基于虛擬仿真的民機最小機組評估初步研究

蔣曉東　顧宏斌　吳東蘇

摘要：本文通過對最小飛行機組條款的解讀，設計了相應的模擬實驗，對機組工作功能和工作量評估進行深入研究。本文采用的方法是計算機輔助分析法，基于JACK軟件，利用其中的人因分析模塊進行最小機組評估研究。首先在三維仿真軟件中建立駕駛艙、座椅等模型，并導入JACK中。通過優化模型，并根據GJB 4856-2003中國男性飛行員人體尺寸數據，建立中國飛行員人體模型庫。然后針對數字飛行員進行手部和眼部對操縱器件的可達性，不同飛行任務操作的舒適度、適配性等分析，通過實驗結果驗證某大型民機駕駛艙符合最小機組條款的適航要求，完成最小機組評估。

關鍵詞：最小飛行機組；JACK軟件；可達性；適配性

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0088-03

1 引言

民用運輸類飛機的研發設計過程中，必須符合相應的適航管理條例，以滿足最低的安全標準，才能夠允許進入市場。目前適用于我國民用客機的適航標準是中國民用航空局（CAAC）制定的《中國民航規章》（CCAR-25）。同時為了進軍市場，我國的民用客機還需要滿足國際上主要的適航審定標準，如美國聯邦航空局制定的《運輸類飛機適航標準》（FAR-25）以及歐洲航空安全局制定的《大型運輸類飛機審定規范》（CS-25）。其中FAR 25.1523及其附錄，規定了針對最小飛行機組（下文稱“最小機組”）條款的適航要求。“最小飛行機組”是指在飛行駕駛艙的設備配置、布局等都已確定的情況下，機組成員能夠沒有過度的注意力集中或者感覺到疲勞，并安全完成飛行任務時所需要的最小編制人數。長期以來，該條款被認為是民機駕駛艙人為因素問題的首要條款[1]。

所以研究最小機組評估對適航取證有重要意義。本文主要使用計算機輔助分析法，由于JACK軟件有豐富的人體仿真模塊，所以使用JACK進行實驗。其主要工作有：（1）利用JACK軟件建立中國飛行員數字人體庫，由于JACK軟件沒有現成的中國男性飛行員人體模型庫，所以根據 GJB-4856-2003中國男性飛行員人體尺寸，建立數字人體模型，用以做最小機組評估分析；（2）對駕駛艙座椅等三維模型進行重新設計，由于駕駛艙座椅結構過于復雜，直接導入JACK軟件在個人計算機上無法讀取，會有卡頓。所以根據飛行座椅標準簡化了座椅模型，并導入JACK軟件中；（3）基于JACK軟件的人因分析模塊進行設備操縱器件的可達性和可視性實驗；（4）經過上述試驗后，得出最小機組評估結論。

2 FAR 25.1523最小飛行機組準則

FAR 25.1523指出，必須確定完成安全的飛機操縱所需的最小飛行機組[2]。同時，FAR 25附錄D指出了確定最小飛行機組的準則和相應的飛行機組工作量基本功能及因素。其中，基本的工作量功能包括：（1）航跡控制；（2）防碰撞；（3）導航；（4）通信；（5）飛機發動機及系統的操作和監視；（6）命令決策。然后，工作量因素包括：（1）所有飛行、動力及設備控制中必要的操作的可達性、難易程度；（2）所有必要的儀器及失效報警設備的可達性、顯著程度；（3）操作程序的數量、緊急程度及復雜程度；（4）腦力及體力的集中程度及持續時間；（5）航途中對燃油、液壓、增壓、電氣、電子、除冰及其他系統所需的監視程度；（6）需機組成員離開其崗位才能完成的動作；（7）飛機系統減少機組參與克服或隔離故障的自動化程度；（8）通信及導航工作量；（9）由連鎖的緊急情況導致工作量增加的可能性；（10）運營規則要求最小飛行機組不得少于兩名飛行員，而其中一名因故不能工作。

3 利用JACK軟件建立中國飛行員人體數字庫

由于Jack中自帶的中國人體數據庫僅為1989年以中國60歲以下成年男性和55歲以下成年女性為基準的數據（GB10000-88），而本文做的是最小機組評估方面的研究，故需要飛行員的人體尺寸。所以比照GJB 4856-2003中國男性飛行員人體尺寸的數據，建立中國飛行員人體數字模型庫[3]。

根據運輸機飛行員的測量數據，分別對中國飛行員第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的數字人體進行建模。

第一步，現在Jack界面中選擇Human，再選擇Create，點擊Custom選項，進入建立人體模型（Build Human）界面進行基本人體數字模型的創建（Basic Scaling）。選擇姓名、性別、身高、體重等，創建出一個基本的數字人。第二步，點擊高級選項（Advanced Scaling），進入精確人體尺寸定義界面。根據運輸機飛行員的測量數據，分別對中國飛行員第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的數字人體進行輸入身高（Stature）、頭高（Head Height）、頭寬（Head Breadth）、頭長（Head Length）、手長（Hand Length）、手寬（Hand Breadth）、坐高（Sitting Hgt）等26項數據，創建出中國男性飛行員數字人體模型庫。由于這26項數據關聯性過大，按照表內輸入數據后會引起其他數據的改變，所以需要修改部分的數據，使數字人正常創建。第三步，用目視觀察法檢測數字人體模型的外形是否正常，比如胳膊或者腿部有無過粗或者過細，脖頸太長或太短，腰臀有無過大等。如不正常則點擊進入身體部分調整（Body Part Scaling）界面，對頭、四肢、手足、關節等相關部位的數據按照需求進行修改，使得人體模型的幾何形狀回到正常狀態。第四步，返回至高級選項，將26個人體數據測量項目選項再一次選中，改成中國飛行員標準數值.再次返回上一步，如此循環，直到數字人體模型幾何形狀趨于正常，而且26個與最小機組評估相關的項目均和中國飛行員標準數據一致。

人體模型之所以幾何形狀失常，一是因為人體數據各方面都互相關聯，需要更改部分數據，例如腿長調大后，其他方面的數據沒有產生變化，導致大腿和小腿變細，造成幾何形狀失常[4]。二是因為沒有一個的所有尺寸都在同一百分位上，人體模型需要建成現實中存在的真實的人，所以通過目視觀察法檢測人體模型的幾何形狀是否正常。更改一些與最小機組評估不相關的人體數據，從而達到中國飛行員人體模型庫建模的目的。

4 民機飛行駕駛艙的導入

建立完數字人體模型后，需要導入民機駕駛艙進行實驗[5]。根據駕駛艙既定的尺寸在三維建模仿真軟件上進行建模，導出后格式轉為.wrl格式。然后從Jack軟件的模型導入模塊導入。導入的時候會同時出現.fig格式和許多.pss格式的文檔。導入后的模型占據很大硬盤空間，個人計算機難以讀取，需要進行優化改進。優化的具體方法是將.pss文件進行二次導入，選取合適的參數進行改進。將改進后的.pss文件替換之前的.pss文件。再重新打開.fig文件，就可以讀取駕駛艙模型了。改進后的模型既能被讀取，也不會影響后續的實驗。

5 最小機組評估實驗

5.1 不同情況下的可達性與可視性仿真

（1）分別取【CHINESE】和【ANSUR】數據庫中，覆蓋比例為 1%、5%、50%、95%、99%的數字人構建場景圖，對每組的數字人進行手部和視覺可達域分析，并測量可達域的覆蓋范圍，如圖1所示。（2）分別設置座椅距離方向舵 0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，對不同座椅前后位置的可達域進行分析量化。

5.2 可達性實驗仿真結果分析

（1）經過 JACK 軟件仿真，并通過測量工具，可以得到不同數據庫不同百分比數字人手部和視覺可達域數據，如表1所示。

從表格中可以看出不同數據庫相同百分比數字人模型的可達域范圍差距很大，這是由于數據庫的來源差距比較大，中美兩個人的體格之間的差異，同時也有【CHINESE】是基于全國人口普查的數據制成的，而【ANSUR】則是根據美國軍隊的人員素質普查數據制成，軍隊對人員的身體素質通常有特殊的要求，這就進一步加深了上表中的差異，為了進一步對比這種差異，我們將上表繪制成折線圖，如圖2所示。

從折線圖中可以進一步分析得出，隨著數字人的體格增大，肩膀的位置相應提高，是可達域減小，同時上肢增長，使可達域增大，但兩者的影響有大有小，在【CHINESE】數據庫中，上肢增長的影響更大一些，在折線圖中表示為5%覆蓋率的手部可達域有所擴大；在【ANSUR】數據庫中，肩膀位置的變化對可達域的影響更大，在折線圖中表現為5%覆蓋率的可達域有所下降。

（2）座椅相對于駕駛桿的位置對可達域也有一定的影響，如圖3所示。

從圖中可以分析得出隨著座椅距離駕駛桿的距離越來越遠，手部和視覺的可達域范圍都呈現下降的趨勢，但這并不是沒有意義的。首先，在座椅距離駕駛桿過近時，可達域范圍很大，部件的可達性很好。數字人的可達域范圍已經覆蓋一部分副駕駛的操縱空間，這意味著數字人的身體實際上離操作面板很近，這有可能會對數字人的其它操縱造成影響，甚至造成誤觸碰、誤操作。經過對比和仿真，發現距離定位50mm～100mm之間的誤觸碰是最少的，同時可達域覆蓋了左側全部的操縱面板，不會對操縱造成影響。

6 結語

本文依據FAR 25.1523設計了最小機組評估實驗，按照某民機駕駛艙的結構建立了駕駛艙的模型，根據GJB 4856-2003中國空軍男性飛行員標準進行了數字人體飛行員建模，并針對駕駛艙部件的可達性和可視性等進行了分析，得出該駕駛艙的人機工效指標均符合FAR 25.1523條款的適航要求，民機最小機組評估初步研究有了一定成果。該課題在將來還有待拓展，比如對飛行員操縱器件時關節角度是否合適，身體的舒適度是否在可接受范圍內等還有待研究，這些對于民機取得適航取證都有重要意義。

參考文獻

[1]王黎靜，袁修干.飛機座艙設計人機工效評價探討[J].中國安全科學學報，2002，（2）：64-66.

[2]Federal Aviation Administration. AC 25.1309-1A-System Design and Analysis [R].1988.

[3]中國人民解放軍總裝備部. GJB4856-2003 中國男性飛行員人體尺寸[S].中華人民共和國國家軍用標準，2003.

[4]湯志荔，張安，畢文豪.飛機駕駛艙人機協作設計理論與方法[M].西北工業大學出版社，2015.

[5]陳勇，吳國獻，趙忠明.基于CATIA的人員作業仿真建模、人因分析與優化[J].系統仿真學報，2009，（14）：4540-4545.