飛行機(jī)組操作行為關(guān)聯(lián)性的數(shù)學(xué)分析方法研究

吳磊 王曉飛

摘 要：隨著空域運(yùn)行環(huán)境的變革（例如，ICAO的PBN運(yùn)行）和導(dǎo)航監(jiān)視基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展（例如，ADS-B技術(shù)），機(jī)組和空中交通服務(wù)單元的職責(zé)都發(fā)生了一定的變化，飛機(jī)在航路上的導(dǎo)航性能監(jiān)控與告警、應(yīng)急航路的申請(qǐng)和分配、空中交通管理等新任務(wù)需求直接對(duì)傳統(tǒng)的航電系統(tǒng)人機(jī)接口功能和人機(jī)交互行為提出了挑戰(zhàn)，機(jī)組的工作負(fù)荷隨之也會(huì)增加，因此系統(tǒng)集成化，功能的進(jìn)一步提升是必然趨勢(shì)。從各人機(jī)交互行為之間的關(guān)聯(lián)性分析入手，就能為系統(tǒng)功能集成的新需求找到方向。該文基于人腦的串行處理假設(shè)，以RNP APCH剖面為背景，將機(jī)組操作行為抽象化并建立起數(shù)學(xué)模型，最終利用數(shù)學(xué)方法定量的給出操作任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度以及操作的工作強(qiáng)度。試驗(yàn)和分析的結(jié)果表明，操作行為的抽象化模型和量化分析結(jié)果較好地描述了真實(shí)的人機(jī)交互行為，為人機(jī)系統(tǒng)集成的策略探索出了一種理論方法。

關(guān)鍵詞：航電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 航電系統(tǒng)人機(jī)接口設(shè)計(jì) 飛行機(jī)組操作任務(wù) 人為因素 工作負(fù)荷水平

中圖分類(lèi)號(hào)：X913 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0005-05

Mathematics Analysis Method Research for Dependence of Flight Crew Operation Behavior

Wu Lei Wang Xiaofei

（Dept. of Integrated Avionics design，SADRI COMAC，Shanghai，201210，China）

Abstract：As revolution of airspace operation environment （such as ICAO Performance Based Navigation operation） and development of navigation and surveillance infrastructure （ADS-B technology）， those responsibilities of both flight crew and air traffic service agency have been changed. The traditional avionics human machine interface and human machine interactive behavior are directly challenged by the monitoring and alerting of en-route navigation performance， appliance and allocation of emergency route and new mission in air traffic management. Meanwhile flight crew workload will also increase. Therefore it is an inevitable trend that the integration level of system and function will be further improved. New direction of system and function integration will be found in terms of dependence analysis between each human machine interactive behavior.This paper is based on serial process hypothesis of human brain， sets RNP APCH profile as operation scenario background， translates flight crew operation behavior into abstract mathematic model and quantitatively produces the level of dependence and strength of workload utilizing mathematic means. The results of test and analysis illustrates that the real human machine interactive behavior can be satisfactorily described by abstract model and quantitative data. A theoretic method for the integration of human machine system has ultimately been explored.

Key Words：Avionics system integration；Avionics human-machine interface design；Flightcrew operation task；Human factor；Level of workload

隨著增加空域容量和提高運(yùn)行安全性與靈活性的強(qiáng)烈需求，飛機(jī)的新功能在不斷增加（例如，ADS-B，CPDLC技術(shù)的逐漸推廣），飛機(jī)的運(yùn)行環(huán)境也在不斷變化（PBN運(yùn)行的逐步推廣），新的飛行場(chǎng)景為航電系統(tǒng)人機(jī)交互功能和系統(tǒng)集成提出了挑戰(zhàn)[1]。此外，隨著電子顯示技術(shù)的進(jìn)步和系統(tǒng)設(shè)備可靠性的提升，單一屏幕綜合化顯示的概念性駕駛艙正成為歐美航空發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)，這種技術(shù)可以在各飛行剖面上根據(jù)人機(jī)交互的實(shí)質(zhì)需求，最優(yōu)化的定制出飛行機(jī)組所需要的交互信息及其布局，并依此提高飛行機(jī)組完成任務(wù)的效率，提升了飛行機(jī)組的情景感知意識(shí)。

目前，國(guó)外對(duì)于飛行機(jī)組操作關(guān)聯(lián)性和任務(wù)效能評(píng)價(jià)方法主要是飛行環(huán)境復(fù)現(xiàn)測(cè)試法和操作任務(wù)時(shí)間線-粒度分析法[2]。

飛行環(huán)境復(fù)現(xiàn)測(cè)試，即把機(jī)組在日常航線和地面上的所有操作行為作為測(cè)試任務(wù)效能的基礎(chǔ)，該測(cè)試的目的是為了確保機(jī)組能在所有飛行階段都能有效地執(zhí)行他們的操作任務(wù)，并且測(cè)試安裝的設(shè)備能滿足它們支持的功能，它是一種偏重于定性描述的方法。除了對(duì)正常環(huán)境的測(cè)試，還需要額外考慮不利運(yùn)行條件下的測(cè)試，所謂不利運(yùn)行條件就是機(jī)組不經(jīng)常遭遇的情況，包括系統(tǒng)失效或環(huán)境條件改變（例如，惡劣天氣）。通用的衡量標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾方面。

（1）在遭遇到不利運(yùn)行條件時(shí)沒(méi)有給機(jī)組過(guò)分增加操作負(fù)荷；

（2）不會(huì)造成不可恢復(fù)的操作錯(cuò)誤；

（3）能及時(shí)的完成所需要的操作任務(wù)。

在此類(lèi)測(cè)試中，確定適當(dāng)?shù)臋C(jī)組行為指數(shù)是關(guān)鍵的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，機(jī)組行為指數(shù)與機(jī)組如何把駕駛艙特性使用的好是具有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)性的。

國(guó)外應(yīng)用較多的任務(wù)關(guān)聯(lián)性與負(fù)荷水平的評(píng)價(jià)工具包括：

（1）TLX（NASA Task Load Index） （S. Hart）；

（2）SART（Situational Awareness Rating Technique）（R.Taylor）；

（3）SWAT（Subjective Workload Assessment Technique）（G.Reid）；

（4）SWORD（Subjective Workload Dominance Technique）（M. Vidulich）。

操作任務(wù)時(shí)間線-粒度方法主要是通過(guò)人在控制回路中執(zhí)行操作時(shí)，采用任務(wù)間隔水平（粒度）為基礎(chǔ)完成機(jī)組操作任務(wù)分析，任務(wù)間隔依賴(lài)于設(shè)計(jì)目標(biāo)或評(píng)估目標(biāo)。例如，分析與無(wú)線電調(diào)諧相關(guān)的所有操作在不同任務(wù)粒度下單個(gè)飛行員是否可以全部可達(dá)，又如，在引入一個(gè)新的飛行告警信息后，分析飛行員與失效管理相關(guān)的操作任務(wù)是否能及時(shí)完成。對(duì)于第一種情況，評(píng)估只需要驗(yàn)證所有控制單元是否都安裝在了滿足一定限制的區(qū)域上，以滿足可達(dá)性要求即可；第二種情況，就要求飛行員能記住一堆連續(xù)的和并發(fā)的操作任務(wù)，并能作出相應(yīng)的控制操作。此外還要同時(shí)應(yīng)對(duì)更重要的飛行、通信、系統(tǒng)管理的任務(wù)。

綜上所述，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)飛行員操作時(shí)頭、眼、坐姿、四肢的運(yùn)動(dòng)可以定量地分析出其所承受的任務(wù)負(fù)荷，然而，這些行為與信息的指示方式、信息與操縱器件的物理布局有著強(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系。

如果從完成某剖面上飛行任務(wù)的角度上看，該任務(wù)一定可以分解出眾多子任務(wù)，這些子任務(wù)并不需要考慮它們的空間布置方式和信息指示方式，這就利于將這些小的操作任務(wù)抽象化，也利于更真實(shí)地分析出任務(wù)間的關(guān)聯(lián)性與實(shí)質(zhì)上的負(fù)荷水平。而要解決這類(lèi)問(wèn)題，一方面需要提出一種操作行為的抽象化描述建模方法；另一方面，還需要對(duì)一組操作行為引入數(shù)學(xué)分析方法，進(jìn)而保證能夠定量的描述操作任務(wù)的關(guān)聯(lián)性和操作強(qiáng)度。

1 飛行機(jī)組操作行為的抽象方法

1.1 操作行為的量化描述思想

正如國(guó)外研究中提到的，確定適當(dāng)?shù)臋C(jī)組行為指數(shù)是評(píng)估人機(jī)交互效能的關(guān)鍵，機(jī)組行為指數(shù)與機(jī)組如何把駕駛艙功能特性使用的好是具有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)性的。

該文中主要考慮將包括眼睛在信息間的移動(dòng)頻率，注視時(shí)間，手到各操縱器件移動(dòng)頻率，以及這些活動(dòng)的往復(fù)程度作為評(píng)價(jià)的切入點(diǎn)。

一般地，機(jī)器的一組操作行為可以用圖1所示的時(shí)間線方式描述。

而人的操作行為往往具有離散的特點(diǎn)，但其時(shí)間線上的趨勢(shì)與機(jī)器的行為卻是非常類(lèi)似的，如圖2所示。

操作行為的量化方法必須有利于以下關(guān)系的挖掘。

（1）能利于描述出操作行為間的依賴(lài)關(guān)系；

（2）能利于描述出單個(gè)操作行為的強(qiáng)度。

為了描述這些操作間的關(guān)系，一種直觀、簡(jiǎn)單、有效的方法就是合理的劃分時(shí)間間隔，在間隔內(nèi)通過(guò)計(jì)分方式描述操作是否發(fā)生過(guò)?？紤]到適航規(guī)章與機(jī)組資源管理[3]的原則中，飛行員不能長(zhǎng)時(shí)間關(guān)注某個(gè)特定信息是一條最基本的原則，因此這種描述方式與實(shí)際飛行操作過(guò)程更貼切。

但是對(duì)于時(shí)間間隔的劃分也會(huì)影響操作關(guān)系的分析結(jié)果，如圖3所示。

時(shí)間間隔劃分過(guò)大，對(duì)描述任務(wù)間的關(guān)聯(lián)性會(huì)起到夸大作用。Δt1內(nèi)會(huì)描述操作A、B、C有關(guān)聯(lián)性，而Δt2內(nèi)操作A和B，A和C關(guān)聯(lián)性大些，而B(niǎo)和C存在時(shí)間上的先后順序，并不是說(shuō)一定沒(méi)關(guān)聯(lián)（因?yàn)榭赡艽嬖谝蚬P(guān)系），但至少說(shuō)反復(fù)操作所需的緊迫性不如前面的兩種組合強(qiáng)。

因此能適當(dāng)選取出時(shí)間間隔是決定分析結(jié)果的重要前提。

1.2 對(duì)人的思維和行為處理的一種假設(shè)

該文的研究考慮一種假設(shè)，即人腦在與外界系統(tǒng)進(jìn)行交互的過(guò)程中，是一個(gè)多任務(wù)串行處理系統(tǒng)，在某個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)或者很短的時(shí)間段（幾秒鐘）內(nèi)不能同時(shí)處理兩個(gè)以上的任務(wù)。

2 飛行場(chǎng)景與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究一種新的評(píng)價(jià)方法，進(jìn)而可以逐漸歸納、總結(jié)、提煉成一種準(zhǔn)則。該文首先考慮正常飛行場(chǎng)景，將公認(rèn)的復(fù)雜和高工作負(fù)荷的情形加入到飛行場(chǎng)景中去，這樣將更有利于方法與理論的提煉。

該文中考慮在RNP APCH和VNAV運(yùn)行環(huán)境下，飛行員使用自動(dòng)飛行系統(tǒng)執(zhí)行儀表進(jìn)近程序時(shí)，在低能見(jiàn)度（一般取RVR<1800 ft，主要考慮影響飛行員對(duì)目的機(jī)場(chǎng)的視覺(jué)位置，飛機(jī)相對(duì)離地高度的判斷），以及在RNP最終進(jìn)近和著陸滑跑階段對(duì)于偏離跑道中心線的趨勢(shì)的所有監(jiān)控和操縱行為[4-5]。

該場(chǎng)景中，正常操作任務(wù)集如表1所示。

該場(chǎng)景中，飛行剖面和程序如圖4所示。

在飛行進(jìn)程的不同階段，飛行員所需要注意觀察的信息是有區(qū)別的，為了更準(zhǔn)確地描述活動(dòng)關(guān)聯(lián)性，應(yīng)當(dāng)按照飛行任務(wù)的不同目標(biāo)劃分場(chǎng)景的進(jìn)程，否則時(shí)間跨度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致任務(wù)關(guān)聯(lián)性描述的不準(zhǔn)確。

從飛行任務(wù)目標(biāo)的角度，該場(chǎng)景主要可分為以下幾點(diǎn)。

（1）飛機(jī)在根據(jù)進(jìn)場(chǎng)程序自動(dòng)的由RNP RNAV和VNAV從IAF點(diǎn)引導(dǎo)至FAF點(diǎn)（P1）；

（2）飛機(jī)預(yù)位ILS的下滑道和航道引導(dǎo)信息，為最終進(jìn)近做準(zhǔn)備（P2）；

（3）飛機(jī)使用ILS的下滑道和航道引導(dǎo)信息執(zhí)行最終進(jìn)近直至拉平接地（P3）；

（4）飛機(jī)按照ILS的航道引導(dǎo)信息保持航道和航向，并剎車(chē)（P4）。

3 操作行為的數(shù)學(xué)分析

3.1 操作行為關(guān)聯(lián)性的數(shù)學(xué)模型

為了便于把操作任務(wù)與時(shí)間線聯(lián)系起來(lái)，該文采用矩陣的方式將其描述為一種二維關(guān)系。對(duì)于a、b、c三個(gè)操作在4Δt內(nèi)的發(fā)生過(guò)程有如下描述：

為同時(shí)獲得任務(wù)強(qiáng)度信息和任務(wù)關(guān)聯(lián)性信息，則：

Active*ActiveT是一個(gè)對(duì)稱(chēng)陣，對(duì)角線部分描述的是操作自己與自己的關(guān)系，計(jì)分越多說(shuō)明操作在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的次數(shù)越多，隨之操作強(qiáng)度越大。而對(duì)角線的兩側(cè)說(shuō)明了操作之間的關(guān)系。如果一對(duì)操作在設(shè)定的時(shí)間片段內(nèi)存在相關(guān)性，則對(duì)角線兩側(cè)的計(jì)算結(jié)果會(huì)表現(xiàn)出這種關(guān)系。

操作強(qiáng)度strength可用如下公式表達(dá)：

其中，n代表操作發(fā)生次數(shù)；t代表整個(gè)任務(wù)的時(shí)間段。

操作j對(duì)操作i的關(guān)聯(lián)性depend（j，i）可用如下公式表達(dá)：

其中，k（i，j）代表操作i和j的關(guān)聯(lián)次數(shù)；ni代表操作i的發(fā)生次數(shù)；操作i是對(duì)角線上的操作?？梢宰C明，對(duì)角線是操作i的總共發(fā)生次數(shù)，而其對(duì)應(yīng)的列或者行上是其它操作與其并發(fā)操作的次數(shù)，是i與j的關(guān)系，因此后者一定不大于前者。即，depend（j，i）≤1。

另外，時(shí)間片段的長(zhǎng)短會(huì)顯著影響關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果。時(shí)間取得過(guò)短會(huì)得到稀疏矩陣，而對(duì)描述關(guān)聯(lián)性，尤其是往復(fù)程度并無(wú)益處，而時(shí)間片段長(zhǎng)，則會(huì)夸大關(guān)聯(lián)性?？紤]到人為因素適航條款，工業(yè)界對(duì)人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)以及飛行員一般的實(shí)際操作行為，時(shí)間間隔取10 s。

為了便于用數(shù)學(xué)與邏輯關(guān)系描述關(guān)聯(lián)性，該文采用計(jì)分方法描述任務(wù)的發(fā)生（發(fā)生則打分為1，否則為0）。

3.2 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所采用的設(shè)備為商業(yè)模擬飛行軟件與操縱器件，另外加裝一套頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤掃描儀。

模擬飛行軟件可用于建立虛擬的飛行場(chǎng)景，并帶有虛擬的人機(jī)交互功能及其邏輯。在選取操縱器件時(shí)，主要考慮了近過(guò)程直接相關(guān)的操縱器件，包括操縱桿，油門(mén)桿，腳蹬與剎車(chē)裝置，自動(dòng)飛行控制板，無(wú)線電通信導(dǎo)航調(diào)諧控制板。頭部運(yùn)動(dòng)掃描儀采集的數(shù)據(jù)可以精確的反應(yīng)出飛行員內(nèi)外視界上的觀察焦點(diǎn)。

模擬試驗(yàn)臺(tái)的組成如圖5所示。

3.3 P1剖面上的測(cè)試及分析

P1上，飛行機(jī)組操作任務(wù)的矩陣如表2所示。

P1*P1T=（見(jiàn)表3）

操作關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：

Depend（P1）=（見(jiàn)表5）

從關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，P1中關(guān)聯(lián)度較高的（超過(guò)0.5）的操作對(duì)有：

（1）1，2：3（操作1，2對(duì)活動(dòng)3有關(guān)聯(lián)性）；

（2）2：4；

（3）1，2，3：5；

（4）2：7；

（5）2，4，7：8；

（6）1，3，5，8：9；

（7）2，7：10；

（8）2，7：11；

（9）1，2：12；

（10）4，6，7，11：13；

（11）1，2，7：14；

（12）1，2，3，7，14：15；

（13）2，4，7，8，14，15：17。

這些結(jié)果表明，在P1內(nèi)，看進(jìn)近程序的同時(shí)常需要觀察高度變化和垂直速度，RNP橫向航道偏差，VNAV縱向軌跡偏差；看飛行姿態(tài)與看高度變化也存在關(guān)聯(lián)；看進(jìn)近程序時(shí)也會(huì)比較注重速度約束特征點(diǎn)的穿越情況；襟縫翼動(dòng)作安全速度的操作與空速，高度，姿態(tài)有關(guān)聯(lián)關(guān)系；飛行員對(duì)天氣的關(guān)注與空速，高度的觀察有關(guān)聯(lián)關(guān)系；飛行員在努力建立目視參考時(shí)，對(duì)高度，姿態(tài)，空速，RNP橫向航道偏差，VNAV縱向軌跡偏差也同時(shí)關(guān)注。

3.4 P2～P4剖面上的測(cè)試及分析

P2～P4上，飛行機(jī)組操作任務(wù)的矩陣如表6所示。

分析的結(jié)果顯示，在P2中飛行速度矢量與飛行指引儀偏差，ILS預(yù)位頻率與指示，自動(dòng)著陸導(dǎo)引飛行工作模式關(guān)聯(lián)性大；在P3中，飛行員在努力建立目視參考時(shí)，高度變化、姿態(tài)、飛行速度矢量與飛行指引儀偏差、決斷高度指示、航向信標(biāo)與下滑道信標(biāo)的觀察聯(lián)系最緊；在P4中，飛行員觀察跑道中心線，航向信標(biāo)指示，發(fā)動(dòng)機(jī)反推推力指示的操作關(guān)聯(lián)最緊，其余大部分操作基本無(wú)需執(zhí)行。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從機(jī)組操作行為的抽象化數(shù)學(xué)模型描述方法入手，利用對(duì)操作行為的數(shù)學(xué)分析方法定量分析出操作任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性。該方法的計(jì)算結(jié)果較為真實(shí)的反映了RNP APCH剖面上人機(jī)交互需求的實(shí)質(zhì)，可以作為支持人機(jī)系統(tǒng)集成策略的一種理論方法。

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