飛行機組操作行為關聯性的數學分析方法研究

吳磊 王曉飛

摘 要：隨著空域運行環境的變革（例如，ICAO的PBN運行）和導航監視基礎設施的發展（例如，ADS-B技術），機組和空中交通服務單元的職責都發生了一定的變化，飛機在航路上的導航性能監控與告警、應急航路的申請和分配、空中交通管理等新任務需求直接對傳統的航電系統人機接口功能和人機交互行為提出了挑戰，機組的工作負荷隨之也會增加，因此系統集成化，功能的進一步提升是必然趨勢。從各人機交互行為之間的關聯性分析入手，就能為系統功能集成的新需求找到方向。該文基于人腦的串行處理假設，以RNP APCH剖面為背景，將機組操作行為抽象化并建立起數學模型，最終利用數學方法定量的給出操作任務之間的關聯程度以及操作的工作強度。試驗和分析的結果表明，操作行為的抽象化模型和量化分析結果較好地描述了真實的人機交互行為，為人機系統集成的策略探索出了一種理論方法。

關鍵詞：航電系統總體設計 航電系統人機接口設計 飛行機組操作任務 人為因素 工作負荷水平

中圖分類號：X913 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0005-05

Mathematics Analysis Method Research for Dependence of Flight Crew Operation Behavior

Wu Lei Wang Xiaofei

（Dept. of Integrated Avionics design，SADRI COMAC，Shanghai，201210，China）

Abstract：As revolution of airspace operation environment （such as ICAO Performance Based Navigation operation） and development of navigation and surveillance infrastructure （ADS-B technology）， those responsibilities of both flight crew and air traffic service agency have been changed. The traditional avionics human machine interface and human machine interactive behavior are directly challenged by the monitoring and alerting of en-route navigation performance， appliance and allocation of emergency route and new mission in air traffic management. Meanwhile flight crew workload will also increase. Therefore it is an inevitable trend that the integration level of system and function will be further improved. New direction of system and function integration will be found in terms of dependence analysis between each human machine interactive behavior.This paper is based on serial process hypothesis of human brain， sets RNP APCH profile as operation scenario background， translates flight crew operation behavior into abstract mathematic model and quantitatively produces the level of dependence and strength of workload utilizing mathematic means. The results of test and analysis illustrates that the real human machine interactive behavior can be satisfactorily described by abstract model and quantitative data. A theoretic method for the integration of human machine system has ultimately been explored.

Key Words：Avionics system integration；Avionics human-machine interface design；Flightcrew operation task；Human factor；Level of workload

隨著增加空域容量和提高運行安全性與靈活性的強烈需求，飛機的新功能在不斷增加（例如，ADS-B，CPDLC技術的逐漸推廣），飛機的運行環境也在不斷變化（PBN運行的逐步推廣），新的飛行場景為航電系統人機交互功能和系統集成提出了挑戰[1]。此外，隨著電子顯示技術的進步和系統設備可靠性的提升，單一屏幕綜合化顯示的概念性駕駛艙正成為歐美航空發達國家爭相研究的熱點，這種技術可以在各飛行剖面上根據人機交互的實質需求，最優化的定制出飛行機組所需要的交互信息及其布局，并依此提高飛行機組完成任務的效率，提升了飛行機組的情景感知意識。

目前，國外對于飛行機組操作關聯性和任務效能評價方法主要是飛行環境復現測試法和操作任務時間線-粒度分析法[2]。

飛行環境復現測試，即把機組在日常航線和地面上的所有操作行為作為測試任務效能的基礎，該測試的目的是為了確保機組能在所有飛行階段都能有效地執行他們的操作任務，并且測試安裝的設備能滿足它們支持的功能，它是一種偏重于定性描述的方法。除了對正常環境的測試，還需要額外考慮不利運行條件下的測試，所謂不利運行條件就是機組不經常遭遇的情況，包括系統失效或環境條件改變（例如，惡劣天氣）。通用的衡量標準包括以下幾方面。

（1）在遭遇到不利運行條件時沒有給機組過分增加操作負荷；

（2）不會造成不可恢復的操作錯誤；

（3）能及時的完成所需要的操作任務。

在此類測試中，確定適當的機組行為指數是關鍵的評價準則，機組行為指數與機組如何把駕駛艙特性使用的好是具有相當的關聯性的。

國外應用較多的任務關聯性與負荷水平的評價工具包括：

（1）TLX（NASA Task Load Index） （S. Hart）；

（2）SART（Situational Awareness Rating Technique）（R.Taylor）；

（3）SWAT（Subjective Workload Assessment Technique）（G.Reid）；

（4）SWORD（Subjective Workload Dominance Technique）（M. Vidulich）。

操作任務時間線-粒度方法主要是通過人在控制回路中執行操作時，采用任務間隔水平（粒度）為基礎完成機組操作任務分析，任務間隔依賴于設計目標或評估目標。例如，分析與無線電調諧相關的所有操作在不同任務粒度下單個飛行員是否可以全部可達，又如，在引入一個新的飛行告警信息后，分析飛行員與失效管理相關的操作任務是否能及時完成。對于第一種情況，評估只需要驗證所有控制單元是否都安裝在了滿足一定限制的區域上，以滿足可達性要求即可；第二種情況，就要求飛行員能記住一堆連續的和并發的操作任務，并能作出相應的控制操作。此外還要同時應對更重要的飛行、通信、系統管理的任務。

綜上所述，傳統的方法是通過飛行員操作時頭、眼、坐姿、四肢的運動可以定量地分析出其所承受的任務負荷，然而，這些行為與信息的指示方式、信息與操縱器件的物理布局有著強烈的依賴關系。

如果從完成某剖面上飛行任務的角度上看，該任務一定可以分解出眾多子任務，這些子任務并不需要考慮它們的空間布置方式和信息指示方式，這就利于將這些小的操作任務抽象化，也利于更真實地分析出任務間的關聯性與實質上的負荷水平。而要解決這類問題，一方面需要提出一種操作行為的抽象化描述建模方法；另一方面，還需要對一組操作行為引入數學分析方法，進而保證能夠定量的描述操作任務的關聯性和操作強度。

1 飛行機組操作行為的抽象方法

1.1 操作行為的量化描述思想

正如國外研究中提到的，確定適當的機組行為指數是評估人機交互效能的關鍵，機組行為指數與機組如何把駕駛艙功能特性使用的好是具有相當的關聯性的。

該文中主要考慮將包括眼睛在信息間的移動頻率，注視時間，手到各操縱器件移動頻率，以及這些活動的往復程度作為評價的切入點。

一般地，機器的一組操作行為可以用圖1所示的時間線方式描述。

而人的操作行為往往具有離散的特點，但其時間線上的趨勢與機器的行為卻是非常類似的，如圖2所示。

操作行為的量化方法必須有利于以下關系的挖掘。

（1）能利于描述出操作行為間的依賴關系；

（2）能利于描述出單個操作行為的強度。

為了描述這些操作間的關系，一種直觀、簡單、有效的方法就是合理的劃分時間間隔，在間隔內通過計分方式描述操作是否發生過。考慮到適航規章與機組資源管理[3]的原則中，飛行員不能長時間關注某個特定信息是一條最基本的原則，因此這種描述方式與實際飛行操作過程更貼切。

但是對于時間間隔的劃分也會影響操作關系的分析結果，如圖3所示。

時間間隔劃分過大，對描述任務間的關聯性會起到夸大作用。Δt1內會描述操作A、B、C有關聯性，而Δt2內操作A和B，A和C關聯性大些，而B和C存在時間上的先后順序，并不是說一定沒關聯（因為可能存在因果關系），但至少說反復操作所需的緊迫性不如前面的兩種組合強。

因此能適當選取出時間間隔是決定分析結果的重要前提。

1.2 對人的思維和行為處理的一種假設

該文的研究考慮一種假設，即人腦在與外界系統進行交互的過程中，是一個多任務串行處理系統，在某個特定的時間點或者很短的時間段（幾秒鐘）內不能同時處理兩個以上的任務。

2 飛行場景與試驗設計

為探究一種新的評價方法，進而可以逐漸歸納、總結、提煉成一種準則。該文首先考慮正常飛行場景，將公認的復雜和高工作負荷的情形加入到飛行場景中去，這樣將更有利于方法與理論的提煉。

該文中考慮在RNP APCH和VNAV運行環境下，飛行員使用自動飛行系統執行儀表進近程序時，在低能見度（一般取RVR<1800 ft，主要考慮影響飛行員對目的機場的視覺位置，飛機相對離地高度的判斷），以及在RNP最終進近和著陸滑跑階段對于偏離跑道中心線的趨勢的所有監控和操縱行為[4-5]。

該場景中，正常操作任務集如表1所示。

該場景中，飛行剖面和程序如圖4所示。

在飛行進程的不同階段，飛行員所需要注意觀察的信息是有區別的，為了更準確地描述活動關聯性，應當按照飛行任務的不同目標劃分場景的進程，否則時間跨度過大會導致任務關聯性描述的不準確。

從飛行任務目標的角度，該場景主要可分為以下幾點。

（1）飛機在根據進場程序自動的由RNP RNAV和VNAV從IAF點引導至FAF點（P1）；

（2）飛機預位ILS的下滑道和航道引導信息，為最終進近做準備（P2）；

（3）飛機使用ILS的下滑道和航道引導信息執行最終進近直至拉平接地（P3）；

（4）飛機按照ILS的航道引導信息保持航道和航向，并剎車（P4）。

3 操作行為的數學分析

3.1 操作行為關聯性的數學模型

為了便于把操作任務與時間線聯系起來，該文采用矩陣的方式將其描述為一種二維關系。對于a、b、c三個操作在4Δt內的發生過程有如下描述：

為同時獲得任務強度信息和任務關聯性信息，則：

Active*ActiveT是一個對稱陣，對角線部分描述的是操作自己與自己的關系，計分越多說明操作在這個時間段內發生的次數越多，隨之操作強度越大。而對角線的兩側說明了操作之間的關系。如果一對操作在設定的時間片段內存在相關性，則對角線兩側的計算結果會表現出這種關系。

操作強度strength可用如下公式表達：

其中，n代表操作發生次數；t代表整個任務的時間段。

操作j對操作i的關聯性depend（j，i）可用如下公式表達：

其中，k（i，j）代表操作i和j的關聯次數；ni代表操作i的發生次數；操作i是對角線上的操作。可以證明，對角線是操作i的總共發生次數，而其對應的列或者行上是其它操作與其并發操作的次數，是i與j的關系，因此后者一定不大于前者。即，depend（j，i）≤1。

另外，時間片段的長短會顯著影響關聯性分析結果。時間取得過短會得到稀疏矩陣，而對描述關聯性，尤其是往復程度并無益處，而時間片段長，則會夸大關聯性。考慮到人為因素適航條款，工業界對人機交互響應時間間隔標準以及飛行員一般的實際操作行為，時間間隔取10 s。

為了便于用數學與邏輯關系描述關聯性，該文采用計分方法描述任務的發生（發生則打分為1，否則為0）。

3.2 試驗的設計

試驗所采用的設備為商業模擬飛行軟件與操縱器件，另外加裝一套頭部運動跟蹤掃描儀。

模擬飛行軟件可用于建立虛擬的飛行場景，并帶有虛擬的人機交互功能及其邏輯。在選取操縱器件時，主要考慮了近過程直接相關的操縱器件，包括操縱桿，油門桿，腳蹬與剎車裝置，自動飛行控制板，無線電通信導航調諧控制板。頭部運動掃描儀采集的數據可以精確的反應出飛行員內外視界上的觀察焦點。

模擬試驗臺的組成如圖5所示。

3.3 P1剖面上的測試及分析

P1上，飛行機組操作任務的矩陣如表2所示。

P1*P1T=（見表3）

操作關聯性數據處理結果為：

Depend（P1）=（見表5）

從關聯性的數據處理結果可以看出，P1中關聯度較高的（超過0.5）的操作對有：

（1）1，2：3（操作1，2對活動3有關聯性）；

（2）2：4；

（3）1，2，3：5；

（4）2：7；

（5）2，4，7：8；

（6）1，3，5，8：9；

（7）2，7：10；

（8）2，7：11；

（9）1，2：12；

（10）4，6，7，11：13；

（11）1，2，7：14；

（12）1，2，3，7，14：15；

（13）2，4，7，8，14，15：17。

這些結果表明，在P1內，看進近程序的同時常需要觀察高度變化和垂直速度，RNP橫向航道偏差，VNAV縱向軌跡偏差；看飛行姿態與看高度變化也存在關聯；看進近程序時也會比較注重速度約束特征點的穿越情況；襟縫翼動作安全速度的操作與空速，高度，姿態有關聯關系；飛行員對天氣的關注與空速，高度的觀察有關聯關系；飛行員在努力建立目視參考時，對高度，姿態，空速，RNP橫向航道偏差，VNAV縱向軌跡偏差也同時關注。

3.4 P2～P4剖面上的測試及分析

P2～P4上，飛行機組操作任務的矩陣如表6所示。

分析的結果顯示，在P2中飛行速度矢量與飛行指引儀偏差，ILS預位頻率與指示，自動著陸導引飛行工作模式關聯性大；在P3中，飛行員在努力建立目視參考時，高度變化、姿態、飛行速度矢量與飛行指引儀偏差、決斷高度指示、航向信標與下滑道信標的觀察聯系最緊；在P4中，飛行員觀察跑道中心線，航向信標指示，發動機反推推力指示的操作關聯最緊，其余大部分操作基本無需執行。

4 結語

該文從機組操作行為的抽象化數學模型描述方法入手，利用對操作行為的數學分析方法定量分析出操作任務之間的關聯性。該方法的計算結果較為真實的反映了RNP APCH剖面上人機交互需求的實質，可以作為支持人機系統集成策略的一種理論方法。

參考文獻

[1] Performance-based Navigation （PBN）Manual（Doc 9613）（Third edition）[M].Montreal Quebec Canada：INTERNATIONAL CIVIL AVIATION ORGANIZATION，2008.

[2] SAE Technical Standards Board.SAE ARP5056 Flight Crew Interface Considerations in the Flight Deck Design Process for Part 25 Aircraft.400 Commonwealth Drive，Warrendale USA：SAE International Group， 2006-09.

[3] AFS-210，AC120-51E CREW RESOURCE MANAGEMENT TRAINING[S].Ardmore East Business Center：FAA U.S. Department of Transportation， 2004.

[4] Procedures for Air Navigation-Aircraft Operation（Doc 8168）-Volume 1 Flight Procedure， Fifth edition. Montreal Quebec Canada： INTERNATIONAL CIVIL AVIATION ORGANIZATION， 2006.

[5] Special Committee 181/EUROCAE Working Group 13-Navigation Standards.RTCA DO-236B Minimum Aviation System Performance Standards-Required Navigation Performance for Area Navigation.1828 L Street，NW Suite 805 Washington，DC 20036 USA：RTCA，Inc.，2003-11-28.