飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统技术方案

一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，包括：人机状态监测单元、特征提取单元、多通道特征同步规范化处理单元、工效要素描述单元、人因诊断单元和人机工效综合评价单元，人机状态监测单元通过输出原始人机状态测量数据与特征提取单元相连，特征提取单元通过输出特征提取结果与工效要素描述单元相连，多通道特征同步规范化处理单元对特征提取单元各模块输出结果进行时间对齐处理以及特征指标规范化处理，并根据特征的形成机理对特征进行分组，工效要素描述单元通过输出多个维度的工效要素描述的结果与人因诊断单元以及人机工效综合评价单元相连，人因诊断单元将多个人因诊断指标的结果提供给用户，人机工效综合评价单元计算并生成连续、定量化的人机工效整体评价结果。本发明专利技术解决了传统人机工效研究注重决断而忽视诊断的问题，可为设计优化和风险溯源提供有效的人因客观分析工具。

【技术实现步骤摘要】
飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统
本专利技术涉及的是一种航空人因安全领域的技术，具体是一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统。
技术介绍
民机飞行事故中由于机组操作错误造成的事故约占总事故的60％～80％。进行驾驶舱人机工效的评价对于优化驾驶舱人机界面设计、审查飞机适航符合性中的人因相关条款、探测运行过程中的人因风险、确保飞行安全具有至关重要的意义。经调查，目前的飞机驾驶舱人机工效评价方面存在一系列局限性：第一，目前基于人体测量的驾驶舱人机工效评价方法是局部的、静态的，只能满足可达性方面的评价要求，难以对任务过程中飞行员认知状态和脑力工作负荷进行评价；第二，现有常用的主观评价方法例如NASA-TLX等的评价结果一致性差、难以令人信服，且无法在任务过程中进行连续测量；第三，现有评价方法无法提供诊断信息来指导设计优化。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，利用客观测量技术，对人机交互过程中的人机状态进行多方位连续监测，利用数理统计方法，融合多源工效特征，实现任务过程中的人机工效客观综合评价，解决了现有工效评价过分依赖静态测量、主观感受的问题；并构建工效诊断指标，对工效问题的来源进行分析和定位，解决了传统人机工效研究注重决断而忽视诊断的问题，可为设计优化和风险溯源提供有效的人因客观分析工具。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，包括：人机状态监测单元、特征提取单元、多通道特征同步规范化处理单元、工效要素描述单元、人因诊断单元和人机工效综合评价单元，其中：人机状态监测单元通过输出原始人机状态测量数据与特征提取单元相连，特征提取单元通过输出特征提取结果与工效要素描述单元相连，多通道特征同步规范化处理单元对特征提取单元各模块输出结果进行时间对齐处理以及特征指标规范化处理，并根据特征的形成机理对特征进行分组，工效要素描述单元通过输出多个维度的工效要素描述的结果与人因诊断单元以及人机工效综合评价单元相连，人因诊断单元将多个人因诊断指标的结果提供给用户，人机工效综合评价单元计算并生成连续、定量化的人机工效整体评价结果。所述的人机状态监测单元包括：目前主流的头戴式眼动仪、胸带式心肺活动测量系统、驾驶舱操控记录设备、飞行参数记录设备，其中：眼动仪采集飞行员的注视点坐标、瞳孔直径测量值，心肺活动测量系统采集飞行员的心率、呼吸频率、呼吸幅度测量值，驾驶舱操控记录设备采集飞行摇杆、油门杆、脚蹬踏板的位置测量值，飞行参数记录设备采集飞机的经纬度、高度、空速以及加速度测量值。所述的特征提取单元包括：眼动特征提取模块、控制特征提取模块、生理特征提取模块以及飞行任务特征提取模块。所述的工效要素描述单元包括：视觉活动描述模块、控制活动描述模块、工作负荷描述模块和任务绩效描述模块。所述的人因诊断单元包括：视觉感知难度诊断模块、操控难度诊断模块、信息显著度诊断模块和操控效率诊断模块。技术效果本专利技术整体解决的问题是对飞行任务过程中的驾驶舱人机工效进行全面、量化、连续的客观评价，并从设计角度对工效问题的来源进行定位。与现有技术相比，本专利技术利用认知心理学机理，明确了人机工效评价问题需要考察的要素；利用连续客观测量技术、定量化特征提取方法以及多源特征融合方法，实现了任务过程中的驾驶舱人机工效要素量化描述以及客观综合评价，有效解决了人机工效领域目前静态测量、主观评价为主，缺乏连续客观评价方法的问题；利用评价维度间的关联构建工效诊断指标，可为设计优化提供有针对性的辅助信息，解决了传统工效分析注重决断而忽视诊断的问题。附图说明图1为飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统示意图；图2为飞机驾驶舱人机工效客观评价特征指标体系示意图；图3为本专利技术构建的飞机驾驶舱人机工效综合评价结果多维图形化呈现方式。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，包括：人机状态监测单元、特征提取单元、多通道特征同步规范化处理单元、工效要素描述单元、人因诊断单元、人机工效综合评价单元。本实施例涉及运用上述系统的人机工效监测评价方法，包括：飞行任务中的人机状态监测、基原始测量数据处理与工效特征提取、工效要素计算、诊断指标的计算、人机工效综合评价结果的计算以及评价结果的呈现方式。人机状态监测单元中的头戴式眼动仪通过眼部摄像头与目标检测方法，从图像中定位瞳孔位置并检测瞳孔大小，计算视线方向，最终输出注视点在前景图像中的像素坐标以及瞳孔直径数值。人机状态监测单元中的胸带式心肺活动测量系统通过ECG传感器测量被试人员的心电图数据，通过胸带中压敏传感器上的电压值变化反应因呼吸引起的胸腔轮廓变化。人机状态监测单元中的驾驶舱操控记录设备采集飞行摇杆、油门杆、脚蹬踏板相对于中立位置的偏转角度数值。人机状态监测单元中的飞行参数记录设备采集输出飞机的经纬度、高度、空速以及加速度数值。特征提取单元中的眼动特征提取模块利用注视点坐标与采样时间计算注视点移动速度，当注视点移动速度小于30像素/秒时记为出现注视活动，大于30像素/秒则记为出现扫视活动，统计每段注视活动序列的长度得到注视时间特征的值，统计单位时间内扫视活动出现次数得到扫视频率特征的值。通过检测瞳孔直径测量序列中的0值，出现0值时记为眨眼，统计单位时间内的眨眼序列段数得到眨眼频率特征的值。特征提取单元中的控制特征提取模块对飞行摇杆、油门杆、脚蹬踏板角度在时间序列上进行差分处理，得到副翼操控速率、升降舵操控速率、方向舵操控速率、油门操控速率特征的值。特征提取单元中的生理特征提取模块从心电图数据中检测R波，通过R-R间期的倒数计算心率特征的值。利用压敏传感器上的电压值的幅值作为呼吸深度特征的值，通过检测压敏传感器上电压波形中一阶导数为0同时二阶导数小于0位置得到胸腔围度波形中的极大值，并通过两次极大值之间的间隔时间求倒数得到呼吸频率特征。特征提取单元中的飞行任务特征提取模块通过计算实际航迹经纬度与计划航线之间的偏差得到航迹偏差特征的值，通过计算实际飞行高度与计划飞行高度之间的差值得到高度偏差特征的值、通过计算实际空速与计划空速之间的差值得到速度偏差特征的值，通过计算加速度矢量模值得到加速度特征的值。多通道特征同步规范化处理单元通过搜索匹配各种特征数据的时间戳，实现多通道特征数据同步，通过计算z-score对每一个特征进行规范化处理，消除特征之间的量纲差异。并根据特征的机理对特征进行分组，构建人机工效客观评价特征指标体系，如图3所示。工效要素描述单元中的视觉活动描述模块利用主成分分析方法将注视时间、扫视频率与眨眼频率特征进行融合。首先计算上述特征数据所构成矩阵的特征值和特征向量，并将原始数据向特征向量方向投影，得到各主成分数据。然后对特征值进行归一化处理，用于表征主成分的方差解释率，利用方差解释率对各主成分进行加权并求和，得到视觉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，其特征在于，包括：人机状态监测单元、特征提取单元、多通道特征同步规范化处理单元、工效要素描述单元、人因诊断单元和人机工效综合评价单元，其中：人机状态监测单元通过输出原始人机状态测量数据与特征提取单元相连，特征提取单元通过输出特征提取结果与工效要素描述单元相连，多通道特征同步规范化处理单元对特征提取单元各模块输出结果进行时间对齐处理以及特征指标规范化处理，并根据特征的形成机理对特征进行分组，工效要素描述单元通过输出多个维度的工效要素描述的结果与人因诊断单元以及人机工效综合评价单元相连，人因诊断单元将多个人因诊断指标的结果提供给用户，人机工效综合评价单元计算并生成连续、定量化的人机工效整体评价结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，其特征在于，包括：人机状态监测单元、特征提取单元、多通道特征同步规范化处理单元、工效要素描述单元、人因诊断单元和人机工效综合评价单元，其中：人机状态监测单元通过输出原始人机状态测量数据与特征提取单元相连，特征提取单元通过输出特征提取结果与工效要素描述单元相连，多通道特征同步规范化处理单元对特征提取单元各模块输出结果进行时间对齐处理以及特征指标规范化处理，并根据特征的形成机理对特征进行分组，工效要素描述单元通过输出多个维度的工效要素描述的结果与人因诊断单元以及人机工效综合评价单元相连，人因诊断单元将多个人因诊断指标的结果提供给用户，人机工效综合评价单元计算并生成连续、定量化的人机工效整体评价结果。


2.根据权利要求1所述的飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，其特征是，所述的人机状态监测单元包括：目前主流的头戴式眼动仪、胸带式心肺活动测量系统、驾驶舱操控记录设备、飞行参数记录设备，其中：眼动仪采集飞行员的注视点坐标、瞳孔直径测量值，心肺活动测量系统采集飞行员的心率、呼吸频率、呼吸幅度测量值，驾驶舱操控记录设备采集飞行摇杆、油门杆、脚蹬踏板的位置测量值，飞行参数记录设备采集飞机的经纬度、高度、空速以及加速度测量值。


3.根据权利要求1所述的飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，其特征是，所述的特征提取单元包括：眼动特征提取模块、控制特征提取模块、生理特征提取模块以及飞行任务特征提取模块。


4.根据权利要求1所述的飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，其特征是，所述的工效要素描述单元包括：视觉活动描述模块、控制活动描述模块、工作负荷描述模块和任务绩效描述模块。


5.根据权利要求1所述的飞机驾驶舱人机工效多维监测评价系统，其特征是，所述的人因诊断单元包括：视觉感知难度诊断模块、操控难度诊断模块、信息显著度诊断模块和操控效率诊断模块。


6.一种基于上述任一权利要求所述系统的人机工效监测评价方法，其特征在于，包括：飞行任务中的人机状态监测、基原始测量数据处理与工效特征提取、工效要素计算、诊断指标的计算、人机工效综合评价结果的计算以及评价结果的呈现方式；
人机状态监测单元中的头戴式眼动仪通过眼部摄像头与目标检测方法，从图像中定位瞳孔位置并检测瞳孔大小，计算视线方向，最终输出注视点在前景图像中的像素坐标以及瞳孔直径数值；
人机状态监测单元中的胸带式心肺活动测量系统通过ECG传感器测量被试人员的心电图数据，通过胸带中压敏传感器上的电压值变化反应因呼吸引起的胸腔轮廓变化；
人机状态监测单元中的驾驶舱操控记录设备采集飞行摇杆、油门杆、脚蹬踏板相对于中立位置的偏转角度数值；
人机状态监测单元中的飞行参数记录设备采集输出飞机的经纬度、高度、空速以及加速度数值；
特征提取单元中的眼动特征提取模块利用注视点坐标与采样时间计算注视点移动速度，当注视点移动速度小于30像素/秒时记为出现注视活动，大于30像素/秒则记为出现扫视活动，统计每段注视活动序列的长度得到注视时间特征的值，统计单位时间内扫视活动出现次数得到扫视频率特征的值；通过检测瞳孔直径测量序列中的0值，出现0值时记为眨眼，统计单位时间内的眨眼序列段数得到眨眼频率特征的值；
特征提取单元中的控制特征提取模块对飞行摇杆、油门杆、脚蹬踏板角度在时间序列上进行差分处理，得到副翼操控速率、升降舵操控速率、方向舵操控速率、油门操控速率特征的值；
特征提取单元中的生理特征提取模块从心电图数据中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王臻，陆燕玉，傅山，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31