民用飞机驾驶舱人机交互机理与评价方法研究

发布时间：2017-08-29 05:08

  本文关键词：民用飞机驾驶舱人机交互机理与评价方法研究

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【摘要】：人为差错是威胁航空安全最主要的因素。统计表明超过70%的飞行事故都是由于人为差错造成的,而其中又有超过了一半以上是因为飞行机组的差错所引起。因此,提高航空安全最直接、最有效的方法就是减少飞行机组出现差错的可能性。在整个飞行过程中,飞行机组基本都是在飞机驾驶舱中完成对飞机的操作。所以,为了减少飞行机组的差错,应该从飞行员与飞机及飞机自动化系统之间的人机交互行为出发进行研究。本论文针对民用飞机驾驶舱中人机交互机理和交互行为进行研究,提出两种人机交互评价方法:飞行任务复杂度方法和人机交互动量方法,具体研究内容如下:首先,本论文构建了民用驾驶舱人机交互数据采集系统。该系统由心理生理参数测量子系统、行为监视子系统以及飞行数据采集子系统三个部分组成。人机交互数据采集系统能够有效的对驾驶舱内飞行员与飞机及飞机自动化系统之间的交互行为进行监视,并采集相应的实验数据供后续处理。其次,本论文利用驾驶舱人机交互数据采集系统对一个基础驾驶舱人机交互实验:告警状态下的飞行员响应,从研究目的、研究方法和实验结果3个方面,对驾驶舱人机交互实验方法进行说明。该实验使用人机交互数据采集系统进行数据采集,并使用数理统计方法进行数据分析。实验的结果不仅揭示了飞行经验和飞行职责对飞行员在告警状态下响应的影响,也证明了人机交互数据采集系统和人机交互实验方法的可用性。驾驶舱告警状态下的飞行员响应实验研究是驾驶舱人机交互实验方法研究的一个实例。该实验方法在后续的研究中将用于数据采集和数据分析。由于驾驶舱中的人机交互行为都是基于任务发生的,所以对任务本身,特别是任务复杂度进行分析能够从理论的角度理解人机交互行为。同时,为了对标准操作程序中预期的人机交互行为进行定量化的评价,本论文建立了飞行任务复杂度tcif(taskcomplexityinflight)方法。飞行任务复杂度tcif方法中包含了四个子复杂度:任务动作逻辑复杂度、任务动作大小复杂度、信息控制交互复杂度以及控制模式复杂度。这四个子复杂度都是与人机交互行为紧密相关的,特别是信息控制交互复杂度和控制模式复杂度。其中,信息控制交互复杂度包含两个方面的内容:信息控制交互的过程和此过程中信息资源通道占用对任务复杂度的影响。为了验证飞行任务复杂度tcif方法的有效性和可用性,选取10名飞行员在11个飞行任务中进行实验。在实验过程中,测量他们心率差值并要求他们填写主观工作负荷bedford量表值。实验结果表明,飞行任务复杂度tcif方法与心率差值以及bedford量表值都有较好的相关性。最后,本论文提出了人机交互动量hmim(humanmachineinteractivemomentum)方法。该方法从人机交互机理的角度对飞行员、飞机及飞机自动化之间的交互行为进行分解、特征描述以及相关因素分析,定量的描述了飞行员与飞机及飞机自动化系统之间的信息流和控制流的交互。为了验证人机交互动量hmim方法的有效性,首先讨论在一种典型飞机机型下的人工手动进近着陆任务中,人机交互动量hmim方法的特征以及其与飞行绩效和主观工作负荷nasa-tlx方法的关系。其次,利用飞行任务复杂度tcif方法的研究结果,讨论了在11个飞行任务中,人机交互动量hmim方法与飞行任务复杂度tcif方法、心率差值和主观工作负荷bedford量表值之间的关系。研究结果表明,人机交互动量hmim方法能够有效的对驾驶舱人机交互行为进行描述。上述研究工作的开展,对研究民用飞机驾驶舱中人机交互的机理和评价方法提供了重要的实验依据和理论基础。
【关键词】：人机交互 飞行任务复杂度 人机交互动量 工作负荷
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V223.1
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 航空安全15-19
• 1.1.1 民用航空发展现状15-16
• 1.1.2 航空事故16-17
• 1.1.3 导致航空事故的原因17-19
• 1.2 人为差错19-22
• 1.2.1 人为差错的不同形式19-20
• 1.2.2 飞行机组的人为差错20-22
• 1.3 驾驶舱人机交互22-28
• 1.3.1 驾驶舱人机交互与人为差错22-23
• 1.3.2 人机交互研究现状23-28
• 1.4 论文的主要研究思路和内容28-31
• 1.4.1 研究思路28-29
• 1.4.2 研究内容29-31
• 第二章 民用飞机驾驶舱人机交互现有研究方法31-50
• 2.1 时间线分析方法31-34
• 2.1.1 时间线分析方法的作用31
• 2.1.2 时间线分析方法的描述31-34
• 2.2 任务分析及任务复杂度分析方法34-40
• 2.2.1 任务分析34-36
• 2.2.2 任务复杂度分析36-40
• 2.3 工作负荷分析方法40-49
• 2.3.1 工作负荷定义40-41
• 2.3.2 工作负荷测量的意义41-42
• 2.3.3 工作负荷测量方法的要求42-43
• 2.3.4 典型的工作负荷测量方法43-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第三章 民用飞机驾驶舱人机交互数据采集系统设计50-56
• 3.1 人机交互数据采集系统的总体要求50-51
• 3.1.1 数据的完备性50
• 3.1.2 系统的稳定性50-51
• 3.1.3 系统的可复制性51
• 3.2 人机交互数据采集系统构成51-55
• 3.2.1 心理生理参数测量子系统51-53
• 3.2.2 行为监视子系统53-54
• 3.2.3 飞行数据采集子系统54
• 3.2.4 子系统集成54-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 民用飞机驾驶舱人机交互实验方法研究56-71
• 4.1 研究目的56-59
• 4.2 研究方法59-63
• 4.2.1 被试59
• 4.2.2 实验设备59-62
• 4.2.3 实验流程62-63
• 4.3 实验结果63-66
• 4.4 讨论66-69
• 4.5 本章小结69-71
• 第五章 飞行任务复杂度测量方法研究71-94
• 5.1 研究目的71-73
• 5.2 方法73-88
• 5.2.1 熵值计算复杂度方法73-76
• 5.2.2 飞行任务复杂度TCIF方法76-78
• 5.2.3 飞行任务复杂度TCIF方法计算示例78-87
• 5.2.4 验证方法87
• 5.2.5 被试87-88
• 5.3 结果88-91
• 5.3.1 飞行任务复杂度TCIF88
• 5.3.2 飞行任务复杂度TCIF与Bedford量表值以及心率差值88-91
• 5.4 讨论91-93
• 5.5 本章小结93-94
• 第六章 人机交互动量：一种描述驾驶舱人机信息流控制流交互过程的方法研究94-119
• 6.1 研究目的94-96
• 6.2 人机交互动量定义96-100
• 6.2.1 人机交互动量定义96-97
• 6.2.2 信息量的确定97-99
• 6.2.3 控制量的确定99-100
• 6.3 实验一100-111
• 6.3.1 实验设备100-104
• 6.3.2 参试人员104
• 6.3.3 实验流程104-105
• 6.3.4 实验结果105-111
• 6.4 实验二111-115
• 6.4.1 方法112
• 6.4.2 实验结果112-115
• 6.5 讨论115-118
• 6.6 本章小结118-119
• 第七章 总结与展望119-122
• 7.1 研究总结119-120
• 7.1.1 飞行过程中任务复杂度测量方法研究119-120
• 7.1.2 人机交互动量：一种描述驾驶舱人机信息流控制流交互过程的方法研究120
• 7.2 研究展望120-122
• 参考文献122-131
• 附录1 桌面式眼动仪SmartEye技术指标131-132
• 附录2 头戴式眼动仪Tobbi Glasses技术指标132-135
• 附录3 生理参数采集设备BioHarness技术指标135-136
• 致谢136-138
• 攻读博士学位期间主要研究成果138-140

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