民用大飛機經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計研究

陳萬鵬　徐江華

關(guān)鍵詞：民用大飛機 經(jīng)濟艙座椅 安全設(shè)計 座椅設(shè)計 航空安全

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）07-0150-04

引言

2021年9月，中國國內(nèi)航空客運市場總額為全球的19.9%，而同期美國國內(nèi)航空客運市場總額為全球的16.6%。龐大的航空客運市場給我國民航業(yè)的發(fā)展提供了動力，但也帶來了極大挑戰(zhàn)。民用大飛機經(jīng)濟艙座椅作為整個飛行體驗中陪伴乘客時間最長的艙內(nèi)設(shè)施，與乘客的安全息息相關(guān)，但目前的經(jīng)濟艙座椅較多沿用早期的設(shè)計標準，更新?lián)Q代頻率較慢。民用航空特別注重安全問題，但近幾年因經(jīng)濟艙座椅而產(chǎn)生的安全問題卻越來越突出，有些機鬧行為嚴重擾亂客艙安全秩序，危害其他乘客的飛行安全體驗。經(jīng)濟艙座椅的安全設(shè)計仍有較大的優(yōu)化設(shè)計空間，基于此，文章以經(jīng)濟艙座椅為研究對象，通過文獻計量法，分析國內(nèi)外的相關(guān)研究進展，從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的角度，探尋一種可以應用于經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計的設(shè)計方法，為民用大飛機經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計提供一種理論研究的參考。

一、概念界定

（一）民用大飛機定義

民用大飛機，也指大型客機。國內(nèi)外對于大飛機的定義不盡相同。美國聯(lián)邦航空管理局認為：大型客機是指認證最大起飛重量超過12500磅的飛機。歐洲航空安全局將大型飛機定義為最大起飛重量超過5700公斤（約為12600磅）的飛機或多引擎直升機。而我國大飛機一般指的是最大起飛重量超過100噸的運輸類飛機，包括軍用大型運輸機和民用大型運輸機，也包括一次航程達到3000公里的軍用飛機或乘坐達到100座以上的民用客機，通常將150座以上的客機稱為“大型客機”。目前世界上具有代表性的大飛機主要是波音787-10、空客A380。

（二）經(jīng)濟艙座椅組成部分

經(jīng)濟艙座椅在成本上要低于其他客艙的座椅，在座椅的功能服務(wù)以及舒適程度上也與其他客艙座椅有較大的差別。經(jīng)濟艙座椅主要由頭枕、靠背、扶手、安全帶、坐墊、小桌板、飛機客艙娛樂設(shè)施系統(tǒng)（IFE）、雜志袋、大梁、吸能椅腿等部分組成，圖1是Safran經(jīng)濟艙座椅Z400。

（三）安全設(shè)計

安全，英語詞匯是“Safety”?！俄f伯斯特英文大辭典》對安全的定義是：1.免于傷害或危險;安全的狀態(tài);2.沒有危險或有害的狀態(tài);3.沒有傷害或危險的地方;安全的地方;4.不會遭受或造成傷害或損失?！缎氯A字典》中的安全：沒有危險;不受威脅;不出事故。安全也可是一種和諧穩(wěn)定的狀態(tài)，主體不受傷害或是沒有危險因素的威脅。

安全設(shè)計（Design for Safety），是將安全作為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的首要考慮要素。安全設(shè)計是從源頭上消除危害的最有效風險控制措施。安全設(shè)計的原則是將對每個產(chǎn)品的實際潛在危害和風險的考慮置于該產(chǎn)品設(shè)計的始終。安全設(shè)計目前主要集中在網(wǎng)絡(luò)安全、高速公路安全系統(tǒng)設(shè)計、化工工藝以及煤礦安全生產(chǎn)等方面。而在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，少有從安全角度探析設(shè)計的文獻研究。江牧在《工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計安全原則》一書中，對于產(chǎn)品，簡單的來說，安全具有兩方面的意義：1.產(chǎn)品自身不能危害人;2.產(chǎn)品能夠幫助人應對外來的危險[1]。以往的經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計主要是涉及工程領(lǐng)域，如經(jīng)濟艙座椅的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、吸能椅腿的設(shè)計、桌板組件的設(shè)計等硬件設(shè)施設(shè)計，相對靜止地考慮其功能，使其滿足各種安全標準，忽視了乘客-座椅的動態(tài)關(guān)系安全設(shè)計研究。工業(yè)產(chǎn)品的安全設(shè)計則是以人為中心的安全設(shè)計。江牧還提出要動態(tài)地看待人機關(guān)系，把姿態(tài)、視野等人在使用產(chǎn)品時的種種行為也考慮進去[2]。

二、民用大飛機經(jīng)濟艙座椅設(shè)計分析

（一）研究高頻詞匯分析

在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中以“Aircraft Seat Design”為主題，共檢索到251篇相關(guān)文獻。從Web of Science核心數(shù)據(jù)庫獲得的文獻數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)于飛機座椅設(shè)計的高頻詞匯，從高到低依次是乘客、舒適性、測試、負載和姿勢等詞匯，如圖2所示。乘客是出現(xiàn)頻率最高的詞匯。乘客作為整個飛行體驗中的主要服務(wù)對象，在對飛機座椅進行設(shè)計的過程中，乘客是必不可少的考慮要素。

Siyu Ren從乘客體驗的角度，通過分析一般飛行過程，研究了乘客的機上行為以及相關(guān)觸摸點。在將機艙劃分為前服務(wù)區(qū)、座椅和客運服務(wù)單元等多個系統(tǒng)區(qū)域后，確定了每個區(qū)域的產(chǎn)品部件及其屬性，基于此提出了因素模型，并將影響乘客體驗的關(guān)鍵因素進行分類，建立了因素模型指導飛機客艙座椅設(shè)計。Fiorenzo Franceschini提供了一種基于通用Yager的優(yōu)先排序算法，對客艙乘客優(yōu)先級的需求進行排序。Hanjun Park為美國的肥胖人群提出了適合他們的人體模型，為航空公司對客艙座椅設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。HuizhongZhang通過向乘坐波音737飛機的乘客分發(fā)200份問卷，最終經(jīng)過數(shù)據(jù)分析以及對乘客機上睡眠行為的實驗研究，發(fā)現(xiàn)與垂直靠背相比，仰臥式靠背會導致頸部更大的旋轉(zhuǎn)和頸部肌肉的更大疲勞，并發(fā)現(xiàn)乘客身高是導致頭部和頸部疲勞的重要因素[3]。

國外學者在對于飛機座椅設(shè)計的研究中，除了對乘客的考量，第二多的就是對舒適性的研究。座椅的舒適性設(shè)計是安全設(shè)計的更高體現(xiàn)。P. Vink通過研究發(fā)現(xiàn)，乘客的舒適度與飛機座椅和腿部空間密切相關(guān)[4]。Jing Liu通過視頻軟件系統(tǒng)MVTA發(fā)現(xiàn)，乘客在機上的大部分時間內(nèi)在進行的活動是睡眠和休息活動（34.3%）、使用小型電子設(shè)備占（32.7%）、閱讀占（16.1%）。針對這些姿勢，使客艙座椅舒適性設(shè)計更有針對性[5]。Shabila Anjani在關(guān)于乘客舒適度的研究中指出，客艙座椅間距和寬度是影響乘客舒適度的關(guān)鍵因素，研究還發(fā)現(xiàn)，肩膀、膝蓋、小腿和腳的舒適程度會影響乘客的整體舒適度[6]。測試、載荷也是出現(xiàn)較多的詞匯，飛機座椅在設(shè)計的過程中需滿足特定的靜態(tài)、動態(tài)載荷測試，還有不同的航空標準以及登機標準。FDNapoli開發(fā)了一種混合FE-MB模型，其模擬座椅實驗測試具有良好的精度水平[7]。

國內(nèi)對于經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計研究的文獻數(shù)量較少，主要是研究飛機座椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、仿真分析、抗墜撞性、阻燃性能等工程領(lǐng)域安全方面，對于座椅的舒適性設(shè)計也僅僅是對于座椅靠背和座椅墊等硬件設(shè)施設(shè)計優(yōu)化，如圖3所示。

徐江華基于人機工程學的設(shè)計方法，結(jié)合觀察法與壓力分布實驗，借助SPSS統(tǒng)計軟件，得出乘客在三種常見行為下產(chǎn)生的最舒適靜態(tài)坐姿與對應的最佳壓力值。通過對可調(diào)節(jié)座椅的設(shè)計，滿足民航飛機乘客的個性化需求[8]。在《飛機客艙設(shè)施造型安全人機設(shè)計研究》中提出，針對飛機客艙安全事故發(fā)生前的預防，通過安全人機設(shè)計滿足飛機客艙乘員與客艙設(shè)施造型之間的匹配，從而達到乘員-客艙設(shè)施-情景-文化與審美的“安全和諧”[9]。

商伶榕指出，在對民航經(jīng)濟艙座椅的設(shè)計中，硬件設(shè)施方面的設(shè)計是必不可少的考慮因素，如座椅的寬度、椅背的高度、寬度等。即使經(jīng)濟艙座椅的設(shè)計與人機完全匹配，乘客仍會有很多不安全、不舒適的飛行體驗感。座椅設(shè)計應注重研究人體不同行為下的姿態(tài)特征、腰椎的最佳狀態(tài)，以及不同姿態(tài)下體壓的分布、調(diào)整姿態(tài)的可能性以及頻率，還包括這些因素相互之間的影響關(guān)系[10]。

朱江蘭經(jīng)過研究分析，介紹了飛機座椅安全帶狀態(tài)報警電路的設(shè)計，通過安全帶主動提示的方式去保證機上乘客的安全[11]。孟坤基于人機工程學的設(shè)計方法，采用三次樣條插值算法，對椅背中心線進行擬合，并采用曲率半徑誤差最小的方法對原始數(shù)據(jù)點進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的椅背中心擬合曲線，提升乘客乘坐體驗[12]。馮振安指出在民用飛機設(shè)計與工業(yè)設(shè)計交融過程中，對兒童、殘障人員這類特殊人群提出針對性的設(shè)計，以滿足這類人群的飛行安全需求[13]。設(shè)計在任何時間、任何地點空間，都不能忽視“人”這一客觀主體的差異性和非劃一性。

初建杰通過語義差異法，將主觀意向量化為可參考的數(shù)據(jù)，提出客艙座椅面料應該選用明度高和純度較低的顏色及簡單、有規(guī)則的紋樣[14]。藺越國利用MSC.Dytran有限元軟件對飛機座椅復合材料面板結(jié)構(gòu)進行高速沖擊響應分析，并將分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)了一種具有較好的抗沖擊性能的復合材料板[15]。

（二）研究對象分析

通過在Web of Science收集到的相關(guān)文獻，按照時間、文獻數(shù)量和具體的研究對象分類，主要采用2016年至今的文獻，得到飛機座椅設(shè)計研究對象歸納分析表1。由歸納分析表可知，從2016年以來，經(jīng)濟艙座椅設(shè)計研究主要以研究乘客的生理、心理和行為為主，對座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究次之。對乘客的生理研究一直是近幾年的研究重點，隨著時間的推移，對乘客的心理、行為研究以及座椅的功能、材料、造型等研究也越來越引起人們的關(guān)注。

Gabriel H. Campos提出變形閥座設(shè)計，通過調(diào)整閥座表面曲率，分散乘客乘坐時的腰椎壓力，減少腰椎肌肉疲勞。系統(tǒng)上全面重視乘客的生理、心理以及行為的安全設(shè)計研究較少，同時對經(jīng)濟艙座椅材料、色彩、造型等的設(shè)計研究也較少。國外對于乘客的生理研究僅僅體現(xiàn)在普通乘客的身體安全的設(shè)計研究，對于不同性別、不同年齡以及不同身體狀態(tài)的乘客的文獻研究相對較少，國內(nèi)對于此研究也是比較匱乏。近幾年生活質(zhì)量的快速提高，人們的身體尺寸也與以往有所不同。以往的經(jīng)濟艙座椅設(shè)計并沒有完全考慮孕婦、兒童、老年人以及殘障人士的安全需求，以至于埋下很多安全隱患，沒有提供更好的飛行安全體驗。

國內(nèi)外學者注重相對“靜態(tài)”下乘客的安全設(shè)計以及座椅的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計，對于乘客-座椅的動態(tài)和諧關(guān)系的設(shè)計研究較少。然而這種不和諧的設(shè)計研究正引發(fā)越來越多的不安全事件，如乘客在使用小桌板時，前排乘客突然傾斜座椅靠背，乘客之間比較容易產(chǎn)生矛盾，引發(fā)不安全事件;乘客在出入座時影響其他乘客的飛行安全體驗;乘客之間私下調(diào)換座位引發(fā)矛盾沖突等。因此，對乘客-座椅的動態(tài)和諧關(guān)系的設(shè)計研究具有十足的必要性。

（三）設(shè)計方法分析

經(jīng)過對相關(guān)文獻的分析，飛機座椅的設(shè)計方法以人機工程學的設(shè)計方法為主。Jordi Porta將體形和人體的比例的變化考慮到人機工程學的設(shè)計方法中，并指出增加經(jīng)濟艙座椅的腿部空間和座位寬度的必要性。Negin Ozve Aminian通過研究發(fā)現(xiàn)，目前的飛機座椅需要更符合人機工程學的設(shè)計，通過設(shè)計減少乘客的差異化安全體驗。徐江華基于人機工程學的設(shè)計方法，給出了乘客三種常見行為下的最舒適靜態(tài)坐姿和對應的最佳壓力值。孟坤基于人機工程學的基本原理，采用三次樣條插值算法，優(yōu)化了椅背中心線，提升乘客乘坐體驗。人機工程學的設(shè)計方法大多指導靜態(tài)下的經(jīng)濟艙座椅設(shè)計，對于椅背曲線、座位寬度、扶手高度等具有指導作用，根據(jù)人體尺寸可以不斷優(yōu)化座椅硬件設(shè)施的設(shè)計，以滿足乘客的基本安全需求。人性化的設(shè)計方法，更加注重“以人為本”，也是經(jīng)濟艙座椅設(shè)計使用較多的設(shè)計方法之一。商伶榕提出要充分考慮人性需求，在完全符合人機的情況下，乘客仍然會有不舒適的體驗感，并指出要研究人體不同的行為姿態(tài)，在靠背設(shè)計中，應考慮到人體脊椎曲線、曲面的定量關(guān)系。初建杰通過語義差異法，將主觀意向量化為可參考的數(shù)據(jù)，提出客艙座椅面料應該選用明度高和純度較低的顏色及簡單、有規(guī)則的紋樣。

目前在對于經(jīng)濟艙座椅的設(shè)計方法中，從乘客角度考量的設(shè)計方法，以人機工程學的設(shè)計方法為主，人性化的設(shè)計方法、感性工學的設(shè)計理論等也有所涉及，針對座椅硬件設(shè)施的以實驗設(shè)計為主，其中主要通過有限元設(shè)計方法等機械設(shè)計方法進行模擬仿真，對座椅進行不斷的優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)有的設(shè)計方法中，缺少對乘客、座椅、乘客-座椅和諧關(guān)系以及整個客艙都具有指導性的安全設(shè)計方法，應多關(guān)注不同乘客的安全需求，做好針對性的設(shè)計，確保乘客安全的飛行體驗。

三、民用大飛機經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計

經(jīng)濟艙座椅設(shè)計包含人機、形態(tài)、色彩、銘牌、標識以及字體等要素的設(shè)計，在設(shè)計的過程中受到相關(guān)航空適航標準以及登機標準的制約。文章從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的角度，提出了經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計的三種設(shè)計策略，即：經(jīng)濟艙座椅人機安全設(shè)計、經(jīng)濟艙座椅形態(tài)安全設(shè)計和經(jīng)濟艙座椅色彩安全設(shè)計。人機安全設(shè)計是基礎(chǔ)，座椅形態(tài)、色彩安全設(shè)計則是提升乘客安全體驗感的主要方式。

（一）經(jīng)濟艙座椅人機安全設(shè)計

經(jīng)濟艙座椅人機安全設(shè)計主要是為了減少使用中人的差錯，發(fā)揮乘客和座椅各自的特點以提高機械產(chǎn)品的可靠性。人機系統(tǒng)中乘客是使用經(jīng)濟艙座椅的主體，是主要方面，起著主導作用。對經(jīng)濟艙座椅設(shè)計首先要考慮人的生理尺度、心理感受以及行為狀態(tài)因素，以追求乘客-座椅-客艙的協(xié)調(diào)與最佳匹配，使乘客的飛行體驗環(huán)境更加安全、舒適。同時座椅安全設(shè)計也要兼顧特殊人群的飛行乘坐安全需求，設(shè)計師不應僅僅考慮通用性設(shè)計，應關(guān)注因個體差異性而帶來的座椅安全設(shè)計問題。

在人機系統(tǒng)中，經(jīng)濟艙座椅是客體，是主要的研究對象。座椅的設(shè)計應符合人的要求，應具有可操作性、易維護性和本質(zhì)可靠性?？刹僮餍跃褪侵柑岣呓?jīng)濟艙座椅在使用過程中的穩(wěn)定性，并且快速、準確無誤地幫助乘客完成乘坐任務(wù)。

人機系統(tǒng)中，存在著一個人與機相互作用的“面”，即人機界面。座椅人機界面的安全設(shè)計，主要是座椅靠背控制器、飛機客艙娛樂設(shè)施系統(tǒng)以及桌板開關(guān)等相關(guān)設(shè)施的設(shè)計。乘客在與座椅進行人機交互時，座椅應盡可能高效率地為乘客提供所需要的安全信息。如乘客坐在座椅上感到疲勞時，座椅靠背控制器應及時準確無誤地提供向后躺的信息，便于乘客去快速調(diào)整座椅靠背，以減輕座椅帶給乘客的生理傷害。

意大利飛機座椅公司Aviointeriors的設(shè)計和工程團隊提供了一個安全設(shè)計的方案，這個方案即可以保持原有座位數(shù)量，也可以創(chuàng)造安全的客艙環(huán)境，如圖4。中間座椅背對著飛機的行駛方向，三連座的座椅中的三名乘客都由透明防護罩隔開，以避免乘客間直接接觸，在全球疫情得不到有效控制的情況下，可以提供一定的防護功能。過道座椅上的防護罩可以保護乘客免受過道的人的影響，還可以保證乘客具有一定的隱私安全，能有效減少諸多不安全的因素。過道座椅的防護罩具有可折疊和可滑動的功能，殘障人士使用該座椅時也不會有相當大的障礙，在進出座位時也更容易。防護罩的形狀可保持肘部的活動安全空間，并便于使用椅背功能，如小桌板、雜志袋。該防護罩由易于清潔的材料制成，可以更好地清潔，并且可以在不透明的材料中指定或具有不同程度的透明度，以滿足不同乘客的不同安全需求。

（二）經(jīng)濟艙座椅形態(tài)安全設(shè)計

經(jīng)濟艙座椅形態(tài)的安全設(shè)計主要是通過正確選擇材料、表面修飾工藝包括美學的構(gòu)成法則形成與座椅功能、客艙條件等因素相適應的良好的外觀質(zhì)量。

經(jīng)濟艙座椅材料的選擇需要履行極為嚴苛的適航安全標準，如需要滿足防火、防煙以及防毒等特性。捷克航空最新A220飛機上的Collins Meridian座椅配備了座椅墊和頭枕墊，它們由UltraleatherPromessa AV制成，這是一種柔軟的、不含動物纖維的材料，感覺起來與皮革十分類似。

座椅表面的修飾工藝主要是指座椅自身的形態(tài)不會對乘客造成傷害，還能為乘客提供防護功能以及保護乘客的隱私安全。目前經(jīng)濟艙座椅形態(tài)早已實現(xiàn)倒圓角的處理，少有外露的尖銳面，在正常情況下，乘客在使用座椅的過程中并不會因座椅自身形態(tài)而造成直接傷害。座椅形態(tài)設(shè)計還應具有一定的審美特性，滿足美學的構(gòu)成法則，使乘客可以通過感官感受審美愉悅。

（三）經(jīng)濟艙座椅色彩安全設(shè)計

色彩心理學將色調(diào)作為人類行為的決定因素。顏色會影響不明顯的感知，人們普遍喜歡飽和的藍色，因為它主要與大多數(shù)人認為積極的事物有關(guān)，如晴朗的天空和干凈的水，而他們往往不喜歡深黃色或棕褐色，因為它主要能讓人們聯(lián)想到不好的事物，如生物的糞便和一些腐爛的食物。

物體的顏色并不是獨立的發(fā)揮作用，所有相關(guān)物體的總價決定了人們對這種顏色的平均偏好，其中包括環(huán)境、光線、溫度、時間、文化、聲音、材料等因素的影響。經(jīng)濟艙座椅色彩的安全設(shè)計主要是對頭枕、靠背以及坐墊的色彩設(shè)計，既要滿足乘客心理安全感，又要與整個客艙內(nèi)飾做到和諧統(tǒng)一。東京的飛機內(nèi)飾設(shè)計工作室Lift AeroDesign創(chuàng)建了Paradym World Colors，東京裝飾方案混合了現(xiàn)代大都會與城市的平靜和歷史方面的暗示。新加坡裝飾方案中引入了自然、熱帶的美，從鼠尾草到深色的森林，寧靜的綠色色調(diào)與豐富的深色木材色調(diào)相得益彰，讓乘客想起島上原生的柚木。

結(jié)語

通過對經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計研究文獻的梳理，設(shè)計師需要真正的了解不同乘客的飛行安全需求，并對此做出針對性的安全設(shè)計。經(jīng)濟艙座椅是民用客機中排布數(shù)量最多的座椅，伴隨著座椅而產(chǎn)生的安全問題也越來越影響乘客的飛行安全體驗。在民用航空客艙安全問題頻發(fā)的背景下，從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的角度，提出民用大飛機經(jīng)濟艙座椅的安全設(shè)計三種設(shè)計策略，即經(jīng)濟艙座椅人機安全設(shè)計、經(jīng)濟艙座椅形態(tài)安全設(shè)計和經(jīng)濟艙座椅色彩安全設(shè)計。文章可以為設(shè)計師們在進行經(jīng)濟艙座椅安全設(shè)計時提供一種思路，切實保證乘客的安全，豐富當前經(jīng)濟艙座椅設(shè)計類型，最終以提升我國制造業(yè)的核心競爭力。