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(jìn)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(jī)之間進(jìn)行合理的功能分配,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須解決的問題,模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的智能化過低會(huì)增加受訓(xùn)人員額外負(fù)擔(dān),影響訓(xùn)練效果;而智能化過高又會(huì)使受訓(xùn)人員對機(jī)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(jià)過大。

針對艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建立人機(jī)功能分配模型的目的,就是對功能實(shí)現(xiàn)涉及的任務(wù)操控進(jìn)行人機(jī)最佳分配。人機(jī)功能分配是研究和開發(fā)工作中重要而又復(fù)雜的一個(gè)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(jī)功能分配主要采用基于經(jīng)驗(yàn)的主觀定性分析的方法,尚無一個(gè)系統(tǒng)的、可普遍采用的決策方法。本文建立FAHP人機(jī)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(jī)功能分配,采用量化評(píng)估的方法優(yōu)選。

1 人機(jī)特性比較

國內(nèi)外裝備人機(jī)工程研究與應(yīng)用大體上經(jīng)歷了人適應(yīng)機(jī)、機(jī)適應(yīng)人、人機(jī)相互適應(yīng)等幾個(gè)階段,目前正致力于實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)相互整合的目標(biāo)[1]。

相對來說，機(jī)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(jī)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(xiàn)[2-3]的基礎(chǔ)上從人機(jī)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(gè)方面進(jìn)行了對比。

按照人機(jī)特性比較,人機(jī)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(rèn)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(jī)執(zhí)行的任務(wù)

適合機(jī)器承擔(dān)的任務(wù)包括:單調(diào)重復(fù)和高階運(yùn)算的操作,大量信息存儲(chǔ)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(jí)運(yùn)算、需要快速性的操作;控制精度要求嚴(yán)格的操作;長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的操作;大負(fù)荷、特殊環(huán)境的操作;人容易犯錯(cuò)誤的操作等。

表1 人機(jī)特性的比較

2 人機(jī)功能分配模型

2.1 人機(jī)功能分配模型

進(jìn)行艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)人機(jī)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(jìn)行詳細(xì)的分析,細(xì)化完成訓(xùn)練功能的操作任務(wù)鏈(子功能集),根據(jù)人、機(jī)承擔(dān)任務(wù)特點(diǎn)(性)逐一確定操作任務(wù)鏈中哪些子任務(wù)由機(jī)器承擔(dān)、哪些子任務(wù)由人承擔(dān)、哪些子任務(wù)由人機(jī)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(jìn)行人機(jī)功能優(yōu)選分配。人機(jī)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(jī)功能分配流程圖

2.2 評(píng)估指標(biāo)

針對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)這一特殊的設(shè)備,對于難以進(jìn)行人機(jī)功能分配的任務(wù)操作選取精(準(zhǔn))確性、可靠性和快速性三項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估優(yōu)選。

1)精(準(zhǔn))確性

用操作對象完成任務(wù)操作的精(準(zhǔn))確程度來評(píng)價(jià)。任務(wù)操作越準(zhǔn)確,越能夠完成任務(wù)。只有操作準(zhǔn)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(jìn)行任務(wù)操作的精(準(zhǔn))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(píng)價(jià)。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(píng)價(jià)。操作時(shí)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(jī)功能優(yōu)選模型

采用模糊層次分析法(FAHP)[3-6]進(jìn)行人機(jī)功能分配方案優(yōu)選,其優(yōu)勢在于,FAHP法不僅能夠減少?zèng)Q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(biāo)、多準(zhǔn)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(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型。

2)構(gòu)造模糊互補(bǔ)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(zhǔn)則,分別后續(xù)各行元素進(jìn)行兩兩比較,進(jìn)行標(biāo)度定量化,建立模糊互補(bǔ)矩陣。

② 互補(bǔ)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(bǔ)矩陣可表示如表2所示。

表2 互補(bǔ)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(jìn)行比較時(shí),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(jìn)行標(biāo)度,其含義見表3。

表3 數(shù)字標(biāo)度各值的含義

3)一致性檢驗(yàn)

對獲得模糊互補(bǔ)矩陣R進(jìn)行一致性檢驗(yàn)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(gè)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(jìn)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(jìn)行一致性檢驗(yàn)

將公式(1)調(diào)整后R模糊互補(bǔ)矩陣,求最大特征根λmax,若成立:

λmax=n

(2)

通過一致性檢查。

4)計(jì)算單一準(zhǔn)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(jìn)行總優(yōu)度排序,若T1≥T2≥…≥Tn,則方案從優(yōu)到劣的次序?yàn)?B1≥B2≥…≥Bn。

3 人機(jī)功能分配實(shí)例

進(jìn)行登陸指揮引導(dǎo)模擬訓(xùn)練功能人機(jī)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(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),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(bǔ)矩陣R

① 根據(jù)表3數(shù)字標(biāo)度含義,分別以基準(zhǔn)Pk為前提,對元素Bi和元素Bj進(jìn)行比較,可得到互補(bǔ)矩陣R1～R3如下:

② 互補(bǔ)矩陣R

對準(zhǔn)則層的各項(xiàng)指標(biāo)Pk之間進(jìn)行比較,則模糊互補(bǔ)矩陣R:

3)進(jìn)行一致性檢查

λmax=3具有一致性。

4)單一準(zhǔn)則下方案優(yōu)度值

按照公式(3)計(jì)算Bi在目標(biāo)準(zhǔn)則Pk條件下的優(yōu)度值Pk,這里n=3,α=1

計(jì)算因素Pk在目標(biāo)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(jì)算結(jié)果,對上總體優(yōu)度值進(jìn)行排序:T3>T2>T1。

根據(jù)計(jì)算有結(jié)論:B3>B2>B1,采用“人機(jī)協(xié)調(diào)”人機(jī)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(jī)共同方案最合理。由機(jī)器設(shè)置和產(chǎn)生不同難度等級(jí)、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(jìn)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(jī)功能分配主要是基于主觀定性分析方法,沒有針對人機(jī)特性的人機(jī)功能分配研究。本文針對這一問題,通過對人機(jī)特性進(jìn)行比較,以充分發(fā)揮人機(jī)優(yōu)勢為目標(biāo),建立了艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)人機(jī)功能分配模型和基于FAHP法的人機(jī)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)。