民用飛機機組告警系統(tǒng)模擬器驗證試驗研究

摘 要：民用飛機機組告警系統(tǒng)的作用是吸引飛行機組的注意，使其知曉飛機和飛機系統(tǒng)出現(xiàn)的失效或故障。機組告警系統(tǒng)的設計和驗證高度依賴于人為因素和飛行員評估，通過飛行模擬器進行驗證是一種有效的評價手段和工具。該文對民用飛機機組告警系統(tǒng)的模擬器驗證試驗進行研究，對民用飛機機組告警系統(tǒng)的設計驗證提供參考。

關(guān)鍵詞：機組告警系統(tǒng) 飛行模擬器 人為因素

中圖分類號：V243 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0006-03

Abstract：The purpose of crew alerting system on civil aircraft is to attract the attention of the flight crew， to inform them of specific non-normal airplane and airplane system conditions or certain nonnormal operational events that require their awareness. Design and Verification of Crew Alerting System highly depends on human factor consideration and pilots evaluation， which can be effectively evaluated by flight simulator. The article gives research and provides advices on research on simulator verification test of crew alerting system for civil aircraft.

Key Words：Crew alerting system； Flight simulator； Human factor

民用運輸類飛機應安裝有機組告警系統(tǒng)。飛行機組告警系統(tǒng)的目的是吸引飛行機組的注意力，提供需要注意的特定的非正常飛機系統(tǒng)狀態(tài)，或者特殊的非正常運行事件。飛行機組告警系統(tǒng)的設計依賴于系統(tǒng)監(jiān)控的設計、以及人為因素。

該文分析了采用飛行模擬器試驗方法對機組告警系統(tǒng)的設計進行驗證的方法。首先闡述了民用飛機機組告警系統(tǒng)的設計考慮；其次分析了機組告警系統(tǒng)的驗證范圍和要求；然后給出了采用模擬器驗證試驗（MOC8）的方法，包括驗證思路、故障模擬方法、驗證和評估內(nèi)容以及驗證方法；最后給出了該研究的意義和今后的工作方向。

1 機組告警系統(tǒng)的設計考慮

1.1 機組告警的目的和意義

由于飛行機組最終負責飛機的運行，在出現(xiàn)非正常機組操作或飛機系統(tǒng)非正常狀態(tài)時，必須向飛行機組提供告警，以幫助飛行機組確認緊急和非正常狀態(tài)，并及時正確地做出響應。以前，飛機的設計使用獨立的告警燈提供告警功能，而現(xiàn)在告警功能已能夠被集成在其他的系統(tǒng)，包括電子顯示系統(tǒng)、音響或語音生成系統(tǒng)以及振動警告系統(tǒng)。

根據(jù)中國民用航空規(guī)章CCAR25§1309的要求，必須提供警告信息，向機組指出系統(tǒng)的不安全工作情況并能使機組采取適當?shù)募m正動作。系統(tǒng)、控制器件和有關(guān)的監(jiān)控與警告裝置的設計必須盡量減少可能增加危險的機組失誤[1]。

機載飛行機組告警的目的是吸引飛行機組的注意力，通知他們需要注意的特定的非正常飛機系統(tǒng)狀態(tài)，或者特殊的非正常運行事件。另外，在現(xiàn)代告警系統(tǒng)中，向機組建議針對這些情況的可能的措施。

一個告警能夠完成其目的的能力取決于整個告警功能的設計。這包含傳感器和觸發(fā)告警所需的傳感條件，以及對該信息進行何種處理，包括緊急程度和分配的優(yōu)先級，以及如何選擇告警要素以表達分配的緊急程度。無需機組注意的條件不應生成一個告警。

1.2 機組告警的設計要素

在設計機組告警系統(tǒng)時，應考慮以下概念和要素[2]。

僅需要機組注意的非正常飛機系統(tǒng)狀態(tài)和運行事件才應當作為一個告警，機組需要注意這些系統(tǒng)狀態(tài)和運行事件用于支持機組決策并確定適當?shù)臋C組響應。然而，需要提供告警的狀態(tài)也取決于特定的系統(tǒng)和飛機設計。例如，在一個多傳感器系統(tǒng)中的單一傳感器的失效可能不會導致一個需要飛行員注意的告警狀態(tài)。然而，對于一個單套傳感器系統(tǒng)，這樣的一個失效應當導致一個告警狀態(tài)，并向飛行機組提供能夠保證持續(xù)安全飛行和著陸的信息。

所有呈現(xiàn)給飛行機組的告警，必向飛行機組提供能夠確定非正常運行或飛機系統(tǒng)狀態(tài)并決定糾正措施的信息。適當?shù)娘w行機組糾正措施通常由飛機操作程序（例如，飛行手冊）定義，也是飛行機組培訓課程的一部分，或是基本的飛行技術(shù)。

告警系統(tǒng)的設計應考慮適當?shù)囊亟M合，使其能夠在特定的情形下有效地吸引機組的注意力，典型的要素包括：主視覺告警、視覺告警信息（包括機組告警信息和故障旗指示）、音響告警（包括語音和獨特的音調(diào)）、振動或觸覺信息。

其中機組告警信息的要素包括信息文本、信息等級和信息邏輯等。

使用基于邏輯的綜合告警系統(tǒng)，以保證告警系統(tǒng)要素得以在時序上同步，并按照每個告警等級提供適當?shù)母婢＠?，主視覺告警的觸發(fā)通常應當與主語音告警同時發(fā)生。如果使用的語音告警帶有多種含義，應提供相應的視覺、振動或觸覺告警，以避免任何告警狀態(tài)及含義的不確定性。

應為每個告警條件確定緊急程度或優(yōu)先級（警告、警戒和提示）。如果某個告警的緊急程度和優(yōu)先級會由于飛機狀態(tài)、飛行階段、系統(tǒng)構(gòu)型等不同而不同，那么應在告警系統(tǒng)的設計中加以確認。

應設計一套通用的告警表現(xiàn)形式（例如，告警功能的布局、告警組合（音響、視覺、振動）、告警信息提供的信息和標準化的顏色和圖形），并明確告警的實現(xiàn)形式（例如，告警信息的結(jié)構(gòu)和時序）以支持告警功能。

2 機組告警系統(tǒng)的驗證范圍和要求

根據(jù)民用航空規(guī)章的要求，民用飛機機載系統(tǒng)需要進行適航審定，以表明對于適航規(guī)章的符合性。由于不同項目中告警功能或系統(tǒng)的復雜性、綜合程度以及系統(tǒng)細節(jié)的不同，所需的適航審定可能是不同的。美國聯(lián)邦航空局（FAA）建議制定審定計劃以確定如何表明對規(guī)章的符合性，并建議在民用飛機項目研制早期討論的任何機組告警設計理念和要求的可接受性，以及需要向機組提供告警的條件[3]。

FAA提出，應根據(jù)適航合格審定計劃開展對告警系統(tǒng)的驗證和評估。驗證和評估應當包括對預定功能的可接受性能，如人-機接口，以及告警系統(tǒng)失效情況的可接受性。這些情況應反映系統(tǒng)預期的運行使用，驗證和評估中所應包含的特定方面有[4]如下幾個。

（1）告警的視覺、語音、以及觸覺。

（2）從人-機集成角度滿足預定功能的有效性，包括工作負荷，潛在的飛行機組錯誤和混淆。

（3）正常和緊急狀態(tài)下的抑制邏輯，以及相關(guān)控制的可接受性。

（4）與其他系統(tǒng)的有效集成，可能要求測試每個特定的告警，并驗證已提供了適當?shù)某绦颉?/p>

（5）驗證在故障模式下操作的可接受性。

（6）與其他顯示和控制的兼容性，包括多個警告。

（7）保證告警系統(tǒng)自身不會產(chǎn)生虛警，或?qū)ζ渌到y(tǒng)造成干擾。

（8）針對特定的飛行階段（例如：起飛和著陸）以及特定的飛機構(gòu)型（例如：非正常襟翼和起落架）抑制告警。

根據(jù)上述驗證范圍要求，應對機組告警系統(tǒng)進行技術(shù)分析、試驗室試驗、模擬器驗證試驗和飛行試驗，以表明對于適航規(guī)章的符合性。

3 機組告警系統(tǒng)模擬器驗證試驗（MOC8）方法

根據(jù)機組告警系統(tǒng)的驗證范圍和要求，可以通過適當?shù)娘w行階段和機組來評估單個或多個告警，包括具有代表性的環(huán)境和運行條件。機組告警功能作為一個整體，其設計要素與人為因素和人機接口密切相關(guān)，因此適合在一個具有代表性的駕駛艙環(huán)境中進行評估，典型的模擬器可以用于完成對某些人為因素和工作負荷研究的評估。

3.1 驗證思路

機組告警系統(tǒng)的驗證應選用能夠代表飛機真實座艙設計和功能的模擬器，應評估其逼真程度，確保與適航要求相一致，并得到適航審查方的確認。機組告警的驗證范圍應包括第2節(jié)中的機組告警系統(tǒng)設計要素、機組操作和工作負荷。對機組告警系統(tǒng)的驗證和評估應該由具有多種背景和經(jīng)驗的具有代表性的飛行員團隊完成。

3.2 故障模擬方法

中國民航CCAR-60飛行模擬設備的鑒定和使用規(guī)則要求[5]，飛機飛行模擬機的駕駛艙一般構(gòu)型、模擬機編程、教員臺、運動系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)和視景系統(tǒng)的功能和性能應與其所模擬的飛機具有一定的相似程度并滿足飛機飛行模擬機一般要求。飛行模擬機主要部分通常包括仿真駕駛艙，提供駕駛艙真實環(huán)境和儀器操縱；計算機系統(tǒng)進行模型運算提供飛行數(shù)據(jù)；視景系統(tǒng)根據(jù)飛行數(shù)據(jù)提供真實的駕駛艙外視景，包括跑道、機場、大氣環(huán)境等；運動系統(tǒng)控制模擬機平臺的姿態(tài)，給飛行員提供姿態(tài)和加速度感受；聲音系統(tǒng)給模擬機提供飛行中各種情況下的駕駛艙聲音。

對于機組告警系統(tǒng)的模擬機驗證試驗，告警狀態(tài)和條件均來源于模擬機模擬的飛機系統(tǒng)輸入，因此飛行模擬機應可以控制所需的全部系統(tǒng)變量，將必需的全部緊急和非正常條件輸入到模擬機，同時也可以通過控制臺設定風速和風向以及地面和空中危險情況的功能。圖1說明了通過模擬機控制臺模擬飛機系統(tǒng)狀態(tài)，以替代使用真實飛機系統(tǒng)的原理。

3.3 驗證方法

機組告警系統(tǒng)模擬器驗證和評估內(nèi)容以及驗證方法見表1所示。

4 研究的意義和今后的工作方向

民用飛機機組告警系統(tǒng)是重要的機載系統(tǒng)，與飛行機組的操作和航線運行安全密切相關(guān)。該文對民用飛機機組告警系統(tǒng)的設計考慮和適航符合性驗證方法進行了分析和研究，初步闡述了通過飛行模擬器對機組告警系統(tǒng)進行驗證的方法，為民用飛機機組告警系統(tǒng)的設計驗證提供了有效途徑。

參考文獻

[1] CCAR-25-R4，運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[2] 姚新斌.民用飛機機組告警系統(tǒng)設計研究[J].科技創(chuàng)新導報，2012（27）：14-15.

[3] Michelle Yeh， Young Jin Jo， Colleen Donovan， et al. Human Factors Considerations in the Design and Evaluation of Flight Deck Displays and Controls [R].Washington：FAA，2013.

[4] AC25.1322-1， FLIGHT CREW ALERTING [S]. Washington：FAA，2010.

[5] CCAR-60，飛行模擬設備的鑒定和使用規(guī)則[S].北京：中國民用航空局，2005.