将元任务分为两类：顺序-选择类元任务和循环类元任务，其中，顺序-选择类元任务中后一个决策点在前一个决策点发生后才能发生，循环类元任务中在未达到设定条件时后一决策点与前一决策点保持循环关系；
2-2顺序-选择类元任务：当元任务j中只有一个决策节点时，元任务j的决策次数表示为：
Sj＝λ
其中，λ为该决策节点对应的决策状态数；
当元任务j中有多个决策节点，且每个决策节点对应的决策状态数均相同时，元任务j的决策次数表示为：
Sj＝nλ
其中，n为元任务j中的决策节点数；
当元任务j中有多个决策节点，每个决策节点对应的决策状态数不完全相同时，元任务j的决策次数表示为：
S j = Σ 1 n λ k
其中，k表示第k个决策节点(k＝1,2，…,n)，λk表示第k个决策节点对应的决策状态数，n为元任务j中的决策节点数；
2-3循环类元任务，循环类元任务j的决策次数表示为：
Sj＝ajλ
其中，aj表示循环次数。
进一步的，所述步骤4中，飞行员动作指标集为U＝{U1,U2,U3}，其中，U1表示飞行员动作的全面性指标因素，U2表示飞行员动作的准确性指标因素，U3表示飞行员动作的及时性指标因素；飞行员动作决策相关性模型为：U＝g(x)，其中g＝{g1,g2,g3}为动作指标因素U1、U2、U3分别与元任务j决策次数之间的关联关系；x＝Sj为元任务j的决策次数。
有益效果：本发明提出一种与飞行员动作决策具有相关性的座舱工效设计参数分析方法，基于该方法进行座舱工效设计参数分析能够有效评价现有飞机座舱的工效设计是否合理，为提高飞行操纵效率、优化座舱内部布置设计提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为座舱功能区域层次聚类原理示例图；
图3为动作决策过程的逻辑关系图；
图4为动作决策过程逻辑关系分析实施例流程图；
图5为顺序执行实施例流程图；
图6为选择执行实施例流程图；
图7为循环执行实施例流程图；
图8为元任务中顺序-选择关系组合实施例流程图；
图9为元任务各阶段状态数相同的实施例流程图；
图10为元任务各阶段状态数不同的实施例流程图；
图11为动作准确性分析实施例结果图；
图12动作及时性指标分析实施例结果图；
图13为飞机座舱操作设备分层聚类树形图。
具体实施方式
本发明提出一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法，包括：
步骤1：定义飞机座舱内不同种类操作设备的工效设计参数；所述工效设计参数包括操作设备的种类、形状、体积、排列顺序、在座舱中的安装位置、设备间的间距；基于工效设计参数在半物理座舱工效设计试验平台构建飞机座舱工效设计方案，飞行员基于飞机座舱工效设计方案和控制系统的支持，执行操作任务；
步骤2：将飞行员在不同飞行阶段中所要完成的操作任务分解为多个元任务，用决策节点和对应每个决策节点的决策状态来描述一个元任务；所述决策状态包括根据该节点飞行员能够采取的操作方案；
步骤3：将每个元任务用编号j表示，j＝[1,2,...]，设元任务j中包含n个决策节点，定义在决策节点处进行一次决策状态的选择记为一次决策；计算元任务j中不同决策节点对应的决策状态数，将不同决策节点对应的决策状态数求和得到元任务j的决策次数；
步骤4：设置用于评价飞行员动作特性的动作指标并形成飞行员动作指标集；根据飞行员动作指标集和元任务j的决策次数,构建用于描述飞行员动作指标与元任务j决策次数之间关联关系的飞行员动作决策关系模型；所述动作指标包括：飞行员动作的全面性指标、飞行员动作的准确性指标和飞行员动作及时性指标；
步骤5：根据动作指标与元任务j决策次数之间的关联关系,得出不同座舱工效设计方案的飞行员动作决策相关性水平，表示为L＝{l1，l2,…}，设目标水平为li，从不同种类飞机座舱工效设计参数中选取满足目标水平为li的方案。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示为本发明的实施例流程图，在本实施例中包括以下步骤：
(一)将飞机座舱内的操作设备分为不同的功能区域，根据灰色关联度方法计算得到不同功能区域间的关联系数，采用分层聚类方法对功能区域进行聚类。所述操作设备包括控制系统和操作面板；所述控制系统包括液压控制系统、动力控制系统和环境控制系统；所述操作面板包括驾驶杆/盘、油门杆、脚蹬、按钮、拨钮、旋钮、手轮、仪表、显示器屏幕等。
(1)求出飞机座舱内的操作设备不同功能区域间的相关系数
假设飞机的飞行阶段分为阶段1至阶段8，操作设备功能区域分为9部分，分别为X1至X9。通过直接观察飞行员操作、观看录像及飞行员问卷调查的方式，得到不同的飞行阶段，飞行员在不同功能区域的操作次数，并记录在表1中。
表1不同飞行阶段的功能区域操作次数
根据灰色关联度的计算方法，得出某一功能区域与其他功能区域之间关联度，如表2所示，可作为功能区域间的相关系数。
表2功能区域间的相关系数
(2)对功能区域进行聚类
根据灰色关联度方法计算得到的不同功能区域间的相关系数，采用分层聚类方法对上述功能区域进行聚类，具体的步骤如下。
在表2中，X5和X6的相关系数0.9318最大，先将这两个区域聚成新类{5,6}，再求区域X1、X2、X3、X4、X7、X8、X9和{5,6}的相关系数，取这些区域和区域X5、X6的相关系数中较大的作为与{5,6}的相关系数，如
r{5,6}1＝max[r51,r61]＝max[0.6226,0.6123]＝0.6226
r{5,6}2＝max[r52,r62]＝max[0.6478,0.6722]＝0.6478
通过这样的方式求得所有相关系数如表3的<1>所列。<1>中最大的相关系数为0.9000，因此将区域x2和x3聚为新类{2,3}。
通过同样的方法，求区域x1、x4、x7、x8、x9、{5,6}与{2,3}的相关系数，如<2>所示。
继续上述的聚类过程，直至全部区域变量都并为一类为止。聚类的各个步骤对应的相关系数分别列于表3的<1>～<7>中，最后形成树形图，见图13所示。
表3功能区域聚类分析
<1>
{5,6} 1 2 3 4 7 8 9
{5,6} 1
1 0.6226 1
2 0.6478 0.6121 1
3 0.7234 0.6006 0.9000 1
4 0.7348 0.6062 0.7252 0.7750 1
7 0.8102 0.5882 0.6908 0.7465 0.7465 1
8 0.6251 0.5291 0.5936 0.6795 0.6795 0.7125 1
9 0.6385 0.5383 0.6029 0.6854 0.6854 0.7291 0.8333 1
<2>
{2,3} {5,6} 1 4 7 8 9
{2,3} 1
{5,6} 0.7234 1
1 0.6121 0.6226 1
4 0.7750 0.7348 0.6062 1
7 0.7465 0.8102 0.5882 0.7465 1
8 0.6795 0.6251 0.5291 0.6795 0.7125 1
9 0.6854 0.6385 0.5383 0.6854 0.7291 0.8333 1
<3>
{2,3} {5,6} {8,9} 1 4 7
{2,3} 1
{5,6} 0.7234 1
{8,9} 0.6854 0.6385 1
1 0.6121 0.6226 0.5383 1
4 0.7750 0.7348 0.6854 0.6062 1
7 0.7465 0.8102 0.7291 0.5882 0.7465 1
<4>
{2,3} {5,6,7} {8,9} 1 4
{2,3} 1
{5,6,7} 0.7465 1
{8,9} 0.6854 0.7291 1
1 0.6121 0.6226 0.5383 1
4 0.7750 0.7465 0.6854 0.6062 1
<5>
{2,3,4} {5,6,7} {8,9} 1
{2,3,4} 1
{5,6,7} 0.7465 1
{8,9} 0.6854 0.7291 1
1 0.6121 0.6226 0.5383 1
<6>
{2,3,4,5,6,7} {8,9} 1
{2,3,4,5,6,7} 1
{8,9} 0.7291 1
1 0.6226 0.5383 1
<7>
{2,3,4,5,6,7} 1
{2,3,4,5,6,7,8,9} 1
1 0.6226 1
基于上述分层聚类的树形图结果对飞机座舱的操作设备进行工效设计，定义飞机座舱内不同种类操作设备的工效设计参数；所述工效设计参数包括飞机座舱操作设备的种类、形状、体积、排列顺序、在座舱中的安装位置、设备间的间距以及控制系统(包括液压、动力、环境控制系统等)；基于工效设计参数在半物理座舱工效设计试验平台构建飞机座舱工效设计方案，飞行员基于飞机座舱工效设计方案和控制系统的支持，执行飞行操作任务；
(二)对飞行员的动作决策过程描述
飞行员动作决策过程描述是基于任务时间序列，采用活动方框表示对飞行员的任务要求及操纵动作，例如图3所示：决策点由菱形框图来表示，以二元方式扩展，箭头交汇或分叉的地方以“和”、“或”或者“和/或”连接以表达特定任务中飞行员决策动作的逻辑互联和信息流。下面以一个实施例来说明对于飞行员动作决策过程的描述。以飞行着陆过程中，起落架已处于“放下”位置，但表示“起落架放下”的信号灯不亮的情况为任务背景，飞行员该任务背景中需按照顺序完成任务一至任务四，具体流程如图4所示。针对不同任务中的不同决策次数，通过对动作指标的测量，得到决策次数与动作指标之间的相关关系。
任务一：工作人员发送提示液压系统压力过低，被试者收油门到减速档，并按“应急放起落架”按钮。
任务二：工作人员发送提示液压系统正常，被试者按键“a”并询问检灯是否正常，工作人员发送提示信号灯已失效，被试者重复放起落架1次，将其再次置于“放下”位置，着陆滑行灯转化开关置于“滑行”位置，按压“通讯”按钮，向飞行指挥员证实起落架已放下。
任务三：工作人员发送提示液压系统正常，被试者按键“a”并询问检灯是否正常，工作人员发送提示信号灯功能正常，被试者按键“b”并询问起落架支柱位置，工作人员发送提示起落架支柱未在下锁位，被试重复放起落架2次，按压“b”键并询问起落架支柱位置，工作人员发送提示起落架支柱已在下锁位。
任务四：工作人员发送提示液压系统正常，被试按键“a”并询问检灯是否正常，工作人员发送提示信号灯功能正常，被试按键“b”并询问起落架支柱位置，工作人员发送提示起落架支柱未在下锁位，被试重复放起落架2次，按压“b”键并询问起落架支柱位置，工作人员发送提示起落架支柱未在下锁位，被试收油门到减速档，并按“应急放起落架”按钮。
(三)对飞行员决策逻辑关系分类
按照飞行员执行操作任务过程中多阶段决策间的逻辑关系分为顺序执行模式、选择执行模式和循环执行模式；
顺序执行流程如图5所示，A、B表示任务中的决策，t11、t12、t21和t22为决策后的动作，图5中决策B是决策A的后继，B在A发生后才有发生权，决策A和决策B在该任务中具有顺序关系。
选择执行是由于在某一特定的任务状态下，飞行员接收到的信息有限，且情境状况只允许飞行员在多种决策状态下选择一种，如图6所示，在同一时刻，决策A1、A2、…An只能有一个发生，决策A1、A2、…An为选择关系。
循环执行如图7所示，没达到某一条件或任务要求时，该时间段内的决策为循环关系，即不同时刻的决策A保持循环关系。
(四)飞行员动作指标集的量化
设置用于评价飞行员动作特性的动作指标并量化形成飞行员动作指标集U＝{U1,U2,U3}，其中，U1表示飞行员动作的全面性指标因素，U2表示飞行员动作的准确性指标因素，U3表示飞行员动作的及时性指标因素。
(五)飞行员动作决策关系模型构建
1、决策次数计算方法
根据飞行任务框图可知，飞行员完成的任务由多个元任务构成，对于飞行/作战过程中任一元任务，可能包含多个决策阶段，每个阶段决策的状态有多种，多个决策之间可能包含着顺序、选择和循环关系，元任务就是这三种关系的组合。
由于在元任务执行过程中，顺序伴随着选择关系发生，且决策环节数决定顺序的关系数，一般组合包含2种情况：①顺序-选择；②循环。
①顺序-选择
若顺序-选择组合关系的决策仅包含1个阶段，则在该元任务中仅有选择关系，则元任务的决策次数Sj＝λ，λ为该阶段的决策状态数(即飞行员能够采取的操作方案可选择数)。
若决策过程不只1个阶段，如图8所示，在该种类型中，A1和A2为选择关系，A1和A11为顺序关系，其中，处于同一逻辑时间的A1、A2以及A1、A2对应的决策状态t1、t2、t3为第一阶段；A11、A21以及A11、A21对应的决策状态为第二阶段；各个阶段的决策次数可分为每阶段状态数相同和不同两种。
当每个阶段的状态数相同时，如图9所示，该阶段中假设每一阶段的决策状态数为2，则阶段一的决策次数为2，阶段二的决策次数为4。
当每个阶段的状态数不完全相同时，如图10所示，阶段一的决策次数为2，阶段二的决策次数为5。
根据上述分析，将每个元任务用编号j表示，j＝[1,2,...]，设元任务j中包含n个决策节点，定义在决策节点处进行一次决策状态的选择记为一次决策；当元任务j中只有一个决策节点时，元任务j的决策次数表示为：
Sj＝λ
其中，λ为该决策节点对应的决策状态数；
当元任务j中有多个决策节点，且每个决策节点对应的决策状态数均相同时，元任务j的决策次数表示为：
Sj＝nλ
其中，n为元任务j中的决策节点数；
当元任务j中有多个决策节点，每个决策节点对应的决策状态数不完全相同时，元任务j的决策次数表示为：
S j = &Sigma; 1 n &lambda; k
其中，k表示第几个决策节点，λk表示第k个决策节点对应的决策状态数，n为元任务j中的决策节点数。
②循环
根据决策类型的分析，在任务要求的决策中存在循环关系，可单独作为一种类型的元任务，如图7所示，其总的决策次数为循环数与决策状态数的乘积，即Sj＝ajλ，aj表示循环次数，一般在循环关系中，决策状态数λ＝2(是/否)。
2、根据飞行员动作指标集和元任务j的决策次数构建用于描述飞行员动作指标与元任务j决策次数之间关联关系的飞行员动作决策关系模型：U＝g(x)，其中g＝{g1,g2,g3}为动作指标因素U1、U2、U3分别与元任务j决策次数之间的关联关系；x＝Sj为元任务j的决策次数。
(六)利用动作决策相关性模型进行座舱工效设计
根据动作指标与元任务j决策次数之间的关联关系，得出不同座舱工效设计方案的飞行员动作决策相关性水平，表示为L＝{l1，l2,…}，设目标水平为li，从不同种类飞机座舱工效设计参数中选取满足目标水平为li的方案。当总体方案对应的动作决策相关性水平低于li时，满足要求，否则应考虑优化总体方案，将部分人的执行任务交于自动系统完成。
以图4任务为例，根据决策次数的计算方法，任务一中仅有一个决策环节，状态数为2，该任务的决策次数为2，即S1＝2；任务二，其决策环节2个，S2＝4；任务三的决策次数S3＝6；任务四的决策次数S4＝8。进一步通过动作决策相关性试验，得到与之对应的总体设计方案的动作准确性分析结果，如图11所示；以及动作及时性分析结果，如图12所示，进而根据目标水平li评判是否满足预定的目标水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法，其特征在于包括：
步骤1：定义飞机座舱内不同种类操作设备的工效设计参数；所述工效设计参数包括操作设备的种类、形状、体积、排列顺序、在座舱中的安装位置、设备间的间距；基于工效设计参数在半物理座舱工效设计试验平台构建飞机座舱工效设计方案，飞行员基于飞机座舱工效设计方案和控制系统的支持，执行操作任务；
步骤2：将飞行员在不同飞行阶段中所要完成的操作任务分解为多个元任务，用决策节点和对应每个决策节点的决策状态来描述一个元任务；所述决策状态包括按照该节点飞行员能够采取的操作方案；
步骤3：将每个元任务用编号j表示，j＝[1,2,...]，设元任务j中包含n个决策节点，定义在决策节点处进行一次决策状态的选择记为一次决策；计算元任务j中不同决策节点对应的决策状态数，将不同决策节点对应的决策状态数求和得到元任务j的决策次数；
步骤4：设置用于评价飞行员动作特性的动作指标并形成飞行员动作指标集；根据飞行员动作指标集和元任务j的决策次数,构建用于描述飞行员动作指标与元任务j决策次数之间关联关系的飞行员动作决策相关性模型；所述动作指标包括：飞行员动作的全面性指标、飞行员动作的准确性指标和飞行员动作及时性指标；
步骤5：根据动作指标与元任务j决策次数之间的关联关系,得出不同座舱工效设计参数与飞行员动作决策间的相关性水平，表示为L＝{l1，l2,…}，设目标水平为li，从不同种类飞机座舱工效设计参数中选取满足目标水平为li的方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法，其特征在于，所述步骤3中元任务j的决策次数计算步骤包括：
2-1根据元任务中各决策节点之间的逻辑关系将元任务分为两类：顺序-选择类元任务和循环类元任务，其中，顺序-选择类元任务中后一个决策点在前一个决策点发生后才能发生，循环类元任务中在未达到设定条件时后一决策点与前一决策点保持循环关系；
2-2顺序-选择类元任务：当元任务j中只有一个决策节点时，元任务j的决策次数表示为：
Sj＝λ
其中，λ为该决策节点对应的决策状态数；
当元任务j中有多个决策节点，且每个决策节点对应的决策状态数均相同时，元任务j的决策次数表示为：
Sj＝nλ
其中，n为元任务j中的决策节点数；
当元任务j中有多个决策节点，每个决策节点对应的决策状态数不完全相同时，元任务j的决策次数表示为：
S j = &Sigma; 1 n &lambda; k
其中，k表示第k个决策节点，k＝(1,2，…,n)，λk表示第k个决策节点对应的决策状态数，n为元任务j中的决策节点数；
2-3循环类元任务，循环类元任务j的决策次数表示为：
Sj＝ajλ
其中，aj表示循环次数。
3.根据权利要求1所述的一种基于动作决策相关性的座舱工效设计参数分析方法，其特征在于，所述步骤4中，飞行员动作指标集为U＝{U1,U2,U3}，其中，U1表示飞行员动作的全面性指标因素，U2表示飞行员动作的准确性指标因素，U3表示飞行员动作的及时性指标因素；飞行员动作决策相关性模型为：U＝g(x)，其中g＝{g1,g2,g3}为动作指标因素U1、U2、U3分别与元任务j决策次数之间的关联关系；x＝Sj为元任务j的决策次数。
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