駕駛艙人機(jī)功效之試飛員評(píng)定研究

焦連躍，陳 明

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，人為因素成為影響航空安全的首要因素，良好的駕駛艙人機(jī)功效設(shè)計(jì)能夠有效地避免此類(lèi)因素導(dǎo)致的飛行事故，尤其當(dāng)在特情發(fā)生或飛行員高工作負(fù)荷情景中，具備良好人機(jī)功效設(shè)計(jì)的駕駛艙能夠增強(qiáng)飛行員的處境意識(shí)，輔助其快速正確地決策。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滿(mǎn)足適航規(guī)章和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的駕駛艙設(shè)計(jì)不一定滿(mǎn)足機(jī)組對(duì)人機(jī)功效的需求，所以必須由試飛員主導(dǎo)、參與對(duì)其進(jìn)行主觀量化評(píng)定。

國(guó)內(nèi)對(duì)試飛員在人機(jī)功效評(píng)定過(guò)程中所遵循的流程與項(xiàng)目指標(biāo)的研究甚少，大多采用數(shù)學(xué)建模和理論分析的方法，如北京航空航天大學(xué)的王黎靜[1]教授團(tuán)隊(duì)使用改進(jìn)模糊評(píng)價(jià)法對(duì)飛機(jī)駕駛艙的座椅、操縱裝置、顯示裝置和作業(yè)空間設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合模糊評(píng)價(jià)。西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院的蘇潤(rùn)娥等[2]提出了駕駛艙可視性評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)方法，并對(duì)座椅、操縱桿、方向舵、踏板等器件進(jìn)行了舒適性評(píng)價(jià)。宋海清等[3]對(duì)客機(jī)駕駛艙流場(chǎng)進(jìn)行CFD 模擬，分析了駕駛艙的熱舒適性。為了使試飛員的評(píng)定意見(jiàn)更具有客觀性、權(quán)威性與通用性，同時(shí)使設(shè)計(jì)人員能夠更多地關(guān)注到一般飛行員對(duì)駕駛艙人機(jī)功效的需求，本文以多款新機(jī)的實(shí)際駕駛艙人機(jī)功效評(píng)定工作為基礎(chǔ)，研究試飛員在評(píng)定過(guò)程中所遵循的流程與標(biāo)準(zhǔn)。

1 評(píng)定方法

針對(duì)飛機(jī)駕駛艙人機(jī)功效評(píng)定內(nèi)容多，且難以定量處理的特點(diǎn)，本文提出在駕駛艙人機(jī)功效評(píng)定中，采用在飛行品質(zhì)試飛過(guò)程中使用的庫(kù)珀-哈珀評(píng)定評(píng)分表[4]（Cooper-Harper Ratings），并對(duì)評(píng)分表進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如圖1 所示。針對(duì)所關(guān)心的指標(biāo)進(jìn)行量化打分；在評(píng)定過(guò)程中，以大眾飛行員的使用需求為出發(fā)點(diǎn)給出CHR 評(píng)分；針對(duì)一些低分項(xiàng)，試飛員給出相關(guān)評(píng)定結(jié)果及改進(jìn)建議；飛機(jī)設(shè)計(jì)方參考評(píng)分結(jié)果，決定是否需要更改或者優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及在哪一階段進(jìn)行優(yōu)化更為合理。

圖1 庫(kù)珀-哈珀評(píng)分流程圖

2 駕駛艙整體布局的評(píng)定

在“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念下，駕駛艙人機(jī)功效評(píng)定應(yīng)以座椅為中心來(lái)展開(kāi)，根據(jù)視線位置指示器來(lái)調(diào)整座椅獲得最佳坐姿后，根據(jù)CCAR25.777（c）[5]的要求來(lái)評(píng)定手、足、眼對(duì)駕駛桿、腳蹬、控制器和儀表板的可達(dá)性，以為飛行員提供最大的操作自由度。在總體布局評(píng)定過(guò)程中應(yīng)充分考慮飛行員自身的身體特征、可達(dá)范圍和承受極限等，以降低飛行員的疲勞度，提高操縱的舒適性。

（1）入座和離座應(yīng)具有較好的便捷性、順暢度，腳部、腿部及頭部不易磕絆。

（2）座椅電動(dòng)/手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)便于使用（電動(dòng)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)合理，手動(dòng)調(diào)節(jié)力度適中），且位置合理（右座的左側(cè)及左座的右側(cè)，非把桿手一側(cè)）。

（3）座高、座寬、椅盆、頭枕、扶手、安全帶無(wú)明顯的主觀不舒適性。

（4）腿部完全伸展條件下可以完成腳蹬全行程檢查操縱，手臂完全伸展和收縮條件下能夠完成駕駛盤(pán)的全行程檢查操縱。

由于駕駛艙內(nèi)設(shè)備裝置的布局都是圍繞“人”這一要素展開(kāi)設(shè)計(jì)的，因此在獲得舒適坐姿并完成對(duì)座椅的評(píng)定后，即可對(duì)中央操縱臺(tái)、主儀表板、遮光罩、頂部板等板塊部件進(jìn)行評(píng)定，如圖2 所示，可以通過(guò)其上各種系統(tǒng)控制器的如下特性來(lái)判斷其布局是否合理。

圖2 某型機(jī)駕駛艙后視圖

（1）左右座飛行員獨(dú)用和共用控制器的可達(dá)性、顯示器的可視性。

（2）各控制器應(yīng)按照系統(tǒng)相關(guān)性與重要性進(jìn)行分類(lèi)布局。

（3）各控制器的位置考慮到機(jī)組操縱的頻繁程度。

3 駕駛艙整體視覺(jué)功效評(píng)定

駕駛艙的視覺(jué)功效通常從外部和內(nèi)部分別進(jìn)行評(píng)定，對(duì)于外部視覺(jué)功效，依據(jù)CCAR25.773（a）、（b）和（c），要求在預(yù)期運(yùn)行環(huán)境下，駕駛員的前方和側(cè)方一定范圍內(nèi)具有足夠?qū)掗煛⑶逦筒皇д娴囊暯纾沟迷诨小⑵痫w、進(jìn)場(chǎng)和著陸階段可以建立良好的外部參考。內(nèi)部視覺(jué)功效要求各設(shè)備沒(méi)有被遮擋，便于讀取各儀表數(shù)據(jù)及設(shè)備的標(biāo)識(shí)信息，且駕駛艙內(nèi)具有良好的照明環(huán)境，主要包括照明區(qū)域、照明亮度、顏色、均勻性及可調(diào)性等[6]。主要評(píng)定項(xiàng)目包括以下內(nèi)容：

（1）主風(fēng)擋、側(cè)窗玻璃的光學(xué)特性、中央風(fēng)擋窗框在降雨、結(jié)冰條件下的可視度。

（2）風(fēng)擋雨刷能夠提供足夠的刮刷面積和刮刷頻率，且雨刷不工作時(shí)的停留位置不處于有效視野范圍內(nèi)，最好隱藏。

（3）無(wú)需采取過(guò)度歪頭、抬頭、低頭等非常規(guī)姿勢(shì)即可使重要操縱設(shè)備位于如圖3 所示的最佳及有效視野范圍內(nèi)。

圖3 駕駛艙最佳與有效視野角度

（4）晝間強(qiáng)光、夜間弱光條件下對(duì)工作區(qū)域提供有效照明。

（5）儀表的對(duì)比度亮度能夠跟隨光線變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，以減少機(jī)組暗適應(yīng)時(shí)間。

（6）風(fēng)擋、側(cè)窗應(yīng)具備光線調(diào)節(jié)裝置，并且操縱簡(jiǎn)單便利。

（7）儀表、儀表板和導(dǎo)光板顯示的字符、圖形簡(jiǎn)潔明了且顏色的使用符合駕駛艙色彩代碼定義。

4 駕駛艙熱環(huán)境

駕駛艙熱環(huán)境的評(píng)定是新型機(jī)駕駛艙評(píng)定的重要內(nèi)容之一，因?yàn)樗c機(jī)組成員的體感舒適性直接相關(guān)，尤其在執(zhí)行高強(qiáng)度飛行任務(wù)時(shí)，如起落航線訓(xùn)練、水上滑行起降訓(xùn)練、低空搜救等，不舒適的熱環(huán)境不僅會(huì)加劇飛行員的疲勞感[7]，而且還會(huì)干擾機(jī)組，分散機(jī)組的注意力。如在某型運(yùn)輸機(jī)的駕駛艙評(píng)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，駕駛艙頂部板后部空調(diào)出風(fēng)口直吹觀察員頭部，且出口為固定格柵式設(shè)計(jì)，導(dǎo)致出風(fēng)氣流大小和方向無(wú)法調(diào)節(jié)，在飛行過(guò)程中，對(duì)觀察員的注意力分配、身體健康產(chǎn)生不利影響[8]。針對(duì)此問(wèn)題，在駕駛艙送風(fēng)管路及緩沖腔構(gòu)型不變的情況下，將駕駛艙頂部格柵導(dǎo)流葉片設(shè)計(jì)成左、右方向60°，如圖4 所示，使氣流導(dǎo)向觀察員的兩側(cè)，有效避免出風(fēng)口直吹觀察員，提高了座艙舒適性。

圖4 某型機(jī)觀察員頂部出風(fēng)口改進(jìn)前、后對(duì)比圖

評(píng)定過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注駕駛艙內(nèi)氣流的組織形式、出風(fēng)口數(shù)量、位置等，要求送風(fēng)氣流的流速、方向、溫度都必須能夠便利地進(jìn)行調(diào)節(jié)，尤其避免過(guò)冷、過(guò)熱的氣流直吹飛行員，根據(jù)ASHRAE（美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，駕駛員感覺(jué)舒適的流速指標(biāo)為頭部周?chē)约吧眢w前側(cè)的風(fēng)速低于0.2 m/s，身體兩側(cè)以及腿部風(fēng)速低于0.3 m/s，過(guò)大的流速則會(huì)使飛行員產(chǎn)生不適感[8]，干擾機(jī)組操縱飛機(jī)。

5 人機(jī)交互評(píng)定

駕駛艙各顯示界面是人機(jī)交互的重要接口，為使飛行員快速準(zhǔn)確掌握飛機(jī)狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行信息，各個(gè)人機(jī)交互界面應(yīng)具備顯示一致性、運(yùn)行邏輯一致性，操作一致性[9]。以上這些特性不僅體現(xiàn)在當(dāng)前機(jī)型的各個(gè)系統(tǒng)之間，而且還需要考慮不同機(jī)型之間的通用性，且應(yīng)符合一般飛行員對(duì)其的理解，以期增強(qiáng)機(jī)組的情景意識(shí)、輔助機(jī)組進(jìn)行決策[10]，因此在人機(jī)交互評(píng)定過(guò)程中，主要關(guān)注以上3 種特性。

5.1 顏色代碼顯示一致性

首先，對(duì)于飛行員來(lái)說(shuō)，顏色是判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)，尤其是系統(tǒng)故障情況下，因此，駕駛艙內(nèi)各界面的顯示需要統(tǒng)一的顏色代碼，以按照本能、明確的方式提醒飛行機(jī)組信息的屬性[11]。表1 中為典型的且符合飛行員普遍認(rèn)知的顏色代碼[12]，在評(píng)定過(guò)程中可按表1 的顏色代碼為參考。

圖5 為兩型機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)指示界面[13]。依照表1，可知圖5（a）中顏色代碼明確，且符合大眾飛行員的理解，而圖5（b）中顏色的使用比較混亂，首先，參數(shù)名稱(chēng)“油門(mén)桿角度”以綠色顯示，而綠色的參數(shù)通常定義為正常范圍內(nèi)的飛行數(shù)據(jù)，對(duì)于參數(shù)名稱(chēng)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有所謂的正常與非正常范圍，顏色不需要發(fā)生變化；油門(mén)桿角度數(shù)值白色顯示，白色通常為刻度、標(biāo)題、狀態(tài)信息，而作為判斷飛機(jī)動(dòng)力的關(guān)鍵參數(shù)，白色顯然不夠醒目；其次，圖中過(guò)多的使用綠色，在夜間飛行時(shí)，綠色容易產(chǎn)生泛光、眩暈，可能會(huì)給機(jī)組讀取數(shù)據(jù)帶來(lái)困難。

表1 駕駛艙顏色代碼

圖5 某兩型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)指示界面

5.2 顯示邏輯的一致性

形象化的圖標(biāo)能夠直觀地指示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，從而降低機(jī)組誤判斷的可能性，眾多機(jī)載系統(tǒng)與部件在MFD（多功能顯示器）系統(tǒng)簡(jiǎn)圖頁(yè)的顯示都采用了圖標(biāo)顯示，如液壓、氣源、燃油等系統(tǒng)都存在大量的管路和控制活門(mén)，這些圖標(biāo)的顯示邏輯需要具有一致性，以便機(jī)組人員在了解通用邏輯規(guī)則的條件下，就能夠快速判斷各系統(tǒng)部件的運(yùn)行狀態(tài)，部分機(jī)載系統(tǒng)活門(mén)常用的狀態(tài)指示定義見(jiàn)表2[8]。

表2 活門(mén)狀態(tài)指示與定義

5.3 控制器件操縱方式的一致性

駕駛艙內(nèi)有數(shù)量眾多的各類(lèi)控制器，對(duì)于同一類(lèi)控制器來(lái)說(shuō)，其操縱方式應(yīng)該具有一致性，以便機(jī)組能夠以本能、明確的方式進(jìn)行操縱，這不僅可以簡(jiǎn)化飛行程序，也將有效降低飛行機(jī)組誤操縱的概率，駕駛艙中常用的控制器件及其操縱方式見(jiàn)表3。

表3 開(kāi)關(guān)類(lèi)型與操作方式

機(jī)組對(duì)系統(tǒng)控制器的每一次操縱都應(yīng)具有人機(jī)閉環(huán)特性，即應(yīng)具備操作動(dòng)作、狀態(tài)反饋及功能生效3 個(gè)要素。以飛行員接通飛行指引儀為例，在按壓FMCP 板上“FD”按鈕接通飛行指引后，首先，通過(guò)按鈕附近綠色的指示燈及FMA 顯示綠色“FD”字樣，可知已經(jīng)對(duì)“FD”按鈕進(jìn)行了有效的操作；其次，通過(guò)PFD 上的FD 指引桿可知FD 的功能正在執(zhí)行。

5.4 操縱便利性的考慮

良好的駕駛艙設(shè)計(jì)能夠使飛機(jī)“理解”飛行員的意圖，而且此類(lèi)設(shè)計(jì)也可為飛行機(jī)組提供便利，使得操作程序流暢、緊湊、富有節(jié)奏感，相反，則會(huì)使操作變得繁瑣，增加機(jī)組負(fù)擔(dān)。在評(píng)定過(guò)程中應(yīng)關(guān)注以下項(xiàng)目。

（1）開(kāi)關(guān)的中立位置與系統(tǒng)默認(rèn)正常、最佳或最常用的運(yùn)行方式保持一致，如座艙溫度調(diào)節(jié)旋鈕的中立位處于體感最舒適的24℃，日常使用中機(jī)組只需要根據(jù)需求在24℃附近進(jìn)行微調(diào)即可。

（2）連續(xù)可調(diào)旋鈕阻尼感要適中、步長(zhǎng)合理，并考慮使用旋轉(zhuǎn)速率感知功能，如預(yù)選高度、航向旋鈕，當(dāng)飛行員急需選擇某一航向，且目標(biāo)航向與當(dāng)前航向差值較大時(shí)，飛行員會(huì)加速旋動(dòng)旋鈕，在旋轉(zhuǎn)速率感知功能的作用下，飛行員只需旋動(dòng)較小的行程，即可快速獲得目標(biāo)預(yù)選航向。

（3）合理使用輸入信息記憶功能，方便機(jī)組調(diào)節(jié)、切換、回顧數(shù)據(jù)；如氣壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)記憶機(jī)組輸入的氣壓參考值；如TCP（調(diào)諧控制板）重啟后仍可顯示上次輸入的通信頻率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了主觀評(píng)定的方法，基于多型機(jī)的駕駛艙人機(jī)功效評(píng)定經(jīng)驗(yàn)，給出了在評(píng)定過(guò)程中所需遵循的流程與主觀評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并列舉了在評(píng)定過(guò)程中的案例，希望為試飛員在進(jìn)行駕駛艙人機(jī)功效評(píng)定時(shí)提供參考，也希望設(shè)計(jì)人員能夠更多關(guān)注到飛行員對(duì)駕駛艙人機(jī)功效的需求，在設(shè)計(jì)階段更多考慮人機(jī)功效問(wèn)題。

本文的研究尚存在一些不足之處，在目前的評(píng)定過(guò)程中沒(méi)有結(jié)合到具體的使用場(chǎng)景，如飛行的各階段、正常和故障條件下等，在未來(lái)的評(píng)定過(guò)程中，將在不同的使用場(chǎng)景、飛行狀態(tài)進(jìn)行深入和詳細(xì)評(píng)定；此外，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題沒(méi)有給出個(gè)人的QRH 評(píng)分及改進(jìn)建議，下一步工作可以考慮搜集多組評(píng)定者給出的QRH 評(píng)分[14]，結(jié)合評(píng)定意見(jiàn)決策所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是否需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。