基于FAHP的艦艇模擬訓練系統人機功能分配*

汪匯川,寧云暉,陶 偉,陸泳舟

(海軍研究院，北京 100161)

艦艇模擬訓練系統的功能是建立作戰系統主要戰位仿真訓練環境,使受訓人員能夠進行裝備操作使用及指揮決策訓練,滿足多層次培訓、訓練、教學需求。因此,如何在人機之間進行合理的功能分配,是系統設計中必須解決的問題,模擬訓練系統的智能化過低會增加受訓人員額外負擔,影響訓練效果;而智能化過高又會使受訓人員對機器過分依賴,起不到訓練的意義,而且系統開發的代價過大。

針對艦艇模擬訓練系統建立人機功能分配模型的目的,就是對功能實現涉及的任務操控進行人機最佳分配。人機功能分配是研究和開發工作中重要而又復雜的一個環節,信息化艦艇模擬訓練系統的組成極其復雜。以往人機功能分配主要采用基于經驗的主觀定性分析的方法,尚無一個系統的、可普遍采用的決策方法。本文建立FAHP人機功能優選模型,對于主觀定性分析難以獲得分配結果的一些人機功能分配,采用量化評估的方法優選。

1 人機特性比較

國內外裝備人機工程研究與應用大體上經歷了人適應機、機適應人、人機相互適應等幾個階段,目前正致力于實現人機系統相互整合的目標[1]。

相對來說，機的能力是相對固定的,在使用條件允許的范圍內,可將更多復雜的功能分配給機器;而人的能力雖然有限,但人具有思維,可將難以量化、判斷、決策的功能分配給人。本文在文獻[2-3]的基礎上從人機特性在監控能力、操作能力、判斷能力和適應能力等四個方面進行了對比。

按照人機特性比較,人機適合承擔執行的任務分別如下:

1)適合人執行的任務

適合人承擔的任務包括:簡單選擇、輸入、判斷、確認的操作;速度、精度要求不是很高的操作;變化頻繁、決策性的操作;各種信息之間判斷且信息變化頻繁度高的操作;從圖像圖形上決策的操作;三維空間非線性模糊性的操作;對突發事件而需要主觀判斷的操作;需要對未來的不可預期狀態做處理的操作。

2)適合機執行的任務

適合機器承擔的任務包括:單調重復和高階運算的操作,大量信息存儲檢查、數據和資料整理的操作;高可靠性、高精度和程序固定的操作;高級運算、需要快速性的操作;控制精度要求嚴格的操作;長時間連續運行的操作;大負荷、特殊環境的操作;人容易犯錯誤的操作等。

表1 人機特性的比較

2 人機功能分配模型

2.1 人機功能分配模型

進行艦艇模擬訓練系統人機功能分配,必須充分了解訓練任務的需求與性質,對需要系統完成的訓練功能進行詳細的分析,細化完成訓練功能的操作任務鏈(子功能集),根據人、機承擔任務特點(性)逐一確定操作任務鏈中哪些子任務由機器承擔、哪些子任務由人承擔、哪些子任務由人機協同承擔、哪些子任務的承擔對象不確定;再針對難以確定承擔對象的任務采用模糊層次分析法進行人機功能優選分配。人機功能分配流程如圖1所示。

圖1 艦艇模擬訓練系統人機功能分配流程圖

2.2 評估指標

針對模擬訓練系統這一特殊的設備,對于難以進行人機功能分配的任務操作選取精(準)確性、可靠性和快速性三項評估指標進行綜合評估優選。

1)精(準)確性

用操作對象完成任務操作的精(準)確程度來評價。任務操作越準確,越能夠完成任務。只有操作準確,才能完成賦予的作戰任務。不同性質的任務操作,不同的操作對象進行任務操作的精(準)確程度是不同的。

2)可靠性

用操作對象完成任務操作的可靠性程度來評價。操作對象與任務操作適配度越好,完成任務操作可靠性越高;反之,完成任務操作可靠性越低。不同性質的任務操作,不同的操作對象完成任務操作的可靠性是不同的。

3)快速性

用操作對象完成任務操作的快捷程度來評價。操作時間越短,完成任務操作越快;反之,完成任務操作越慢。不同性質的任務操作,不同的操作對象完成任務操作的速度是不同的。

2.3 FAHP人機功能優選模型

采用模糊層次分析法(FAHP)[3-6]進行人機功能分配方案優選,其優勢在于,FAHP法不僅能夠減少決策思維過程需要量化的信息,而且可以將難以量化的信息通過模糊值量化,特別適用于多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題的決策方案優選,其步驟如下:

1)建立多層次的梯階結構模型

根據研究對象和選取的評價指標,構建多層次的梯階結構模型。

2)構造模糊互補矩陣R

① 根據第一行中的每一元素作為后續各行元素的判斷準則,分別后續各行元素進行兩兩比較,進行標度定量化,建立模糊互補矩陣。

② 互補矩陣R

元素A同下一行中的元素Bi(i=1,2,…,n)有聯系,則模糊互補矩陣可表示如表2所示。

表2 互補矩陣R

③ 表中,bij表示元素Bi與元素Bj的相對上一行元素A進行比較時,元素Bi與元素Bj具有模糊關系的模系“重要程度”的隸屬度。采用數字0.1～0.9進行標度,其含義見表3。

表3 數字標度各值的含義

3)一致性檢驗

對獲得模糊互補矩陣R進行一致性檢驗并轉化為模糊一致判斷矩陣,其方法步驟如下:

步驟1:比較判斷b11,b12,…,b1n,按照相對程度量化:0.1～0.9;

步驟2:檢查各行對應元素差

若成立：

b11-bi1=b12-bi2=…=b1n-bin,i=2,3,…,n

(1)

否則,調整bij,滿足上式要求。

用R的第一行元素減去第二行對應元素,若所得的n個差數為常數,則不需要調整第二行元素。否則,要對第二行元素進行調整,直到第一行元素減第二行對應元素之差是常數為止。

步驟3:進行一致性檢驗

將公式(1)調整后R模糊互補矩陣,求最大特征根λmax,若成立:

λmax=n

(2)

通過一致性檢查。

4)計算單一準則下方案的優度值

(3)

5)求最優方案

(4)

按Ti對各方案進行總優度排序,若T1≥T2≥…≥Tn,則方案從優到劣的次序為:B1≥B2≥…≥Bn。

3 人機功能分配實例

進行登陸指揮引導模擬訓練功能人機功能分配。

1)建立多層次的梯階結構模型

選取精確性、可靠性、快速性三項評價指標,構建多層次的梯階結構模型如圖所示。

圖2 態勢生成功能分配多層次梯階結構模型

2)構造模糊互補矩陣R

① 根據表3數字標度含義,分別以基準Pk為前提,對元素Bi和元素Bj進行比較,可得到互補矩陣R1～R3如下:

② 互補矩陣R

對準則層的各項指標Pk之間進行比較,則模糊互補矩陣R:

3)進行一致性檢查

λmax=3具有一致性。

4)單一準則下方案優度值

按照公式(3)計算Bi在目標準則Pk條件下的優度值Pk,這里n=3,α=1

計算因素Pk在目標層Q下的優度值uk：

則:uk=(0.33 0.3 0.46)。

5)求最優方案

0.1=0.328

根據計算結果,對上總體優度值進行排序:T3>T2>T1。

根據計算有結論:B3>B2>B1,采用“人機協調”人機功能分配方案。

6)優化方案合理性分析

態勢生成功能采用人機共同方案最合理。由機器設置和產生不同難度等級、具有對抗背景的不同訓練模式下的虛擬訓練態勢。可對訓練態勢進行人工調整。

4 結束語

目前艦艇模擬訓練系統人機功能分配主要是基于主觀定性分析方法,沒有針對人機特性的人機功能分配研究。本文針對這一問題,通過對人機特性進行比較,以充分發揮人機優勢為目標,建立了艦艇模擬訓練系統人機功能分配模型和基于FAHP法的人機功能方案優選模型,解決了部分作戰功能難以有效分配的難題,為今后訓練水平的提升打下了基礎。