王宥霖，馬如夢(mèng)，李曉京，張利利，惠鐸鐸，馬 進(jìn)，許波，胡文東

（第四軍醫(yī)大學(xué)：1航空航天醫(yī)學(xué)院，陜西西安710032，2唐都醫(yī)院實(shí)驗(yàn)外科，陜西西安710038，3校務(wù)部衛(wèi)生處，陜西西安710032）

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人機(jī)功能分配對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)飛行負(fù)荷評(píng)價(jià)的初步研究

王宥霖1，馬如夢(mèng)2，李曉京1，張利利1，惠鐸鐸1，馬 進(jìn)1，許波3，胡文東1

（第四軍醫(yī)大學(xué)：1航空航天醫(yī)學(xué)院，陜西西安710032，2唐都醫(yī)院實(shí)驗(yàn)外科，陜西西安710038，3校務(wù)部衛(wèi)生處，陜西西安710032）

【摘 要】目的：針對(duì)新型飛機(jī)人機(jī)功能分配特點(diǎn)開展了深入系統(tǒng)的研究，建立任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)方法，提出新型飛機(jī)人機(jī)功能分配的方法及流程.方法：根據(jù)基于剩余能力的次任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)方法和任務(wù)執(zhí)行過程中的負(fù)荷變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流程，選取10名被試人員共進(jìn)行了51組相關(guān)實(shí)驗(yàn)，部分驗(yàn)證并確立了任務(wù)負(fù)荷的評(píng)價(jià)方法以及范圍.結(jié)果：任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果部分驗(yàn)證了任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)方法的可行性和有效性；復(fù)雜作業(yè)任務(wù)負(fù)荷分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了任務(wù)負(fù)荷的累加性.結(jié)論：運(yùn)用基于剩余能力的測(cè)量方法測(cè)量任務(wù)負(fù)荷水平是可行和有效的；復(fù)雜作業(yè)任務(wù)負(fù)荷水平可以通過測(cè)量其簡(jiǎn)單子任務(wù)的負(fù)荷水平，再通過累加原理計(jì)算得出；負(fù)荷指數(shù)應(yīng)在一定范圍內(nèi)，否則作業(yè)任務(wù)質(zhì)量明顯下降.

【關(guān)鍵詞】新型飛機(jī)；人機(jī)功能分配；任務(wù)負(fù)荷；作業(yè)任務(wù)分配

【中圖分類號(hào)】V211.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

0 引言

隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)在飛機(jī)各大系統(tǒng)中不斷應(yīng)用，自動(dòng)化、智能化已經(jīng)成為新型飛機(jī)的重要發(fā)展方向［1－3］.技術(shù)的進(jìn)步使機(jī)組人員面臨的作業(yè)任務(wù)日趨復(fù)雜，人在系統(tǒng)運(yùn)行中的角色也發(fā)生了很大變化，從系統(tǒng)的直接操縱者轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)決策中樞［4，6］.

雖然人具有創(chuàng)新性和靈活性，但是受限于生理、心理的極限，執(zhí)行任務(wù)的速度和容量是有限的，導(dǎo)致飛機(jī)操控和安全性下降，對(duì)于高性能高可靠性的航空系統(tǒng)是不可接受的.人的操控能力和人為失誤與負(fù)荷水平有著密切關(guān)系，過高或過低的工作負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致操作錯(cuò)誤、疏漏等各種問題，都會(huì)影響系統(tǒng)效能發(fā)揮［5］.因此將機(jī)組人員集成到整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)中，充分考慮人機(jī)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)適度自動(dòng)化、智能化，形成綜合的人機(jī)集成系統(tǒng)［7－8，10］，將能夠更好的實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的最優(yōu)設(shè)計(jì).這種將機(jī)組人員集成到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是人在回路中的設(shè)計(jì)［9］.

綜上所述，在人—機(jī)之間實(shí)現(xiàn)合理的作業(yè)任務(wù)分配，從而保證機(jī)組人員處于合理的負(fù)荷水平非常重要.要實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)的合理分配，就必須充分研究新型飛機(jī)各系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)內(nèi)容及特點(diǎn).

1 方法

1.1 研究對(duì)象 大學(xué)本科生，10名，男，年齡18～20歲，身高（178.1±14.1）cm，體質(zhì)量（67.4±7.3）kg，均為右利手，生活規(guī)律，無(wú)吸煙、嗜酒、賭博等不良嗜好，無(wú)睡眠障礙，無(wú)精神疾病家族史，均擅長(zhǎng)使用計(jì)算機(jī).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和流程 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為聯(lián)想一體電腦5臺(tái)，23英寸彩色液晶顯示器（分辨率為1920× 1080），配Logitech G940飛行模擬駕駛系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)程序使用GameStudio的Lite?C腳本語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)采用次任務(wù)測(cè)量法，所記錄的數(shù)據(jù)包括：任務(wù)績(jī)效參數(shù)（包括正確、錯(cuò)誤、丟失）和消耗時(shí)間，以及跟蹤精度等.仿真軟件界面見圖1.

圖1 仿真軟件界面

1.3 測(cè)試內(nèi)容

1.3.1 持續(xù)跟蹤控制任務(wù)實(shí)驗(yàn) 該任務(wù)要求機(jī)組人員持續(xù)關(guān)注的某些信息同時(shí)對(duì)某些系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操控，并不斷核對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)反饋，確保系統(tǒng)按照操控預(yù)期運(yùn)行，一旦系統(tǒng)偏離預(yù)期立即展開操縱從而使系統(tǒng)回復(fù)到預(yù)計(jì)的狀態(tài)（圖2）.

圖2 持續(xù)跟蹤控制任務(wù)

1.3.2持續(xù)監(jiān)視離散控制任務(wù)實(shí)驗(yàn) 本文通過控制儀表異常事件的頻率以及指針運(yùn)動(dòng)速度來控制作業(yè)人員判讀儀表的頻率，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)負(fù)荷水平調(diào)節(jié).作業(yè)任務(wù)模型如圖3所示.

圖3 儀表監(jiān)控任務(wù)模型

儀表指針以一定速度在綠色區(qū)域內(nèi)作正常角速度運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)負(fù)荷需求以一定的速度觸發(fā)儀表故障事件，出現(xiàn)該情況后會(huì)越過黃區(qū)進(jìn)入紅區(qū)，直至越過紅區(qū)；任務(wù)要求作業(yè)人員保持對(duì)儀表指針位置的掌握，一旦指針進(jìn)入異常區(qū)域，必須立即進(jìn)行控制將相應(yīng)儀表改出異常，任務(wù)的難度由表針轉(zhuǎn)速和故障率共同決定，儀表異常處置正確率體現(xiàn)了任務(wù)績(jī)效.1.3.3 任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)選擇次任務(wù)測(cè)量方法，左邊光點(diǎn)計(jì)數(shù)任務(wù)為主任務(wù)，要求被試人員在出現(xiàn)光點(diǎn)后以最快速度數(shù)清紅色光點(diǎn)個(gè)數(shù)，并根據(jù)光點(diǎn)數(shù)的個(gè)位進(jìn)行按鍵反應(yīng).若按鍵選擇正確，光點(diǎn)會(huì)立即消失；若不正確，等待作業(yè)人員重新清點(diǎn)，直到可用時(shí)間耗盡.右邊數(shù)字識(shí)別反應(yīng)任務(wù)為次任務(wù)，需要被試人員根據(jù)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行按鍵反應(yīng)，若按鍵選擇正確，數(shù)字信號(hào)會(huì)立即刷新給出下一個(gè)信號(hào).主任務(wù)為必須完成的任務(wù)，次任務(wù)為剩余能力完成的任務(wù).要求在保證完成主任務(wù)的前提下，對(duì)數(shù)字信號(hào)做出正確反應(yīng).實(shí)驗(yàn)界面如圖4所示.

圖4 任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)界面

1.3.4 基于任務(wù)負(fù)荷的人機(jī)功能分配及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)依然采用追蹤控制任務(wù)、儀表監(jiān)控任務(wù)、光點(diǎn)計(jì)數(shù)以及相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)反應(yīng)等四項(xiàng)作業(yè)任務(wù)調(diào)節(jié)負(fù)荷后進(jìn)行組合，從而改變?nèi)蝿?wù)的負(fù)荷水平和任務(wù)維度，實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)中各機(jī)組人員心理負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡刃Х抡孀鳂I(yè)任務(wù).通過實(shí)驗(yàn)研究不同任務(wù)負(fù)荷對(duì)機(jī)組人員作業(yè)績(jī)效的影響.

1.4 數(shù)據(jù)處理 使用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用多因素重復(fù)測(cè)量分析、t檢驗(yàn)和多元線性回歸方程等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2 結(jié)果

2.1 任務(wù)負(fù)荷測(cè)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 經(jīng)計(jì)算得到直接測(cè)量負(fù)荷和間接測(cè)量負(fù)荷以后，以間接測(cè)量負(fù)荷為X坐標(biāo)，直接測(cè)量負(fù)荷為Y坐標(biāo)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析.對(duì)比不同曲線回歸分析結(jié)果.三次曲線回歸擬合效果最優(yōu)（表1）.

表1 直接測(cè)量負(fù)荷與間接測(cè)量負(fù)荷回歸分析結(jié)果

其中R為擬合優(yōu)度，R2＝0.986表明擬合程度非常好.以直接測(cè)量負(fù)荷為因變量，則其變異的原因98.6%是由間接測(cè)量負(fù)荷的變化引起，P＜0.05說明擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.三次曲線的擬合結(jié)果如圖5所示.

圖5 直接測(cè)量負(fù)荷與間接測(cè)量負(fù)荷三次曲線擬合圖

采用Pearson模型對(duì)直接測(cè)量負(fù)荷和間接測(cè)量負(fù)荷做相關(guān)性分析，兩者相關(guān)系數(shù)0.992（P＜0.01，表2），表明間接測(cè)量的負(fù)荷指標(biāo)與直接測(cè)量的負(fù)荷指標(biāo)具有相關(guān)性.

表2 直接測(cè)量負(fù)荷與間接測(cè)量負(fù)荷相關(guān)性分析結(jié)果

采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)兩者差異性進(jìn)行分析，結(jié)果為，接受方差相等條件下Levene檢驗(yàn)（P＝0.538，表3），方差齊性非常好，雙側(cè)t檢驗(yàn)（P＝0.888，表3），表明直接測(cè)量與間接測(cè)量的負(fù)荷水平?jīng)]有顯著性差異，可以認(rèn)為直接測(cè)量和間接測(cè)量的負(fù)荷水平相同.

表3 直接測(cè)量負(fù)荷與間接測(cè)量負(fù)荷獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 光點(diǎn)計(jì)數(shù)任務(wù)和儀表監(jiān)視任務(wù)的正確率與任務(wù)負(fù)荷分析分析 以任務(wù)負(fù)荷為X坐標(biāo)，正確率為Y坐標(biāo)做回歸分析，三次曲線回歸擬合效果最好，結(jié)果R2＝0.833，即光點(diǎn)任務(wù)和儀表監(jiān)視任務(wù)的正確率的變化83.3%是由負(fù)荷變化引起，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表4）.采用曲線擬合分析，結(jié)果如圖6所示.

表4 任務(wù)正確率與任務(wù)負(fù)荷回歸分析結(jié)果

圖6 任務(wù)正確率與任務(wù)負(fù)荷曲線擬合圖

2.3 跟蹤誤差分析 以任務(wù)負(fù)荷為X坐標(biāo)，跟蹤誤差為Y坐標(biāo)做回歸分析，三次曲線回歸擬合效果最好.R2＝0.619，即跟蹤誤差變異61.9%是由負(fù)荷變化引起，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表5）.對(duì)跟蹤誤差與任務(wù)負(fù)荷作曲線擬合，結(jié)果如圖7所示.

表5 任務(wù)跟蹤誤差與任務(wù)負(fù)荷回歸分析結(jié)果

圖7 跟蹤誤差與任務(wù)負(fù)荷的曲線擬合圖

3.4 次任務(wù)在有無(wú)主任務(wù)條件下的正確率變化分析

次任務(wù)正確率變化量定義為作業(yè)人員在沒有主任務(wù)條件下單獨(dú)完成次任務(wù)的正確率與有主任務(wù)條件下完成次任務(wù)的正確率之差.以任務(wù)負(fù)荷為X坐標(biāo)，次任務(wù)正確率的變化量為Y坐標(biāo)做回歸分析，三次曲線回歸擬合效果最好，結(jié)果R2＝0.517，即輔助任務(wù)在有無(wú)主任務(wù)條件下的正確率變化51.7%是由負(fù)荷變化引起，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表6）.對(duì)次任務(wù)正確率變化量與任務(wù)負(fù)荷進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖8所示.

表6 次任務(wù)正確率變化量與任務(wù)負(fù)荷的回歸分析結(jié)果

圖8 次任務(wù)正確率變化量與任務(wù)負(fù)荷的曲線擬合圖

3 討論

人機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)最重要的方法就是通過仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究［11－13］.構(gòu)建有人參與的人機(jī)仿真系統(tǒng)，就是構(gòu)建包括顯示、控制、自動(dòng)化和環(huán)境等要素在內(nèi)的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)人在回路中的仿真實(shí)驗(yàn)［14，17］.

腦力負(fù)荷是一個(gè)比較復(fù)雜的概念，其中一種普遍認(rèn)同的理論為心理資源理論［15－16］.心理資源是指人的意識(shí)投向信息加工活動(dòng)能力［18－19］.根據(jù)心理資源理論，人的心理資源可以分為兩部分：任務(wù)使用資源和剩余資源［20］.執(zhí)行任務(wù)過程中，作業(yè)人員根據(jù)任務(wù)負(fù)荷投入相匹配的心理資源；隨著任務(wù)負(fù)荷的增加，作業(yè)人員不斷將剩余心理資源投入到任務(wù)中，直到將所有的心理資源全部投入進(jìn)去.若任務(wù)負(fù)荷超過了作業(yè)人員所能提供的心理資源，作業(yè)人員就不能滿足任務(wù)負(fù)荷需求，表現(xiàn)出來就是作業(yè)人員超負(fù)荷工作，工作績(jī)效下降［21－23］.雖然心理資源理論能夠比較好的描述任務(wù)負(fù)荷，但是心理資源無(wú)法直接進(jìn)行量化，不利于客觀方法進(jìn)行測(cè)量.無(wú)論輸入負(fù)荷大小、個(gè)人努力多少、工作績(jī)效高低，總會(huì)有一個(gè)信息描述整個(gè)過程，那就是完成任務(wù)所消耗的時(shí)間［24－25］.它綜合體現(xiàn)了作業(yè)任務(wù)難度、個(gè)人努力程度以及工作績(jī)效等.來自任務(wù)或作業(yè)人員的任何一項(xiàng)變化，都將引起任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的變化，而時(shí)間對(duì)于作業(yè)任務(wù)與心理資源有類似的影響，作業(yè)人員總是根據(jù)任務(wù)負(fù)荷投入相應(yīng)的工作時(shí)間來判斷任務(wù)的難度.隨著負(fù)荷增加，作業(yè)人員逐漸將空余時(shí)間投入到任務(wù)中，直到空余時(shí)間為零，如果任務(wù)負(fù)荷需要的時(shí)間超出了作業(yè)人員所能提供的時(shí)間，人就會(huì)進(jìn)入超負(fù)荷工作，工作績(jī)效隨之下降［26－28］.因此本研究考慮以任務(wù)需要的時(shí)間與任務(wù)可用時(shí)間的比值作為描述任務(wù)負(fù)荷的指標(biāo)，對(duì)任務(wù)負(fù)荷展開研究.

從結(jié)果中可以看出，圖5中擬合曲線與y＝x直線非常接近，表明采用本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的次任務(wù)能夠比較有效測(cè)量作業(yè)人員的剩余能力，從而間接測(cè)量主任務(wù)的負(fù)荷水平，其間接測(cè)量得到的主任務(wù)負(fù)荷在整個(gè)0—1的負(fù)荷范圍內(nèi)基本等于直接測(cè)量的主任務(wù)負(fù)荷.

圖6中LOESS擬合曲線結(jié)果顯示，任務(wù)正確率在負(fù)荷＜0.75的情況下，隨著負(fù)荷的上升略有下降；當(dāng)任務(wù)負(fù)荷＞0.75后，任務(wù)正確率隨著負(fù)荷增加急劇下降.說明對(duì)于分析、判斷、決策、計(jì)算等需要心理認(rèn)知能力高度集中的高級(jí)任務(wù)，作業(yè)人員的負(fù)荷一旦超過0.75，任務(wù)執(zhí)行的正確率和可靠性就急劇下降，任務(wù)負(fù)荷＜0.75時(shí)表現(xiàn)比較穩(wěn)定，因此，對(duì)于高級(jí)作業(yè)任務(wù)執(zhí)行者，功能分配時(shí)應(yīng)該考慮將其負(fù)荷水平控制在0.75以下的合理水平.

對(duì)于連續(xù)監(jiān)視跟蹤型任務(wù)，加入其他作業(yè)任務(wù)就會(huì)對(duì)跟蹤任務(wù)造成干擾，導(dǎo)致跟蹤誤差明顯增加，即圖7中負(fù)荷0.3以下的部分曲線，因此對(duì)于高精度連續(xù)跟蹤控制任務(wù)應(yīng)當(dāng)盡量確保作業(yè)人員不受干擾.當(dāng)任務(wù)負(fù)荷在0.3～0.8之間跟蹤誤差隨著任務(wù)負(fù)荷加重表現(xiàn)為緩慢的增加，跟蹤精度比較穩(wěn)定，說明在作業(yè)人員受到一定程度干擾后，負(fù)荷在適當(dāng)范圍內(nèi)增加，但對(duì)跟蹤精度影響不大，因此在適當(dāng)精度條件下可以給作業(yè)人員添加適度的負(fù)荷，不會(huì)顯著影響跟蹤精度.當(dāng)任務(wù)負(fù)荷＞0.8以后，作業(yè)人員表現(xiàn)為超負(fù)荷運(yùn)行，任務(wù)跟蹤誤差隨著負(fù)荷的增加急劇增加，因此應(yīng)該盡量控制作業(yè)人員在連續(xù)跟蹤負(fù)荷＜0.8的合理水平，以免影響作業(yè)績(jī)效.

由圖8可知，當(dāng)任務(wù)負(fù)荷＜0.2，次任務(wù)正確率的變化量為負(fù)，即有主任務(wù)條件下的正確率比沒有主任務(wù)條件下的正確率高，說明在負(fù)荷低于0.2的條件下，增加負(fù)荷反而可以減小作業(yè)人員的人為失誤，因此功能分配時(shí)應(yīng)該盡量避免作業(yè)人員工作負(fù)荷＜0.2；當(dāng)任務(wù)負(fù)荷在0.2～0.7之間，次任務(wù)正確率的變化量為正且緩慢增加，說明任務(wù)負(fù)荷的增加導(dǎo)致次任務(wù)正確率略微下降，人的工作成績(jī)比較穩(wěn)定；當(dāng)任務(wù)負(fù)荷＞0.7以后，作業(yè)人員表現(xiàn)為超負(fù)荷工作，次任務(wù)正確率變化呈急劇下降趨勢(shì)，且極不穩(wěn)定，說明作業(yè)人員負(fù)荷＞0.7會(huì)導(dǎo)致失誤率急劇增加，且工作表現(xiàn)不穩(wěn)定，因此功能分配盡量確保任務(wù)負(fù)荷在0.2～0.7之間.

綜上所述，本研究在分析目前人機(jī)功能分配的常用原則及方法基礎(chǔ)上，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論和多目標(biāo)模糊決策的數(shù)學(xué)方法，提出了新型飛機(jī)人機(jī)功能分配的方法及流程，并通過實(shí)例分析驗(yàn)證了方法的有效性和可行性.結(jié)果提示，本文提出的人機(jī)功能分配方法可為新型飛機(jī)人機(jī)功能分配及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供一種客觀量化的研究方法.

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通訊作者：胡文東.E?mail：76113480＠qq.com

作者簡(jiǎn)介：王宥霖.E?mail：41309098＠qq.com

收稿日期：2015－12－23；接受日期：2016－01－08

文章編號(hào)：2095?6894（2016）02?84?05