迪怡嘉,翟曉燕*,盧志剛,王虎躍,秦 嘉
(1.北方自動控制技術(shù)研究所,太原 030006;2.智能信息控制技術(shù)山西省重點實驗室,太原 030006)
隨著作戰(zhàn)需求的不斷擴大,地面無人作戰(zhàn)平臺的功能不斷增加。前期無人作戰(zhàn)平臺的人機交互技術(shù)主要集中在單無人作戰(zhàn)平臺的遙控技術(shù)方面,隨著研究的深入,無人作戰(zhàn)平臺所要執(zhí)行的任務(wù)越來越復(fù)雜,執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境也越來越復(fù)雜。針對如何在這樣復(fù)雜的環(huán)境中讓無人作戰(zhàn)平臺執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù),無人作戰(zhàn)平臺人機交互技術(shù)的概念被極大地拓寬,已上升成為遠(yuǎn)程操控技術(shù)的概念,不但具有人機交互、操作的含義,還具有遠(yuǎn)程控制、半自主控制的含義。對于現(xiàn)階段以遙控模式和半自主模式為主的地面無人作戰(zhàn)平臺,在偵察打擊等任務(wù)中,操作員需要頻繁使用遠(yuǎn)程終端及軟件產(chǎn)品來完成平臺越野機動、目標(biāo)區(qū)域偵察、威脅目標(biāo)打擊等任務(wù)操作,對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中越野條件下的地面無人作戰(zhàn)平臺的遠(yuǎn)程操控問題,困難就更加突出。
ISO9241 系列標(biāo)準(zhǔn)是最為常用的對于人機界面的評價指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對的是辦公環(huán)境下視覺顯示終端的人機工程學(xué),包含了信息顯示、對話原則等界面設(shè)計要求和指導(dǎo)原則,但并不能完全適用于地面無人作戰(zhàn)平臺中遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的工效評價。例如,ISO9241-11 從整體評價的角度提出了效率、有效性、滿意度等要素,但缺乏對交互系統(tǒng)定量的客觀評價,測試人員很難通過該要素指標(biāo)判斷問題原因,進而不利于推動交互系統(tǒng)的改進與迭代。有關(guān)學(xué)者提出了多種評價模型或方法,Shackle 提出了包含有效性、易學(xué)性、效果等一級指標(biāo)的評價模型;Schneiderman 提出了網(wǎng)站評價指標(biāo):響應(yīng)速度、用戶學(xué)習(xí)時間、用戶使用后長時間保持的能力、出錯率和主觀滿意度;李航從系統(tǒng)、交互、信息、情感等4 個一級指標(biāo)入手建立人機交互界面評價軟件。上述評價模型在軟件人機界面工效評價領(lǐng)域應(yīng)用較廣,但是每個研究者提出的評價指標(biāo)體系各有不同,且在對指標(biāo)的選取原則、具體過程以及構(gòu)建的一般方法方面研究較少,定性研究較多,定量研究很少,并沒有從系統(tǒng)層面對人機工效進行要素分解與分析評價。
因此,在設(shè)計地面無人作戰(zhàn)平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)時,必須要從系統(tǒng)的角度綜合考量其人機工效,對設(shè)計方案給出明確的評價體系和標(biāo)準(zhǔn),對地面無人作戰(zhàn)平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)普遍存在的工效問題分析,提出改進建議,為其研制提供設(shè)計指導(dǎo)。
地面無人作戰(zhàn)平臺根據(jù)其各模塊功能不同可將其劃分為:底盤機動系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。
底盤機動系統(tǒng):底盤機動系統(tǒng)主要承擔(dān)平臺遙控或自主機動下的定位、感知、路徑規(guī)劃等任務(wù),將無人平臺輸送到指定位置。
任務(wù)載荷系統(tǒng):任務(wù)載荷系統(tǒng)則承擔(dān)偵察、打擊、值守等作戰(zhàn)任務(wù),完成對敵目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、擊毀與上報。
遠(yuǎn)程操控系統(tǒng):操作人員采用手動遙桿、鼠標(biāo)、觸摸屏等操控方式通過人機交互界面進行人在回路的遠(yuǎn)程操控或監(jiān)控。
圖1 地面無人平臺分系統(tǒng)示意圖
偵打一體地面無人平臺是一種典型的地面無人平臺,主要具備完成如下任務(wù)的能力:
1)機動任務(wù):地面無人戰(zhàn)車無人機動是以遙控、自主、人在回路的半自主方式進行機動,從當(dāng)前位置機動至任務(wù)區(qū)域完成偵察、打擊或其他任務(wù)。
2)偵察任務(wù):主要是完成區(qū)域探測、固定路線巡邏監(jiān)控等任務(wù)。包括無人機動與光電識別模塊任務(wù)的組合任務(wù),通過遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)返回偵察信息,結(jié)合無人機、小型機器人及其他無人戰(zhàn)車的信息完成偵察任務(wù)。
3)打擊任務(wù):是在完成偵察和探測任務(wù)的前提下,摧毀敵方目標(biāo)。
在接收到任務(wù)后,操作人員將按照圖2 的任務(wù)完成流程對地面無人平臺進行操控,完成任務(wù)。
圖2 任務(wù)完成流程圖
偵打一體無人平臺具備較為全面的任務(wù)功能,在地面無人作戰(zhàn)平臺中有一定的代表性,并且具備與常規(guī)地面裝甲裝備的可比性。因此,本文選取偵打一體無人平臺的載荷及操控終端作為對象,研究地面無人作戰(zhàn)平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的評價體系及指標(biāo)。
目前主流偵打一體無人平臺的任務(wù)載荷繼承自傳統(tǒng)裝甲車輛的炮塔,主要包括武器模塊、光電偵察模塊、目標(biāo)跟蹤模塊和遠(yuǎn)程通信模塊等。具有遠(yuǎn)程操控、發(fā)現(xiàn)、跟蹤并摧毀特定目標(biāo)的能力。
依據(jù)任務(wù),偵打一體無人平臺在設(shè)計時參考了裝甲車輛的三乘員配置即:連長/排長/車長、炮長、駕駛員,并將其操作界面分屏集中在同一終端,通過觸屏功能操作,并以搖桿手動遙控完成連長/排長/車長和炮長的職能。其中,左側(cè)為車長鏡及搜索界面,右側(cè)為炮長鏡及打擊界面,中間為駕駛員界面,下屏為指揮及協(xié)同態(tài)勢界面,如圖3 所示。
圖3 操作終端示意圖
針對以上問題,本文對偵打一體無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效評價指標(biāo)體系的構(gòu)建進行探討,根據(jù)其系統(tǒng)特點和評價原則形成相應(yīng)的指標(biāo)體系;根據(jù)評價指標(biāo)的特點選用對應(yīng)的評價方法,對其遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效進行評價,并提供改進建議。
在對偵打一體無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效進行評價時,需要針對具體設(shè)計給出評價結(jié)論。在構(gòu)建評價指標(biāo)體系之前,需要對遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)進行指標(biāo)分解。依據(jù)其設(shè)計過程和使用需求,將其指標(biāo)體系分解為界面層、操作層和需求層。其中界面層主要是指界面要素的完備性、要素排布和層次結(jié)構(gòu)的邏輯性、信息表達清晰度等,可分為界面要素、界面布局、界面信息3 個一級指標(biāo);操作層主要是指用戶在操作交互系統(tǒng)時系統(tǒng)發(fā)生的屬性,可以依據(jù)控制器和任務(wù)操作流程細(xì)分為:操作反饋、防誤與容錯、一致性、舒適性等4 個一級指標(biāo);需求層是指系統(tǒng)設(shè)計是否具備滿足用戶在使用該系統(tǒng)滿足特定任務(wù)的功能,本系統(tǒng)主要以響應(yīng)時間作為一級指標(biāo)評價對用戶需求的滿足程度。
界面要素針對任務(wù)載荷界面,考核視頻圖像、載荷狀態(tài)、控制按鈕、參數(shù)調(diào)節(jié)4 個二級指標(biāo),是否具備完成偵察打擊任務(wù)的能力;界面布局針對界面顯示要素的排布是否具有邏輯性進行考核;界面信息則從各顯示要素能否給出清晰精確的狀態(tài)信息以供用戶判斷與操作進行考核。
操作反饋是指在用戶對遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)進行任何操作動作后,能夠得到相應(yīng)的反饋以表示動作完成與否和系統(tǒng)狀態(tài)是否正常;防誤與容錯中防誤是指遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)在收到不符合正常操作流程或可能損壞裝備系統(tǒng)的操作指令后,能夠及時停止動作并給出提示的能力,容錯是指系統(tǒng)控制在一定范圍內(nèi)的一種允許或包容用戶操作失誤,能夠繼續(xù)使系統(tǒng)正確工作的能力;一致性是評價該遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)中相同或類似的功能和要素對于相同操作的反饋是否一致,便于用戶快速理解并處理信息;舒適性則是從用戶完成任務(wù)所需動作是否符合人因工程,能否高效準(zhǔn)確地完成任務(wù)角度進行評價。
響應(yīng)時間則需要從3 個角度進行考核:控制響應(yīng)時間、反饋響應(yīng)時間和動作完成響應(yīng)時間。控制時間是交互系統(tǒng)在用戶操作后到下發(fā)指令的時間,通常在0.1 s 內(nèi)認(rèn)為是可承受的極限;反饋時間是指交互系統(tǒng)收到指令后開始動作并給出反饋的時間,可承受極限約1 s;動作完成時間是指在系統(tǒng)開始完成單一動作到動作結(jié)束并給出反饋所需要的時間,在傳統(tǒng)裝甲裝備作戰(zhàn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、鎖定并完成射擊動作的時間不應(yīng)超過5 s。最終形成8 個一級指標(biāo),14 個二級指標(biāo),如下頁表1 所示。
表1 評價指標(biāo)體系
邀請10 名專家對14 個單項指標(biāo)進行必要度打分(5 分制,5 分為非常必要),結(jié)合評判方法中的集中度和離散度得到必要度系數(shù),其中集中度越大說明重要程度越大,設(shè)其界值為2,說明至少達到一般等級;離散度越小說明專家意見越集中,一般離散度小于0.63 則說明符合要求,則必要度系數(shù)≤0.63/2=0.315,14 個指標(biāo)必要度系數(shù)均小于0.315,則指標(biāo)體系符合必要性要求。
偵打一體無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的使用效能影響因素較多,測試結(jié)果較容易受到隨機因素與模糊因素的影響,采用一般的評估方法往往無法準(zhǔn)確對其進行評價,而模糊綜合評價法可以綜合考慮環(huán)境中多種模糊因素的影響,處理其他方法無法解決的模糊信息,對對象進行綜合評判。且偵打一體無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)各指標(biāo)之間存在一定的層級關(guān)系,單采用一級模糊綜合評價時難以得到合理的評價結(jié)果,因此,本文針對該問題選用多級模糊綜合評價方法,先對各指標(biāo)進行綜合評價并最終形成針對操控系統(tǒng)人機工效的綜合評價。
指標(biāo)集是指能夠較為全面地反映被評價對象的因素的集合,根據(jù)偵打一體無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效評價指標(biāo)體系(表1),建立如下指標(biāo)集:
U={界面層I,操作層O,需求層D}
一級指標(biāo):
I={界面要素I,界面布局I,界面信息I}
O={操作反饋O,防誤與容錯O,一致性O(shè),舒適性O(shè)}
D={響應(yīng)時間D}
二級指標(biāo):
I={視頻圖像I,載荷狀態(tài)I,控制按鈕I,參數(shù)調(diào)節(jié)I}
I={邏輯性I}
I={清晰度I}
O={完備性O(shè)}
O={防誤邏輯O,容錯能力O}
O={信息一致性O(shè)}
O={動作行程O}
D={控制時間D,反饋時間D,動作完成時間D}
針對上述指標(biāo)集,采用模糊層次分析法對人機工效進行評價,其基本思想是依據(jù)多個被評價指標(biāo)的性質(zhì)和總目標(biāo),將人的主觀判斷過程數(shù)學(xué)化、思維化,并在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上提高了決策可靠性。通過指標(biāo)的兩兩比較建立模糊判斷矩陣A,再通過計算得到評價因素的權(quán)重向量W={w,w,…,w},確定評估模型并對指標(biāo)進行打分,得到評估向量V,最終得到人機工效評估得分Q=VW。
本文在模糊層次分析法的基礎(chǔ)上,設(shè)計了多級模糊綜合評估法,其主要工作是構(gòu)造兩級模糊判斷矩陣,并獲取指標(biāo)權(quán)重。對于某一級指標(biāo)V下的二級指標(biāo)V有權(quán)重向量:
最終工效評價結(jié)果:Q=QW,其取值范圍為0~100,Q 值越大其系統(tǒng)人機工效的效能越高,其中,Q={q,q,…,q}。
2.3.1 構(gòu)造模糊判斷矩陣
以系統(tǒng)的一級指標(biāo)為例介紹模糊綜合評判模型,并邀請7 名專家對待評價要素的重要性進行對比打分,具體打分規(guī)則如下:
對于某一要素v其重要性程度從1~10 重要性遞增(10 為最重要)得出評分集合:
建立模糊映射:
并給出模糊判斷矩陣A=(a),表示本層次中各個相互關(guān)聯(lián)的元素之間相對重要性的比較,a則表示v與v的相對重要性:
滿足規(guī)則如下頁表2 所示。
表2 模糊判斷矩陣數(shù)量標(biāo)度
2.3.2 模糊判斷矩陣權(quán)重公式
對模糊判斷矩陣A=(a)按行求和:
再利用轉(zhuǎn)換公式得到轉(zhuǎn)換矩陣:
2.3.3 二級模糊評價矩陣與權(quán)重
參照一級指標(biāo)的權(quán)重確定方法,分別對14 個二級指標(biāo)在各自所屬一級指標(biāo)下的權(quán)重進行確定,并得出模糊評價矩陣:
2.3.4 權(quán)重計算
根據(jù)7 名專家對一級指標(biāo)的重要性評估打分,得出模糊判斷矩陣,經(jīng)計算后得出各專家評估指標(biāo)的權(quán)重向量:
W=(0.083 9,0.155 4,0.133 9,0.098 2,0.130 4,
為排除各專家主觀因素影響,對各專家打分所得權(quán)重向量進行均值計算,得到最終的一級指標(biāo)權(quán)重向量為:
對于二級指標(biāo),由相同的方法得到:
針對某型偵打一體無人任務(wù)載荷的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng),采用上述模糊層次分析法所得權(quán)重對人機工效進行綜合評價。受試者則選取具有偵察打擊任務(wù)知識背景和裝甲裝備操作經(jīng)驗,熟悉裝甲裝備系統(tǒng)構(gòu)造的操作者,并依據(jù)“5 名受試者可以發(fā)現(xiàn)80%以上的可用性問題”的原則,選取了6 名受試者,從任務(wù)操作角度對以上14 個指標(biāo)進行問卷評價,評語集如表3 所示。
表3 評語集換算標(biāo)準(zhǔn)
綜合6 名受試者的評價調(diào)查結(jié)果,得到各指標(biāo)的二級模糊綜合評價得分Q,如下頁表4 所示。
表4 系統(tǒng)評價得分
綜合二級模糊評價權(quán)重向量,對該型偵打一體無人載荷遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效進行評價,最終得分為83.367 1,按照最大隸屬原則,得出該遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效的綜合評價為“良好”,但其中防誤邏輯、容錯能力和反饋時間3 個指標(biāo)得分較低,對應(yīng)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)應(yīng)改進硬件防誤操作按鍵設(shè)計、軟件危險任務(wù)操作保護邏輯、任務(wù)流程操作魯棒性和圖像信息反饋通信延遲,并對該系統(tǒng)的各模塊進行改進。
根據(jù)評價建議,在原遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加重要操作硬件防誤觸開關(guān)、危險動作確認(rèn)對話框、任務(wù)流程打斷自恢復(fù)和數(shù)據(jù)保存,改進信道帶寬提高了動作響應(yīng)速度。對改進后的系統(tǒng)重新進行評價檢驗,得分如表5 所示。
表5 改進后系統(tǒng)評價得分
改進后的系統(tǒng)視頻質(zhì)量有所提升,操作邏輯、防誤容錯得到明顯改善,操作響應(yīng)時間也有一定的減少,提高了操作體驗,但由于增加硬件防誤觸開關(guān)導(dǎo)致動作行程增加,舒適性下降。由模糊綜合評價法得出人機工效綜合評價得分為85.034,總體相較上個版本產(chǎn)品的工效性有所提高。
本文構(gòu)建了適用于地面無人平臺的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效指標(biāo)評價體系,包含8 個一級指標(biāo)和14 個二級指標(biāo)。
采用多級模糊綜合評價法,對現(xiàn)有某型地面平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)人機工效進行評價實踐,驗證了指標(biāo)與方法的有效性,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在的問題并給出改進建議,改進后的系統(tǒng)評價有一定的提升。證明該方法有利于改進現(xiàn)有地面無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)并指導(dǎo)新的系統(tǒng)設(shè)計。
該方法中對于二級指標(biāo)采用問卷調(diào)查法和用戶訪談法進行評價,在未來的改進方法中將結(jié)合態(tài)勢感知評價,并對于一部分可以量化的指標(biāo)將采用采集實驗數(shù)據(jù)、定量分析的方式,對地面無人平臺遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)二級指標(biāo)進行評價,以更加準(zhǔn)確地評價該類系統(tǒng),提升操作人員工作效率和地面無人平臺安全性,提高系統(tǒng)效能。