民用飛機(jī)試飛階段人為因素適航審定技術(shù)研究

宋海靖，焦毅，胡毅

(中國飛行試驗(yàn)研究院 可靠性研究中心，西安 710089)

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民用飛機(jī)試飛階段人為因素適航審定技術(shù)研究

宋海靖，焦毅，胡毅

(中國飛行試驗(yàn)研究院 可靠性研究中心，西安 710089)

隨著飛機(jī)各系統(tǒng)可靠性的不斷提高，人為失誤逐漸成為系統(tǒng)失效或造成飛行事故的主要因素，已成為設(shè)計(jì)及適航審定部門關(guān)注的重難點(diǎn)問題。當(dāng)前國內(nèi)外對于如何驗(yàn)證人為因素是否滿足相關(guān)適航條款的要求仍處于理論探索階段。針對上述問題，基于CCAR-25部條款分析試飛階段民用飛機(jī)人為因素適航審定過程，包括基于SHELL模型及T.E.S.T矩陣的人為因素審定條款篩選，基于MOC5 & MOC6的試驗(yàn)機(jī)符合性驗(yàn)證方法，并基于模糊評判方法給出數(shù)據(jù)分析實(shí)例。本文提出的人為因素適航審定思路及驗(yàn)證方法具有一定創(chuàng)新性，已在試飛階段ARJ21-700飛機(jī)上初步應(yīng)用，可為后續(xù)C919等民用飛機(jī)人為因素設(shè)計(jì)和適航審定提供技術(shù)支持和方法保證。

試飛階段；人為因素；適航審定；符合性驗(yàn)證；模糊評判

0 引 言

波音公司調(diào)查表明，航空事故中10%的事故涉及飛機(jī)系統(tǒng)故障，而70%～80%的飛行事故與人為失誤有關(guān)[1]。美國海軍研究表明，1977年由于環(huán)境和機(jī)械因素導(dǎo)致的事故數(shù)較多，但是隨著可靠性技術(shù)的提高，1992年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，僅由環(huán)境和機(jī)械因素引起的事故數(shù)量幾乎可忽略，而人為因素導(dǎo)致的飛行事故數(shù)所占比重卻越來越大[2]。航空事故率不斷降低，而人為失誤卻始終維持在一定比例。人為因素逐漸成為影響航空安全的關(guān)鍵因素[3-4]，愈來愈為設(shè)計(jì)及適航審定部門所重視。當(dāng)前國外已將人為因素列為一個單獨(dú)系統(tǒng)進(jìn)行審定，相關(guān)條款正在不斷修訂完善中[5-6]；而國內(nèi)針對人為因素適航審定的研究仍處于理論探索階段。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，市場對民用飛機(jī)人機(jī)界面良好性的需求不斷增強(qiáng)，飛行員的工作負(fù)荷日益增大。尤其在試飛階段，飛機(jī)處于設(shè)計(jì)更改的關(guān)鍵時期，因人為誤判和誤操作引起的飛行事故時有發(fā)生。因此，人為因素越來越成為航空工效評價和適航審定關(guān)注的重難點(diǎn)問題。

本文基于SHELL模型重點(diǎn)分析CCAR-25部有關(guān)條款對人為因素評估的具體要求，并基于條款適應(yīng)性分析確定人為因素審定依據(jù)(25.1302 & 25.1523)，提出基于T.E.S.T矩陣的評審思路；分析當(dāng)前普遍應(yīng)用的駕駛艙可操作性與設(shè)計(jì)評價步驟(Cockpit Operability and Design Evaluation Procedure，簡稱CODEP)審定方法，提出適用于試飛階段工程應(yīng)用性強(qiáng)的符合性驗(yàn)證方法(MOC5 & MOC6)；結(jié)合ARJ21-700試驗(yàn)機(jī)的試飛實(shí)際給出數(shù)據(jù)分析實(shí)例，為后續(xù)C919、MA700等民用飛機(jī)人為因素設(shè)計(jì)和適航審定提供技術(shù)支持。

1 人為因素適航審定研究

1.1 人為因素適航審定思路

本文研究思路框架如圖1所示。

1.2 人為因素適航審定條款分析

(1) 基于SHELL模型的人為因素相關(guān)條款篩選及適應(yīng)性分析

國際民航組織安全管理手冊中的SHELL模型[7-9]如圖2所示，主要包括軟件(Software)、環(huán)境(Environment)、硬件(Hardware)、人(Liveware)四個模塊，及其各自功能接口和相互關(guān)系，即：人-軟件、人-環(huán)境、人-硬件和人-人的接口關(guān)系。

圖2 SHELL模型

基于SHELL模型具體要素篩選出CCAR-25部中人為因素相關(guān)條款如表1所示，可以看出條款內(nèi)容或是基于具體系統(tǒng)審定，或是從具體部件設(shè)計(jì)方面提出跟人相關(guān)的要求，并非專門針對人為因素相關(guān)內(nèi)容的審定，大都寬泛且難以驗(yàn)證。

(2) 基于T.E.S.T矩陣的人為因素審定條款識別

依據(jù)人為因素條款篩選及適應(yīng)性分析，專門針對人為因素審定且需專項(xiàng)試飛驗(yàn)證的條款有兩項(xiàng)：考慮工作負(fù)荷的最小飛行機(jī)組條款(25.1523)和為降低人為差錯的系統(tǒng)安全性條款(25.1302)。本文將這兩項(xiàng)條款作為人為因素適航評審的依據(jù)。結(jié)合試飛階段工作實(shí)際，基于任務(wù)分析，提出T.E.S.T矩陣模型，作為民用飛機(jī)人為因素適航評審的指導(dǎo)思想，如圖3 所示。

在T.E.S.T矩陣模型中，行、列坐標(biāo)均可表示為T.E.S.T，但含義不同。列坐標(biāo)中T.E.S.T含義為

T(Tasks)：飛行任務(wù)；E(Errors)：人為失誤；S(System impact)：系統(tǒng)沖突；T(Threat & Treatment)：飛行安全的威脅。

表1 CCAR-25部中人為因素相關(guān)條款

圖3 T.E.S.T矩陣模型

行坐標(biāo)中T.E.S.T含義為

T(Tasks)：飛行任務(wù)；E(Environment)：飛行環(huán)境；S(Subject)：主體即為飛行員；T(Training)：飛行訓(xùn)練。

其中，列坐標(biāo)表示人為因素適航審定過程中必須考慮在特定的飛行任務(wù)下飛行員是會犯錯的，同時也要考慮人與機(jī)的交互。行坐標(biāo)表示在人為因素適航審定時，必須綜合考慮四個要素：飛行任務(wù)、飛行環(huán)境、飛行員以及飛行訓(xùn)練。

因此，列坐標(biāo)定位于飛行員失誤(Flight Crew Error)，與之相對應(yīng)的是25.1302條款；行坐標(biāo)考慮的是飛行員工作負(fù)荷(Workload)，與之相對應(yīng)的是25.1523條款。

1.3 人為因素適航審定方法研究

(1) 傳統(tǒng)的適航審定方法

民用飛機(jī)駕駛艙人為因素評估以往是以功能為導(dǎo)向，難以細(xì)致描述和評價飛行員操作的細(xì)節(jié)。傳統(tǒng)的評價體系通常基于某些孤立節(jié)點(diǎn)開展分析，缺乏對飛行員任務(wù)行為的全面、綜合考慮[10-11]。例如，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的CODEP評價方法。該方法指出在人為因素適航審定過程中，必須考慮飛行員信息加工模型，包括對外界信息的感知(S)、處理(P)、反應(yīng)(R)和反饋(C)[12-13]。然而，CCAR-25部條款是以任務(wù)為導(dǎo)向制定的，普遍應(yīng)用的CODEP評價方法過于概念及理論化，工程應(yīng)用性不強(qiáng)。在工程階段，例如飛行試驗(yàn)過程中，對于如何實(shí)現(xiàn)人為因素適航審定難以給出符合性驗(yàn)證結(jié)果。

(2) 試飛階段人為因素審定方法

本文針對25.1523及25.1302條款具體內(nèi)容進(jìn)行分析，給出評價模塊、具體工程驗(yàn)證方法及所使用的技術(shù)手段，試飛階段人為因素審定方法具體框架如圖4所示。

圖4 試飛階段人為因素審定方法框架

從圖4可以看出：人為因素適航審定時先將條款驗(yàn)證分為五個模塊(包括工作負(fù)荷、駕駛艙舒適性、飛行員自我感受、顯示工效及控制工效)，給出工程應(yīng)用階段的驗(yàn)證方法(包括地面試驗(yàn)、模擬器試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、專項(xiàng)核查、分析&計(jì)算、類比分析等)，并確定實(shí)現(xiàn)結(jié)果所使用的技術(shù)手段及數(shù)據(jù)處理方法(包括眼位追蹤& HRV測量、問卷調(diào)查、專家打分、層次分析、隸屬度計(jì)算及模糊評判)，最后得到符合性驗(yàn)證結(jié)果。其中，基于眼位追蹤的試飛方案確定及基于模糊評判的試飛數(shù)據(jù)處理方法是本文的創(chuàng)新點(diǎn)及難點(diǎn)。

2 試飛數(shù)據(jù)分析實(shí)例

以ARJ21-700飛機(jī)的駕駛艙人機(jī)界面定性評價定量化為例，其評估體系構(gòu)成形式如下：

評語等級：V={v1,v2,v3,v4,v5}= {優(yōu)，良，中，次，劣}，駕駛艙人機(jī)界面具體評判等級及含義如表2所示。

表2 駕駛艙界面具體評判等級及含義

評價指標(biāo)集：{u1,u2,u3,u4,u5}= {工作負(fù)荷，舒適性，飛行員自我感受，顯示工效，控制工效}；

模糊權(quán)重向量集：A={a1,a2,a3,a4,a5}= {0.27，0.30，0.20，0.10，0.13}；

評價矩陣：

評估結(jié)果：B=A·R=(0.191 5，0.337 5，0.230 0，0.153 0，0.088 0)；

定性分析：max(0.191 5，0.337 5，0.230 0，0.153 0，0.088 0)=0.337 5。

隸屬度0.337 5對應(yīng)的評判級為良，ARJ21-700飛機(jī)駕駛艙人機(jī)界面級別可以定為良好。定量分析，評估值W=B·VT=3.391 5，即，該駕駛艙人機(jī)界面總體評估值為3.391 5。

上述駕駛艙界面評估實(shí)例作為人為因素審定過程中數(shù)據(jù)處理的一部分，在實(shí)際操作中先對各評估指標(biāo)的下屬指標(biāo)進(jìn)行評估，再給出權(quán)重。例如，具體顯示工效的顯示裝置布局、色彩、舒適度等，并分別賦予權(quán)重及數(shù)據(jù)處理[14-16]，從最低層指標(biāo)向上一級評估進(jìn)行綜合，逐級向上評估并反饋評分低指標(biāo)項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)存在的問題。

結(jié)果表明：該型機(jī)工作負(fù)荷及空間布局得分較高，即飛行員及維護(hù)人員較為滿意；而顯示界面存在炫光、操縱姿勢等方面得分較低，表現(xiàn)較差，表明有適度缺陷，需要試飛員及機(jī)務(wù)人員額外的關(guān)注補(bǔ)償。評價結(jié)果已與ARJ21-700飛機(jī)試飛機(jī)組、設(shè)計(jì)部門進(jìn)行確認(rèn)，驗(yàn)證了評價結(jié)果的客觀真實(shí)性，同時可為后續(xù)設(shè)計(jì)更改提供依據(jù)，改善人機(jī)界面問題項(xiàng)，為提高最終定型飛機(jī)的界面工效水平奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

本文提出的試飛階段人為因素適航審定過程引入了SHELL模型及T.E.S.T矩陣確定人為因素適航審定依據(jù)；考慮了人機(jī)界面評價指標(biāo)定義和概念的模糊性及專家認(rèn)識上的主觀性，提出了基于MOC5 & MOC6結(jié)合的符合性驗(yàn)證方法，工程可操作性強(qiáng)；提出了基于專家打分、層次分析、模糊評判集成的試飛數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的定量評價，能更有說服力的分級說明座艙界面存在的問題。綜上所述，民用飛機(jī)試飛階段人為因素適航審定技術(shù)的研究為民用飛機(jī)人為因素適航審定及座艙人機(jī)界面綜合評價提供了方法保證，可為C919、MA700等民用飛機(jī)人為因素審定提供技術(shù)支持，填補(bǔ)了試飛階段人為因素適航審定及界面工效評價工程應(yīng)用方面研究的空白，同時為各型飛機(jī)界面工效指標(biāo)的設(shè)計(jì)更改提供依據(jù)。

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(編輯：趙毓梅)

Study on Airworthiness Certification of Human Factor in Flight Test for Civil Aircraft

Song Haijing, Jiao Yi, Hu Yi

(Reliability Research Center, Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China)

With the development of system reliability for aircraft, human error is becoming one of the main factors leading to flight accidents, as well as the key difficulty and challenge for the design and airworthiness authorized departments. Currently, how to certify the compliance of the human factor is still in the theoretical exploration stage for both at home and abroad. Aiming at above problems, the airworthiness certification process based on CCAR-25 is analyzed, including the selection of 40 regulations relevant with human factor based on SHELL model and T.E.S.T matrix, also the means of compliance(MOC5 & MOC6) for flight test, and finally the data analysis example based on fuzzy evaluation is presented. The proposed thoughts and methods have been applied preliminarily in ARJ21-700 and can provide the technical support for design and airworthiness certification of human factor and ergonomics for other civil aircrafts such as C919.

flight test step; human factor; airworthiness certification; means of compliance; fuzzy evaluation

2016-07-22；

2016-10-12

宋海靖,shjaj@163.com

1674-8190(2016)04-484-05

V217+.1

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.014

宋海靖(1988-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：飛機(jī)適航及安全性評估。

焦 毅(1986-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：試飛階段飛機(jī)維修性及保障性評估。

胡 毅(1985-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：試飛階段飛機(jī)安全性評估。