直升機駕駛艙設計理念研究

陳丹昱

摘 要：針對國內直升機駕駛艙設計尚未建立完善的人機交互設計方法與體系的現狀，本文提出了人機和諧的直升機駕駛艙設計理念。該理念強調了飛行員與自動化系統相互融合、互補互促、和諧統一的設計思想，確定了駕駛艙設計過程中人機功能分配和人機交互設計所應遵循的一般原則，為直升機駕駛艙各階段的設計和優化提升提供指導。

關鍵詞：直升機;駕駛艙;設計理念;設計原則

0引言

直升機駕駛艙是飛行員控制直升機完成飛行任務時最直接的工作環境，是人機交互的樞紐，也是直升機研制的核心部位。駕駛艙人機交互設計的優劣將直接影響飛行員操控直升機時的生理與心理，影響飛行員是否能夠安全、高效、舒適地完成飛行任務[1]。

隨著技術的不斷發展，自動化將要承擔更多更復雜的系統任務，人機結合的直升機控制模式應運而生[2]。與此同時，直升機駕駛艙系統中人與自動化的各自地位、功能和需求，以及人機之間的功能分配和交互原則等，都是直升機駕駛艙設計急需解決的關鍵問題。直升機駕駛艙設計理念的構建就是為人機之間的功能分配和交互給出指導，提供矛盾出現時的協調原則，保障人機接口和操作方法的一致性。只有確定了直升機駕駛艙設計理念，才能進行具體的人機功能分配方案和人機交互方案的設計。

國外先進直升機研發機構已建立了完善的駕駛艙人機交互設計方法與體系，確立了一脈相承的文化要素和企業內涵，使其直升機產品具有安全、經濟、高效、舒適的優勢，形成了強大且穩定的市場競爭力;我國直升機駕駛艙設計并未建立完善的駕駛艙設計理念及捕獲完整的駕駛艙功能需求，不同的直升機型號和平臺之間差異較大，普遍存在界面與布局紛雜混亂的問題[3]，阻礙了我國直升機駕駛艙技術的發展，影響了用戶滿意度和市場競爭力。為此，迫切需要開展對直升機駕駛艙設計理念的研究。

1駕駛艙設計理念現狀

空客公司和波音公司將基本飛行原理和現代飛行技術相結合，充分考慮機組和自動化系統的交互，提煉出飛機操縱黃金法則，分別見表1和表2。

對比可知，兩家公司均采用以人為中心的駕駛艙設計理念，然而其貫徹過程中所衍生的設計原則卻截然不同。這是因為以人為中心的理念實際上將“人”與“機”理解為相對獨立的實體，雖確定了“人”是矛盾的主要方面，但如何解決二者間的矛盾卻可以采用不同的方法。空客公司的設計強調飛行員錯誤的不可避免性，在設計中側重以自動化功能代替飛行員的作用;而波音公司的設計則強調飛行員的主觀能動性，在設計中側重于為飛行員提供信息，使自動化功能成為飛行員決策的輔助。

以人為中心的駕駛艙設計理念在目前最為前沿，因為它確保了“人”在航空器系統中的重要作用，確立了駕駛艙設計過程中人為因素的核心地位。然而，無論是波音還是空客，在將以人為中心的駕駛艙設計理念貫徹為設計原則時都沒有將“人”擺放在合適的位置。回顧近十年，波音、空客公司投入運營的新機型中由于人為差錯而導致的航空事故比例并沒有大幅下降[4]。

本文在傳統的以人為中心的駕駛艙設計理念基礎上進行發展研究，闡述一種通過飛行員與自動化系統相互融合，互補互促，以達到和諧統一的直升機駕駛艙設計理念。

2人機和諧的直升機駕駛艙設計理念

2.1直升機駕駛艙設計理念的構建

根據航空航天推薦標準ARP 4754A，流程演示和最終產品質量通常是通過可追溯性和嚴格的級聯來進行保證的。對于直升機駕駛艙，其設計理念只有涵蓋所要求的文件才能正式級聯，具體的文件級聯形式見圖1。

直升機駕駛艙設計理念是一個需要在整個設計周期中被調用和使用的參考文件，它以設計目標為出發點，通過設計原則來貫徹，從頂級設計需求文件到各級功能定義及系統需求文檔的級聯，來影響目標，優先級，沖突等設計需求的定義并支持它們的驗證，檢查直升機駕駛艙的設計與最初操作概念的符合性與一致性。

2.2直升機駕駛艙設計目標

為完成直升機駕駛艙設計理念的構建，首要工作是對設計目標的明確。由于直升機駕駛艙設計是一個系統工程，涉及駕駛艙、飛行員、設計人員、制造商、運營方、管理當局以及相關社會因素，其設計目標應至少包含以下幾個方面：

（1）應滿足機組在飛行、導航、通信和管理直升機系統時的基本要求，并符合飛行員通常的使用習慣。

（2）須對現有及可能發生的飛行環境限制進行考慮。

（3）須對制造商的戰略決策進行考慮，使設計目標能夠落到實處。

（4）須為設計和開發的參與者建立良好的互動、協作關系，重視設計管理。

2.3人機和諧的設計理念內涵

在直升機駕駛艙系統中，“人”與“機”是不可比擬的兩類智能體，不能簡單地用“非此即彼”或者“彼此替代”來表述他們之間的關系，不應單方面強化飛行員或者自動化系統在直升機控制中的作用。只有通過“人”與“機”的融合，互補互促，使之和諧統一，才能從根本上設計出安全、高效和舒適的直升機駕駛艙。

人機和諧的直升機駕駛艙設計理念，其核心思想是飛行員、駕駛艙甚至直升機本身只是航空運輸系統的一部分，整個航空運輸系統還包括運營商、維修商、空中交通管制員、氣象預報員、飛行調度員、機場地勤以及政府監管機構等。系統各個組成部分之間的成功協作才能確保飛行任務這一總體目標的完成。

人機和諧是一種狀態與趨勢，它要求直升機駕駛艙的設計能保證飛行員在飛行任務過程中保持安全、高效和舒適。人機和諧的設計涵蓋了三個層次的要素：（1）功能、信息完備：根據任務需求定義，為實現直升機安全、高效飛行所需的功能以及支撐這些功能的相關信息必須完備。直升機駕駛艙須為飛行員提供操作控制、狀態獲取以及任務執行所需的所有功能和信息，以確保其對飛行安全所負有的最終責任。（2）優先次序：根據任務過程中的重要性排序，由飛行員和駕駛艙所組成的系統其綜合優化須優先于各個子系統的優化;飛行員的操作權限優先于自動化系統的操作權限;直升機駕駛艙設計的優先級次序依次為：安全、舒適和效率。（3）符合常規：直升機駕駛艙的設計須適應飛行員的常規特性及習慣，其操作設計與信息顯示須考慮飛行員的常規能力與限制，使自動化系統最大程度地成為飛行員的輔助。

人機和諧直升機駕駛艙設計理念可以概括為以下三個方面的內容：

1）所有的設計與決策都須考慮直升機整體的安全與效率。飛行員與直升機駕駛艙所組成的系統其綜合功效優化比單一性能的優化更為重要。

2）飛行員與駕駛艙所組成的系統，其綜合功效受到以下幾方面因素共同影響：飛行員的權力、責任、差錯和特性，各系統中所應用自動化功能，設計過程所涉及的沖突管理等。

3）通過考慮直升機駕駛艙設計的功能信息完備、優先次序和符合常規等要素來實現飛行員與駕駛艙系統的綜合功效優化。

2.4設計理念的貫徹

人機和諧的直升機駕駛艙設計理念提供了全面且綜合的有關人機界面主要特點和操作概念的理論基礎、目標和設計思想。然而使其成為設計過程中的實用手冊，則需要通過一系列設計原則來貫徹。

根據航空航天推薦標準ARP 5056，直升機駕駛艙設計原則應包含的內容有：飛行員的責任、飛行員的權限、飛行員的特性、自動化的使用、新技術和功能的使用、人為差錯管理、設計優先次序和機組任務簡化。對于直升機駕駛艙設計，其設計原則就是要將人機和諧的理念中所提出的功能信息完備、優先次序和符合常規等要素落實到上述內容中去。具體體現如下：

（1）飛行員的責任：飛行員對飛行安全和效率負有最終責任，其基本任務是飛行、導航、通信和系統管理。直升機駕駛艙的設計應該保證飛行員在所有情況下都擁有完成上述任務所需的信息以及控制操作能力。

（2）飛行員的權限：飛行員擁有對直升機操作的最高權限。直升機駕駛艙的設計應確保兩名飛行員都具備用以保證飛行安全所需的基本權限和資源，并都能隨時訪問與直升機、系統和飛行狀態相關的信息。為了保證飛行安全，必要時飛行員有權利超越已知系統的限制完成對系統的操作。

（3）飛行員的特性：駕駛艙的設計不應超越飛行員的正常能力限制或違背其通常的習慣。駕駛艙的操作設計和信息顯示應適應飛行員的能力和限制。

（4）自動化的使用：自動化系統只是飛行員執行飛行任務的輔助工具，而不能替代飛行員的操作。飛行員應能對飛行控制系統中所有的動態功能和任務進行分配。駕駛艙的設計應有助于飛行員與自動化系統之間的協作，使飛行員有能力隨時監控和調整自動化系統的狀態。

（5）新技術和功能的應用：新技術的使用應能實現明確的提升或優化，不與現有系統或設備的功能發生沖突，與飛行員通常的偏好和習慣不存在矛盾，并確保對其他系統或人機界面不產生負面影響。

（6）人為差錯：駕駛艙提供給飛行員的信息內容和集成程度應與其正在執行的任務和所用的自動化程度相適應。駕駛艙的設計應能夠為飛行員提供多種不同的途徑來實現任務目標，并有利于其建立準確的任務目標或系統功能的概念模型。此外，駕駛艙的設計應在保證不超越飛行員注意力、記憶力、計算能力、決策偏差等的基本局限前提下，充分發揮其解決問題、歸納推理的能力。

（7）設計優先次序：駕駛艙中各系統的設計應首先確保其系統信息和功能操作的完整性。系統設計所需遵循的優先級次序依次為：簡化、冗余和自動化。

（8）機組任務簡化：駕駛艙的設計可以通過提供輔助決策信息和簡化操作來實現機組任務的簡化。機組任務的復雜程度應保證當自動化系統失效時，飛行員仍能夠獲取得足夠的信息和操作支持，來完成飛行任務。

3 結語

針對目前國內直升機駕駛艙設計未建立完善的人機交互設計方法與體系的現狀，本文對直升機駕駛艙設計理念開展研究，闡述了人機和諧的直升機駕駛艙設計理念，確定了駕駛艙設計過程中人機功能分配和人機交互設計所應遵循的一般原則，為人機之間的功能分配和交互給出參考，提供矛盾出現時的協調依據，保障人機接口和操作方法的一致性，為直升機駕駛艙各階段的設計和優化提升提供指導。

參考文獻

[1] 錢進.運輸類飛機駕駛艙人為因素設計評估指南[M].上海：上海交通大學出版社，2016.

[2] 陸虎敏.飛機座艙顯示與控制技術[M].北京：航空工業出版社，2015.

[3] 劉啟越.民用直升機駕駛艙人機工效評價方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[4] 班永寬.航空事故與人為因素[M].北京：中國民航出版社，2002.