關于直升機駕駛艙先進技術的人為因素研究

摘要：新技術的引入為直升機駕駛艙帶來了系統功能和性能的提升，針對其可能引發人為因素問題的情況，本文梳理了新技術引入時須考慮的人為因素要點，并對直升機駕駛艙先進技術開展了人為因素研究與分析，給未來直升機駕駛艙技術的發展提供人為因素設計指南。

關鍵詞：直升機;駕駛艙;人為因素;先進技術

中圖分類號：V223.1? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

在航空領域，飛行安全是永恒的主題和追求，是飛行員、乘客、設計人員、制造商、運營方以及管理當局共同追求的目標。隨著新一代直升機的服役運營，人們對直升機商業目標的期望變得更高，更多的新技術和新功能應用到了直升機各個系統中。這無疑給直升機帶來了系統功能和性能的提升，但對安全和舒適的影響也同樣不容忽視，如何避免由人為因素導致的不安全事件始終是直升機設計提升所面臨的巨大挑戰。

在直升機上，飛行員直接接觸和操作的場所是駕駛艙，有關人為因素的考慮首要放在駕駛艙的設計與研究中。駕駛艙的設計集成度和復雜度極高，其人機界面對飛行員的生理、心理以及工作效率、操作正確率都有直接影響，人為因素的設計考慮涉及到駕駛艙的各方各面[1]。飛行員在駕駛直升機的過程中，需要大腦和手、腳、眼的密切配合，在不同的情況下迅速地做出操作反應，因此欠缺人為因素考慮的設計更容易引發飛行員的錯誤操作，進而影響飛行安全[2]。

1直升機駕駛艙人為因素研究發展概述

人為因素是通過系統應用人為科學，在系統工程框架中優化人與其活動的關系。人為因素包括生活和工作環境中的人;人與機器、程序和環境的關系;還包括人與人之間的關系。

1947年，科學家Fitts和Jones首次正式地開展了航空領域人為因素研究，對飛行員使用電子顯示器的情況進行了人機工效分析。其后的人為因素研究大多致力于控制和顯示設計，梳理了飛行員由于設計缺陷可能引發的操作錯誤。在20世紀五六十年代，人為因素研究助力了機組人員的選擇、培訓和駕駛艙的布局。到了20世紀七八十年代，隨著“玻璃駕駛艙”的引入，人們對人為因素的研究則主要體現在顯示設計、人機界面等方面。

如今，全新的直升機駕駛艙設計帶來了突破性技術，但其所帶來的新的人為因素問題也逐漸凸顯，前期的人為因素研究已不足以解決現階段飛速的技術提升所帶來的人機交互問題[3]。

為避免更多的人為因素問題產生，新技術的引入在追求效率和競爭力的同時，其在自動化的應用、態勢感知的增強、工作負荷的減輕、人為差錯的預防等方面的人為因素研究亟待開展。

2直升機駕駛艙先進技術的人為因素分析

2.1直升機駕駛艙人為因素考慮要素

對于直升機駕駛艙設計，為避免技術和功能提升帶來新的人機交互問題，對新技術的應用須考慮人為因素的四個重要方面：

（1）交互環境簡潔自然。簡潔不僅僅是簡化，它是一種高層次的設計原則。簡潔的設計將易于理解，進而易于學習和記憶，并可使飛行員預知它的作用和功能。對于飛行員，簡潔的人機交互設計不僅易于使用，還能夠提高人機界面設計的可理解性。在駕駛艙布置和架構設計中，應盡可能地考慮人的思維和操作習慣，使其符合飛行員常規的飛行理念，便于對直升機的操縱和管理。

（2）操作設計應盡量減輕飛行員的記憶負擔。飛行是高難度、復雜的操作技能，其操作輸出不容許有錯誤。但是直升機各控制系統程序復雜，相互交聯多，特別是在緊急情況下，飛行員地倉促操作和選擇很容易出錯。廣為接受的駕駛艙設計原則之一是顯示器中活動元件的運動方向與對應的控制器運動方向一致，使其符合“操縱—顯示”一致性的邏輯以及人的通常習慣，這可避免由于情況緊急、情緒緊張而激發的本能習慣行為引發錯誤操作。因此，在按飛行規律科學地編排程序時，還應在留有足夠安全裕度的前提下，盡可能地減輕飛行員的記憶負擔，使操作和顯示更加簡單易懂。

（3）機組有能力監視自動化系統。自動化系統通常只能嚴格按照編制的程序工作，而不以簡單直觀的方式向飛行員展示其最終意圖，而這正是人為因素引發各類突發事件和事故的潛在危險。因此，在駕駛艙設計時，應考慮到機組對系統的接受和掌握能力，確保飛行員對直升機的操作具有最高權限，使飛行員可以根據情況決定何時授權自動化工作，以及需要多大程度的協助，這樣可以保持飛行員的情境意識，避免在自動化系統失效時飛行員無法恢復控制權限的情況發生。

（4）防差錯設計。防差錯設計的首要任務是避免錯誤的發生，其次是在錯誤造成災難之前捕獲錯誤，最后是減輕漏網錯誤造成的后果。未來的直升機駕駛艙中，不僅飛行員要監視系統的工作，反過來系統也要監督飛行員，監視其生理、心理和行為，提醒飛行員集中注意力并能夠進行“人為危險分析”，以避免飛行員出現可能導致災難性事故的動作，這也是基于人為因素考慮的系統設計最具有挑戰性的目標。

2.2目前先進技術的人為因素分析

近年來，全新的直升機駕駛艙設計帶來了突破性技術，與此同時帶來的人為因素問題也逐漸凸顯。

2.2.1觸摸控制

觸摸控制給用戶提供了更加直觀的、上下文互聯的交互體驗。在直升機駕駛艙中，觸摸屏可以被用在儀表板、中央操縱臺、扶手控制器和多功能顯示單元中。

觸摸控制的使用在通用性和拓展性方面具有商業優勢，特別是在集成增加的功能方面不需要任何物理擴展。基于人為因素考慮，觸摸控制在減少機組操作、快速啟動以及信息共享等方面發揮了潛在優勢。目前直升機駕駛艙顯控設備的小屏幕容量有限，且菜單控制結構窄而深，觸摸屏將比現有設備具有更大的使用性優勢，為駕駛艙提供了更大的顯控面積，使得菜單控制結構更寬、更淺。此外，許多飛行程序的執行會牽涉到布置在駕駛艙各處不同面板上的順序化檢查和操作，若用觸摸屏將這些程序集成在一個區域，可有效減輕飛行員工作負荷和增強態勢感知。同時，觸摸屏可以貫徹一致的顯示理念，這也將提高整個直升機駕駛艙人機界面的一致性。

然而，也有一些潛在的人為因素問題需要考慮。例如，觸摸控制的應用需要飛行員與其進行直接的交互，為避免操作時的手臂疲勞或不適，其布置對可達性的要求較高。另一方面，對于當前直升機駕駛艙使用的物理按鈕，觸覺、聽覺或視覺反饋機制給予了飛行員較好的操作即時反饋，觸摸控制也同樣需要考慮觸摸反饋。此外，在氣流或振動條件下，屏幕和手的抖動可能會導致非意愿性交互，從而帶來工作負荷和安全性方面的隱患。

2.2.2輸入設備

早期直升機駕駛艙的顯示器是非交互式的，隨著顯示器功能的增加，輸入需求也在適當地增加。

當幾個定制的接口通過一個輸入設備連接起來時，這個新輸入設備的引入將引發設計問題。設計師需要在對現有系統保持熟悉度和使用性的同時，可以提供有效的重新設計解決方案。即使引入了觸摸屏，仍然需要間接設備作為備份或在多模態解決方案中補充觸摸屏[4]。直升機駕駛艙設計將會考慮的輸入設備有：

軌跡球：固定在球座上用手或手指滾動的球。基于人為因素考慮，當設備操作在表面空間受限時，軌跡球具有使用優勢，然而與其他輸入設備相比，軌跡球的操作更復雜。

旋轉控制器：可以旋轉、向下推或向上/向下/向左/向右移動，以控制屏幕上光標的移動和操作。經人為因素評估，旋轉控制器比其它間接輸入設備具有更快的任務性能。

觸控板：觸控板帶有一個觸覺表面，能夠感知手指的移動，并將其轉換為屏幕光標的動作。在人為因素方面，觸控板所需的安裝和操作空間很小，這同軌跡球一樣，但其操作比軌跡球更為簡便。

直接語音輸入（DVI）：可應用于各種任務，包括無線電調諧、導航功能和檢查單程序等。基于人為因素考慮，DVI的使用可使飛行員不需要用手與特定的系統交互，而是可以專注于其他任務，并有更多的時間可以抬著頭。此外，語音命令的使用可以克服振動問題。然而，DVI也存在一些需要解決的人為因素問題，包括調整詞匯以適應各種口音，多人說話環境中識別單個說話人，以及減少背景噪聲對話音的干擾。

2.2.3智能化顯示

頭盔顯示/瞄準系統是由頭盔顯示器和頭盔瞄準具組合而成的。頭盔顯示器既可以顯示飛機狀態、武器火控、目標狀態等字符信息，也可以顯示前視紅外、雷達或電視圖像等光柵圖。頭盔瞄準具能夠確定頭盔瞄準線，并且產生信號以驅動系統中的傳感器，使傳感器指向與頭盔相同的方向，以便飛行員從頭盔顯示器上看到由傳感器測量得到的圖像，從而形成閉環系統[5]。

在人為因素方面，頭盔顯示/瞄準系統使用方便、瞄準迅速，飛行員可以在看到真實世界物體的同時，看到顯示器上顯示的信息，而不必調整眼睛的焦點。它可以有效改善視覺降級環境中的操作和增強態勢感知，不僅能為飛行員提供速度、航向和瞄準等重要信息，而且在近距離格斗以及對地攻擊中起到重要作用。

對于其使用中的各種影響，包括態勢感知、工作負荷和顯示器的通用性能等，仍需進一步開展人為因素評估。

2.2.4增強/合成視覺系統

增強/合成視覺系統由增強視覺系統和合成視覺系統組合而成。

增強視覺系統在平視顯示器上顯示前視紅外傳感器和毫米雷達波得到的重疊圖像，這樣飛行員就可以在平視顯示器上看到肉眼看不到的飛行跑道，同時還能看到一些系統給出的重要數據指示。它的使用無需地面導航設備，而且能夠全天候工作，因此擺脫了對地面設備的依賴性。

合成視覺系統將基于機載數據庫的精確定位信息與傳感器探測到的實際圖像信息相融合。它與GPS精密導航系統相連，為飛行員提供直升機外界環境描述，并以“空中高速路”的方式引導直升機的飛行航路。合成視覺系統能提供三維透視景象圖，無論外界氣象條件如何，都具有等同于明亮晝間的真實感。

基于人為因素考慮，對增強/合成視覺系統的使用，可有效增加飛行員對地形、姿態和交通情況的空間感知。

2.2.5側桿技術

受限于機械操縱系統的發展，傳統直升機駕駛艙使用駕駛桿、總距桿和腳蹬等操縱裝置來控制直升機的飛行狀態。目前，隨著電傳操縱系統的發展，側桿技術的研究和應用已經逐步開展。全新的直升機駕駛艙將采用電傳飛控系統，并通過側桿技術直接控制直升機的飛行姿態。

在人為因素方面，飛行員可通過對兩桿的聯合操縱，直接控制直升機的俯仰、偏航、滾轉和懸停等各個飛行姿態。這種通過左右側桿替代傳統駕駛桿、總距桿和腳蹬的設計，可以有效改善直升機駕駛艙的空間布局，便于飛行員登機，且儀表板無視野遮擋。飛行員可以手動調節扶手以提高舒適度，且易于完成桿干擾、控制失效等緊急狀況下的操作，大幅減輕工作負荷。

3未來直升機駕駛艙人為因素發展

當新技術被引入到一個很復雜的環境中時，對人與技術的交互進行嚴格的人為因素分析就變得尤為重要。人因科學在評價直升機駕駛艙新技術時起著重要的作用，它可以確保對物理性能和認知處理的優化，使之能夠更理想地完成任務。

對一項獨立技術的人為因素評估相對簡單，但隨著更多技術被引入未來的直升機駕駛艙，如何同時評估這些技術，以達到在評估整個未來駕駛艙優點的同時，抓住單個技術突出的優劣勢，使這一過程變得越來越復雜。眼動跟蹤、視頻捕獲、模擬器數據記錄和定性自我評估等技術，都有可能在未來直升機駕駛艙的人為因素評估中發揮作用。

理想的直升機駕駛艙將能夠支持不斷變化的空中交通管理環境，并能確保在條件要求下運行的同時，提供一個對飛行員生理和認知上都有優化的可伸縮的解決方案。

參考文獻

[1]錢進.運輸類飛機駕駛艙人為因素設計評估指南[M].上海：上海交通大學出版社，2016.

[2]班永寬.航空事故與人為因素[M].北京：中國民航出版社，2002.

[3]王寧，余隋懷，肖琳臻.考慮用戶視覺注意機制的人機交互界面設計[J].西安工業大學學報，2016（4）：36.

[4]陸虎敏.飛機座艙顯示與控制技術[M].北京：航空工業出版社，2015.

[5]王合龍.機載光電系統及其控制技術[M].北京：航空工業出版社，2016.

收稿日期：2020-01-08

作者簡介：陳丹昱（1990—），女，河南南陽人，碩士，工程師，研究方向：直升機駕駛艙與人機工效。

Research on Human Factors in Advanced Technologies of Helicopter Cockpit

CHEN Dan-yu

（China Helicopter Research and Development Institute， Jingdezhen Jiangxi? 333001）

Abstract： The introduction of new technologies to helicopter cockpit could brought about the improvement of function and performance. Against the problem of the possibly caused human factor cases， this paper sorts out the key human factor elements to be considered in the introduction of new technologies. Research and analysis were also carried out about human factors in advanced technologies of helicopter cockpit. Human factors design guidelines have been given for the future development of helicopter cockpit technology.

Key words： helicopter;cockpit;human factors;advanced technologies