民機駕駛艙人為因素適航符合性驗證技術

董大勇， 俞金海， 李寶峰， 陳迎春

1. 上海飛機設計研究院, 上?！?01210

2. 中國商用飛機有限責任公司， 上?！?01210

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民機駕駛艙人為因素適航符合性驗證技術

董大勇1， 俞金海1， 李寶峰1， 陳迎春2, *

1. 上海飛機設計研究院, 上海201210

2. 中國商用飛機有限責任公司， 上海201210

摘要:由于人為差錯無法完全避免，因此民機駕駛艙人為因素適航符合性驗證過程中難以充分表明對規(guī)章條款的符合性，通過對人為因素CS -25.1302條款適航條款的詳細分析，對駕駛艙人為因素符合性驗證的總體思路作出規(guī)劃，明確了在符合性驗證工作中針對飛機系統(tǒng)集成水平、復雜性和新穎度特點的重點關注要素。詳細闡述了相似性聲明、設計描述、計算分析、評估和試驗等駕駛艙人為因素符合性驗證方法及其適用條件，結合中國自主研制的大型客機型號開展了駕駛艙評估和飛行員在環(huán)模擬器試驗中的符合性驗證技術研究，研究結果在型號實踐中得到應用并表明是有效的。

關鍵詞:駕駛艙； 人為因素； 適航； 符合性方法； 型號審定

民機駕駛艙是飛行機組執(zhí)行飛行任務的唯一工作空間，對于航空安全有著至關重要的作用。然而有數(shù)據(jù)表明，有超過2/3的航空事故是與人相關的。也就是說，即使飛機系統(tǒng)都很好，操縱飛機的人(飛行員/飛行機組)仍然會犯錯誤(絕大多數(shù)是無意的)，最終導致事故的發(fā)生[1-9]。人們逐漸認識到一味地提高系統(tǒng)的可靠性并不能從根本上解決航空安全問題，人為因素成為飛機駕駛艙設計中的關注重點，也越來越受到重視。1999—2004年，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)與歐洲聯(lián)合航空局(JAA，現(xiàn)歐洲航空安全局，EASA)聯(lián)合波音、空客等民機制造商成立了人為因素協(xié)調工作組(Human Factors-Harmonization Working Group，HFHWG),針對駕駛艙人為因素進行了聯(lián)合研究工作，旨在推進適航標準的修訂，通過對民機型號適航審定提出明確的人為因素要求，從而有效降低設計導致的人為差錯[10-12]。EASA于2007年率先在其適航標準第3次修訂時，增加了人為因素的專門條款CS -25.1302[13]。FAA于2013年也在其137號修正案中增加了FAR-25.1302條款[14]。

到目前為止，僅有空客A350是按照最新的人為因素條款進行型號審定的民用飛機。中國適航規(guī)章尚沒有更新增加人為因素的相關條款。在中國民機型號研制中ARJ21支線客機并沒有針對人為因素條款進行適航符合性驗證，而在C919大型客機中為了與國際先進水平保持同步，增加了人為因素適航符合性的驗證工作。

本文研究主要針對人為因素條款對民機駕駛艙人為因素的具體要求，開展了民機駕駛艙在型號設計及適航符合性驗證中的總體思路、符合性方法確定、驗證場景設計、符合性驗證技術等研究，并在工程中進行應用。

1適航要求與分析

人為因素是一個非常寬泛的概念，只要涉及到操作者與硬件系統(tǒng)進行交互，都可以歸于人為因素的范疇[15-18]。關于人為因素的適航要求，在EASA和FAA發(fā)布專門的人為因素條款之前，也有一些針對駕駛艙設備的人為因素要求。如：25.773規(guī)定了駕駛艙視界要求；CS-25.777對駕駛艙操縱器件可達性作了規(guī)定；CS-25.1321和CS-25.1322對駕駛艙儀表布局及告警給出了約束。同時也有25.1523對機組工作負荷作出相應的要求[13-14]。

新增的人為因素條款主要針對駕駛艙機組與系統(tǒng)設備的交互提出了具體要求。條款內容如下所述。

“CS-25.1302 為飛行機組使用而安裝的系統(tǒng)和設備

本條適用于為飛行機組成員在駕駛艙內正常就座后操縱飛機使用而安裝的設備。這些安裝的設備必須設計成通過滿足以下要求來表明其單獨并與其他此類設備一起可使合格的飛行機組成員經(jīng)使用培訓后能夠安全執(zhí)行與其預定功能有關的任務：

1) 必須安裝能夠完成這些任務的駕駛艙操縱器件，且必須提供完成這些任務所必需的信息。

2) 供飛行機組使用的駕駛艙操縱器件和信息必須滿足

① 以清楚明確的方式提供，其分辨率和精度必須與任務相適應。

② 能以與其任務的緊迫性、頻度和持續(xù)時間相一致的方式使飛行機組可達和可用。

③ 能夠使飛行機組感知其操作對飛機或系統(tǒng)產生的影響，以建立對安全運行所必需的情景意識。

3) 安裝設備與操作相關的工作特性必須滿足

① 是可預期并明確的。

② 設計成可使飛行機組能夠以與任務相適應的方式進行干預。

4) 在可行范圍內，假設飛行機組主觀上不違規(guī)操作，安裝設備必須使飛行機組能夠管理來自飛行機組與設備之間的各類交互作用導致的服役中合理預期的差錯。條款4)不適用于與飛機手動操縱相關的機能性差錯?！盵13]

對條款的具體要求進行分析，可得出如下結論：

1) 條款要求所針對的驗證對象主要指飛行機組在其工作位置使用的所有用于完成飛行任務的設備，即飛行機組必須就座并將眼睛位置對準在設計眼位上，關注的主要是與飛行任務相關的設備。

2) 強調“預定功能”，為飛行機組提供的顯示界面和控制器件必須是能夠實現(xiàn)預定功能的。

3) 關注機組任務，人為因素是以任務為基礎的，所有的驗證內容必須圍繞完全完成機組任務，從這一點上可以看出，人為因素條款與傳統(tǒng)要求明顯的區(qū)別在于任務驅動，重點關注的是機組在完成任務的動態(tài)過程中的績效。

4) 以人為差錯為核心，人為因素的最終目標是有效降低由設計導致的人為差錯。

2適航符合性驗證規(guī)劃

2.1總體思路

民用飛機適航體系是以安全性為牽引的，所有使用的設備、系統(tǒng)及其功能必須表明是安全的。因此在型號研制過程中所使用的設備、采用的技術通常是成熟的和經(jīng)過驗證的。飛機產品本身具有復雜的特性，同時飛機作為面向市場的產品，追求良好的經(jīng)濟性和用戶體驗的目標，使得新技術的引入成為必然趨勢。在以人為中心的設計理念牽引下，為飛行機組提供更簡潔的人機界面和操作程序是飛機駕駛艙人為因素設計的重點內容。在這樣的背景下，人為因素的適航符合性驗證工作中必須重點考慮多系統(tǒng)集成和復雜特征，以及新技術引入帶來的潛在人為因素安全風險。

1) 集成水平

系統(tǒng)集成水平主要指的是影響飛行機組操縱飛機的各系統(tǒng)之間的相互作用或依賴程度。現(xiàn)代民機為了有效降低飛行機組執(zhí)行飛行任務過程中的工作負荷，越來越多采用自動化技術，如綜合模塊化航空電子(Integrated Modular Avionics，IMA)系統(tǒng)，這勢必帶來更多的系統(tǒng)交聯(lián)，可能為飛行機組對系統(tǒng)工作狀態(tài)的情景意識帶來困難。因此，申請人在符合性驗證工作中應對系統(tǒng)集成的情況通過詳細的系統(tǒng)描述文件明確飛行機組任務和系統(tǒng)功能的關系。對于可能造成飛行機組情景意識降低的情形需要開展相關試驗驗證工作[18-19]。

2) 復雜性

這里的復雜性主要指的是從飛行機組操縱飛機的角度來看系統(tǒng)設計的復雜程度，主要包括認知和操縱兩個方面。認知方面主要是指駕駛艙為機組提供的信息數(shù)量；操縱方面主要是指對系統(tǒng)的控制或自動化模式的切換等。由于自動化程度較高，需要機組監(jiān)控的信息量可能會有所增加，同時不同自動化模式的轉換控制也會相應增加。在驗證方面也要給予充分關注[18]。

3) 新穎度

新穎度這一概念對于人為因素尤為重要，系統(tǒng)設計引入新技術可能帶來新的交互方式，飛行機組在這種情況下可能帶來人為差錯。一般來說新穎度主要包括以下幾類：

① 引入新技術帶來的新的操作方式。

② 引入新技術帶來的非常規(guī)操作或額外的附加程序。

③ 引入新的交互方式。

④ 對原有系統(tǒng)增加新的任務功能。

針對上述重點關注的要素，應按照圖1所示的總體思路規(guī)劃人為因素適航符合性驗證過程。

圖1符合性驗證規(guī)劃
Fig. 1Planning of compliance certification

2.2設計考慮

從適航條款的要求分析可知，人為因素驗證的主要目標是盡可能減少由設計誘導的人的失誤進一步而導致的不安全事件的發(fā)生。人為因素適航符合性驗證的重點也是關注如何從設計源頭規(guī)避人的差錯。通過對駕駛艙設計過程細化分解，識別出在設計過程中需要考慮的要素。

1) 預定功能與飛行機組任務

人為因素是基于任務的動態(tài)過程，所有驗證工作都圍繞飛行機組任務展開，因此，在駕駛艙設計過程中首先要明確飛行機組任務。飛行機組完成任務的前提是飛機必須提供與任務相匹配的功能，這就是“預定功能”。

在適航符合性驗證中，必須對機組任務和預定功能進行詳細描述。尤其是對于新的功能更要明確說明與任務的匹配性。

比如“速度顯示功能”，早期顯示方式是儀表顯示，現(xiàn)在大多采用液晶顯示器，在主飛行顯示器(PFD)上顯示，先進的還可能在平視顯示器(HUD)上顯示，另外還有備用儀表顯示。在顯示內容上有顯示以“節(jié)”為單位的空速，也可以用馬赫數(shù)表示的空速，還可以顯示真空速、地速等速度信息。而這些速度信息都與不同飛行階段任務相關。在符合性驗證過程中必須說明功能是與任務相匹配的。

2) 操縱器件

操縱器件是飛行機組操縱控制飛機以及進行系統(tǒng)管理的控制界面。駕駛艙操縱器件主要包括：按鈕、開關、旋鈕、鍵盤、觸摸屏、光標控制器和圖形用戶界面等。

必須表明駕駛艙中供機組使用的每一個操縱器件都是完成機組任務所需的，同時其功能、操作方式以及控制效果必須滿足人為因素要求。即標識清楚、操作方式明確、功能適當、可達可用及反饋充分。

3) 信息顯示

顯示界面是飛行機組獲取飛機狀態(tài)信息以及對控制輸入反饋信息的主要通道，也是保證飛行機組良好情景意識的重要途徑。

必須表明駕駛艙內顯示信息可視、可辨識、可理解、精度和分辨率恰當、與任務匹配、能夠為飛行機組決策提供支持。

研究表明人機交互過程中認知環(huán)節(jié)的差錯率通常比執(zhí)行環(huán)境差錯率高，因此為了給飛行機組提供良好的認知通道，信息顯示設計中應給予更多的關注。

4) 系統(tǒng)行為

系統(tǒng)設計特征不同，飛行機組任務的需求也不同。不同系統(tǒng)對有關的飛行機組輸入的響應也是不同的。條款要求“安裝設備與操作相關的系統(tǒng)行為”必須設計成：可預知的和明確的，同時使飛行機組能夠以與任務(和預定功能)相適應的模式干預”。也就是說飛行機組在任何時刻都應該明確知曉系統(tǒng)正在做什么以及為什么這么做。

飛機自動化程度越來越高，如：自動飛行系統(tǒng)(APS)、飛行管理系統(tǒng)(FMS)，這些自動化功能可以使飛機在大多數(shù)時間可以由計算機控制飛行。諸多系統(tǒng)也都設有自動模式。這就使得飛行機組容易過度依賴自動化系統(tǒng)而喪失對系統(tǒng)行為的監(jiān)控。

在符合性驗證工作中必須明確人機功能分配的原則，同時應在任何時刻為飛行機組提供自動化系統(tǒng)的工作模式信息，同時必須提供機組干預自動化模式的有效途徑。

5) 飛行機組差錯管理

墨菲定律指出，人總是會犯錯誤的。既然人的差錯無法根除，駕駛艙設計必須提供有效的手段控制差錯。

設計上應遵循下列基本原則來有效控制差錯。

① 能使飛行機組發(fā)現(xiàn)差錯并從差錯中恢復。

② 確保飛行機組差錯對飛機功能或性能的影響對飛行機組而言是顯而易見的，且可以進行繼續(xù)安全地飛行和著陸。

③ 通過使用開關保護、互鎖裝置、確認操作或相似方法來降低飛行機組犯錯的可能性。

④ 通過系統(tǒng)邏輯和/或冗余、魯棒或容錯系統(tǒng)設計來降低或消除差錯的影響。

由于人為差錯是人為因素條款重點關注的內容，而目前并沒有有效的途徑能夠充分證明駕駛艙設計是可以完全避免人為差錯的。因此，在適航符合性驗證工作中應通過合理地設置場景試驗，涵蓋正常和非正常的情況，并能夠覆蓋大部分預期運行情況，從而表明條款符合性。

3符合性驗證實施

3.1符合性驗證方法

中國民用航空局《航空器型號合格審定程序》共包括10種符合性驗證方法[20]。在人為因素適航符合性驗證過程中可選擇下列驗證方法，根據(jù)條款的特殊性做了細分。

1) 相似性聲明

相似性聲明是一個關于待批準系統(tǒng)和之前已批準系統(tǒng)針對符合性要求在物理、邏輯和運行上相似性的詳細描述。

可與先前已通過審定的系統(tǒng)進行比較來證明設計的充分性，這種比較可表明系統(tǒng)設計會盡可能少地產生機組差錯或當差錯發(fā)生時增強飛行機組進行相應處理的能力。

相似性聲明方法的適用范圍較窄，駕駛艙人為因素審定是以任務為基礎的，強調整體動態(tài)過程，因此該方法只能在局部適用并作為符合性材料的一部分。

2) 設計描述

可采用圖紙、構型描述和設計準則等設計描述來證明設計符合特定規(guī)章的要求。

圖紙(如駕駛艙布置圖、駕駛艙界面矢量圖等)可通過直觀的方式表明物理布置設計與規(guī)章的符合性。

系統(tǒng)描述可通過對駕駛艙人機界面的顯示、操縱、功能邏輯說明、防錯設計、設計要求符合性等信息作為符合性驗證材料。系統(tǒng)描述信息通常可以機組操作手冊的形式提供，但需補充人為因素相關信息。

3) 計算分析

通過工程計算或分析的方式表明符合性。可以通過在數(shù)字樣機中建立合理的人體模型對駕駛艙的可達性進行分析?？刹捎糜嬎愕姆绞奖砻魍庖暯绲姆闲?。如圖2所示。

4) 評估

駕駛艙評估是駕駛艙人為因素符合性驗證區(qū)別于其他條款的重要方法之一。駕駛艙評估并不要求一定在達到最終狀態(tài)才開始評估，在設計過程中即可與局方溝通進行駕駛艙評估。評估可以在工程樣機、部分任務模擬器、全任務模擬器中進行，也可以是飛行評估。在不同的平臺上開展的評估工作都可以作為取證過程中的一種驗證信用(Certification Credit)積累，這在人為因素符合性驗證工作中尤為重要。

圖2駕駛艙外視界分析
Fig. 2Analysis of flight deck out view

5) 試驗

評估和試驗作為人為因素的符合性驗證方法都可以歸為試驗大類，執(zhí)行過程都是人在環(huán)(Human in Loop)的，但是本節(jié)的試驗主要是關注軟硬件系統(tǒng)對飛行機組績效的影響，包括環(huán)境因素、系統(tǒng)響應、延遲和系統(tǒng)邏輯等。

3.2符合性驗證技術

針對不同的符合性方法可采用不同的驗證技術。本文針對最主要的評估和試驗技術進行闡述。

1) 駕駛艙評估通常采用飛行員主觀評估的方法，本研究過程中結合型號研制開展了駕駛艙評估符合性方法研究，評估平臺為工程樣機，評估針對工程樣機人為因素設計。

首先，建立評估問卷。評估問卷內容包括駕駛艙各區(qū)域的可達性與可視性、駕駛艙視覺環(huán)境、駕駛艙顯示界面設計、駕駛艙控制面板設計等內容。

其次，確定工程樣機駕駛艙構型。準確記錄駕駛艙構型狀態(tài)，確保評估對象可控可追溯，建立專門的構型管理體系對樣機狀態(tài)進行管理。

第三，組織實施飛行員在環(huán)評估。評估之前向評估飛行員詳細講解駕駛艙構型狀態(tài)、問卷內容、問卷填寫方式等，上機過程中全程陪同飛行員進行評估，對評估過程中的問題進行解釋。

第四，數(shù)據(jù)收集處理。完成評估后對試驗數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)包括兩部分，一部分是以5級量表評價的客觀數(shù)據(jù)，另一部分是主觀意見收集。通過梳理統(tǒng)計方法結合綜合評價算法可得到客觀評價等級。對主觀意見由設計團隊根據(jù)飛行員意見處理流程開展工作。

2) 飛行員在環(huán)試驗技術主要通過采集飛行員眼動指標建立客觀指標與飛行績效的關聯(lián)，從而說明人為因素的符合性。本研究在模擬器上進行試驗。

首先，按照預定驗證目標設定試驗任務場景，對飛行員進行基本培訓。

其次，開展模擬器試驗，模擬預定的任務場景，同時采集飛行員的眼動數(shù)據(jù)以及飛行參數(shù)。

第三，數(shù)據(jù)分析。通過眼動數(shù)據(jù)建立眼動參數(shù)與飛行績效之間的關系，在此基礎上，驗證在給定的正常與非正常任務中飛行員的客觀指標在可接受的范圍內從而表明符合性。

試驗場景如圖3所示。

圖3符合性驗證試驗技術
Fig. 3Test technology of compliance certification

4結論

1) 人為因素適航符合性驗證是基于任務的動態(tài)過程，符合性驗證中應著重關注集成水平、復雜性、新穎度設計特征，從預定功能與機組任務、控制、顯示、系統(tǒng)行為、差錯管理等方面開展驗證工作。

2) 人為因素符合性驗證方法可采用相似性聲明、設計描述、計算分析、評估和試驗等方法，可根據(jù)不同驗證目標進行選擇。

3) 飛行員主觀評估與模擬器試驗是人為因素符合性驗證的重要技術，結合中國自主研制的大型客機型號研制表明該技術是有效的。

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董大勇男， 博士， 高級工程師。主要研究方向： 駕駛艙人為因素設計與評估。

Tel: 021-20865603

E-mail: dondayong@comac.cc

俞金海男， 博士， 研究員。主要研究方向： 飛機總體設計。

Tel: 021-20865601

E-mail: yujinhai@comac.cc

李寶峰男， 博士， 高級工程師。主要研究方向： 駕駛艙人機界面設計與評估。

Tel: 021-20865609

E-mail: libaofeng@comac.cc

陳迎春男， 博士， 研究員。主要研究方向： 飛機總體設計。

Tel: 021-20865010

E-mail: chenyingchun@comac.cc

Received： 2015-10-15; Revised: 2015-11-16; Accepted: 2015-11-22; Published online: 2015-12-04 10:08

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1008.010.html

Foundation item： National Basic Research Program of China (2010CB734100)

Airworthiness compliance certification technology of civil aircraft flight deck human factor

DONG Dayong1, YU Jinhai1, LI Baofeng1, CHEN Yingchun2, *

1. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai201210, China 2. Commercial Aircraft Corporation of China Ltd., Shanghai201210, China

Abstract:Human error cannot be completely avoided. It is difficult to demonstrate the flight deck design fulfill the regulation in human factor airworthiness compliance certification. General approach planning of the flight deck human factor compliance is proposed on the basis of an indepth study of the CS-25.1302 regulation. In the certification work, system integration level, complexity and novelty are emphasized. Key means of compliance including statements of similarity, design description, calculations/analysis, evaluations and test are described in detail. Combined with the type certification project, research on flight deck human factor evaluation and simulator test compliance technology has been carried out. The application to type certification verifies the effectiveness of the compliance technology.

Key words:flight deck; human factors; airworthiness; means of compliance; type certification

*Corresponding author. Tel.： 021-20865010E-mail: chenyingchun@comac.cc

作者簡介：

中圖分類號：V216.7; V221

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0310-07

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0317

*通訊作者.Tel.： 021-20865010E-mail: chenyingchun@comac.cc

基金項目：國家“973”計劃(2010CB734100)

收稿日期：2015-10-15; 退修日期: 2015-11-16; 錄用日期: 2015-11-22; 網(wǎng)絡出版時間: 2015-12-04 10:08

網(wǎng)絡出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1008.010.html

引用格式： 董大勇， 俞金海， 李寶峰， 等． 民機駕駛艙人為因素適航符合性驗證技術[J]． 航空學報, 2016, 37(1): 310-316. DONG D Y, YU J H, LI B F, et al. Airworthiness compliance certification technology of civil aircraft flight deck human factor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 310-316.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn