直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念研究

陳丹昱

摘 要：針對國內(nèi)直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)尚未建立完善的人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法與體系的現(xiàn)狀，本文提出了人機(jī)和諧的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念。該理念強(qiáng)調(diào)了飛行員與自動化系統(tǒng)相互融合、互補(bǔ)互促、和諧統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思想，確定了駕駛艙設(shè)計(jì)過程中人機(jī)功能分配和人機(jī)交互設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的一般原則，為直升機(jī)駕駛艙各階段的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提升提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);駕駛艙;設(shè)計(jì)理念;設(shè)計(jì)原則

0引言

直升機(jī)駕駛艙是飛行員控制直升機(jī)完成飛行任務(wù)時(shí)最直接的工作環(huán)境，是人機(jī)交互的樞紐，也是直升機(jī)研制的核心部位。駕駛艙人機(jī)交互設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響飛行員操控直升機(jī)時(shí)的生理與心理，影響飛行員是否能夠安全、高效、舒適地完成飛行任務(wù)[1]。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化將要承擔(dān)更多更復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)，人機(jī)結(jié)合的直升機(jī)控制模式應(yīng)運(yùn)而生[2]。與此同時(shí)，直升機(jī)駕駛艙系統(tǒng)中人與自動化的各自地位、功能和需求，以及人機(jī)之間的功能分配和交互原則等，都是直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)急需解決的關(guān)鍵問題。直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念的構(gòu)建就是為人機(jī)之間的功能分配和交互給出指導(dǎo)，提供矛盾出現(xiàn)時(shí)的協(xié)調(diào)原則，保障人機(jī)接口和操作方法的一致性。只有確定了直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念，才能進(jìn)行具體的人機(jī)功能分配方案和人機(jī)交互方案的設(shè)計(jì)。

國外先進(jìn)直升機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)已建立了完善的駕駛艙人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法與體系，確立了一脈相承的文化要素和企業(yè)內(nèi)涵，使其直升機(jī)產(chǎn)品具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效、舒適的優(yōu)勢，形成了強(qiáng)大且穩(wěn)定的市場競爭力;我國直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)并未建立完善的駕駛艙設(shè)計(jì)理念及捕獲完整的駕駛艙功能需求，不同的直升機(jī)型號和平臺之間差異較大，普遍存在界面與布局紛雜混亂的問題[3]，阻礙了我國直升機(jī)駕駛艙技術(shù)的發(fā)展，影響了用戶滿意度和市場競爭力。為此，迫切需要開展對直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念的研究。

1駕駛艙設(shè)計(jì)理念現(xiàn)狀

空客公司和波音公司將基本飛行原理和現(xiàn)代飛行技術(shù)相結(jié)合，充分考慮機(jī)組和自動化系統(tǒng)的交互，提煉出飛機(jī)操縱黃金法則，分別見表1和表2。

對比可知，兩家公司均采用以人為中心的駕駛艙設(shè)計(jì)理念，然而其貫徹過程中所衍生的設(shè)計(jì)原則卻截然不同。這是因?yàn)橐匀藶橹行牡睦砟顚?shí)際上將“人”與“機(jī)”理解為相對獨(dú)立的實(shí)體，雖確定了“人”是矛盾的主要方面，但如何解決二者間的矛盾卻可以采用不同的方法。空客公司的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)飛行員錯誤的不可避免性，在設(shè)計(jì)中側(cè)重以自動化功能代替飛行員的作用;而波音公司的設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)飛行員的主觀能動性，在設(shè)計(jì)中側(cè)重于為飛行員提供信息，使自動化功能成為飛行員決策的輔助。

以人為中心的駕駛艙設(shè)計(jì)理念在目前最為前沿，因?yàn)樗_保了“人”在航空器系統(tǒng)中的重要作用，確立了駕駛艙設(shè)計(jì)過程中人為因素的核心地位。然而，無論是波音還是空客，在將以人為中心的駕駛艙設(shè)計(jì)理念貫徹為設(shè)計(jì)原則時(shí)都沒有將“人”擺放在合適的位置。回顧近十年，波音、空客公司投入運(yùn)營的新機(jī)型中由于人為差錯而導(dǎo)致的航空事故比例并沒有大幅下降[4]。

本文在傳統(tǒng)的以人為中心的駕駛艙設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展研究，闡述一種通過飛行員與自動化系統(tǒng)相互融合，互補(bǔ)互促，以達(dá)到和諧統(tǒng)一的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念。

2人機(jī)和諧的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念

2.1直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念的構(gòu)建

根據(jù)航空航天推薦標(biāo)準(zhǔn)ARP 4754A，流程演示和最終產(chǎn)品質(zhì)量通常是通過可追溯性和嚴(yán)格的級聯(lián)來進(jìn)行保證的。對于直升機(jī)駕駛艙，其設(shè)計(jì)理念只有涵蓋所要求的文件才能正式級聯(lián)，具體的文件級聯(lián)形式見圖1。

直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念是一個(gè)需要在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中被調(diào)用和使用的參考文件，它以設(shè)計(jì)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)原則來貫徹，從頂級設(shè)計(jì)需求文件到各級功能定義及系統(tǒng)需求文檔的級聯(lián)，來影響目標(biāo)，優(yōu)先級，沖突等設(shè)計(jì)需求的定義并支持它們的驗(yàn)證，檢查直升機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)與最初操作概念的符合性與一致性。

2.2直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)目標(biāo)

為完成直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念的構(gòu)建，首要工作是對設(shè)計(jì)目標(biāo)的明確。由于直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及駕駛艙、飛行員、設(shè)計(jì)人員、制造商、運(yùn)營方、管理當(dāng)局以及相關(guān)社會因素，其設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)至少包含以下幾個(gè)方面：

（1）應(yīng)滿足機(jī)組在飛行、導(dǎo)航、通信和管理直升機(jī)系統(tǒng)時(shí)的基本要求，并符合飛行員通常的使用習(xí)慣。

（2）須對現(xiàn)有及可能發(fā)生的飛行環(huán)境限制進(jìn)行考慮。

（3）須對制造商的戰(zhàn)略決策進(jìn)行考慮，使設(shè)計(jì)目標(biāo)能夠落到實(shí)處。

（4）須為設(shè)計(jì)和開發(fā)的參與者建立良好的互動、協(xié)作關(guān)系，重視設(shè)計(jì)管理。

2.3人機(jī)和諧的設(shè)計(jì)理念內(nèi)涵

在直升機(jī)駕駛艙系統(tǒng)中，“人”與“機(jī)”是不可比擬的兩類智能體，不能簡單地用“非此即彼”或者“彼此替代”來表述他們之間的關(guān)系，不應(yīng)單方面強(qiáng)化飛行員或者自動化系統(tǒng)在直升機(jī)控制中的作用。只有通過“人”與“機(jī)”的融合，互補(bǔ)互促，使之和諧統(tǒng)一，才能從根本上設(shè)計(jì)出安全、高效和舒適的直升機(jī)駕駛艙。

人機(jī)和諧的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念，其核心思想是飛行員、駕駛艙甚至直升機(jī)本身只是航空運(yùn)輸系統(tǒng)的一部分，整個(gè)航空運(yùn)輸系統(tǒng)還包括運(yùn)營商、維修商、空中交通管制員、氣象預(yù)報(bào)員、飛行調(diào)度員、機(jī)場地勤以及政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)等。系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的成功協(xié)作才能確保飛行任務(wù)這一總體目標(biāo)的完成。

人機(jī)和諧是一種狀態(tài)與趨勢，它要求直升機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)能保證飛行員在飛行任務(wù)過程中保持安全、高效和舒適。人機(jī)和諧的設(shè)計(jì)涵蓋了三個(gè)層次的要素：（1）功能、信息完備：根據(jù)任務(wù)需求定義，為實(shí)現(xiàn)直升機(jī)安全、高效飛行所需的功能以及支撐這些功能的相關(guān)信息必須完備。直升機(jī)駕駛艙須為飛行員提供操作控制、狀態(tài)獲取以及任務(wù)執(zhí)行所需的所有功能和信息，以確保其對飛行安全所負(fù)有的最終責(zé)任。（2）優(yōu)先次序：根據(jù)任務(wù)過程中的重要性排序，由飛行員和駕駛艙所組成的系統(tǒng)其綜合優(yōu)化須優(yōu)先于各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化;飛行員的操作權(quán)限優(yōu)先于自動化系統(tǒng)的操作權(quán)限;直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)的優(yōu)先級次序依次為：安全、舒適和效率。（3）符合常規(guī)：直升機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)須適應(yīng)飛行員的常規(guī)特性及習(xí)慣，其操作設(shè)計(jì)與信息顯示須考慮飛行員的常規(guī)能力與限制，使自動化系統(tǒng)最大程度地成為飛行員的輔助。

人機(jī)和諧直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念可以概括為以下三個(gè)方面的內(nèi)容：

1）所有的設(shè)計(jì)與決策都須考慮直升機(jī)整體的安全與效率。飛行員與直升機(jī)駕駛艙所組成的系統(tǒng)其綜合功效優(yōu)化比單一性能的優(yōu)化更為重要。

2）飛行員與駕駛艙所組成的系統(tǒng)，其綜合功效受到以下幾方面因素共同影響：飛行員的權(quán)力、責(zé)任、差錯和特性，各系統(tǒng)中所應(yīng)用自動化功能，設(shè)計(jì)過程所涉及的沖突管理等。

3）通過考慮直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)的功能信息完備、優(yōu)先次序和符合常規(guī)等要素來實(shí)現(xiàn)飛行員與駕駛艙系統(tǒng)的綜合功效優(yōu)化。

2.4設(shè)計(jì)理念的貫徹

人機(jī)和諧的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念提供了全面且綜合的有關(guān)人機(jī)界面主要特點(diǎn)和操作概念的理論基礎(chǔ)、目標(biāo)和設(shè)計(jì)思想。然而使其成為設(shè)計(jì)過程中的實(shí)用手冊，則需要通過一系列設(shè)計(jì)原則來貫徹。

根據(jù)航空航天推薦標(biāo)準(zhǔn)ARP 5056，直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)原則應(yīng)包含的內(nèi)容有：飛行員的責(zé)任、飛行員的權(quán)限、飛行員的特性、自動化的使用、新技術(shù)和功能的使用、人為差錯管理、設(shè)計(jì)優(yōu)先次序和機(jī)組任務(wù)簡化。對于直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原則就是要將人機(jī)和諧的理念中所提出的功能信息完備、優(yōu)先次序和符合常規(guī)等要素落實(shí)到上述內(nèi)容中去。具體體現(xiàn)如下：

（1）飛行員的責(zé)任：飛行員對飛行安全和效率負(fù)有最終責(zé)任，其基本任務(wù)是飛行、導(dǎo)航、通信和系統(tǒng)管理。直升機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證飛行員在所有情況下都擁有完成上述任務(wù)所需的信息以及控制操作能力。

（2）飛行員的權(quán)限：飛行員擁有對直升機(jī)操作的最高權(quán)限。直升機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)應(yīng)確保兩名飛行員都具備用以保證飛行安全所需的基本權(quán)限和資源，并都能隨時(shí)訪問與直升機(jī)、系統(tǒng)和飛行狀態(tài)相關(guān)的信息。為了保證飛行安全，必要時(shí)飛行員有權(quán)利超越已知系統(tǒng)的限制完成對系統(tǒng)的操作。

（3）飛行員的特性：駕駛艙的設(shè)計(jì)不應(yīng)超越飛行員的正常能力限制或違背其通常的習(xí)慣。駕駛艙的操作設(shè)計(jì)和信息顯示應(yīng)適應(yīng)飛行員的能力和限制。

（4）自動化的使用：自動化系統(tǒng)只是飛行員執(zhí)行飛行任務(wù)的輔助工具，而不能替代飛行員的操作。飛行員應(yīng)能對飛行控制系統(tǒng)中所有的動態(tài)功能和任務(wù)進(jìn)行分配。駕駛艙的設(shè)計(jì)應(yīng)有助于飛行員與自動化系統(tǒng)之間的協(xié)作，使飛行員有能力隨時(shí)監(jiān)控和調(diào)整自動化系統(tǒng)的狀態(tài)。

（5）新技術(shù)和功能的應(yīng)用：新技術(shù)的使用應(yīng)能實(shí)現(xiàn)明確的提升或優(yōu)化，不與現(xiàn)有系統(tǒng)或設(shè)備的功能發(fā)生沖突，與飛行員通常的偏好和習(xí)慣不存在矛盾，并確保對其他系統(tǒng)或人機(jī)界面不產(chǎn)生負(fù)面影響。

（6）人為差錯：駕駛艙提供給飛行員的信息內(nèi)容和集成程度應(yīng)與其正在執(zhí)行的任務(wù)和所用的自動化程度相適應(yīng)。駕駛艙的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠?yàn)轱w行員提供多種不同的途徑來實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并有利于其建立準(zhǔn)確的任務(wù)目標(biāo)或系統(tǒng)功能的概念模型。此外，駕駛艙的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證不超越飛行員注意力、記憶力、計(jì)算能力、決策偏差等的基本局限前提下，充分發(fā)揮其解決問題、歸納推理的能力。

（7）設(shè)計(jì)優(yōu)先次序：駕駛艙中各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)首先確保其系統(tǒng)信息和功能操作的完整性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需遵循的優(yōu)先級次序依次為：簡化、冗余和自動化。

（8）機(jī)組任務(wù)簡化：駕駛艙的設(shè)計(jì)可以通過提供輔助決策信息和簡化操作來實(shí)現(xiàn)機(jī)組任務(wù)的簡化。機(jī)組任務(wù)的復(fù)雜程度應(yīng)保證當(dāng)自動化系統(tǒng)失效時(shí)，飛行員仍能夠獲取得足夠的信息和操作支持，來完成飛行任務(wù)。

3 結(jié)語

針對目前國內(nèi)直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)未建立完善的人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法與體系的現(xiàn)狀，本文對直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念開展研究，闡述了人機(jī)和諧的直升機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)理念，確定了駕駛艙設(shè)計(jì)過程中人機(jī)功能分配和人機(jī)交互設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的一般原則，為人機(jī)之間的功能分配和交互給出參考，提供矛盾出現(xiàn)時(shí)的協(xié)調(diào)依據(jù)，保障人機(jī)接口和操作方法的一致性，為直升機(jī)駕駛艙各階段的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提升提供指導(dǎo)。

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