基于人因工程視角的民機駕駛艙告警系統(tǒng)研究綜述

蔣 引 高 杉 譚 維, 2 汪 磊, 2

(1.中國民航大學飛行技術(shù)學院，天津 300300；2.中國民航航空公司人工智能重點實驗室，天津 300300)

0 引言

民機駕駛艙告警系統(tǒng)指在飛機運行存在潛在危險的情況下，通過告警設備發(fā)出告警信息以引起飛行機組的注意，表明問題存在的原因，并依據(jù)飛機實際運行性能及所處飛行環(huán)境，盡可能向飛行機組提供建議指引的一種輔助系統(tǒng)[1]。面對錯綜復雜的飛行環(huán)境，機載駕駛艙告警系統(tǒng)能夠幫助飛行機組及時發(fā)現(xiàn)隱患、排除故障和保障飛行安全。

人的因素被認為是目前飛行事故中最主要的原因[2]。事故調(diào)查統(tǒng)計顯示，由機組原因造成的飛行事故占據(jù)事故總數(shù)的近三分之二[3]，飛行機組的非故意不安全行為是機組差錯的主要類型，大多數(shù)非故意行為都可以歸結(jié)為不恰當?shù)鸟{駛艙人機交互的結(jié)果[4]。通過各機型的飛行機組操作手冊我們發(fā)現(xiàn)，駕駛艙警戒、警告系統(tǒng)中單告警信號就多達400余種，如此巨大的信息量不僅會增加飛行員的工作負荷，而且會造成不必要的人為失誤。事實上，由于駕駛艙告警原因而引發(fā)的航空事故也頻頻發(fā)生，例如秘魯航空603號航班發(fā)生多處告警、法國航空407號航班由于自動駕駛突然斷開導致的墜機事故、希臘太陽神航空522號航班由于飛行員未理解告警原因而導致墜機等。

人因工程學是研究人、機、環(huán)境系統(tǒng)總體性能優(yōu)化的一門科學，隨著自動化和信息技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)由最初的“人機交互”(Human Computer Interaction, 簡稱HCI)研究階段逐步過渡到當前的“人與系統(tǒng)融合”(Human System Integration, 簡稱HSI)?，F(xiàn)代人因工程理論認為，駕駛艙人因失誤是結(jié)果而不是原因，其根源在于設計，許多事故是由于告警系統(tǒng)的不完善或沒有遵循“以人為中心”的設計原則而導致的，即使經(jīng)驗豐富的飛行員面對復雜的駕駛艙環(huán)境也有犯錯的可能，比如前面提到的空難事故以及近兩年發(fā)生的波音737 MAX事故，飛控和駕駛艙系統(tǒng)未能給飛行員提供有效的告警和提示信息。人因工程專家Boy教授提出關注飛行機組與駕駛艙內(nèi)部系統(tǒng)界面接口問題，認為駕駛艙人機交互應該遵循“以人為中心”的原則，在告警設計中應該從人因工程的角度充分考慮人-機-環(huán)境的交互作用[5]。

本文擬通過文獻綜述對國內(nèi)外民機駕駛艙告警系統(tǒng)的研究和應用概況進行分析，結(jié)合適航條款和駕駛艙機組認知加工需求，基于人因工程領域的動態(tài)進展，提出民機駕駛艙告警系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢和方向。

1 民機駕駛艙告警系統(tǒng)的發(fā)展演變

在上世紀民航飛機發(fā)展的早期階段，駕駛艙告警范圍局限，方式繁雜，儀表分散[6]，只能針對設備故障發(fā)出警告，同時飛機駕駛艙內(nèi)空間有限，告警設備不完善，無法對飛機的運行場景提出實時建議或指導，無法及時給予飛行員警告，效率低下，急需改進。飛行事故頻頻發(fā)生使人們意識到機載告警的重要作用，更加重視對駕駛艙告警系統(tǒng)交互界面的設計，科學技術(shù)在眾多領域的重大突破也促進了更為綜合性告警系統(tǒng)的產(chǎn)生，到上世紀末期，告警系統(tǒng)已不僅具有單一的告警功能，而是逐漸和其他機載系統(tǒng)融合，共同為飛行安全提供保障。

近年來，世界上主流民航客機的中央告警系統(tǒng)可劃分為以空客公司為主要代表的中央電子監(jiān)控系統(tǒng)(Electronic Centralized Aircraft Monitoring，簡稱ECAM)與以波音公司為主要代表的發(fā)動機指示與機組警告系統(tǒng)(Engine Indication and Crew Alerting System，簡稱EICAS)。與空客ECAM相比，波音的EICAS系統(tǒng)更加注重機組的主觀能動性和自主判斷力。目前波音EICAS系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)是，當EICAS產(chǎn)生關鍵警告時，機組在查找快速檢查單(Quick Reference Handbook, 簡稱QRH)程序清單獲取適用核對表[7]的過程中浪費大量時間，如何對告警信息進行優(yōu)先級分配，及時引導飛行員注意到最主要的故障是告警系統(tǒng)設計的關鍵問題。自動飛行系統(tǒng)的廣泛應用，為航空安全提供保障的同時也容易造成飛行員對自動駕駛的過度依賴[8]，2009年發(fā)生的美國科爾根航空3407號航班事故中，飛機失速導致失速警告被激活，并帶動操縱桿振動。但操縱桿抖振被觸發(fā)前，預警設計并未及時引起飛行員足夠的警覺性，以致面對操縱桿突然抖動，機組沒有過多反應時間及時做出操作程序予以應對。2013年發(fā)生的韓亞航空214號航班事件中，飛行員在進近著陸時速度過低，失速振桿器被激活，但飛行員意識到失速后已失去復飛的最佳時機。因此，如何設計提前預警，在飛機還未馬上面臨危險就向飛行員提供警告將是告警設計中亟待解決的一大難題。

當前，民航飛機已經(jīng)形成比較成熟的告警系統(tǒng)以及相應的標準操作程序，告警系統(tǒng)技術(shù)也得到顯著提高，告警范圍更為全面，虛假警告以及誤警率也顯著降低，同時機載告警設備在人因工程設計方面的改善也在很大程度上降低了民機飛行員工作負荷，但現(xiàn)階段的告警系統(tǒng)仍不具備機組在遇到任何情況時都能夠及時處理、迅速排除特情的能力，也就是說，告警系統(tǒng)的設計在飛機駕駛艙中仍未達到一個最佳狀態(tài)。2018年10月印尼獅航和2019年3月埃塞俄比亞航空相繼發(fā)生波音737 MAX航班墜機事故，也從側(cè)面說明了波音告警系統(tǒng)在多重告警設計方面尚待完善，機組成員在飛行中面臨指示空速不一致、高度不一致、壓差同時伴隨抖桿器等情況被激活多重告警，機組必須自行評估多重故障情況，判斷故障等級，選擇最準確的操作程序和處置方案。因此，需要一種系統(tǒng)和方法，以便迅速、準確地向機組傳達關鍵告警信息。

綜合來看，告警系統(tǒng)逐步向告警信息集中化，告警功能綜合化、智能化方向快速發(fā)展，旨在幫助飛行機組及時發(fā)現(xiàn)危險的同時，更為智能地提供有效的飛行安全指導建議，為減少飛行事故起到了重要指導作用。

2 告警方式的分類及研究應用進展

民機駕駛艙告警系統(tǒng)的告警方式按照類型劃分包括聽覺、視覺和觸覺三類，一般以視覺信息為主，聽覺、觸覺為輔，下面從這三個類別分別闡述駕駛艙告警系統(tǒng)的研究和應用發(fā)展概況。

2.1 視覺告警

視覺是人類個體最主要的感覺通道，有80%以上的信息均是來自視覺上的感知[9]。視覺告警能及時獲得駕駛員的高度關注，并提供關于各種緊急情景下的主動信息，不易導致機組人員誤解，反映的告警信息量相對比較多，范圍廣。視覺告警主要通過警示燈、告警信息、顯示器告警三種途徑，結(jié)合不同顏色來準確定義不同級別的告警信息。

國內(nèi)外諸多學者對視覺告警開展了很多基礎性研究，朱祖祥[10]等人認為視覺告警信號主要應用于緊急情況，避免增加工作人員的視覺負荷，因此提出個人專用性的理念，為個性化的告警方式提供了可能性。Kiichi提出在汽車駕駛領域，將預警聲音定位與視覺信息結(jié)合使駕駛員能夠更快速地辨識視覺信息[11]。對于航空領域的民機駕駛艙告警方面，張博通過對比波音737和空客A320機型的告警設計，結(jié)合民機的三級告警設計方法，分析告警的定義、分級、顏色等方面，提出一種關于可視角度的主警告燈設計方案[12]。孫有朝等人結(jié)合眼動儀參數(shù)及權(quán)重，研究了飛機座艙低光照條件下對飛行員視覺功效的影響，提出了一種較為合適的光照強度：50Lux[13]。舒秀麗等人參照SAE相關標準，分別從三級視覺告警信號的設計進行分析，結(jié)合MIL-STD-1472F中對告警顏色的亮度、背景亮度做的規(guī)定，提出了設計駕駛艙內(nèi)視覺告警信號的基本要求[14]。

在視覺告警中，主警告燈負責多個故障顯示，但目前關于主警告燈和次一級的燈光或者聲音告警的結(jié)合效果并沒有學者進行深度研究，如果缺乏次級的輔助告警，可能會造成故障無法查明、錯誤判斷等嚴重威脅安全的現(xiàn)象。

平視信息顯示器(Head Up Display, 簡稱HUD)的出現(xiàn)成為民機駕駛艙中的視覺告警應用技術(shù)的重大突破，通過客機玻璃光學反射的特殊原理，將艙內(nèi)重要儀表及告警信息投射在客機駕駛艙前方的透明玻璃面上，以有效減少飛行員低頭查看飛行儀表的頻次，提高飛行員情景意識、更直觀精細的飛行操作提示和更高的全天候運行控制能力。此外，波音787系列導航顯示器上的垂直狀態(tài)顯示器[15]，以及可在側(cè)顯示器上顯示的機場滑行道地圖都滿足了飛行員在不同飛行階段的信息需求，垂直狀態(tài)顯示器確保飛行員同時獲得水平和垂直的導航信息，結(jié)合機場滑行道地圖，為飛行員提供飛行各階段的情境意識。

2.2 聽覺告警

聽覺告警是通過駕駛艙中的揚聲器或機組人員的耳機中發(fā)出某種聲音來告知飛行員此刻的飛行狀態(tài)。

國內(nèi)外學者對于聽覺告警的研究主要集中于頻度、響度、聲刺激等聲學參數(shù)[16-20]，在探究聲學參數(shù)對告警感知影響方面已做有大量工作，基于上述研究基礎在特定的駕駛艙工作環(huán)境之下的聲學工效領域中，許嵩提出通過研究告警的聽覺參數(shù)以及呈現(xiàn)方式，提出了聲學告警今后的研究方向：不同信噪比對人的告警感知績效的影響，中西方告警參數(shù)之間存在明顯差異以及不同告警之間的相互影響作用[21]。張博基于適航規(guī)則和相關機型設計經(jīng)驗，提出駕駛艙內(nèi)應采取的音調(diào)頻率，使用規(guī)則及其語音告警的設計準則[5]。張彤等人對關于駕駛艙語音告警的最佳語速的研究分析表明，告警中的最佳語速為3.33字/s～5.34字/s[22]，最佳為4字/s。此外，駕駛艙中聽覺告警涉及需要綜合考慮機組人員的可理解度、反應時間以及錯誤率的權(quán)重問題[23]。

現(xiàn)階段的駕駛艙語音多采用三維定位音頻技術(shù)以達到有效告警，三維音頻技術(shù)最初作用于美國軍用戰(zhàn)斗機中，后被應用于民用飛機3D告警系統(tǒng)中，利用聲源定位作為引導視覺告警的輔助信息[24]，在低能見度、視野欠佳或視覺信息混雜的情況進一步明確故障位置，強化飛行員的識別故障認知意識。

2.3 觸覺告警

觸覺告警多采用物理觸感、反饋桿力、震動等方式達到警示目的。在一些特定情況下，觸覺告警的應用可以更有效地引起飛行員的注意力。

國外學者Simon C發(fā)明了一種專為飛行員設計的電子手表裝置，該表提供了一種包括視覺、聽覺和觸覺能力的三種告警裝置，具有多個定時器和告警指示的飛行監(jiān)視裝置，以故障安全的方式提醒飛行員注意多個順序事件發(fā)生的時間，以滿足飛行中的多個計時需求，并能夠幫助飛行員意識到發(fā)動機運行的時間[25]。Salzer Yael[26]提出將駕駛員大腿位置安置駕駛艙內(nèi)振動觸覺顯示器，通過組裝在大腿上的振動觸覺顯示器可以實現(xiàn)垂直方向定向，其潛在應用可用于在垂直平面內(nèi)向飛行員提供定向碰撞警報，這可以在視覺-聽覺超載的駕駛艙環(huán)境中提供引起飛行員注意的更有效的告警方式。

綜上可見，駕駛艙中觸覺告警的應用還僅限于飛機失速的情況，當迎角傳感器(AOA)達到預先設定值，觸發(fā)抖桿器振動，引發(fā)失速告警。觸覺作為人體五大感官中最為敏感的器官，其在飛機飛行告警方面的應用還有待我們深入研究。

此外，在告警系統(tǒng)設計方面，吳奇[27]等人通過視聽辨析、視聽告警雙任務干涉系列實驗，采集飛行員告警處理過程的信息，構(gòu)建基于飛行員告警信息處理的認知和行為模型。國外學者PL尤因利用擴展卡爾曼濾波器實現(xiàn)飛行跟蹤算法，計算飛機位置及間距，提出基于濾波算法的飛機信標防撞預警系統(tǒng)設計[28]。JM Noyes、AF Starr提出開發(fā)“以人為中心”的、具有容錯能力并能積極幫助機組人員做出決策的飛行預警系統(tǒng)[29]；Dehais JM Merle通過實驗測量機組對初始告警信號以及輔助告警信號的響應時間，確定機組反應時間間隔，并設計出一種機組人員未對警報做出反應的情況下能夠?qū)嵤┳詣踊乇懿僮鞯难b置[30]，這些研究都為駕駛艙告警系統(tǒng)設計提供了有價值的思考。

3 民機駕駛艙告警系統(tǒng)需求分析

3.1 基于規(guī)章的駕駛艙告警系統(tǒng)設計需求

隨著民用航空器的快速發(fā)展，機上各種電子設備日趨復雜，機內(nèi)各種類型告警信號也日益增多，為了有效確保民用航空器在告警系統(tǒng)方面的安全性和適航性，各國適航管理部門分別制定了機載告警適航規(guī)章，國際上諸多適航規(guī)章都是以美國聯(lián)邦航空發(fā)布的FAR-25部為參考。

FAR25-1309條款[31]中要求：飛機系統(tǒng)非正?；蚬收蠣顩r下的信息必須及時提供給飛行機組，以便機組人員在任何情況下能夠察覺并響應。系統(tǒng)設計必須避免虛警和冗余性告警，機組告警信息按照優(yōu)先級劃分為需立即識別并馬上處置的警告級、需立即識別并隨后處置的警戒級、需機組成員意識到且可以稍后處置的提示級警告。告警優(yōu)先級方面，視覺信息按照告警等級從上至下依次顯示于顯示屏內(nèi)，構(gòu)型告警優(yōu)先于其他告警。聽覺告警按照告警優(yōu)先級進行排序和播報，同時間只允許存在一種聽覺告警，必要時可中斷當前告警，播報更高級別的聽覺告警信息。對于告警顏色，規(guī)定警告狀態(tài)用紅色顯示，警戒狀態(tài)用琥珀色或黃色顯示，正常狀態(tài)用綠色顯示，嚴格限制上述告警顏色用于駕駛艙內(nèi)的其他用途。

上述規(guī)章條款的制訂是以大量的人因?qū)嶒炑芯拷Y(jié)論為基礎，但是適航規(guī)章只是對駕駛艙告警系統(tǒng)提出了基本要求，如何優(yōu)化其設計還需不斷去探索和完善。

3.2 基于信息加工的告警系統(tǒng)設計需求

飛行員處理駕駛艙告警的過程是一個信息處理的流程[32]，獅航、埃航兩起波音737 MAX事故中，飛機迎角超過規(guī)定閾值，發(fā)出警告，同時導致波音737 MAX機型機動特性增強系統(tǒng)(MCAS)被激活，伴有抖桿器被激活、空速不可靠、高度不一致等其他多重告警。由于在對波音737 MAX設計中忽略了駕駛艙多重警告對于飛行員的人因影響，有限的心理資源和注意力導致飛行員在多重警告的情況下，無法分清任務的優(yōu)先級，也就無法采取及時、適當?shù)募m正措施。

Wickens信息處理模型(圖1)可用于分析在多重故障情況下飛行員對告警信息加工、操作和決策過程的差錯，并指導機載告警系統(tǒng)人機界面的設計。該模型從人類信息加工的一系列心理操作差錯角度來分析人因差錯，飛行員通過視覺、聽覺、觸覺獲取飛行動態(tài)信息及其駕駛艙各類儀表信息[33]，包括告警指示信息，將接收到的信息進行分析，判斷執(zhí)行當前任務所需要的信息，依據(jù)信息分析結(jié)果，制定合理的行動方案，整個信息接收、分析、處理、決策、執(zhí)行過程中注意資源以及記憶力始終起到關鍵的輔助作用[34-35]。因此，信息加工處理的過程影響并支配著飛行員的行為和動作，在駕駛艙告警系統(tǒng)設計過程中，需要對飛行任務的環(huán)境和具體程序進行深入分析，掌握不同告警信號的響應背景，只有選擇和響應背景相匹配的感覺通道，執(zhí)行任務中的飛行員才能夠有效獲取告警信息并及時處理。

圖1 飛行員信息處理模型圖

4 發(fā)展趨勢展望

綜上所述，目前駕駛艙告警系統(tǒng)雖然已經(jīng)很先進，但是從人因工程視角來看，設計上的局限性仍然存在，特別是當飛行環(huán)境條件復雜多變、飛行任務多線程同時執(zhí)行時，告警的及時性和可靠性還有很大的提升空間。在對告警系統(tǒng)適航規(guī)章解讀的基礎上，結(jié)合人因工程學的研究進展，對未來駕駛艙告警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢總結(jié)如下：

(1)從“自動化”向“自主化”告警過渡?，F(xiàn)有的自動化告警系統(tǒng)在告警時大多是一種基于閾值數(shù)據(jù)觸發(fā)的被動響應，未來的駕駛艙告警系統(tǒng)應該在綜合機載和環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎上，引入人工智能算法，使得告警系統(tǒng)具備一定的“思考”能力和“自主化”告警功能，真正成為機組一員，為機組決策提供支持。

(2)設計“前置預警”以消除心理不應期的負面效應?，F(xiàn)代飛機的自動化程度非常高，自動駕駛在為飛行員操作提供便捷的同時，也帶來飛行員對自動駕駛過度信任的問題，突發(fā)情境下自動駕駛儀的斷開告警或其它告警均會給飛行員帶來“自動化驚嚇(Automation Surprise)”，如果在告警設計者融入前置告警，給飛行員一定的心理準備時間，避開心理不應期的負面效應，將會避免由于“自動化驚嚇”所帶來的人因失誤。

(3)設計個性化告警以提高告警區(qū)分度?！半u尾酒會效應”說明個體對自我信息的加工具有獨特優(yōu)勢[36]，而目前駕駛艙中的告警信息都是通用提示，如果融入個性化的告警信息(比如含有機組姓名的信息提醒)，機組自我信息加工的優(yōu)勢就會發(fā)揮作用，抵消機組在復雜情境下一部分或全部的“瞬脫”效應[37]。同時，個性化告警對機組區(qū)分相似告警具有積極作用。

(4)增加觸覺告警的融合應用。在當前駕駛艙告警系統(tǒng)中，觸覺類告警應用較少，而實際上人體對觸覺刺激反應用時最短，在很多情況下都會存在視覺或聽覺通道不可用、受限或過載的情況[38-39]，因此，未來的告警系統(tǒng)設計應充分考慮觸覺。同時，并行跟蹤多個視覺信息源的視覺注意力資源可能是有限的，如何將其轉(zhuǎn)換為觸覺模式(和多個模式)尚不完全清楚，但有一些跡象表明，觸覺注意力可能同時指向多個位置，因而觸覺告警有著更為廣闊的探索和應用空間。

(5)加強告警閾值的實驗研究及探索。告警閾值過大易造成告警不及時，飛行員反應時間過短；告警閾值過小易導致告警頻次過多，產(chǎn)生虛警，致使飛行員大意而忽略重要告警信息，告警閾值的設定應該是基于大量實驗數(shù)據(jù)，因此開展飛行情境下的告警閾值實驗研究對改善駕駛艙告警系統(tǒng)設計顯得尤為重要。

5 結(jié)論

駕駛艙內(nèi)告警系統(tǒng)設計的合理性將直接關系到機組是否能及時注意到非正常飛機系統(tǒng)狀態(tài)或運行狀態(tài)并采取有效措施，智能化、人性化的告警系統(tǒng)是保障飛行安全的有力防線。

本研究通過梳理駕駛艙告警系統(tǒng)的發(fā)展歷程、國內(nèi)外學者對告警系統(tǒng)設計研究及告警技術(shù)的應用進展，對駕駛艙告警系統(tǒng)的適航規(guī)章進行解讀，提出民機駕駛艙告警系統(tǒng)仍存在一些局限與不足。民機駕駛艙告警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設計必須要突出重點，在關鍵階段抑制甚至忽略非重要告警信息，以便有效確保各種緊急情況飛行員能夠及時獲取最重要的告警信息，提高民用客機飛行安全。面對錯綜復雜的飛行環(huán)境，未來民機駕駛艙告警系統(tǒng)不僅需要做到及時告知飛行員危險存在的能力，更應該具備提示建議、化解危險的能力，同時優(yōu)化多重告警優(yōu)先級，使飛行員充分考慮到主警告產(chǎn)生的所有次要警告信息，確保飛行員能夠及時辨別主警告，采取必要措施。