基于虛擬仿真的民機(jī)最小機(jī)組評(píng)估初步研究

蔣曉東　顧宏斌　吳東蘇

摘要：本文通過對(duì)最小飛行機(jī)組條款的解讀，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)組工作功能和工作量評(píng)估進(jìn)行深入研究。本文采用的方法是計(jì)算機(jī)輔助分析法，基于JACK軟件，利用其中的人因分析模塊進(jìn)行最小機(jī)組評(píng)估研究。首先在三維仿真軟件中建立駕駛艙、座椅等模型，并導(dǎo)入JACK中。通過優(yōu)化模型，并根據(jù)GJB 4856-2003中國(guó)男性飛行員人體尺寸數(shù)據(jù)，建立中國(guó)飛行員人體模型庫(kù)。然后針對(duì)數(shù)字飛行員進(jìn)行手部和眼部對(duì)操縱器件的可達(dá)性，不同飛行任務(wù)操作的舒適度、適配性等分析，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證某大型民機(jī)駕駛艙符合最小機(jī)組條款的適航要求，完成最小機(jī)組評(píng)估。

關(guān)鍵詞：最小飛行機(jī)組；JACK軟件；可達(dá)性；適配性

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0088-03

1 引言

民用運(yùn)輸類飛機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，必須符合相應(yīng)的適航管理?xiàng)l例，以滿足最低的安全標(biāo)準(zhǔn)，才能夠允許進(jìn)入市場(chǎng)。目前適用于我國(guó)民用客機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)民用航空局（CAAC）制定的《中國(guó)民航規(guī)章》（CCAR-25）。同時(shí)為了進(jìn)軍市場(chǎng)，我國(guó)的民用客機(jī)還需要滿足國(guó)際上主要的適航審定標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)聯(lián)邦航空局制定的《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（FAR-25）以及歐洲航空安全局制定的《大型運(yùn)輸類飛機(jī)審定規(guī)范》（CS-25）。其中FAR 25.1523及其附錄，規(guī)定了針對(duì)最小飛行機(jī)組（下文稱“最小機(jī)組”）條款的適航要求?！白钚★w行機(jī)組”是指在飛行駕駛艙的設(shè)備配置、布局等都已確定的情況下，機(jī)組成員能夠沒有過度的注意力集中或者感覺到疲勞，并安全完成飛行任務(wù)時(shí)所需要的最小編制人數(shù)。長(zhǎng)期以來，該條款被認(rèn)為是民機(jī)駕駛艙人為因素問題的首要條款[1]。

所以研究最小機(jī)組評(píng)估對(duì)適航取證有重要意義。本文主要使用計(jì)算機(jī)輔助分析法，由于JACK軟件有豐富的人體仿真模塊，所以使用JACK進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其主要工作有：（1）利用JACK軟件建立中國(guó)飛行員數(shù)字人體庫(kù)，由于JACK軟件沒有現(xiàn)成的中國(guó)男性飛行員人體模型庫(kù)，所以根據(jù) GJB-4856-2003中國(guó)男性飛行員人體尺寸，建立數(shù)字人體模型，用以做最小機(jī)組評(píng)估分析；（2）對(duì)駕駛艙座椅等三維模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，由于駕駛艙座椅結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，直接導(dǎo)入JACK軟件在個(gè)人計(jì)算機(jī)上無(wú)法讀取，會(huì)有卡頓。所以根據(jù)飛行座椅標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了座椅模型，并導(dǎo)入JACK軟件中；（3）基于JACK軟件的人因分析模塊進(jìn)行設(shè)備操縱器件的可達(dá)性和可視性實(shí)驗(yàn)；（4）經(jīng)過上述試驗(yàn)后，得出最小機(jī)組評(píng)估結(jié)論。

2 FAR 25.1523最小飛行機(jī)組準(zhǔn)則

FAR 25.1523指出，必須確定完成安全的飛機(jī)操縱所需的最小飛行機(jī)組[2]。同時(shí)，F(xiàn)AR 25附錄D指出了確定最小飛行機(jī)組的準(zhǔn)則和相應(yīng)的飛行機(jī)組工作量基本功能及因素。其中，基本的工作量功能包括：（1）航跡控制；（2）防碰撞；（3）導(dǎo)航；（4）通信；（5）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)的操作和監(jiān)視；（6）命令決策。然后，工作量因素包括：（1）所有飛行、動(dòng)力及設(shè)備控制中必要的操作的可達(dá)性、難易程度；（2）所有必要的儀器及失效報(bào)警設(shè)備的可達(dá)性、顯著程度；（3）操作程序的數(shù)量、緊急程度及復(fù)雜程度；（4）腦力及體力的集中程度及持續(xù)時(shí)間；（5）航途中對(duì)燃油、液壓、增壓、電氣、電子、除冰及其他系統(tǒng)所需的監(jiān)視程度；（6）需機(jī)組成員離開其崗位才能完成的動(dòng)作；（7）飛機(jī)系統(tǒng)減少機(jī)組參與克服或隔離故障的自動(dòng)化程度；（8）通信及導(dǎo)航工作量；（9）由連鎖的緊急情況導(dǎo)致工作量增加的可能性；（10）運(yùn)營(yíng)規(guī)則要求最小飛行機(jī)組不得少于兩名飛行員，而其中一名因故不能工作。

3 利用JACK軟件建立中國(guó)飛行員人體數(shù)字庫(kù)

由于Jack中自帶的中國(guó)人體數(shù)據(jù)庫(kù)僅為1989年以中國(guó)60歲以下成年男性和55歲以下成年女性為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)（GB10000-88），而本文做的是最小機(jī)組評(píng)估方面的研究，故需要飛行員的人體尺寸。所以比照GJB 4856-2003中國(guó)男性飛行員人體尺寸的數(shù)據(jù)，建立中國(guó)飛行員人體數(shù)字模型庫(kù)[3]。

根據(jù)運(yùn)輸機(jī)飛行員的測(cè)量數(shù)據(jù)，分別對(duì)中國(guó)飛行員第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的數(shù)字人體進(jìn)行建模。

第一步，現(xiàn)在Jack界面中選擇Human，再選擇Create，點(diǎn)擊Custom選項(xiàng)，進(jìn)入建立人體模型（Build Human）界面進(jìn)行基本人體數(shù)字模型的創(chuàng)建（Basic Scaling）。選擇姓名、性別、身高、體重等，創(chuàng)建出一個(gè)基本的數(shù)字人。第二步，點(diǎn)擊高級(jí)選項(xiàng)（Advanced Scaling），進(jìn)入精確人體尺寸定義界面。根據(jù)運(yùn)輸機(jī)飛行員的測(cè)量數(shù)據(jù)，分別對(duì)中國(guó)飛行員第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的數(shù)字人體進(jìn)行輸入身高（Stature）、頭高（Head Height）、頭寬（Head Breadth）、頭長(zhǎng)（Head Length）、手長(zhǎng)（Hand Length）、手寬（Hand Breadth）、坐高（Sitting Hgt）等26項(xiàng)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建出中國(guó)男性飛行員數(shù)字人體模型庫(kù)。由于這26項(xiàng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性過大，按照表內(nèi)輸入數(shù)據(jù)后會(huì)引起其他數(shù)據(jù)的改變，所以需要修改部分的數(shù)據(jù)，使數(shù)字人正常創(chuàng)建。第三步，用目視觀察法檢測(cè)數(shù)字人體模型的外形是否正常，比如胳膊或者腿部有無(wú)過粗或者過細(xì)，脖頸太長(zhǎng)或太短，腰臀有無(wú)過大等。如不正常則點(diǎn)擊進(jìn)入身體部分調(diào)整（Body Part Scaling）界面，對(duì)頭、四肢、手足、關(guān)節(jié)等相關(guān)部位的數(shù)據(jù)按照需求進(jìn)行修改，使得人體模型的幾何形狀回到正常狀態(tài)。第四步，返回至高級(jí)選項(xiàng)，將26個(gè)人體數(shù)據(jù)測(cè)量項(xiàng)目選項(xiàng)再一次選中，改成中國(guó)飛行員標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值.再次返回上一步，如此循環(huán)，直到數(shù)字人體模型幾何形狀趨于正常，而且26個(gè)與最小機(jī)組評(píng)估相關(guān)的項(xiàng)目均和中國(guó)飛行員標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致。

人體模型之所以幾何形狀失常，一是因?yàn)槿梭w數(shù)據(jù)各方面都互相關(guān)聯(lián)，需要更改部分?jǐn)?shù)據(jù)，例如腿長(zhǎng)調(diào)大后，其他方面的數(shù)據(jù)沒有產(chǎn)生變化，導(dǎo)致大腿和小腿變細(xì)，造成幾何形狀失常[4]。二是因?yàn)闆]有一個(gè)的所有尺寸都在同一百分位上，人體模型需要建成現(xiàn)實(shí)中存在的真實(shí)的人，所以通過目視觀察法檢測(cè)人體模型的幾何形狀是否正常。更改一些與最小機(jī)組評(píng)估不相關(guān)的人體數(shù)據(jù)，從而達(dá)到中國(guó)飛行員人體模型庫(kù)建模的目的。

4 民機(jī)飛行駕駛艙的導(dǎo)入

建立完數(shù)字人體模型后，需要導(dǎo)入民機(jī)駕駛艙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[5]。根據(jù)駕駛艙既定的尺寸在三維建模仿真軟件上進(jìn)行建模，導(dǎo)出后格式轉(zhuǎn)為.wrl格式。然后從Jack軟件的模型導(dǎo)入模塊導(dǎo)入。導(dǎo)入的時(shí)候會(huì)同時(shí)出現(xiàn).fig格式和許多.pss格式的文檔。導(dǎo)入后的模型占據(jù)很大硬盤空間，個(gè)人計(jì)算機(jī)難以讀取，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化的具體方法是將.pss文件進(jìn)行二次導(dǎo)入，選取合適的參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。將改進(jìn)后的.pss文件替換之前的.pss文件。再重新打開.fig文件，就可以讀取駕駛艙模型了。改進(jìn)后的模型既能被讀取，也不會(huì)影響后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

5 最小機(jī)組評(píng)估實(shí)驗(yàn)

5.1 不同情況下的可達(dá)性與可視性仿真

（1）分別取【CHINESE】和【ANSUR】數(shù)據(jù)庫(kù)中，覆蓋比例為 1%、5%、50%、95%、99%的數(shù)字人構(gòu)建場(chǎng)景圖，對(duì)每組的數(shù)字人進(jìn)行手部和視覺可達(dá)域分析，并測(cè)量可達(dá)域的覆蓋范圍，如圖1所示。（2）分別設(shè)置座椅距離方向舵 0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，對(duì)不同座椅前后位置的可達(dá)域進(jìn)行分析量化。

5.2 可達(dá)性實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析

（1）經(jīng)過 JACK 軟件仿真，并通過測(cè)量工具，可以得到不同數(shù)據(jù)庫(kù)不同百分比數(shù)字人手部和視覺可達(dá)域數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表格中可以看出不同數(shù)據(jù)庫(kù)相同百分比數(shù)字人模型的可達(dá)域范圍差距很大，這是由于數(shù)據(jù)庫(kù)的來源差距比較大，中美兩個(gè)人的體格之間的差異，同時(shí)也有【CHINESE】是基于全國(guó)人口普查的數(shù)據(jù)制成的，而【ANSUR】則是根據(jù)美國(guó)軍隊(duì)的人員素質(zhì)普查數(shù)據(jù)制成，軍隊(duì)對(duì)人員的身體素質(zhì)通常有特殊的要求，這就進(jìn)一步加深了上表中的差異，為了進(jìn)一步對(duì)比這種差異，我們將上表繪制成折線圖，如圖2所示。

從折線圖中可以進(jìn)一步分析得出，隨著數(shù)字人的體格增大，肩膀的位置相應(yīng)提高，是可達(dá)域減小，同時(shí)上肢增長(zhǎng)，使可達(dá)域增大，但兩者的影響有大有小，在【CHINESE】數(shù)據(jù)庫(kù)中，上肢增長(zhǎng)的影響更大一些，在折線圖中表示為5%覆蓋率的手部可達(dá)域有所擴(kuò)大；在【ANSUR】數(shù)據(jù)庫(kù)中，肩膀位置的變化對(duì)可達(dá)域的影響更大，在折線圖中表現(xiàn)為5%覆蓋率的可達(dá)域有所下降。

（2）座椅相對(duì)于駕駛桿的位置對(duì)可達(dá)域也有一定的影響，如圖3所示。

從圖中可以分析得出隨著座椅距離駕駛桿的距離越來越遠(yuǎn)，手部和視覺的可達(dá)域范圍都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但這并不是沒有意義的。首先，在座椅距離駕駛桿過近時(shí)，可達(dá)域范圍很大，部件的可達(dá)性很好。數(shù)字人的可達(dá)域范圍已經(jīng)覆蓋一部分副駕駛的操縱空間，這意味著數(shù)字人的身體實(shí)際上離操作面板很近，這有可能會(huì)對(duì)數(shù)字人的其它操縱造成影響，甚至造成誤觸碰、誤操作。經(jīng)過對(duì)比和仿真，發(fā)現(xiàn)距離定位50mm～100mm之間的誤觸碰是最少的，同時(shí)可達(dá)域覆蓋了左側(cè)全部的操縱面板，不會(huì)對(duì)操縱造成影響。

6 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)FAR 25.1523設(shè)計(jì)了最小機(jī)組評(píng)估實(shí)驗(yàn)，按照某民機(jī)駕駛艙的結(jié)構(gòu)建立了駕駛艙的模型，根據(jù)GJB 4856-2003中國(guó)空軍男性飛行員標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了數(shù)字人體飛行員建模，并針對(duì)駕駛艙部件的可達(dá)性和可視性等進(jìn)行了分析，得出該駕駛艙的人機(jī)工效指標(biāo)均符合FAR 25.1523條款的適航要求，民機(jī)最小機(jī)組評(píng)估初步研究有了一定成果。該課題在將來還有待拓展，比如對(duì)飛行員操縱器件時(shí)關(guān)節(jié)角度是否合適，身體的舒適度是否在可接受范圍內(nèi)等還有待研究，這些對(duì)于民機(jī)取得適航取證都有重要意義。

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