直升机显示与告警信息优先级排序的方法研究

刘辉，王斌

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

0 引言

随着航空技术的发展，直升机系统的集成度越来越高，系统工作状态信息和故障信息日益庞大繁杂。飞行员需要使用哪些信息，哪些故障信息需要以何种级别告警，这些问题日益受到用户和工业部门的重视。然而，直升机驾驶舱显示信息与告警级别的确定并没有采取一种科学的评价方法，现行的标准体系与适航规章中也无此类方法，大多只是给出建议的显示信息与告警级别[1-3]。以往直升机型号研制和驾驶舱优化设计中，也仅仅依靠型号经验和设计人员的主观判断，存在诸多隐患。如何通过驾驶舱显示信息和告警信息的优先级确定，优化设计，合理地降低飞行员的认知负荷，提高操作效率，保证飞行安全，是需要进一步研究和解决的课题之一。

本文按照系统工程和人机工效的相关理念，首先，提出了多参数综合评价流程；然后，对多参数综合评价流程的各个环节进行了详细的论述；最后，对本文提出的综合评价流程和指标测定方法进行了详细的论述。

1 显示与告警信息优先级评价流程

为了对驾驶舱显示与告警信息的优先级进行排序，在识别评价对象的基础上，建立指标体系和综合评价模型，此阶段，需组织专家评审，就信息获取的完整性、指标体系的合理性、评价模型的科学性和适宜性进行审查。经专家评审认可后，选取评价、测量方法，并确定专家用户群，对指标体系的各项参数进行客观测量和主观评价，给出各项参数的评分表。选择适宜的数据处理方法，对显示与告警信息进行综合评价排序，进而拟定初步显示信息清单与告警级别清单，经专家评审和试验、试飞验证后，给出最终的显示信息清单与告警级别清单。多参数综合评价流程如图1所示。

图1 综合评价流程图

本文将详细地论述评价指标体系、评价模型的建立，并介绍每项指标的测定方法、数据处理方法和测量工具，而试验、试飞验证程序只做简单的说明，不作为本文研究的重点。

2 显示、告警级别定义

按照GJB 301—1987《飞机下视显示器字符》，显示信息是向飞行员发出的直升机及其周围环境的即时情况、工作状态、指令和预测等信息，这些信息包括定量信息和定性信息。本文中的显示信息，主要是指直升机任务剖面内各种工作状态信息、环境信息、导航信息和指令信息[4]。参照AC 27.1309及直升机型号经验，本文将显示信息划分为以下4级，具体的定义如表1所示。

表1 显示级别及定义

告警信息是向飞行员发出的能引起其注意力的有关飞行安全的信息。按照GJB 1006—1990《飞机座舱告警基本要求》和直升机型号实际设置的告警级别，根据危及飞行安全的紧急程度，告警一般可划分为警告级、危险级、注意级和提示级4级，具体的定义如表2所示。

表2 告警级别及定义[5]

3 建立评价指标体系

驾驶舱显示信息与告警信息的基本目标是满足飞行员使用需求和安全运行要求，能让飞行员快速地判读直升机及其周边环境状态，确保飞行安全，提高任务效率。基于此基本目标，考虑驾驶舱显示信息与告警信息优先级对飞行安全、任务安全及任务使用的影响，本文从信息的安全性需求、人机工效需求、设计架构需求和可探测性需求4个角度，本着指标体系可量化、可操作、可验证及独立性的原则，确定了直升机驾驶舱显示信息与告警信息优先级评价指标体系，如表3所示。

表3 驾驶舱显示信息与告警信息的评价指标体系

建立的指标体系，确定了重要度、使用频度、冗余度和可探测度4个指标，相互独立且均可测量，同时兼顾了安全性、工效性、可靠性和测试性，是评价显示信息与告警信息优先级的基本指标。

4 建立综合评价模型

按照构建的指标体系，采用多参数综合评分方法，建立驾驶舱显示信息与告警信息综合评分模型如下：

式（1）中：a、b、c、d——指标的权重，是综合评价模型的重要信息。

目前存在的权重的确定方法有很多，常见的有：对比打分法、最小平方法、特征向量法、层次分析法和熵权多目标决策法等。本文采用层次分析法来确定指标权重[6]。

采用层次分析法确定指标权重的过程如下所述。

a） 构造矩阵A

首先，将n个评价指标关于某个评价目标的重要程度按表4所列的比例标度做两两比较判断，构造矩阵A。

矩阵A标度及其含义如表4所示。

表4 评价指标相对重要性程度关系表

b） 矩阵 的一致性检验

矩阵A受到专家知识水平和个人偏好的影响，构造的矩阵很难满足一致性条件，因此，为了保证可信度和准确性，必须进行一致性检验。文献[6]第6章第3节中有详细的一致性检验方法，本文不再进行详细的阐述，只给出一致性准则及检验步骤。

一致性准则：

式（3）中：C.R.——矩阵的一致性指标；

R.I.——平均随机一致性指标，可查表获取；

C.I.——衡量矩阵A的不一致程度的数量指标。

C.I.计算公式如下：

一致性检验步骤如下所述。

1）构造矩阵A；

3） 将矩阵Q行相加得向量其中：

5） 计算判断矩阵的最大特征值 ：

6） 按式（3）-（4）判断矩阵A的一致性。

c） 指标权重wi的确定

对于公式（1）确定的综合评分模型，本文认为在显示信息与告警信息优先级排序中评价指标的重要性排序为重要度>使用频度=可探测度>冗余度。指标体系的权重比较如表5所示。

表5 权重比较表

根据表5确定的权重比较评分，构造矩阵A：

由式（5），得矩阵Q：

由公式（6），得向量C：

由公式（7），得特征向量wi：

由公式（4），得C.I.：

查表得R.I.=0.893 1，由公式（3），得一致性指标C.R.：

即，矩阵A通过一致性检验，wi可作为评价指标的权重系数，由综合评分模型得到符合评分：

综合评分=0.52×重要度+0.2×使用频度+0.08×冗余度+0.2×可探测度

关于此评分模型，需要说明的是：该评分模型必须经过验证和确认，修正各项指标权重，最终确定直升机驾驶舱显示信息与告警信息综合评价模型。

5 指标评定方法

5.1 重要度测定方法

显示信息与告警信息的重要度是综合评价模型的基础，即信息对于飞行安全和机组工作负荷影响的严重性等级。本文基于SAE ARP 4754A《对高度综合或复杂系统的合格审定考虑》提供的安全性评价方法，确定显示信息与告警信息的功能重要度等级，具体的流程如图2所示。

图2 显示与告警信息功能重要度等级流程图

SAE ARP 4761《民用运输系统和设备安全性评估程序的指导方针和方法》给出了功能危险分析（FHA）和FDAL分配方法[7]，本文不再叙述。

按照AC 27.1309和SAE ARP 4754A，重要度评分、等级及顶层FDAL的对应关系如表6所示。

表6 重要度等级、评分及其与FDAL的对应关系[8-9]

5.2 使用频度测定方法

使用频度表征的是信息的使用频度需求，即直升机或机组应使用安全或任务需求对信息的使用频度要求。本文按照型号经验，确定了信息使用频度评分准则，如表7所示。

表7 信息使用频度评分准则

5.3 冗余度测定方法

冗余度表征的是信息的独立性，即根据信息冗余方式，信息冗余度测算分为信源冗余度、通讯冗余度 和输出冗余度。本文按照有、无冗余进行冗余度评分，有冗余定义为1，无冗余定义为0，如表8所示。

表8 信息冗余度评分

对于冗余度，需要说明以下3点内容。

a）信源冗余度是从信号采集角度确定的，即：若信息采集源有硬件备份，如有多个传感器或备份探测电路，则认为信源是有冗余的；反之，则认为是无冗余的。需要说明的是，有一种情况也认为是有冗余的，即该信息可通过其他信息确切地获取。

b）通讯冗余度是从信息传输角度确定的，即：若信息可通过多个通道传输，则认为通讯是有冗余的；反之，则认为是无冗余的。需要说明的是，对于目前直升机通常采用的双余度总线机制，认为通讯冗余度为1。

c）输出冗余度是从信息显示角度确定的，即：若信息可通过多种形式输出，如可通过视觉（灯光、指示器）、听觉（话音、音调）或触觉输出，则认为输出是有冗余的；反之，则认为是无冗余的。

5.4 可探测度测定方法

对于显示信息，可探测度表征的是显示信息被及时、准确地探测的能力，该参数与系统（或设备）架构直接关联，即是否设置探测传感器或探测电路，以及它们的可靠性；对于故障信息，可探测度表征的是故障信息被及时、准确地诊断和隔离的能力，该参数与系统（或设备）测试设计直接关联，即是否设置测试传感器、测试电路和软件模块，以及它们的可靠性。

本文参考GJB/Z 1391—2006中工艺故障模式被检测难度等级的评分准则[10]，确定了显示信息可探测度评分准则，如表9所示。对于故障信息，可从故障检测率rFD、故障隔离率rFI和虚警率rFA方面来确定故障信息可探测度评分，公式（10）给出了故障信息可探测度评分模型。需要说明的是，本文涉及的故障检测率、故障隔离率和虚警率均是对基层级-机内测试设备（BITE）而言。

表9 显示信息可探测度评分

6 排序计算方法

按照本文第5 章确定的指标测定方法，对各个评价指标进行评分，确定每一项显示与告警信息的指标评分向量，定义为Ki，指标权重向量为wi，定义所有的显示与告警信息的综合评分矩阵为P（k）。则有：

通过公式（12）计算得到各项显示信息与告警信息综合评分，进行排序，拟定初步的显示信息清单与告警级别清单。

按照本文第2章约定的显示信息与告警信息级别，对案例测算的评分结果与型号实际设置的显示信息与告警信息级别进行比对，确定综合评分与其对应关系如表10所示。

表10 综合评分与显示信息、告警信息级别对应表

7 确认和验证

拟定的初步显示信息清单与告警级别清单，必须经确认和验证，原则上，本文认为至少应当进行地面试验验证与飞行验证，飞行员按照制定的验证程序和符合性准则，对该清单进行逐项验证，提交验证检查单。按照飞行员提交的验证检查单，对不符合项进行排查、修正，进行下一轮验证，直到全部符合，确定最终显示信息清单与告警级别清单。

8 结束语

本文借鉴系统工程的相关理念，提出了一种直升机显示信息与告警信息优先级排序的多参数综合评价方法，建立了较为合理的指标体系和综合评价模型，并阐述了客观测量和主观评价方法。利用此评价方法，可以有效地解决当前型号中遇到的驾驶舱显示与告警信息优先级排序问题，并为各个新研型号和系统的显示与告警信息的优先级设置提供思路，从而有效地降低飞行员的认知负荷，提高操作效率，保证飞行安全。