民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)研究綜述分析

摘要：為研究現(xiàn)代民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀，文章首先通過(guò)文獻(xiàn)綜述回顧國(guó)內(nèi)外民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)研究的最新成果和相關(guān)發(fā)展，全面了解該領(lǐng)域的研究方向、方法和創(chuàng)新成果。同時(shí)，探索民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)所涵蓋的內(nèi)容和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括對(duì)座艙布局、人機(jī)界面、人體工程學(xué)原理等方面的研究和規(guī)范。通過(guò)總結(jié)這些內(nèi)容，可以概括國(guó)內(nèi)外民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)研究的整體情況，識(shí)別出目前存在的問題和挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和飛行員需求的變化，駕駛艙人因設(shè)計(jì)需要不斷創(chuàng)新和演進(jìn)。綜合各種因素，如人體工程學(xué)、人機(jī)交互、認(rèn)知心理學(xué)等，提出新的設(shè)計(jì)理念和方法，以滿足飛行員的需求并提高工作效率和保障飛行安全。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果的分析和討論，文章旨在為后續(xù)相關(guān)研究提供有價(jià)值的參考。希望通過(guò)推動(dòng)駕駛艙人因設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，為航空工業(yè)提供更先進(jìn)、人性化的駕駛艙設(shè)計(jì)，從而提升飛行員工作環(huán)境的舒適度，并保障飛行安全和提高效率。

關(guān)鍵詞：民航客機(jī)；駕駛艙；人因設(shè)計(jì)；飛行安全

中圖分類號(hào)：V223.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）20-0-03

提升飛行安全性一直是航空業(yè)關(guān)注的重要課題。在航空工業(yè)和航空醫(yī)學(xué)取得長(zhǎng)足發(fā)展的今天，“人”成為制約飛行安全的主要因素。而駕駛艙作為飛行人員的工作場(chǎng)所，其設(shè)計(jì)復(fù)合性和集合度最高。人為因素在駕駛空間環(huán)境中扮演著重要角色，涵蓋了飛行人員各個(gè)方面的思考。人機(jī)界面對(duì)飛行人員的體力、心理狀態(tài)、工作效率產(chǎn)生重大影響。為了確保飛行人員的工作環(huán)境和操作界面符合其需求和能力，需要綜合考量各個(gè)因素，不斷優(yōu)化駕駛艙人機(jī)界面。這有助于提升飛行安全性，使駕駛?cè)藛T能夠更高效地履行其職責(zé)，并促進(jìn)整個(gè)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)的發(fā)展演變

近百年來(lái)，民航客機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了持續(xù)演化和改進(jìn)，取得了令人矚目的進(jìn)展。20世紀(jì)20年代中期，德國(guó)和美國(guó)的一些飛機(jī)制造商不再遵循將轟炸機(jī)改裝為客機(jī)的傳統(tǒng)，而開始為運(yùn)輸旅客專門設(shè)計(jì)飛機(jī)。這一創(chuàng)新標(biāo)志著民航客機(jī)設(shè)計(jì)迎來(lái)了嶄新的時(shí)代。隨著時(shí)間的推移，一系列關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)理念的不斷引入改善了民航客機(jī)的性能。首先是封閉式客艙的出現(xiàn)，使乘客能夠在更安全、隱私和舒適的環(huán)境中旅行。隨后，增壓客艙的應(yīng)用進(jìn)一步提升了飛行安全性和乘坐舒適度，克服了高海拔飛行中的氧氣稀薄問題。另一個(gè)重要的里程碑是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的引入。與傳統(tǒng)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)具有更強(qiáng)的推力和更高的燃油效率，同時(shí)減少了噪聲和振動(dòng)。這使民航客機(jī)更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，并提升了乘客的舒適度。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的引入促使民航客機(jī)成為人們普遍接受的交通工具，大大推動(dòng)了民航業(yè)的發(fā)展。

在民航客機(jī)設(shè)計(jì)中，駕駛艙的重要性不言而喻（見圖1）。民航客機(jī)的駕駛員不同于其他類型飛機(jī)的駕駛員，他們不僅需要負(fù)責(zé)飛機(jī)的安全，還需要關(guān)注機(jī)上乘客的安全。因此，駕駛艙成為飛行員工作的場(chǎng)所，也是整個(gè)飛機(jī)上人機(jī)關(guān)系最為復(fù)雜的空間之一。駕駛艙的設(shè)計(jì)對(duì)飛行員操作具有直接影響，因此在民航客機(jī)設(shè)計(jì)中具有重要的地位。

駕駛艙設(shè)計(jì)需要充分考慮飛行員的操作需求及緊急情況下的應(yīng)對(duì)能力。一個(gè)擁有良好設(shè)計(jì)的駕駛艙能夠提供清晰的儀表顯示、易于操作的控制裝置以及人性化的人機(jī)交互界面，幫助飛行員更好地理解和掌控飛機(jī)的狀態(tài)和操作。同時(shí)，駕駛艙設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到緊急情況下的應(yīng)急操作，以確保飛行員能夠迅速作出正確的決策并采取相應(yīng)的措施。

綜上所述，民航客機(jī)設(shè)計(jì)的演化歷程中，駕駛艙的重要性逐漸凸顯。隨著技術(shù)的發(fā)展和駕駛員需求的變化，駕駛艙設(shè)計(jì)不斷演進(jìn)，旨在提供更安全、高效和人性化的工作環(huán)境，以確保飛行的安全性和舒適性。

人因工程學(xué)是20世紀(jì)40年代后期跨越不同學(xué)科和領(lǐng)域，研究人的特性和工作條件與機(jī)器相匹配的學(xué)科，是一門研究、應(yīng)用范圍都非常廣泛的綜合性邊緣學(xué)科，是技術(shù)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、解剖學(xué)、人類學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科的交叉，研究人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的工程技術(shù)科學(xué)［1］。航空安全中對(duì)人因的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)70年代，其研究經(jīng)歷了兩個(gè)階段。首先是從20世紀(jì)70年代初到80年代后期，人們對(duì)人因的研究受到技術(shù)的限制，應(yīng)用人因工程學(xué)理論改善飛行器、駕駛艙和各個(gè)組件的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)搭配。在20世紀(jì)80年代后期，“人”成為制約飛行安全的主要因素，于是人們將研究范圍擴(kuò)展為人與各種資源的組合利用，其中最知名的是機(jī)組資源管理（CRM）的引入。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，人為因素研究進(jìn)入了系統(tǒng)安全的階段，標(biāo)志性結(jié)果包括Reason模型的應(yīng)用及由Reason教授提出的組織原因理論。

國(guó)內(nèi)對(duì)人、機(jī)、環(huán)境等因素的研究始于20世紀(jì)80年代后期。其中，駕駛艙幾何設(shè)計(jì)、儀器和照明工程心理學(xué)等方面的研究進(jìn)展比較迅猛，并取得了豐富的技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)，且成功應(yīng)用于型號(hào)設(shè)計(jì)中。然而，在航空電子技術(shù)、智能技術(shù)、生物力學(xué)、信息控制技術(shù)等方面，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)滯后于西方國(guó)家。駕駛艙設(shè)計(jì)對(duì)人因工程學(xué)的要求不斷提高?？梢哉f(shuō)，以飛行員為中心的駕駛艙設(shè)計(jì)理念日益得到更多關(guān)注，而駕駛艙的人機(jī)工效水平則成為評(píng)價(jià)其設(shè)計(jì)和布置是否先進(jìn)的重要指標(biāo)。

2 民航客機(jī)駕駛艙人因設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

白穆和莊達(dá)民用JACK軟件分析了飛行人員手部和足部的可變域和舒適域［2］。為解決JACK軟件不透明性的問題，他們構(gòu)建了簡(jiǎn)單的人體模型，分析了飛行員在坐姿狀態(tài)下的腰椎受力情況，再通過(guò)與JACK軟件的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方式的結(jié)果是一致的。此項(xiàng)研究支持飛行人員人機(jī)界面設(shè)計(jì)和人體工程學(xué)優(yōu)化，強(qiáng)化了綜合應(yīng)用軟件分析和簡(jiǎn)單人體模型的重要性，為相關(guān)領(lǐng)域提供了有益啟示。王俊針對(duì)我國(guó)飛行員的人體尺寸，建立了一套人體運(yùn)動(dòng)模型［3］。通過(guò)運(yùn)動(dòng)鏈的變換矩陣，他借助MATLAB計(jì)算了飛行員上下肢的舒適域和可達(dá)域。同時(shí)，他使用CATIA建立了飛行模型，并配合DELMIA插件驗(yàn)證了飛機(jī)人機(jī)界面的合理性。這種綜合分析和驗(yàn)證過(guò)程有助于確保飛行人員在駕駛艙內(nèi)的交互環(huán)境符合人體工程學(xué)原理，提高飛行人員的工作效率和舒適度。

羅曉利等關(guān)注的重點(diǎn)是駕駛艙內(nèi)各主要部件的空間布局［4］。他們的目標(biāo)是通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和安排，使座椅、駕駛桿、腳蹬、控制器和儀表板在駕駛艙內(nèi)處于適當(dāng)?shù)奈恢?，以方便飛行人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取所需信息（見圖2）。他們的研究旨在確保駕駛艙的設(shè)計(jì)與飛行員的身體結(jié)構(gòu)、生理和心理特征相匹配，從而提供更好的人機(jī)交互體驗(yàn)。通過(guò)優(yōu)化空間布局，創(chuàng)造一個(gè)符合人體工程學(xué)原理的設(shè)計(jì)，使飛行人員在工作中足夠順暢地操作各種設(shè)備，提高工作效率和飛行安全性。

王俊和徐惠民對(duì)輕型飛機(jī)駕駛艙進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，以滿足人因工程學(xué)要求［5］。他們考慮了座艙的各項(xiàng)參數(shù)（見圖3），通過(guò)詳細(xì)細(xì)節(jié)描述和精確調(diào)整座面和靠背的高度及傾角，提高了座艙的舒適度。此外，沈維蕾對(duì)不同功能的座艙進(jìn)行了個(gè)人化設(shè)計(jì)［6］。她研究了座艙的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)定制化設(shè)計(jì)，滿足了不同飛行任務(wù)的需求，提供了更好的工作環(huán)境和舒適度。綜合這些研究成果，他們的設(shè)計(jì)和分析工作使輕型飛機(jī)駕駛艙符合人因工程學(xué)，并提高了座艙的舒適度。這些努力改變了飛行人員的工作環(huán)境，提升了駕駛艙人機(jī)交互的質(zhì)量，提高了飛行安全性和工作效率。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外有關(guān)學(xué)者深入研究了飛行員疲勞問題，其研究提醒人們除了關(guān)注飛機(jī)性能和自動(dòng)化設(shè)計(jì)之外，也應(yīng)重視飛行員的行為，強(qiáng)調(diào)飛行員的舒適性需求是人機(jī)界面設(shè)計(jì)首先需要考慮的，這樣可以緩解疲勞。

還有一個(gè)重要觀點(diǎn)認(rèn)為在座椅的舒適度設(shè)計(jì)中，目標(biāo)人群的喜好也是值得被考慮的因素，這意味著座椅設(shè)計(jì)師不僅需要依照人因工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，還要深入了解飛行員的需要，并根據(jù)他們的喜好來(lái)設(shè)計(jì)座椅，以提供更好的支持。為了進(jìn)一步改善座椅的舒適性并減輕腰背負(fù)荷，宇藤宏及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)駕駛員座椅的腰部、側(cè)面及座面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并為其配備可調(diào)節(jié)的頭枕和橡膠墊，為駕駛員提供了更好的腰背支撐，提升了舒適性。這樣的設(shè)計(jì)有助于減輕飛行員在長(zhǎng)時(shí)間飛行中的腰部負(fù)荷，提供更好的乘坐體驗(yàn)和工作環(huán)境。這種新型座椅的設(shè)計(jì)充分考慮了人體工程學(xué)和飛行員的需求，為飛行員提供了更好的工作條件和乘坐體驗(yàn)。通過(guò)這些改進(jìn)，飛行員能夠更好地應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間飛行帶來(lái)的不適，并提高工作效率和專注度。

圣約翰等人對(duì)顯示器在何時(shí)顯示2D和3D圖像進(jìn)行了深入研究。他們的研究旨在探討不同情境下選擇不同圖像類型的合理性。他們通過(guò)觀察和分析，得出了一些重要結(jié)論。一方面，他們發(fā)現(xiàn)2D圖像在確定位置和角度數(shù)據(jù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)?D圖像能夠提供更準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)和方向信息，使飛行員能夠更精確地判斷和定位目標(biāo)。這對(duì)需要準(zhǔn)確導(dǎo)航和目標(biāo)追蹤的任務(wù)非常重要。另一方面，他們指出3D圖像在理解形狀和地形方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過(guò)呈現(xiàn)真實(shí)的三維視覺效果，3D圖像能夠提供更全面和直觀的空間感知，使飛行員能夠更好地了解周圍環(huán)境的復(fù)雜性和幾何特征。這對(duì)需要評(píng)估地形、障礙物和目標(biāo)物體形狀的任務(wù)非常重要。然而，圣約翰等人強(qiáng)調(diào)，選擇何時(shí)使用2D或3D圖像應(yīng)基于當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)和需求。不同的任務(wù)可能需要不同的信息呈現(xiàn)方式。例如，在需要準(zhǔn)確判斷位置和角度的任務(wù)中，使用2D圖像可能更加合適。而在需要深入了解環(huán)境和地形的任務(wù)中，則更傾向于使用3D圖像。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919已正式投入運(yùn)營(yíng)，作為我國(guó)首款具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型噴氣客機(jī)，其研發(fā)和生產(chǎn)代表了中國(guó)航空工業(yè)在技術(shù)上的重大突破和自主創(chuàng)新能力的提升，對(duì)中國(guó)航空工業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的里程碑。未來(lái)，在客機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)中，人因設(shè)計(jì)將發(fā)揮重要作用。

飛行員作為最終使用者，能夠提供寶貴的見解和意見。通過(guò)與飛行員的互動(dòng)和了解，可以更全面地評(píng)估人機(jī)界面的交互效果，并針對(duì)他們的實(shí)際感受進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。這種實(shí)踐導(dǎo)向的方法能確保相關(guān)設(shè)計(jì)和解決方案真正符合飛行員的需求，提供更好的工作環(huán)境，以提高工作效率和飛行安全性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉雅婧.汽車駕駛室人機(jī)界面設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］ 白穆，莊達(dá)民.飛機(jī)駕駛艙操縱裝置布局優(yōu)化［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2009（S1）：152-155.

［3］ 王俊.輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)座艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)與分析研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

［4］ 羅曉利，張薇.人因工程學(xué)在飛機(jī)駕駛艙空間布局設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（3）：31-34，38.

［5］ 王俊，徐惠民.基于人機(jī)工程學(xué)的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)座椅設(shè)計(jì)方法研究［J］.江蘇航空，2010（3）：5-7.

［6］ 沈維蕾.基于人因工程學(xué)的座椅設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)［J］.機(jī)械工程師，2005（10）：72-73.

作者簡(jiǎn)介：劉偉（1994—），男，安徽安慶人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品造型藝術(shù)及其應(yīng)用實(shí)踐。