中国指挥与控制学会会刊 
舰艇模拟训练系统的功能是建立作战系统主要战位仿真训练环境,使受训人员能够进行装备操作使用及指挥决策训练,满足多层次培训、训练、教学需求。因此,如何在人机之间进行合理的功能分配,是系统设计中必须解决的问题,模拟训练系统的智能化过低会增加受训人员额外负担,影响训练效果;而智能化过高又会使受训人员对机器过分依赖,起不到训练的意义,而且系统开发的代价过大。
针对舰艇模拟训练系统建立人机功能分配模型的目的,就是对功能实现涉及的任务操控进行人机最佳分配。人机功能分配是研究和开发工作中重要而又复杂的一个环节,信息化舰艇模拟训练系统的组成极其复杂。以往人机功能分配主要采用基于经验的主观定性分析的方法,尚无一个系统的、可普遍采用的决策方法。本文建立FAHP人机功能优选模型,对于主观定性分析难以获得分配结果的一些人机功能分配,采用量化评估的方法优选。
1 人机特性比较
国内外装备人机工程研究与应用大体上经历了人适应机、机适应人、人机相互适应等几个阶段,目前正致力于实现人机系统相互整合的目标[1]。
按照人机特性比较,人机适合承担执行的任务分别如下:
1)适合人执行的任务
适合人承担的任务包括:简单选择、输入、判断、确认的操作;速度、精度要求不是很高的操作;变化频繁、决策性的操作;各种信息之间判断且信息变化频繁度高的操作;从图像图形上决策的操作;三维空间非线性模糊性的操作;对突发事件而需要主观判断的操作;需要对未来的不可预期状态做处理的操作。
2)适合机执行的任务
适合机器承担的任务包括:单调重复和高阶运算的操作,大量信息存储检查、数据和资料整理的操作;高可靠性、高精度和程序固定的操作;高级运算、需要快速性的操作;控制精度要求严格的操作;长时间连续运行的操作;大负荷、特殊环境的操作;人容易犯错误的操作等。
表1 人机特性的比较 |
| 内容 | 人的特性 | 机的特性 | |
|---|---|---|---|
| 监控能力 | 1 | 擅长于图形识别 | 特定图形才能识别 |
| 2 | 视觉、听觉可直接反映到中枢,快而准,监控简便,不便于量的输出 | 感受机械位置、信息状态量敏感,有一定过程反应,善于量的输出 | |
| 3 | 主动监控,动力与效应运动合为一体 | 程序监控,外加动力源才能发挥作用 | |
| 4 | 倾向性,敏感度等随时间变化,受环境、情感影响大 | 固定性良好、稳定 | |
| 5 | 随机处理能力强 | 无随机处理能力 | |
| 操作能力 | 1 | 可进行各种控制,能极巧妙地进行各种操作,可能出现错误操作 | 只能进行特定工作(控制),灵活性差,错误动作少 |
| 2 | 精密重复操作持续时间短、精确性差、易出错、可靠性低 | 能连续进行精密重复和按程序的常规操作、精确性高、出错少、可靠性高 | |
| 3 | 计算速度慢,易出错,但能巧妙地修正错误 | 计算速度快,正确,修正错误较为困难 | |
| 4 | 反应时间为毫秒级,一般只能单通道操作 | 反应时间为微秒级以下,能进行多通道并行操作 | |
| 5 | 输出功率小,时间短,随机应变能力强 | 输出功率恒定持久(无论大小),无随机应变能力 | |
| 判断 能力 | 1 | 有创造性功能,预测能力强 | 无创造性功能,预测能力弱 |
| 2 | 能灵活用经验,能从待定的事物中推出一般的结论 | 有特定专家系统,只能理解特定的事物 | |
| 3 | 擅长于归纳,容易改变其推理程序 | 擅长于演绎而不易改变其演绎程序 | |
| 4 | 记忆容量小,存在错觉、怪癖,擅长于原则和策略记忆 | 记忆存量大,存取速度快,记录复现和长期存储能力强 | |
| 适应能力 | 1 | 易疲劳 | 耐疲劳 |
| 2 | 条件改变适应能力强,不能在恶劣环境下工作 | 条件改变适应能力弱,能在恶劣环境条件下工作 | |
2 人机功能分配模型
2.1 人机功能分配模型
进行舰艇模拟训练系统人机功能分配,必须充分了解训练任务的需求与性质,对需要系统完成的训练功能进行详细的分析,细化完成训练功能的操作任务链(子功能集),根据人、机承担任务特点(性)逐一确定操作任务链中哪些子任务由机器承担、哪些子任务由人承担、哪些子任务由人机协同承担、哪些子任务的承担对象不确定;再针对难以确定承担对象的任务采用模糊层次分析法进行人机功能优选分配。人机功能分配流程如图1 所示。
2.2 评估指标
针对模拟训练系统这一特殊的设备,对于难以进行人机功能分配的任务操作选取精(准)确性、可靠性和快速性三项评估指标进行综合评估优选。
1)精(准)确性
用操作对象完成任务操作的精(准)确程度来评价。任务操作越准确,越能够完成任务。只有操作准确,才能完成赋予的作战任务。不同性质的任务操作,不同的操作对象进行任务操作的精(准)确程度是不同的。
2)可靠性
用操作对象完成任务操作的可靠性程度来评价。操作对象与任务操作适配度越好,完成任务操作可靠性越高;反之,完成任务操作可靠性越低。不同性质的任务操作,不同的操作对象完成任务操作的可靠性是不同的。
3)快速性
用操作对象完成任务操作的快捷程度来评价。操作时间越短,完成任务操作越快;反之,完成任务操作越慢。不同性质的任务操作,不同的操作对象完成任务操作的速度是不同的。
2.3 FAHP人机功能优选模型
1)建立多层次的梯阶结构模型
根据研究对象和选取的评价指标,构建多层次的梯阶结构模型。
2)构造模糊互补矩阵R
① 根据第一行中的每一元素作为后续各行元素的判断准则,分别后续各行元素进行两两比较,进行标度定量化,建立模糊互补矩阵。
② 互补矩阵R
元素A同下一行中的元素Bi(i=1,2,…,n)有联系,则模糊互补矩阵可表示如表2 所示。
表2 互补矩阵R |
| A | B1 | B2 | … | Bn |
|---|---|---|---|---|
| B1 | b11 | b12 | … | b1n |
| B2 | b21 | b22 … | b2n | |
| … | ||||
| Bn | bn1 | bn2 | … | bnn |
③ 表中,bij表示元素Bi与元素Bj的相对上一行元素A进行比较时,元素Bi与元素Bj具有模糊关系的模系“重要程度”的隶属度。采用数字0.1~0.9进行标度,其含义见表3 。
表3 数字标度各值的含义 |
| 标度bij | 定义 |
|---|---|
| 0.5 | i元素与j元素同样重要 |
| 0.6 | i元素比j元素略重要 |
| 0.7 | i元素比j元素较重要 |
| 0.8 | i元素比j元素非常重要 |
| 0.9 | i元素比j元素绝对重要 |
| 0.1,0.2,0.3,0.4 | 元素Bi与元素Bj判断得到bij,则元素Bi与元素Bj判断为1-bij |
3)一致性检验
对获得模糊互补矩阵R进行一致性检验并转化为模糊一致判断矩阵,其方法步骤如下:
步骤1:比较判断b11,b12,…,b1n,按照相对程度量化:0.1~0.9;
步骤2:检查各行对应元素差
若成立:
b11-bi1=b12-bi2=…=b1n-bin, i=2,3,…,n
否则,调整bij,满足上式要求。
用R的第一行元素减去第二行对应元素,若所得的n个差数为常数,则不需要调整第二行元素。否则,要对第二行元素进行调整,直到第一行元素减第二行对应元素之差是常数为止。
步骤3:进行一致性检验
将公式(1)调整后R模糊互补矩阵,求最大特征根λmax,若成立:
λmax=n
通过一致性检查。
4)计算单一准则下方案的优度值
= - + bik i=1,2,…,n k=1,2,…,n
式中,α≥ 的参数。
5)求最优方案
设各方案优度值Ti= uk ,则:
Ti= uk
按Ti对各方案进行总优度排序,若T1≥T2≥…≥Tn,则方案从优到劣的次序为:B1≥B2≥…≥Bn。
3 人机功能分配实例
进行登陆指挥引导模拟训练功能人机功能分配。
1)建立多层次的梯阶结构模型
选取精确性、可靠性、快速性三项评价指标,构建多层次的梯阶结构模型如图所示。
2)构造模糊互补矩阵R
① 根据表3 数字标度含义,分别以基准Pk为前提,对元素Bi和元素Bj进行比较,可得到互补矩阵R1~R3如下:
R1= ,R2= ,R3=
② 互补矩阵R
对准则层的各项指标Pk之间进行比较,则模糊互补矩阵R:
R= 。
3)进行一致性检查
λmax=3具有一致性。
4)单一准则下方案优度值
按照公式(3)计算Bi在目标准则Pk条件下的优度值Pk,这里n=3,α=1
=- + (0.5+0.4+0.8)=0.4,
=- + (0.6+0.5+0.9)=0.5,
=- + (0.2+0.1+0.5)=0.1;
=- + (0.5+0.6+0.4)=0.33,
=- + (0.4+0.5+0.3)=0.23,
=- + (0.6+0.7+0.5)=0.43;
=- + (0.5+0.4+0.3)=0.23,
=- + (0.6+0.5+0.4)=0.33,
=- + (0.9+0.6+0.5)=0.5。
根据上面计算,得到: =(0.4 0.5 0.1), =(0.33 0.23 0.43), =(0.23 0.33 0.5)。
计算因素Pk在目标层Q下的优度值uk:
u1=- + (0.5+0.6+0.4)=0.33,
u2=- + (0.6+0.5+0.3)=0.3,
u3=- + (0.6+0.7+0.5)=0.46,
则:uk=(0.33 0.3 0.46)。
5)求最优方案
T1= uk =0.33×0.4+0.3×0.5+0.46×0.1=0.328
T2= uk =0.33×0.33+0.3×0.23+0.46×0.43=0.3757
T3= uk =0.33×0.23+0.3×0.33+0.46×0.5=0.3899。
根据计算结果,对上总体优度值进行排序:T3>T2>T1。
根据计算有结论:B3>B2>B1,采用“人机协调”人机功能分配方案。
6)优化方案合理性分析
态势生成功能采用人机共同方案最合理。由机器设置和产生不同难度等级、具有对抗背景的不同训练模式下的虚拟训练态势。可对训练态势进行人工调整。
4 结束语
目前舰艇模拟训练系统人机功能分配主要是基于主观定性分析方法,没有针对人机特性的人机功能分配研究。本文针对这一问题,通过对人机特性进行比较,以充分发挥人机优势为目标,建立了舰艇模拟训练系统人机功能分配模型和基于FAHP法的人机功能方案优选模型,解决了部分作战功能难以有效分配的难题,为今后训练水平的提升打下了基础。