特種飛機(jī)艙室布局綜合評價(jià)研究

羅祥振，程麗珠，魏 強(qiáng)

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

特種飛機(jī)是指能夠執(zhí)行某種特殊任務(wù)的“特種任務(wù)專業(yè)飛機(jī)”，主要由載機(jī)和任務(wù)電子系統(tǒng)兩部分組成[1]。預(yù)警機(jī)是集空中預(yù)警、電子偵察、數(shù)據(jù)處理、指揮控制等功能于一體的特種飛機(jī)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的指揮控制平臺[2]。預(yù)警機(jī)中任務(wù)系統(tǒng)操作臺為操作員提供傳感器控制和信息處理顯示控制等人機(jī)交互功能，是最重要的人機(jī)界面[3]。因此，如何利用艙室有限的空間將任務(wù)系統(tǒng)合理布局，提高操作員的工作效率、增強(qiáng)戰(zhàn)斗力顯得尤為重要。目前，對于艦船、潛艇艙室[4-6]以及飛機(jī)駕駛艙[7-8]人機(jī)工效評價(jià)研究較多，對于特種飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)艙室布局綜合評價(jià)的研究很少。隨著科技的發(fā)展以及現(xiàn)代戰(zhàn)爭對預(yù)警機(jī)長航時(shí)預(yù)警偵察、指揮作戰(zhàn)的能力要求越來越高，有效的對艙室布局人機(jī)工效評價(jià)研究，是改善整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)功效的關(guān)鍵基礎(chǔ)。因此，本文從艙室布局綜合評判的角度出發(fā)，基于改進(jìn)的層次分析法模型，分析艙室布局系統(tǒng)、建立評估指標(biāo)體系，形成一套合理的對于該類產(chǎn)品的評價(jià)方法并通過實(shí)例分析驗(yàn)證該方法的可行性，為今后任務(wù)系統(tǒng)艙室布局研究提供參考。

1 艙室評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

艙室顯控臺任務(wù)系統(tǒng)和操作員構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。本文以實(shí)現(xiàn)其最大的功能和效率為基點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。艙室任務(wù)系統(tǒng)與飛機(jī)駕駛艙、艦艇艙室功能作用不同，評價(jià)指標(biāo)也有一定差別，其人機(jī)工效的評價(jià)更注重于操作員的直觀感受和舒適性等方面[3]。參考艦船艙室布局的相關(guān)研究，利用層次分析法基本原理將問題層次化，目標(biāo)層為綜合評估的最終目標(biāo)，即最優(yōu)艙室布局方案；準(zhǔn)則層分為舒適性、人機(jī)交互、功能相近、環(huán)境適應(yīng)性四個(gè)方面；最后根據(jù)實(shí)際情況將準(zhǔn)則層再細(xì)分為各個(gè)影響其效能的具體指標(biāo)。根據(jù)圖1所示，構(gòu)建的指標(biāo)體系目標(biāo)層為1項(xiàng)，準(zhǔn)則層為4項(xiàng)，指標(biāo)層為8項(xiàng)。各個(gè)評估指標(biāo)并不是相互獨(dú)立的，它們相互關(guān)聯(lián)、相互作用，共同影響著最終的艙室布局[9]。

圖1 艙室任務(wù)系統(tǒng)人機(jī)界面評估指標(biāo)體系

2 不同艙室布置方案分析

2.1 現(xiàn)有艙室顯控臺布置方案

目前世界范圍內(nèi)正在服役的預(yù)警機(jī)任務(wù)系統(tǒng)顯控臺的布置一般分為順航向、面對面、側(cè)航向三種。圖2和圖3分別為側(cè)航向和順航向的兩種布置方式。韓國的“和平眼”預(yù)警機(jī)和空客C295預(yù)警機(jī)為側(cè)航向布置，這種方案能夠?qū)⑾嗤瑧?zhàn)位放在一起有利于協(xié)同作戰(zhàn)、同時(shí)指揮長坐在中間有利于指揮控制，但是由于飛機(jī)巡航時(shí)有一定的仰角，嚴(yán)重降低了操作員的舒適度。日本航空自衛(wèi)隊(duì)裝備的E-767預(yù)警機(jī)顯控臺為順航向布置，這種布置方式可以提高操作員的舒適度，以保持乘員可以堅(jiān)持長時(shí)間工作，但這種布置方式需要更大的艙內(nèi)空間。

圖2 側(cè)航向顯控臺布置

圖3 順航向顯控臺布置

2.2 研究評估的艙室顯控臺布置方案

我們所評估的顯控臺席位設(shè)置為16個(gè)，基于此構(gòu)建了兩種不同的顯控臺布置方案，圖4為所在艙段內(nèi)構(gòu)建的顯控臺布置方案圖。通過構(gòu)建指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)權(quán)重，采用專家打分法對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，確定專家可靠度向量，結(jié)合不同專家的評估結(jié)果確定最優(yōu)方案，為今后該產(chǎn)品的研發(fā)提供支持。

圖4 兩種顯控臺布置方案

3 基于改進(jìn)層次分析法的艙室布局綜合評估

3.1 層次分析法基本原理

層次分析法是系統(tǒng)工程對非定量問題作定量分析的一種簡便的方法，也是對人們的主觀判斷做定量描述的一種有效方法。它通過把一個(gè)問題即目標(biāo)層分解成各個(gè)組成因素，又將這些因素按支配關(guān)系形成遞階層次結(jié)構(gòu)。通過兩兩因素比較的方式，確定層次中各結(jié)果的相對重要性(即權(quán)重)[10]。

層次分析法的步驟為：

(1)建立層次分析結(jié)構(gòu)模型

(2)構(gòu)造判斷矩陣

(3)層次排序以及一致性檢驗(yàn)

(4)得到各個(gè)指標(biāo)權(quán)重

3.2 改進(jìn)的層次分析法

傳統(tǒng)的層次分析法采用1～9及其倒數(shù)共17個(gè)數(shù)作為標(biāo)度，這就是經(jīng)典的9標(biāo)度法。但是，這種方法存在著一定的不足：比例標(biāo)度跨度過大，當(dāng)兩兩比較的判斷矩陣元素較多時(shí)，容易造成其不一致性，且調(diào)整困難。為了彌補(bǔ)這種不足，采用改進(jìn)的層次分析法比例標(biāo)度，采用4標(biāo)度法，如表1所示。這種比例標(biāo)度更符合實(shí)際情況，所構(gòu)造的判斷矩陣也更容易滿足一致性要求。

表1 四標(biāo)度法含義

3.3 構(gòu)建專家權(quán)重集

在進(jìn)行系統(tǒng)評估時(shí)，首先構(gòu)建評估專家權(quán)重集，為了增強(qiáng)專家評估結(jié)果的可靠性，我們有幸請到了用戶為方案進(jìn)行評估打分，這些用戶很多都是該領(lǐng)域的專家。我們從專業(yè)相關(guān)度、對問題的認(rèn)識程度、經(jīng)驗(yàn)等方面對這些專家的可靠度進(jìn)行考量，創(chuàng)建專家自我評估表，如表2所示。進(jìn)而確定各個(gè)專家在綜合評估結(jié)果中的比重。

表2 專家自我評估表

假設(shè)有m位專家進(jìn)行評判，第k位專家的自我評估值為Hk，則Hk=ak·bk·ck，則第k位專家的可靠度為

(1)

則專家可靠度向量為：

3.4 構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

根據(jù)圖1構(gòu)建的評估指標(biāo)體系，將各層元素兩兩比較并根據(jù)表1的比例標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣。但是，判斷矩陣是基于認(rèn)知或者專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造的，有可能會出現(xiàn)兩兩比較的構(gòu)造尺度前后不一致性，勢必導(dǎo)致錯誤的計(jì)算結(jié)果。因此，在進(jìn)行排序時(shí)必須經(jīng)過一致性檢驗(yàn)[9]。計(jì)算一致性比率的公式為：

(3)

其中λmax為判斷矩陣的最大特征值。

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I的取值如表3所示：

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)取值規(guī)則

當(dāng)C.R<0.1時(shí)，則認(rèn)為該層次單排序結(jié)果具有滿意一致性，否則的話需要重新調(diào)整判斷矩陣。

3.5 綜合評估

根據(jù)每位專家所給出的判斷矩陣計(jì)算出該專家對于各個(gè)指標(biāo)所賦予的權(quán)重。結(jié)合其對每一個(gè)方案指標(biāo)的打分計(jì)算得到單個(gè)專家的評估結(jié)果，最后將每位專家的評估結(jié)果與專家可靠度向量相乘，得到其綜合評估結(jié)果。設(shè)每位專家對方案的評估結(jié)果為Wk,可靠度向量為Rk，得到該方案的綜合評估結(jié)果為：

4 案例分析

本文為了評估所布置的兩種顯控臺方案的優(yōu)劣性，設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，用戶為所調(diào)研對象，收集他們對圖1所列的各個(gè)指標(biāo)的打分。最后基于改進(jìn)的層次分析法進(jìn)行綜合評估。按照第三章基于改進(jìn)層次分析法的步驟，首先構(gòu)建各個(gè)指標(biāo)層的判斷矩陣，對準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的因素兩兩對比，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最后確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

4.1 確定權(quán)重指標(biāo)

本次調(diào)研總共收到幾十位專家用戶的評估表，首先，將這些專家按照表2進(jìn)行打分，表4為其中一位專家的打分結(jié)果。結(jié)合公式(1)和公式(2)確定專家可靠度向量R，再由這些專家根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)判斷，單獨(dú)構(gòu)造判斷矩陣。由于專家數(shù)量過多，指標(biāo)打分表和判斷矩陣的數(shù)量較大，本文不再一一列舉。下面以其中的一位專家構(gòu)造的判斷矩陣為例說明。

表4 艙室布局評估指標(biāo)打分表

首先確定準(zhǔn)則層判斷矩陣A。將其四個(gè)指標(biāo)：舒適性、功能相近、人機(jī)交互、環(huán)境適應(yīng)性兩兩比較。根據(jù)表1的4標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣。

采用相同的方式確定指標(biāo)層的判斷矩陣

然后對各個(gè)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并求取權(quán)向量。為了方便計(jì)算，采用MATLAB編寫相關(guān)程序。該專家確定的各個(gè)評估指標(biāo)的權(quán)重如表5所示。

表5 各個(gè)指標(biāo)權(quán)重

最后，將這位專家對各個(gè)指標(biāo)的打分乘以相應(yīng)的權(quán)重再相加到一起便得到該專家的評估結(jié)果。將表4與表5相結(jié)合得到該專家對于兩種方案的評估結(jié)果為方案1：83.33分，方案2:81.89分。

4.2 確定綜合評估結(jié)果

每位接受調(diào)研的專家都對兩種方案進(jìn)行打分，由于數(shù)量過多不一一列出，每位專家的評估結(jié)果都可以采用4.1節(jié)通過層次分析法構(gòu)造判斷矩陣求出，最后根據(jù)公式(5)將各個(gè)專家的打分結(jié)果與其可靠度向量進(jìn)行結(jié)合，求出兩種方案的綜合打分結(jié)果。兩種方案的綜合評分分別為方案1：83.27分，方案2:81.37分。因此方案1為兩種方案中相對最優(yōu)的方案。

5 結(jié) 語

特種飛機(jī)艙室任務(wù)系統(tǒng)操作員艙是戰(zhàn)勤人員執(zhí)行特殊任務(wù)的直接交互平臺，有效的對艙室布局人機(jī)工效評價(jià)研究，是提高整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)功效的關(guān)鍵基礎(chǔ)，因此有必要建立一套合理的評價(jià)體系。本文在現(xiàn)有服役的顯控臺布置方案的基礎(chǔ)上，面向新型特種飛機(jī)設(shè)計(jì)了兩種顯控臺布置方案并對方案進(jìn)行綜合評估。首先，基于任務(wù)系統(tǒng)總體布局和人機(jī)工效，結(jié)合指標(biāo)體系建立流程，建立一套完善、有效的評估指標(biāo)體系；然后采用改進(jìn)后的層次分析法對評價(jià)指標(biāo)綜合評估，形成了一套完備的對于該類產(chǎn)品的評價(jià)方法；最后通過實(shí)際案例分析，論證了這種評價(jià)方法的可行性，分析得出方案1相對最優(yōu)。案例分析結(jié)果表明了這種評價(jià)方法對于該類產(chǎn)品具有很好的適用性，評估結(jié)果客觀合理。同時(shí)，案例分析中專家對兩種方案的評估可以為未來特種飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)艙室布局設(shè)計(jì)提供實(shí)際的參考意義。