一种飞行员操作的人因可靠性实验分析方法与流程

本发明提供一种飞行员操作的人因可靠性实验分析方法，尤其是涉及一种基于实验分析的飞行员操作人因可靠性实验分析方法，属于飞行员操作评估技术领域。

背景技术：

随着科学技术的发展，机器的使用越来越普遍，极大地方便了人类的生活。另一方面，人类掌握和利用的能量也越来越多，由于人的失误造成的风险也越来越大。据统计，近年来，高达50％以上的系统失效可以直接或间接归咎于认为差错，尤其是在航空航天、核电等高风险领域。人因可靠性分析是以分析、预测、减少与预防人因差错为研究目标，以行为科学、心理学、统计学、管理科学、信息处理和系统分析诸多科学理论为基础，对人(包括操作人员、维护人员和其他人员)的可靠性进行分析评价，是人因工程的延伸和发展。

正交实验法是利用正交表来安排实验的实验方法，该方法可以实现对实验的整体设计、综合比较、统计分析。由于正交表具有均衡分散性和整齐可比性的特点，可以通过少数的实验次数获得较完整的实验结果，快速找到最佳生产条件的变量组合，在制造业、农业、生物制药等领域有广泛应用。

cream(认知可靠性和误差分析方法)是当今人因可靠性领域运用较多的一种发方法，属于第二代人因可靠性分析方法，其认知模型基础是情景依赖控制模型，强调情境对人类行为的影响，定义了9类共同绩效条件来表征操作人员面对的任务情境，每种绩效条件对不同操作的影响各有不同。本发明所述的方法属于对cream方法的改进，用实验方法得到环境变量与操作可靠性的关系，以适合于飞行员任务情境下的人因可靠性评估。

技术实现要素：

(一)发明目的：

针对目前人因可靠性分析局限于评估和预测，缺乏实验数据支撑的问题，本发明提供了一种用实验方法评价飞行员操作的方法，提高飞行员操作人因可靠性分析的可信性，真实反映影响飞行员操作可靠性的环境和内在因素，为人因可靠性实验提供参考。

(二)技术方案：

本发明一种飞行员操作的人因可靠性实验方法，其步骤包括：

步骤(1)、根据飞行员着陆任务的特点，将着陆任务中的单个操作分解为若干认知活动的序列，根据分解的结果，划分飞行员着陆操作的飞行操作效能条件；

步骤(2)、按照所划分的飞行操作效能条件，设置人因可靠性实验的控制变量；通过专家评分法，将各个控制变量对飞行操作效能条件的影响、以及各个操作中的认知活动组成进行量化，据此设计实验仪器和实验情境；

步骤(3)、通过自陈量表法对影响实验人员操作进行主观因素分析，调查的内容有实验时的身体和精神状况、参与实验的内在动机、操作前后对实验操作的熟练程度；

步骤(4)、通过正交实验方法，按照所需的实验条件进行实验设置，进行人因可靠性实验；

步骤(5)、实验结束后，将实验测量结果和量表数据结合分析，把主观因素对实验结果的影响分离出来，得到一个无主观因素的修正实验结果；

步骤(6)对修正实验结果进行、方差分析，计算每个控制变量的显著度bi。显著度即可描述控制变量与飞行操作人因可靠性的相关关系；

步骤(7)、由上述操作的认知活动组成、操作可靠性与控制变量的相关关系、控制变量对飞行操作效能条件的影响，整理计算得到飞行效能条件对人类认知活动的影响；

步骤(8)、飞行效能条件对人类认知活动的影响确定以后，结合上述相关关系，我们可以得到一套由飞行员操作条件参数计算飞行员操作可靠性的求解方法，在飞行员操作和相关条件给定的情况下，可以计算出飞行员执行该操作的人因可靠度；

通过上述步骤，我们可以得到一系列从飞行员操作环境到对人类认知活动的影响矩阵，计算给定操作条件下的飞行员操作可靠性。该方法通过实验进行分析，使结果更具有可信度，同时减少了人因可靠性实验仿真度不够高带来的结果误差。

其中，在步骤(1)中所述的“认知活动”，包括：观察、判断、决策、反应；在分解单个操作时，一个操作可能由上述一个或多个认知活动构成，操作之间可能有认知活动的重叠和交联；所述的飞行操作效能条件，系从飞行员所处的环境、机载设备的可用性、任务情况的角度进行划分，包括：工作环境、人机交互效率、操作可用时间、操作人员生理状况、操作人员经验、多人合作质量、地面人员支持；

其中，在步骤(2)中所述的“控制变量”，是指人因可靠性实验中的控制变量，应体现飞行员所面临的复杂操作环境，包括进行实验的时段、试验场地的照明、噪声、拥挤程度，实验前如何向被实验者说明操作方法、操作方法的学习时间、参与实验的奖励大小等等。根据实验条件的设置难度和相关关系，对每个控制变量设置3个水平，记为水平1，水平2和水平3。

在步骤(2)中所述的“进行量化”，具体做法如下：

各个控制变量对飞行操作效能条件的影响，通过专家评分法确定。由专家判断每个控制变量水平与每个飞行操作效能条件的相关程度，按(-4)～(+4)的分数进行打分，-4表示强烈的负相关，+4表示强烈的正相关，0表示不相关；参考层次分析法的步骤，对所得的关系矩阵进行归一化处理，归一化矩阵记为矩阵av-c，矩阵的每一列代表一种效能条件，每一行代表一个控制变量；

各个操作中的认知活动组成，通过专家评分法确定；由专家判断操作中认知活动的构成比例，按照认知活动对实际操作的影响，确定各个认知活动在操作中的重要度，每个操作可由认知活动按照一定的比例构成，如下式：

式中，c代表操作，ri代表第i类认知活动，ai则代表第操作中第i类认知活动占的比例。

则各类操作的认知活动组成可以表示为方阵如下：

在步骤(2)中所述的“设计实验仪器和实验情境”，具体做法如下：

根据所设计的控制变量设计实验仪器。实验仪器、实验情境应能体现所设置的控制变量，实验仪器所具有的基本功能包括：自动产生随机的飞行状态，感知实验者的操作，判断操作正误，记录操作正确的时间。实验仪器具有的结构包括：显示屏、操纵杆、油门杆、姿态仪、模拟表盘、以及提供接口和数据处理、数据存储的嵌入式系统。

其中，在步骤(3)中所述的“进行主观因素分析”，具体做法如下：

通过自陈量表法对实验人员的内在因素进行分析，调查的内容包括：实验时的精神状况、参与实验的内在动机、操作前后对实验操作的熟练程度。调查分为实验前调查和实验后调查。实验前调查可包括：实验者的精神状况、参与实验的动机、参与实验的意愿程度，实验后调查可包括：实验者对实验操作的熟练程度、对实验过程的感受。问卷的结果通过一系列量化手段进行处理，可以得到量表结果。

其中，在步骤(4)中所述的“正交试验方法”，具体做法如下：

由于正交试验法具有均匀分散和整齐可比的特点，可以用较少的实验次数获得较完整的实验结果，缩短实验周期，节约实验成本，故采用。根据所设置的控制变量个数和水平数，选取合适的正交表，进行实验。每个控制变量组合至少有10个实验者，每个实验者至少连续做30次实验操作，以反映熟练程度逐渐提升的过程。实验中，应有专人记录实验时发生的各种异常状况，以免异常状况带来的系统误差。

其中，在步骤(5)中所述的“修正实验结果”，是指把实验结果中由实验者的主观原因导致的实验波动分离出来，其具体做法如下：

实验问卷的题目分为四种类型：乐趣享受动机n、挑战动机m、薪酬动机k、外在认知动机l。每一道题的不同选项对应不同的得分，每一类题目的得分计算方法不同，经过计算可以得到4类动机的综合评分。将每一类得分作为自变量，差错率作为应变量，按照以下形式进行最小二乘回归：

y＝k1x1+k2x2+k3x3+k4x4+b

式中，y为每个实验样本的差错率结果，xn为第n类动机的综合评分，kn为第n类动机综合评分的权重，b为剥离了动机因素的真实差错率结果。每个实验样本应有一组(y,x1,x2,x3,x4)，经拟合可以得到(k1,k2,k3,k4,b)的值，这样就可以把主观因素从实验结果中分离出来，得到无主观因素干扰的实验结果。

其中，在步骤(7)中所述的“整理计算”，其具体做法如下：

对矩阵ac-r求逆得到矩阵ar-c，矩阵ar-c的第i行第j列记为aij，第k个变量对第j个操作的显著度记为bjk，矩阵ac-r的第k行第l列记为ckl。

下式：

即为第i类人类认知活动对第l类飞行操作效能条件的影响因子。对所有的i和l取值，可以得到一个描述人类认知活动和飞行操作效能条件的矩阵。这个矩阵联合了上述的所有关系，可以用这个矩阵衡量其他飞行员操作的可靠性水平。

其中，在步骤(8)中所述的“求解方法”，其具体做法如下：

操作c的人因可靠度公式：

通过上式可以求出操作c在m个操作环境变量给定的情况下相应操作的人因可靠度rc。

(三)优点和功效

本发明的有益技术效果在于：

(1)通过实验方法测量操作环境对操作可靠性的影响，并结合飞行操作效能条件与人类认知活动的关系进行分析评价，消除了原有cream方法的主观性，使分析结果更具有可信性。

(2)各类操作效能条件、人类认知活动的划分，以及实验控制变量的选取都参考飞行员操作情境的特点，更加符合飞行员的人因可靠性分析要求，所得的结果更准确可靠。

(3)由于实验方法测量的是操作环境影响操作可靠性的显著程度，其结果仅用于评价人类认知活动受飞行效能条件的影响，具体分析飞行员操作条件下的人因可靠性时，并不单纯依靠此实验结果，避免了实验仿真度不高所带来的实验误差。

附图说明

图1为本发明所述方法技术方案流程示意图。

图2为本发明实验仪器结构示意图。

图3为本发明实验仪器外观设计图。

图中序号、符号、代号说明如下：

图1中，“矩阵ac-r”为各操作的认知活动组成矩阵，“矩阵av-c”为变量水平与飞行操作效能条件相关关系矩阵，“显著度”为步骤(6)方差分析的显著度结果，“pil”为第i类人类认知活动对第l类飞行操作效能条件的影响因子。

具体实施方式

按上述技术方案所述的步骤，本发明所述方法技术方案流程示意图见图1所示，本发明一种飞行员操作的人因可靠性实验方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)、把飞行员单个操作分解为认知活动，据此划分飞行操作效能条件。

具体而言，认知活动包括：观察，判断，决策，反应。以降落过程中目视精密进近轨道指示器进行操纵杆操作为例，飞行员的操作过程如下表1：

表1

实际分析中，还应该对多个其他操作进行认知活动分解，得到不同的认知活动比例。各个操作的认知活动比例可以构成矩阵ac-r。

根据上述认知活动，可以划分飞行操作效能条件如下表2：

表2

步骤(2)、设置人因可靠性的控制变量。

将上述飞行操作效能条件具体为实验的控制变量，各变量及其水平如下表3：

实验的时段、试验场地的照明、噪声、拥挤程度，实验前如何向被实验者说明操作方法、操作方法的学习时间、参与实验的奖励大小等等。

表3

量化各个控制变量对飞行操作效能条件的影响：

用专家评分法得到的归一化矩阵av-c如下：

在矩阵av-c中，每一列代表一种效能条件，每一行代表一个控制变量。

依据上述控制变量，设置实验情境和实验仪器。本发明针对飞行员操作可靠性评估分析，实验情境系模拟飞行员的操作情境。实验时，由实验仪器随机产生飞行在状态参数，提供相应的仪表盘信息，自动检测实验者能否正确做出反应，记录做出正确反应所需的时间。实验仪器的结构应该包括：显示屏、操纵杆、油门杆、姿态仪、模拟表盘、以及提供接口和数据处理、数据存储的嵌入式系统。实验仪器的结构见图2，外观见图3。

步骤(3)用自陈量表法评估实验者的内在因素对实验结果的影响。调查的内容包括：实验时的精神状况、参与实验的内在动机、操作前后对实验操作的熟练程度。调查分为实验前调查和实验后调查。采取工作偏好量表进行调查，所设计的问卷问题和选项对应分数如下表4：

表4

在上述30个问题中，各动机类型的题序和动机水平计算方法如下表5，其中，带“*”号的题目为反向陈述题，应反向计分：

表5

通过上述问卷和动机水平算法，可以得到每个试验样本的各个动机类型的综合评分，该评分应在区间[0,1]内。

步骤(4)进行正交实验。

本实验为三水平七因素的正交实验，应使用正交表l27(3¹³)进行实验。实验表如下表6：

表6

按照控制变量的选取和上述正交试验表，可以进行实验。

步骤(5)、修正正交实验结果，把实验结果中由实验者的主观原因导致的实验波动分离出来。

由量表和计分表可以得到四个动机类型的综合评分。将每一类得分作为自变量，差错率作为应变量，按照以下形式进行最小二乘回归：

y＝k1x1+k2x2+k3x3+k4x4+m

式中，y为每个实验样本的差错率实验结果，xn为第n类动机的综合评分，kn为第n类动机综合评分的权重，m为剥离了动机因素的真实差错率结果。每个实验样本应有一组(x1、x2、x3、x4)，所有试验样本的这一组数值可以拟合得到(k1、k2、k3、k4)的值，代回上式可以求出每个样本的m值，m值就是分离了主观因素的实验结果。

步骤(6)、方差分析。对修正实验结果进行方差分析，计算每个控制变量的显著度bi。显著度即可描述控制变量与飞行操作人因可靠性的相关关系。

步骤(7)、整理操作的认知活动组成、控制变量对飞行操作效能条件影响、变量显著度关系，得到效能条件对认知活动的影响矩阵。

对矩阵ac-r求逆得到矩阵ar-c，矩阵ar-c的第i行第j列记为aij，第k个变量对第j个操作的显著度记为bjk，矩阵ac-r的第k行第l列记为ckl。

下式：

即为第i类人类认知活动对第l类飞行操作效能条件的影响因子。对所有的i和l取值，可以得到一个描述人类认知活动和飞行操作效能条件的矩阵。这个矩阵联合了上述的所有关系，可以用这个矩阵衡量同类的其他飞行员操作的可靠性水平。

步骤(8)、给定操作条件下的飞行员操作可靠性求解方法，由下列人因可靠度公式给出：

通过上式可以求出操作c在m个操作环境变量给定的情况下相应操作的人因可靠度rc。