基于AHP的飛機(jī)駕駛艙信息元重要度計(jì)算

闞桐

摘? 要：飛機(jī)駕駛艙構(gòu)造復(fù)雜，其界面布局的合理性會(huì)直接影響到飛機(jī)任務(wù)的完成和飛機(jī)駕駛的安全性，該文基于層次分析法，以空客A320為研究對(duì)象，對(duì)駕駛艙內(nèi)各面板信息元進(jìn)行重要度計(jì)算，從而對(duì)以后駕駛艙布局優(yōu)化提供設(shè)計(jì)支撐。首先利用AHP得出飛行任務(wù)之間關(guān)聯(lián)矩陣，然后統(tǒng)計(jì)信息元在不同飛行階段中出現(xiàn)的次數(shù)，最后計(jì)算得出信息元的權(quán)重值。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)駕駛艙? 層次分析法? 信息元? 重要度

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（c）-0251-04

Abstract： The structure of aircraft cockpit is complex， and the rationality of layout will directly affect the completion of aircraft task and the safety of aircraft driving. Based on the analytic hierarchy process， the article takes airbus A320 as the research object to calculate the importance of each panel information element in the cockpit， so as to provide design support for the optimization of cockpit layout in the future. First， the correlation matrix between flight missions is obtained by using AHP， then， the frequency of information element appearing in different flight stages is counted， finally， the weight value of information element is calculated.

Key Words：? Aircraft cockpit; Analytic hierarchy process; Information units; Importance

飛機(jī)駕駛艙內(nèi)部顯示和操縱裝置眾多，構(gòu)造復(fù)雜，其界面布局的合理性會(huì)直接影響到飛機(jī)任務(wù)的完成和飛機(jī)駕駛的安全性。飛行員通過駕駛艙內(nèi)顯示儀表來獲取飛行信息，通過各類控制桿、控制按鈕等來操縱飛機(jī)[1]，合理的飛機(jī)駕駛艙布局對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效率、安全有著重要的影響[2]。依照重要性、使用頻率等原則可將各種信息元放置在合理的位置上，因此研究駕駛艙內(nèi)各信息元重要度是設(shè)計(jì)一個(gè)合理的駕駛艙布局的關(guān)鍵問題之一，該文運(yùn)用層次分析法計(jì)算飛行中不同任務(wù)階段權(quán)重，從而分析出面板信息元的重要度。

20世紀(jì)70年代初，美國運(yùn)籌學(xué)家大學(xué)教授薩蒂提出了一種層次權(quán)重決策分析方法，可以對(duì)一些問題進(jìn)行定性和定量分析，將有關(guān)的元素分解成不同的等級(jí)層次。文獻(xiàn)[3]基于AHP為食品廠配送中心提供可靠的設(shè)施布局優(yōu)化方案，為企業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]在資源分配系統(tǒng)中，基于層次分析法得到了各層級(jí)權(quán)重值，使得資源以合理的分配系數(shù)分配到各任務(wù)中。文獻(xiàn)[5]建立了一個(gè)模型，用來評(píng)價(jià)駕駛艙內(nèi)環(huán)境，運(yùn)用層次分析法對(duì)某型飛機(jī)駕駛艙環(huán)境設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[6]基于層次分析法，計(jì)算得出共享汽車發(fā)展趨勢評(píng)價(jià)表，對(duì)其進(jìn)行分析，為共享汽車的可持續(xù)發(fā)展提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1? A320飛行階段評(píng)價(jià)模型建立

1.1 層次結(jié)構(gòu)分析

層次分析法可以將一些較為復(fù)雜、模糊的問題簡單化，定性和定量結(jié)合。利用層次分析法要經(jīng)過4個(gè)步驟：（1）將各個(gè)因素自上而下分為若干層次，繪制出層次結(jié)構(gòu)模型;（2）比較兩元素之間的重要度，對(duì)同級(jí)內(nèi)的元素相對(duì)于上一層進(jìn)行兩兩相互比較，構(gòu)造各層次中的判斷矩陣;（3）做一致性檢驗(yàn)和各層次權(quán)重值的求取;（4）根據(jù)上下層級(jí)關(guān)系，求取組合權(quán)重值。以A320為研究對(duì)象，基于層次分析法，對(duì)飛行任務(wù)階段進(jìn)行建模，將整個(gè)飛行任務(wù)過程劃分為不同的飛行階段，根據(jù)任務(wù)飛行階段的的重要度和安全性的不同，相比較下，對(duì)各個(gè)任務(wù)階段賦予不同的重要度值，構(gòu)造出判斷矩陣， 對(duì)各個(gè)層級(jí)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，從上至下，并計(jì)算不同層次上的元素權(quán)重值，從而最終得出組合權(quán)重值。

飛行過程可以分為起飛前準(zhǔn)備、起飛、降落、接地4個(gè)大階段，每個(gè)階段下根據(jù)飛機(jī)流程又分為其他小階段。每個(gè)階段下根據(jù)飛機(jī)流程又分為其他小階段，包括開啟電源、設(shè)置飛行電腦、開車及后推、滑行前設(shè)定、滑行至跑道及系統(tǒng)檢查、起飛前檢查、起飛、爬升、開啟防冰裝置、下降、進(jìn)場、落地前檢查、接地、滑至停機(jī)坪14個(gè)階段。基于空客A320的駕駛?cè)蝿?wù)流程，采用層次分析法對(duì)不同任務(wù)階段賦予不同的權(quán)重，約束層次目標(biāo)數(shù)如圖1所示。

1.2 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)建好模型后，確定各個(gè)層次之間的關(guān)系，逐層計(jì)算具有影響作用的元素間的相對(duì)重要性，進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)重要度來評(píng)定等級(jí)，組成判斷矩陣。判斷矩陣元素 a_ij的標(biāo)度方法如表1，其中aij=1/aji，aij=1，表示元素i相對(duì)于元素j重要性相同;aij=3，表示元素i相對(duì)于元素j略重要;aij=5，表示元素i相對(duì)于元素j重要;aij=7，表示元素i相對(duì)于元素j重要得多;aij=9，表示元素i相對(duì)于元素j極其重要（見表1）。

飛機(jī)駕駛艙合理的布局設(shè)計(jì)是飛機(jī)安全、舒適的重要因素，該文以A320為例，基于層次分析法，得到了各飛行階段任務(wù)權(quán)重值，通過實(shí)地錄屏觀察、分析統(tǒng)計(jì)得到面板信息元在不同飛行任務(wù)階段出現(xiàn)的次數(shù)，從而得到了信息元的權(quán)重?cái)?shù)值，為后面駕駛艙布局優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)重要性、使用頻率對(duì)駕駛艙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在不同的飛行階段，飛機(jī)的安全性是不相同的。飛機(jī)起飛后3min和飛機(jī)降落前8min是民航界所知的“黑色11分鐘”最危險(xiǎn)的時(shí)期。飛機(jī)在起飛階段所用的時(shí)間較少，但發(fā)生緊急事故的概率卻很高，這是由于飛機(jī)在這些飛行階段所處的高度問題，所以給飛行員處理緊急事故的時(shí)間是很有限的。比如在巡航階段時(shí)，飛行環(huán)境比較穩(wěn)定，飛機(jī)遵循自動(dòng)駕駛程序，相對(duì)是很安全的，在高空中，飛行員可以有較長的時(shí)間去制訂、執(zhí)行事故處理方案。因此飛機(jī)在每個(gè)飛行階段的安全性以及各飛行階段對(duì)整個(gè)飛行過程的重要性是不同的。根據(jù)建立的約束層次目標(biāo)數(shù)，邀請(qǐng)4位飛行員對(duì)各約束目標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)定，并結(jié)合飛行手冊(cè)、實(shí)際飛行情況，了解在不同任務(wù)階段完成某項(xiàng)任務(wù)的相對(duì)重要性，得出以下5個(gè)判斷矩陣。

1.3 相對(duì)重要度計(jì)算和一致性檢驗(yàn)

根據(jù)判斷矩陣C，從上到下逐層計(jì)算各個(gè)層次上元素的權(quán)重，最后相乘得到組合權(quán)重。在判斷一致性時(shí)，通過一致性指標(biāo) C.I.=（λ-n）/（n-1）， C.R.=C.I./R.I.，其中R.I.是這樣得到的：對(duì)于固定的n，隨機(jī)構(gòu)造成對(duì)比較陣A，aij是從1， 2，…，9，1/2，1/3，…，1/9中隨機(jī)抽取的，取充分大的子樣得到A的最大特征值的平均值，通過查表可得出相應(yīng)的一致性指標(biāo)R.I.（見表2）。

計(jì)算一致比率C.R.， 當(dāng)C.R.<0.1時(shí)，則判斷矩陣的不一致程度符合要求;當(dāng)C.R.≥0.1時(shí)，判斷矩陣的一致性不在允許范圍內(nèi)，需要重新調(diào)整判斷矩陣，直到具有滿意的一致性。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果見表3。

由表3得：

W（1）=（0.1091， 0.3509， 0.3509， 0.1891）T

W12=（0.0643， 0.3010， 0.1176， 0.1176， 0.1998， 0.1998）T

W22=（0.4444，0.4444，0.1111）T

W32=（0.7501，0.2499）T

W42=（0.1634，0.5396，0.2970）T

由此，可計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的綜合權(quán)重值，如表4所示。

在表2中，所有矩陣的一致性比率均小于0.1，可知矩陣具有滿意的一致性，證明模型是可靠的。

2? 駕駛艙信息元重要度計(jì)算

在狹窄的駕駛艙空間內(nèi)，各種飛機(jī)顯示和操縱裝置星羅棋布，其合理的人機(jī)界面布局對(duì)安全飛行有重要意義，因此需要求得信息元的重要度，根據(jù)重要度、使用頻率等原則將面板信息元放在合適的位置上。首先對(duì)駕駛員在整個(gè)飛行操作過程中進(jìn)行錄屏觀察，對(duì)于各信息元面板，記錄其在不同任務(wù)階段操作中所出現(xiàn)的次數(shù)，各任務(wù)階段的權(quán)重值乘以信息元對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的次數(shù)值相加，得到每塊信息元面板的重要度。

A320駕駛艙主要分為4塊大區(qū)域，頭頂板、遮光板、中央儀表板、中央操作區(qū)，4塊大區(qū)域下共有70塊面板，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，共有35塊面板出現(xiàn)在飛行任務(wù)中，其中PFD、ND按鈕、EFIS面板、PFD顯示器、ND顯示器、MCDU面板、RMP面均為對(duì)稱分布，在統(tǒng)計(jì)表格中，只統(tǒng)計(jì)其中一塊面板。其余未出現(xiàn)在任務(wù)中的面板重要度記為0，不列在統(tǒng)計(jì)表格中，表5記錄操作面板出現(xiàn)的次數(shù)。

計(jì)算每塊面板的權(quán)重值，其中，WCi代表不同任務(wù)階段的重要度，1-14代表14個(gè)任務(wù)階段，ei代表面板在Ci任務(wù)中出現(xiàn)的次數(shù)，如D1重要度值W=Wc1d1=0.0070×1=0.0070，經(jīng)計(jì)算得29塊操作面板的重要度，見表6。

經(jīng)計(jì)算得到34塊面板信息元的重要度值，為駕駛艙的優(yōu)化布局設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，根據(jù)重要度和使用頻率原則，將信息元布置在合理的可視和可操作范圍內(nèi)，使得飛行員可以更高效、安全地完成飛行任務(wù)。

3? 結(jié)語

飛機(jī)駕駛艙合理的布局設(shè)計(jì)是飛機(jī)安全、舒適的重要因素，該文以A320為例，基于層次分析法，得到了各飛行階段任務(wù)權(quán)重值，通過實(shí)地錄屏觀察、分析統(tǒng)計(jì)得到面板信息元在不同飛行任務(wù)階段出現(xiàn)的次數(shù)，從而得到了信息元的權(quán)重?cái)?shù)值，為后面駕駛艙布局優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)重要性、使用頻率對(duì)駕駛艙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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