基于FAHP的艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)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(xùn)練系統(tǒng)的功能是建立作戰(zhàn)系統(tǒng)主要戰(zhàn)位仿真訓(xùn)練環(huán)境,使受訓(xùn)人員能夠進行裝備操作使用及指揮決策訓(xùn)練,滿足多層次培訓(xùn)、訓(xùn)練、教學(xué)需求。因此,如何在人機之間進行合理的功能分配,是系統(tǒng)設(shè)計中必須解決的問題,模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的智能化過低會增加受訓(xùn)人員額外負擔(dān),影響訓(xùn)練效果;而智能化過高又會使受訓(xùn)人員對機器過分依賴,起不到訓(xùn)練的意義,而且系統(tǒng)開發(fā)的代價過大。

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

1 人機特性比較

國內(nèi)外裝備人機工程研究與應(yīng)用大體上經(jīng)歷了人適應(yīng)機、機適應(yīng)人、人機相互適應(yīng)等幾個階段,目前正致力于實現(xiàn)人機系統(tǒng)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(nèi),可將更多復(fù)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(chǔ)上從人機特性在監(jiān)控能力、操作能力、判斷能力和適應(yīng)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(dān)執(zhí)行的任務(wù)分別如下:

1)適合人執(zhí)行的任務(wù)

適合人承擔(dān)的任務(wù)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(fā)事件而需要主觀判斷的操作;需要對未來的不可預(yù)期狀態(tài)做處理的操作。

2)適合機執(zhí)行的任務(wù)

適合機器承擔(dān)的任務(wù)包括:單調(diào)重復(fù)和高階運算的操作,大量信息存儲檢查、數(shù)據(jù)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(xù)運行的操作;大負荷、特殊環(huán)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(xùn)練系統(tǒng)人機功能分配,必須充分了解訓(xùn)練任務(wù)的需求與性質(zhì),對需要系統(tǒng)完成的訓(xùn)練功能進行詳細的分析,細化完成訓(xùn)練功能的操作任務(wù)鏈(子功能集),根據(jù)人、機承擔(dān)任務(wù)特點(性)逐一確定操作任務(wù)鏈中哪些子任務(wù)由機器承擔(dān)、哪些子任務(wù)由人承擔(dān)、哪些子任務(wù)由人機協(xié)同承擔(dān)、哪些子任務(wù)的承擔(dān)對象不確定;再針對難以確定承擔(dān)對象的任務(wù)采用模糊層次分析法進行人機功能優(yōu)選分配。人機功能分配流程如圖1所示。

圖1 艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)人機功能分配流程圖

2.2 評估指標

針對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)這一特殊的設(shè)備,對于難以進行人機功能分配的任務(wù)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(yōu)選。

1)精(準)確性

用操作對象完成任務(wù)操作的精(準)確程度來評價。任務(wù)操作越準確,越能夠完成任務(wù)。只有操作準確,才能完成賦予的作戰(zhàn)任務(wù)。不同性質(zhì)的任務(wù)操作,不同的操作對象進行任務(wù)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(wù)操作的可靠性程度來評價。操作對象與任務(wù)操作適配度越好,完成任務(wù)操作可靠性越高;反之,完成任務(wù)操作可靠性越低。不同性質(zhì)的任務(wù)操作,不同的操作對象完成任務(wù)操作的可靠性是不同的。

3)快速性

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

2.3 FAHP人機功能優(yōu)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(yōu)選,其優(yōu)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(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題的決策方案優(yōu)選,其步驟如下:

1)建立多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)研究對象和選取的評價指標,構(gòu)建多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型。

2)構(gòu)造模糊互補矩陣R

① 根據(jù)第一行中的每一元素作為后續(xù)各行元素的判斷準則,分別后續(xù)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(lián)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(guān)系的模系“重要程度”的隸屬度。采用數(shù)字0.1～0.9進行標度,其含義見表3。

表3 數(shù)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(zhuǎn)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(yīng)元素差

若成立：

b11-bi1=b12-bi2=…=b1n-bin,i=2,3,…,n

(1)

否則,調(diào)整bij,滿足上式要求。

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

步驟3:進行一致性檢驗

將公式(1)調(diào)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(yōu)度值

(3)

5)求最優(yōu)方案

(4)

按Ti對各方案進行總優(yōu)度排序,若T1≥T2≥…≥Tn,則方案從優(yōu)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(dǎo)模擬訓(xùn)練功能人機功能分配。

1)建立多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型

選取精確性、可靠性、快速性三項評價指標,構(gòu)建多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型如圖所示。

圖2 態(tài)勢生成功能分配多層次梯階結(jié)構(gòu)模型

2)構(gòu)造模糊互補矩陣R

① 根據(jù)表3數(shù)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(yōu)度值

按照公式(3)計算Bi在目標準則Pk條件下的優(yōu)度值Pk,這里n=3,α=1

計算因素Pk在目標層Q下的優(yōu)度值uk：

則:uk=(0.33 0.3 0.46)。

5)求最優(yōu)方案

0.1=0.328

根據(jù)計算結(jié)果,對上總體優(yōu)度值進行排序:T3>T2>T1。

根據(jù)計算有結(jié)論:B3>B2>B1,采用“人機協(xié)調(diào)”人機功能分配方案。

6)優(yōu)化方案合理性分析

態(tài)勢生成功能采用人機共同方案最合理。由機器設(shè)置和產(chǎn)生不同難度等級、具有對抗背景的不同訓(xùn)練模式下的虛擬訓(xùn)練態(tài)勢?？蓪τ?xùn)練態(tài)勢進行人工調(diào)整。

4 結(jié)束語

目前艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)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(fā)揮人機優(yōu)勢為目標,建立了艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)人機功能分配模型和基于FAHP法的人機功能方案優(yōu)選模型,解決了部分作戰(zhàn)功能難以有效分配的難題,為今后訓(xùn)練水平的提升打下了基礎(chǔ)。