面向機組工作量審定的民用飛機人機交互適航驗證場景設計

陳農田，滿永政，李俊輝

（1.中國民用航空飛行學院航空工程學院，廣漢618307）（2.中國民用航空飛行學院民航安全工程學院，廣漢618307）

0 引言

運輸類飛機機組人員的工作量適航審定問題是民航適航安全領域關注的重要內容和研究熱點。根據有關航空事故統計，有70%的飛機事故是由人為因素導致的。飛行機組的飛行質量直接關系到能否安全順利地完成飛行任務，而飛行機組的工作量是衡量機組飛行操縱績效的重要指標，過大或過小的機組工作量對于飛行績效表現都會產生不利影響。開展運輸類飛機機組工作量測量審定研究，對于滿足良好人機交互要求的民用飛機設計和保障運輸類飛機安全運行具有重要的現實意義。

近年來，國內外對運輸類飛機機組工作量開展了系列研究。徐敏敏等在分析飛機場景的基礎上，對機組工作量場景捕獲進行分析；劉樹強等運用BP 神經網絡對機組工作量進行評價；毛志威等在民用飛機審定過程中，運用MBSE 方法進行試飛場景設計研究；黃二利從運輸類飛機機組的適航符合性驗證方面分析和考慮飛機機組工作量審定；G.Roth 等通過開發有人/無人協作應用程序對工作量進行了分析和比較；D.M.Benitez等介紹了一種適用于民航駕駛艙的新型概念來分析和減輕飛行員工作量。綜上，國內外的相關研究雖取得了豐碩成果，但在基于機組工作量適航條款解讀的人機交互場景維度設計及適航驗證方法交叉融合方面的研究較少，有待進一步探討。

本文針對機組工作量符合性驗證場景設計與驗證方法問題，通過對運輸類飛機機組工作量適航條款的解讀與分析，針對性地確立機組工作量場景設計原則；分別從適航驗證測試機組、飛行運行過程、飛行運行環境以及飛機運行狀態四個維度設計機組工作量適航驗證場景，并通過機組工作量評估策略和測量方法比較，提出機組工作量驗證方法，通過典型案例加以分析驗證，以期為開展運輸類飛機機組工作量適航驗證場景設計和驗證提供參考。

1 機組工作量適航條款解析與驗證

1.1 工作量內涵

工作量常用來描述一個人執行任務的能力（生理或者心理）和與其執行任務相關的系統和環境要求匹配之間的關系。工作量是否飽和并非僅依靠工作數量多少而定，而是依據計時定額法確定而成，與人為操縱者的資源數和完成任務所需的資源數之間的差異密切相關，工作量和工作績效存在關聯關系，工作量太高或者太低都會影響工作績效。在民用飛機適航安全領域，飛行機組工作量直接影響飛行操縱績效，進而影響飛行運行安全。而飛機機型、運行環境、飛機工況以及機組自身狀態等因素都會對運輸類飛機機組工作量產生影響，科學有效地測度機組工作量是民用飛機適航安全審定的基本需求。

1.2 機組工作量適航條款解析

我國民航局針對運輸飛機機組工作量審定方面，在中國民航規章CCAR25 和附錄D 中，為防止飛行中飛行員工作量過高以及由于駕駛艙自動控制系統可能引發機組工作量異常而誘發不安全問題設立有專門適航條款。CCAR25.1523 條最小飛行機組中明確要求，考慮每個機組成員的工作量，使其足以保證安全運行，CCAR25 附錄D 闡述了按要求確定最小飛行機組時采用的準則。飛行過程中機組工作量水平過高或過低，都會引起飛行員精神疲勞或者疏忽，誘發飛行員遺漏重要信息、不能完成執行相關任務而產生人為差錯。

CCAR25.1523 條是要確保最小飛行機組的安全，必須考慮如下因素：①機組成員必須了解飛行器件的簡易性和可操作性；②機組成員工作量；③按該條所審核的運行類型。

CCAR25 附錄D 也明確最小飛行機組的基本工作職能和工作因素。基本工作職能包括：①指揮決策；②導航；③防撞；④飛行航跡控制；⑤監控飛機系統和發動機；⑥通訊。工作因素包括：①飛行過程中所必須的動力裝置和操縱器件，并對其進行操作的簡易性和可操作性；②所有必需的儀表和故障警告裝置（例如火警、電氣系統故障和其他故障的指示器或告戒指示器）的可達性和醒目程度，并考慮這些儀表或裝置引導進行適當糾正的程度；③操作程序復雜程度。特別要考慮由于飛機重心、飛機結構或飛機上其他適航性的原因而強制采用燃油管理程序，以及發動機使用油箱情況及供油而運轉的能力；④在正常操作以及在遇到突發情況下消耗的體力和精力的大小和時間；⑤在飛行過程中，需對飛機所需的燃油進行監控；⑥需要機組成員離開自己原來的崗位，包括應急情況和查看飛機系統；⑦在飛機系統失靈后，處理引起故障的能力；⑧導航所需的工作量；⑨突發情況導致的額外工作量；⑩根據要求至少由兩名駕駛員組成的最小飛行機組時，其中一名成員不能完成工作時的工作量。

1.3 工作量審定人機交互適航驗證流程

機組工作量審定主要取決于測定不同場景下的機組工作量適航規章符合性，需考慮基于民用飛機全生命周期，建立測試場景并對機組工作量實施測量分析，主要包括：①在飛機設計早期對工作量進行分析。對于特定駕駛艙布局，選取分析方法并對方法進行選擇和優化處理。②在分析工作量并且條件允許下，應包含機型與其他相近機型駕駛艙之間的對比。③對駕駛艙有重大改造時，如更改駕駛艙構造、更改飛行員操縱界面、更改飛行員運行程序和職責等，都需要進行綜合詳細的評估。④若發現設計問題時，應對這些問題深入研究、評估，把相關信息及時提交有關驗證部門，并及早發現潛在問題。在機組工作量審定過程中，需要根據CCAR25.1523 條以及附錄D 規章審定要求，結合飛行設計與運行，建立對應測試場景和驗證方法，實施機組工作量審定人機交互適航驗證（如圖1 所示）。

圖1 機組工作量審定人機交互適航驗證流程Fig.1 Crew workload man-machine interaction airworthiness verification process

2 機組工作量審定人機交互適航驗證場景設計

2.1 機組工作量適航驗證場景設計原則

根據CCAR25.1523 條和附錄D，對機組工作量進行評估遵循基本設計原則：若要評估的機型與已經取得適航認可的機型相似，則選取類似的方法。對于明顯改變駕駛艙、人機交互界面、操縱習慣和流程時，針對改變的新特征來設計新的任務場景進行工作量的評估。場景設計時通常要考慮機組試驗人員、天氣、航線、機組工作計劃、最低設備清單（Minimum Equipment List，簡稱MEL）和系統失效。設計機組工作量場景設計包括：正常場景、非正常場景和應急操作場景。

2.2 機組工作量適航驗證場景維度

機組工作量適航場景設計的目的是確保工作量準確性。在場景捕獲維度設計上，建立整個飛行過程中的機組工作量多維矩陣，實現場景捕獲設計的完整性。參考相關研究和飛機飛行手冊，最終得出機組工作量操縱任務場景的4 個維度（如圖2 所示），分別是：飛行階段、試驗人員、環境因素、飛機狀態，其中飛行階段劃分六個子任務場景維度：飛機靜立、滑行、起飛、巡航、進近以及著陸；試驗人員指參與試驗的成員，包括學生駕駛員、航線運輸駕駛員和試飛員；環境因素維度就是飛機運行階段所處運行環境；飛機狀態維度指飛機適航狀態直接影響到飛行員的操縱，嚴重情況會導致整個系統發生故障，直接誘發飛行事故發生。

圖2 機組工作量審定人機交互適航驗證場景維度Fig.2 Dimensional of man-machine interaction scenario for crew workload airworthiness verification

2.3 機組工作量適航驗證要素

2.3.1 工作量適航驗證機組維度要素

通過對參與實驗人員的反應和狀態來分析和制定工作量的大小，當遇到緊急情況時飛行員的工作量突然增加，工作負荷壓力突然增多，情景意識就會下降，診斷故障能力和判斷力也會下降。根據任務要求考察其相關特征選擇實驗人員。根據試驗要求可以把飛行員分為以下三類：①學員駕駛員，其特征是機型駕駛經驗和應急處理能力一般也較弱。②航線運輸駕駛員，在飛行時間、航空領域知識和駕駛經驗方面，航線運輸駕駛員要比學員駕駛員高得多。一般情況下，航線駕駛員應對氣象、規章、空氣動力學、導航、航空器運行與空域、重量和平衡的計算、對飛行特征的影響、飛行性能、機動飛行操作程序和應急操作、人為因素和機組管理等，擁有至少1 500 h 的飛行時間。③試飛員，試飛員必須有豐富的飛行經驗、應急處理能力和熟練的駕駛技術。

2.3.2 飛行運行過程維度要素

飛機飛行過程中分六個子任務運行過程場景維度：飛機靜立、滑行、起飛、巡航、進近以及著陸。①飛機靜立場景設置為航空器推出或滑行之前，或者在到達之后，在廊橋、機坪或者停機位處于靜止狀態。②飛機滑行場景設置為航空器起飛前或著陸后，依靠自身動力在機場道面上移動。③飛機起飛場景設置為航空器為實際起飛而使用動力起飛時起，經滑跑直到達到標高之上35 ft（1 ft=0.304 8 m）的高度。④飛機巡航場景設置為飛機經起飛爬升之后到飛機進入進近階段之間的運行階段。⑤飛機進近場景設置為飛機開始下降進下滑道到著陸之間的飛行運行階段。⑥飛機著陸場景設置為從開始著陸拉平，直至航空器脫離著陸跑道或者停止在跑道上。

2.3.3 飛行運行環境維度要素

飛行運行環境因素維度就是飛機在不同運行過程所處的環境。晝夜不同是飛機在不同運行階段所處的時間不同；惡劣天氣是指氣象條件，如低能見度、風切變、飛機積冰、顛簸等；跑道狀況是指機場的環境，干跑道、濕跑道、污染跑道等。

2.3.4 飛機運行狀態維度要素

飛機運行狀態是在不同飛行運行過程中遇到系列飛機狀態。飛機運行狀態除了正常情況下，典型故障模式包括：①發動機故障：發動機失效包括單發失效和雙發失效；②操縱控制系統故障：包括主操縱系統、輔助系統故障，導航失效包括無線電高度表失效、慣性基準失效、大氣數據基準失效等；③起落架系統故障：包括起落架收放故障、起落架警告系統故障等；④其他設備故障等，包括儀表板、飛機結構受損等。

2.4 機組工作量適航驗證典型場景捕獲

根據適航驗證場景設計原則，以及適航驗證場景維度，確定著陸典型應用場景的飛行員操縱行為任務，根據具體的操縱任務來分析機組工作量適航審定要求，運行環境維度為良好運行環境（如表1 所示）。

表1 機組工作量適航驗證著陸場景捕獲Table 1 Crew workload airworthiness verification landing scene capture

3 機組工作量適航驗證方法及應用

3.1 機組工作量適航驗證策略

根據機組工作量不同測試場景，采用不同的工作量設計和評估工作，評估工作量考慮采用直接比較法、間接比較法和獨立評估法。①直接比較法。通過建立有組織的試驗體系，試驗評估人員把新設計與之前已經通過驗證特定任務做比較，記錄比較數據來完成評估，通過設計全新試驗場景來完成特定評估。②間接比較法。由于條件限制，兩系統進行并聯評估直接比較是非常困難的，通過飛行員的“心理感受”，將舊系統和新系統進行比較。③獨立評估法。通過評估系統本身的質量（尤其是用戶滿意度）來確定相應的工作量評估策略。

3.2 機組工作量適航驗證方法

測量工作量的前提是確定工作量的評估方法。在測量方法或者選擇測量方法時，注重考慮有效性、可靠性以及適用性需求，測量方法盡可能不增加機組的額外工作量，盡可能不影響機組正常工作。

3.2.1 主觀測量法

主觀測量法是一種事后經驗性的方法，通常可以表征機組工作量。主觀測量法可用工作量評定表來劃分亮度等級。常用方法包括：NASA工作負荷指數法、Bedford 法、主觀工作負荷評估法等。應用較成熟的NASA 工作負荷指數法是用NASA-TLX 量表來測量工作量，由6 個因素及相關描述組成（如表2 所示），檢驗者可以根據自身情況進行打分，實現量化評估。

表2 NASA-TLX 量表的6 個因素Table 2 6 factors of NASA-TLX scale

3.2.2 績效測量法

績效測量法是一種用以判斷其方案、績效、收益等是否達到預期目標的評估程序，該評估程序需要使用統計證據以確定特定的績效目標。主要測量方法為主任務測量法和輔助任務測量法。

3.2.3 生理機能測量法

生理機能測量法是通過中樞神經系統、自主神經系統及內分泌系統等生理指標測量分析所得。生理測試分為兩個層次：情緒和生理活躍的測量（心率、瞳孔變化和眼動特征），感覺和精神過程測量（相關的電位和凝視方向）。生理機能測試結果可以表示機組工作量測量的表面特征，通過結果確定工作量程度的變化。

3.2.4 機組工作量適航驗證方法比較

單一工作量評價方法存在適用范圍和優缺點（如表3 所示）。主觀測量法重在評估操縱員功能及因素，相對于其他方法應用廣泛，但在精準度方面有待提升。績效測量法主要考慮主任務和輔助任務完成情況，評價結果較為準確。生理機能測量法需要采用生理學相關內容，測試方法不容易實現，部分測試技術還有靈敏度要求。面向機組工作量審定的民用飛機人機交互適航驗證，綜合運用主觀和績效測量的方法，并結合生理機能測量方法，實施機組工作量適航驗證條款有效驗證。

表3 測量方法對比表Table 3 Comparison table of measurement methods

3.3 運行場景下工作量適航驗證案例應用

在開展機組工作量驗證工作前需向民航適航當局提供驗證行動計劃，其內容包括適航驗證計劃安排以及適航符合性驗證方法。申請方需向局方遞交飛機圖紙和技術條件，以及關于試驗任務安排和參考飛機的報告，要求參考飛機在結構尺寸、技術水平、駕駛艙布置和機組人數等符合驗證飛機要求。試飛員需在驗證飛機和參考飛機上根據試飛場景完成同樣的試飛任務，并完成機組工作量主客觀評價。如果機組工作量相類似或待驗證機組工作量略低于參考機組工作量，則驗證飛機機組工作量審定通過適航驗證。

B767 開展機組工作量適航驗證時，采用資深飛行教員及飛行品質評估專家共同評定，通過選取B737 作為參考比較機型，記錄飛行員生理參數，開展機組工作量評估分析。在運行場景下工作量適航驗證典型案例為：設置模擬三個自動駕駛儀不起作用，座艙高度表不起作用，左發著火，前起落架燈關閉。在飛機運行維度方面，用單臺發動機完成應急下降，飛行儀表進場著陸直至停止，此間有意關閉著陸燈，使用單發反推裝置來發現方向操縱發生故障。在該場景中自動駕駛儀全部故障改為手動飛行；座艙高度表不起作用，則機組成員無法讀取飛機的高度信息；有意關閉著陸燈后，機組成員只能借助周圍建筑物或跑道上的近燈光作為參考目視飛行；左發著火需關閉左發并執行滅火操作；飛機單發著陸，機組成員需執行的操作大幅度增加，精神高度緊張，工作量陡增。通過對高危險、高工作量場景的模擬，采用綜合主觀和績效測量的方法，并結合生理機能測量方法評估機組成員能否在有限的時間內完成指定的操作，判斷每個機組成員的工作量是否合理。

4 結論

（1）針對運輸類飛機機組工作量適航條款CCAR25.1523 條和附錄D 的解析為面向機組工作量適航審定提供理論支撐。

（2）從適航驗證測試機組、運行過程、運行環境以及飛機狀態四個維度可有效構建面向機組工作量審定的人機交互適航驗證場景，并實施典型著陸場景捕獲應用。

（3）面向機組工作量審定的運輸類飛機人機交互適航場景設計以及機組工作量適航驗證方法，有助于民用飛機人機交互正向設計與適航風險分析。