民機駕駛艙人機功能分配方法

2023-04-25 00:36:41

專利名稱：：民機駕駛艙人機功能分配方法
技術領域：
：本發明涉及民機駕駛艙的自動化設計技術。
背景技術：
：功能分配(FunctionAllocation,FA)的概念由P.M.Fitts於1951年提出，是指將系統中的功能(Function)或者任務(Task)分派給人或者機器的過程，它主要強調系統各組成成分之間的功能分解。這種功能分配活動發生於系統綜合和評價過程的早期階段，屬於系統工程(SystemsEngineering)的研究範疇。功能分配從總體上決定了人機系統中各要素之間的內部相互關係，從而影響了整個系統的外部整體功能，系統內部各組成部分的功能會直接影響與之相關的軟硬體設計與開發，同時對人提出的功能要求還將影響到人的訓練、技能、選拔等多方面因素。功能分配還直接影響著人機界面的設計，並在很大程度上決定著實際執行任務時人、機的相互作用關係。不論是在人機工程學科的人機系統(Human-machineSystem)研究領域，還是在人工智慧學科的人機智能系統(Man-machineSystem)研究領域，或者是在人機一體化系統(HumachineSystem)研究領域，功能分配都成為系統設計中一項最基本的任務之一，它對於提高整個系統的有效性、可靠性和效費比具有重要的作用。人因工程(HumanFactorsEngineering,HFE)的奠基人之一AlphonseChapanis將功能分配稱之為「人機智能系統設計中首要也是最重要的問題之一」。目前，功能分配在核電廠監控自動化系統、空中交通管制系統、載人太空飛行器系統、無人機控制系統等的設計、開發中得到了廣泛的應用。當前自動化和智能化技術大量應用於民機駕駛艙當中，這雖然在一定程度上減輕了人的工作負荷，但同時也引起了人的態勢感知(SituationAwareness)水平下降、自動化系統與人之間不能相互理解以及對系統的過渡依賴等諸多問題，不合理的自動化設計必然會對整個飛行安全造成嚴重的威脅。因此，在進行民機駕駛艙自動化設計時必須首先通過功能分配方法確定系統的自動化等級，從而為設計人員提供充分的依據以開展進後繼的軟硬體設計和開發工作。我國民用大型運輸機項目早已正式立項，研製具有自主智慧財產權的民用大型運輸機需要大量相關技術的支持，功能分配正是其中的關鍵技術之一。儘管功能分配在國外得到了充分的應用和發展，但是鑑於其應用背景的敏感性，目前關於其核心技術未見公開報導。國內關於功能分配的方法多是基於定性分析，沒有形成系統和完整的方法。
發明內容為了克服現有技術在功能分配中的不足，本發明提出一種民機駕駛艙功能分配的方法。該方法包含以下步驟1.進行人機優勢能力比較，即選取與駕駛艙功能關係較為密切的人機優勢能力項目，組成人、機能力優勢集合，分別表示為H={hph2，h3，h4，h5，h6，h7，h8}和M={mi,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8},各元素含義如表1所示。表1人、機能力優勢集合_HM_hhhhhhhh_2.採用層次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP)來確定能力優勢集合中各元素的權重係數。3.劃分民機駕駛艙系統的自動化等級，採用Sheridan、Verplank和Parasuraman等人提出的人機互動系統的自動化級別劃分方法，如表2所示。表2自動化級別_自動化級別描述_1234567_8如果人需要則告知他9是否通知人全由計算機決定10系統決定所有的工作，拒絕人的幹預_4.通過人機優勢能力比較確定自動化等級的範圍。在該步驟中需要用到如下定義。定義1設WAA:Rn—R，若=(1)M其中《=(」2,A,con)是一組數據(a」a2，A，an)的加權向量，G，jG=1，則稱函數WAA為加權算術平均算子，也稱為WAA算子。WAA算子的特點y=i是只對數據組(a」a2，A，an)中的每個數據進行加權(即根據每個數據的重要性賦予適當的權重)，然後對加權後的數據進行集結。考慮到系統設計決策者在進行定性測度時，一般需要適當的語言評估標度，為此，可事先設定語言評估標度S={sa|a=-L，A，L}，S中的術語個數一般為奇數，如語言評估標度可取S={S+sQ，sj={低，中，高}，S={s_2，，s0,Sl,s2}={很差，差，一般，良，優}，S={s_5，A，SJ={極差，很差，差，較差，稍差，一般，稍好，較好，好，很好，極好}等，且滿足下列條件1)若a〉日，則Sa>s0；2)存在負算子neg(Sa)=s_a。定義2設EWAA-.S"—S，如果EWAAwOa|,、2，A十《2、十A十=&，(2)n其中歹叫，w=(Wl,co2,A,con)是語言數據、的加權向量，且ns€5,"jG(jGN)，2>y=1，則函數EWAA稱為擴展的加權算術平均算子。ajy=i定義3設只=[sa,sb]，sa,sbeS,sa和sb分別是應的下限和上限，則稱只為不確定語言變量。定義4設只=sb]ro=[5C,S/JeS，且設lab=b-a,lcd=d-c,則只>遼的可能(3)(4)十A十(5)其中CO=(…，《2，A，con)為不確定語言變量雙(/eAO的加權向量，且COjG(jG=1，則稱函數UEWAA為不確定的EWAA算子。定義6設ULHA力歹，若ULHArow(J^,m、=w^十w2。十A十(6)其中w=(Wl，w2,A，wn)是與ULHA相關聯的加權向量(位置向量)，Gn(jGN),Z^.=lo巧是加權的不確定語言變量組71^(71'-^71肌中7=1A,//J(//,=na>iiui，igN)第j大的元素，這裡《=co2,A,con)是不確定語言變量組(總，仄,A,仄(/eiV)的n加權向量，G(jG=1，且n是平衡因子，則稱函數ULHA為不確定語言混度定義如下pifi=max<1-maxL+/0類似地，&>g的可能度定義如下Pi'J之只)=max]1-maxK'-ab+ledJ，0定義5設UEWAA§"—5，若UEWAAra,Mn)=①Jh十合集結(ULHA)算子。在上述定義基礎上，給出基於UEWAA算子的自動化等級範圍確定方法，具體過程如下a)設X表示待分配功能集，H，M分別為人、機的能力優勢項集合，兩者的權重向量m分別為CO=(Wl，(02，A,com)禾口€=(I」12，A,卜)，且滿足GM)，2]y=1，M1彡0(jG=1。決策者分別給出人、機各能力優勢hjG11和叫GM對待分配功；=1能XieX影響程度的不確定語言評估值巧、qt]，並得到評估矩陣R=(r0)nxm>Q=(qy)nxl，且％，％e5。b)利用UEWAA算子分別對評估矩陣fi和$中第i行的語言評估信息進行集結，得到人、機能力對待分配功能XieX的綜合評估結果艽(<)和2；(幻(/eN)^((^-UEWAAJ&ApAjJ^A&eA^eA十叱&，ieN(7)(^)二UEWAA,(qn,qnH、=猛十H十八十，eiV(8)c)利用(3)式，計算出人、機能力對待分配功能、GX的綜合評估結果歹,(《)和棚(/eAO之間的可能度無，得到可能度向量P={pi，p2，A,pn}。其中0彡Pi彡1。d)根據可能度結果？1確定待分配功能、eX的自動化等級A範圍。具體規則如下\fl°or^X-A)xlO)-l<J<flooriiX-p,)xl0)+l(9)[Ae{l,2,A,10}其中，floor(x)為高斯取整函數。例如如果Pi=1，則A=1，說明此決策功能應完全由操作員完成；如果可能度結果Pi=0.35，則5<A<7。5.給定功能分配評估準則(屬性)集合U={…，，如叫，}，其元素分別對應駕駛艙人機功能分配的五個主要評估準則，Ul——腦力負荷；u2——態勢感知；u3——可靠性；u4—決策風險；U5—系統費用。6.功能分配自動化等級範圍確定以後，即給定了若干功能分配的不同方案，還需要根據功能分配評估準則從分配方案中選出最優方案，最終確定駕駛艙人機功能分配的自動化等級。在實際評估過程中，通常是由多位專家按照評估準則對不同方案進行評分，以減少評估專家的主觀偏差。採用基於UEWAA算子和ULHA算子的多屬性群決策方法確定功能分配自動化等級，具體過程如下a)對於某一功能分配問題，設X，U和D分別為方案集、屬性集(評估準則)和決策者(專家)集。屬性權重的權重向量為「=(…，《2，A，com)，且其向量為GM)，t=1。決策者的權重向量為入=(入！，入2，A，Xt)，入k彡0(k=1，2，A，t)，[夾=1°決策者dkeD給出方案XieX在屬性+GU下的不確定語言評估值^f)，並得到評估矩陣良，且fd。b)利用UEWAA算子對評估矩陣茛4中第i行的不確定語言評估信息進行集結，得到決策者dk給出的分配方案\綜合屬性評估值;(i)(co)(/eiV,k=\,2,A,t)⑷(o)=UEWAA,HA，7^)二十十A十am^、,ieN,k=l,2,A,to(10)c):再利用ULHA算子對t位決策者給出的分配方案Xi的綜合屬性評估值,W(CD)(眾=1，2，A，o進行集結，得到分配方案Xi的群體綜合屬性評估值,(X，w'XieN)秘，w')=ULHA、w,0f),巧(2)，A,巧⑴)=十0,~],|>2,6],|>2，；I』[，、],[、,6],，])按照式(7)和(8)，利用UEWAA算子對評估結果R、$進行集結，得到人、機能力對FD功能的綜合評估結果為歹(CO)=0.287X[，]十0.106X[，]十0.081X[，]十0.142X,]0.119x00，]十0.019x|>2，]十0.193x[s_2,s0]十0.053x[50,52]=|>1138,、224]』■=0.163X[50,52]0.097X[52,54]00.228x[，\]十0.126電，]0.154x[s2,54]e0.106x[53,54]e0.06253]0.064x[s_3，]=[.942，s2.482]°利用⑶式，求得歹(to)>？㈦的可能度為例歹⑷)>=0.538。再由(9)式可得FD自動化等級範圍3彡A彡5。5.建立功能分配評估準則(屬性)集合U={Ul,u2,u3,u4,u5}，其元素分別為——腦力負荷；u2—態勢感知；U3—可靠性；U4—決策風險；U5—系統費用。6.確定了FD功能的自動化等級範圍以後，相當於給定了3種不同的分配方案，設FD分配方案集合X={x3,x4,xj，其元素表示自動化等級處於3、4、5三種情況，分配評估準則(屬性)集合u=K,u2,u3，u4,u5}，設其權重向量為=(0.351,0.227,0.284,0.037,0.074)決策者集合為D={屯，d2，d3}，假定其權重向量為入=(0.33，0.33，0.34)，三位決策者利用語言評估標度S={sa|a=-5，A,5}={極差，很差，差，較差，稍差，一般，稍好，較好，好，很好，極好}給出的不確定語言評估矩陣如表3表5所示。表3決策矩陣戽表4決策矩陣尾表5決策矩陣63表3表5分別表示三位系統設計人員即功能分配決策者根據語言評估標度給出的決策矩陣民、R2、R3。其中…表示腦力負荷；u2表示態勢感知；u3表示可靠性；u4表示決策風險；u5表示系統費用。x3表示功能分配方案採用是的第3級自動化；x4表示功能分配方案採用是的第4級自動化；x5表示功能分配方案採用是的第5級自動化；首先利用UEWAA算子對評估矩中第i行的語言評估信息進行集結，得到決策者dk給出的分配方案Xi綜合屬性評估值？廣乂)0=3,4,5,^=1,2，3)Z3(1)(w)=[50.335,^.98]，動)(份)=[而.037』、371]{(O)=Sy2&2]，Z3(2)(0)=[5,0,33,224]5(2)⑷=[—3』=[S0321,5L682]，=[纖785，&.758]zf\co)=[5,.702,063]=5t686]。再利用ULHA算子對3位決策者給出的分配方案Xi的綜合屬性評估值2,w(co)(i=3,4,5,k=1,2,3)進行集結之前，需要給出ULHA的加權(位置)向量w，設w=(0.243，0.514，0.243)。由入，t以及？；.⑷(o)，求解=[50221,51307]^3/ljZ^(o>)=[som，s2225](<y)=[sogn,&166]，3A2Z3(2)O)=|X0022，som]3^z4(2)(0.336，&.375]。利用(3)式，算出各方案綜合屬性評估值G=3，4，5)之間的可能度Py=p(MKW)>w'))(/,j=3，4,5)，並建立可能度矩陣由式(12)可得可能度矩陣P的排序向量為按其分量大小進行排序，得因此最優方案為x4，即FD功能的自動化等級取4最為合適c權利要求民機駕駛艙人機功能分配方法，其特徵在於包括下述步驟1)進行人機優勢能力比較，即選取與駕駛艙功能關係較為密切的人機優勢能力項目，組成人、機能力優勢集合，分別表示為H＝{h1，h2，h3，h4，h5，h6，h7，h8}和M＝{m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7，m8}，各元素含義如表1所示；表1人、機能力優勢集合HMh1＝經驗學習能力m1＝數據管理能力h2＝歸納推理能力m2＝組合問題處理能力h3＝模式識別能力m3＝連續工作能力h4＝視覺感知能力m4＝多任務處理能力h5＝模糊信息處理能力m5＝快速計算能力h6＝空間推理能力m6＝複雜數學運算能力h7＝創造力m7＝準確計算能力h8＝不確定事件處理能力m8＝簡單重複決策能力2)採用層次分析法來確定能力優勢集合中各元素的權重係數；3)劃分民機駕駛艙系統的自動化等級，採用人機互動系統的自動化級別劃分方法，如表2所示；表2自動化級別自動化級別描述1系統不提供任何幫助，人必須完成所有的決策和操縱2系統提供整套的決策或行動方案3系統縮小方案選擇範圍4系統提供一個建議方案5如果人同意則執行這個方案6在執行方案前允許人在限定時間內否決7自動執行，僅在必要時通知人8如果人需要則告知他9是否通知人全由計算機決定10系統決定所有的工作，拒絕人的幹預4)通過人機優勢能力比較確定自動化等級的範圍；定義1設WAARn→R，若WAA(1,2,,n)=j=1njj---(1)其中ω＝(ω1，ω2，Λ，ωn)是一組數據(α1，α2，Λ，αn)的加權向量，ωj∈，j∈N，則稱函數WAA為加權算術平均算子，也稱為WAA算子；WAA算子的特點是只對數據組(α1，α2，Λ，αn)中的每個數據進行加權，然後對加權後的數據進行集結；考慮到系統設計決策者在進行定性測度時，一般需要適當的語言評估標度，為此，可事先設定語言評估標度S＝{sα|α＝L，Λ，L}，S中的術語個數為奇數，且滿足下列條件1)若α＞β，則sα＞sβ；2)存在負算子neg(sα)＝sα；定義2設EWAA如果EWAA(s1,s2,,sn)=1s12s2nsn=s,---(2)其中ω＝(ω1，ω2，Λ，ωn)是語言數據的加權向量，且ωj∈(j∈N)，則函數EWAA稱為擴展的加權算術平均算子；定義3設sa和sb分別是的下限和上限，則稱為不確定語言變量；定義4設且設lab＝ba，lcd＝dc，則的可能度定義如下p(~~)=max{1-max(d-alab+lcd,0),0}---(3)類似地，的可能度定義如下p(~~)=max{1-max(b-clab+lcd,0),0}---(4)定義5設UEWAA若UEWAA(~1,~2,,~n)=1~12~2n~n---(5)其中ω＝(ω1，ω2，Λ，ωn)為不確定語言變量的加權向量，且ωj∈(j∈N)，則稱函數UEWAA為不確定的EWAA算子；定義6設ULHA若ULHA,w(~1,~2,,~n)=w1~1w2~2wn~n---(6)其中w＝(w1，w2，Λ，wn)是與ULHA相關聯的加權向量(位置向量)，wj∈(j∈N)，是加權的不確定語言變量組中第j大的元素，這裡ω＝(ω1，ω2，Λ，ωn)是不確定語言變量組的加權向量，ωj∈(j∈N)，且n是平衡因子，則稱函數ULHA為不確定語言混合集結(ULHA)算子；在上述定義基礎上，給出基於UEWAA算子的自動化等級範圍確定方法，具體過程如下a)設X表示待分配功能集，H，M分別為人、機的能力優勢項集合，兩者的權重向量分別為ω＝(ω1，ω2，Λ，ωm)和ξ＝(ξ1，ξ2，Λ，ξl)，且滿足ωj≥0(j∈M)，ξj≥0(j∈L)，分別給出人、機各能力優勢hj∈H和mj∈M對待分配功能xi∈X影響程度的不確定語言評估值並得到評估矩陣且r~ij,q~ijS~;b)利用UEWAA算子分別對評估矩陣和中第i行的語言評估信息進行集結，得到人、機能力對待分配功能xi∈X的綜合評估結果和y~i=UEWAA(r~i1,r~i2,,r~im)=1r~i12r~i2mr~im,iN---(7)z~i=UEWAA(q~i1,q~i2,,q~il)=1q~i12q~i2lq~il,iN---(8)c)利用(3)式，計算出人、機能力對待分配功能xi∈X的綜合評估結果和之間的可能度得到可能度向量P＝{p1，p2，Λ，pn}；其中0≤pi≤1；d)根據可能度結果pi確定待分配功能xi∈X的自動化等級A範圍，具體規則如下floor((1-pi)10)-1Afloor((1-pi)10)+1A{1,2,,10}---(9)其中，floor(x)為高斯取整函數；5)給定功能分配評估準則集合U＝{u1，u2，u3，u4，u5}，其元素分別對應駕駛艙人機功能分配的五個主要評估準則，u1——腦力負荷；u2——態勢感知；u3——可靠性；u4——決策風險；u5——系統費用；6)功能分配自動化等級範圍確定以後，即給定了若干功能分配的不同方案，還需要根據功能分配評估準則從分配方案中選出最優方案，最終確定駕駛艙人機功能分配的自動化等級；採用基於UEWAA算子和ULHA算子的多屬性群決策方法確定功能分配自動化等級，具體過程如下a)對於某一功能分配問題，設X，U和D分別為方案集、屬性集和決策者集；屬性權重的權重向量為ω＝(ω1，ω2，Λ，ωm)，且其向量為ωj≥0(j∈M)，決策者的權重向量為λ＝(λ1，λ2，Λ，λt)，λk≥0(k＝1，2，Λ，t)，決策者dk∈D給出方案xi∈X在屬性uj∈U下的不確定語言評估值並得到評估矩陣且r~ij(k)S~;b)利用UEWAA算子對評估矩陣中第i行的不確定語言評估信息進行集結，得到決策者dk給出的分配方案xi綜合屬性評估值z~i(k)=UEWAA(r~i1(k),r~i2(k),,r~im(k))=1r~i1(k)2r~i2(k)mr~im(k),iN,k=1,2,,t;---(10)c)再利用ULHA算子對t位決策者給出的分配方案xi的綜合屬性評估值進行集結，得到分配方案xi的群體綜合屬性評估值(iN):z~i(,w)=ULHA,w(r~i(1),r~i(2),,r~i(t))=w1~i(1)w2~i(2)wt~i(t),iN,---(11)其中是ULHA算子的加權向量，是一組加權的不確定語言變量中第k大的元素，t是平衡因子；d)利用(3)式，算出各方案綜合屬性值之間的可能度並建立可能度矩陣P＝(pij)n×n；e)求出可能度矩陣P的排序向量v＝(v1，v2，Λ，vn)，其中vi=1n(n-1)(j=1npij+n2-1),iN---(12)最後按其分量大小對方案進行排序，即得到最優的功能分配方案。FSA00000223051600022.tif,FSA00000223051600023.tif,FSA00000223051600025.tif,FSA00000223051600026.tif,FSA00000223051600027.tif,FSA00000223051600028.tif,FSA00000223051600029.tif,FSA000002230516000210.tif,FSA000002230516000211.tif,FSA000002230516000212.tif,FSA000002230516000213.tif,FSA000002230516000214.tif,FSA000002230516000216.tif,FSA000002230516000218.tif,FSA000002230516000220.tif,FSA000002230516000221.tif,FSA00000223051600031.tif,FSA00000223051600033.tif,FSA00000223051600034.tif,FSA00000223051600035.tif,FSA00000223051600036.tif,FSA00000223051600037.tif,FSA00000223051600038.tif,FSA00000223051600039.tif,FSA000002230516000310.tif,FSA000002230516000311.tif,FSA000002230516000313.tif,FSA000002230516000314.tif,FSA000002230516000315.tif,FSA000002230516000316.tif,FSA000002230516000319.tif,FSA000002230516000320.tif,FSA000002230516000321.tif,FSA00000223051600042.tif,FSA00000223051600043.tif,FSA00000223051600044.tif,FSA00000223051600045.tif,FSA00000223051600047.tif,FSA00000223051600048.tif,FSA000002230516000411.tif,FSA000002230516000412.tif,FSA00000223051600051.tif,FSA00000223051600052.tif,FSA00000223051600053.tif,FSA00000223051600054.tif,FSA00000223051600055.tif,FSA00000223051600056.tif,FSA00000223051600057.tif,FSA00000223051600058.tif全文摘要本發明公開了一種民機駕駛艙人機功能分配方法，依次執行以下步驟人機優勢能力比較，採用層次分析法來確定能力優勢集合中各元素的權重係數，劃分民機駕駛艙系統的自動化等級，通過人機優勢能力比較確定自動化等級的範圍，給定功能分配評估準則集合，最終確定駕駛艙人機功能分配的自動化等級，本發明可以克服以往定性分析方法主觀性較強的缺點。文檔編號G06F17/50GK101930490SQ20101024933公開日2010年12月29日申請日期2010年8月6日優先權日2010年8月6日發明者劉躍峰,張安,湯志荔,王安麗申請人:西北工業大學