基于复杂网络的战斗机驾驶舱人机交互信息网络构建分析

郑冬英

摘要：目的：从飞行任务的角度出发构建F/A-18战斗机驾驶舱人机交互信息网络，分析网络中各个显控信息元之间的关系以及重要指数，为驾驶舱布局设计提供更科学的指导依据。方法：学习F/A-18战斗机飞行手册，体验模拟飞行游戏，观看模拟飞行游戏视频，整理总结战斗机飞行员执行飞行任务的流程及具体操作步骤。基于P空间建立驾驶舱人机交互信息网络，采用UCINET绘制网络图谱，分析显控信息元的中心度指标和关联关系；结果：整理出17个飞行任务流程，216个操作步骤，88个信息元；其中油门信息元中心度最高，其次是左DDI信息元、襟翼信息元、警告灯面板信息元、操纵杆信息元；结论：F/A-18战斗机驾驶舱布局设计可以将DDI信息元、襟翼信息元、警告灯面板信息元布置在对于飞行员最有利的视野区域，以便飞行员高效搜寻信息，将油门信息元、操纵杆信息元等布置在最有利的操作区域，以便飞行员快速执行操作。

关键词：复杂网络；网络构建；驾驶舱

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0065-02

战斗机驾驶舱由大量显控部件构成，是飞行员与战斗机进行交互的主要通道，其布局方式将直接影响人机交互的程度。合理的驾驶舱布局可以实现高水平的人机交互，确保飞行效率和飞行安全，并降低飞行失误的概率。随着现代信息化空战形式的发展，战斗机航电系统的体量和信息量呈现出爆炸式的增长，飞行员需要掌握更多的信息和承担更大的工作负荷。若驾驶舱的布局方式不合理，飞行员会更易产生疲劳，出现失误，因此合理布局战斗机驾驶舱显得尤为重要。叶坤武等人提出了一种基于飞行员视觉注意力分配的布局优化模型；陈俊璇等人提出了基于不确定语言加权平均算子的多属性决策组合的飞机座舱人机布局评价方法。

复杂网络作为能够深度挖掘个体之间关系和整体与个体之间关系的重要科学工具，被广泛应用于诸多领域中。在现实生活中，许多复杂系统都可以抽象成一种复杂网络，例如通信网络、交通网络、社交网络等等。对衡量复杂网络的拓扑特性的指标进行分析，能够揭示出网络中整体与个体间的关系规律；何松柏等人运用复杂网络理论构建了投送保障网络模型并分析其拓扑结构，证实可以有效描述其网络特征，了解其发展规律。

传统的飞机驾驶舱布局往往借鉴之前版本的战斗机，凭借经验改良而來，主观性较强，缺乏一定的科学性；且已有的驾驶舱布局的研究侧重于优化驾驶舱内信息元的位置排布，少有研究信息元的重要程度以及分层方式；一般来讲，只有知道所需排布的信息元的重要程度，才能安排信息元的位置布局。与传统专家评估信息元权重值的方法不同，文章通过复杂网络的方法，基于飞行任务构建驾驶舱信息元的交互信息复杂网络，分析信息交互网络的拓扑特征，得出信息元的重要程度，为驾驶舱布局设计提供科学依据；此方法也适用于其他交通工具或工作站内的显控部件布局。

1 飞行任务流程整理

因F/A-18战斗机为第三代战机中的典型机型，所以本文以此机型作为研究基础。飞行员通过与驾驶舱显控部件进行交互，实现信息的输入与输出，完成飞行任务，其中每一个操作部件则视为可交互的最小单元—信息元。通过翻译学习英文版F/A-18战斗机飞行手册，体验模拟飞行游戏，观看模拟飞行游戏视频等方法，整理总结出战斗机飞行员所需执行的17个常规任务阶段及具体信息元操作流。根据功能相似性最后将操作部件整合成88个独立信息元。

2 战斗机人机交互信息网络的构建

在复杂网络中，常用由许多节点和边构成的网络图来描述这个网络，边代表节点之间的相互关系；F/A-18战斗机人机交互信息网络可抽象成一个网络图，将信息元视作节点，信息元之间的相互关系视为边。在本文所需构建的战斗机人机交互信息网络图中，边的描述方式不唯一，主要有Space-L与Space-P两种描述方法。Space-L方法定义人机交互网络方式：在同一个飞行任务阶段中，若两个信息元为相邻操作，那么这两个信息元之间就存在关系，有连边；Space-P方法：只要两个信息元同时出现在某一个飞行任务阶段，则认为这两个信息元之间存在关系。由于飞行员在执行不同阶段的飞行任务时，操作信息元的顺序并不一定是唯一的，对其网络结构影响较大，所以本文采用Space-P的方法来构建此网络。

由于上述数据表示的为任务阶段与信息元的关系，不能直接得出信息元与信息元之间的关系，所以较为简便的方式是先得出17个任务阶段与88个信息元关联关系的二元网络矩阵G，G=（gij） 88×17，其中行代表信息元，列代表任务阶段，如果元素gij=1，则表示第i个信息元属于第j个任务阶段，否则gij=0。并且定义GT为G的转置矩阵，即GijT=Gji。将矩阵G输入到UCINET软件中，利用对应乘积法将矩阵G与GT相乘，得到88行88列的信息元关联关系矩阵F。矩阵F中有描述边的权重，即两个信息元同时出现在多个任务阶段的次数，由于构建交互信息网络原则的规定，将矩阵F中大于1的值全部赋予值为1，得到人机交互信息网络邻接矩阵A。并通过UCINET中的NetDraw网络可视化软件绘制出F/A-18战斗机人机交互信息网络图，见图1。图1中我们能看到有一些明显的抱团现象，例如图左侧信息元40、42、43、44、45、46、46、49、51，这几个信息元表现出较为明显的关联性，且处于网络中边缘区域；而在图中间的信息元例如信息元12、61、67、81、59等则表现出相对较高的重要性及中心程度。

3结论

本文运用复杂网络的方法构建战斗机信息交互网络，分析网络拓扑特性从而得出各信息元的重要程度以及分派结果。结合战斗机实际飞行操作常识，合理运用此方法得出的结果，使得驾驶舱信息元的布局呈现出最佳状态。本文但从无向无权网络的角度分析，在以后的研究过程中，可以从多种角度来构建不同的网络拓扑结构，从而找到最合适分析战斗机驾驶舱信息元的网络方式。

参考文献：

[1] 叶坤武， 包涵， 魏思东. 基于视觉注意力分配的飞机驾驶舱人机界面布局优化[J]. 南京航空航天大学学报， 2018（3）.

[2] 陈俊璇， 余隋怀， 刘国昌， 等. 飞机座舱人机布局评价方法研究[J]. 计算机工程与应用， 2014（7）.

[3] 包翔， 刘桂锋， 杨国立. 基于复杂网络理论的图书借阅分析[J]. 图书馆研究与工作， 2018（11）.

[4] 何松柏， 康凯， 刘亚东，等. 基于复杂网络的投送保障网络模型构建[J]. 天津大学学报（自然科学与工程技术版）， 2017（06）：109-115.

【通联编辑：光文玲】