摘要:功能分配是復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)兩者的功能結(jié)合。本文分析了國(guó)內(nèi)外功能分配的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。針對(duì)復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)智能個(gè)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(wú)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(gè)人機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng), 具有智能性、開(kāi)放性、復(fù)雜性、突現(xiàn)性等特點(diǎn)。

為了研究這種系統(tǒng), 美國(guó)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(lèi)似的還有Sheridan提出的人與自動(dòng)化(Human-Automation)概念 等。我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)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(méi)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(diǎn), 即必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整個(gè)生命周期過(guò)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(guò)程。這種功能分配活動(dòng)發(fā)生于系統(tǒng)綜合和評(píng)價(jià)過(guò)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(qiáng)調(diào)系統(tǒng)組成成分之間的功能分解。

后來(lái)由于機(jī)械、自動(dòng)化以及計(jì)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(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)中的功能分配需要越來(lái)越多的考慮到系統(tǒng)中人的因素,所以將它專(zhuān)門(mén)作為人因工程的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容, 而稱(chēng)之為人機(jī)功能分配。自從功能分配的概念提出以來(lái), 它在工業(yè)與自動(dòng)化領(lǐng)域尤其是在核電廠監(jiān)控自動(dòng)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(jì)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(guó)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(guó)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(dòng)化分類(lèi)與等級(jí)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單工業(yè)自動(dòng)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(shì)特性, 也稱(chēng)為MABA-MABA方法。

3.1.2Price決策圖法

Price決策圖法[ 9]對(duì)任意一個(gè)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(píng)估, 評(píng)估結(jié)果為一個(gè)復(fù)數(shù)值(人的績(jī)效值為實(shí)部, 機(jī)器的績(jī)效值為虛部)。這個(gè)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(gè)區(qū)域組成, 每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于不同的人機(jī)績(jī)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(gè)最佳分配點(diǎn);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(jì)。

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(guò)程, 但是它對(duì)于如何計(jì)算績(jī)效卻沒(méi)有明確的描述, 并且客觀上計(jì)算人和機(jī)器的績(jī)效相當(dāng)困難。

3.1.3Sheffield法

Sheffield法是由英國(guó)Sheffield大學(xué)在對(duì)海軍的艦艇控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所開(kāi)發(fā)的一種功能分配方法。它在分配過(guò)程***需要考慮100多項(xiàng)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(jì)、社會(huì)性、訓(xùn)練、安全等因素, 另外還包括自動(dòng)化的精度、費(fèi)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(diǎn)是考慮的因素比較全面,而且包含了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功能分配過(guò)程。它主要是針對(duì)一個(gè)海軍艦艇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 所以同時(shí)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(jì)任務(wù)由于缺乏相關(guān)信息而無(wú)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(shí)施操作, 但這在一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中往往是不可能的。

3.1.4自動(dòng)化分類(lèi)與等級(jí)設(shè)計(jì)法

該方法由英國(guó)科學(xué)家Parasuraman和Sheridan提出[ 11] , 主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)的工作過(guò)程類(lèi)似于人類(lèi)的信息處理, 可分為四個(gè)步驟即:獲取、分析、決策、行動(dòng)。而機(jī)器的自動(dòng)化程度分為連續(xù)的10個(gè)級(jí)別如表2所示。

在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)功能分別按上述的四個(gè)步驟進(jìn)行分類(lèi), 并對(duì)屬于每一個(gè)分類(lèi)的功能確定其自動(dòng)化程度, 然后建立多級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則逐步對(duì)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(dòng)化類(lèi)型和等級(jí)。其流程圖如3所示。

圖3自動(dòng)化分類(lèi)與等級(jí)設(shè)計(jì)流程圖

它是由英國(guó)York大學(xué)的Dearden等人提出一種基于場(chǎng)景(Scenario)的功能分配方法[ 12] , 最初是為海軍艦艇的設(shè)計(jì)而開(kāi)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(jì)中。York法的基本步驟如圖4所示。

圖4York法流程圖

這種設(shè)計(jì)方法將功能運(yùn)行時(shí)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(méi)有考慮系統(tǒng)中人員之間的功能分配。

3.2國(guó)內(nèi)的研究情況

國(guó)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(duì)作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)功能動(dòng)態(tài)分配進(jìn)行了研究[ 13] , 提出無(wú)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(duì)遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng), 在功能分配時(shí)所考慮的因素還比較簡(jiǎn)單, 并不適合復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

周家祥等人對(duì)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(jì)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(duì)最終分配結(jié)果有著直接的影響。

四、存在的問(wèn)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(wèn)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(guò)程較簡(jiǎn)單。在實(shí)際工程應(yīng)用中功能分配往往是最容易忽視的一個(gè)環(huán)節(jié), 即使在設(shè)計(jì)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(fèi)用等。分配標(biāo)準(zhǔn)的單一化必然也會(huì)造成分配過(guò)程的簡(jiǎn)單化。在這種情況下設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)可能會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的某一單項(xiàng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)功能分配過(guò)程和設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合不夠緊密, 沒(méi)有形成工程化的方法, 并且對(duì)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(dú)的一個(gè)過(guò)程來(lái)考慮, 與系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)結(jié)合不夠緊密, 且需要功能分配專(zhuān)家的參與, 而普通的設(shè)計(jì)人員要想?yún)⑴c進(jìn)來(lái)是比較困難的, 這就造成功能分配和工程設(shè)計(jì)的脫節(jié), 提高了設(shè)計(jì)成本。另外, 由于對(duì)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(méi)有足夠的動(dòng)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(gè)層次的信息耦合。它要求在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中人、機(jī)功能能夠動(dòng)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(jì)需求。根據(jù)已有的方法, 對(duì)復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)功能分配方法提出以下幾點(diǎn)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(dòng)化、計(jì)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(lèi)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(zhuān)業(yè)人員的特性;最后不同的人員之間存在個(gè)人差異的特性。所以需要對(duì)人的特性進(jìn)行重點(diǎn)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(duì)機(jī)器而言有可靠性、費(fèi)用、性能等, 對(duì)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(chǎng)景進(jìn)行功能分析, 它是一切后繼分配活動(dòng)的基礎(chǔ)。功能分析的目的是確定具體設(shè)計(jì)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(shí)輸入設(shè)計(jì)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(gè)任務(wù)場(chǎng)景下功能分配的對(duì)象集。顯然不同的任務(wù)場(chǎng)景, 功能分配對(duì)象集也不相同。對(duì)于一個(gè)智能系統(tǒng), 應(yīng)該對(duì)每一項(xiàng)功能進(jìn)行分類(lèi), 并確定每一類(lèi)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(dòng)態(tài)的功能分配過(guò)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(lái)評(píng)價(jià)人或機(jī)器完成該項(xiàng)功能的表現(xiàn)), 而且也無(wú)法構(gòu)造任務(wù)的真實(shí)環(huán)境。

因此只能采取某些預(yù)先估計(jì)的方法, 對(duì)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(jī)效以及其它影響因素的預(yù)測(cè), 然后評(píng)價(jià)哪一個(gè)方案最合適, 進(jìn)而描述當(dāng)時(shí)的人機(jī)關(guān)系。而在動(dòng)態(tài)分配階段, 可以借助仿真手段或原型系統(tǒng), 通過(guò)人機(jī)績(jī)效實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)評(píng)價(jià)功能分配方案的優(yōu)劣, 并做出修改和調(diào)整。

六、結(jié)語(yǔ)

功能分配的理論和方法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,在工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)逐漸向復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)發(fā)展, 這對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和綜合提出了更高的要求, 尤其對(duì)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(yùn)用系統(tǒng)工程的思維、數(shù)學(xué)方法、建模理論對(duì)包含人在內(nèi)的整個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、建模和優(yōu)化, 對(duì)人機(jī)功能實(shí)施合理的分配, 充分利用人機(jī)各自的優(yōu)勢(shì), 從而建立真正的復(fù)雜人機(jī)智能系統(tǒng)。