直升机概念设计中的人机工效评估

连金强

摘 要：本文在查阅文献的基础上，采用德尔菲方法建立了直升机座舱人机工效评估指标体系，提出了用于人机工效评估的四个准则：座舱布局指数、显示界面设计指数、人机功能分配指数和座舱环境指数，利用多种综合评估方法对设计方案进行评估对比。最后根据本文提出的评估准则对3种方案进行了评估，并对结果进行了分析。

关键词：指标体系；人机工效；评估方法

中图分类号： V212.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）36-190-2

1 评估指标体系的建立

传统的人机工效评估主要针对某一方面（比如座舱布局、显示界面）进行深入而忽略了其他方面的考虑，导致最终筛选出的方案出现一些缺陷。因此，有必要从系统角度对驾驶舱人机工效全面综合地评估，而这需要建立在合理完善的指标体系基础之上。

通过分析影响人机工效的各种因素，从座舱环境、人机功能分配、座舱布局和显示界面设计四个方面，将研究目的背景，指标框架体系和初步拟定的指标制成专家调查表，选定8人组成的专家组，通过两轮的咨询，专家意见基本趋于一致，确立了一级指标和二级指标，建立如表1所示的指标体系。

座舱布局主要考虑座舱空间的合理性、操纵装置的布局和座椅的设计。采用座舱布局指数这一指标来衡量操作的舒适性和便捷性。

显示界面设计主要考虑仪表板布局，显示器及头盔瞄准显示器的视觉特性。该指数是人机界面交互中反映用户体验和获取信息效率的一个指数。

人机功能分配指数用于衡量驾驶舱设计的智能化水平，包括操纵系统和航电系统的先进水平是否利于降低人的工作任务。

座舱环境指数综合温度、噪声、振动和照明等因素，反映出环境的适宜性。

2 指标权重的确定

权重是指同一层中每项指标对上级指标的影响程度，它是反映各指标在评价对象中价值地位的系数（0～1）。综合评估中确定指标权重比较常用的方法是层次分析法，但是层次分析法判断矩阵难于确定，一致性难于保证，而且只适用于指标不多于9个的情况。

本文使用改进层次分析法（G1法）能很好地避免上述问题。G1法确定指标权重系数一般分为以下3个步骤：

①确定序关系。若评价指标μi相对于某评价准则的重要程度大于（不小于）μj，则记μi？酆μj。若评价指标μ1，μ2，μ3，…，μn相对于某评价准则的关系式为μ1？酆μ2？酆μ3？酆…μn，则称评价指标μ1，μ2，μ3，…，μn之间按？酆确定了序关系。

②指标间相对重要程度的判断。专家根据上面确立的序关系，对相邻的两个指标的重要程度之比wk-1/wk=rk（k=2，3，…，n；wk表示指标μk的权重）做出判断。

③权重系数wk的确定。

根据专家给出rk的理性赋值，计算权重系数wk。

3 指标参数的确定

对人机工效进行综合评估，需要得到各指标参数值，其关键在于选择合适的评估方法。将指标体系最底层指标值量化，采用系统评价方法进行自下而上聚合，最终得到对人机工效的整体评价，该方法的核心在于底层指标的量化和评价函数的确定。

4 计算准则层指数

在获取二级指标的评估值后，由于各个指标取值标准、量纲不相同，需要对其进行需要规范化处理，即对各指标值归一量化到区间[0，1]，采用线性加权求得一级指标值，如座舱空间指数：

w11i为二级指标的权重系数，权重系数计算值在表2中列出。经过逐级计算可以得出座舱布局指数A1、显示界面设计指数A2、人机功能分配指数A3和座舱环境指数A4。

5 综合评估方法

人机工效评估是一个多指标综合评估问题，多指标评估原理为采用一定的方法将建立的指标体系合成一个用于评估参考的综合指数。应用上文阐述的方法计算出反映人机工效特性的4个属性：座舱布局指数、显示界面设计指数、人机功能分配指数和座舱环境指数，然后分别采用线性加权法、模糊综合评价法和蛛网图法对3个方案进行综合评估选择。

5.1 线性加权法

线形加权法计算公式如下：

三种方案评估分值分别为：0.81，0.775，0.8125；

5.2 蛛网图法

根据指标个数将圆分成相应等分，将评估指标量化值标记在区间为[0，1]的半径坐标轴上，依次连接各数据点形成一个多边形，这样在二维平面中能够直观地给出多个方案多指标的相对优劣关系。

仅靠直观不足或者难以给出准确判断，而采用改进的等效面积作为多方案评估的依据则在直观显示的基础上使得评估结果更加科学。等效面积是指蛛网图上多边形围成的面积，作为评估参考值具有一定意义。等效多边形面积计算公式为（注：A5即A1）：

利用上式计算出三种方案的等效面积分别为S1= 0.08203，S2=0.07530，S3=0.08097。

5.3 模糊综合评估法

①建立因素集。A={A1，A2，A3，A4}，分别表示座舱布局指数、显示界面设计指数、人机功能分配指数和座舱环境指数。

②采用G1法确定各指标权重值。

③建立评语集。V={很好（0.9），较好（0.7），一般（0.5），较差（0.3），很差（0.1）}

④利用隶属度函数确定模糊评判矩阵如下：

改变权重系数，再次对上述方案作出评估，从结果看来，蛛网图法和模糊综合法在3种权重条件下，评估结论均一致，且三种方案评估分值差异突出，能够容易选出最有方案；线性加权法对方案评估差异较小，并且在某些情况下评估结果不一定可靠。

6 结束语

对直升机人机工效评估是一项复杂的任务，需要涉及多方面多领域，尤其专家经验知识的引入，这在指标体系建立阶段表现明显。单项指标的评估更是需要大量的实验、仿真、统计等基础工作，主观性比较强的指标也离不开专家的主观评价。文章通过建立起的评估模型，应用了3种方法对三种假想方案作出评估，结果对比可以看出蛛网图法模型简单，结果可以直观显示亦可定量比较，而且实施起来较方便，在概念方案评估阶段具有很大的实用价值；模糊综合评估法虽然适合评估模糊的，难以量化的问题，评估结果可靠，但实施起来不如蛛网图法快捷；线性加权法简洁易懂但是只对线性关系的指标才可靠，不建议采用。

参 考 文 献

[1] 郭赞，郭定，等.直升机座舱显示界面人机工效指标体系评估研究[J].电光与控制，2011，18（5）：68-70.

[2] 白振东，刘虎，等.飞机总体设计优化中的多目标方案优选方法[J].航空学报，2009，，30（8）：1447-1453.