商用飛機單一飛行員駕駛模式設(shè)計及測試

張炯 曾銳

摘要：單一飛行員駕駛（SPO）減少飛行機組成員、降低駕駛艙資源配置需求，可顯著提高經(jīng)濟性，緩解成熟飛行員短缺，已成為未來商用飛機發(fā)展的趨勢。SPO模式研究首先抽象化了安全性、交互性與兼容性方向上的飛機功能設(shè)計與人機功能分配的約束指標(biāo)，依托型號飛機設(shè)計的系統(tǒng)工程方法，進行SPO模式頂層需求與駕駛要素的定義，并利用多維度飛機操作劃分方法完成了新操作流程設(shè)定。同時，針對SPO模式功能需求開發(fā)的人機協(xié)同輔助駕駛系統(tǒng)被用于仿真測試環(huán)境的集成，初步的人在環(huán)試驗測試結(jié)果為進一步SPO模式優(yōu)化提供了方向。

關(guān)鍵詞：商用飛機；人工智能；單一飛行員駕駛；人機交互；測試

中圖分類號：V19文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.007

飛行員成本高昂以及成熟飛行員短缺是民航運輸業(yè)面臨的難題。全球航空公司每年在飛行員上花費5000多億人民幣，這一數(shù)字隨著航空運輸業(yè)的快速發(fā)展還將持續(xù)增長；另一方面，飛行員培養(yǎng)周期長，從普通副駕駛成長為機長平均需要5～7年時間，成熟飛行員短缺已經(jīng)無法滿足航空市場的快速發(fā)展需求。

伴隨著技術(shù)和市場的雙重需求驅(qū)動，單一飛行員駕駛（SPO）技術(shù)作為解決上述問題的手段之一，獲得了主制造商和航空公司的重點關(guān)注。SPO技術(shù)是針對運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR-25）所要求的雙飛行員機組提出，飛行駕駛僅需一名飛行員完成，依靠機載設(shè)備或其他輔助方式完成飛行任務(wù)。

SPO可減少駕駛艙資源配置、降低飛行員決策沖突與人因風(fēng)險，實施SPO預(yù)計每年可為中國區(qū)域航司節(jié)省近千億人民幣費用。2018年波音公司對下一代飛機最期待的新技術(shù)調(diào)查中，SPO排名第一。

國外研究人員自2013年已針對SPO開展了廣泛的模式體系、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用測試研究。美國國家航空航天局（NASA）和羅克韋爾國際公司率先提出機上“飛行員+輔助飛行系統(tǒng)+地面輔助駕駛員”的SPO解決方案[1-5]?；诿绹鴩李A(yù)先研究計劃局（DARPA）的ALIAS項目成果，機器人副駕駛方案被極光科學(xué)飛行公司應(yīng)用于波音飛機的應(yīng)急處置測試[6]。德國宇航中心在歐洲牽頭開展的ACROSS項目，研究了被動SPO情景下的技術(shù)可行性[7]。在技術(shù)迅速發(fā)展的同時，美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）也對SPO技術(shù)保持持續(xù)關(guān)注，2018年，F(xiàn)AA向美國國會提交了一份關(guān)于SPO貨機的適航研究的預(yù)算草案[8]。在波音737-MAX-8的兩次重大事故背景下，許多學(xué)者將SPO研究聚焦在人與自動化系統(tǒng)的協(xié)同駕駛技術(shù)[9-10]和飛行員工作負(fù)荷優(yōu)化上[11-14]。國內(nèi)研究者同樣關(guān)注新興技術(shù)對于飛行駕駛的優(yōu)化[15-16]，以中國商用飛機有限責(zé)任公司為代表的國內(nèi)民航制造企業(yè)，于2018年著手在國內(nèi)牽頭開展SPO相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，提出SPO模式與系統(tǒng)架構(gòu)，研制人機協(xié)同駕駛系統(tǒng)功能樣機。

1單一飛行員頂層需求

追溯大型客機飛行機組發(fā)展經(jīng)歷，從五人機組、三人機組到現(xiàn)在的兩人機組，每一次機組成員變化都要經(jīng)過漫長的驗證與過渡時期，是飛機系統(tǒng)自動化、綜合化、集成化發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前的雙人機組制綜合考慮了飛行安全性、駕駛艙資源管理要素、飛行員生理極限、人機交互等多種因素，是在目前大型客機系統(tǒng)能力下，均衡飛行安全性與經(jīng)濟性的最佳人員配置形式，特別當(dāng)遭遇飛行員失能、關(guān)鍵系統(tǒng)失效、惡劣天氣干擾等緊急事件時，雙人機組配置能夠最大保障飛行安全。在保障安全性的基礎(chǔ)上替代雙人制駕駛模式，是SPO在型號飛機上應(yīng)用的關(guān)鍵。

基于運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)中對于機組職責(zé)與飛機功能的定義，依托當(dāng)前民航運輸管理體系現(xiàn)狀與飛機型號設(shè)計經(jīng)驗，SPO模式的核心需求應(yīng)包括以下5個方面。

（1）單一飛行員駕駛模式覆蓋性

覆蓋門到門全飛行階段，飛行手冊規(guī)定任務(wù)等正常飛行場景覆蓋率100%；可應(yīng)對飛行員失能、飛機手冊內(nèi)故障等非正常場景。

（2）單一飛行員駕駛模式安全性

安全性不低于雙人制模式，飛行決策步驟不超過當(dāng)前水平。

（3）單一飛行員駕駛的飛行性能

具有雙人制模式等同的飛行性能表現(xiàn)（燃油消耗、乘坐舒適性、航跡保持精度）。

（4）單一飛行員駕駛模式的兼容性

單一飛行員駕駛空地交互模式兼容當(dāng)前空地通信性能，以及未來規(guī)劃的機載寬帶衛(wèi)星通信、ATG高速通信能力；兼容當(dāng)前飛行員培養(yǎng)體系。

（5）單一飛行員人為因素

機上飛行員情景意識與態(tài)勢感知能力不低于雙人機組模式，飛行員操作負(fù)荷增幅不超過10%，不增加飛行員心理負(fù)擔(dān)。

2單一飛行員駕駛模式設(shè)計

雙人制機組從決策權(quán)限上可分為機長（captain）與副駕駛（first officer），從操作狀態(tài)上可分為操縱飛行員（pilot flying PF）和非操縱飛行員（pilot not flying PNF）。在SPO模式下，飛機駕駛艙內(nèi)僅有一位具備駕駛權(quán)限的飛行員，在缺乏新增輔助駕駛系統(tǒng)或遠(yuǎn)端輔助人員的情況下，原本的雙人職責(zé)將由一人承擔(dān)，這對駕駛安全性與人員負(fù)荷都帶來了極大挑戰(zhàn)。

在飛機功能未發(fā)生重大變更的情況下，SPO模式設(shè)計的核心是在當(dāng)前飛行程序基礎(chǔ)上，避免飛行員工作負(fù)荷的暴增，并保持駕駛安全性。但從技術(shù)可能性的角度出發(fā)，單一飛行員模式多達7種[9]，而從SPO模式核心需求約束的角度考慮，以下三種模式具有一定價值。

（1）模式一

完全由自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)替代飛行員，通過智能化語音識別、自然語言理解、飛行員狀態(tài)識別等技術(shù)，完全替代副駕駛，可以承擔(dān)部分PF和PNF操作。

（2）模式二

將副駕駛職責(zé)轉(zhuǎn)到地面，由地面輔助駕駛員通過高速寬帶通信鏈路來配合機上飛行員，一名地面輔助駕駛員可支持多架飛機。

（3）模式三

自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)、地面輔助駕駛員與機上飛行員經(jīng)過功能分配，共同完成SPO的運行，如圖1所示。

模式一經(jīng)濟價值最高，但達到人類水平的飛行輔助駕駛系統(tǒng)功能實現(xiàn)需要大量采用人工智能等創(chuàng)新技術(shù)，安全性和可靠性目前還不能完全滿足要求，難以型號應(yīng)用；模式二價值最低并且對空地數(shù)據(jù)鏈要求極高，大量試驗表明異地環(huán)境下的協(xié)同配合難度很大，也難以型號應(yīng)用；模式三是目前最可行的方案，其關(guān)鍵在于人機、空地之間功能分配，要綜合飛行輔助駕駛系統(tǒng)功能、異地環(huán)境下的協(xié)同認(rèn)知差異、窄帶通信受限等條件，達到協(xié)同配合最優(yōu)。

本文以第三種模式為基礎(chǔ)，定義模式下的各要素責(zé)任和功能分配原則及流程。首先通過三項預(yù)試驗定義要素要求和分配基本原則。

（1）開展異地環(huán)境下飛行員協(xié)同操作評價與評估，按照現(xiàn)有雙人機組程序，將兩名飛行員隔離開，充分保證通信帶寬前提下，通過主觀評測法，分析異地環(huán)境下造成飛行員間理解感知奇異的最大影響操作。

（2）對于語音識別、自然語言處理（NLP）、圖像動作識別等人工智能技術(shù)在駕駛艙環(huán)境下的效能進行評估，針對PNF所有的操作進行測評，獲取準(zhǔn)確性等指標(biāo)。

（3）針對地空通信帶寬、機載計算資源、航空公司運行控制中心（AOC）、空中交通管理平臺（ATM）等與SPO運行關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)、平臺、基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展趨勢進行分析，明確SPO模式對于上述平臺的需求。

根據(jù)三項預(yù)試驗結(jié)果以及SPO頂層需求，對于SPO模式中的機長、地面輔助駕駛員、自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)以及地面輔助駕駛系統(tǒng)的責(zé)任與頂層進行了約束（見圖1）。

（1）機長

機長是飛行所有相關(guān)決定的最終決策者，承擔(dān)所有責(zé)任。與雙人制駕駛模式對比，SPO模式下機長角色不會改變，但任務(wù)和職責(zé)將發(fā)生較大變化。機長需要承擔(dān)傳統(tǒng)PF飛行員和監(jiān)控飛行員（pilot monitoring， PM）的部分任務(wù)，剩余部分職責(zé)將分配給自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)或地面輔助駕駛員，機長可用的駕駛艙資源（CRM）會發(fā)生較大變化。在SPO模式下，對于機長的要求會更加嚴(yán)格。

（2）地面輔助駕駛員

地面輔助駕駛員的任務(wù)是協(xié)助機長保障飛行過程安全，完成復(fù)雜的派遣、調(diào)配、與管制員協(xié)商、機上故障處理等工作，在機長喪失能力時，替代機長，操控自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)等完成飛機安全著陸。地面輔助駕駛?cè)藛T主要工作是監(jiān)測其管理的飛機狀態(tài)，地面輔助駕駛員作為SPO模式下的新生角色，必須考慮能力要求、經(jīng)濟成本以及如何更好地融入目前飛行流程。

（3）自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)以及地面輔助駕駛系統(tǒng)

自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的自動飛行航跡管理和操控能力基礎(chǔ)上，通過對于飛行狀態(tài)、飛行員操作、管制指令的識別與理解，自主完成部分PNF和PF的工作，其中與機長、地面輔助駕駛員、ATM的高效準(zhǔn)確協(xié)同是輔助飛行系統(tǒng)最大的難點。地面輔助駕駛系統(tǒng)則是通過信息呈現(xiàn)和操控聯(lián)動的方式，為地面輔助駕駛員理解飛機狀態(tài)、機上駕駛員操作，為地面輔助駕駛員操作上傳至飛機提供沉浸式平臺與環(huán)境。

在駕駛艙人機功能分配上有York法[17]、Sheffield法[18]等比較成熟的方法，為適應(yīng)SPO模式設(shè)計的快速迭代要求，簡化了Sheffield法中的功能劃分約束項，在場景定義的基礎(chǔ)下，直接依據(jù)雙人制機組的操作定義了快速功能劃分流程。

（1）根據(jù)飛行程序，分解全飛行流程下的不同飛行階段（飛行前準(zhǔn)備、飛行前階段、發(fā)動機啟動前階段、發(fā)動機啟動階段、滑行前階段、滑行階段、起飛前準(zhǔn)備階段、起飛階段、爬升階段、巡航階段、下降階段、進近階段、復(fù)飛階段、著陸階段、著陸后滑行階段、滑行至停機位階段、離機階段）。

（2）基于飛行階段，構(gòu)建全流程下的多種可能飛行場景（天氣場景、機場場景、空域場景、系統(tǒng)故障場景、人員失能場景等）。

（3）按照現(xiàn)有雙人制機組標(biāo)準(zhǔn)飛行程序，以飛行階段為基礎(chǔ)，以飛行場景為條件，分解操作程序（包括檢查單）。操作程序分類應(yīng)當(dāng)遵循圖2原則：以PF與PNF功能劃分得到SPO模式下機長初步操作與其他操作；針對其他操作，以自動化技術(shù)約束拆分自動化系統(tǒng)操作與人類操作；以通信約束與交互便捷性約束劃分機載操作和地面操作；重新梳理機長操作，以工作負(fù)荷約束排查高負(fù)荷操作，并進行操作轉(zhuǎn)移。

對其他操作和機長高負(fù)荷操作，按照安全性、難易程度、操作時間等評判，結(jié)合不同屬性特點、地面輔助駕駛局限、飛行輔助駕駛軟件局限，完成飛行程序分解和歸屬定義。

（1）功能分配原則為：安全性影響等級為4級的操作，原則上由機長執(zhí)行，輔助飛行系統(tǒng)/地面輔助駕駛員監(jiān)控；操作難度為4級的操作，原則上由機長執(zhí)行，輔助飛行系統(tǒng)/地面輔助駕駛員監(jiān)控；在雙人機組中由PNF的操作，原則上由自動飛行輔助系統(tǒng)或地面輔助駕駛員執(zhí)行；視覺支持2級（含）以上，優(yōu)先人工操作；聽覺支持2級（含）以上，優(yōu)先人工操作；自然語言處理（NLP）支持2級（含）以上，優(yōu)先人工操作；情景意識2級（含）以上，優(yōu)先機上操控。

（2）根據(jù)飛行程序操作的歸屬定義，完成SPO模式下的操作功能分配（見表1）。

根據(jù)上述的飛行操作分配方法，以起飛階段為例，在預(yù)設(shè)為天氣正常的普通繁忙機場，為飛行員能力正常、系統(tǒng)正常的波音737機組進行了操作分配，具體分配結(jié)果見表2。

從上述分配的結(jié)果可以看到，實現(xiàn)SPO的核心是確保安全性，因此輔助飛行系統(tǒng)的能力，系統(tǒng)安全性和可靠性是核心與關(guān)鍵，從目前技術(shù)發(fā)展情況來看，自動控制技術(shù)對于飛機復(fù)雜狀態(tài)的操控以及航跡精準(zhǔn)控制能夠達到成熟飛行員的水平，因此大量飛行控制操作由輔助飛行系統(tǒng)完成是完全可行并且能夠降低飛行員負(fù)擔(dān)，但視覺識別、語音識別、自然語言處理等人工智能技術(shù)目前還不能完全達到成熟飛行員水平，因此對于需要上述技術(shù)的操作程序，需要通過界定其應(yīng)用場合以及安全性等級，適當(dāng)分配給輔助飛行系統(tǒng)。除此之外大量的試驗表明，即使帶寬資源豐富，異地駕駛環(huán)境（機上與地面輔助）仍然很難讓飛行員與地面輔助駕駛員具有同樣的情景意識和較好的協(xié)同認(rèn)知，因此在帶寬受限的情景下，對于情景意識要求較高的操作不適合由地面輔助駕駛員輔助完成。

3單一飛行員駕駛模式測試

目前SPO模式尚沒有公開標(biāo)準(zhǔn)的功能分配原則，因此需要大量試驗驗證與迭代優(yōu)化，SPO模式測試方法、測試環(huán)境與測試過程至關(guān)重要。

3.1被測對象

根據(jù)前章節(jié)所述，SPO模式中包含三個關(guān)鍵要素，機上飛行員（機長）、地面輔助駕駛員、自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)和地面輔助駕駛系統(tǒng)。記錄機長和地面輔助駕駛員操作及執(zhí)行時間，通過主觀打分和數(shù)據(jù)分析兩種方式評判SPO模式。

3.2測試環(huán)境

以模擬SPO飛行場景及當(dāng)前民航運行體系為目標(biāo)，測試環(huán)境主要包含三個系統(tǒng)。

（1）駕駛艙模擬仿真系統(tǒng)

駕駛艙模擬仿真系統(tǒng)對于整個測試環(huán)境至關(guān)重要，仿真系統(tǒng)必須能夠嚴(yán)格復(fù)現(xiàn)指定型號的操作流程，應(yīng)當(dāng)有較強的沉浸感，硬件上應(yīng)當(dāng)盡可能與真實飛機相同（如采用虛像顯示系統(tǒng)提供視景，裝備高逼真度的液壓反饋系統(tǒng)），應(yīng)當(dāng)支持各類場景設(shè)置。

（2）空地寬帶通信仿真系統(tǒng)

通信系統(tǒng)需要具備兩項主要功能，一是能夠模擬目前空地通信的不同系統(tǒng)（ACARS、ATN）以及各類應(yīng)用（CPDLC，ADS-C）等；二是能夠設(shè)置空地寬帶通信的各類網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)（如延遲、丟包、帶寬等），確保能夠真實反映空地數(shù)據(jù)鏈通信實際情況。

（3）綜合運行環(huán)境模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)主要具備三項主要功能，一是可以模擬航班航線運行和機場場面運行，模擬繁忙空域和樞紐機場運行場景；二是可以模擬ATM地面管制功能，提供標(biāo)準(zhǔn)飛行過程中管制與飛機之間的信息通信功能；三是可以模擬航空公司航線運控中心（AOC）功能，提供標(biāo)準(zhǔn)飛行過程中AOC與飛機之間的信息通信功能。

本研究中未對SPO測試環(huán)境的功能仿真程度做出要求，而更側(cè)重不同測試用例下機上飛行員的感官差異與橫向比較，因此，并不需要在當(dāng)前階段進行自動飛行輔助系統(tǒng)的功能開發(fā)。

3.3測試用例

測試用例需要為SPO安全性、飛行場景覆蓋性、飛行性能、操作負(fù)荷的驗證提供完整的測試過程。測試用例必須復(fù)現(xiàn)一次完整的飛行過程，除傳統(tǒng)的起飛、爬升、巡航等階段外，起飛前準(zhǔn)備、滑行等階段非常關(guān)鍵，大量的協(xié)同檢查和輸入工作都是在飛行前完成，對于單一飛行員操作負(fù)荷，效率以及安全性都是較大考驗。測試用例關(guān)鍵是在正常飛行場景之外，設(shè)計各類非正常飛行場景，特別是惡劣天氣、繁忙空域、系統(tǒng)故障的場景，是SPO模式測試的關(guān)鍵（如川航8633事件中的場景、埃航ET302和獅航JT610事件場景）。

3.4測試要素

按照SPO模式的要求以及SPO安全性、操作負(fù)荷等指標(biāo)要求，SPO測試要素應(yīng)當(dāng)至少包含以下內(nèi)容。

（1）機長

包括飛行操作正確性、操作花費時間、注意力觀察位置、心跳、操作負(fù)荷評分、情景意識評分、人機協(xié)同評分和SPO模式評分。

（2）自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)

包括飛機狀態(tài)判別、飛行員狀態(tài)判別、飛行場景識別、飛行員協(xié)同決策、飛行任務(wù)規(guī)劃、飛行程序操作執(zhí)行功能。飛行員指令和地面上傳指令解析和執(zhí)行準(zhǔn)確性，飛行任務(wù)與場景的辨識正確性，飛行操作指令執(zhí)行正確性。

（3）地面輔助駕駛員

包括輔助操作正確性、操作花費時間、注意力觀察位置、操作負(fù)荷評分、機上狀態(tài)理解評分、空地協(xié)同評分和SPO模式評分。

（4）飛機運行

包括單向任務(wù)執(zhí)行時間/效率和飛行品質(zhì)評分。

根據(jù)上述測試要求，設(shè)計了一套滿足SPO模式的綜合驗證環(huán)境，包含5個平臺、16個子模塊。5個平臺分別為機上仿真驗證平臺（仿真駕駛艙子模塊、機載系統(tǒng)仿真子模塊和飛行員數(shù)據(jù)采集模塊）、地面仿真驗證平臺（ATM仿真子模塊、AOC仿真子模塊、數(shù)據(jù)通信子模塊和輔助駕駛員數(shù)據(jù)采集模塊）、運行場景仿真平臺（空域仿真子模塊、天氣仿真子模塊、機場運行仿真子模塊和故障注入子模塊）、空地數(shù)據(jù)鏈仿真平臺（ATN網(wǎng)絡(luò)仿真子模塊、語音/數(shù)據(jù)鏈通信仿真子模塊）、綜合仿真演示平臺（劇本推演子模塊、數(shù)據(jù)綜合處理模塊和信息綜合顯示子模塊）。以北京—上海（樞紐機場）、成都—林芝（PBN運行）兩條具有代表性航線的“門到門”全飛行階段作為測試場景進行測試。

在成本和技術(shù)的約束下，本研究為SPO模式測試搭建了一套基于柔性機器人的自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)，其可按指令完成駕駛艙操作監(jiān)控、手冊查詢、機組間語音交互與副駕駛位控件操作任務(wù)，測試要素則側(cè)重于當(dāng)前方案的協(xié)同交互操作和諧性、飛行員信賴程度與對飛行員工作負(fù)荷影響等方面。

測試環(huán)境和步驟如圖4所示，包括仿真駕駛艙、地面ATM仿真單元、機場運行仿真模塊、空域仿真模塊、外掛式自動飛行輔助駕駛系統(tǒng)（不改變駕駛艙內(nèi)部架構(gòu)的機器人副駕駛）。在測試環(huán)境中，機上飛行員可以獨立或通過機器人協(xié)助，完成所有飛行操作。

在初步測試中，選擇三名取得私人執(zhí)照的飛行員，經(jīng)過對C919操作流程熟悉之后，在本文搭建的環(huán)境中進行測試，按照飛行階段、天氣狀況、飛機系統(tǒng)三個方面，設(shè)計了不同的飛行場景，并就不同狀況進行了多種組合。測試參數(shù)見表3。初步測試的結(jié)果為：（1）在正常場景飛行過程中（正常飛行、天氣晴朗、飛機無故障、流程正常）的情況下，自動化駕駛輔助飛行系統(tǒng)與機長協(xié)同良好；（2）低能見度和雨天情況下，自動化駕駛輔助飛行系統(tǒng)仍然與機長協(xié)同良好；（3）襟翼卡阻或單發(fā)失效時，當(dāng)自動化駕駛輔助飛行系統(tǒng)僅承擔(dān)QRH查詢與操作監(jiān)控功能時，機長可勉強保持飛機穩(wěn)定、與地面溝通并處置故障，但主觀評估極差，需要地面輔助人員介入；（4）在惡劣天氣以及系統(tǒng)故障組合的進近階段，當(dāng)自動化駕駛輔助飛行系統(tǒng)僅承擔(dān)QRH查詢與操作監(jiān)控功能時，機長勉強可同時承擔(dān)進近準(zhǔn)備與故障處置，但強烈要求地面輔助人員介入。

在正常SPO模式飛行中，飛行員普遍反映工作負(fù)荷適當(dāng)，同時對輔助駕駛系統(tǒng)的監(jiān)控與查詢功能足夠信任。但在高負(fù)荷的非正常場景飛行中，雖然處于SPO模式的機長仍可應(yīng)對，但是飛行員普遍認(rèn)為心理負(fù)擔(dān)較大，且傾向地面人員而非輔助駕駛系統(tǒng)進行協(xié)同駕駛與故障處置。

4結(jié)束語

SPO模式的初步測試結(jié)果表明，機上輔助-空地協(xié)同的SPO模式可以基本應(yīng)對已知的多種復(fù)雜場景，但飛行員對于當(dāng)前SPO模式在正常場景與非正常場景下的主觀評估差異較大，缺乏對于自動化駕駛輔助飛行系統(tǒng)對高安全性相關(guān)任務(wù)完成能力的信任。為進一步明確各主客觀因素對于SPO模式的影響，需要在試驗設(shè)計、測試場景選取與績效比較等方面進行優(yōu)化，并適當(dāng)增加數(shù)據(jù)獲取范圍。同時，飛行員的主觀心理因素對于SPO模式設(shè)計與自動化輔助駕駛系統(tǒng)功能開發(fā)的影響、討論培訓(xùn)與熟悉度對于SPO飛行績效的影響等均不可忽視。因此，當(dāng)前階段最重要的工作是開展SPO模式“設(shè)計—測試—優(yōu)化”的迭代工作，通過本文提及的方法不斷完善人機交互模式，并為自動化駕駛輔助飛行系統(tǒng)輸出可靠的功能需求。

SPO是商用航空運輸業(yè)中一項革命性創(chuàng)新技術(shù)，對于運行多年成熟穩(wěn)定且被驗證是現(xiàn)階段最安全的雙人機組模式而言，單一飛行員駕駛面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，商業(yè)價值也是顯著的。此外，商用飛機SPO不單純是技術(shù)問題，一方面需要基于詳實、可靠的研究過程與試驗結(jié)論，推動適航法規(guī)對SPO的認(rèn)可；另一方面需要成熟且經(jīng)濟的應(yīng)用方案，推進民用航空運行體系的變革。

參考文獻

[1]Comerford D，Brandt S L，Lachter J，et al. NASAs singlepilot operations technical interchange meeting：Proceedings and findings[R]. Moffett Field，CA，U S：NASA Ames Research Center，2013.

[2]Lachter J，Brandt S L，Battiste V，et al. Toward single pilot operations：developing a ground station[C]//Proceedings of the International Conference on Human-computer Interaction in Aerospace，2014：1-8.

[3]Lachter J，Battiste V，Matessa M，et al. Toward single pilot operations：theimpactofthelossofnon-verbal communication on the flight deck[C]//Proceedings of the International Conference on Human-computer Interaction in Aerospace，2014：1-8.

[4]Neis S M，Klingauf U，Schiefele J. Classification and review ofconceptualframeworksforcommercialsinglepilot operations[C]/2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference（DASC）. IEEE，2018：1-8.

[5]Schmid D，Korn B. A tripartite concept of a remote-copilot centerforcommercialsingle-pilotoperations[C]//AIAA Information Systems-AIAAInfotech@Aerospace，2017.

[6]Markoff J. A machine in the co-pilots seat[EB/OL].（2015-07-20）. https：//www. nytimes. com/2015/07/21/science/robotco-pilot-darpa-alias.html.

[7]Trimis. Across advanced cockpit for reduction of stress and workload[EB/OL].（2013-01-01）. https：//trimis.ec.europa.eu/ project/advanced-cockpit-reduction-stress-and-workload.

[8]FAA. Single-piloted commercial cargo aircraft [Z]. FAA.2018.

[9]Vu K P L，Lachter J，Battiste V，et al. Single pilot operations in domestic commercial aviation[J]. Human Factors，2018，60（6）：755-762.

[10]Tokadll G，Dorneich M C，Matessa M. Development approach of playbook interface for human-autonomy teaming in single pilot operations[C]//Proceedings of the Human Factors and Ergonomics SocietyAnnual Meeting，2019.

[11]Matessa M，Strybel T，Vu K，et al. Concept of operations for RCO/SPO[R]. Moffett Field，CA，USA：NASA，2017.

[12]Bailey R E，Kramer L J，Kennedy K D，et al. An assessment of reduced crew and single pilot operations in commercial transport aircraft operations[C]//2017 IEEE/AIAA 36th Digital Avionics Systems Conference（DASC）. IEEE，2017：1-15.

[13]Lachter J，Brandt S L，Battiste V，et al. Enhanced ground support：lessons from work on reduced crew operations[J]. Cognition，Technology & Work，2017，19（2-3）：279-288.

[14]Sprengart S M，Neis S M，Schiefele J. Role of the human operator in future commercial reduced crew operations[C]// 2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference（DASC）. IEEE，2018：1-10.

[15]張新苗，余自武，楊雨綺.人工智能在波音787上的應(yīng)用與思考[J].工業(yè)工程與管理， 2017 （6）： 24. Zhang Xinmiao， Yu Ziwu， Yang Yuqi. Application and Consideration to Boeing 787 influenced by artificial intelligence[J]. Industrial Engineering and Management， 2017（6）： 24. （in Chinese）

[16]魏麟，何利清，萬洋，等.人工智能飛行副駕駛核心技術(shù)分析[J].甘肅科技縱橫， 2018， 47（11）： 30-32. Wei Lin， He Liqing， Wan Yang， et al. The core technical analysis for AI co-pilot[J]. Scientific & Technical Information of Gansu， 2018， 47（11）： 30-32.（in Chinese）

[17]Fitts P M. Human engineering for an effective air-navigation and traffic-control system[R] Washington，D.C.，U S：National Research Council，1951.

[18]Older M，Clegg C，Waterson P. Report on the revised method of function allocation and its preliminary evaluation[R]. Sheffield，U K：University of Sheffield，1996.

（責(zé)任編輯王為）

作者簡介

張炯（1981-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：駕駛艙綜合設(shè)計、指示記錄系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。

Tel：010-57815310E-mail：zhangjiong@comac.cc

曾銳（1987-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：駕駛艙人機交互設(shè)計與交互功能開發(fā)。

Tel：010-57815319E-mail：zengrui@comac.cc

Mode Design and Test for Commercial Aircraft Single-pilot Operations

Zhang Jiong*，Zeng Rui

Artificial Intelligence Innovation Center of COMAC，COMAC Beijing Aircraft Technology Research Institutes，Beijing 102209，China

Abstract： Single-pilot operations （SPO） represent a viable concept for commercial aircraft as the potential benefits in crew member reduction. In this research， the requirements around safety， interactivity and compatibility for SPO has firstly quantified into multi-dimensional constraints for an operation-allocation method. Then scenario definition based on functional requirements analysis results are used to generate new single-pilot operation processes. The humanmachine function allocation results are also used for the development of airborne-assistant application and the integration of SPO simulation environment. A preliminary human-in-the-loop test indicates an operation-iteration direction for next-step SPO research.

Key Words： commercial aircraft； artificial intelligence； SPO； human-machine interface； test