特种飞机舱室布局综合评价研究

罗祥振，程丽珠，魏 强

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

特种飞机是指能够执行某种特殊任务的“特种任务专业飞机”，主要由载机和任务电子系统两部分组成[1]。预警机是集空中预警、电子侦察、数据处理、指挥控制等功能于一体的特种飞机，是现代战争的指挥控制平台[2]。预警机中任务系统操作台为操作员提供传感器控制和信息处理显示控制等人机交互功能，是最重要的人机界面[3]。因此，如何利用舱室有限的空间将任务系统合理布局，提高操作员的工作效率、增强战斗力显得尤为重要。目前，对于舰船、潜艇舱室[4-6]以及飞机驾驶舱[7-8]人机工效评价研究较多，对于特种飞机任务系统舱室布局综合评价的研究很少。随着科技的发展以及现代战争对预警机长航时预警侦察、指挥作战的能力要求越来越高，有效的对舱室布局人机工效评价研究，是改善整个任务系统功效的关键基础。因此，本文从舱室布局综合评判的角度出发，基于改进的层次分析法模型，分析舱室布局系统、建立评估指标体系，形成一套合理的对于该类产品的评价方法并通过实例分析验证该方法的可行性，为今后任务系统舱室布局研究提供参考。

1 舱室评估指标体系的构建

舱室显控台任务系统和操作员构成了一个复杂的系统。本文以实现其最大的功能和效率为基点，构建相应的评价指标体系如图1所示。舱室任务系统与飞机驾驶舱、舰艇舱室功能作用不同，评价指标也有一定差别，其人机工效的评价更注重于操作员的直观感受和舒适性等方面[3]。参考舰船舱室布局的相关研究，利用层次分析法基本原理将问题层次化，目标层为综合评估的最终目标，即最优舱室布局方案；准则层分为舒适性、人机交互、功能相近、环境适应性四个方面；最后根据实际情况将准则层再细分为各个影响其效能的具体指标。根据图1所示，构建的指标体系目标层为1项，准则层为4项，指标层为8项。各个评估指标并不是相互独立的，它们相互关联、相互作用，共同影响着最终的舱室布局[9]。

图1 舱室任务系统人机界面评估指标体系

2 不同舱室布置方案分析

2.1 现有舱室显控台布置方案

目前世界范围内正在服役的预警机任务系统显控台的布置一般分为顺航向、面对面、侧航向三种。图2和图3分别为侧航向和顺航向的两种布置方式。韩国的“和平眼”预警机和空客C295预警机为侧航向布置，这种方案能够将相同战位放在一起有利于协同作战、同时指挥长坐在中间有利于指挥控制，但是由于飞机巡航时有一定的仰角，严重降低了操作员的舒适度。日本航空自卫队装备的E-767预警机显控台为顺航向布置，这种布置方式可以提高操作员的舒适度，以保持乘员可以坚持长时间工作，但这种布置方式需要更大的舱内空间。

图2 侧航向显控台布置

图3 顺航向显控台布置

2.2 研究评估的舱室显控台布置方案

我们所评估的显控台席位设置为16个，基于此构建了两种不同的显控台布置方案，图4为所在舱段内构建的显控台布置方案图。通过构建指标体系，确定各指标权重，采用专家打分法对各个指标进行打分，确定专家可靠度向量，结合不同专家的评估结果确定最优方案，为今后该产品的研发提供支持。

图4 两种显控台布置方案

3 基于改进层次分析法的舱室布局综合评估

3.1 层次分析法基本原理

层次分析法是系统工程对非定量问题作定量分析的一种简便的方法，也是对人们的主观判断做定量描述的一种有效方法。它通过把一个问题即目标层分解成各个组成因素，又将这些因素按支配关系形成递阶层次结构。通过两两因素比较的方式，确定层次中各结果的相对重要性(即权重)[10]。

层次分析法的步骤为：

(1)建立层次分析结构模型

(2)构造判断矩阵

(3)层次排序以及一致性检验

(4)得到各个指标权重

3.2 改进的层次分析法

传统的层次分析法采用1～9及其倒数共17个数作为标度，这就是经典的9标度法。但是，这种方法存在着一定的不足：比例标度跨度过大，当两两比较的判断矩阵元素较多时，容易造成其不一致性，且调整困难。为了弥补这种不足，采用改进的层次分析法比例标度，采用4标度法，如表1所示。这种比例标度更符合实际情况，所构造的判断矩阵也更容易满足一致性要求。

表1 四标度法含义

3.3 构建专家权重集

在进行系统评估时，首先构建评估专家权重集，为了增强专家评估结果的可靠性，我们有幸请到了用户为方案进行评估打分，这些用户很多都是该领域的专家。我们从专业相关度、对问题的认识程度、经验等方面对这些专家的可靠度进行考量，创建专家自我评估表，如表2所示。进而确定各个专家在综合评估结果中的比重。

表2 专家自我评估表

假设有m位专家进行评判，第k位专家的自我评估值为Hk，则Hk=ak·bk·ck，则第k位专家的可靠度为

(1)

则专家可靠度向量为：

3.4 构造判断矩阵并进行一致性检验

根据图1构建的评估指标体系，将各层元素两两比较并根据表1的比例标度构造判断矩阵。但是，判断矩阵是基于认知或者专家经验构造的，有可能会出现两两比较的构造尺度前后不一致性，势必导致错误的计算结果。因此，在进行排序时必须经过一致性检验[9]。计算一致性比率的公式为：

(3)

其中λmax为判断矩阵的最大特征值。

平均随机一致性指标R.I的取值如表3所示：

表3 随机一致性指标取值规则

当C.R<0.1时，则认为该层次单排序结果具有满意一致性，否则的话需要重新调整判断矩阵。

3.5 综合评估

根据每位专家所给出的判断矩阵计算出该专家对于各个指标所赋予的权重。结合其对每一个方案指标的打分计算得到单个专家的评估结果，最后将每位专家的评估结果与专家可靠度向量相乘，得到其综合评估结果。设每位专家对方案的评估结果为Wk,可靠度向量为Rk，得到该方案的综合评估结果为：

4 案例分析

本文为了评估所布置的两种显控台方案的优劣性，设计调查问卷，用户为所调研对象，收集他们对图1所列的各个指标的打分。最后基于改进的层次分析法进行综合评估。按照第三章基于改进层次分析法的步骤，首先构建各个指标层的判断矩阵，对准则层和指标层的因素两两对比，并进行一致性检验，最后确定各个指标的权重。

4.1 确定权重指标

本次调研总共收到几十位专家用户的评估表，首先，将这些专家按照表2进行打分，表4为其中一位专家的打分结果。结合公式(1)和公式(2)确定专家可靠度向量R，再由这些专家根据个人的经验判断，单独构造判断矩阵。由于专家数量过多，指标打分表和判断矩阵的数量较大，本文不再一一列举。下面以其中的一位专家构造的判断矩阵为例说明。

表4 舱室布局评估指标打分表

首先确定准则层判断矩阵A。将其四个指标：舒适性、功能相近、人机交互、环境适应性两两比较。根据表1的4标度法构造判断矩阵。

采用相同的方式确定指标层的判断矩阵

然后对各个矩阵进行一致性检验并求取权向量。为了方便计算，采用MATLAB编写相关程序。该专家确定的各个评估指标的权重如表5所示。

表5 各个指标权重

最后，将这位专家对各个指标的打分乘以相应的权重再相加到一起便得到该专家的评估结果。将表4与表5相结合得到该专家对于两种方案的评估结果为方案1：83.33分，方案2:81.89分。

4.2 确定综合评估结果

每位接受调研的专家都对两种方案进行打分，由于数量过多不一一列出，每位专家的评估结果都可以采用4.1节通过层次分析法构造判断矩阵求出，最后根据公式(5)将各个专家的打分结果与其可靠度向量进行结合，求出两种方案的综合打分结果。两种方案的综合评分分别为方案1：83.27分，方案2:81.37分。因此方案1为两种方案中相对最优的方案。

5 结 语

特种飞机舱室任务系统操作员舱是战勤人员执行特殊任务的直接交互平台，有效的对舱室布局人机工效评价研究，是提高整个任务系统功效的关键基础，因此有必要建立一套合理的评价体系。本文在现有服役的显控台布置方案的基础上，面向新型特种飞机设计了两种显控台布置方案并对方案进行综合评估。首先，基于任务系统总体布局和人机工效，结合指标体系建立流程，建立一套完善、有效的评估指标体系；然后采用改进后的层次分析法对评价指标综合评估，形成了一套完备的对于该类产品的评价方法；最后通过实际案例分析，论证了这种评价方法的可行性，分析得出方案1相对最优。案例分析结果表明了这种评价方法对于该类产品具有很好的适用性，评估结果客观合理。同时，案例分析中专家对两种方案的评估可以为未来特种飞机任务系统舱室布局设计提供实际的参考意义。