基于AHP的飞机驾驶舱信息元重要度计算

阚桐

摘  要：飞机驾驶舱构造复杂，其界面布局的合理性会直接影响到飞机任务的完成和飞机驾驶的安全性，该文基于层次分析法，以空客A320为研究对象，对驾驶舱内各面板信息元进行重要度计算，从而对以后驾驶舱布局优化提供设计支撑。首先利用AHP得出飞行任务之间关联矩阵，然后统计信息元在不同飞行阶段中出现的次数，最后计算得出信息元的权重值。

关键词：飞机驾驶舱  层次分析法  信息元  重要度

中图分类号：TP393                                 文献标识码：A                        文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0251-04

Abstract： The structure of aircraft cockpit is complex， and the rationality of layout will directly affect the completion of aircraft task and the safety of aircraft driving. Based on the analytic hierarchy process， the article takes airbus A320 as the research object to calculate the importance of each panel information element in the cockpit， so as to provide design support for the optimization of cockpit layout in the future. First， the correlation matrix between flight missions is obtained by using AHP， then， the frequency of information element appearing in different flight stages is counted， finally， the weight value of information element is calculated.

Key Words：  Aircraft cockpit; Analytic hierarchy process; Information units; Importance

飞机驾驶舱内部显示和操纵装置众多，构造复杂，其界面布局的合理性会直接影响到飞机任务的完成和飞机驾驶的安全性。飞行员通过驾驶舱内显示仪表来获取飞行信息，通过各类控制杆、控制按钮等来操纵飞机[1]，合理的飞机驾驶舱布局对机组的运行效率、安全有着重要的影响[2]。依照重要性、使用频率等原则可将各种信息元放置在合理的位置上，因此研究驾驶舱内各信息元重要度是设计一个合理的驾驶舱布局的关键问题之一，该文运用层次分析法计算飞行中不同任务阶段权重，从而分析出面板信息元的重要度。

20世纪70年代初，美国运筹学家大学教授萨蒂提出了一种层次权重决策分析方法，可以对一些问题进行定性和定量分析，将有关的元素分解成不同的等级层次。文献[3]基于AHP为食品厂配送中心提供可靠的设施布局优化方案，为企业的发展提供理论依据基础。文献[4]在资源分配系统中，基于层次分析法得到了各层级权重值，使得资源以合理的分配系数分配到各任务中。文献[5]建立了一个模型，用来评价驾驶舱内环境，运用层次分析法对某型飞机驾驶舱环境设计进行了较为科学合理的评价。文献[6]基于层次分析法，计算得出共享汽车发展趋势评价表，对其进行分析，为共享汽车的可持续发展提供了设计依据。

1  A320飞行阶段评价模型建立

1.1 层次结构分析

层次分析法可以将一些较为复杂、模糊的问题简单化，定性和定量结合。利用层次分析法要经过4个步骤：（1）将各个因素自上而下分为若干层次，绘制出层次结构模型;（2）比较两元素之间的重要度，对同级内的元素相对于上一层进行两两相互比较，构造各层次中的判断矩阵;（3）做一致性检验和各层次权重值的求取;（4）根据上下层级关系，求取组合权重值。以A320为研究对象，基于层次分析法，对飞行任务阶段进行建模，将整个飞行任务过程划分为不同的飞行阶段，根据任务飞行阶段的的重要度和安全性的不同，相比较下，对各个任务阶段赋予不同的重要度值，构造出判断矩阵， 对各个层级矩阵进行一致性检验，从上至下，并计算不同层次上的元素权重值，从而最终得出组合权重值。

飞行过程可以分为起飞前准备、起飞、降落、接地4个大阶段，每个阶段下根据飞机流程又分为其他小阶段。每个阶段下根据飞机流程又分为其他小阶段，包括开启电源、设置飞行电脑、开车及后推、滑行前设定、滑行至跑道及系统检查、起飞前检查、起飞、爬升、开启防冰装置、下降、进场、落地前检查、接地、滑至停机坪14个阶段。基于空客A320的驾驶任务流程，采用层次分析法对不同任务阶段赋予不同的权重，约束层次目标数如图1所示。

1.2 构造判断矩阵

构建好模型后，确定各个层次之间的关系，逐層计算具有影响作用的元素间的相对重要性，进行两两比较，根据重要度来评定等级，组成判断矩阵。判断矩阵元素 a_ij的标度方法如表1，其中aij=1/aji，aij=1，表示元素i相对于元素j重要性相同;aij=3，表示元素i相对于元素j略重要;aij=5，表示元素i相对于元素j重要;aij=7，表示元素i相对于元素j重要得多;aij=9，表示元素i相对于元素j极其重要（见表1）。

飞机驾驶舱合理的布局设计是飞机安全、舒适的重要因素，该文以A320为例，基于层次分析法，得到了各飞行阶段任务权重值，通过实地录屏观察、分析统计得到面板信息元在不同飞行任务阶段出现的次数，从而得到了信息元的权重数值，为后面驾驶舱布局优化提供了可靠的数据支撑，根据重要性、使用频率对驾驶舱进行优化设计。

在不同的飞行阶段，飞机的安全性是不相同的。飞机起飞后3min和飞机降落前8min是民航界所知的“黑色11分钟”最危险的时期。飞机在起飞阶段所用的时间较少，但发生紧急事故的概率却很高，这是由于飞机在这些飞行阶段所处的高度问题，所以给飞行员处理紧急事故的时间是很有限的。比如在巡航阶段时，飞行环境比较稳定，飞机遵循自动驾驶程序，相对是很安全的，在高空中，飞行员可以有较长的时间去制订、执行事故处理方案。因此飞机在每个飞行阶段的安全性以及各飞行阶段对整个飞行过程的重要性是不同的。根据建立的约束层次目标数，邀请4位飞行员对各约束目标的相对重要性进行评定，并结合飞行手册、实际飞行情况，了解在不同任务阶段完成某项任务的相对重要性，得出以下5个判断矩阵。

1.3 相对重要度计算和一致性检验

根据判断矩阵C，从上到下逐层计算各个层次上元素的权重，最后相乘得到组合权重。在判断一致性时，通过一致性指标 C.I.=（λ-n）/（n-1）， C.R.=C.I./R.I.，其中R.I.是这样得到的：对于固定的n，随机构造成对比较阵A，aij是从1， 2，…，9，1/2，1/3，…，1/9中随机抽取的，取充分大的子样得到A的最大特征值的平均值，通过查表可得出相应的一致性指标R.I.（见表2）。

计算一致比率C.R.， 当C.R.<0.1时，则判断矩阵的不一致程度符合要求;当C.R.≥0.1时，判断矩阵的一致性不在允许范围内，需要重新调整判断矩阵，直到具有满意的一致性。经计算，结果见表3。

由表3得：

W（1）=（0.1091， 0.3509， 0.3509， 0.1891）T

W12=（0.0643， 0.3010， 0.1176， 0.1176， 0.1998， 0.1998）T

W22=（0.4444，0.4444，0.1111）T

W32=（0.7501，0.2499）T

W42=（0.1634，0.5396，0.2970）T

由此，可计算二级指标的综合权重值，如表4所示。

在表2中，所有矩阵的一致性比率均小于0.1，可知矩阵具有满意的一致性，证明模型是可靠的。

2  驾驶舱信息元重要度计算

在狭窄的驾驶舱空间内，各种飞机显示和操纵装置星罗棋布，其合理的人机界面布局对安全飞行有重要意义，因此需要求得信息元的重要度，根据重要度、使用频率等原则将面板信息元放在合适的位置上。首先对驾驶员在整个飞行操作过程中进行录屏观察，对于各信息元面板，记录其在不同任务阶段操作中所出现的次数，各任务阶段的权重值乘以信息元对应出现的次数值相加，得到每块信息元面板的重要度。

A320駕驶舱主要分为4块大区域，头顶板、遮光板、中央仪表板、中央操作区，4块大区域下共有70块面板，经统计分析，共有35块面板出现在飞行任务中，其中PFD、ND按钮、EFIS面板、PFD显示器、ND显示器、MCDU面板、RMP面均为对称分布，在统计表格中，只统计其中一块面板。其余未出现在任务中的面板重要度记为0，不列在统计表格中，表5记录操作面板出现的次数。

计算每块面板的权重值，其中，WCi代表不同任务阶段的重要度，1-14代表14个任务阶段，ei代表面板在Ci任务中出现的次数，如D1重要度值W=Wc1d1=0.0070×1=0.0070，经计算得29块操作面板的重要度，见表6。

经计算得到34块面板信息元的重要度值，为驾驶舱的优化布局设计提供数据依据，根据重要度和使用频率原则，将信息元布置在合理的可视和可操作范围内，使得飞行员可以更高效、安全地完成飞行任务。

3  结语

飞机驾驶舱合理的布局设计是飞机安全、舒适的重要因素，该文以A320为例，基于层次分析法，得到了各飞行阶段任务权重值，通过实地录屏观察、分析统计得到面板信息元在不同飞行任务阶段出现的次数，从而得到了信息元的权重数值，为后面驾驶舱布局优化提供了可靠的数据支撑，根据重要性、使用频率对驾驶舱进行优化设计。

参考文献

[1] 苏润娥，薛红军，宋笔锋.基于虚拟设计的民机驾驶舱工效布局评价[J].航空计算技术，2008，38（2）：69-73.

[2] 景崇毅，周慧艳，石丽娜.基于ARIMA模型的残差修正的航线运量预测方法[J].工业工程，2010（1）：74-79.

[3] 娄慧斌，李坤.基于AHP的配送中心布局规划设计[J].物流技术与应用，2017，22（11）：130-133.

[4] 田启华，黄超，于海东，等.基于AHP的耦合任务集资源分配权重确定方法[J].计算机工程与应用，2018，54（21）：25-30.

[5] 冯青，余隋怀，初建杰.基于AHP灰色理论的飞机驾驶舱内环境设计评价[J].航空制造技术，2012（1）：72-75.

[6] 刘光才，杨璐源.基于AHP和熵权法的共享汽车发展趋势评级表[J].商业经济研究，2019（1）：190-192.

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2019-12-18