民用飛機駕駛艙人機界面評估方法研究

袁 霄 郝冬晶 劉海燕 金浙峰 董大勇 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

民用飛機駕駛艙人機界面評估方法研究

袁 霄 郝冬晶 劉海燕 金浙峰 董大勇 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

駕駛艙人機界面(Human Machine Interface，以下簡稱HMI)是連接飛行員和飛機的重要橋梁，人機界面的好壞直接關系到飛機的使用效率及運行安全。以民用飛機為例，分析研究了在飛機的設計過程中駕駛艙領域的人機界面設計評估相關問題和理論，并結合實際，建立了人機界面評價指標，提出了以適航規章為基礎的駕駛艙人機界面評估方法。該方法有助于設計過程中的設計評估驗證活動,可提高評估效率，促進設計更為合理的符合適航規章和使用需求的駕駛艙人機界面。

駕駛艙；人機界面；評估方法；適航取證

0 引言

人機界面(Human Machine Interface)是飛行員(使用者)與飛機(計算機)的交互界面，使用者通過操作某些器件和開關進行輸入，計算機通過接收按鍵和開關的信號，完成信號的輸入和輸出傳遞。

民用飛機駕駛艙人機界面主要包括駕駛艙內的操縱器件和相關的顯示元素。駕駛艙的操縱器件是飛行員操縱飛機的主要部件，而顯示元素包括主顯示(PFD)、導航(NAV)、告警消息(CAS)等，是飛行員與飛機之間的操作的響應，也屬于人機界面范疇。

人機界面評估是飛機設計中較為重要的活動，特別是在飛機設計階段，人機界面在尚未面向直接使用者時，如何平衡適航規章和市場要求(使用者習慣、便捷性等)是設計師需要考慮的重要問題。在這一階段，設計的循環迭代是必不可少的，只有在循環迭代的過程中，充分聽取各方的意見，梳理分析以完成設計優化，才能在飛機交付時交出較為滿意的設計產品。

1 駕駛艙人機界面設計

SHELL模型中，將人放在了中心位置，強調人與軟件、硬件、環境及人的交互關系，而軟硬件的組合在駕駛艙的體現便是人機界面的設計。進而，可以將SHELL模型應用于駕駛艙中，其模型界面即可變成人與人機界面、環境及人的一個模型，即HMI-ELL模型。如圖1所示。

HMI-ELL模型中，仍然將人(使用者)放在了中心位置。使用者通過操作駕駛控制器件和觀察顯示反饋(HMI)，完成L-HMI的輸入輸出傳遞；使用者的使用環境(L-E)及機組或空管的溝通(L-L)也是組成HMI-HELL模型的重要部分。

在駕駛艙的人機界面設計階段，L-HMI是設計師重點關注的問題，在SAE的相關規范[1-2]中，駕駛艙的人機界面需要考慮的問題包括機組任務、認知習慣、系統設計、容錯、自動化和告警等。設計師在設計初期，完成捕獲人機界面設計需求，圖紙設計完成時，以及對設計出的產品進行凍結確認前，都需要完成設計的循環迭代，以滿足設計需求和使用需求。如圖2所示。

2 駕駛艙人機界面常用的評估方法

飛機駕駛艙人機界面和一般的網頁、汽車人機界面相比，其涉及的操作器件、需要顯示的元素等相對較多是其主要的特點。行業內尚無通用的用于飛機駕駛艙人機界面評估的方法。

2.1 人機界面評估方法

目前，行業內對于駕駛艙人機界面的評估方法主要包括可用性測試、啟發式評估、認知過程分析和用戶測試法[3]等。

可用性測試(Usability Test)最早是在1984年美國Intuit Inc.公司針對其公司的管理軟件提出的一種測試方法。讓一群具有代表性的用戶對產品進行典型操作，同時觀察員和開發人員在一旁觀察、聆聽、做記錄，評估人員通過記錄和分析測試數據，完成人機界面可用性評估。可用性測試通常適用于界面產品設計中后期，用于對界面模型評估。由于其能夠對界面進行全面的評估，因此被廣泛運用。可用性測試的結果包含定性和定量數據。定性數據如用戶的主觀感受和測試員的觀察結果；定量數據如任務完成時間等。主要應用在互聯網和汽車領域。

啟發式評估(Heuristic Evaluation)由Nielsen和Molich(1990)提出，由多位評價人(通常4～6人)根據可用性原則反復瀏覽系統各個界面，獨立評估系統，允許各位評價人在獨立完成評估之后討論各自的發現，共同找出可用性問題。該方法的優點在于專家決斷比較快、使用資源少，能夠提供綜合評價，評價機動性好；但是也存在不足之處：一是會受到專家的主觀影響，二是沒有規定任務，會造成專家評估的不一致，三是評價后期階段由于評價人的原因造成信度降低，四是專家評估與用戶的期待存在差距，所發現的問題僅能代表專家的意思。

認知過程分析方法也叫認知預演(Cognitive Walkthroughs)，是由Wharton等在1990年提出的，該方法首先要定義目標用戶、代表性的測試任務、每個任務正確的行動順序、用戶界面，然后進行行動預演并不斷地提出問題，包括用戶能否建立達到任務目的，用戶能否獲得有效的行動計劃，用戶能否采用適當的操作步驟，用戶能否根據系統的反饋信息評價是否完成任務，最后進行評論，諸如要達到什么效果，某個行動是否有效，某個行動是否恰當，某個狀況是否良好。

用戶測試法(User Test)就是讓用戶真正地使用系統，由實驗人員對實驗過程進行觀察、記錄和測量。這種方法可以準確地反饋用戶的使用表現、反映用戶的需求，是一種非常有效的方法。用戶測試可分為實驗室測試和現場測試。實驗室測試是在可用性測試實驗室里進行的，而現場測試是由可用性測試人員到用戶的實際使用現場進行觀察和測試。

2.2 民用飛機駕駛艙人機界面評估方法

在民用飛機領域，人機界面的設計評估主要依賴于適航規章的相關規定，各個航空制造企業根據規章要求和運行要求進行設計需求捕獲和設計符合性檢查評估等。在此過程中，需要綜合考慮各種使用者的意見，特別是直接使用者(最終用戶)的意見，以便在產品交付市場時達到較高的使用安全性和使用效率。

本文依托于認知過程分析法，分析了在飛機駕駛艙的早期設計階段，針對駕駛艙人機界面的設計迭代、設計優化的評估方法。評估人員(試飛員、人因工程專家)根據系統設計原理，通過模擬飛行任務和飛行操作，判斷系統設計是否滿足任務的需要，最后進行評論。在飛機駕駛艙的早期設計活動中，尚未建立可完全用于設計評估的仿真平臺時，采用認知過程分析法能夠在保證低保真原型的基礎上完成駕駛艙人機界面的評估、優化活動。

建立的基于認知過程分析法的駕駛艙人機界面評估方法流程如圖3所示。

3 飛機駕駛艙人機界面評估指標體系

適用于飛機駕駛艙人機界面的認知過程分析法的評估指標體系主要依托于適航規章和行業規范文件，使用專家評定方法整理得到如4所示的評估指標體系。

3.1 一級指標

評估指標體系共7個一級指標，分別是總體功能、標簽、多重控制的交互、可達性、環境影響、控制/顯示兼容性和恰當的反饋。這7個一級指標來源均為適航規章(CCAR25-R4,FAR25，CS25)及行業規范文件(SAE ARP文件等)。其中，重點根據25.1302章節，對人為因素的相關指導性文件進行綜合提煉，并由專家評審法得出上述7種一級指標。

總體功能：從器件的總體功能上進行評估，包括功能定義、功能必要性、一致性、失效模式等。

標簽：從器件的標簽標識上評估器件和功能的一致性。

多重控制的交互：若存在多重控制功能，器件是否和多重控制的功能匹配。

可達性：在正常和非正常狀況下，器件的可達性是否足夠。

環境影響：在正常和非正常使用環境中的操作性，如低能見度、顛簸、濃煙等環境。

控制/顯示兼容性：器件操作的便捷性，不干擾機組任務。

恰當的反饋：操作輸入是否有效的提示是否充分。

3.2 二級指標

根據一級指標的7個主要評估范疇，細化了各個一級指標下對應的二級指標33個，用于最終對飛機駕駛艙人機界面的系統評估。

4 評估方法

本文的目的是建立基于認知過程的駕駛艙人機界面評估方法，應用于飛機駕駛艙人機界面的設計階段，適用于專家圖文評估。

4.1 評估人員

本文建立的評估方法的評估人員包括：試飛員、人為因素專家等。評估人員主要是有經驗的試飛專家和人為因素專家，試飛專家的豐富經驗能夠幫助模擬飛行任務，是具有飛行專業能力的代表。人為因素專家能夠很好地從人的角度分析操作與任務的匹配性，可以發現一些試飛專家無法發現的認知等問題。

4.2 評估對象

本文建立的評估方法的評估對象為在研飛機的駕駛人機界面設備產品，評估組織者基于評估的緊迫性安排評估對象。本文中的評估方法著眼于某系統的某個特定操作器件，因而需要將評估對象細化至最小器件。評估以每個最小的控制器單元為對象，如某飛機的自動飛行系統控制板的FD控制開關等。

4.3 評估過程

(1)準備階段。系統設計師進行綜合的系統介紹和功能簡介。評估人員查閱某系統的操作器件和相關設計文件。

(2)質詢階段。評估人員充分了解系統的設計架構和設計思路之后，對系統有疑問或是理解不透徹之處對設計師進行詢問和討論。

(3)小組評議。評估人員采取小組評議的方式，允許進行場景模擬討論，小組評議得出一致結論后依據評估指標進行評估和記錄。若小組評議無法取得一致意見，允許記錄各自不同意見和分數，供設計師進行意見分析使用。

(4)評估階段。評估人員根據評估指標逐一對器件評估對象進行評估。專人記錄評估結果，評估結果包括評估分數和評估意見，評估分數依據修正的庫伯-哈伯評分表進行打分，如圖5所示。

具體修正如表3所示。

修正的庫伯哈伯評分表以飛行員決策為基礎，以人因設計標準為依據評定器件的分數。

修正的庫伯-哈伯評分表見圖5，其主要評分定義如下：

1～3：不需要改進就很滿意；

4～6：有缺陷，有條件改進；

7～9：不符合基本的人因設計標準，有缺陷，需要改進；

10：對所有預期的飛行階段不都是安全的，需要強制改進。

評估人員在填寫評估意見時，其評估意見基礎是其工作經驗，提出的意見供設計師在設計優化階段進行參考。

評估完成后，獲得的評估數據包括兩部分：定量的評估分數和定性的評估意見。定量數據是評估人員對評估對象的評估分數，依據庫伯-哈伯評估表給出。定性數據是定量數據的支撐，分數評估的原因在定性數據里進行闡述。因此，定量數據和定性數據兩者對于評估活動來說都非常重要。

類 別 含 義分數非常好很滿意創新性設計，增加了安全性控制器件/顯示直觀、清楚、無歧義1好缺陷可以忽略在其他飛機上也存在相似的描述要求降低了工作負荷2一般一些輕微的不太滿意的缺陷相似控制器的多重激活導致系統的狀態復雜，必須要記住3小缺陷控制器輸入或者選擇導致的系統狀態改變的不恰當指示可能發生未定義的系統狀態4中等缺陷控制器位置使得其難以操作面板/控制器相對其功能來說不太容易接近建議更改以便增加可用性和安全性5大的缺陷但仍可以忍受控制功能的執行和功能不一致會影響訓練和(或)飛行機組操作6重大缺陷增加工作負荷?非直觀與任務相關聯的意圖功能難以使用讓人困惑系統/控制器件/顯示邏輯不符合公司設計理念7重大缺陷系統狀態和行為不直觀/清楚/含糊不清控制器位置/使用會導致機組錯誤發生，或導致機組失去情景意識8重大缺陷未滿足設計功能強烈建議更改以便增加可用性和安全性9重大缺陷系統/控制器件/顯示影響安全系統/控制器件/顯示不合符規章要求10

4.4 數據處理方法

以本文建立的方法得出的評估數據，重點關注低于7～10分的評估條目，需要設計師分析7～10分區間的評估意見，考慮4～6分的評估意見，綜合分析對駕駛艙人機界面進行設計優化。

5 結論

在某機型的駕駛艙人機界面評估活動中，針對自動飛行控制板(FMCP)的人機界面評估，得出評估意見1 446條，其中發現了面板的功能及外觀上的某些問題，幫助系統設計師完善了產品設計，獲得了較好的評估效果。

本文從民用飛機駕駛艙人機界面評估方法入手，采用認知過程分析法，建立了基于適航規章的評估指標體系，結合庫伯-哈伯評分準則，建立了可用于設計階段的飛機駕駛艙人機界面評估方法。這種基于認知過程分析法的駕駛艙人機界面評估方法能夠在評估條件不足的時候，使用較少的評估資源，完成較為專業、綜合的系統評估。本方法對駕駛艙人機界面評估來說是可行的，可以提高評估效率，降低型號的研制風險，加速型號的取證。

一個準確并且適用的評估方法對評估對象來說至關重，它不僅可以對現有產品進行評估和優化，同時可以幫助設計師在產品的早期設計階段進行產品的設計優化迭代。

[1] SAE ARP 4754A. Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems [S]. 2010-12.

[2] SAE ARP 5056. Flight Crew Interface Considerations in the Flight Deck Design Process for Part 25 Aircraft [S]. 2006.

[3] 徐海玉, 張安, 湯志荔, 陳斌. 飛機駕駛艙人機界面綜合評估[J]. 科學技術與工程, 2012, 12(4):940-943.

[4] 馬鈞, 談行執. 車載人機界面可用性評估方法研究[J]. 設計研究, 2014, 2(4):16-19.

[5] 中國民用航空局. 中國民用航空規章第25部:運輸類飛機適航標準[S]. 中國：中國民用航空總局，2001.

[6] European Aviation Safety Agency. Installed Systems and Equipment for Use by the Flight Crew [S].

The Research of Civil Aircraft Cockpi HMI Evaluation Method

YUAN Xiao HAO Dongjing LIU Haiyan JIN Zhefeng DONG Dayong

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

Cockpit human machine interface (HMI) is the most important bridge between the pilot and the aircraft, and it also impact the operation efficient and safety. In this paper, it takes the civil aircraft design as an example, discusses the design problems and the theory of the cockpit HMI design philosophy during the cockpit design, built an evaluation index list based on the airworthy regulations for the cockpit HMI evaluation. It can improve the evaluation efficiency of the evaluation and verify activities during the cockpit design, promote to design a better cockpit HMI according to the regulations.

cockpit; human machine interface; evaluation methods; airworthiness and certificate

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.004

V223+.1

A

袁 霄 男，碩士，工程師。主要研究方向：航空人機環境；E-mail：yuanxiao@comac.cc

郝冬晶 女，碩士，工程師。主要研究方向：航空電氣/航電系統；E-mail: haodongjing@comac.cc

劉海燕 女，碩士，高工。主要研究方向：航空駕駛艙集成技術；E-mail：liuhaiyan@comac.cc

金浙峰 男，碩士，高工。主要研究方向：航空駕駛艙集成技術；E-mail：jinzhefeng@comac.cc

董大勇 男，博士/博士后，高級工程師，主要研究方向：航空人因工程;E-mail：dongdayong@comac.cc