分析國內(nèi)外功能分配的研究現(xiàn)狀和存在的問題

摘要:功能分配是復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)程中的重要內(nèi)容, 它需要應(yīng)用系統(tǒng)的分析方法, 合理地進(jìn)行人、機(jī)兩者的任務(wù)分配和科學(xué)地設(shè)計兩者的功能結(jié)合。本文分析了國內(nèi)外功能分配的研究現(xiàn)狀和存在的問題。針對復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)的設(shè)計需求, 指出了系統(tǒng)功能分配方法的研究方向。

一、引言

在復(fù)雜智能人機(jī)系統(tǒng)中, 存在兩個智能個體———人與智能機(jī)器。這樣的人機(jī)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的人機(jī)系統(tǒng)無論在組成結(jié)構(gòu), 還是內(nèi)在機(jī)理上都十分不同, 它是一個人機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng), 具有智能性、開放性、復(fù)雜性、突現(xiàn)性等特點。

為了研究這種系統(tǒng), 美國著名學(xué)者Lenat和Feigenbaum提出了人機(jī)智能系統(tǒng)(Man-MachineIntelligentSystem)的概念[ 1] , 與此類似的還有Sheridan提出的人與自動化(Human-Automation)概念 等。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森以及中科院的戴汝為等人提出了人機(jī)綜合集成思想[ 3, 4] 。浙江大學(xué)的路甬祥、陳鷹等提出了人機(jī)一體化理論[ 5, 6] 。龍升照等人提出了人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程理論 , 這些都為研究人機(jī)智能系統(tǒng)提供了大量的理論依據(jù)。

雖然目前還沒有一套統(tǒng)一的嚴(yán)格的研究復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)的理論體系, 但是從上述各種方法可以發(fā)現(xiàn)共同點, 即必須在系統(tǒng)設(shè)計之初到系統(tǒng)實現(xiàn)的整個生命周期過程中考慮人與機(jī)器的關(guān)系, 人機(jī)功能的合理分配是體現(xiàn)復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵。

二、功能分配的概念

早在1951年, Fitts就第一次明確提出功能分配的概念[ 8] 。它是指將系統(tǒng)中的功能或任務(wù)分派給人或者機(jī)器的過程。這種功能分配活動發(fā)生于系統(tǒng)綜合和評價過程中的早期階段, 因此屬于系統(tǒng)工程的研究范疇, 這里的功能分配主要是強調(diào)系統(tǒng)組成成分之間的功能分解。

后來由于機(jī)械、自動化以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 絕大部分系統(tǒng)都屬于人機(jī)系統(tǒng), 這類系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)中的功能分配需要越來越多的考慮到系統(tǒng)中人的因素,所以將它專門作為人因工程的一項重要研究內(nèi)容, 而稱之為人機(jī)功能分配。自從功能分配的概念提出以來, 它在工業(yè)與自動化領(lǐng)域尤其是在核電廠監(jiān)控自動化系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、飛機(jī)座艙, 載人航天器等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

三、功能分配方法的研究現(xiàn)狀

3.1國外的研究情況

功能的分配原則與一定的應(yīng)用背景相結(jié)合,逐漸形成了各種功能分配方法。目前在國際比較有影響力的幾種功能分配方法有:人機(jī)能力比較分配法、Price決策圖法、Sheffield法、自動化分類與等級設(shè)計法、York法等。

3.1.1人機(jī)能力比較分配法

它是最初的功能分配方法, 例如著名的FittsLists分配方法, 也是迄今為止應(yīng)用最為普遍的方法, 在早期的簡單工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用。表1 即為Fitts所列出人機(jī)各自的優(yōu)勢特性, 也稱為MABA-MABA方法。

3.1.2Price決策圖法

Price決策圖法[ 9]對任意一個功能, 從人機(jī)兩方面的特性做出比較, 然后根據(jù)效能、速度、可靠性、技術(shù)可行性等做出評估, 評估結(jié)果為一個復(fù)數(shù)值(人的績效值為實部, 機(jī)器的績效值為虛部)。這個復(fù)數(shù)值落在決策圖的某一區(qū)域, 如圖1所示。

圖1Price決策圖

決策圖由6個區(qū)域組成, 每個區(qū)域?qū)?yīng)于不同的人機(jī)績效和分配方案:①表示將功能分配給機(jī)器;②表示將功能分配給機(jī)器;③表示既可分配給人也可分配給機(jī)器, 存在一個最佳分配點;④將功能分配給人;⑤將功能分配給人;⑥采用其他的方法重新設(shè)計。

Price決策法雖然在FittsLists分配法的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的明確了人機(jī)功能分配的過程, 但是它對于如何計算績效卻沒有明確的描述, 并且客觀上計算人和機(jī)器的績效相當(dāng)困難。

3.1.3Sheffield法

Sheffield法是由英國Sheffield大學(xué)在對海軍的艦艇控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時所開發(fā)的一種功能分配方法。它在分配過程***需要考慮100多項決策準(zhǔn)則, 將其分為8組, 其中不僅考慮了人機(jī)的能力特性, 還從人因工程的角度考慮了人員的作業(yè)設(shè)計、社會性、訓(xùn)練、安全等因素, 另外還包括自動化的精度、費用等。它的主要流程如圖2所示。

圖2Sheffield法流程圖

Sheffield法的優(yōu)點是考慮的因素比較全面,而且包含了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)功能分配過程。它主要是針對一個海軍艦艇控制系統(tǒng)的設(shè)計, 所以同時還考慮了艦艇操作人員之間的功能分配。但它也有明顯的不足, 首先由于考慮的因素太多, 反而使得設(shè)計任務(wù)由于缺乏相關(guān)信息而無法操作;其次由于Sheffield法必須將功能分解到能夠完全分配給人或機(jī)器, 也就是足夠細(xì)的粒度才能實施操作, 但這在一個復(fù)雜系統(tǒng)中往往是不可能的。

3.1.4自動化分類與等級設(shè)計法

該方法由英國科學(xué)家Parasuraman和Sheridan提出[ 11] , 主要應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)如核電站監(jiān)控中。該方法認(rèn)為任何人機(jī)自動化系統(tǒng)的工作過程類似于人類的信息處理, 可分為四個步驟即:獲取、分析、決策、行動。而機(jī)器的自動化程度分為連續(xù)的10個級別如表2所示。

在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)功能分別按上述的四個步驟進(jìn)行分類, 并對屬于每一個分類的功能確定其自動化程度, 然后建立多級評價準(zhǔn)則逐步對分配結(jié)果進(jìn)行修改, 直到最終確定系統(tǒng)應(yīng)該采用的自動化類型和等級。其流程圖如3所示。

圖3自動化分類與等級設(shè)計流程圖

它是由英國York大學(xué)的Dearden等人提出一種基于場景(Scenario)的功能分配方法[ 12] , 最初是為海軍艦艇的設(shè)計而開發(fā)的, 由于取得了比較好的效果, 之后又被成功的用于單座飛機(jī)的功能分配設(shè)計中。York法的基本步驟如圖4所示。

圖4York法流程圖

這種設(shè)計方法將功能運行時的環(huán)境因素也考慮進(jìn)去, 因而是一種較為完善的功能分配方法。但是它沒有考慮系統(tǒng)中人員之間的功能分配。

3.2國內(nèi)的研究情況

國內(nèi)在功能分配的研究還處于起步階段。西工大的張煒等人對作戰(zhàn)無人機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)功能動態(tài)分配進(jìn)行了研究[ 13] , 提出無人機(jī)地面控制系統(tǒng)人機(jī)功能分配的原則和方法, 主要針對遠(yuǎn)程無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng), 在功能分配時所考慮的因素還比較簡單, 并不適合復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計和研究。

周家祥等人對載人航天器的功能分配進(jìn)行了研究[ 14] , 為載人航天器的人機(jī)最優(yōu)功能分配優(yōu)化設(shè)計提供了一定的依據(jù)。但是模型的一些初始輸入數(shù)據(jù)很難獲得, 這對最終分配結(jié)果有著直接的影響。

四、存在的問題

目前在系統(tǒng)功能分配方法及其應(yīng)用上, 主要存在的問題如下[ 15] :

(1)分配方法通用性較差。功能分配應(yīng)用范圍極其廣泛, 在各自的領(lǐng)域由于應(yīng)用的環(huán)境、任務(wù)性質(zhì)以及涉及的技術(shù)都不相同, 分配標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一, 造成各領(lǐng)域的功能分配方法相互之間不能很好的兼容和共用, 大大限制了功能分配在工程上的應(yīng)用。

(2)分配標(biāo)準(zhǔn)單一化, 分配過程較簡單。在實際工程應(yīng)用中功能分配往往是最容易忽視的一個環(huán)節(jié), 即使在設(shè)計之初考慮功能分配, 也只是選取了某一單一的標(biāo)準(zhǔn), 如系統(tǒng)的負(fù)荷, 或者費用等。分配標(biāo)準(zhǔn)的單一化必然也會造成分配過程的簡單化。在這種情況下設(shè)計出來的系統(tǒng)可能會造成整個系統(tǒng)的某一單項指標(biāo)較高, 而其它指標(biāo)卻較低, 因而綜合性能往往達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

(3)功能分配過程和設(shè)計過程結(jié)合不夠緊密, 沒有形成工程化的方法, 并且對環(huán)境因素缺乏足夠的考慮。傳統(tǒng)的功能分配方法將功能分配作為單獨的一個過程來考慮, 與系統(tǒng)工程設(shè)計結(jié)合不夠緊密, 且需要功能分配專家的參與, 而普通的設(shè)計人員要想?yún)⑴c進(jìn)來是比較困難的, 這就造成功能分配和工程設(shè)計的脫節(jié), 提高了設(shè)計成本。另外, 由于對環(huán)境因素缺乏足夠的考慮,當(dāng)系統(tǒng)投入使用后, 系統(tǒng)沒有足夠的動態(tài)調(diào)整能力, 并有可能導(dǎo)致系統(tǒng)***或失敗。

五、復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)功能分配方法研究方向

復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)最主要的特征是人機(jī)之間存在著感知、決策和執(zhí)行這三個層次的信息耦合。它要求在系統(tǒng)運行過程中人、機(jī)功能能夠動態(tài)調(diào)整, 在任務(wù)的不同階段體現(xiàn)不同程度的智能。因此, 應(yīng)用單一的功能分配標(biāo)準(zhǔn)和方法很難滿足復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)的設(shè)計需求。根據(jù)已有的方法, 對復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)功能分配方法提出以下幾點建議:

(1)必須分析系統(tǒng)中人、機(jī)的特性, 以確定功能分配的影響因素。復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)中的“機(jī)”是廣義的概念, 包括一切與系統(tǒng)任務(wù)有關(guān)的機(jī)械、自動化、計算機(jī)等除人以外的各種軟硬件設(shè)施。系統(tǒng)中的人應(yīng)該是指一類群體, 首先他具有一般人的生理限制特性;其次由于訓(xùn)練及學(xué)習(xí), 他具有專業(yè)人員的特性;最后不同的人員之間存在個人差異的特性。所以需要對人的特性進(jìn)行重點分析。在人、機(jī)特性分析的基礎(chǔ)上, 從其中選擇影響功能分配的因素, 即特定的限制條件, 例如對機(jī)器而言有可靠性、費用、性能等, 對人而言有工作負(fù)荷、心理壓力、生理極限、可靠性等。

(2)在進(jìn)行功能分配之前, 首先必須結(jié)合系統(tǒng)任務(wù)場景進(jìn)行功能分析, 它是一切后繼分配活動的基礎(chǔ)。功能分析的目的是確定具體設(shè)計準(zhǔn)則, 它向下拆分系統(tǒng)層次的要求為子系統(tǒng), 以及辨識輸入設(shè)計準(zhǔn)則和/或系統(tǒng)各種單元的約束所需的遞階結(jié)構(gòu)。最終我們能夠確定在每一個任務(wù)場景下功能分配的對象集。顯然不同的任務(wù)場景, 功能分配對象集也不相同。對于一個智能系統(tǒng), 應(yīng)該對每一項功能進(jìn)行分類, 并確定每一類功能可能的智能程度, 它們的組合構(gòu)成了功能分配的基本方案。

(3)功能分配既包含靜態(tài)功能分配, 更重的是要包含動態(tài)的功能分配過程。在靜態(tài)功能分配階段, 缺乏與分配準(zhǔn)則相關(guān)的必要的初始數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)用來評價人或機(jī)器完成該項功能的表現(xiàn)), 而且也無法構(gòu)造任務(wù)的真實環(huán)境。

因此只能采取某些預(yù)先估計的方法, 對特定任務(wù)環(huán)境中每一種分配方案的假設(shè), 做出人和機(jī)器績效以及其它影響因素的預(yù)測, 然后評價哪一個方案最合適, 進(jìn)而描述當(dāng)時的人機(jī)關(guān)系。而在動態(tài)分配階段, 可以借助仿真手段或原型系統(tǒng), 通過人機(jī)績效實驗的方式來評價功能分配方案的優(yōu)劣, 并做出修改和調(diào)整。

六、結(jié)語

功能分配的理論和方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展,在工業(yè)自動化領(lǐng)域取得了卓有成效有效的成果。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 自動化系統(tǒng)逐漸向復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)發(fā)展, 這對系統(tǒng)的設(shè)計和綜合提出了更高的要求, 尤其對系統(tǒng)的功能分配提出新的挑戰(zhàn)。

為此, 系統(tǒng)研究人員必須從系統(tǒng)論的角度運用系統(tǒng)工程的思維、數(shù)學(xué)方法、建模理論對包含人在內(nèi)的整個大系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、分析、建模和優(yōu)化, 對人機(jī)功能實施合理的分配, 充分利用人機(jī)各自的優(yōu)勢, 從而建立真正的復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)。