關(guān)于直升機(jī)駕駛艙先進(jìn)技術(shù)的人為因素研究

摘要：新技術(shù)的引入為直升機(jī)駕駛艙帶來了系統(tǒng)功能和性能的提升，針對其可能引發(fā)人為因素問題的情況，本文梳理了新技術(shù)引入時(shí)須考慮的人為因素要點(diǎn)，并對直升機(jī)駕駛艙先進(jìn)技術(shù)開展了人為因素研究與分析，給未來直升機(jī)駕駛艙技術(shù)的發(fā)展提供人為因素設(shè)計(jì)指南。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);駕駛艙;人為因素;先進(jìn)技術(shù)

中圖分類號：V223.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

在航空領(lǐng)域，飛行安全是永恒的主題和追求，是飛行員、乘客、設(shè)計(jì)人員、制造商、運(yùn)營方以及管理當(dāng)局共同追求的目標(biāo)。隨著新一代直升機(jī)的服役運(yùn)營，人們對直升機(jī)商業(yè)目標(biāo)的期望變得更高，更多的新技術(shù)和新功能應(yīng)用到了直升機(jī)各個(gè)系統(tǒng)中。這無疑給直升機(jī)帶來了系統(tǒng)功能和性能的提升，但對安全和舒適的影響也同樣不容忽視，如何避免由人為因素導(dǎo)致的不安全事件始終是直升機(jī)設(shè)計(jì)提升所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

在直升機(jī)上，飛行員直接接觸和操作的場所是駕駛艙，有關(guān)人為因素的考慮首要放在駕駛艙的設(shè)計(jì)與研究中。駕駛艙的設(shè)計(jì)集成度和復(fù)雜度極高，其人機(jī)界面對飛行員的生理、心理以及工作效率、操作正確率都有直接影響，人為因素的設(shè)計(jì)考慮涉及到駕駛艙的各方各面[1]。飛行員在駕駛直升機(jī)的過程中，需要大腦和手、腳、眼的密切配合，在不同的情況下迅速地做出操作反應(yīng)，因此欠缺人為因素考慮的設(shè)計(jì)更容易引發(fā)飛行員的錯(cuò)誤操作，進(jìn)而影響飛行安全[2]。

1直升機(jī)駕駛艙人為因素研究發(fā)展概述

人為因素是通過系統(tǒng)應(yīng)用人為科學(xué)，在系統(tǒng)工程框架中優(yōu)化人與其活動(dòng)的關(guān)系。人為因素包括生活和工作環(huán)境中的人;人與機(jī)器、程序和環(huán)境的關(guān)系;還包括人與人之間的關(guān)系。

1947年，科學(xué)家Fitts和Jones首次正式地開展了航空領(lǐng)域人為因素研究，對飛行員使用電子顯示器的情況進(jìn)行了人機(jī)工效分析。其后的人為因素研究大多致力于控制和顯示設(shè)計(jì)，梳理了飛行員由于設(shè)計(jì)缺陷可能引發(fā)的操作錯(cuò)誤。在20世紀(jì)五六十年代，人為因素研究助力了機(jī)組人員的選擇、培訓(xùn)和駕駛艙的布局。到了20世紀(jì)七八十年代，隨著“玻璃駕駛艙”的引入，人們對人為因素的研究則主要體現(xiàn)在顯示設(shè)計(jì)、人機(jī)界面等方面。

如今，全新的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)帶來了突破性技術(shù)，但其所帶來的新的人為因素問題也逐漸凸顯，前期的人為因素研究已不足以解決現(xiàn)階段飛速的技術(shù)提升所帶來的人機(jī)交互問題[3]。

為避免更多的人為因素問題產(chǎn)生，新技術(shù)的引入在追求效率和競爭力的同時(shí)，其在自動(dòng)化的應(yīng)用、態(tài)勢感知的增強(qiáng)、工作負(fù)荷的減輕、人為差錯(cuò)的預(yù)防等方面的人為因素研究亟待開展。

2直升機(jī)駕駛艙先進(jìn)技術(shù)的人為因素分析

2.1直升機(jī)駕駛艙人為因素考慮要素

對于直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)，為避免技術(shù)和功能提升帶來新的人機(jī)交互問題，對新技術(shù)的應(yīng)用須考慮人為因素的四個(gè)重要方面：

（1）交互環(huán)境簡潔自然。簡潔不僅僅是簡化，它是一種高層次的設(shè)計(jì)原則。簡潔的設(shè)計(jì)將易于理解，進(jìn)而易于學(xué)習(xí)和記憶，并可使飛行員預(yù)知它的作用和功能。對于飛行員，簡潔的人機(jī)交互設(shè)計(jì)不僅易于使用，還能夠提高人機(jī)界面設(shè)計(jì)的可理解性。在駕駛艙布置和架構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地考慮人的思維和操作習(xí)慣，使其符合飛行員常規(guī)的飛行理念，便于對直升機(jī)的操縱和管理。

（2）操作設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減輕飛行員的記憶負(fù)擔(dān)。飛行是高難度、復(fù)雜的操作技能，其操作輸出不容許有錯(cuò)誤。但是直升機(jī)各控制系統(tǒng)程序復(fù)雜，相互交聯(lián)多，特別是在緊急情況下，飛行員地倉促操作和選擇很容易出錯(cuò)。廣為接受的駕駛艙設(shè)計(jì)原則之一是顯示器中活動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)方向與對應(yīng)的控制器運(yùn)動(dòng)方向一致，使其符合“操縱—顯示”一致性的邏輯以及人的通常習(xí)慣，這可避免由于情況緊急、情緒緊張而激發(fā)的本能習(xí)慣行為引發(fā)錯(cuò)誤操作。因此，在按飛行規(guī)律科學(xué)地編排程序時(shí)，還應(yīng)在留有足夠安全裕度的前提下，盡可能地減輕飛行員的記憶負(fù)擔(dān)，使操作和顯示更加簡單易懂。

（3）機(jī)組有能力監(jiān)視自動(dòng)化系統(tǒng)。自動(dòng)化系統(tǒng)通常只能嚴(yán)格按照編制的程序工作，而不以簡單直觀的方式向飛行員展示其最終意圖，而這正是人為因素引發(fā)各類突發(fā)事件和事故的潛在危險(xiǎn)。因此，在駕駛艙設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到機(jī)組對系統(tǒng)的接受和掌握能力，確保飛行員對直升機(jī)的操作具有最高權(quán)限，使飛行員可以根據(jù)情況決定何時(shí)授權(quán)自動(dòng)化工作，以及需要多大程度的協(xié)助，這樣可以保持飛行員的情境意識，避免在自動(dòng)化系統(tǒng)失效時(shí)飛行員無法恢復(fù)控制權(quán)限的情況發(fā)生。

（4）防差錯(cuò)設(shè)計(jì)。防差錯(cuò)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是避免錯(cuò)誤的發(fā)生，其次是在錯(cuò)誤造成災(zāi)難之前捕獲錯(cuò)誤，最后是減輕漏網(wǎng)錯(cuò)誤造成的后果。未來的直升機(jī)駕駛艙中，不僅飛行員要監(jiān)視系統(tǒng)的工作，反過來系統(tǒng)也要監(jiān)督飛行員，監(jiān)視其生理、心理和行為，提醒飛行員集中注意力并能夠進(jìn)行“人為危險(xiǎn)分析”，以避免飛行員出現(xiàn)可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故的動(dòng)作，這也是基于人為因素考慮的系統(tǒng)設(shè)計(jì)最具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

2.2目前先進(jìn)技術(shù)的人為因素分析

近年來，全新的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)帶來了突破性技術(shù)，與此同時(shí)帶來的人為因素問題也逐漸凸顯。

2.2.1觸摸控制

觸摸控制給用戶提供了更加直觀的、上下文互聯(lián)的交互體驗(yàn)。在直升機(jī)駕駛艙中，觸摸屏可以被用在儀表板、中央操縱臺、扶手控制器和多功能顯示單元中。

觸摸控制的使用在通用性和拓展性方面具有商業(yè)優(yōu)勢，特別是在集成增加的功能方面不需要任何物理擴(kuò)展?；谌藶橐蛩乜紤]，觸摸控制在減少機(jī)組操作、快速啟動(dòng)以及信息共享等方面發(fā)揮了潛在優(yōu)勢。目前直升機(jī)駕駛艙顯控設(shè)備的小屏幕容量有限，且菜單控制結(jié)構(gòu)窄而深，觸摸屏將比現(xiàn)有設(shè)備具有更大的使用性優(yōu)勢，為駕駛艙提供了更大的顯控面積，使得菜單控制結(jié)構(gòu)更寬、更淺。此外，許多飛行程序的執(zhí)行會牽涉到布置在駕駛艙各處不同面板上的順序化檢查和操作，若用觸摸屏將這些程序集成在一個(gè)區(qū)域，可有效減輕飛行員工作負(fù)荷和增強(qiáng)態(tài)勢感知。同時(shí)，觸摸屏可以貫徹一致的顯示理念，這也將提高整個(gè)直升機(jī)駕駛艙人機(jī)界面的一致性。

然而，也有一些潛在的人為因素問題需要考慮。例如，觸摸控制的應(yīng)用需要飛行員與其進(jìn)行直接的交互，為避免操作時(shí)的手臂疲勞或不適，其布置對可達(dá)性的要求較高。另一方面，對于當(dāng)前直升機(jī)駕駛艙使用的物理按鈕，觸覺、聽覺或視覺反饋機(jī)制給予了飛行員較好的操作即時(shí)反饋，觸摸控制也同樣需要考慮觸摸反饋。此外，在氣流或振動(dòng)條件下，屏幕和手的抖動(dòng)可能會導(dǎo)致非意愿性交互，從而帶來工作負(fù)荷和安全性方面的隱患。

2.2.2輸入設(shè)備

早期直升機(jī)駕駛艙的顯示器是非交互式的，隨著顯示器功能的增加，輸入需求也在適當(dāng)?shù)卦黾印?/p>

當(dāng)幾個(gè)定制的接口通過一個(gè)輸入設(shè)備連接起來時(shí)，這個(gè)新輸入設(shè)備的引入將引發(fā)設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)師需要在對現(xiàn)有系統(tǒng)保持熟悉度和使用性的同時(shí)，可以提供有效的重新設(shè)計(jì)解決方案。即使引入了觸摸屏，仍然需要間接設(shè)備作為備份或在多模態(tài)解決方案中補(bǔ)充觸摸屏[4]。直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)將會考慮的輸入設(shè)備有：

軌跡球：固定在球座上用手或手指滾動(dòng)的球?；谌藶橐蛩乜紤]，當(dāng)設(shè)備操作在表面空間受限時(shí)，軌跡球具有使用優(yōu)勢，然而與其他輸入設(shè)備相比，軌跡球的操作更復(fù)雜。

旋轉(zhuǎn)控制器：可以旋轉(zhuǎn)、向下推或向上/向下/向左/向右移動(dòng)，以控制屏幕上光標(biāo)的移動(dòng)和操作。經(jīng)人為因素評估，旋轉(zhuǎn)控制器比其它間接輸入設(shè)備具有更快的任務(wù)性能。

觸控板：觸控板帶有一個(gè)觸覺表面，能夠感知手指的移動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為屏幕光標(biāo)的動(dòng)作。在人為因素方面，觸控板所需的安裝和操作空間很小，這同軌跡球一樣，但其操作比軌跡球更為簡便。

直接語音輸入（DVI）：可應(yīng)用于各種任務(wù)，包括無線電調(diào)諧、導(dǎo)航功能和檢查單程序等?；谌藶橐蛩乜紤]，DVI的使用可使飛行員不需要用手與特定的系統(tǒng)交互，而是可以專注于其他任務(wù)，并有更多的時(shí)間可以抬著頭。此外，語音命令的使用可以克服振動(dòng)問題。然而，DVI也存在一些需要解決的人為因素問題，包括調(diào)整詞匯以適應(yīng)各種口音，多人說話環(huán)境中識別單個(gè)說話人，以及減少背景噪聲對話音的干擾。

2.2.3智能化顯示

頭盔顯示/瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是由頭盔顯示器和頭盔瞄準(zhǔn)具組合而成的。頭盔顯示器既可以顯示飛機(jī)狀態(tài)、武器火控、目標(biāo)狀態(tài)等字符信息，也可以顯示前視紅外、雷達(dá)或電視圖像等光柵圖。頭盔瞄準(zhǔn)具能夠確定頭盔瞄準(zhǔn)線，并且產(chǎn)生信號以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的傳感器，使傳感器指向與頭盔相同的方向，以便飛行員從頭盔顯示器上看到由傳感器測量得到的圖像，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)[5]。

在人為因素方面，頭盔顯示/瞄準(zhǔn)系統(tǒng)使用方便、瞄準(zhǔn)迅速，飛行員可以在看到真實(shí)世界物體的同時(shí)，看到顯示器上顯示的信息，而不必調(diào)整眼睛的焦點(diǎn)。它可以有效改善視覺降級環(huán)境中的操作和增強(qiáng)態(tài)勢感知，不僅能為飛行員提供速度、航向和瞄準(zhǔn)等重要信息，而且在近距離格斗以及對地攻擊中起到重要作用。

對于其使用中的各種影響，包括態(tài)勢感知、工作負(fù)荷和顯示器的通用性能等，仍需進(jìn)一步開展人為因素評估。

2.2.4增強(qiáng)/合成視覺系統(tǒng)

增強(qiáng)/合成視覺系統(tǒng)由增強(qiáng)視覺系統(tǒng)和合成視覺系統(tǒng)組合而成。

增強(qiáng)視覺系統(tǒng)在平視顯示器上顯示前視紅外傳感器和毫米雷達(dá)波得到的重疊圖像，這樣飛行員就可以在平視顯示器上看到肉眼看不到的飛行跑道，同時(shí)還能看到一些系統(tǒng)給出的重要數(shù)據(jù)指示。它的使用無需地面導(dǎo)航設(shè)備，而且能夠全天候工作，因此擺脫了對地面設(shè)備的依賴性。

合成視覺系統(tǒng)將基于機(jī)載數(shù)據(jù)庫的精確定位信息與傳感器探測到的實(shí)際圖像信息相融合。它與GPS精密導(dǎo)航系統(tǒng)相連，為飛行員提供直升機(jī)外界環(huán)境描述，并以“空中高速路”的方式引導(dǎo)直升機(jī)的飛行航路。合成視覺系統(tǒng)能提供三維透視景象圖，無論外界氣象條件如何，都具有等同于明亮?xí)冮g的真實(shí)感。

基于人為因素考慮，對增強(qiáng)/合成視覺系統(tǒng)的使用，可有效增加飛行員對地形、姿態(tài)和交通情況的空間感知。

2.2.5側(cè)桿技術(shù)

受限于機(jī)械操縱系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)直升機(jī)駕駛艙使用駕駛桿、總距桿和腳蹬等操縱裝置來控制直升機(jī)的飛行狀態(tài)。目前，隨著電傳操縱系統(tǒng)的發(fā)展，側(cè)桿技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)逐步開展。全新的直升機(jī)駕駛艙將采用電傳飛控系統(tǒng)，并通過側(cè)桿技術(shù)直接控制直升機(jī)的飛行姿態(tài)。

在人為因素方面，飛行員可通過對兩桿的聯(lián)合操縱，直接控制直升機(jī)的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)和懸停等各個(gè)飛行姿態(tài)。這種通過左右側(cè)桿替代傳統(tǒng)駕駛桿、總距桿和腳蹬的設(shè)計(jì)，可以有效改善直升機(jī)駕駛艙的空間布局，便于飛行員登機(jī)，且儀表板無視野遮擋。飛行員可以手動(dòng)調(diào)節(jié)扶手以提高舒適度，且易于完成桿干擾、控制失效等緊急狀況下的操作，大幅減輕工作負(fù)荷。

3未來直升機(jī)駕駛艙人為因素發(fā)展

當(dāng)新技術(shù)被引入到一個(gè)很復(fù)雜的環(huán)境中時(shí)，對人與技術(shù)的交互進(jìn)行嚴(yán)格的人為因素分析就變得尤為重要。人因科學(xué)在評價(jià)直升機(jī)駕駛艙新技術(shù)時(shí)起著重要的作用，它可以確保對物理性能和認(rèn)知處理的優(yōu)化，使之能夠更理想地完成任務(wù)。

對一項(xiàng)獨(dú)立技術(shù)的人為因素評估相對簡單，但隨著更多技術(shù)被引入未來的直升機(jī)駕駛艙，如何同時(shí)評估這些技術(shù)，以達(dá)到在評估整個(gè)未來駕駛艙優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，抓住單個(gè)技術(shù)突出的優(yōu)劣勢，使這一過程變得越來越復(fù)雜。眼動(dòng)跟蹤、視頻捕獲、模擬器數(shù)據(jù)記錄和定性自我評估等技術(shù)，都有可能在未來直升機(jī)駕駛艙的人為因素評估中發(fā)揮作用。

理想的直升機(jī)駕駛艙將能夠支持不斷變化的空中交通管理環(huán)境，并能確保在條件要求下運(yùn)行的同時(shí)，提供一個(gè)對飛行員生理和認(rèn)知上都有優(yōu)化的可伸縮的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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[5]王合龍.機(jī)載光電系統(tǒng)及其控制技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2016.

收稿日期：2020-01-08

作者簡介：陳丹昱（1990—），女，河南南陽人，碩士，工程師，研究方向：直升機(jī)駕駛艙與人機(jī)工效。

Research on Human Factors in Advanced Technologies of Helicopter Cockpit

CHEN Dan-yu

（China Helicopter Research and Development Institute， Jingdezhen Jiangxi? 333001）

Abstract： The introduction of new technologies to helicopter cockpit could brought about the improvement of function and performance. Against the problem of the possibly caused human factor cases， this paper sorts out the key human factor elements to be considered in the introduction of new technologies. Research and analysis were also carried out about human factors in advanced technologies of helicopter cockpit. Human factors design guidelines have been given for the future development of helicopter cockpit technology.

Key words： helicopter;cockpit;human factors;advanced technologies