試飛階段民用飛機顯示工效評價技術(shù)研究及應用

摘 要：隨著民用飛機系統(tǒng)設備的高度集成，使用性能的不斷提高，駕駛艙內(nèi)大量顯示信息高度集成，飛行員的工作負荷也日益增大，試飛階段因誤判和誤操作引起的飛行事故發(fā)生，因此，座艙人機界面越來越成為航空工效評價和適航審定關(guān)注的重點。文章基于試飛階段實體試驗機工效評價難點，提出了集成專家一致意見、三標度因子、隸屬度函數(shù)和模糊算法的綜合評價方法，該方法綜合考慮了工效學評價的模糊性，充分提煉專家群體意見，可較客觀、科學的實現(xiàn)對顯示工效定性評價的定量化，并將此方法應用于ARJ21-700型號試飛階段的顯示工效評價中，證明了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：試飛階段；顯示工效；評價指標；權(quán)重系數(shù)；模糊評價

引言

飛行員執(zhí)行任務時，處于一種信息顯示高度密集復雜的環(huán)境中，要求與之交互的顯示界面能最大限度地將信息準確得傳遞駕駛員，使決策和操縱過程最佳化，避免誤判及誤操作事故的發(fā)生[1]。因此，駕駛艙顯示工效水平設計得如何，與飛行安全密切相關(guān)，也是提高飛行效率、減輕飛行工作負荷的關(guān)鍵。試飛階段在實體試驗機上，對顯示界面使用良好性進行評價，工程可操作性強，且C919大型客機也提出了人機界面工效相關(guān)指標要求，從型號鑒定及技術(shù)發(fā)展方面均亟需開展相關(guān)研究工作。

目前，國外在人機工效評價領(lǐng)域研究較多，但現(xiàn)可查閱的文獻大多偏重設計，且由于國內(nèi)外飛行員在生理、心理及體形特征方面的差異性，參考意義不大[2]。國內(nèi)涉及工效方面的標準較零散，缺少系統(tǒng)規(guī)劃，如顯示工效設計方面，對于顯示裝置的字符、形狀、顏色特征等有具體設計標準；但關(guān)于艙內(nèi)照明色彩等也有其他設計標準要求[3]，但缺乏一套系統(tǒng)的可工程應用的座艙顯示界面工效評價指標要求。此外，國外飛行試驗證明，試飛驗證是檢查人機界面設計得是否符合規(guī)范要求的一種最有效和最重要方法，但相關(guān)參考資料較少，而國內(nèi)目前工效設計研究較多，但針對工效評價，尤其試飛驗證領(lǐng)域的技術(shù)方法研究尚未開展。因此，試飛階段缺乏系統(tǒng)的、可操作的工效評價要求和手段來指導顯示界面評價，使得試飛階段工效評價工作因技術(shù)手段缺乏而難以開展。

為此，文章提出了一種集成專家一致意見、三標度因子、隸屬度函數(shù)和模糊算法的綜合評價方法，融合改進專家打分法、三標度層次分析法和模糊評價實現(xiàn)顯示工效評價指標的篩選、指標權(quán)重確定、指標值處理，最后得到多級指標綜合評價結(jié)果，實現(xiàn)了顯示工效定性評價的定量化，并以試飛階段的ARJ21-700實體機為載體進行機上驗證，得到ARJ飛機顯示工效多級指標存在問題，證明了方法的有效性。

1 顯示工效綜合評價思路

文章顯示工效評價方法的具體思路框架如圖1所示。

1.1 多級評價指標的篩選及確定

由于顯示工效許多影響因素難以定量分析，如顯示屏舒適性、字符亮度色彩、飛行員疲勞度等方面。所以，對于界面工效良好性評價，以往都是邀請有相似機型工作經(jīng)驗的機務專家和飛行員，以問卷調(diào)查形式，依據(jù)其使用經(jīng)驗和直觀感受，通過主觀概念和模糊判斷加以綜合評價[4]。因此，實際工效評價工作會過于依賴專家，缺乏一定的客觀、科學及全面性，為盡量克服專家主觀性，文章提煉專家自信度及專家一致意見對專家打分法進行了改進。評價指標篩選及確定主要分以下幾個步驟：

1.1.1 成立協(xié)調(diào)小組

工程階段，協(xié)調(diào)小組可由5人組成（其中按職稱選取工效專業(yè)研究員1名、高工2名及工程師2名）。其主要任務為：確定主題、選擇專家組成員、制定咨詢表、策劃咨詢工作并統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)。

1.1.2 確定專家咨詢成員

選擇專家是專家打分法成敗的關(guān)鍵，篩選原則為應選擇具有相關(guān)背景知識、有意愿參加，且了解工作動態(tài)及相似機型服役經(jīng)驗的專家。文章實際評價中選取的飛行機組專家具備至少100架次以上的民機試飛經(jīng)驗，機務專家要求有一年以上的民機維護經(jīng)歷，專家人數(shù)為23人。

1.1.3 第1輪專家篩選

文章方法通過對民機駕駛艙顯示工效評價現(xiàn)有標準、規(guī)范及文獻資料的分析研究[5]，征求專家組意見，初步確定顯示工效4級評價指標，具體見圖2。

第1輪專家咨詢表在初步評價指標集Uk的基礎上，考慮專家一致意見，要求每位專家給出各指標對總目標顯示工效的影響等級，采用5點Likert型標度，1-5表示影響程度等級分別為“不大”、“一般”、“大”、“很大”和“極大”。這里定義專家一致意見為：至少有2/3的專家判斷影響等級均為“大”以上的判斷結(jié)果（記為P33）[6]。

1.1.4 第2輪專家篩選

基于第1輪專家結(jié)果，經(jīng)分析并反饋專家成員知悉，而后在第2輪咨詢表中引入專家自信度，即要求每位專家對第1輪給定的影響程度等級賦予自信度（Group Confidence Ranking， GCR）。這里的自信度等級選用5點標度，1-5表示自信度等級分別為“很低”、“低”、“一般”、“高”和“很高”。研究表明[7]，當專家組成員平均GCR不小于3時，表示專家群體意見結(jié)果接近于主觀判斷的“真實”情況。

1.1.5 評價指標篩選

為保證專家打分結(jié)果的一致性，通過集中度、離散度、協(xié)調(diào)度三個參數(shù)分析結(jié)果[8]：

（1）集中程度：該參數(shù)通過均值Ei表征，

式中，Ej-下一級指標對顯示工效影響程度的量值（Ej=j=1，2，3，4，5）；mij-將指標i列為等級j的專家個數(shù)；n-評價指標的個數(shù)；d-專家數(shù)。

（2）離散程度：該參數(shù)通過標準差？滓i反映，

式中：？滓i-對指標i影響工效程度的專家打分結(jié)果的分散程度。該值越大，表明專家咨詢結(jié)果的分散度也越大。

（3）協(xié)調(diào)程度：該參數(shù)通過變異系數(shù)Vi描述，即

式中：Vi-表明專家對指標i評價結(jié)果的協(xié)調(diào)程度。該值越小，結(jié)果越協(xié)調(diào)一致。

針對考慮一致意見及自信度的兩輪專家結(jié)果，可看出，第2輪專家結(jié)果中指標的離散程度？滓i和協(xié)調(diào)程度Vi比第1輪的都小，也就說明第2輪咨詢結(jié)果的分散度較小，協(xié)調(diào)度較高，具體見表1。

依據(jù)指標篩選原則，第2輪專家打分需形成專家一致意見（P33？叟3.00），且專家自信度均大于3，即可從初步確定的23個指標中篩選出對工效影響結(jié)果較一致且影響度較大的17個指標。

1.2 確定指標權(quán)重

確定指標權(quán)重是評價工作的核心[9，10]。文章基于層次分析法指標兩兩比較量大繁瑣的特點，引入“三標度因子”進行改進，減少了指標間比較次數(shù)，且能迅速滿足一致性要求。該方法分為以下步驟：

1.3 指標值預處理

在顯示工效評價中，舒適性、安全性等因素大都是通過自然語言變量描述的，這些指標不具備規(guī)范化條件[11]。因此，各指標值評價前應統(tǒng)一到[0，1]內(nèi)，以使得各指標特征值滿足歸一、無量綱條件及可公度性。依據(jù)評價指標特點構(gòu)造隸屬函數(shù)如下。

1.3.1 定量指標的特征值量化

（1）指標值越小越好型，如噪音量、眩光度等，其隸屬函數(shù)表示為：

（7）

（2）指標值越大越好型，如字符顯示的清晰度及可讀性，隸屬函數(shù)表示為：

（8）

（3）指標值適中型（即取值不能太小不能太大），如艙內(nèi)照明、顯示亮度等，隸屬函數(shù)表示為：

（9）

（4）指標值區(qū)間型（即指標值最好在某一固定區(qū)間），如顯示屏安裝傾角及眼位點距座椅距離等，隸屬函數(shù)可表示為：

（10）

其中，xi-指標ui的特征值；Mi和mi分別為指標值xi上、下界限；[qi1，qi2]-指最佳的穩(wěn)定區(qū)間；？滋i-為指標ui的隸屬度。

1.3.2 定性指標的特征值量化

對于某些評價指標，如舒適度、安全性、技術(shù)工作量等，難以給出定量值，通過運用模糊數(shù)和語言變量的方式處理，這樣能較好克服評價人員主觀判斷的模糊性和不精確性。

1.4 確定模糊評價模型

充分考慮工效評價中如專家概念及指標本身的模糊性情況，文章確定模糊數(shù)學評判模型如下[12]：

B=A*R=（B1，B2…，Bm）

式中，A表示權(quán)重向量集，由1.2節(jié)中層次分析法計算求得；R是指被評主題的模糊矩陣，由專家評判所得；“*”是指廣義模糊合成運算符號。

分析模型B的列向量：

2 實例應用

在實際評價中，基于試飛階段對ARJ21-700飛機顯示工效評價進行了實例驗證，基于ARJ飛機試飛員及維護人員咨詢結(jié)果，依據(jù)1.2節(jié)的三標度層次分析法，應用MATLAB軟件分級計算各指標權(quán)重；依據(jù)上文1.3節(jié)的指標值處理函數(shù)，得到各指標隸屬度，具體計算結(jié)果見表3；基于1.4節(jié)提出的模糊評價模型，最終計算得到ARJ21-700飛機顯示工效綜合評價值為0.7296，按百分制換算，即該型機駕駛艙顯示工效評價約為73分（對應等級為良）。

結(jié)果分析可知，該型機顯示裝置操縱工效及顯示屏空間布局得分較高，即飛行員及維護人員較為滿意；而顯示眩光、操縱姿勢等方面得分較低，表現(xiàn)較差，表明有適度缺陷，需試飛員及機務人員額外的關(guān)注補償。該評價結(jié)果已與ARJ21-700飛機試飛機組進行確認，驗證了方法評價結(jié)果的真實準確性。

3 結(jié)束語

文章提出的民機駕駛艙顯示工效綜合評價方法具有一定的科學性、合理性及正確性。

（1）引入專家自信度及一致性意見，通過降低人為主觀性改進了專家打分法，經(jīng)過兩輪指標篩選，提高了指標構(gòu)建的客觀科學性。

（2）充分考慮指標本身定義和概念的模糊性及專家認識上的主觀性，引入模糊因子及隸屬度，得到工效評價的量化結(jié)果，能夠更有說服力的表明顯示工效多級評價指標存在的問題。

（3）文章研究為民機座艙顯示工效提供了評價方法保證，可為ARJ、C919顯示裝置適航審定提供技術(shù)支持，同時也填補了試飛階段工效評價工程應用研究領(lǐng)域的空白。

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