民機(jī)駕駛艙共通性設(shè)計(jì)要素分析與數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

蔡向群，戴樹(shù)嶺，雷小永，匡 群，王 媛，李先學(xué)

（1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200135）

0 引 言

駕駛艙的共通性是民機(jī)共通性設(shè)計(jì)中的重要組成部分。共通性是指兩個(gè)或多個(gè)機(jī)型在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用相似或相同的模式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、裝配、取證、服務(wù)等方面的互通，進(jìn)而達(dá)到降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造及運(yùn)行維護(hù)成本、提高效率的目的[1]。

通過(guò)對(duì)駕駛艙進(jìn)行共通性設(shè)計(jì)，能夠降低飛機(jī)制造維護(hù)成本。波音B737 NG系列研制過(guò)程中，利用設(shè)計(jì)保證了98%的機(jī)械部件的通用性，促使該系列飛機(jī)維護(hù)成本[2]下降15%。良好的共通性可以大大縮短民航客機(jī)飛行員改裝時(shí)間，降低飛行員改裝培訓(xùn)成本[3]，波音公司在B787飛機(jī)研制過(guò)程中采用了與波音其他系列飛機(jī)相似的設(shè)計(jì)，使得B777駕駛員僅需通過(guò)5天，B757或B767駕駛員僅需8天時(shí)間培訓(xùn)即可勝任B787駕駛工作[4]?？湛凸驹谄銩380飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)同樣采用了共通性 設(shè) 計(jì)，A320及A350飛 行 員 分別僅需11天、5天的培訓(xùn)，即可勝任A380飛機(jī)駕駛工作[5]。駕駛艙設(shè)計(jì)的差異性和飛行員改裝不充分可能導(dǎo)致操作錯(cuò)誤，造成安全隱患。2013年7月6日，航亞航空214班機(jī)發(fā)生著陸事故，經(jīng)調(diào)查分析，飛行員改裝不充分和機(jī)型的差異性為造成事故的重要原因之一[6]。

飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)可分解為眾多設(shè)計(jì)要素的集合，駕駛艙共通性設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是對(duì)各設(shè)計(jì)要素進(jìn)行共通性設(shè)計(jì)。對(duì)現(xiàn)有典型民航駕駛艙設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析，可為未來(lái)駕駛艙共通性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，而充足的駕駛艙設(shè)計(jì)要素?cái)?shù)據(jù)是進(jìn)行共通性要素分析研究的重要前提。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究處于起步階段[3]，有部分學(xué)者針對(duì)民機(jī)各局部系統(tǒng)共通性進(jìn)行相關(guān)研究。例如，文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)民用飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)共通性進(jìn)行相關(guān)研究；張芳對(duì)飛控系統(tǒng)控制律共通性進(jìn)行了相關(guān)分析[9]；奚海燕等人針對(duì)民機(jī)空氣管理系統(tǒng)共通性展開(kāi)相關(guān)研究[1]；徐笑利用層次分析法對(duì)民用飛機(jī)共通性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[10]；董文俊則對(duì)民機(jī)共通性對(duì)飛行員改裝訓(xùn)練效益進(jìn)行了研究[4]；Zhang等提出了共通性指標(biāo)量化方法[11]。這些研究在一定程度上推進(jìn)了國(guó)產(chǎn)飛機(jī)共通性設(shè)計(jì)工作，但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)系統(tǒng)性的駕駛艙共通性設(shè)計(jì)要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)駕駛艙共通性元素缺乏全面、完整的量化歸類研究，給駕駛艙共通性設(shè)計(jì)研究工作帶來(lái)了一定的困難。駕駛艙設(shè)計(jì)要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)而言，在數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上存在巨大差異。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)多采用“文本”“數(shù)值”形式對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)[12-13]；而駕駛艙設(shè)計(jì)要素包含大量空間位置、外觀、聲音、邏輯、操作流程等復(fù)雜信息，難以用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，需要建立支持文本、圖像、視頻、音頻存儲(chǔ)和展示能力的多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)[14-16]。

本文對(duì)大型民用飛機(jī)系列化產(chǎn)品駕駛艙產(chǎn)品共通性設(shè)計(jì)要素進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)其進(jìn)行分析、歸類和量化。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)建立大型民機(jī)駕駛艙共通性設(shè)計(jì)要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，為大型民機(jī)駕駛艙共通性設(shè)計(jì)與評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 駕駛艙共通性設(shè)計(jì)要素分析

1.1 共通性設(shè)計(jì)要素分析與要素樹(shù)構(gòu)建

駕駛艙設(shè)計(jì)要素內(nèi)容繁多，涉及駕駛艙環(huán)境、飛機(jī)系統(tǒng)操作流程和工作邏輯。本文通過(guò)梳理CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.777條、25.779條、25.781條、25.1523等條款的要求[17]，圍繞駕駛艙環(huán)境、操作及顯示、系統(tǒng)功能、操作程序四大部分，按民航ATA手冊(cè)中章節(jié)分類，對(duì)不同機(jī)型設(shè)計(jì)要素進(jìn)行抽象、歸類整理，得到駕駛艙設(shè)計(jì)要素類別與子類別。其中，駕駛艙整體環(huán)境包括駕駛艙設(shè)備數(shù)量、外觀、顏色、布局等共300余項(xiàng)設(shè)計(jì)要素；駕駛艙操作及顯示包括操縱機(jī)構(gòu)操縱方式、儀表、指示燈光顯示方式等共50余項(xiàng)設(shè)計(jì)要素；系統(tǒng)功能包括各系統(tǒng)功能原理、系統(tǒng)組件描述等共700余項(xiàng)設(shè)計(jì)要素；操作程序包括正常、非正常程序共100余項(xiàng)設(shè)計(jì)要素。

本文使用的分類方式是一種典型的樹(shù)狀分類方式。駕駛艙環(huán)境、操縱及顯示、系統(tǒng)功能和操作程序分別是樹(shù)的不同“子樹(shù)”；其下的子類別則是“子樹(shù)”的“分支”；而各個(gè)要素又是該“分支”的葉節(jié)點(diǎn)。最終形成一顆復(fù)雜的“要素樹(shù)”，如圖1所示。

1.2 共通性設(shè)計(jì)要素展示

由于民機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素的信息量豐富繁雜，包含了眾多與外觀、位置、操作、功能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)相關(guān)的設(shè)計(jì)要素，難以通過(guò)靜態(tài)功能數(shù)據(jù)或者簡(jiǎn)單文本進(jìn)行描述，需要通過(guò)更加直觀的圖片、動(dòng)圖、音頻以及文本配合描述，這些要素以多媒體數(shù)據(jù)方式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，是數(shù)據(jù)庫(kù)的核心組成內(nèi)容。

進(jìn)行駕駛艙環(huán)境要素分析時(shí)，需要重點(diǎn)對(duì)駕駛艙布局，控制面板位置，操作器件外觀、顏色等信息進(jìn)行分析。采用“圖片+文字”方式對(duì)該類要素進(jìn)行展示，能夠直觀地顯示出設(shè)計(jì)要素的空間和外觀特性。

進(jìn)行駕駛艙操作及顯示要素分析時(shí)，需要重點(diǎn)對(duì)操縱桿、油門臺(tái)、高升力、減速板等控制器件操作方式、系統(tǒng)響應(yīng)、指示燈光變化等動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析，需要采用“視頻+文字”方式對(duì)該類要素進(jìn)行展示。

對(duì)于告警音響、提示音響等聲音信息要素，采用“音頻+文字”方式進(jìn)行展示，能夠清楚地顯示出設(shè)計(jì)要素的特性。

系統(tǒng)功能、操作程序等要素包含了大量的操作步驟、邏輯功能描述，采用文本對(duì)信息進(jìn)行展示，具有完整、清晰、存儲(chǔ)方便、易于修改等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 設(shè)計(jì)要素共通性評(píng)估

在要素分類和展示的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)要素的對(duì)比。分別選取不同機(jī)型在要素樹(shù)中的同一葉節(jié)點(diǎn)，利用專家打分方式，對(duì)該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行共通性評(píng)估；對(duì)要素樹(shù)某一分支所有葉節(jié)點(diǎn)共通性進(jìn)行打分并匯總，則可得到該分支對(duì)應(yīng)系統(tǒng)功能或操作程序的共通性評(píng)估。以此類推，可得到不同維度、不同層級(jí)的機(jī)型設(shè)計(jì)要素共通性評(píng)估結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

駕駛艙共通性數(shù)據(jù)庫(kù)包含5個(gè)實(shí)體集合：飛機(jī)制造商集、飛機(jī)機(jī)型集、飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素集、飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素值集和飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素對(duì)比集。其中，飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素集是包括駕駛艙環(huán)境、操縱及顯示、系統(tǒng)功能級(jí)操縱程序在內(nèi)的設(shè)計(jì)要素分類；飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素值集則是這些要素具體的展示和描述；飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素對(duì)比集是進(jìn)行設(shè)計(jì)要素對(duì)比的要素?cái)?shù)據(jù)，是完整設(shè)計(jì)要素集的子集；飛機(jī)制造商集、飛機(jī)機(jī)型集則是為了方便進(jìn)行結(jié)果描述，引入的背景信息集合。在MS SQL Server中為每個(gè)實(shí)體集合創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，將集合的屬性作為數(shù)據(jù)表的列，并通過(guò)外鍵建立數(shù)據(jù)表間的映射關(guān)系。5個(gè)數(shù)據(jù)表及其關(guān)系如圖2所示。

2.1 飛機(jī)制造商集

飛機(jī)制造商表如表1所示。表中，mfr_id字段作為表的主鍵，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)將自動(dòng)為用戶新插入的表項(xiàng)生成連續(xù)遞增的編號(hào)，以保證其值的唯一性。其他表的主鍵類似，不再重復(fù)說(shuō)明。

表1 飛機(jī)制造商表

2.2 飛機(jī)機(jī)型集

飛機(jī)機(jī)型表如表2所示，通過(guò)mfr_id字段連接到飛機(jī)制造商表。飛機(jī)制造商名稱可用作查詢特定機(jī)型的入口。此外，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的機(jī)型數(shù)量較多時(shí)，可實(shí)現(xiàn)按飛機(jī)制造商進(jìn)行機(jī)型篩選。

表2 飛機(jī)機(jī)型表

飛機(jī)機(jī)型和其他各數(shù)據(jù)表的create_date和update_date字段，通過(guò)為數(shù)據(jù)表設(shè)置一個(gè)觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶執(zhí)行插入或修改操作時(shí)自動(dòng)設(shè)置create_date和update_date的值。

2.3 飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素集

創(chuàng)建的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素表如表3所示。該要素表不是將各要素作為機(jī)型表的字段直接使用，可使在用戶修改要素樹(shù)（即使是從頭開(kāi)始構(gòu)造）時(shí)，無(wú)需修改數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。駕駛艙設(shè)計(jì)要素值包括數(shù)值、文本、圖片、聲音、文件等多種類型，可根據(jù)要素值的類型設(shè)置相應(yīng)的value_type字段。另外，要素結(jié)構(gòu)采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)顯示，通過(guò)為子要素節(jié)點(diǎn)設(shè)置parent_id的值（頂層節(jié)點(diǎn)的parent_id設(shè)置為空），可以建立任意形狀和深度的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。

表3 駕駛艙設(shè)計(jì)要素表

2.4 飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素值集

飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素值表如表4所示，表中的內(nèi)容是數(shù)據(jù)庫(kù)的主體。要素值包括多種類型，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與減少冗余字段，在數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)一以字符串形式將各類型存儲(chǔ)到要素值表的value字段中，存儲(chǔ)的內(nèi)容根據(jù)值的類型而不同。

表4 駕駛艙設(shè)計(jì)要素值表

對(duì)于數(shù)值與文本類型，value字段直接存儲(chǔ)要素值（對(duì)于數(shù)值類型是其等效字符串）；對(duì)于其他各種文件類型，從數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)考慮，value字段只存儲(chǔ)指向該文件的索引（通常是其在硬盤上的相對(duì)路徑）。value字段具有非空約束，所以當(dāng)某一要素不適用于某機(jī)型時(shí)，則不需要將該機(jī)型的相應(yīng)要素添加到要素值表。

要素值表通過(guò)model_id字段連接到機(jī)型表，同時(shí)還通過(guò)element_id字段連接到要素表，從而建立起了要素值與機(jī)型、要素名之間的三元聯(lián)系。

2.5 飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素對(duì)比集

飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)要素對(duì)比表主要用于支持共通性要素對(duì)比。用戶可以根據(jù)需要在要素樹(shù)任意級(jí)別（深度）的要素節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行對(duì)比。對(duì)除數(shù)值以外的要素值，如文本、圖片、聲音、文件等類型，需要由專家判斷和輸入對(duì)比結(jié)果，存入comparison_result字段，以便得出兩種機(jī)型共通性要素對(duì)比的總體量化結(jié)果。

要素對(duì)比表如表5所示，通過(guò)source_model_id和target_model_id字段連接到機(jī)型表，用來(lái)指定進(jìn)行對(duì)比的兩種機(jī)型，同時(shí)還通過(guò)element_id字段連接到要素表，用來(lái)指定兩種機(jī)型進(jìn)行對(duì)比的要素。表的每一行都是由機(jī)型1、機(jī)型2、要素名、對(duì)比結(jié)果等字段組成。

表5 駕駛艙設(shè)計(jì)要素對(duì)比表

3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件

數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件為用戶進(jìn)行機(jī)型設(shè)計(jì)要素對(duì)比提供了人機(jī)交互界面，主要功能包括機(jī)型要素對(duì)比、機(jī)型管理、要素樹(shù)管理、機(jī)型要素?cái)?shù)據(jù)管理等。

機(jī)型要素對(duì)比是數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件的核心功能，如圖3所示。該功能為用戶提供了不同機(jī)型間要素對(duì)比界面，以直觀的方式向用戶展示所選定機(jī)型的設(shè)計(jì)要素，便于進(jìn)行要素共通性評(píng)價(jià)。

機(jī)型管理功能提供了機(jī)型要素資源的創(chuàng)建及錄入功能，允許用戶在當(dāng)前要素樹(shù)結(jié)構(gòu)下，逐個(gè)/批量導(dǎo)入機(jī)型要素。本文利用該功能建立并導(dǎo)入了包含B737-800、B777-200ER、B787-9、A320-214、A350在內(nèi)的5個(gè)機(jī)型設(shè)計(jì)要素，并將其作為初始數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可在此基礎(chǔ)上不斷完善機(jī)型及對(duì)應(yīng)要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

要素樹(shù)管理功能允許用戶對(duì)當(dāng)前要素樹(shù)進(jìn)行編輯，從而增加、刪除或者修改要素分類結(jié)構(gòu)。

機(jī)型要素?cái)?shù)據(jù)管理功能允許用戶對(duì)要素資源進(jìn)行修改、替換。當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的要素描述存在錯(cuò)誤時(shí)，可利用該功能進(jìn)行要素的修正。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)民機(jī)駕駛艙共通性設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析與梳理，建立要素分類方法并形成設(shè)計(jì)要素樹(shù)。根據(jù)要素特點(diǎn)分別提出要素展示和對(duì)比方法，基于民機(jī)駕駛艙共通性元素要素樹(shù)，利用MS SQL Server 2008 R2，建立了包含B737-800、B777-200ER、B787-9、A320-214、A350在內(nèi)的5個(gè)機(jī)型的大型民機(jī)系列化產(chǎn)品駕駛艙共通性設(shè)計(jì)要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)及管理軟件。該數(shù)據(jù)庫(kù)及管理軟件涵蓋顯示、控制人機(jī)界面等1 100余項(xiàng)共通性元素，并具備數(shù)據(jù)管理及分析等功能，可為大型民機(jī)駕駛艙共通性設(shè)計(jì)與評(píng)估提供技術(shù)支撐。