機組工作負荷評價新方法及其應用

王黎靜 向 維 何雪麗

李潤山

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100191)

(中國國際航空公司飛行總隊，北京100621)

1981年，美國出臺了關于指導飛行機組定員任務的建議，即關于新一代商用運輸機的兩人制機組操作是否安全，其驗證是否與秘書處的規定 (1958年聯邦航空局法令中用來促進飛行安全的驗證條款)一致的建議［1］.過去30年里，研究者們研究了大量的機組工作負荷的評價方法，但大多數方法和AC25.1523中的方法一樣僅僅被謹慎地應用于可控的飛行模擬實驗［2－3］.就目前檢索的資料，能用于駕駛艙早期設計的負荷評估方法和工具少之又少.本文從早期介入設計的觀點出發，研究一個基于A320、B737(C919競爭機型)機組工作負荷評估體系，之后基于所建立的評價體系，應用模糊綜合評價法對B737和A320機組工作負荷進行了綜合評價，在此基礎上提出了C919駕駛艙機組工作負荷設計中應該關注的設計系統及設計參考原則.基于本文提出的機組工作負荷評價體系，設計人員可在駕駛艙設計的各個階段方便、清晰地評價駕駛艙機組工作負荷，使機組工作負荷的設計更合理.

1 機組工作負荷綜合評價體系

1.1 建立民機機組工作負荷綜合評價指標體系

通過對FAA(Federal Aviation Administration)適航標準CFR-25.1523、中國適航標準CCAR-25.1523［4］、B737 及 A320 現有飛行員機組使用手冊［5－6］和文獻 ［7］的研究，并與這兩種機型現役飛行員多次面談，從以下11個因素對機組工作負荷進行了細化.評估體系的部分內容如表1所示:

1)操縱裝置的可達性及操縱的簡易程度;

2)儀表及警告裝置的可視性及醒目程度;

3)燃油非正常操作程序;

4)消耗的負荷大小和持續的時間;

5)系統監控程度;

6)需機組成員離開原定職能崗位才能完成的動作;

7)飛機系統的自動化程度;

8)通訊工作量;

9)導航工作量;

10)應急程序;

11)一名駕駛員喪失能力的操作程序.

表1 民機機組工作負荷綜合評價指標體系模型

1.2 德爾菲法篩選指標

初步確定機組工作負荷評價指標體系后，采用改進德爾菲法［8］篩選指標確定了機組工作負荷的評價體系.兩次接受咨詢的專家都來自某航空公司飛行總隊的現役飛行員，且均飛過A320系列及B737系列機型.論文參考文獻 ［8］，把專家一致意見定義為:不少于2/3(或67%)的專家判斷等級為“大”及“大”以上的判斷結果，即Likert量表等級≥3.

1.3 確定機組工作負荷評價指標權重系數

研究中采用序關系分析法［9］確定各指標的權重系數，接受指標權重系數咨詢的專家組同前.權重系數調查共送出25份調查表，收回22份有效問卷.對不同專家人數下11個一級指標中的部分權重系數的計算如圖1所示.圖中隨著專家人數逐漸增加，權重系數趨于穩定.研究中人數達12個以后，11個一級指標的權重系數未再出現大的起伏，與文獻 ［9］中所述“專家人數以10～30人為宜”是吻合的.計算所得的一級指標權重系數如表2所示.

圖1 不同專家人數的指標權重系數比較

表2 子目標層權重系數

2 機組工作負荷模糊綜合評價

2.1 機組工作負荷的主觀評價

利用主觀評價法［10］對B737和A320機型的機組工作負荷評價體系中的指標進行了評價，評價專家組同前，調查中的評價等級及其含義如表3所示.發送A320機型、B737機型機組工作負荷綜合評價調查問卷各25份，分別收回有效問卷23份和17份.

主觀綜合評價值:按有界和、有界積算子計算原則 X=Rt·VT，其中 VT=(0.9 0.7 0.5 0.3 0.1).

矩陣R中的元素rij的公式為

式中，d表示參加評價的專家人數;dij表示第i個評價因素做出第j評價等級的專家人數.

表3 民機機組工作負荷評價等級及其含義

2.2 機組工作負荷模糊綜合評價

論文以指標體系中的子目標“操縱裝置的可達性及操縱的簡易程度”(O1)為例，展示所進行的機組工作負荷模糊綜合評價步驟:

1)評價對象:u10氣源系統 (A320).評價指標集:u10={u101，u102，u103}，指標具體名稱見表1.

2)擬定評語級:V={很大 (v1)，大(v2)，一般 (v3)，小 (v4)，很小 (v5)}.

3)指標權重系數

4)模糊評價矩陣:

式中rij表示第i個評價指標對j個評價等級的隸屬度，它反映了各評價指標與評價等級之間用隸屬度表示的模糊關系.

5)模糊綜合評價結果:利用權重系數和評價矩陣進行模糊復合運算可得到U×V上的模糊綜合評價結果為

式中，“?”為模糊算子.

6)模糊綜合評價等級:按模糊綜合判定的最大隸屬度原則

可得B=B3=0.58，該值位于評價矩陣的第3列，因此，指標集“氣源系統”的評價等級為“一般”.

7)模糊綜合評價值:按有界和、有界積算子計算原則

可得Y=0.503，因此，指標集“氣源系統”的評價值為0.503.對每個指標及子子目標、子目標集重復上述步驟，可獲得A320子目標模糊綜合評價矩陣.

由式 (6)和子目標的權重系數

進行模糊運算，可得總目標的模糊綜合評價結果為

可得，A320機組工作負荷模糊評價等級為“一般”，評價值Y=0.590.

同樣的方法可計算出B737機組工作負荷評價值Y=0.597.

3 結果分析及討論

用模糊綜合評價方法對B737和A320機組工作負荷進行評價后，可獲得如表4～表6所示的系列評價結果.

表4 A320和B737總目標層的模糊綜合評價結果

表4反映了總目標層的模糊綜合評價結果，盡管表中A320機組工作負荷評價等級為“一般”，B737機組工作負荷評價等級為“大”，但是二者模糊綜合的評價值相差不大，A320是0.590，B737是0.597，由此可見A320的機組負荷與B737的機組負荷差異不大.

表5反映了部分指標層的評價結果.這些評價結果反映了系統設計對機組工作負荷的影響.

表5 部分A320和B737指標層的模糊綜合評價結果

飛行操縱系統O11和基本飛行操縱裝置u11，在A320和B737中負荷評價等級均為“大”，原因是在飛行中經常使用，而且飛行操縱與氣壓、溫度、飛機重量、重心等諸多因素相關，在起飛和著陸時操縱尤為重要.

O14為指示/記錄系統，u41為電子飛行儀表系統 (EFIS，Electronic Flight Instrument System)面板和飛機中央電子監控 (ECAM，Electronic Centralized Aircraft Monitoring)控制面板，在A320和B737的負荷評價等級分別為“一般”、“小”.原因是A320比B737多了ECAM控制面板，增加了飛行員操作的按鈕.

O15為通訊系統，在A320和B737的負荷評價等級分別為“一般”、“大”.在使用“內話/無線電開關”時，當A320不發射時，無需一直按著按鈕，而B737無論是發射還是不發射都需要一直按著按鈕，給飛行員帶來了負荷.

O114為起落架系統，u141為起落架收放控制，在A320和B737中的負荷評價等級分別為“一般”、“大”.因為在A320中，起落架的收放控制只有“收上”和“放下”，但是在B737中除此之外，還有“關斷位 (切斷液壓)”的操作.

O21為儀表的可視性及醒目程度，u152為導航顯示器 (ND，Navigation Display)，u164為引導機組快速辨明故障類型的顯示，在A320中負荷評價等級為“一般”，在B737中負荷評價等級為“大”.u151為主飛行顯示器 (PFD，Primary Flight Display)，在A320和B737中負荷評價等級均為“大”.因為系統集成導致PFD顯示的信息量很大，這對于飛行員來說在眾多信息中識別有效信息、關鍵信息等來說負荷是很大的，因此無論是A320還是B737，PFD帶給飛行員的負荷都很大.而對于ND，在A320中是自動調節的，而在B737中需手動調節，這導致在B737中飛行員的負荷要大些.而對于引導機組快速辨明故障類型的顯示，由于A320中多了ECAM，飛行員只需按照ECAM的指示來執行各種操作，但是B737中只告訴信息的位置，還需要飛行員自己判斷操作.

表6給出了部分子子目標層的評價結果.這些評價結果都反映了具體設計給機組工作負荷帶來的影響.

表6 部分A320和B737子子目標層的模糊綜合評價結果

u182為非正常情況下消耗腦力負荷的大小和持續的時間，在A320和B737中負荷評價等級均為“大”.因為在非正常情況下，飛行員需要大量的思考，加上心理緊張，導致腦力負荷極大.

u181為非正常情況下消耗體力負荷的大小和持續的時間，在A320和B737中負荷評價等級分別為“一般”、“大”.因為A320是電傳系統，沒有很多操作需要使很大的力，而B737是機械傳動，很多操作 (比如雙液壓失效)需要很大的體力，而且A320的計算機系統會減少很多飛行員的體力負荷，比如單發失效時，A320會自動補償，而B737不能.

u193為監控增壓系統信息，在A320和B737中負荷評價等級分別為“一般”、 “大”.因為A320中，增壓信息的調節顯示在人工位時，只需判斷“上升”和“下降”來調節上升和下降，信息比較直接.而在B737中，需通過調節排氣活門來調節上升和下降，信息的獲取不是很直接.u194為監控飛行操縱系統信息，在A320中負荷評價等級為“大”，在B737中負荷評價等級為“一般”.原因是在A320中，飛行操縱由計算機完成，如升降舵副翼計算機 (ELAC，Elevator Aileron Computer)、擾流板升降舵計算機(SEC，Spoiler Elevator Computer)、飛行增穩計算機 (FAC，Flight Augmentation Computer)等來完成，因此飛行員需監控的飛行操縱信息比較多，而在B737中飛行操縱信息的監控一部分是靠儀表，一部分是靠感覺，判斷飛機是否符合當時的狀態.

4 結論

基于A320和B737，確定了民機機組工作負荷綜合評價體系，包括評價指標體系及其權重系數.應用模糊綜合評級方法對A320和B737機組工作負荷進行了綜合評價后發現:

1)基本飛行操縱裝置、PFD、非正常情況下消耗腦力負荷的大小和持續的時間3個指標的工作負荷等級均為“大”，建議C919在進行與這些指標相關的系統設計時應著重考慮其引起的機組工作負荷問題.

2)EFIS面板、ECAM控制面板、通訊系統、監控飛行操縱系統信息4個指標，A320的工作負荷等級比B737的高，建議C919在進行與這些指標相關的系統設計時參考B737的設計.

3)起落架收放控制、ND、引導機組快速辨明故障類型的顯示、監控增壓系統信息、非正常情況下消耗體力負荷的大小和持續的時間共5個指標，B737的工作負荷等級比A320的工作負荷等級高，建議C919在進行與這些指標相關的系統設計時參考A320的設計.

References)

［1］Federal aviation administration.Minimum flight crew ［R］.AC 25.1523-1，2005

［2］Roscoe A H.Assessing pilot workload.Why measure heart rate，HRV and respirootion? ［J］.Biological Psychology，1992，34(2/3):259－287

［3］Williges R C，Wierwille W W.Behavioral measures of aircrew mental workload ［J］.Human Factors，1979，21:549－574

［4］CCAR-25-R3中國民用航空規章第25部運輸類飛機適航標準 ［S］

CCAR-25-R3 Civil aviation regulations part 25 airworthiness standards:transport category airplanes［S］(in Chinese)

［5］The boeing company.Boeing 737 flight crew training manual［R］.FCT 737(TM)，2006

［6］The airbus company.A318/A319/A320/A321 flight crew operating manual［R］.Fcom Rev041E，2008

［7］《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊 ［M］.北京:航空工業出版社，2001

General editions of aircraft design manual.Aircraft design manual［M］.Beijing:Aviation Industry Press，2001(in Chinese)

［8］Obsborne j，Collins S，Ratcliffe M，et al.What"ideas-about-science"schould be taught in school science?A delphi study of the expert community［J］.Journal of Research in Science Teaching，2003，40(7):692 －720

［9］郭亞軍.綜合評價理論、方法及應用［M］.北京:科學出版社，2007

Guo Yajun.Comprehensive evaluation theory method and application［M］.Beijing:Science Press，2007(in Chinese)

［10］藎壚.實用模糊數學［M］.北京:科學技術文獻出版社，1989

Jin Lu.Practical fuzzy math［M］.Beijing:Science and Technology Document Press，1989(in Chinese)

［11］王黎靜，郭奮飛，何雪麗，等.大型客機飛行員操作程序綜合評價，北京航空航天大學學報，2010，36(11):1436－1439

Wang Lijing，Guo Fenfei，He Xueli，et al.Comprehensive evaluation of pilot operation procedures for commercial airliner［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36(11):1436－1439(in Chinese)