CN109740936A - 一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统,包含评估软件和视频跟踪测量系统，评估软件根据视频跟踪测量系统采集的数据和自身提供的编辑界面获取任务完成率指标数据、出错频度指标数据、求助频度指标数据、误操作修正指标数据、可学习性指标数据、任务难度指标数据、认知负荷指标数据、人机交互界面满意度指标数据、舒适度指标数据、驾驶舱安全性设设指标数据、人机交互安全性指标数据，根据上述指标数据以及确定的评估场景得到包含有效性指标数据、效率指标数据、满意度指标数据、安全性指标数据的评估结果。本发明将驾驶舱评估客观测量与主观评价相结合，能更好的对民机驾驶舱可用性进行评价。

Description

一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统

技术领域

本发明属于民用飞机驾驶舱设计评估领域，是一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统。

背景技术

根据国际标准ISO 9241-11：“可用性”是指产品在特定使用环境下为特定用户用于特定用途时所具有的有效性、效率和用户满意度(The extent to which a product canbe used by specified users to achieve specified goals with effectiveness,efficiency,and satisfaction in a specified context of use)。

可用性研究已具备完整的理论体系并形成一门新的专业学科：可用性工程(Usability Engineering)。以美国认知心理学家诺曼和尼尔森为代表，可用性工程建立于认知心理学、实验心理学、人类学和程序工程学等基础学科的基础上，在产品开发过程中，通过结构化的方法提高交互产品的可用性。

可用性研究主要应用在用户界面开发、应用APP、网站页面、工业产品等方面，在驾驶舱评估方面研究较为缺乏，国内没有相关的应用研究案例。

现代民机驾驶舱的设计暴露出飞行员信息需求和操作需求与驾驶舱系统设计、飞行任务、工作环境之间的不匹配问题。目前传统的驾驶舱评估是纯主观评价的驾驶舱评估方法，没有以客观测量数据为主、主观评价为辅的主客观相结合的程度，从而不能避免驾驶舱评估中受到个体差异及主观倾向的影响。驾驶舱可用性评估可从飞行员操纵飞机的角度，对飞行机组安全、高效、舒适地操纵飞机进行评价，尽早发现这种不匹配，提高飞行效率和安全性。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统，可从飞行员操纵飞机的角度，对飞行机组安全、高效、舒适地操纵飞机进行评价，尽早发现这种不匹配，提高飞行效率和安全性。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统,包含评估软件和视频跟踪测量系统；

所述视频跟踪测量系统包含眼动仪、可穿戴动作捕捉设备和视频记录设备，所述眼动仪采集飞行员在操纵飞行器时的眼部数据，并将眼部数据转化为认知负荷指标数据；所述可穿戴动作捕捉设备采集飞行员在操纵飞行器时的身体各部位的动作数据；所述视频记录设备采集飞行员在操纵飞行器时的视频数据，并将视频数据转化为驾驶舱防差错设计指标数据、可视性指标数据、和操作可达性指标数据；

所述评估软件包含评估场景选定模块、评估数据输入模块、数据处理模块、可用性评估模块；

所述评估场景选定模块用于提供评估场景选取功能和场景编辑功能，从而确定用于可用性评估的评估场景；

所述评估数据输入模块用于从视频跟踪测量系统获取认知负荷指标数据；提供对视频跟踪测量系统输出的驾驶舱防差错设计指标数据、可视性指标数据和操作可达性指标数据进行编辑的界面，从而得到驾驶舱安全性设设指标数据和人机交互安全性指标数据；提供对视频跟踪测量系统输出的动作数据进行初步筛选的界面；提供对环境舒适性指标数据任务完成率指标数据、出错频度指标数据、求助频度指标数据、误操作修正指标数据、可学习性指标数据、任务难度指标数据、人机交互界面满意度指标数据的编辑界面；

数据处理模块从评估数据输入模块筛选后的动作数据中提取有效的动作数据段，从而得到操作舒适性指标数据，结合操作舒适性指标数据和环境舒适性指标数据得到舒适性指标数据；

所述可用性评估模块提供编辑任务完成率指标数据、出错频度指标数据、求助频度指标数据、误操作修正指标数据在有效性指标数据中的权重的界面，提供编辑可学习性指标数据、任务难度指标数据、认知负荷指标数据在效率指标数据中的的权重的界面，提供编辑人机交互界面满意度指标数据、舒适度指标数据在满意度指标数据中的权重的界面，提供编辑驾驶舱安全性设设指标数据和人机交互安全性指标数据在安全性指标数据中的权重的界面，根据编辑好的权重以及评估场景选定模块中确定的评估场景得到包含有效性指标数据、效率指标数据、满意度指标数据、安全性指标数据的评估结果。

进一步，所述评估软件中还包含评估报告输出模块，所述评估报告输出模块结合评估场景选定模块确定的评估场景、评估数据输入模块获取到的各个指标数据和可用性评估模块得到的评估结果生成报告文件。

进一步，所述评估软件中还包含评估历史数据模块，所述评估历史数据模块用于提供对评估报告输出模块生成的历次报告文件进行查看的功能。

进一步，所述评估软件中还包含易用性模块，所述易用性模块根据以往的报告文件建立校验模型，利用校验模型对本次可用性评估过程中使用到数据的进行校验。

本发明的有益效果在于：

本发明的提供的用于民机驾驶舱可用性评估的系统将驾驶舱评估客观测量与主观评价相结合，采用了最先进的人为因素测量工具并编制了高效的数据处理分析程序。将用于型号驾驶舱的优化，大大提高使用人员的人机交互舒适度，更是大大减少型号优化的开发成本。

附图说明

图1为用于民机驾驶舱可用性评估的系统的结构示意图。

图2为驾驶舱可用性评估系统中一级指标的关系示意图。

图3为评估软件的流程示意图。

图4为可穿戴动作捕捉设备的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本实施例所示的用于民机驾驶舱可用性评估的系统包含评估软件和视频跟踪测量系统。

视频跟踪测量系统包含眼动仪、可穿戴动作捕捉设备、视频记录设备。视频跟踪测量系统需要采集的数据见表1所示。

表1

评估软件包含评估场景选定模块、评估数据输入模块、数据处理模块、可用性评估模块、评估报告输出模块、评估历史数据模块和易用性模块。

(1)场景选定模块

场景选定模块用于提供评估场景选取界面和场景编辑界面。在评估场景选取界面中，用户可以对标准仪表离场场景、标准仪表进场场景、失误进近和复飞场景及发动机着火场景等评估场景进行选择，还可以对飞机的机型进行选择。在场景编辑界面中，用户可以对每一个评估场景的场景子任务、故障应急水平、评估指标计算权重进行设置，这样可以保证所选取的场景既具备代表性，又体现差异性。使民机驾驶舱可用性评估结果更具实际意义。

(2)评估数据输入模块

在评估数据输入模块中主要提供了六个方面的数据输入功能：调查问卷数据输入、动作捕捉数据输入、任务测量数据输入、安全测量数据输入、可学习性数据输入和任务认知数据输入。

本发明所提供的驾驶舱的可用性评估是从飞行员的角度衡量飞行员在驾驶舱中完成各项任务的安全性、有效性、效率以及飞行员对其的满意度，参见表2所示的驾驶舱的可用性评估指标体系。可用性评估指标体系按照工效学的评估方法中对指标体系的一般定义设计。从可用性的角度来讲，一级指标即为维度层指标，二级指标为准则层指标，三级指标为因素层指标，四级指标为设计层指标。

表2

参见图2所示，有效性，效率，满意度，安全性这四个一级指标层层递进，涵盖了民机驾驶舱可用性的所有评价内容。

安全性定义为飞行员在驾驶舱中执行任务的安全程度，保证飞行员在驾驶舱中执行任务的人机交互安全性是评估其他指标的前提。其中驾驶舱安全性设计主要是指驾驶舱防差错设计；人机交互安全性由操作的可视性和可达性指标衡量。

有效性衡量飞行员完成任务的正确和完整程度，用来描述“任务能否执行”。由以下四个指标表示：任务完成率、出错频度、求助频度、误操作修正。

效率定义为完成任务要求飞行员所付出的操作量，用来描述“任务能否高效执行”，以可学习性和任务难度定义。

满意度为飞行员对驾驶舱这一工作环境及操作对象的满意程度，用来描述“任务在高效执行的同时，飞行员与驾驶舱的人机交互是否让其身心愉悦”，是可用性的最终属性。满意度分为人机交互界面满意度以及舒适性两个指标。舒适性分为操作舒适性和环境舒适性。操作舒适性由飞行员动态操纵姿态舒适性衡量；而环境舒适性则由座椅舒适性和微环境舒适性来衡量。

可用性的四个一级指标通过二级指标计算来获得，而二级指标可通过动作捕捉参数、眼动跟踪参数以及主观问卷参数等，借助评估数据输入模块和数据处理模块自动进行计算。各二级指标对应的参数输入来源参见表3。视频跟踪测量系统测量参数见表3。

表3(a)调查问卷数据输入功能

将《满意度指标调查问卷》导入评估数据输入模块后，评估数据输入模块对调查问卷数的合法性进行检验，如有错误，则提示用户修正错误数据，如无错误，用户保存数据后，调查问卷数据将用于可用性评估。

(b)动作数据输入功能

动作数据主要来源于可穿戴动作捕捉系统，可穿戴动作捕捉系统结合了加速度传感器、陀螺仪、方位传感器实时采集人体动作、位置、速度、关节角度、扭矩(可用数据包括：弯曲/伸展；外展/内收；扭转以及角速度与角加速度等)等动作数据。

由于可穿戴动作捕捉系统输出的动作数据有上百个参数，在不同的评估场景下需要用到的参数不同，因此在将可穿戴动作捕捉系统采集的信息导入评估数据输入模块后，评估数据输入模块提供对动作数据进行筛选的界面，用户确认需要的参数后，保存动作数据后，动作数据将用于可用性评估。

(c)任务测量数据输入功能

提供输入任务测量数据的对话框，任务测量数据包含任务完成率、出错频率、求助频率、误操作修正等二级指标。用户在对话框中输入符合要求的任务测量数据输入后，评估数据输入模块会自动检验数据的合法性。如输入数据无误，即可保存数据，如输入有误，评估数据输入模块会提示用户错误原因，用户可修正数据错误后再保存。

(d)安全测量数据输入功能

提供输入安全测量数据的对话框,安全测量数据包含驾驶舱防差错设计评分、可视性评分和操作可达性评分。安全测量数据主要来源于视频记录系统，将视频记录系统记录到的飞行员的动态操纵视频依据《安全性评价评价标准》中的判据给出安全测量数据。用户在对话框输入符合要求的安全测量数据后，评估数据输入模块会自动检验数据的合法性，安全测量数据的评分范围为0至100。如输入的安全性测量数据无误，即可保存数据，如输入有误，则提示用户错误原因，用户可修正数据错误后再保存。

(e)可学习性数据输入功能

评估数据输入模块会根据用户所选择的评估场景生成相对应的可学习性检查表，用户可选择保留或修正可学习性检查表中的数据，确认数据无误后即可保存。

(f)任务认知数据输入功能

提供输入任务认知数据的对话框和下拉菜单，任务认知测量数据包含任务难度和认知负荷，其中认知负荷主要来源于眼动仪，将眼动仪采集到的眼动数据依据《认知负荷指标计算方法》计算获得，眼动数据包含瞳孔直径、眨眼次数、眨眼时间间隔、注视时间、注视次数、扫视轨迹和热点图等。任务认知数据数据输入后，评估数据输入模块会自动检验数据的合法性，如数据无误，即可保存数据，如输入有误，软件会提示用户错误原因，用户可修正数据错误后再保存。

在评估数据输入模块所进行的所有检验都只是简单的数据格式检验，更加有效的检验是在易用性模块中进行。

(3)数据处理模块

数据处理模块包含动态动捕数据处理功能和调查问卷数据分析功能

动态动捕数据处理功能是对评估数据输入模块筛选后的动作数据以“时间-动作角度”形式的动捕曲线的形式在界面上显示。动作捕捉数据曲线支持用户编辑功能，用户可根据具体评估需求对动捕曲线进行选取、更新、删除、恢复和存储等操作，将处理好的动捕数据存储后，便可用于后续的可用性评估工作。

调查问卷数据分析功能是对评估数据输入模块接收到《满意度指标调查问卷》中的每一个问题进行统计，并显示统计结果。在统计结果显示界面中会显示调查问卷的问题编号、评分等级和各评分等级的人数分布信息。供可用性评估人员分析所用。

(4)可用性评估模块

可用性评估模块包含评估指标一览功能、数据检验功能、权重计算功能和场景评估功能。

评估指标一览功能支持用户在使用软件时随时查看可用性评估的指标体系。指标体系包括有效性、效率、满意度和安全性四个一级指标和一级指标下属的各二级、三级指标。

数据检验功能可以在可用性评估前验证所需数据是否都已准确无误的输入，确保评估顺利进行。

权重计算功能会根据每一个具体的评估场景生成对应的可用性评估指标体系中各个一级指标下各个二级指标的权重，用户可以选择使用默认权重或根据需求对权重进行编辑。如用户选择使用软件生成的默认权重，直接保存权重即可。如需对权重进行编辑，则点击修改权重按钮，待编辑完成后再保存。

场景评估功能根据评估数据输入模块收集到的数据和数据处理模块处理后的数据对选定场景下的民机驾驶舱从有效性，效率，满意度，安全性四个方面进行可用性评估，并给出定量的评分。用户可以通过此功能得到具体的一级指标评分和各二、三级指标的评分。评分结果以雷达图、柱状图和文字的形式进行显示。可用性评估结果会作为评估报告输出功能的输入，且支持以.mat格式进行存储。用户可通过软件对存储的评估结果进行读取和查看。

(5)评估报告输出模块

根据可用性评估模块生成的可用性评估结果生成报告文件。报告文件以Word文件形式输出。内容包含评估信息、评估结果和评估数据3部分内容，评估信息包含评估时间、评估人员、评估场景等。评估结果包含有效性，效率，满意度，安全性这四个一级评价指标的分数，评估数据包含各个二级评价指评的分数。通过评估报告输出模块，用户可以很方便的获取评估结果，且生成的报告亦便于储存和调用。

(6)评估历史数据模块

评估历史数据模块用于查看评估报告输出模块生成的历次报告文件。同时，评估历史数据模块还支持用户调用Windows系统集成的Media Player播放器,用户可使用软件调用的视频播放器对评估测量试验视频进行重放。视频重放支持暂停和续播等功能，可有有效的帮助评估人员对模拟试验的过程进行分析。

(7)易用性模块

易用性模块根据以往的报告文件生成校验模型，利用校验模型对评估数据输入模块接收到的数据进行检验，并为用户提供软件的版本信息和帮助文档。

本发明所提供的用于民机驾驶舱可用性评估的系统实现的评估过程可以分为以下四个部分：

1)使用前准备工作；

2)使用过程中操作程序；

3)使用后操作程序；

4)使用后数据处理。

1、使用前准备工作

a)准备所需技术文件(包含：文件调查、安全性评价评价标准、可学习性指标评价记录表、任务难度评价记录表、模拟器试验飞行剖面等相关文件)。

b)请飞行员填写其基本情况，如飞行小时数、飞行员等级、飞行员视力情况等。

c)确定本场次试验场景，制定子任务划分，以试飞任务单的形式提供给飞行员。

d)确定飞行环境并记录：模拟器机型、能见度范围、飞机是否故障等。

校准和穿戴动作捕捉测量系统

设备操作人员需协助飞行员在驾驶舱外穿戴动作捕捉设备，对飞行员和穿戴设备进行标准姿势标定。动作捕捉设备的穿戴和校准程序如下：

A将15个动作捕捉设备按照5x3的方式同方向整齐排列，静置一分钟；

B打开记录仪搜索传感器，确保15个动作捕捉设备均可被搜索成功；

C将动作捕捉设备穿戴到飞行员的各个关键部位，参见图4所示。注意：头部动作捕捉设备建议置于头部后面(为避免与眼动设备产生干扰)，但腰间和胸腔处两个动作捕捉设备须同前同后(建议置于胸前，因飞行员倾向于贴椅坐)；

D在纸质卡片上记录传感器的位置和编号(亦可在传感器穿戴前就设定好编号位置)；

E穿戴好动作捕捉设备后，飞行员身体直立，平视前方，双脚并拢，双手贴于裤缝；

F使用记录仪再次搜索动作捕捉设备，然后进行校准归零操作；

G归零后动作捕捉设备绿灯闪烁，意味着动作捕捉设备与记录仪发生通信，此时应注意归零操作完成后，动作捕捉设备的位置不能再有任何的移动变化。

校准和穿戴眼动仪

当完成动作捕捉设备穿戴后，操作人员再次需协助飞行员在驾驶舱外穿戴眼动仪，并通过软件，对飞行员和眼动仪进行标准姿势标定。眼动仪的穿戴和校准程序如下：

A选择合适度数的镜片和鼻托，置于眼动设备镜框上；

B将眼动镜框、眼动设备电源，通过连接线连接好；

C在装有Tobii Pro Glasses Controller眼动控制软件的电脑上，连接无线网络，然后打开眼动控制软件；

D在控制软件上观察飞行员眼球充满绿色圆圈，瞳孔在圆心(此时若难以捕获瞳孔，建议尝试更换鼻托)；

E将校准纸片置于飞行员视线正前方约50厘米处，请飞行员目视校准纸片上的中心黑点，

直至控制软件显示校准成功。

视频记录设备安装工作

为更清晰地拍摄飞行员的操作动作，课题组将视频记录设备安装于驾驶舱顶部板右侧方。

2使用过程中操作程序

按照以上准备工作，在驾驶舱外穿戴动作捕捉设备和眼动仪并校准成功之后，飞行员进入驾驶舱，就座于左驾驶员座椅。然后飞行员即可按照任务单进行操作，开展飞行试验。此时设备操作人员应进行以下操作：

a)打开动作捕捉记录仪REC，开始记录试验动捕数据，应注意不要距离驾驶员太远。

b)数据记录开始后，设备操作人员应尽量随时观测眼动数据，以免被误操作关掉电源。

3)使用后操作程序；

使用结束后，应进行如下程序操作：

a)设备操作人员停止动作捕捉设备的录像功能；

b)设备操作人员通过眼动控制软件关闭眼动仪的数据采集功能；

c)为完成试验后的数据处理，课题人员需请飞行员对驾驶舱和飞行任务进行评价。

4)使用后数据处理。

使用完成后，课题人员需按照如下程序进行数据处理。

a)将飞行员填写的《满意度指标调查问卷》问卷结果转换的excel形式。

b)将动作捕捉记设备至动作捕捉软件，经处理后输出各关节角度数据，作为评估软件的“操作舒适性”指标的输入。

c)根据实际的飞行情况，统计《有效性指标数据记录表》中相关数据：任务总量、已完成任务量、出错任务量、求助任务量和不可修正操作任务量。

d)依据《安全性评价评价标准》中的判据，结合视频记录设备的视频观察，给出安全测量数据。

e)依据《可学习性指标评价记录表》中的评分标准，进行可学习性评价。

f)依据《任务难度评价记录表》中的指标定义，结合飞行员的基本情况，分析飞行员新手水平、故障应急水平和能见度水平。

g)将眼动仪数据连接至Tobii Pro Glasses Analyzer，进行数据处理并输出眼动数据，再依据《认知负荷指标计算方法》的评估方法计算“认知负荷”。

人员按照以上程序进行数据处理之后，可得到评估软件所需要的全部数据输入，然后按照图3所示的操作流程进行操作，最终得到驾驶舱的可用性评价结果，完成整个方法流程。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统,包含评估软件和视频跟踪测量系统，其特征在于：

所述视频跟踪测量系统包含眼动仪、可穿戴动作捕捉设备和视频记录设备，所述眼动仪采集飞行员在操纵飞行器时的眼部数据，并将眼部数据转化为认知负荷指标数据；所述可穿戴动作捕捉设备采集飞行员在操纵飞行器时的身体各部位的动作数据；所述视频记录设备采集飞行员在操纵飞行器时的视频数据，并将视频数据转化为驾驶舱防差错设计指标数据、可视性指标数据、和操作可达性指标数据；

所述评估软件包含评估场景选定模块、评估数据输入模块、数据处理模块、可用性评估模块；

所述评估场景选定模块用于提供评估场景选取功能和场景编辑功能，从而确定用于可用性评估的评估场景；

所述评估数据输入模块用于从视频跟踪测量系统获取认知负荷指标数据；提供对视频跟踪测量系统输出的驾驶舱防差错设计指标数据、可视性指标数据和操作可达性指标数据进行编辑的界面，从而得到驾驶舱安全性设设指标数据和人机交互安全性指标数据；提供对视频跟踪测量系统输出的动作数据进行初步筛选的界面；提供对环境舒适性指标数据任务完成率指标数据、出错频度指标数据、求助频度指标数据、误操作修正指标数据、可学习性指标数据、任务难度指标数据、人机交互界面满意度指标数据的编辑界面；

数据处理模块从评估数据输入模块筛选后的动作数据中提取有效的动作数据段，从而得到操作舒适性指标数据，结合操作舒适性指标数据和环境舒适性指标数据得到舒适性指标数据；

所述可用性评估模块提供编辑任务完成率指标数据、出错频度指标数据、求助频度指标数据、误操作修正指标数据在有效性指标数据中的权重的界面，提供编辑可学习性指标数据、任务难度指标数据、认知负荷指标数据在效率指标数据中的的权重的界面，提供编辑人机交互界面满意度指标数据、舒适度指标数据在满意度指标数据中的权重的界面，提供编辑驾驶舱安全性设设指标数据和人机交互安全性指标数据在安全性指标数据中的权重的界面，根据编辑好的权重以及评估场景选定模块中确定的评估场景得到包含有效性指标数据、效率指标数据、满意度指标数据、安全性指标数据的评估结果。

2.根据权利要求1所述的一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统,其特征在于所述评估软件中还包含评估报告输出模块，所述评估报告输出模块结合评估场景选定模块确定的评估场景、评估数据输入模块获取到的各个指标数据和可用性评估模块得到的评估结果生成报告文件。

3.根据权利要求2所述的一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统,其特征在于所述评估软件中还包含评估历史数据模块，所述评估历史数据模块用于提供对评估报告输出模块生成的历次报告文件进行查看的功能。

4.根据权利要求3所述的一种用于民机驾驶舱可用性评估的系统,其特征在于所述评估软件中还包含易用性模块，所述易用性模块根据以往的报告文件建立校验模型，利用校验模型对本次可用性评估过程中使用到数据的进行校验。