复杂任务环境下的人机交互信息网络拓扑结构研究

论文摘要

复杂系统可靠性分析方法一直是复杂系统领域的热门研究课题,对预防系统故障和人为失误的发生起到至关重要的作用。针对传统复杂系统人因可靠性分析方法存在前期评估标准不统一、无法准确描述系统元素之间的逻辑关联、无法直接服务于人机交互界面优化等缺陷,提出了基于复杂网络的人因可靠性分析方法。主要研究内容如下:首先,以典型的人机交互复杂系统——F/A-18C战斗机飞行驾驶系统为例,从人的认知加工角度出发,使用层次任务分析法（HTA）将复杂的飞行任务根据不同粒度逐层拆解,直至操作界面信息元素的层级,然后量化表征子任务与驾驶舱界面信息之间的逻辑关联。结合复杂网络理论,得到三层不同粒度大小的人机交互信息关联网络。其次,对三层交互信息关联网络进行拓扑结构的静态统计特性分析,得出界面中信息元素的重要程度并发现人机交互信息网络具有小世界特性的规律;对该三层网络进行可靠性仿真分析,将分析结果与实际战斗机人误统计做对比,找到最符合人的认知与记忆方式的网络描述方式。同时证实了复杂网络理论可有效地分析战斗机飞行系统的人因可靠性,并能根据可靠性分析结果提供人机交互界面布局优化设计依据。最后,详细分析了战斗机驾驶舱原有交互界面的显控设备交互方式、信息类型等人因要素,结合网络可靠性仿真和社团结构分析结果找出人因失误隐患,对原有驾驶舱界面布局进行了分析和优化,从而提高战斗机飞行系统可靠性,减少人因失误,保障飞行安全。本研究方法和结论可拓展到相关的人机交互复杂系统领域,结论具有普适性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 课题研究现状
•     1.2.1 复杂人机交互系统研究现状
•     1.2.2 复杂网络国内外研究现状
•     1.2.3 课题研究现状总结
•   1.3 课题研究目的及意义
•   1.4 课题研究内容与框架
•   1.5 课题研究创新点
• 第二章 复杂网络基本理论与拓扑特性
•   2.1 复杂网络基本性质
•   2.2 复杂网络中的基本静态特性
•     2.2.1 度与度分布
•     2.2.2 平均路径长度
•     2.2.3 聚类系数
•     2.2.4 中心性
•   2.3 复杂网络拓扑结构
•     2.3.1 随机网络
•     2.3.2 小世界网络
•     2.3.3 无标度网络
•     2.3.4 确定性网络
•   2.4 复杂网络中的社团结构
•     2.4.1 社团结构基本概念
•     2.4.2 社团结构发现方法
•   2.5 复杂网络可靠性
•     2.5.1 可靠性定义
•     2.5.2 可靠性仿真
•   2.6 本章小结
• 第三章 F/A-18C战斗机驾驶舱人机界面信息统计与复杂飞行任务分析
•   3.1 F/A-18C战斗机驾驶舱人机界面研究
•     3.1.1 F/A-18战斗机驾驶舱介绍
•     3.1.2 F/A-18C战斗机驾驶舱人机界面布局分析
•     3.1.3 F/A-18C战斗机驾驶舱人机界面信息分类
•     3.1.4 F/A-18C战斗机驾驶舱人机交互方式分析
•   3.2 人机交互信息网络构建数据收集
•     3.2.1 基于飞行员认知方式的任务流程分析
•     3.2.2 基于HTA理论的战斗机任务流程分析方法
•     3.2.3 起飞任务流程分析
•     3.2.4 巡航任务流程分析
•     3.2.5 进近着陆任务流程分析
•     3.2.6 空地作战任务流程分析
•     3.2.7 空空作战任务流程分析
•     3.2.8 应急事件处理任务流程分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 复杂任务下的战斗机驾驶舱人机交互信息网络构建及分析
•   4.1 战斗机座舱人机交互信息网络拓扑构造方法
•   4.2 FA-18C人机交互信息网络的构建
•     4.2.1 网络数据预处理
•     4.2.2 人机交互信息网络构建规则
•     4.2.3 GEPHI网络拓扑结构绘制
•   4.3 FA-18C人机交互信息网络静态统计特性分析
•     4.3.1 一级目标下的战斗机人机交互信息网络静态统计特性分析
•     4.3.2 二级目标下的战斗机人机交互信息网络静态统计特性分析
•     4.3.3 三级目标下的战斗机人机交互信息网络静态统计特性分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 战斗机人机交互信息网络可靠性仿真分析
•   5.1 战斗机人机交互信息网络可靠性定义
•   5.2 人机交互网络可靠性影响因素分析
•     5.2.1 人因失误对照模型
•     5.2.2 人机交互信息网络可靠性测度指标
•   5.3 人机交互信息网络可靠性仿真实验
•     5.3.1 人机交互信息网络失效方式
•     5.3.2 人机交互信息网络随机攻击与蓄意攻击失效仿真算法
•     5.3.3 人机交互信息网络可靠性仿真结果分析
•   5.4 战斗机驾驶舱人因失误相关信息元统计
•   5.5 本章小结
• 第六章 战斗机人机界面布局优化设计
•   6.1 FA-18C战斗机人机交互信息网络社团划分
•     6.1.1 Newman快速算法
•     6.1.2 基于边权的人机交互信息网络社团划分
•   6.2 复杂飞行任务环境下的座舱人机界面布局设计
•   6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （1-253号节点对应的信息元表）
• 附录B （三层粒度划分下的飞行任务）
• 附录C （部分代码实现）
• 附录D （人机交互信息网络随机攻击失效仿真算法）

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑冬英

导师: 王海燕

关键词: 复杂网络,人机系统,拓扑结构,社团结构,可靠性仿真,人机界面

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,航空航天科学与工程

单位: 东南大学

基金: 航空基金(20165569019),江苏省自然科学基金青年项目(BK20150636)

分类号: V249;O157.5

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003449

总页数: 104

文件大小: 10751K

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