本發(fā)明涉及航空航天建模領(lǐng)域，具體涉及一種基于模型的人因分析一體化建模方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在復(fù)雜系統(tǒng)中，人是關(guān)鍵的組成部分，是影響整個(gè)系統(tǒng)效能、安全的重要因素。然而，當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨早期人因考量缺失的挑戰(zhàn)，拉長了問題識(shí)別與修正的周期，顯著增加了研發(fā)成本。盡管基于模型的系統(tǒng)工程(mbse)已成為主流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，但依照mbse方法開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，人因需求仍采用傳統(tǒng)基于文本的方式傳遞，導(dǎo)致人因表達(dá)一致性差、人因需求跟蹤及驗(yàn)證難度大等問題，并且mbse傾向于將人視為系統(tǒng)外部的交互者，而非系統(tǒng)內(nèi)部的有機(jī)組成，從而在處理人因這一非功能性設(shè)計(jì)維度時(shí)出現(xiàn)不足。

2、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“以人為本”的設(shè)計(jì)思維，其關(guān)鍵是深入理解用戶在特定情境下的任務(wù)需求與行為特征，即進(jìn)行人因任務(wù)和需求分析。人因任務(wù)和需求分析是人機(jī)交互及工程心理學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方法，它旨在科學(xué)地、系統(tǒng)地探索和定義用戶在與復(fù)雜系統(tǒng)交互時(shí)的真實(shí)需求與限制，作為連接用戶與技術(shù)的橋梁，既能促進(jìn)技術(shù)貼近工程需求，又能促進(jìn)構(gòu)建和諧的人機(jī)關(guān)系。

3、dov?dori等提出使用opm(對(duì)象-過程方法論)任務(wù)分析方法開展人因工程中的任務(wù)需求分析，通過將對(duì)象(系統(tǒng)組件)和過程(活動(dòng))結(jié)合，借助圖形(對(duì)象過程圖，object-process?diagrams)和文本(對(duì)象過程語言，object-process?language)，使得系統(tǒng)任務(wù)更全面和易于理解。opm可用于建模系統(tǒng)、定義架構(gòu)等，但其無法融入mbse使用，僅能作為獨(dú)立的任務(wù)需求分析工具，不能解決人因工程與系統(tǒng)工程分離的問題。

4、目前航空航天等領(lǐng)域開始追求需求、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段的統(tǒng)一建模語言和工具，關(guān)于需求建模方法的研究主要可分為三類，分別是：(1)擴(kuò)展uml、sysml等圖形化統(tǒng)一建模語言。(2)擴(kuò)展simulink等同步數(shù)據(jù)流的圖形化建模語言。(3)受限自然語言形式的需求建模方法。徐恒等在總結(jié)分析三者優(yōu)劣之后，提出了一種領(lǐng)域需求建模語言mtrdl并將該語言擴(kuò)展至sysml形成一種新的需求建模方法開展自動(dòng)飛行系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換需求驗(yàn)證。此需求建模方法將系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需求、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證關(guān)聯(lián)，但在需求建模過程中僅停留在功能需求建模階段并未對(duì)人因需求建模開展研究。

5、圖形化建模語言sysml在很大程度上改善了基于文本的需求描述所固有的二義性和模糊性問題，提高了需求理解的一致性和準(zhǔn)確性，但目前的需求建模實(shí)踐往往側(cè)重于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能表達(dá)，而忽視了將人的行為、能力限制及交互需求作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)生要素來考慮，造成了人因工程與系統(tǒng)工程之間的斷層，迫使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在后期設(shè)計(jì)階段反復(fù)回溯修正人因設(shè)計(jì)，大大延長項(xiàng)目周期并顯著增加設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)需求建模實(shí)踐往往側(cè)重于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能表達(dá)，而忽視了將人的行為、能力限制及交互需求作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)生要素來考慮，造成了人因工程與系統(tǒng)工程之間的斷層，迫使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在后期設(shè)計(jì)階段反復(fù)回溯修正人因設(shè)計(jì)，大大延長項(xiàng)目周期并顯著增加設(shè)計(jì)成本的問題，本發(fā)明提出了一種基于模型的人因分析一體化建模方法，包括：

2、利用操作概念分析方法從利益相關(guān)者視角建立操作任務(wù)清單；

3、基于操作任務(wù)清單和sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例；

4、基于所述任務(wù)場景用例、操作任務(wù)清單和交互關(guān)系進(jìn)行人因任務(wù)分析，識(shí)別與任務(wù)相關(guān)的人因需求；

5、基于sysml建模語言形成任務(wù)、需求和系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型；

6、采用人因?qū)I(yè)分析軟件對(duì)所述任務(wù)和需求一體化模型進(jìn)行滿足性驗(yàn)證，將通過驗(yàn)證的任務(wù)和需求一體化模型作為人因分析一體化模型。

7、可選的，所述基于操作任務(wù)清單和sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例，包括：

8、基于操作任務(wù)清單確定參與者；

9、基于操作任務(wù)清單和所述參與者，挖掘參與者人機(jī)交互關(guān)系，并采用信息熵中的互信息理論挖掘與參與者交互的子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

10、基于參與者和參與者人機(jī)交互關(guān)系和與參與者交互的子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系利用sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例。

11、可選的，所述基于參與者和參與者人機(jī)交互關(guān)系利用sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例，包括：

12、利用sysml建模語言中的塊圖定義參與者模型庫；

13、利用sysml建模語言中的用例圖定義參與者人機(jī)交互關(guān)系；

14、由參與者模型庫和所述參與者人機(jī)交互關(guān)系構(gòu)建任務(wù)場景用例。

15、可選的，所述基于操作任務(wù)清單和所述參與者，挖掘參與者人機(jī)交互關(guān)系，并采用信息熵中的互信息理論挖掘與參與者交互的子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括：

16、將操作任務(wù)對(duì)應(yīng)的操作對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)，將系統(tǒng)或子系統(tǒng)的可能值表示為一個(gè)區(qū)間；

17、基于各系統(tǒng)或子系統(tǒng)的區(qū)間計(jì)算系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵；

18、基于各系統(tǒng)或子系統(tǒng)的區(qū)間計(jì)算任意兩個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)聯(lián)合出現(xiàn)的聯(lián)合熵；

19、基于所述系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵和所述任意兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)聯(lián)合出現(xiàn)的聯(lián)合熵計(jì)算所述任意兩個(gè)系統(tǒng)之間的互信息；

20、將所述任意兩個(gè)系統(tǒng)和/或子系統(tǒng)之間的互信息與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，若所述任意兩個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)之間的互信息包含設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值，則所述任意兩個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，否則不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；

21、其中，所述系統(tǒng)包括子系統(tǒng)。

22、可選的，所述系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵按下式計(jì)算：

23、

24、式中，h(x)為系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵，pi是系統(tǒng)x取第i個(gè)值的概率的上確界，n為值的總數(shù)，i為值的序號(hào)。

25、可選的，所述聯(lián)合熵按下式計(jì)算：

26、h(x,y)＝[-∑i,jpijlogpij,∑i,j(1-pij)log(1-pij)]

27、式中，h(x,y)為聯(lián)合熵；pij是x，y同時(shí)取第i和第j的概率的上確界；

28、優(yōu)選的，所述任意兩個(gè)系統(tǒng)之間的互信息按下式計(jì)算：

29、i(x,y)＝[max(h(x)+h(y)-h(x,y)),min(h(x)+h(y)-h(x,y))]

30、式中，h(x)、h(y)為系統(tǒng)x和系統(tǒng)y的區(qū)間熵，i(x,y)為系統(tǒng)x和系統(tǒng)y的互信息，x和y分別為系統(tǒng)序號(hào)。

31、可選的，所述基于所述任務(wù)場景用例、操作任務(wù)清單和交互關(guān)系進(jìn)行人因任務(wù)分析，識(shí)別與任務(wù)相關(guān)的人因需求，包括：

32、基于所述任務(wù)場景用例，利用sysml建模語言中的活動(dòng)圖定義任務(wù)中的運(yùn)行活動(dòng)和交互關(guān)系，構(gòu)建表達(dá)任務(wù)場景；

33、基于表達(dá)任務(wù)場景，利用sysml建模語言中的需求圖表識(shí)別并定義參與者的人因需求。

34、可選的，所述采用人因?qū)I(yè)分析軟件對(duì)所述任務(wù)和需求一體化模型進(jìn)行滿足性驗(yàn)證，將通過驗(yàn)證的任務(wù)和需求一體化模型作為人因分析一體化模型，包括：

35、利用人因?qū)I(yè)分析軟件開展多維度人機(jī)工效評(píng)估，基于人機(jī)工效結(jié)果構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)尋求最優(yōu)解，并驗(yàn)證任務(wù)和需求一體化模型是否滿足人因要求；

36、若人機(jī)工效評(píng)估結(jié)果均滿足人因需求，則所述任務(wù)和需求一體化模型作為人因分析一體化模型，否則，基于sysml建模語言繼續(xù)形成任務(wù)、需求和系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型繼續(xù)進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)估。

37、可選的，所述基于sysml建模語言形成任務(wù)、需求和系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型，包括：

38、對(duì)任務(wù)和需求進(jìn)行一體化分析，基于sysml建模得到任務(wù)-需求細(xì)化矩陣，以及系統(tǒng)-需求滿足矩陣；

39、基于任務(wù)-需求細(xì)化矩陣與系統(tǒng)-需求滿足矩陣，利用sysml建模語言建立任務(wù)、需求、系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型。

40、再一方面，本技術(shù)還提供了一種基于模型的人因分析一體化建模系統(tǒng)，包括：

41、清單構(gòu)建模塊，用于利用操作概念分析方法從利益相關(guān)者視角建立操作任務(wù)清單；

42、用例構(gòu)建模塊，用于基于操作任務(wù)清單和sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例；

43、人因需求分析模塊，用于基于所述任務(wù)場景用例、操作任務(wù)清單和交互關(guān)系進(jìn)行人因任務(wù)分析，識(shí)別與任務(wù)相關(guān)的人因需求；

44、初始模型構(gòu)建模塊，用于基于sysml建模語言形成任務(wù)、需求和系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型；

45、驗(yàn)證模塊，用于采用人因?qū)I(yè)分析軟件對(duì)所述任務(wù)和需求一體化模型進(jìn)行滿足性驗(yàn)證，將通過驗(yàn)證的任務(wù)和需求一體化模型作為人因分析一體化模型。

46、可選的，用例構(gòu)建模塊，包括：

47、參與者確定子模塊，用于基于操作任務(wù)清單確定參與者；

48、關(guān)系挖掘子模塊，用于基于操作任務(wù)清單和所述參與者，挖掘參與者人機(jī)交互關(guān)系，并采用信息熵中的互信息理論挖掘與參與者交互的子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

49、用例構(gòu)建子模塊，用于基于參與者和參與者人機(jī)交互關(guān)系利用sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例。

50、可選的，關(guān)系挖掘子模塊具體用于：

51、將操作任務(wù)對(duì)應(yīng)的操作對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)，將系統(tǒng)或子系統(tǒng)的可能值表示為一個(gè)區(qū)間；

52、基于各系統(tǒng)或子系統(tǒng)的區(qū)間計(jì)算系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵；

53、基于各系統(tǒng)或子系統(tǒng)的區(qū)間計(jì)算任意兩個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)聯(lián)合出現(xiàn)的聯(lián)合熵；

54、基于所述系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵和所述任意兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)聯(lián)合出現(xiàn)的聯(lián)合熵計(jì)算所述任意兩個(gè)系統(tǒng)之間的互信息；

55、將所述任意兩個(gè)系統(tǒng)和/或子系統(tǒng)之間的互信息與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，若所述任意兩個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)之間的互信息包含設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值，則所述任意兩個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，否則不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；

56、其中，所述系統(tǒng)包括子系統(tǒng)；

57、優(yōu)選的，所述系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵按下式計(jì)算：

58、

59、式中，h(x)為系統(tǒng)或子系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)間熵，pi是系統(tǒng)x取第i個(gè)值的概率的上確界，n為值的總數(shù)，i為值的序號(hào)；

60、優(yōu)選的，所述聯(lián)合熵按下式計(jì)算：

61、h(x,y)＝[-∑i,jpijlogpij,∑i,j(1-pij)log(1-pij)]

62、式中，h(x,y)為聯(lián)合熵；pij是x，y同時(shí)取第i和第j的概率的上確界；

63、優(yōu)選的，所述任意兩個(gè)系統(tǒng)之間的互信息按下式計(jì)算：

64、i(x,y)＝[max(h(x)+h(y)-h(x,y)),min(h(x)+h(y)-h(x,y))]

65、式中，h(x)、h(y)為系統(tǒng)x和系統(tǒng)y的區(qū)間熵，i(x,y)為系統(tǒng)x和系統(tǒng)y的互信息，x和y分別為系統(tǒng)序號(hào)。

66、可選的，人因需求分析模塊，具體用于：

67、基于所述任務(wù)場景用例，利用sysml建模語言中的活動(dòng)圖定義任務(wù)中的運(yùn)行活動(dòng)和交互關(guān)系，構(gòu)建表達(dá)任務(wù)場景；

68、基于表達(dá)任務(wù)場景，利用sysml建模語言中的需求圖表識(shí)別并定義參與者的人因需求。

69、可選的，驗(yàn)證模塊，具體用于：

70、利用人因?qū)I(yè)分析軟件開展多維度人機(jī)工效評(píng)估，基于人機(jī)工效結(jié)果構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)尋求最優(yōu)解，并驗(yàn)證任務(wù)和需求一體化模型是否滿足人因要求；

71、若人機(jī)工效評(píng)估結(jié)果均滿足人因需求，則所述任務(wù)和需求一體化模型作為人因分析一體化模型，否則，基于sysml建模語言繼續(xù)形成任務(wù)、需求和系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型繼續(xù)進(jìn)行人機(jī)工效評(píng)估。

72、可選的，初始模型構(gòu)建模塊，具體用于：

73、對(duì)任務(wù)和需求進(jìn)行一體化分析，基于sysml建模得到任務(wù)-需求細(xì)化矩陣，以及系統(tǒng)-需求滿足矩陣；

74、基于任務(wù)-需求細(xì)化矩陣與系統(tǒng)-需求滿足矩陣，利用sysml建模語言建立任務(wù)、需求、系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型。

75、再一方面，本技術(shù)還提供了一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)處理器和存儲(chǔ)器；所述存儲(chǔ)器和處理器通過總線相連；

76、所述存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序；

77、當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如上述所述的一種基于模型的人因分析一體化建模方法。

78、再一方面，本技術(shù)還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如上述所述的一種基于模型的人因分析一體化建模方法。

79、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

80、本發(fā)明提供了一種基于模型的人因分析一體化建模方法，包括：利用操作概念分析方法從利益相關(guān)者視角建立操作任務(wù)清單；基于操作任務(wù)清單和sysml建模語言構(gòu)建任務(wù)場景用例；基于所述任務(wù)場景用例、操作任務(wù)清單和交互關(guān)系進(jìn)行人因任務(wù)分析，識(shí)別與任務(wù)相關(guān)的人因需求；基于sysml建模語言形成任務(wù)、需求和系統(tǒng)映射表，得到任務(wù)和需求一體化模型；采用人因?qū)I(yè)分析軟件對(duì)所述任務(wù)和需求一體化模型進(jìn)行滿足性驗(yàn)證，將通過驗(yàn)證的任務(wù)和需求一體化模型作為人因分析一體化模型。本發(fā)明進(jìn)行人因任務(wù)分析，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對(duì)人因因素考量，確保技術(shù)發(fā)展與人類操作者的生理、心理及認(rèn)知能力完美匹配，允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在早期階段識(shí)別并解決潛在的人機(jī)交互問題，減少后續(xù)設(shè)計(jì)變更的成本與風(fēng)險(xiǎn)，從而提升系統(tǒng)的整體效能。