民機駕駛艙人機工效符合性認證方法及評價方法研究

裴后舉 丁媛媛 蔣彥龍 高志剛 施 紅 /PEI Houju DING Yuanyuan JIANG Yanlong GAO Zhigang SHI Hong

(1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016; 2.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

民機駕駛艙人機工效符合性認證方法及評價方法研究

裴后舉1丁媛媛1蔣彥龍1高志剛2施 紅2/PEI Houju1DING Yuanyuan1JIANG Yanlong1GAO Zhigang2SHI Hong2

(1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016; 2.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

對國內(nèi)外運輸類飛機適航標準中與駕駛艙人機工效相關(guān)的條款進行總結(jié)。從適航認證的角度對民機駕駛艙人機工效符合性認證方法進行分析，并對如何選擇符合性方法進行了說明。闡述了目前廣泛使用的虛擬仿真法、模型試驗法兩種人機工效符合性評價方法。為運輸類飛機人機工效設(shè)計和型號認證提供指導(dǎo)。

駕駛艙；人機工效；適航條款；適航認證；符合性方法

0 引言

飛機駕駛艙人機工效(也稱人為因素)適航認證過程伴隨飛機從概念設(shè)計到交付使用及后期維護的全壽命周期。飛機駕駛艙是駕駛員工作的場所，具有空間狹窄、儀器眾多、功能和安全性要求高等特點，其人機工效設(shè)計的優(yōu)劣不僅影響飛行員的生理、心理和意識活動，而且直接影響著飛行員的工作效率和飛機的飛行安全[1]。美英等國根據(jù)近年來全球商用飛機重大飛行事故調(diào)查，發(fā)現(xiàn)70%～80%的事故與人的失誤有關(guān)[2-4]。隨著民機系統(tǒng)集成化和自動化程度不斷提高，人為因素逐漸成為導(dǎo)致飛行事故的主要原因，美國FAA、歐洲EASA將人為因素寫入了其適航規(guī)章中，成為國家法規(guī)文件系統(tǒng)的一部分。因此，做好駕駛艙人機工效適航認證工作成為保障飛機飛行安全的重要組成部分。

與英美等發(fā)達國家相比，由于國內(nèi)大型客機的研制起步較晚，駕駛艙人機工效的適航認證工作尚處于探索階段，缺少相關(guān)經(jīng)驗。目前僅有少數(shù)學者對其進行了研究。例如：文獻[5]分析了民用客機人機工效學適航認證的特點和挑戰(zhàn)，對當前國產(chǎn)客機駕駛艙人機工效學型號適航認證的工作流程和方法提出建議；文獻[6]開展了民機駕駛艙適航符合性驗證的總體思路、符合性驗證技術(shù)等研究。但目前并未見到對與人機工效適航認證相關(guān)的符合性方法以及符合性方法的選擇進行詳細討論的相關(guān)文獻。因此，本文結(jié)合國內(nèi)研究現(xiàn)狀以及國內(nèi)外適航規(guī)章和相關(guān)適航文件，總結(jié)了與駕駛艙人機工效相關(guān)的條款，著重對駕駛艙人機工效符合性認證方法進行了研究，并簡要闡述了目前廣泛使用的兩種人機工效符合性評價方法。

1 人機工效符合性認證的基礎(chǔ)

適航符合性認證的基礎(chǔ)就是審定基礎(chǔ)，即民用飛機型號設(shè)計適用的適航條款，是民機設(shè)計中必須遵守的最低技術(shù)標準。目前，世界上主要的運輸類飛機適航規(guī)章有FAA和EASA的25部[7-8]，國內(nèi)民用航空規(guī)章CCAR25-R4[9]參照了FAA和EASA的規(guī)章，其中與駕駛艙人機工效學相關(guān)的條款與FAR25和CS25基本保持一致(不包括FAA與EASA近年來更新的條款)[5]，這些條款從人機工效學的角度對駕駛艙的設(shè)計提出了最低的適航要求。另一方面，隨著航空科學的發(fā)展，以及航空器使用要求的提升和人們航空安全意識的增強，適航規(guī)章也在不斷的發(fā)展和更新，截止到目前，F(xiàn)AA已發(fā)布了141項修正案，旨在對適航規(guī)章進行不斷完善。

2013年，F(xiàn)AA發(fā)布了25-137號修正案—飛行機組使用的機上系統(tǒng)和設(shè)備。在該修正案中，F(xiàn)AA發(fā)布了專門的人機工效條款FAR25.1302及相應(yīng)的咨詢通告AC25.1302-1[10-11]。該條款主要針對駕駛艙機組與系統(tǒng)的交互提出了具體要求，系統(tǒng)地解決了與人機界面設(shè)計和人機工效有關(guān)的問題[12]。

中國民用航空規(guī)章CCAR25-R4是目前國內(nèi)航空規(guī)章的有效版本，但其只相當于FAR25部及其25-1～25-125和25-128號修正案的同等要求水平[13]，與此同時，國內(nèi)大型客機項目也在逐步展開，因此，有必要對國外最新的適航審定標準進行研究，使國內(nèi)運輸類飛機適航標準與國際接軌。表1列出了國內(nèi)外運輸類飛機適航規(guī)章中與駕駛艙人機工效相關(guān)的適航條款[7-9]，包括FAA與EASA近年來更新的條款。

表1 與民機駕駛艙人機工效相關(guān)的適航條款

2 人機工效符合性認證的方法

FAA指南文件[14-15]列舉了七類與駕駛艙人機工效學適航認證相關(guān)的符合性方法。這些符合性方法并不是相互排斥的，它們具有一定的互補性。例如，對一個認證項目，采用相似分析法和模擬器試驗法的組合有可能比單一的試飛試驗更經(jīng)濟和有效[5]。在駕駛艙人機工效適航認證過程中可選擇下列方法。

1)設(shè)計描述

可通過圖紙、配置描述等來證明駕駛艙的設(shè)計符合特定規(guī)章的要求。

圖紙是指顯示硬件或顯示圖形的幾何布置的布局圖或工程圖。在進行符合性說明時圖紙可以很容易被簡化為簡單的幾何形狀、布置或技術(shù)制圖上存在的給定特征。

配置描述是對布局、總體布置、移動方向等的描述。例如，配置描述可以用于顯示飛行儀器的相對位置、控制功能的分組、顯示器和警報顏色代碼的分配等。在一些情況下，配置描述可以為特定要求下的符合性判斷提供足夠的信息。

2)相似性說明

相似性說明是對將要批準的系統(tǒng)和已經(jīng)得到批準的系統(tǒng)的描述，它詳細說明了兩個系統(tǒng)在物理、邏輯和操作等方面對規(guī)章符合性的相似性。但是，這種符合性方法必須謹慎使用，因為在對駕駛艙進行評估時，之前已經(jīng)在兩個不同程序中得到批準的兩個功能組合到一個駕駛艙上時可能不兼容。

3)評估

駕駛艙評估包括工程評價或分析、模型評估、部分任務(wù)評估、模擬艙評估以及飛行評估。駕駛艙評估并不要求一定在達到最終狀態(tài)才開始評估。為了保證能夠順利通過適航取證，可以在不同的設(shè)計節(jié)點與局方溝通進行駕駛艙評估，完成相關(guān)的設(shè)計、評估及試驗數(shù)據(jù)的記錄，為適航評審提供數(shù)據(jù)支持[2]。例如，可以通過在軟件中建立人體模型對駕駛艙的可達性進行分析[1]，如圖1所示。

需要注意的是，在所有評估中，雖然飛行評估通常能夠提供最真實、最全面的環(huán)境，但其可能受限于所產(chǎn)生的臨界飛行條件，在一些情況下并不能獲得所有預(yù)期的場景。因此，為了獲得一個完整的評價，需要將飛行評估與其它符合性方法結(jié)合。

4)演示

演示與評估類似，但是它們由申請人進行，此時適航認證小組或其指定人員參與其中。申請人需要提供報告并請求適航認證小組同意結(jié)果。適航認證小組應(yīng)該仔細考慮讓哪方面的專家參加，將收集什么數(shù)據(jù)，以及如何收集數(shù)據(jù)。這是為了確保演示能夠說明符合性問題。

5)檢查

這是適航認證小組或其指定人員對受管制項目的檢查。這種符合性方法通常僅限于那些通過觀察(或聽)所涉及的特征能夠簡單地找到其符合性的項目。例如，標牌的存在或不存在、控制器移動的方向等。

6)試驗

試驗是適航認證最關(guān)鍵的部分，由適航認證小組或其指定人員進行。試驗結(jié)果的好壞通常決定著適航認證能否通過。試驗類型主要包括試驗臺試驗、地面試驗、模擬艙試驗、飛行試驗。

試驗臺試驗是在實驗室環(huán)境中對組件的試驗。這種類型的試驗通常僅用于表明組件是否按照設(shè)計要求工作。典型的試驗臺試驗包括測量物理特性或從用戶或其他系統(tǒng)輸入的邏輯或動態(tài)響應(yīng)。

地面試驗是在真實的飛機上進行的試驗。當某些故障在飛機飛行過程中進行評估比較危險時，可以使用地面試驗來評估。地面試驗的一個典型例子是評估顯示器中的反射。在對顯示器中的反射進行評估時，通常要將駕駛艙的窗戶覆蓋來模擬黑暗環(huán)境，也要將駕駛艙亮度設(shè)置至所需的水平。由于光源、顯示器硬件或窗口結(jié)構(gòu)的差異，這種特定的測試在模擬器中無法完成。

飛行試驗是飛行過程中使用真實的飛機進行的試驗。在某些情況下，申請人和適航認證小組可以只使用飛行試驗進行符合性說明。但是飛行試驗也有它的局限性。首先，如上面飛行評估的部分所述，它可能無法測試所有重要的場景或條件。另外，飛行試驗是非常昂貴的。對于這樣的問題，通常最好使用飛行試驗作為使用其它符合性方法收集來的數(shù)據(jù)的最終確認。適航認證小組和申請人應(yīng)該詳細討論如何和何時使用飛行試驗來驗證符合性。

3 人機工效符合性認證方法的選擇

一般來說，人機工效學符合性認證方法的選擇要綜合考慮許多因素，包括條款要求、申請人的理解、符合性方法的特點、認證項目的復(fù)雜性、設(shè)計特點、飛行安全性、申請人的經(jīng)驗、費用和時間限制，以及適航認證小組和申請人的協(xié)調(diào)等[5]。本文主要從設(shè)計特征的角度和條款特征的角度來說明符合性方法的選擇。

3.1 從設(shè)計特征的角度來選擇符合性認證方法

在選擇符合性方法時，主要考慮將要進行認證的產(chǎn)品的特點和即將進行評估的人機工效因素的類型。關(guān)于哪些因素構(gòu)成了最低的可接受的符合性方法，下面描述的特征可以用于幫助滿足任何要求。當一個產(chǎn)品需要滿足多個要求時，一些要求需要更復(fù)雜的試驗，但其它的要求能夠使用簡單的描述性方法來滿足。需要注意的是下面的特征只是一般原則，它們旨在形成對特定產(chǎn)品關(guān)于特定要求的可接受的符合性方法討論的基礎(chǔ)。

1)系統(tǒng)整合程度或獨立性

如果將要進行符合性評估的產(chǎn)品是不與機組人員界面的其它方面相互作用的獨立設(shè)備，那么簡單的符合性方法是可以接受的。但是，如果產(chǎn)品是一個完整的飛機駕駛艙或與駕駛艙中其它系統(tǒng)緊密相連地單個系統(tǒng)，則必須使用能夠允許測試這些交互的符合性方法。

2)新穎程度或過去的經(jīng)驗

如果技術(shù)成熟且易于理解，那么較不嚴格的方法可能是適當?shù)?。但是如果技術(shù)具有以下特點，則可能需要更嚴格的方法：

(1)新的；

(2)在一些新應(yīng)用中使用；

(3)對于特定申請者來說是新的；

(4)認證人員不熟悉這種技術(shù)。

3)復(fù)雜性或自動化程度

更復(fù)雜的或自動化程度更高的系統(tǒng)通常需要在正常的或備用的恢復(fù)操作模式中能夠揭示這種復(fù)雜性將如何體現(xiàn)在飛行員身上的測試方法。

4)危險程度

對于那些需要飛行員保持高水平操作來保證安全的系統(tǒng)來說，在最真實的環(huán)境中進行測試是必要的，因為任何問題都可能產(chǎn)生更嚴重的后果。

5)動態(tài)性

如果產(chǎn)品的控制和顯示特征是高度動態(tài)的，那么符合性方法應(yīng)該能夠復(fù)制這些動態(tài)條件。

6)符合性標準的主觀程度

如果一個要求具有具體的、客觀的衡量標準，申請人通?？梢允褂酶唵蔚姆椒▉碜C明符合性。當可接受的標準變得更加主觀的時候，申請人將需要使用更加綜合的試驗方法，以便評估時能夠考慮到駕駛艙中可能對這些評估造成影響的各個方面。

3.2 從條款特征的角度來選擇符合性認證方法

以下八個步驟概述了確定與每個規(guī)章相關(guān)的人機工效因素的策略。

1)確定與規(guī)章相關(guān)的主要的人機工效問題

雖然規(guī)章可能側(cè)重于單一概念，但為了評估該問題，可能需要考慮幾個基本組件。例如，第25.777節(jié)規(guī)定，駕駛艙必須容納高度為5英尺2英寸至6英尺3英寸的飛行員，這意味著在這個范圍內(nèi)的飛行員應(yīng)該能夠達到所有的控制器，查看所有的顯示器，并與結(jié)構(gòu)、面板等有足夠的間隙等。高度不是唯一的變量，因為相同高度的人可能具有不同長度的手臂、腿等。因此，必須考慮規(guī)章中規(guī)定的高度范圍內(nèi)各種人的身體比例。

2)確定可能受規(guī)章影響的系統(tǒng)、組件和特征

應(yīng)該對在預(yù)期可到達的邊界附近以及可能被插入對象阻塞的組件的可達性進行評估。對膝蓋與主儀表板的下邊緣的潛在接觸可能需要評估其間隙，尤其是對長腿的高個飛行員來說。

3)查找需要進行評估來證明其對規(guī)章的符合性的系統(tǒng)、組件或特征。這些方面可能會因系統(tǒng)、組件和特征以及規(guī)章而有所不同

例如，對座椅和方向舵面板調(diào)節(jié)范圍進行評估時要考慮其可達性和間隙，對顯示器的可讀性進行評估時應(yīng)考慮到光源亮度水平、顯示表面的發(fā)射率等。

4)對現(xiàn)有駕駛艙的修改或基于現(xiàn)有駕駛艙設(shè)計或從現(xiàn)有駕駛艙設(shè)計中衍生出來的新類型的設(shè)計，尋找新類型的設(shè)計中可能會影響先前認證過的設(shè)計的符合性的方面

例如，在駕駛艙中放置新的顯示裝置可能在窗戶中產(chǎn)生新的反射。在另一種情況下，新的電子顯示器(例如，液晶顯示器(LCD))可能比它所取代的機電顯示器更易受反射的影響。

5)審查過去的先例

關(guān)于這一點，應(yīng)審查過去的先例以評估設(shè)計的新穎性，因為設(shè)計的新穎性往往會影響到適當?shù)姆闲苑椒ǖ倪x擇。與之前得到認證的設(shè)計相似不一定意味著新產(chǎn)品將會得到認證，重要的是要評估是否存在以前的認證中不存在的新問題或交互。

6)評估設(shè)計新穎性

除了需要充分確定其是否符合現(xiàn)有條例之外，新穎的設(shè)計可能需要更嚴格的評估以確保其新穎特征不會導(dǎo)致任何新的安全問題。例如，新的照明技術(shù)可能有與當前飛機上使用的照明技術(shù)不同的光學特性，在照明和顯示技術(shù)之間可能存在加劇反射或眩光的相互作用。這種潛在的相互作用可能需要在能夠準確地代表照明環(huán)境的環(huán)境中進行評估。

7)審查對每個人機工效規(guī)章所提議的符合性方法，同時要確定他們是否充分解決了相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)確定的符合性問題

這取決于適航認證小組的判斷。重要的是要注意，這一步不是為了確定是否所有潛在的人機工效問題都得到充分解決；相反，它只涉及確定所提議的符合性方法是否解決了規(guī)章符合性問題，包括與特殊條件相關(guān)的問題。

8)如果所提議的符合性方法不能完全解決與符合性相關(guān)的人機工效問題，則需要確定適航認證小組首選的符合性方法所需的工作程度是否與安全風險和符合性不確定性的等級一致。

適航認證小組應(yīng)該仔細考慮特定規(guī)章問題和特定設(shè)計問題來確保對于簡單的、低風險的設(shè)計不需要昂貴的、耗時的符合性方法。符合性方法應(yīng)該關(guān)注符合性和安全性問題，而不是設(shè)計優(yōu)化。但是，如果符合性方法適當且足夠表明對要求的符合性，應(yīng)該允許申請人選擇高效的、低成本的符合性方法。申請人和適航認證小組應(yīng)努力就符合性方法達成共識。

4 人機工效符合性評價方法

不同的符合性方法對應(yīng)著不同的評價方法。本節(jié)參考上述適航條款的符合性認證方法，從人機工效學的基本研究方法出發(fā)，對人機工效符合性評價方法進行研究。駕駛艙人機工效符合性評價方法有層次分析法、虛擬仿真法、模型試驗法、試驗評價法等[16]。本文主要針對目前廣泛使用的虛擬仿真法、模型試驗法進行闡述。

1)虛擬仿真法

虛擬仿真法基于計算機輔助技術(shù)，可利用虛擬樣機、人體測量數(shù)據(jù)和三維人體模型，實現(xiàn)駕駛艙可達性、可視性和舒適性等指標的分析。例如，文獻[17]提出了一種基于JACK軟件虛擬設(shè)計的駕駛艙人機工效布局評價方法，為駕駛艙人機工效布局虛擬評價提供參考；文獻[18]開發(fā)了駕駛艙照明綜合仿真和驗證系統(tǒng)，研究了基于視覺工效學的民機駕駛艙光環(huán)境評價方法。

相比于傳統(tǒng)的真人現(xiàn)場評價樣機，虛擬樣機具有許多優(yōu)勢，因而得到廣泛的應(yīng)用。在早期的設(shè)計階段可利用虛擬樣機和計算機人體模型進行初步的人機工效評價，發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足，有效縮短設(shè)計周期和降低設(shè)計費用，靈活性強，安全性高。但由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，其無法評估所有的人機工效指標。

2)模型試驗法

模型試驗法通過利用各種技術(shù)和裝置對復(fù)雜的人機界面系統(tǒng)進行模擬和試驗，得到符合實際情況的數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^建立駕駛艙仿真試驗臺、人體模型等對駕駛艙人機工效指標進行分析和評價。例如，文獻[19]利用RadTherm平臺接口，建立人體熱舒適性模型，結(jié)合Fluent的數(shù)值模擬結(jié)果，以人體熱舒適性為基準對駕駛艙環(huán)境進行系統(tǒng)評估；文獻[20]開發(fā)了一臺駕駛工效綜合評定座艙試驗臺，定性/定量的研究飛機駕駛員工作時的復(fù)雜、實時操作感覺。

模型試驗法能夠逼真地模擬復(fù)雜的人機界面系統(tǒng)，真實地對操作順序、任務(wù)協(xié)調(diào)、人機干擾等進行研究[21]，因而得到廣泛應(yīng)用；通常模擬裝置只能針對特定目標進行研究，靈活性較差，難以得出一般性的結(jié)論。

5 結(jié)論

1)適航條款是適航認證的基礎(chǔ)，因此有必要對國外最新的與人機工效相關(guān)的條款進行研究，使國內(nèi)運輸類飛機人機工效適航認證標準與國際接軌。

2)人機工效符合性認證可采用設(shè)計描述、相似性說明、評估、演示、檢查、試驗等方法。在選擇符合性方法時，應(yīng)從設(shè)計特征和規(guī)章特征的角度，將方法和產(chǎn)品以及潛在的人機工效因素進行仔細地匹配，以選擇最經(jīng)濟、有效的符合性方法。

3)虛擬仿真法和模型試驗法是人機工效符合性評估的重要方法，可以通過虛擬樣機、駕駛艙仿真試驗臺、人體模型等對駕駛艙人機工效各種指標進行有效評估。

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Research on Conformity Certification and Evaluation Methods of the Cockpit Ergonomics for Civil Aircraft

(1. Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China;2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Clauses related to human factors of flight deck in the airworthiness standards for transport category airplane are summarized. This paper studies the methods of compliance for flight deck airworthiness certification, and explains how to choose the methods of compliance. This paper also describes two kinds of methods of ergonomics assessment-virtual simulation and model test. The methods can provide guidance for ergonomics design and model certification of transport aircraft.

flight deck；ergonomics；airworthiness clause； airworthiness certification；method of compliance

V223.1

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.010

江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程基金資助

裴后舉男，碩士。主要研究方向：人機與環(huán)境工程;E-mail：1107460848@qq.com

丁媛媛女，碩士。主要研究方向：人機與環(huán)境工程;E-mail：445008032@qq.com

蔣彥龍男，博士，教授。主要研究方向：低溫與制冷工程、人機與環(huán)境工程;E-mail：jiang-yanlong@nuaa.edu.cn

高志剛男，碩士。主要研究方向：船舶節(jié)能減排與人機環(huán)境;E-mail：773686890@qq.com

施紅女，博士，講師。主要研究方向：建筑設(shè)備與環(huán)境工程;E-mail：1176815804@qq.com