人机功能分配对于长航时飞行负荷评价的初步研究

王宥霖，马如梦，李晓京，张利利，惠铎铎，马 进，许波，胡文东

（第四军医大学：1航空航天医学院，陕西西安710032，2唐都医院实验外科，陕西西安710038，3校务部卫生处，陕西西安710032）



人机功能分配对于长航时飞行负荷评价的初步研究

王宥霖1，马如梦2，李晓京1，张利利1，惠铎铎1，马 进1，许波3，胡文东1

（第四军医大学：1航空航天医学院，陕西西安710032，2唐都医院实验外科，陕西西安710038，3校务部卫生处，陕西西安710032）

【摘 要】目的：针对新型飞机人机功能分配特点开展了深入系统的研究，建立任务负荷测量评价方法，提出新型飞机人机功能分配的方法及流程.方法：根据基于剩余能力的次任务负荷测量评价方法和任务执行过程中的负荷变化规律，设计了相应的实验流程，选取10名被试人员共进行了51组相关实验，部分验证并确立了任务负荷的评价方法以及范围.结果：任务负荷测量评价实验的结果部分验证了任务负荷测量评价方法的可行性和有效性；复杂作业任务负荷分析实验的结果验证了任务负荷的累加性.结论：运用基于剩余能力的测量方法测量任务负荷水平是可行和有效的；复杂作业任务负荷水平可以通过测量其简单子任务的负荷水平，再通过累加原理计算得出；负荷指数应在一定范围内，否则作业任务质量明显下降.

【关键词】新型飞机；人机功能分配；任务负荷；作业任务分配

【中图分类号】V211.4

【文献标识码】A

0 引言

随着航空电子技术的不断发展和计算机技术在飞机各大系统中不断应用，自动化、智能化已经成为新型飞机的重要发展方向［1－3］.技术的进步使机组人员面临的作业任务日趋复杂，人在系统运行中的角色也发生了很大变化，从系统的直接操纵者转变为系统决策中枢［4，6］.

虽然人具有创新性和灵活性，但是受限于生理、心理的极限，执行任务的速度和容量是有限的，导致飞机操控和安全性下降，对于高性能高可靠性的航空系统是不可接受的.人的操控能力和人为失误与负荷水平有着密切关系，过高或过低的工作负荷会导致操作错误、疏漏等各种问题，都会影响系统效能发挥［5］.因此将机组人员集成到整个系统的功能结构中，充分考虑人机的协同工作，实现适度自动化、智能化，形成综合的人机集成系统［7－8，10］，将能够更好的实现飞机的最优设计.这种将机组人员集成到系统结构中的人机系统的设计就是人在回路中的设计［9］.

综上所述，在人—机之间实现合理的作业任务分配，从而保证机组人员处于合理的负荷水平非常重要.要实现作业任务的合理分配，就必须充分研究新型飞机各系统作业任务内容及特点.

1 方法

1.1 研究对象 大学本科生，10名，男，年龄18～20岁，身高（178.1±14.1）cm，体质量（67.4±7.3）kg，均为右利手，生活规律，无吸烟、嗜酒、赌博等不良嗜好，无睡眠障碍，无精神疾病家族史，均擅长使用计算机.

1.2 实验方法和流程 实验平台为联想一体电脑5台，23英寸彩色液晶显示器（分辨率为1920× 1080），配Logitech G940飞行模拟驾驶系统.实验程序使用GameStudio的Lite⁃C脚本语言编程实现，实验采用次任务测量法，所记录的数据包括：任务绩效参数（包括正确、错误、丢失）和消耗时间，以及跟踪精度等.仿真软件界面见图1.

图1 仿真软件界面

1.3 测试内容

1.3.1 持续跟踪控制任务实验 该任务要求机组人员持续关注的某些信息同时对某些系统进行相应操控，并不断核对系统响应反馈，确保系统按照操控预期运行，一旦系统偏离预期立即展开操纵从而使系统回复到预计的状态（图2）.

图2 持续跟踪控制任务

1.3.2持续监视离散控制任务实验 本文通过控制仪表异常事件的频率以及指针运动速度来控制作业人员判读仪表的频率，从而实现任务负荷水平调节.作业任务模型如图3所示.

图3 仪表监控任务模型

仪表指针以一定速度在绿色区域内作正常角速度运动，系统根据任务负荷需求以一定的速度触发仪表故障事件，出现该情况后会越过黄区进入红区，直至越过红区；任务要求作业人员保持对仪表指针位置的掌握，一旦指针进入异常区域，必须立即进行控制将相应仪表改出异常，任务的难度由表针转速和故障率共同决定，仪表异常处置正确率体现了任务绩效.1.3.3 任务负荷测量评价实验 本实验选择次任务测量方法，左边光点计数任务为主任务，要求被试人员在出现光点后以最快速度数清红色光点个数，并根据光点数的个位进行按键反应.若按键选择正确，光点会立即消失；若不正确，等待作业人员重新清点，直到可用时间耗尽.右边数字识别反应任务为次任务，需要被试人员根据数字信号进行按键反应，若按键选择正确，数字信号会立即刷新给出下一个信号.主任务为必须完成的任务，次任务为剩余能力完成的任务.要求在保证完成主任务的前提下，对数字信号做出正确反应.实验界面如图4所示.

图4 任务负荷测量评价实验界面

1.3.4 基于任务负荷的人机功能分配及评价实验本实验依然采用追踪控制任务、仪表监控任务、光点计数以及相应的数字信号反应等四项作业任务调节负荷后进行组合，从而改变任务的负荷水平和任务维度，实现与飞机中各机组人员心理负荷相当的等效仿真作业任务.通过实验研究不同任务负荷对机组人员作业绩效的影响.

1.4 数据处理 使用SPSS17.0统计学软件进行数据分析，采用多因素重复测量分析、t检验和多元线性回归方程等方法进行数据处理.

2 结果

2.1 任务负荷测量评价实验结果分析 经计算得到直接测量负荷和间接测量负荷以后，以间接测量负荷为X坐标，直接测量负荷为Y坐标，对两组数据进行回归分析.对比不同曲线回归分析结果.三次曲线回归拟合效果最优（表1）.

表1 直接测量负荷与间接测量负荷回归分析结果

其中R为拟合优度，R2＝0.986表明拟合程度非常好.以直接测量负荷为因变量，则其变异的原因98.6%是由间接测量负荷的变化引起，P＜0.05说明拟合结果与实验数据差异有统计学意义.三次曲线的拟合结果如图5所示.

图5 直接测量负荷与间接测量负荷三次曲线拟合图

采用Pearson模型对直接测量负荷和间接测量负荷做相关性分析，两者相关系数0.992（P＜0.01，表2），表明间接测量的负荷指标与直接测量的负荷指标具有相关性.

表2 直接测量负荷与间接测量负荷相关性分析结果

采用独立样本t检验对两者差异性进行分析，结果为，接受方差相等条件下Levene检验（P＝0.538，表3），方差齐性非常好，双侧t检验（P＝0.888，表3），表明直接测量与间接测量的负荷水平没有显著性差异，可以认为直接测量和间接测量的负荷水平相同.

表3 直接测量负荷与间接测量负荷独立样本T检验结果

2.2 光点计数任务和仪表监视任务的正确率与任务负荷分析分析 以任务负荷为X坐标，正确率为Y坐标做回归分析，三次曲线回归拟合效果最好，结果R2＝0.833，即光点任务和仪表监视任务的正确率的变化83.3%是由负荷变化引起，拟合结果与实验数据差异有统计学意义（P＜0.05，表4）.采用曲线拟合分析，结果如图6所示.

表4 任务正确率与任务负荷回归分析结果

图6 任务正确率与任务负荷曲线拟合图

2.3 跟踪误差分析 以任务负荷为X坐标，跟踪误差为Y坐标做回归分析，三次曲线回归拟合效果最好.R2＝0.619，即跟踪误差变异61.9%是由负荷变化引起，拟合结果与实验数据差异有统计学意义（P＜0.05，表5）.对跟踪误差与任务负荷作曲线拟合，结果如图7所示.

表5 任务跟踪误差与任务负荷回归分析结果

图7 跟踪误差与任务负荷的曲线拟合图

3.4 次任务在有无主任务条件下的正确率变化分析

次任务正确率变化量定义为作业人员在没有主任务条件下单独完成次任务的正确率与有主任务条件下完成次任务的正确率之差.以任务负荷为X坐标，次任务正确率的变化量为Y坐标做回归分析，三次曲线回归拟合效果最好，结果R2＝0.517，即辅助任务在有无主任务条件下的正确率变化51.7%是由负荷变化引起，拟合结果与实验数据差异有统计学意义（P＜0.05，表6）.对次任务正确率变化量与任务负荷进行曲线拟合，结果如图8所示.

表6 次任务正确率变化量与任务负荷的回归分析结果

图8 次任务正确率变化量与任务负荷的曲线拟合图

3 讨论

人机系统优化设计最重要的方法就是通过仿真进行实验研究［11－13］.构建有人参与的人机仿真系统，就是构建包括显示、控制、自动化和环境等要素在内的物理实验系统，从而实现人在回路中的仿真实验［14，17］.

脑力负荷是一个比较复杂的概念，其中一种普遍认同的理论为心理资源理论［15－16］.心理资源是指人的意识投向信息加工活动能力［18－19］.根据心理资源理论，人的心理资源可以分为两部分：任务使用资源和剩余资源［20］.执行任务过程中，作业人员根据任务负荷投入相匹配的心理资源；随着任务负荷的增加，作业人员不断将剩余心理资源投入到任务中，直到将所有的心理资源全部投入进去.若任务负荷超过了作业人员所能提供的心理资源，作业人员就不能满足任务负荷需求，表现出来就是作业人员超负荷工作，工作绩效下降［21－23］.虽然心理资源理论能够比较好的描述任务负荷，但是心理资源无法直接进行量化，不利于客观方法进行测量.无论输入负荷大小、个人努力多少、工作绩效高低，总会有一个信息描述整个过程，那就是完成任务所消耗的时间［24－25］.它综合体现了作业任务难度、个人努力程度以及工作绩效等.来自任务或作业人员的任何一项变化，都将引起任务执行时间的变化，而时间对于作业任务与心理资源有类似的影响，作业人员总是根据任务负荷投入相应的工作时间来判断任务的难度.随着负荷增加，作业人员逐渐将空余时间投入到任务中，直到空余时间为零，如果任务负荷需要的时间超出了作业人员所能提供的时间，人就会进入超负荷工作，工作绩效随之下降［26－28］.因此本研究考虑以任务需要的时间与任务可用时间的比值作为描述任务负荷的指标，对任务负荷展开研究.

从结果中可以看出，图5中拟合曲线与y＝x直线非常接近，表明采用本实验设计的次任务能够比较有效测量作业人员的剩余能力，从而间接测量主任务的负荷水平，其间接测量得到的主任务负荷在整个0—1的负荷范围内基本等于直接测量的主任务负荷.

图6中LOESS拟合曲线结果显示，任务正确率在负荷＜0.75的情况下，随着负荷的上升略有下降；当任务负荷＞0.75后，任务正确率随着负荷增加急剧下降.说明对于分析、判断、决策、计算等需要心理认知能力高度集中的高级任务，作业人员的负荷一旦超过0.75，任务执行的正确率和可靠性就急剧下降，任务负荷＜0.75时表现比较稳定，因此，对于高级作业任务执行者，功能分配时应该考虑将其负荷水平控制在0.75以下的合理水平.

对于连续监视跟踪型任务，加入其他作业任务就会对跟踪任务造成干扰，导致跟踪误差明显增加，即图7中负荷0.3以下的部分曲线，因此对于高精度连续跟踪控制任务应当尽量确保作业人员不受干扰.当任务负荷在0.3～0.8之间跟踪误差随着任务负荷加重表现为缓慢的增加，跟踪精度比较稳定，说明在作业人员受到一定程度干扰后，负荷在适当范围内增加，但对跟踪精度影响不大，因此在适当精度条件下可以给作业人员添加适度的负荷，不会显著影响跟踪精度.当任务负荷＞0.8以后，作业人员表现为超负荷运行，任务跟踪误差随着负荷的增加急剧增加，因此应该尽量控制作业人员在连续跟踪负荷＜0.8的合理水平，以免影响作业绩效.

由图8可知，当任务负荷＜0.2，次任务正确率的变化量为负，即有主任务条件下的正确率比没有主任务条件下的正确率高，说明在负荷低于0.2的条件下，增加负荷反而可以减小作业人员的人为失误，因此功能分配时应该尽量避免作业人员工作负荷＜0.2；当任务负荷在0.2～0.7之间，次任务正确率的变化量为正且缓慢增加，说明任务负荷的增加导致次任务正确率略微下降，人的工作成绩比较稳定；当任务负荷＞0.7以后，作业人员表现为超负荷工作，次任务正确率变化呈急剧下降趋势，且极不稳定，说明作业人员负荷＞0.7会导致失误率急剧增加，且工作表现不稳定，因此功能分配尽量确保任务负荷在0.2～0.7之间.

综上所述，本研究在分析目前人机功能分配的常用原则及方法基础上，运用实验研究的结论和多目标模糊决策的数学方法，提出了新型飞机人机功能分配的方法及流程，并通过实例分析验证了方法的有效性和可行性.结果提示，本文提出的人机功能分配方法可为新型飞机人机功能分配及优化设计研究提供一种客观量化的研究方法.

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·医学教育·

通讯作者：胡文东.E⁃mail：76113480＠qq.com

作者简介：王宥霖.E⁃mail：41309098＠qq.com

收稿日期：2015－12－23；接受日期：2016－01－08

文章编号：2095⁃6894（2016）02⁃84⁃05