驾驶舱中飞行员动态视觉特性及操纵特性建模与仿真

发布时间：2017-08-14 12:12

  本文关键词：驾驶舱中飞行员动态视觉特性及操纵特性建模与仿真

  更多相关文章： 飞行员认知与操纵特性 飞行员仿真 任务难度 动态视觉特性 视觉绩效指数 Fitts定律 ACT-R

【摘要】：航空安全是航空工业发展的重中之重。人机工效是改善和提高航空安全的重要途径之一,飞行员认知与操纵特性是飞机驾驶舱人机工效设计和评估的基础,是“以人为中心”的驾驶舱设计的基本依据。掌握飞行员的认知和操纵规律能够提高驾驶舱人机工效的设计水平,减少由飞行员失误引起的航空事故,提高航空安全。本文首先分析了飞行员认知与操纵特性的研究进展,在此基础上确定本文的研究重点为飞行员动态视觉特性和操纵特性。根据研究目的设计并开展了不同于传统飞行仿真平台上的进近着陆滑行阶段的飞行员实验。实验选择20名不同飞行经验的航线飞行员在东方飞行培训中心的飞行模拟器上进行了3个不同能见度,2条不同难度滑行路线等6个场景的实验,采集了飞行员主观问卷数据、视频数据、眼动数据等；建立了实验数据的分析方法；对不同场景下、不同经验飞行员的注视模式进行了分析。为论文后续的飞行员特性研究和建模仿真提供数据支撑和验证依据。针对飞行员动态视觉特性,本文基于信息论,以任务难度与飞行员的注视频率为变量建立了视觉绩效指数模型,能够表征飞行员在执行任务过程中所需识别和编码的信息量。通过飞行员地面滑行实验数据验证了飞行员视觉绩效指数模型的正确性。本模型综合考虑任务客观情况以及飞行员注视频率,能够定量的表征飞行员的注视行为,与视觉熵结合可以完整表征动态视觉过程。以飞行员的个人能力与任务客观特性为变量建立任务难度模型,模型综合考虑飞行员的知识背景和经验水平等个人能力,以及影响任务的外界环境和任务本身的复杂度等任务的客观特性,能够定量评价和预测不同飞行员完成不同滑行任务时的任务难度。针对飞行员操纵特性,本文基于驾驶舱环境下飞行员操纵特性实验,分析了操纵目标特征对飞行员操纵特性的影响,建立了能够表征飞行员操纵特性的Fitts定律,提出了驾驶舱人机界面设计中关键操纵设备设计与布置的建议；根据飞行员定位运动实际触点的分布规律,建立了无故障宽度的计算模型,提出了理论上操作失误率为零的按钮设计宽度,揭示了操纵失误产生的根本原因；以信息加工阶段论为基础建立了飞行员信息处理时间预测模型,结合飞行员的认知和操纵特点,提出了飞行员的视觉搜索策略和目标编码定位策略,利用该模型可预测飞行员对驾驶舱显示信息的处理时间和信息识别编码过程。针对飞行员认知与操纵特性建模与验证,本文基于人的认知特性规律,提出了建立飞行员仿真模型的方法,以ACT-R模型架构为基础,建立了基于任务的飞行员仿真模型架构；将飞行员的任务背景知识、动态视觉特性以及操纵规律完整的表征在飞行员仿真模型的陈述性知识模块、感知与作动模块、产生式系统中,完成了基于任务的飞行员认知与操纵特性建模；提出了分场景分群体分层次的飞行员仿真模型验证方法,结合地面滑行实验数据验证了仿真模型的正确性。利用飞行员仿真模型对韩亚空难进行了多可能事件的仿真,仿真结果与韩亚航空公司的事故分析结论一致,进一步表明了飞行员仿真模型的正确性和有效性。
【关键词】：飞行员认知与操纵特性 飞行员仿真 任务难度 动态视觉特性 视觉绩效指数 Fitts定律 ACT-R
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V323;V328
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-31
• 1.1 研究背景及意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-27
• 1.2.1 认知特性及建模研究15-19
• 1.2.2 操纵特性研究19-23
• 1.2.3 飞行员认知与操纵特性建模研究23-27
• 1.3 研究内容27-29
• 1.3.1 飞行员动态视觉特性28-29
• 1.3.2 驾驶舱环境下飞行员的操纵特性29
• 1.3.3 基于任务的飞行员认知与操纵特性建模及仿真29
• 1.4 章节安排29-31
• 2 飞行员进近着陆滑行实验31-51
• 2.1 实验目的31-32
• 2.2 实验方案32-38
• 2.2.1 被试32
• 2.2.2 实验场景设置32-37
• 2.2.3 实验要求37
• 2.2.4 实验流程37-38
• 2.3 实验数据38-39
• 2.4 实验数据处理方法39-43
• 2.4.1 实验宏观数据分析39-40
• 2.4.2 眼动数据分析方法40-43
• 2.5 数据初步分析43-48
• 2.6 本章小结48-51
• 3 飞行员动态视觉特性研究51-71
• 3.1 表征视觉特性的基本眼动指标及定义51-56
• 3.1.1 注视(Fixation)51-53
• 3.1.2 扫视(Saccade)53-54
• 3.1.3 眨眼(Blink)54
• 3.1.4 视觉熵(Visual Entropy)54-56
• 3.2 动态视觉特性56-60
• 3.2.1 影响动态视觉特性的主要因素分析56-58
• 3.2.2 动态视觉特性建模58-60
• 3.3 任务难度建模60-65
• 3.3.1 任务难度模型60-61
• 3.3.2 飞行员执行滑行任务的主观难度61-62
• 3.3.3 飞行员执行滑行任务的客观难度62
• 3.3.4 飞行员执行滑行任务的难度62-65
• 3.4 不同任务难度下的飞行员动态视觉特性65-68
• 3.5 本章小结68-71
• 4 驾驶舱中飞行员操纵特性研究71-95
• 4.1 Fitts定律71-72
• 4.2 目标特性对飞行员定位运动的影响72-86
• 4.2.1 实验设计72-74
• 4.2.2 实验数据处理74-80
• 4.2.3 目标大小对定位运动特性的影响80-82
• 4.2.4 目标形状对定位运动特性的影响82
• 4.2.5 目标方位对定位运动特性的影响82-85
• 4.2.6 无故障宽度85-86
• 4.3 按钮密度对飞行员定位运动的影响86-92
• 4.3.1 实验设计87-88
• 4.3.2 实验结果与分析88-89
• 4.3.3 飞行员信息处理时间预测模型89-92
• 4.4 本章小结92-95
• 5 基于任务的飞行员仿真模型及验证95-121
• 5.1 飞行员认知和操纵特性建模95-107
• 5.1.1 ACT-R认知建模工具96-97
• 5.1.2 飞行员的任务背景知识97-102
• 5.1.3 基于任务的飞行员认知和操纵特性建模与仿真102-107
• 5.2 飞行员仿真模型的验证107-117
• 5.2.1 重度风切变应急场景飞行员仿真模型的验证108-112
• 5.2.2 正常场景下的飞行员仿真模型的验证112-117
• 5.3 基于任务的飞行员仿真117-119
• 5.4 本章小结119-121
• 6 总结121-128
• 6.1 本文的主要工作121-124
• 6.2 创新点124-126
• 6.3 展望126-128
• 参考文献128-138
• 致谢138-140
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况140-142
• 1) 发表论文情况140-141
• 2) 专著专利情况141
• 3) 参加科研情况141-142

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本文编号：672602