孫世東，黃丹，馬慶林，邱朝群

(1.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院， 上海 200030)(2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 適航與通用質(zhì)量特性研究所， 西安 710089)

0 引 言

影響飛行安全的因素很多，包括機(jī)體、飛行環(huán)境、人為因素、意外因素(鳥撞)等。據(jù)美國(guó)PlaneCrashInfo網(wǎng)站對(duì)同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)分析，表明由飛行員差錯(cuò)導(dǎo)致的致命事故占比達(dá)到58%，機(jī)械故障以17%的占比次之[1]；民航資源網(wǎng)統(tǒng)計(jì)顯示，2017～2018年共發(fā)生的33起民航事故中，人為差錯(cuò)導(dǎo)致的事故達(dá)到80%以上，飛行員人為差錯(cuò)成為導(dǎo)致航空事故的主要原因[2]。由此可見(jiàn)，如何有效提高人為因素的可靠性是飛機(jī)設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重要問(wèn)題。人為因素研究范疇包括組織中的人為因素和個(gè)體人為因素兩部分。組織中的人為因素包括公司政策、激勵(lì)機(jī)制、企業(yè)文化，個(gè)體人為因素包括人體機(jī)能限制、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、人為差錯(cuò)預(yù)防。其中人機(jī)界面設(shè)計(jì)和人為差錯(cuò)預(yù)防屬于設(shè)計(jì)因素，而其他內(nèi)容屬于非設(shè)計(jì)因素。本文針對(duì)設(shè)計(jì)因素開(kāi)展研究。

國(guó)外Boeing公司在Boeing777駕駛艙設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，考慮飛行員的主觀需求和客觀生理心理限制，提出以人(飛行員)為中心的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法CCDP(Crew-centered Design Philosophy)，指出了基于人為因素的駕駛艙設(shè)計(jì)原則，包含飛機(jī)的最終操控權(quán)屬于飛行員，自動(dòng)化設(shè)備和裝置是減輕飛行員負(fù)荷并不是代替飛行員操作等[3]。國(guó)內(nèi)人為因素研究方面，鈕松等[4]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)研究成果，構(gòu)建了民用飛機(jī)人為因素設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則基本框架體系；Li Yinxia等[5]采用權(quán)重分析法對(duì)飛機(jī)駕駛艙的人為因素設(shè)計(jì)相關(guān)因素進(jìn)行綜合分析和重要度評(píng)價(jià)；余昆[6]研究了飛機(jī)駕駛艙的人機(jī)交互界面，利用SHEL模型建立了人為因素評(píng)價(jià)模型，提出了人機(jī)交互綜合評(píng)價(jià)方法。以上研究成果主要針對(duì)民用飛機(jī)，是本文研究的重要基礎(chǔ)和參考。但艦載機(jī)的飛行條件、視覺(jué)環(huán)境與運(yùn)輸類飛機(jī)差異較大，機(jī)組在進(jìn)行艦面起降時(shí)，不僅需要與航母、導(dǎo)引設(shè)備和起降設(shè)備等進(jìn)行相互作用，還需要與操作員、艦面管制人員進(jìn)行多方溝通協(xié)調(diào)，其駕駛艙人機(jī)交互過(guò)程比運(yùn)輸類飛機(jī)更為復(fù)雜。

本文在借鑒民用飛機(jī)AMC 25.1302人為因素適航要求[7]及評(píng)估驗(yàn)證思路的基礎(chǔ)上，針對(duì)艦載機(jī)特殊的使用模式和嚴(yán)酷的使用環(huán)境，研究飛行操作中的人為因素相關(guān)安全要素，確定艦載機(jī)駕駛艙適航人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出合理的駕駛艙人為因素評(píng)估方法，以期為艦載機(jī)駕駛艙人為因素適航評(píng)估提供思路和方法。

1 人為因素相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

民用飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)在駕駛艙人為因素方面，EASA和FAA在條款的細(xì)節(jié)上略有出入，但整體思想是一致的。除了AMC 25.1302和AC 25.1302-1[8]之外，CAAC與FAA、EASA的相關(guān)條款保持一致[9]。通過(guò)對(duì)適航規(guī)章和咨詢通告的分析可知，駕駛艙人為因素的適航要求包括：(1)飛機(jī)駕駛艙交互界面的設(shè)計(jì)必須充分考慮機(jī)組可預(yù)見(jiàn)的效能、能力和限制；(2)正常和非正常操作期間機(jī)組任務(wù)和工作負(fù)荷的分配；(3)在特種天氣和駕駛艙微環(huán)境條件下飛行的時(shí)候，不會(huì)過(guò)多分散機(jī)組人員的注意力；(4)提供信息、通過(guò)顯示系統(tǒng)狀態(tài)來(lái)清晰反饋系統(tǒng)狀況、故障情況、指示延遲或過(guò)多補(bǔ)償?shù)男袨榈龋?5)考慮高能轉(zhuǎn)子發(fā)生非包容性破壞時(shí)不會(huì)危及飛行員安全、損壞駕駛艙內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備。

SAE(Society of Automotive Engineers)標(biāo)準(zhǔn)與飛機(jī)駕駛艙人為因素相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：SAE ARP4101/1《駕駛艙座椅和約束系統(tǒng)》，SAE ARP4101/4《駕駛艙環(huán)境》，SAE ARP4102/4《駕駛艙報(bào)警系統(tǒng)》，SAE ARP4102-7《電子顯示器》等。SAE標(biāo)準(zhǔn)從飛機(jī)駕駛艙硬件設(shè)施設(shè)計(jì)、飛機(jī)駕駛艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、顯示系統(tǒng)信息顯示方式等方面進(jìn)行了人為因素設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃，每條標(biāo)準(zhǔn)條款針對(duì)特定的安全要素提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。例如針對(duì)系統(tǒng)的性能要求、接口要求和功能需求狀況，提出相應(yīng)的信號(hào)特征設(shè)計(jì)要求、響應(yīng)特征設(shè)計(jì)要求。

ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)和IEA(國(guó)際工效學(xué)協(xié)會(huì))共同頒布了“工效學(xué)”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO TC159。結(jié)合人體生理學(xué)、工程心理學(xué)等多學(xué)科綜合分析為背景，以提高人使用設(shè)備的舒適性和健康程度為目標(biāo)，ISO標(biāo)準(zhǔn)從聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、危險(xiǎn)信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)等方面提出了人為因素設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)飛機(jī)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)為MIL-STD-1472G《人機(jī)工程》，其余相關(guān)的MIL標(biāo)準(zhǔn)包括MIL-HDBK-516C《美軍適航設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》和MIL-HDBK-759C《人機(jī)工效設(shè)計(jì)指導(dǎo)》等。MIL-STD-1472G適用于軍民用系統(tǒng)、子系統(tǒng)及設(shè)備的人機(jī)工效設(shè)計(jì)，提出了例如人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求、失效安全設(shè)計(jì)要求、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)要求、交互設(shè)計(jì)要求等一般要求，以及控制、視覺(jué)顯示器、語(yǔ)音系統(tǒng)、標(biāo)記、警告、維修可達(dá)性等細(xì)節(jié)要求。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與人為因素相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已形成國(guó)家工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)系列GB/T 01-22，只是頂層的通用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有限定具體的設(shè)計(jì)對(duì)象。

國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中與飛機(jī)駕駛艙人為設(shè)計(jì)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為GJB 2873-97《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》、GJB 3207-98《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程要求》和GJB/Z 201-2001《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》。GJB 2873-97和GJB 3207-98從頂層設(shè)計(jì)和實(shí)施程序領(lǐng)域?qū)娪迷O(shè)施人機(jī)工效設(shè)計(jì)提出了要求，GJB 2873-97適用于軍用系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)研究，GJB 3207-98適用于軍事裝備與設(shè)施的研制與訂購(gòu)，GJB/Z 201-2001從技術(shù)層面對(duì)軍用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)施的設(shè)計(jì)提出了規(guī)范和指導(dǎo)。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中與飛機(jī)駕駛艙人為因素有關(guān)的包括：HB7587-1998《飛機(jī)座艙信息顯示基本要求》，HB7650-1999《殲擊機(jī)座艙眩光基本技術(shù)要求及測(cè)試方法》，HB7788-2005《飛機(jī)增壓座艙溫度控制系統(tǒng)通用規(guī)范》等。上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包含空間布局、信息顯示、控制裝置和物理環(huán)境等方面的要求。物理環(huán)境方面又可以分為座艙溫度和光環(huán)境兩類標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)對(duì)以上標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的分析，從駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)要素和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用方面考慮，AC 25.1302-1、MIL-STD-1472G和GJB系列可以作為艦載機(jī)人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的主要參考標(biāo)準(zhǔn)[10]，并結(jié)合艦載機(jī)飛行員在特殊海洋環(huán)境和艦面起降環(huán)境下的生理和心理特征考慮[11]，識(shí)別對(duì)安全有影響的特殊因素與機(jī)理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨煤脱a(bǔ)充。

2 人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1 安全影響因素

艦載飛機(jī)按機(jī)翼類型可分為固定翼和旋翼兩大類，按用途可分為殲擊機(jī)(戰(zhàn)斗機(jī))、攻擊機(jī)(強(qiáng)擊機(jī))、轟炸機(jī)、偵察機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、教練機(jī)、預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、反潛機(jī)、空中加油機(jī)、武裝直升機(jī)等。結(jié)合艦載機(jī)任務(wù)需求背景，艦載機(jī)駕駛艙飛行員安全影響因素主要包括駕駛艙人機(jī)交互信息和交互方式等方面。

(1) 艦載機(jī)駕駛艙交互信息：艦載機(jī)作為多任務(wù)航空器，飛行員除進(jìn)行常規(guī)的飛行操作外，還需要根據(jù)交互界面提示的信息進(jìn)行其他操作。不同的飛機(jī)因?yàn)槠淙蝿?wù)需求不同，飛機(jī)結(jié)構(gòu)和功能存在一定差異，需要顯示的信息內(nèi)容也存在著較大的差異。結(jié)合飛行/任務(wù)的特征，采用系統(tǒng)功能分析法，對(duì)各系統(tǒng)的工作原理和功能進(jìn)行研究，整理出各系統(tǒng)的交互方式，即顯示信息、控制方式等相關(guān)內(nèi)容。信息按照飛行剖面劃分，主要有起飛/著陸、飛行操縱、空陸/艦任務(wù)等狀態(tài)。復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，需要在滿足相應(yīng)的條件后才能進(jìn)行，如起降飛行控制、預(yù)警探測(cè)控制。

(2) 艦載機(jī)駕駛艙信息交互方式：信息交互方式按照人的不同接受器官可分為視覺(jué)顯示、聽(tīng)覺(jué)顯示和觸覺(jué)顯示[12]。視覺(jué)顯示作為主要的顯示方式，擔(dān)負(fù)著近70%的信息傳遞任務(wù)。而聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)顯示因其自身優(yōu)勢(shì)，在必要的情況下能夠直接有效地提供重要的信息。視覺(jué)顯示之外的其他顯現(xiàn)方式一般都是作為輔助顯示方式使用，但在不同的狀態(tài)下優(yōu)先級(jí)不同。例如當(dāng)處在海天同色的海洋環(huán)境時(shí)，當(dāng)信息所涉及的是時(shí)間形式的事件時(shí)，當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過(guò)重時(shí)，當(dāng)語(yǔ)言通道已被完全占用時(shí)，聽(tīng)覺(jué)顯示方式優(yōu)于視覺(jué)顯示方式。

2.2 安全影響機(jī)理

通過(guò)對(duì)艦載機(jī)典型飛行任務(wù)的分析，結(jié)合飛行員典型任務(wù)模型，影響艦載機(jī)安全的各類因素的影響機(jī)理以及多因素耦合的影響機(jī)理主要包括：

(1) 飛行員的生理特征和心理特征，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、本體覺(jué)、肌肉覺(jué)、前庭覺(jué)等；

(2) 人機(jī)交互對(duì)飛行員的影響機(jī)理，包括交互內(nèi)容及方式、駕駛艙信息輸入方式、顯示器和駕駛艙控制功能等方面。

2.3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則框架及內(nèi)容舉例

通過(guò)對(duì)艦載機(jī)駕駛艙飛行員安全影響因素和影響艦載機(jī)安全的各類因素的影響機(jī)理研究，結(jié)合民用飛機(jī)適航規(guī)章、MIL標(biāo)準(zhǔn)和GJB標(biāo)準(zhǔn)，艦載機(jī)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則內(nèi)容包括：艦載機(jī)駕駛艙信息顯示，操縱裝置和供機(jī)組使用的設(shè)備。艦載機(jī)駕駛艙操縱器件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則框架如表1所示。

表1 艦載機(jī)駕駛艙操縱器件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則框架示例

以操縱裝置的C1.1.1.1 防誤操作為例，在所有預(yù)期運(yùn)行條件下，操縱裝置的設(shè)計(jì)需考慮防止發(fā)生意外操作，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的內(nèi)容如下：

①操縱裝置應(yīng)具有合適的操縱力和阻力：操縱力的大小應(yīng)是合適的，操縱裝置應(yīng)具有保持在設(shè)定位置或狀態(tài)的能力。

②操縱裝置應(yīng)位于合適的位置：操縱裝置相對(duì)于駕駛員的位置應(yīng)是合適的，操縱裝置相對(duì)于其他操縱裝置的位置應(yīng)是合適的。

③操縱裝置應(yīng)具有合適的物理特征：操縱裝置的表面形狀和材質(zhì)應(yīng)是合適的，操縱裝置的尺寸應(yīng)是合適的。

④操縱裝置應(yīng)具有合適的操作方式：使用多步驟操作的方式，使用特定路徑操作的方式。

⑤操縱裝置應(yīng)具有合適的防護(hù)措施：使用物理防護(hù)、鎖定裝置、凹槽布置等方式。

⑥操縱裝置應(yīng)提供必要的反饋：輸入響應(yīng)狀態(tài)的反饋，問(wèn)題、錯(cuò)誤或故障條件的反饋。

⑦操縱裝置應(yīng)設(shè)計(jì)為在所有運(yùn)行條件下防止意外操作：重點(diǎn)考慮彈射起飛，攔阻著陸，艦面復(fù)飛，艦面晃動(dòng)，執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，尾流湍流和故障條件。

3 人為因素評(píng)估方法

艦載機(jī)駕駛艙人為因素工作評(píng)估流程主要包括識(shí)別人為因素關(guān)注對(duì)象，確定符合性驗(yàn)證方法，表明設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合性和進(jìn)行基于操作任務(wù)的人為差錯(cuò)影響分析等幾個(gè)方面。人為因素關(guān)注對(duì)象是確定人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的適用對(duì)象，將設(shè)計(jì)準(zhǔn)則落實(shí)到關(guān)注對(duì)象方案設(shè)計(jì)中的過(guò)程；確定符合性驗(yàn)證方法是確定設(shè)計(jì)方案檢查、樣機(jī)機(jī)上檢查、模擬器評(píng)估、飛行驗(yàn)證等具體的驗(yàn)證方法；表明設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合性和進(jìn)行基于操作任務(wù)的人為差錯(cuò)影響分析是對(duì)人為因素設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作的落實(shí)檢查。艦載機(jī)駕駛艙人為因素評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 艦載機(jī)駕駛艙人為因素評(píng)估流程

艦載機(jī)駕駛艙人為因素評(píng)估工作包括：

①識(shí)別出艦載機(jī)駕駛艙內(nèi)供機(jī)組使用的操縱裝置、顯示界面和供機(jī)組使用的設(shè)備清單。以操縱裝置對(duì)象為例，包括主飛行操縱器件(例如駕駛盤、側(cè)桿、腳蹬)、應(yīng)急操縱器件(例如起落架應(yīng)急放手柄、開(kāi)啟應(yīng)急出口的措施、彈射座椅、救生傘等)、任務(wù)系統(tǒng)操縱器件(例如攔阻鎖裝置)等。

②在艦載機(jī)研制過(guò)程中，將駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則分解到各關(guān)注對(duì)象/專業(yè)/系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)載設(shè)備、系統(tǒng)/專業(yè)和飛機(jī)駕駛艙布置三個(gè)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)落實(shí)。

③確定符合性驗(yàn)證方法，明確符合性說(shuō)明、計(jì)算分析、數(shù)模檢查、樣機(jī)檢查、模擬器試驗(yàn)、機(jī)上檢查、試飛等具體驗(yàn)證方法。

④飛機(jī)設(shè)計(jì)不同階段，開(kāi)展駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)落實(shí)檢查、評(píng)估和驗(yàn)證，以不斷優(yōu)化駕駛艙設(shè)計(jì)。

評(píng)估和驗(yàn)證工作分為以下兩個(gè)方面：

(1) 駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合性檢查。根據(jù)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則編制評(píng)估檢查單[13]，對(duì)準(zhǔn)則在設(shè)計(jì)中的落實(shí)情況進(jìn)行檢查，減少由設(shè)計(jì)導(dǎo)致的人為差錯(cuò)。符合性檢查單的編制形式為提問(wèn)與回答形式，例如C1.1.1.1 防誤操作，評(píng)估檢查單部分內(nèi)容舉例如下：

Ⅰ操縱裝置操作后是否會(huì)引起設(shè)備損壞、人員傷害、系統(tǒng)性能下降，或?qū)е氯蝿?wù)關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)關(guān)閉且需要一定時(shí)間重啟；

Ⅱ操縱裝置意外操作后，是否有信息協(xié)助機(jī)組識(shí)別錯(cuò)誤；

Ⅲ操縱裝置意外操作后，是否有合理的措施減緩意外操作發(fā)生后的影響；

Ⅳ操縱裝置防止意外操作的措施是否妨礙機(jī)組執(zhí)行任務(wù)或妨礙系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(2) 基于操作任務(wù)的人為差錯(cuò)影響評(píng)估。根據(jù)機(jī)組執(zhí)行任務(wù)的順序和人為反應(yīng)的局限，對(duì)飛行操作任務(wù)過(guò)程中的典型人為差錯(cuò)模式和差錯(cuò)影響進(jìn)行分析，明確飛行任務(wù)相關(guān)人為差錯(cuò)的消除或減緩措施，驗(yàn)證所采取措施的有效性，減少任務(wù)操作流程中可能出現(xiàn)的人為差錯(cuò)，基于任務(wù)的人為差錯(cuò)影響評(píng)估方法如圖2所示。

圖2 基于任務(wù)的人為差錯(cuò)影響評(píng)估方法

基于艦載機(jī)任務(wù)的人為差錯(cuò)影響評(píng)估包括：

Ⅰ分析任務(wù)的目標(biāo)和實(shí)施過(guò)程，明確實(shí)際操作的步驟和相關(guān)設(shè)備；

Ⅱ識(shí)別影響人為表現(xiàn)的因素，包括物理方面、系統(tǒng)任務(wù)、人員因素、軟件/硬件和程序資料等；

Ⅲ考慮人在處理信息各階段可能發(fā)生的人為差錯(cuò)，明確人為差錯(cuò)產(chǎn)生過(guò)程可能發(fā)生的所有差錯(cuò)模式；

Ⅳ分析飛行階段、操作任務(wù)、影響人為表現(xiàn)的因素、人為差錯(cuò)模式、影響等級(jí)等，并根據(jù)分析制定消除/降低/控制人為差錯(cuò)的措施。

4 結(jié) 論

(1) 本文綜合全面地分析了軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)駕駛艙人為因素適航規(guī)章以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，得出了艦載機(jī)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)分析艦載機(jī)駕駛艙人為因素影響因素與機(jī)理，得出了艦載機(jī)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

(2) 針對(duì)艦載機(jī)研制的流程，將人為因素設(shè)計(jì)的各項(xiàng)內(nèi)容融合在各個(gè)研制過(guò)程，分階段分層次地規(guī)劃艦載機(jī)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)。

(3) 提出了基于任務(wù)的艦載機(jī)駕駛艙人為因素評(píng)估方法，根據(jù)需求定義、設(shè)計(jì)和試飛階段的特點(diǎn)，形成了艦載機(jī)駕駛艙人為因素評(píng)估流程。由于所涉及的內(nèi)容比較多，知識(shí)面比較廣，未來(lái)可以針對(duì)飛機(jī)研制的各個(gè)階段，細(xì)化人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和相對(duì)應(yīng)的評(píng)估方法，建立完整的設(shè)計(jì)-評(píng)估-改進(jìn)設(shè)計(jì)的體系，完善艦載機(jī)駕駛艙人為因素設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和評(píng)估的方法。