直升機(jī)顯示與告警信息優(yōu)先級(jí)排序的方法研究

劉輝，王斌

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，系統(tǒng)工作狀態(tài)信息和故障信息日益龐大繁雜。飛行員需要使用哪些信息，哪些故障信息需要以何種級(jí)別告警，這些問(wèn)題日益受到用戶(hù)和工業(yè)部門(mén)的重視。然而，直升機(jī)駕駛艙顯示信息與告警級(jí)別的確定并沒(méi)有采取一種科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系與適航規(guī)章中也無(wú)此類(lèi)方法，大多只是給出建議的顯示信息與告警級(jí)別[1-3]。以往直升機(jī)型號(hào)研制和駕駛艙優(yōu)化設(shè)計(jì)中，也僅僅依靠型號(hào)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員的主觀判斷，存在諸多隱患。如何通過(guò)駕駛艙顯示信息和告警信息的優(yōu)先級(jí)確定，優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理地降低飛行員的認(rèn)知負(fù)荷，提高操作效率，保證飛行安全，是需要進(jìn)一步研究和解決的課題之一。

本文按照系統(tǒng)工程和人機(jī)工效的相關(guān)理念，首先，提出了多參數(shù)綜合評(píng)價(jià)流程；然后，對(duì)多參數(shù)綜合評(píng)價(jià)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的論述；最后，對(duì)本文提出的綜合評(píng)價(jià)流程和指標(biāo)測(cè)定方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

1 顯示與告警信息優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)流程

為了對(duì)駕駛艙顯示與告警信息的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，在識(shí)別評(píng)價(jià)對(duì)象的基礎(chǔ)上，建立指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)模型，此階段，需組織專(zhuān)家評(píng)審，就信息獲取的完整性、指標(biāo)體系的合理性、評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性和適宜性進(jìn)行審查。經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審認(rèn)可后，選取評(píng)價(jià)、測(cè)量方法，并確定專(zhuān)家用戶(hù)群，對(duì)指標(biāo)體系的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)，給出各項(xiàng)參數(shù)的評(píng)分表。選擇適宜的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)顯示與告警信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)排序，進(jìn)而擬定初步顯示信息清單與告警級(jí)別清單，經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審和試驗(yàn)、試飛驗(yàn)證后，給出最終的顯示信息清單與告警級(jí)別清單。多參數(shù)綜合評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 綜合評(píng)價(jià)流程圖

本文將詳細(xì)地論述評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)模型的建立，并介紹每項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法、數(shù)據(jù)處理方法和測(cè)量工具，而試驗(yàn)、試飛驗(yàn)證程序只做簡(jiǎn)單的說(shuō)明，不作為本文研究的重點(diǎn)。

2 顯示、告警級(jí)別定義

按照GJB 301—1987《飛機(jī)下視顯示器字符》，顯示信息是向飛行員發(fā)出的直升機(jī)及其周?chē)h(huán)境的即時(shí)情況、工作狀態(tài)、指令和預(yù)測(cè)等信息，這些信息包括定量信息和定性信息。本文中的顯示信息，主要是指直升機(jī)任務(wù)剖面內(nèi)各種工作狀態(tài)信息、環(huán)境信息、導(dǎo)航信息和指令信息[4]。參照AC 27.1309及直升機(jī)型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，本文將顯示信息劃分為以下4級(jí)，具體的定義如表1所示。

表1 顯示級(jí)別及定義

告警信息是向飛行員發(fā)出的能引起其注意力的有關(guān)飛行安全的信息。按照GJB 1006—1990《飛機(jī)座艙告警基本要求》和直升機(jī)型號(hào)實(shí)際設(shè)置的告警級(jí)別，根據(jù)危及飛行安全的緊急程度，告警一般可劃分為警告級(jí)、危險(xiǎn)級(jí)、注意級(jí)和提示級(jí)4級(jí)，具體的定義如表2所示。

表2 告警級(jí)別及定義[5]

3 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

駕駛艙顯示信息與告警信息的基本目標(biāo)是滿(mǎn)足飛行員使用需求和安全運(yùn)行要求，能讓飛行員快速地判讀直升機(jī)及其周邊環(huán)境狀態(tài)，確保飛行安全，提高任務(wù)效率?；诖嘶灸繕?biāo)，考慮駕駛艙顯示信息與告警信息優(yōu)先級(jí)對(duì)飛行安全、任務(wù)安全及任務(wù)使用的影響，本文從信息的安全性需求、人機(jī)工效需求、設(shè)計(jì)架構(gòu)需求和可探測(cè)性需求4個(gè)角度，本著指標(biāo)體系可量化、可操作、可驗(yàn)證及獨(dú)立性的原則，確定了直升機(jī)駕駛艙顯示信息與告警信息優(yōu)先級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表3所示。

表3 駕駛艙顯示信息與告警信息的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立的指標(biāo)體系，確定了重要度、使用頻度、冗余度和可探測(cè)度4個(gè)指標(biāo)，相互獨(dú)立且均可測(cè)量，同時(shí)兼顧了安全性、工效性、可靠性和測(cè)試性，是評(píng)價(jià)顯示信息與告警信息優(yōu)先級(jí)的基本指標(biāo)。

4 建立綜合評(píng)價(jià)模型

按照構(gòu)建的指標(biāo)體系，采用多參數(shù)綜合評(píng)分方法，建立駕駛艙顯示信息與告警信息綜合評(píng)分模型如下：

式（1）中：a、b、c、d——指標(biāo)的權(quán)重，是綜合評(píng)價(jià)模型的重要信息。

目前存在的權(quán)重的確定方法有很多，常見(jiàn)的有：對(duì)比打分法、最小平方法、特征向量法、層次分析法和熵權(quán)多目標(biāo)決策法等。本文采用層次分析法來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重[6]。

采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重的過(guò)程如下所述。

a） 構(gòu)造矩陣A

首先，將n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于某個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度按表4所列的比例標(biāo)度做兩兩比較判斷，構(gòu)造矩陣A。

矩陣A標(biāo)度及其含義如表4所示。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性程度關(guān)系表

b） 矩陣 的一致性檢驗(yàn)

矩陣A受到專(zhuān)家知識(shí)水平和個(gè)人偏好的影響，構(gòu)造的矩陣很難滿(mǎn)足一致性條件，因此，為了保證可信度和準(zhǔn)確性，必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[6]第6章第3節(jié)中有詳細(xì)的一致性檢驗(yàn)方法，本文不再進(jìn)行詳細(xì)的闡述，只給出一致性準(zhǔn)則及檢驗(yàn)步驟。

一致性準(zhǔn)則：

式（3）中：C.R.——矩陣的一致性指標(biāo)；

R.I.——平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查表獲?。?/p>

C.I.——衡量矩陣A的不一致程度的數(shù)量指標(biāo)。

C.I.計(jì)算公式如下：

一致性檢驗(yàn)步驟如下所述。

1）構(gòu)造矩陣A；

3） 將矩陣Q行相加得向量其中：

5） 計(jì)算判斷矩陣的最大特征值 ：

6） 按式（3）-（4）判斷矩陣A的一致性。

c） 指標(biāo)權(quán)重wi的確定

對(duì)于公式（1）確定的綜合評(píng)分模型，本文認(rèn)為在顯示信息與告警信息優(yōu)先級(jí)排序中評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性排序?yàn)橹匾?使用頻度=可探測(cè)度>冗余度。指標(biāo)體系的權(quán)重比較如表5所示。

表5 權(quán)重比較表

根據(jù)表5確定的權(quán)重比較評(píng)分，構(gòu)造矩陣A：

由式（5），得矩陣Q：

由公式（6），得向量C：

由公式（7），得特征向量wi：

由公式（4），得C.I.：

查表得R.I.=0.893 1，由公式（3），得一致性指標(biāo)C.R.：

即，矩陣A通過(guò)一致性檢驗(yàn)，wi可作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，由綜合評(píng)分模型得到符合評(píng)分：

綜合評(píng)分=0.52×重要度+0.2×使用頻度+0.08×冗余度+0.2×可探測(cè)度

關(guān)于此評(píng)分模型，需要說(shuō)明的是：該評(píng)分模型必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)，修正各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，最終確定直升機(jī)駕駛艙顯示信息與告警信息綜合評(píng)價(jià)模型。

5 指標(biāo)評(píng)定方法

5.1 重要度測(cè)定方法

顯示信息與告警信息的重要度是綜合評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)，即信息對(duì)于飛行安全和機(jī)組工作負(fù)荷影響的嚴(yán)重性等級(jí)。本文基于SAE ARP 4754A《對(duì)高度綜合或復(fù)雜系統(tǒng)的合格審定考慮》提供的安全性評(píng)價(jià)方法，確定顯示信息與告警信息的功能重要度等級(jí)，具體的流程如圖2所示。

圖2 顯示與告警信息功能重要度等級(jí)流程圖

SAE ARP 4761《民用運(yùn)輸系統(tǒng)和設(shè)備安全性評(píng)估程序的指導(dǎo)方針和方法》給出了功能危險(xiǎn)分析（FHA）和FDAL分配方法[7]，本文不再敘述。

按照AC 27.1309和SAE ARP 4754A，重要度評(píng)分、等級(jí)及頂層FDAL的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。

表6 重要度等級(jí)、評(píng)分及其與FDAL的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8-9]

5.2 使用頻度測(cè)定方法

使用頻度表征的是信息的使用頻度需求，即直升機(jī)或機(jī)組應(yīng)使用安全或任務(wù)需求對(duì)信息的使用頻度要求。本文按照型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，確定了信息使用頻度評(píng)分準(zhǔn)則，如表7所示。

表7 信息使用頻度評(píng)分準(zhǔn)則

5.3 冗余度測(cè)定方法

冗余度表征的是信息的獨(dú)立性，即根據(jù)信息冗余方式，信息冗余度測(cè)算分為信源冗余度、通訊冗余度 和輸出冗余度。本文按照有、無(wú)冗余進(jìn)行冗余度評(píng)分，有冗余定義為1，無(wú)冗余定義為0，如表8所示。

表8 信息冗余度評(píng)分

對(duì)于冗余度，需要說(shuō)明以下3點(diǎn)內(nèi)容。

a）信源冗余度是從信號(hào)采集角度確定的，即：若信息采集源有硬件備份，如有多個(gè)傳感器或備份探測(cè)電路，則認(rèn)為信源是有冗余的；反之，則認(rèn)為是無(wú)冗余的。需要說(shuō)明的是，有一種情況也認(rèn)為是有冗余的，即該信息可通過(guò)其他信息確切地獲取。

b）通訊冗余度是從信息傳輸角度確定的，即：若信息可通過(guò)多個(gè)通道傳輸，則認(rèn)為通訊是有冗余的；反之，則認(rèn)為是無(wú)冗余的。需要說(shuō)明的是，對(duì)于目前直升機(jī)通常采用的雙余度總線機(jī)制，認(rèn)為通訊冗余度為1。

c）輸出冗余度是從信息顯示角度確定的，即：若信息可通過(guò)多種形式輸出，如可通過(guò)視覺(jué)（燈光、指示器）、聽(tīng)覺(jué)（話音、音調(diào)）或觸覺(jué)輸出，則認(rèn)為輸出是有冗余的；反之，則認(rèn)為是無(wú)冗余的。

5.4 可探測(cè)度測(cè)定方法

對(duì)于顯示信息，可探測(cè)度表征的是顯示信息被及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)的能力，該參數(shù)與系統(tǒng)（或設(shè)備）架構(gòu)直接關(guān)聯(lián)，即是否設(shè)置探測(cè)傳感器或探測(cè)電路，以及它們的可靠性；對(duì)于故障信息，可探測(cè)度表征的是故障信息被及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷和隔離的能力，該參數(shù)與系統(tǒng)（或設(shè)備）測(cè)試設(shè)計(jì)直接關(guān)聯(lián)，即是否設(shè)置測(cè)試傳感器、測(cè)試電路和軟件模塊，以及它們的可靠性。

本文參考GJB/Z 1391—2006中工藝故障模式被檢測(cè)難度等級(jí)的評(píng)分準(zhǔn)則[10]，確定了顯示信息可探測(cè)度評(píng)分準(zhǔn)則，如表9所示。對(duì)于故障信息，可從故障檢測(cè)率rFD、故障隔離率rFI和虛警率rFA方面來(lái)確定故障信息可探測(cè)度評(píng)分，公式（10）給出了故障信息可探測(cè)度評(píng)分模型。需要說(shuō)明的是，本文涉及的故障檢測(cè)率、故障隔離率和虛警率均是對(duì)基層級(jí)-機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備（BITE）而言。

表9 顯示信息可探測(cè)度評(píng)分

6 排序計(jì)算方法

按照本文第5 章確定的指標(biāo)測(cè)定方法，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，確定每一項(xiàng)顯示與告警信息的指標(biāo)評(píng)分向量，定義為Ki，指標(biāo)權(quán)重向量為wi，定義所有的顯示與告警信息的綜合評(píng)分矩陣為P（k）。則有：

通過(guò)公式（12）計(jì)算得到各項(xiàng)顯示信息與告警信息綜合評(píng)分，進(jìn)行排序，擬定初步的顯示信息清單與告警級(jí)別清單。

按照本文第2章約定的顯示信息與告警信息級(jí)別，對(duì)案例測(cè)算的評(píng)分結(jié)果與型號(hào)實(shí)際設(shè)置的顯示信息與告警信息級(jí)別進(jìn)行比對(duì)，確定綜合評(píng)分與其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表10所示。

表10 綜合評(píng)分與顯示信息、告警信息級(jí)別對(duì)應(yīng)表

7 確認(rèn)和驗(yàn)證

擬定的初步顯示信息清單與告警級(jí)別清單，必須經(jīng)確認(rèn)和驗(yàn)證，原則上，本文認(rèn)為至少應(yīng)當(dāng)進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證與飛行驗(yàn)證，飛行員按照制定的驗(yàn)證程序和符合性準(zhǔn)則，對(duì)該清單進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)證，提交驗(yàn)證檢查單。按照飛行員提交的驗(yàn)證檢查單，對(duì)不符合項(xiàng)進(jìn)行排查、修正，進(jìn)行下一輪驗(yàn)證，直到全部符合，確定最終顯示信息清單與告警級(jí)別清單。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文借鑒系統(tǒng)工程的相關(guān)理念，提出了一種直升機(jī)顯示信息與告警信息優(yōu)先級(jí)排序的多參數(shù)綜合評(píng)價(jià)方法，建立了較為合理的指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)模型，并闡述了客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)方法。利用此評(píng)價(jià)方法，可以有效地解決當(dāng)前型號(hào)中遇到的駕駛艙顯示與告警信息優(yōu)先級(jí)排序問(wèn)題，并為各個(gè)新研型號(hào)和系統(tǒng)的顯示與告警信息的優(yōu)先級(jí)設(shè)置提供思路，從而有效地降低飛行員的認(rèn)知負(fù)荷，提高操作效率，保證飛行安全。