人機功能分配對于長航時飛行負荷評價的初步研究

王宥霖，馬如夢，李曉京，張利利，惠鐸鐸，馬 進，許波，胡文東

（第四軍醫大學：1航空航天醫學院，陜西西安710032，2唐都醫院實驗外科，陜西西安710038，3校務部衛生處，陜西西安710032）

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人機功能分配對于長航時飛行負荷評價的初步研究

王宥霖1，馬如夢2，李曉京1，張利利1，惠鐸鐸1，馬 進1，許波3，胡文東1

（第四軍醫大學：1航空航天醫學院，陜西西安710032，2唐都醫院實驗外科，陜西西安710038，3校務部衛生處，陜西西安710032）

【摘 要】目的：針對新型飛機人機功能分配特點開展了深入系統的研究，建立任務負荷測量評價方法，提出新型飛機人機功能分配的方法及流程.方法：根據基于剩余能力的次任務負荷測量評價方法和任務執行過程中的負荷變化規律，設計了相應的實驗流程，選取10名被試人員共進行了51組相關實驗，部分驗證并確立了任務負荷的評價方法以及范圍.結果：任務負荷測量評價實驗的結果部分驗證了任務負荷測量評價方法的可行性和有效性；復雜作業任務負荷分析實驗的結果驗證了任務負荷的累加性.結論：運用基于剩余能力的測量方法測量任務負荷水平是可行和有效的；復雜作業任務負荷水平可以通過測量其簡單子任務的負荷水平，再通過累加原理計算得出；負荷指數應在一定范圍內，否則作業任務質量明顯下降.

【關鍵詞】新型飛機；人機功能分配；任務負荷；作業任務分配

【中圖分類號】V211.4

【文獻標識碼】A

0 引言

隨著航空電子技術的不斷發展和計算機技術在飛機各大系統中不斷應用，自動化、智能化已經成為新型飛機的重要發展方向［1－3］.技術的進步使機組人員面臨的作業任務日趨復雜，人在系統運行中的角色也發生了很大變化，從系統的直接操縱者轉變為系統決策中樞［4，6］.

雖然人具有創新性和靈活性，但是受限于生理、心理的極限，執行任務的速度和容量是有限的，導致飛機操控和安全性下降，對于高性能高可靠性的航空系統是不可接受的.人的操控能力和人為失誤與負荷水平有著密切關系，過高或過低的工作負荷會導致操作錯誤、疏漏等各種問題，都會影響系統效能發揮［5］.因此將機組人員集成到整個系統的功能結構中，充分考慮人機的協同工作，實現適度自動化、智能化，形成綜合的人機集成系統［7－8，10］，將能夠更好的實現飛機的最優設計.這種將機組人員集成到系統結構中的人機系統的設計就是人在回路中的設計［9］.

綜上所述，在人—機之間實現合理的作業任務分配，從而保證機組人員處于合理的負荷水平非常重要.要實現作業任務的合理分配，就必須充分研究新型飛機各系統作業任務內容及特點.

1 方法

1.1 研究對象 大學本科生，10名，男，年齡18～20歲，身高（178.1±14.1）cm，體質量（67.4±7.3）kg，均為右利手，生活規律，無吸煙、嗜酒、賭博等不良嗜好，無睡眠障礙，無精神疾病家族史，均擅長使用計算機.

1.2 實驗方法和流程 實驗平臺為聯想一體電腦5臺，23英寸彩色液晶顯示器（分辨率為1920× 1080），配Logitech G940飛行模擬駕駛系統.實驗程序使用GameStudio的Lite?C腳本語言編程實現，實驗采用次任務測量法，所記錄的數據包括：任務績效參數（包括正確、錯誤、丟失）和消耗時間，以及跟蹤精度等.仿真軟件界面見圖1.

圖1 仿真軟件界面

1.3 測試內容

1.3.1 持續跟蹤控制任務實驗 該任務要求機組人員持續關注的某些信息同時對某些系統進行相應操控，并不斷核對系統響應反饋，確保系統按照操控預期運行，一旦系統偏離預期立即展開操縱從而使系統回復到預計的狀態（圖2）.

圖2 持續跟蹤控制任務

1.3.2持續監視離散控制任務實驗 本文通過控制儀表異常事件的頻率以及指針運動速度來控制作業人員判讀儀表的頻率，從而實現任務負荷水平調節.作業任務模型如圖3所示.

圖3 儀表監控任務模型

儀表指針以一定速度在綠色區域內作正常角速度運動，系統根據任務負荷需求以一定的速度觸發儀表故障事件，出現該情況后會越過黃區進入紅區，直至越過紅區；任務要求作業人員保持對儀表指針位置的掌握，一旦指針進入異常區域，必須立即進行控制將相應儀表改出異常，任務的難度由表針轉速和故障率共同決定，儀表異常處置正確率體現了任務績效.1.3.3 任務負荷測量評價實驗 本實驗選擇次任務測量方法，左邊光點計數任務為主任務，要求被試人員在出現光點后以最快速度數清紅色光點個數，并根據光點數的個位進行按鍵反應.若按鍵選擇正確，光點會立即消失；若不正確，等待作業人員重新清點，直到可用時間耗盡.右邊數字識別反應任務為次任務，需要被試人員根據數字信號進行按鍵反應，若按鍵選擇正確，數字信號會立即刷新給出下一個信號.主任務為必須完成的任務，次任務為剩余能力完成的任務.要求在保證完成主任務的前提下，對數字信號做出正確反應.實驗界面如圖4所示.

圖4 任務負荷測量評價實驗界面

1.3.4 基于任務負荷的人機功能分配及評價實驗本實驗依然采用追蹤控制任務、儀表監控任務、光點計數以及相應的數字信號反應等四項作業任務調節負荷后進行組合，從而改變任務的負荷水平和任務維度，實現與飛機中各機組人員心理負荷相當的等效仿真作業任務.通過實驗研究不同任務負荷對機組人員作業績效的影響.

1.4 數據處理 使用SPSS17.0統計學軟件進行數據分析，采用多因素重復測量分析、t檢驗和多元線性回歸方程等方法進行數據處理.

2 結果

2.1 任務負荷測量評價實驗結果分析 經計算得到直接測量負荷和間接測量負荷以后，以間接測量負荷為X坐標，直接測量負荷為Y坐標，對兩組數據進行回歸分析.對比不同曲線回歸分析結果.三次曲線回歸擬合效果最優（表1）.

表1 直接測量負荷與間接測量負荷回歸分析結果

其中R為擬合優度，R2＝0.986表明擬合程度非常好.以直接測量負荷為因變量，則其變異的原因98.6%是由間接測量負荷的變化引起，P＜0.05說明擬合結果與實驗數據差異有統計學意義.三次曲線的擬合結果如圖5所示.

圖5 直接測量負荷與間接測量負荷三次曲線擬合圖

采用Pearson模型對直接測量負荷和間接測量負荷做相關性分析，兩者相關系數0.992（P＜0.01，表2），表明間接測量的負荷指標與直接測量的負荷指標具有相關性.

表2 直接測量負荷與間接測量負荷相關性分析結果

采用獨立樣本t檢驗對兩者差異性進行分析，結果為，接受方差相等條件下Levene檢驗（P＝0.538，表3），方差齊性非常好，雙側t檢驗（P＝0.888，表3），表明直接測量與間接測量的負荷水平沒有顯著性差異，可以認為直接測量和間接測量的負荷水平相同.

表3 直接測量負荷與間接測量負荷獨立樣本T檢驗結果

2.2 光點計數任務和儀表監視任務的正確率與任務負荷分析分析 以任務負荷為X坐標，正確率為Y坐標做回歸分析，三次曲線回歸擬合效果最好，結果R2＝0.833，即光點任務和儀表監視任務的正確率的變化83.3%是由負荷變化引起，擬合結果與實驗數據差異有統計學意義（P＜0.05，表4）.采用曲線擬合分析，結果如圖6所示.

表4 任務正確率與任務負荷回歸分析結果

圖6 任務正確率與任務負荷曲線擬合圖

2.3 跟蹤誤差分析 以任務負荷為X坐標，跟蹤誤差為Y坐標做回歸分析，三次曲線回歸擬合效果最好.R2＝0.619，即跟蹤誤差變異61.9%是由負荷變化引起，擬合結果與實驗數據差異有統計學意義（P＜0.05，表5）.對跟蹤誤差與任務負荷作曲線擬合，結果如圖7所示.

表5 任務跟蹤誤差與任務負荷回歸分析結果

圖7 跟蹤誤差與任務負荷的曲線擬合圖

3.4 次任務在有無主任務條件下的正確率變化分析

次任務正確率變化量定義為作業人員在沒有主任務條件下單獨完成次任務的正確率與有主任務條件下完成次任務的正確率之差.以任務負荷為X坐標，次任務正確率的變化量為Y坐標做回歸分析，三次曲線回歸擬合效果最好，結果R2＝0.517，即輔助任務在有無主任務條件下的正確率變化51.7%是由負荷變化引起，擬合結果與實驗數據差異有統計學意義（P＜0.05，表6）.對次任務正確率變化量與任務負荷進行曲線擬合，結果如圖8所示.

表6 次任務正確率變化量與任務負荷的回歸分析結果

圖8 次任務正確率變化量與任務負荷的曲線擬合圖

3 討論

人機系統優化設計最重要的方法就是通過仿真進行實驗研究［11－13］.構建有人參與的人機仿真系統，就是構建包括顯示、控制、自動化和環境等要素在內的物理實驗系統，從而實現人在回路中的仿真實驗［14，17］.

腦力負荷是一個比較復雜的概念，其中一種普遍認同的理論為心理資源理論［15－16］.心理資源是指人的意識投向信息加工活動能力［18－19］.根據心理資源理論，人的心理資源可以分為兩部分：任務使用資源和剩余資源［20］.執行任務過程中，作業人員根據任務負荷投入相匹配的心理資源；隨著任務負荷的增加，作業人員不斷將剩余心理資源投入到任務中，直到將所有的心理資源全部投入進去.若任務負荷超過了作業人員所能提供的心理資源，作業人員就不能滿足任務負荷需求，表現出來就是作業人員超負荷工作，工作績效下降［21－23］.雖然心理資源理論能夠比較好的描述任務負荷，但是心理資源無法直接進行量化，不利于客觀方法進行測量.無論輸入負荷大小、個人努力多少、工作績效高低，總會有一個信息描述整個過程，那就是完成任務所消耗的時間［24－25］.它綜合體現了作業任務難度、個人努力程度以及工作績效等.來自任務或作業人員的任何一項變化，都將引起任務執行時間的變化，而時間對于作業任務與心理資源有類似的影響，作業人員總是根據任務負荷投入相應的工作時間來判斷任務的難度.隨著負荷增加，作業人員逐漸將空余時間投入到任務中，直到空余時間為零，如果任務負荷需要的時間超出了作業人員所能提供的時間，人就會進入超負荷工作，工作績效隨之下降［26－28］.因此本研究考慮以任務需要的時間與任務可用時間的比值作為描述任務負荷的指標，對任務負荷展開研究.

從結果中可以看出，圖5中擬合曲線與y＝x直線非常接近，表明采用本實驗設計的次任務能夠比較有效測量作業人員的剩余能力，從而間接測量主任務的負荷水平，其間接測量得到的主任務負荷在整個0—1的負荷范圍內基本等于直接測量的主任務負荷.

圖6中LOESS擬合曲線結果顯示，任務正確率在負荷＜0.75的情況下，隨著負荷的上升略有下降；當任務負荷＞0.75后，任務正確率隨著負荷增加急劇下降.說明對于分析、判斷、決策、計算等需要心理認知能力高度集中的高級任務，作業人員的負荷一旦超過0.75，任務執行的正確率和可靠性就急劇下降，任務負荷＜0.75時表現比較穩定，因此，對于高級作業任務執行者，功能分配時應該考慮將其負荷水平控制在0.75以下的合理水平.

對于連續監視跟蹤型任務，加入其他作業任務就會對跟蹤任務造成干擾，導致跟蹤誤差明顯增加，即圖7中負荷0.3以下的部分曲線，因此對于高精度連續跟蹤控制任務應當盡量確保作業人員不受干擾.當任務負荷在0.3～0.8之間跟蹤誤差隨著任務負荷加重表現為緩慢的增加，跟蹤精度比較穩定，說明在作業人員受到一定程度干擾后，負荷在適當范圍內增加，但對跟蹤精度影響不大，因此在適當精度條件下可以給作業人員添加適度的負荷，不會顯著影響跟蹤精度.當任務負荷＞0.8以后，作業人員表現為超負荷運行，任務跟蹤誤差隨著負荷的增加急劇增加，因此應該盡量控制作業人員在連續跟蹤負荷＜0.8的合理水平，以免影響作業績效.

由圖8可知，當任務負荷＜0.2，次任務正確率的變化量為負，即有主任務條件下的正確率比沒有主任務條件下的正確率高，說明在負荷低于0.2的條件下，增加負荷反而可以減小作業人員的人為失誤，因此功能分配時應該盡量避免作業人員工作負荷＜0.2；當任務負荷在0.2～0.7之間，次任務正確率的變化量為正且緩慢增加，說明任務負荷的增加導致次任務正確率略微下降，人的工作成績比較穩定；當任務負荷＞0.7以后，作業人員表現為超負荷工作，次任務正確率變化呈急劇下降趨勢，且極不穩定，說明作業人員負荷＞0.7會導致失誤率急劇增加，且工作表現不穩定，因此功能分配盡量確保任務負荷在0.2～0.7之間.

綜上所述，本研究在分析目前人機功能分配的常用原則及方法基礎上，運用實驗研究的結論和多目標模糊決策的數學方法，提出了新型飛機人機功能分配的方法及流程，并通過實例分析驗證了方法的有效性和可行性.結果提示，本文提出的人機功能分配方法可為新型飛機人機功能分配及優化設計研究提供一種客觀量化的研究方法.

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通訊作者：胡文東.E?mail：76113480＠qq.com

作者簡介：王宥霖.E?mail：41309098＠qq.com

收稿日期：2015－12－23；接受日期：2016－01－08

文章編號：2095?6894（2016）02?84?05