分析國內外功能分配的研究現狀和存在的問題

摘要:功能分配是復雜人機智能系統設計進程中的重要內容, 它需要應用系統的分析方法, 合理地進行人、機兩者的任務分配和科學地設計兩者的功能結合。本文分析了國內外功能分配的研究現狀和存在的問題。針對復雜人機智能系統的設計需求, 指出了系統功能分配方法的研究方向。

一、引言

在復雜智能人機系統中, 存在兩個智能個體———人與智能機器。這樣的人機系統與傳統的人機系統無論在組成結構, 還是內在機理上都十分不同, 它是一個人機結合的智能系統, 具有智能性、開放性、復雜性、突現性等特點。

為了研究這種系統, 美國著名學者Lenat和Feigenbaum提出了人機智能系統(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。我國著名科學家錢學森以及中科院的戴汝為等人提出了人機綜合集成思想[ 3, 4] 。浙江大學的路甬祥、陳鷹等提出了人機一體化理論[ 5, 6] 。龍升照等人提出了人-機-環境系統工程理論 , 這些都為研究人機智能系統提供了大量的理論依據。

雖然目前還沒有一套統一的嚴格的研究復雜人機智能系統的理論體系, 但是從上述各種方法可以發現共同點, 即必須在系統設計之初到系統實現的整個生命周期過程中考慮人與機器的關系, 人機功能的合理分配是體現復雜人機系統智能化的關鍵。

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] 。它是指將系統中的功能或任務分派給人或者機器的過程。這種功能分配活動發生于系統綜合和評價過程中的早期階段, 因此屬于系統工程的研究范疇, 這里的功能分配主要是強調系統組成成分之間的功能分解。

后來由于機械、自動化以及計算機技術的發展, 絕大部分系統都屬于人機系統, 這類系統設計任務中的功能分配需要越來越多的考慮到系統中人的因素,所以將它專門作為人因工程的一項重要研究內容, 而稱之為人機功能分配。自從功能分配的概念提出以來, 它在工業與自動化領域尤其是在核電廠監控自動化系統、空中交通管制系統、飛機座艙, 載人航天器等復雜系統的設計中得到了廣泛的應用。

三、功能分配方法的研究現狀

3.1國外的研究情況

功能的分配原則與一定的應用背景相結合,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:人機能力比較分配法、Price決策圖法、Sheffield法、自動化分類與等級設計法、York法等。

3.1.1人機能力比較分配法

它是最初的功能分配方法, 例如著名的FittsLists分配方法, 也是迄今為止應用最為普遍的方法, 在早期的簡單工業自動化監控系統中得到大量的應用。表1 即為Fitts所列出人機各自的優勢特性, 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, 從人機兩方面的特性做出比較, 然后根據效能、速度、可靠性、技術可行性等做出評估, 評估結果為一個復數值(人的績效值為實部, 機器的績效值為虛部)。這個復數值落在決策圖的某一區域, 如圖1所示。

圖1Price決策圖

決策圖由6個區域組成, 每個區域對應于不同的人機績效和分配方案:①表示將功能分配給機器;②表示將功能分配給機器;③表示既可分配給人也可分配給機器, 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計。

Price決策法雖然在FittsLists分配法的基礎上更進一步的明確了人機功能分配的過程, 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器的績效相當困難。

3.1.3Sheffield法

Sheffield法是由英國Sheffield大學在對海軍的艦艇控制系統進行設計時所開發的一種功能分配方法。它在分配過程***需要考慮100多項決策準則, 將其分為8組, 其中不僅考慮了人機的能力特性, 還從人因工程的角度考慮了人員的作業設計、社會性、訓練、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法的優點是考慮的因素比較全面,而且包含了系統的靜態和動態功能分配過程。它主要是針對一個海軍艦艇控制系統的設計, 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, 反而使得設計任務由于缺乏相關信息而無法操作;其次由于Sheffield法必須將功能分解到能夠完全分配給人或機器, 也就是足夠細的粒度才能實施操作, 但這在一個復雜系統中往往是不可能的。

3.1.4自動化分類與等級設計法

該方法由英國科學家Parasuraman和Sheridan提出[ 11] , 主要應用于工業自動化系統如核電站監控中。該方法認為任何人機自動化系統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。而機器的自動化程度分為連續的10個級別如表2所示。

在此基礎上對系統功能分別按上述的四個步驟進行分類, 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則逐步對分配結果進行修改, 直到最終確定系統應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計流程圖

它是由英國York大學的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計而開發的, 由于取得了比較好的效果, 之后又被成功的用于單座飛機的功能分配設計中。York法的基本步驟如圖4所示。

圖4York法流程圖

這種設計方法將功能運行時的環境因素也考慮進去, 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中人員之間的功能分配。

3.2國內的研究情況

國內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無人機系統的人機功能動態分配進行了研究[ 13] , 提出無人機地面控制系統人機功能分配的原則和方法, 主要針對遠程無人機監控系統, 在功能分配時所考慮的因素還比較簡單, 并不適合復雜系統的設計和研究。

周家祥等人對載人航天器的功能分配進行了研究[ 14] , 為載人航天器的人機最優功能分配優化設計提供了一定的依據。但是模型的一些初始輸入數據很難獲得, 這對最終分配結果有著直接的影響。

四、存在的問題

目前在系統功能分配方法及其應用上, 主要存在的問題如下[ 15] :

(1)分配方法通用性較差。功能分配應用范圍極其廣泛, 在各自的領域由于應用的環境、任務性質以及涉及的技術都不相同, 分配標準也不統一, 造成各領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用。

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

(3)功能分配過程和設計過程結合不夠緊密, 沒有形成工程化的方法, 并且對環境因素缺乏足夠的考慮。傳統的功能分配方法將功能分配作為單獨的一個過程來考慮, 與系統工程設計結合不夠緊密, 且需要功能分配專家的參與, 而普通的設計人員要想參與進來是比較困難的, 這就造成功能分配和工程設計的脫節, 提高了設計成本。另外, 由于對環境因素缺乏足夠的考慮,當系統投入使用后, 系統沒有足夠的動態調整能力, 并有可能導致系統***或失敗。

五、復雜人機智能系統功能分配方法研究方向

復雜人機智能系統最主要的特征是人機之間存在著感知、決策和執行這三個層次的信息耦合。它要求在系統運行過程中人、機功能能夠動態調整, 在任務的不同階段體現不同程度的智能。因此, 應用單一的功能分配標準和方法很難滿足復雜人機智能系統的設計需求。根據已有的方法, 對復雜人機智能系統功能分配方法提出以下幾點建議:

(1)必須分析系統中人、機的特性, 以確定功能分配的影響因素。復雜人機智能系統中的“機”是廣義的概念, 包括一切與系統任務有關的機械、自動化、計算機等除人以外的各種軟硬件設施。系統中的人應該是指一類群體, 首先他具有一般人的生理限制特性;其次由于訓練及學習, 他具有專業人員的特性;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行重點分析。在人、機特性分析的基礎上, 從其中選擇影響功能分配的因素, 即特定的限制條件, 例如對機器而言有可靠性、費用、性能等, 對人而言有工作負荷、心理壓力、生理極限、可靠性等。

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

(3)功能分配既包含靜態功能分配, 更重的是要包含動態的功能分配過程。在靜態功能分配階段, 缺乏與分配準則相關的必要的初始數據(這些數據用來評價人或機器完成該項功能的表現), 而且也無法構造任務的真實環境。

因此只能采取某些預先估計的方法, 對特定任務環境中每一種分配方案的假設, 做出人和機器績效以及其它影響因素的預測, 然后評價哪一個方案最合適, 進而描述當時的人機關系。而在動態分配階段, 可以借助仿真手段或原型系統, 通過人機績效實驗的方式來評價功能分配方案的優劣, 并做出修改和調整。

六、結語

功能分配的理論和方法經過幾十年的發展,在工業自動化領域取得了卓有成效有效的成果。隨著科學技術的進步, 自動化系統逐漸向復雜人機智能系統發展, 這對系統的設計和綜合提出了更高的要求, 尤其對系統的功能分配提出新的挑戰。

為此, 系統研究人員必須從系統論的角度運用系統工程的思維、數學方法、建模理論對包含人在內的整個大系統進行設計、分析、建模和優化, 對人機功能實施合理的分配, 充分利用人機各自的優勢, 從而建立真正的復雜人機智能系統。