分析国内外功能分配的研究现状和存在的问题

摘要:功能分配是复杂人机智能系统设计进程中的重要内容, 它需要应用系统的分析方法, 合理地进行人、机两者的任务分配和科学地设计两者的功能结合。本文分析了国内外功能分配的研究现状和存在的问题。针对复杂人机智能系统的设计需求, 指出了系统功能分配方法的研究方向。

一、引言

在复杂智能人机系统中, 存在两个智能个体———人与智能机器。这样的人机系统与传统的人机系统无论在组成结构, 还是内在机理上都十分不同, 它是一个人机结合的智能系统, 具有智能性、开放性、复杂性、突现性等特点。

为了研究这种系统, 美国著名学者Lenat和Feigenbaum提出了人机智能系统(Man-MachineIntelligent System)的概念[ 1] , 与此类似的还有Sheridan提出的人与自动化(Human-Automation)概念 等。我国著名科学家钱学森以及中科院的戴汝为等人提出了人机综合集成思想[ 3, 4] 。浙江大学的路甬祥、陈鹰等提出了人机一体化理论[ 5, 6] 。龙升照等人提出了人-机-环境系统工程理论 , 这些都为研究人机智能系统提供了大量的理论依据。

虽然目前还没有一套统一的严格的研究复杂人机智能系统的理论体系, 但是从上述各种方法可以发现共同点, 即必须在系统设计之初到系统实现的整个生命周期过程中考虑人与机器的关系, 人机功能的合理分配是体现复杂人机系统智能化的关键。

二、功能分配的概念

早在1951年, Fitts就第一次明确提出功能分配的概念[ 8] 。它是指将系统中的功能或任务分派给人或者机器的过程。这种功能分配活动发生于系统综合和评价过程中的早期阶段, 因此属于系统工程的研究范畴, 这里的功能分配主要是强调系统组成成分之间的功能分解。

后来由于机械、自动化以及计算机技术的发展, 绝大部分系统都属于人机系统, 这类系统设计任务中的功能分配需要越来越多的考虑到系统中人的因素,所以将它专门作为人因工程的一项重要研究内容, 而称之为人机功能分配。自从功能分配的概念提出以来, 它在工业与自动化领域尤其是在核电厂监控自动化系统、空中交通管制系统、飞机座舱, 载人航天器等复杂系统的设计中得到了广泛的应用。

三、功能分配方法的研究现状

3.1　国外的研究情况

功能的分配原则与一定的应用背景相结合,逐渐形成了各种功能分配方法。目前在国际比较有影响力的几种功能分配方法有:人机能力比较分配法、Price决策图法、Sheffield法、自动化分类与等级设计法、York法等。

3.1.1　人机能力比较分配法

它是最初的功能分配方法, 例如著名的Fitts Lists分配方法, 也是迄今为止应用最为普遍的方法, 在早期的简单工业自动化监控系统中得到大量的应用。表1 即为Fitts所列出人机各自的优势特性, 也称为MABA-MABA方法。

3.1.2　Price决策图法

Price决策图法[ 9]对任意一个功能, 从人机两方面的特性做出比较, 然后根据效能、速度、可靠性、技术可行性等做出评估, 评估结果为一个复数值(人的绩效值为实部, 机器的绩效值为虚部)。这个复数值落在决策图的某一区域, 如图1所示。

图1　Price决策图

决策图由6个区域组成, 每个区域对应于不同的人机绩效和分配方案:①表示将功能分配给机器;②表示将功能分配给机器;③表示既可分配给人也可分配给机器, 存在一个最佳分配点;④将功能分配给人;⑤将功能分配给人;⑥采用其他的方法重新设计。

Price决策法虽然在FittsLists分配法的基础上更进一步的明确了人机功能分配的过程, 但是它对于如何计算绩效却没有明确的描述, 并且客观上计算人和机器的绩效相当困难。

3.1.3　Sheffield法

Sheffield法是由英国Sheffield大学在对海军的舰艇控制系统进行设计时所开发的一种功能分配方法。它在分配过程中共需要考虑100多项决策准则, 将其分为8组, 其中不仅考虑了人机的能力特性, 还从人因工程的角度考虑了人员的作业设计、社会性、训练、安全等因素, 另外还包括自动化的精度、费用等。它的主要流程如图2所示。

图2　Sheffield法流程图

Sheffield法的优点是考虑的因素比较全面,而且包含了系统的静态和动态功能分配过程。它主要是针对一个海军舰艇控制系统的设计, 所以同时还考虑了舰艇操作人员之间的功能分配。但它也有明显的不足, 首先由于考虑的因素太多, 反而使得设计任务由于缺乏相关信息而无法操作;其次由于Sheffield法必须将功能分解到能够完全分配给人或机器, 也就是足够细的粒度才能实施操作, 但这在一个复杂系统中往往是不可能的。

3.1.4　自动化分类与等级设计法

该方法由英国科学家Parasuraman和Sheridan提出[ 11] , 主要应用于工业自动化系统如核电站监控中。该方法认为任何人机自动化系统的工作过程类似于人类的信息处理, 可分为四个步骤即:获取、分析、决策、行动。而机器的自动化程度分为连续的10个级别如表2所示。

在此基础上对系统功能分别按上述的四个步骤进行分类, 并对属于每一个分类的功能确定其自动化程度, 然后建立多级评价准则逐步对分配结果进行修改, 直到最终确定系统应该采用的自动化类型和等级。其流程图如3所示。

图3　自动化分类与等级设计流程图

它是由英国York大学的Dearden等人提出一种基于场景(Scenario)的功能分配方法[ 12] , 最初是为海军舰艇的设计而开发的, 由于取得了比较好的效果, 之后又被成功的用于单座飞机的功能分配设计中。York法的基本步骤如图4所示。

图4　York法流程图

这种设计方法将功能运行时的环境因素也考虑进去, 因而是一种较为完善的功能分配方法。但是它没有考虑系统中人员之间的功能分配。

3.2　国内的研究情况

国内在功能分配的研究还处于起步阶段。西工大的张炜等人对作战无人机系统的人机功能动态分配进行了研究[ 13] , 提出无人机地面控制系统人机功能分配的原则和方法, 主要针对远程无人机监控系统, 在功能分配时所考虑的因素还比较简单, 并不适合复杂系统的设计和研究。

周家祥等人对载人航天器的功能分配进行了研究[ 14] , 为载人航天器的人机最优功能分配优化设计提供了一定的依据。但是模型的一些初始输入数据很难获得, 这对最终分配结果有着直接的影响。

四、存在的问题

目前在系统功能分配方法及其应用上, 主要存在的问题如下[ 15] :

(1)分配方法通用性较差。功能分配应用范围极其广泛, 在各自的领域由于应用的环境、任务性质以及涉及的技术都不相同, 分配标准也不统一, 造成各领域的功能分配方法相互之间不能很好的兼容和共用, 大大限制了功能分配在工程上的应用。

(2)分配标准单一化, 分配过程较简单。在实际工程应用中功能分配往往是最容易忽视的一个环节, 即使在设计之初考虑功能分配, 也只是选取了某一单一的标准, 如系统的负荷, 或者费用等。分配标准的单一化必然也会造成分配过程的简单化。在这种情况下设计出来的系统可能会造成整个系统的某一单项指标较高, 而其它指标却较低, 因而综合性能往往达不到设计标准。

(3)功能分配过程和设计过程结合不够紧密, 没有形成工程化的方法, 并且对环境因素缺乏足够的考虑。传统的功能分配方法将功能分配作为单独的一个过程来考虑, 与系统工程设计结合不够紧密, 且需要功能分配专家的参与, 而普通的设计人员要想参与进来是比较困难的, 这就造成功能分配和工程设计的脱节, 提高了设计成本。另外, 由于对环境因素缺乏足够的考虑,当系统投入使用后, 系统没有足够的动态调整能力, 并有可能导致系统崩溃或失败。

五、复杂人机智能系统功能分配方法研究方向

复杂人机智能系统最主要的特征是人机之间存在着感知、决策和执行这三个层次的信息耦合。它要求在系统运行过程中人、机功能能够动态调整, 在任务的不同阶段体现不同程度的智能。因此, 应用单一的功能分配标准和方法很难满足复杂人机智能系统的设计需求。根据已有的方法, 对复杂人机智能系统功能分配方法提出以下几点建议:

(1)必须分析系统中人、机的特性, 以确定功能分配的影响因素。复杂人机智能系统中的“机”是广义的概念, 包括一切与系统任务有关的机械、自动化、计算机等除人以外的各种软硬件设施。系统中的人应该是指一类群体, 首先他具有一般人的生理限制特性;其次由于训练及学习, 他具有专业人员的特性;最后不同的人员之间存在个人差异的特性。所以需要对人的特性进行重点分析。在人、机特性分析的基础上, 从其中选择影响功能分配的因素, 即特定的限制条件, 例如对机器而言有可靠性、费用、性能等, 对人而言有工作负荷、心理压力、生理极限、可靠性等。

(2)在进行功能分配之前, 首先必须结合系统任务场景进行功能分析, 它是一切后继分配活动的基础。功能分析的目的是确定具体设计准则, 它向下拆分系统层次的要求为子系统, 以及辨识输入设计准则和/或系统各种单元的约束所需的递阶结构。最终我们能够确定在每一个任务场景下功能分配的对象集。显然不同的任务场景, 功能分配对象集也不相同。对于一个智能系统, 应该对每一项功能进行分类, 并确定每一类功能可能的智能程度, 它们的组合构成了功能分配的基本方案。

(3)功能分配既包含静态功能分配, 更重的是要包含动态的功能分配过程。在静态功能分配阶段, 缺乏与分配准则相关的必要的初始数据(这些数据用来评价人或机器完成该项功能的表现), 而且也无法构造任务的真实环境。

因此只能采取某些预先估计的方法, 对特定任务环境中每一种分配方案的假设, 做出人和机器绩效以及其它影响因素的预测, 然后评价哪一个方案最合适, 进而描述当时的人机关系。而在动态分配阶段, 可以借助仿真手段或原型系统, 通过人机绩效实验的方式来评价功能分配方案的优劣, 并做出修改和调整。

六、结语

功能分配的理论和方法经过几十年的发展,在工业自动化领域取得了卓有成效有效的成果。随着科学技术的进步, 自动化系统逐渐向复杂人机智能系统发展, 这对系统的设计和综合提出了更高的要求, 尤其对系统的功能分配提出新的挑战。

为此, 系统研究人员必须从系统论的角度运用系统工程的思维、数学方法、建模理论对包含人在内的整个大系统进行设计、分析、建模和优化, 对人机功能实施合理的分配, 充分利用人机各自的优势, 从而建立真正的复杂人机智能系统。