大型商用飛機單一飛行員駕駛的人因工程研究進展與展望

許為，陳勇，董文俊，董大勇，葛列眾

（1.浙江大學 心理科學研究中心，杭州 310027）

（2.中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引 言

在過去50 多年中，技術發展推動了大型商用飛機駕駛艙機組人員逐步遞減（de-crewing）的趨勢。從最初5 名機組人員到目前機長和副駕駛2人配置，這種遞減情況在不久的將來還會持續下去。在此背景下，作為新一代商用飛機發展的核心技術之一，目前國內外民航界正在積極探索和研發大型商用飛機“單一飛行員駕駛”（Single Pilot Operations，簡稱SPO）模式。SPO 指在大型民用飛機駕駛艙中僅配置一名飛行員（機長），借助提升的機載設備或者遠程地面站操作員的支持（或者兩者組合），能夠在各種飛行場景中安全有效地完成航線飛行任務，并且達到不低于目前雙乘員駕駛模式的飛行安全水平。

支持SPO 的人們認為SPO 會導致一場航空運輸革命，在滿足當前商用飛機雙乘員駕駛模式功能和安全性的條件下，SPO 可以帶來減少飛行員數量、提升經濟性、減少駕駛艙資源配置、縮小駕駛艙空間和減輕飛機重量等方面的好處。例如，42%的美國航線飛行員10 年后將退休，累積的飛行員短缺在2035 年將達到4 萬人。SPO 的這些優勢對短途支線客貨飛機表現得更加突出。然而，國際民航飛行員協會（ALPA）在2019 年發布的白皮書《單人飛行操作的危險》中明確反對SPO，強調為維持飛行安全，大型民用飛機駕駛艙至少需要兩名飛行員。N.Stewart 等針對SPO的問卷調查表明，公眾支持SPO 的前提是保證飛行員健康、維持技術可靠性以及提供較大幅度的機票降價。

美國NASA 一直在持續開展針對SPO 的相關研究，并且系統地提出了一些SPO 總體設計方案。歐盟的“減少應激和工作負荷的高級駕駛艙”（ACROSS）計劃也包括了SPO 研究。Boe?ing、Airbus 等飛機制造商以及Rockwell 等航空設備供應商也在開展相關的SPO 研發工作。國內，針對SPO 技術方案和系統架構的一些研究工作也開始起步，例如，2020 年，上海交通大學王淼等提出了一個SPO 模式系統架構。目前，國內一些航空公司也開始關注SPO。

人因工程（Human Factors Engineering，民航界也稱之為“人為因素”）預備研究在飛機型號研發中起著無可替代的重要作用，SPO 研發也不例外。作為一個標志性事件，2012 年NASA 的首次SPO 技術交流會的主要議題之一就是關于SPO 人因工程預備研究的重點和范圍。自此之后，在美國以NASA 為主開展了一系列SPO 人因工程研究，歐洲和澳洲等地的科研院校也開展了SPO 人 因 工 程 研 究，目 前 公 開 發 表 的SPO 人因工程研究文獻有數十篇，但國內這方面的工作尚未啟動。

人因工程界強調實現SPO 的最大障礙不是技術本身，而是如何遵循“以人為中心設計”的理念，合理利用技術，研發出一個有效支持SPO 系統設計和飛行安全的人因工程解決方案。

針對SPO 人因工程預研的重要性和迫切性，本文從人因工程角度出發，通過文獻綜述和分析來回答以下問題：目前國外的SPO 人因工程預研進展到一個什么程度？有哪些主要結果？存在的主要問題是什么？在回答這些問題的基礎上，本文深入分析針對SPO 的一些關鍵人因問題，提出今后的研究重點，并針對今后SPO 人因工程研究，提出總的思路和建議。

1 SPO 人因工程研究概述與現狀

1.1 SPO 總體設計方案

開展SPO 人因工程研究，首先要制定初步的SPO 總體設計方案，然后通過一系列人因工程分析、建模、原型設計、實驗研究等手段比較和驗證所提出的SPO 設計方案，確定最佳方案，最后為SPO 系統設計提供人因工程的解決方案。

初期的SPO 研究主要涉及兩種SPO 總體方案。一種是駕駛艙機載設備更新方案（以下簡稱駕駛艙方案），這是一種“以飛機為中心”的方案，主要通過提升現有駕駛艙機載自動化系統或引進機載智能自主化系統來替代現有人類副駕駛的部份職責，SPO 飛行操作基本上不依賴于地面支持。另一種是遠程地面站支持方案（以下簡稱地面站方案），這是一種“以空地為中心”的方案，具有分布式機組的設計概念，將現有副駕駛的部份職責從空中移到了地面。在地面站方案中，地面站操作員主要承擔以下三種角色：（1）常規的多機“簽派員”；（2）為多架正常起飛或近進飛機提供支持的“港口飛行員”（harbor pilot）；（3）為處于非正常狀態飛行（off-normal）的單架SPO 飛機提供飛行支持的“遠程飛行員”。因此，地面站操作員根據任務可分為：混合式操作員（承擔以上所有三種角色）、專職地面操作員（承擔角色1 和2）、地面飛行員（承擔角色3）。地面站方案也包括對駕駛艙機載設備以及地面站設備的技術升級。

隨著研究的展開，研究者開始考慮第三種方案：“駕駛艙+地面站”組合式SPO 總體設計方案。例如，NASA 團隊根據飛行員能力和飛行條件兩個維度將該SPO 組合式總體方案分成四個類別，如表1 所示，其中飛行條件是指除飛行員能力以外的影響飛行的因素，比如飛機、天氣、機場等狀態。駕駛艙機載和地面站設備更新是指升級現有自動化系統或者引進新的智能自主化系統。

表1 SPO 研究方案分類Table 1 Taxonomy of SPO research solutions

從表1 可以看出：從類別1 到類別4，SPO 的飛行操作變得更具挑戰性，對實施SPO 的飛行安全要求也相應提高，對SPO 機長和地面站操作員的職責、設備支持、操作程序等方面的考慮也更為復雜。例如，類別1 的SPO 方案不需要大量的地面站支持。在類別2 的SPO 方案中，SPO 機長可能會要求地面站支持，尤其在非正常飛行場景以及工作量很大的情況下。類別3 的SPO 方案要求地面站操作員履行機長的職責，在駕駛艙機載設備系統的輔助下遠程操控飛機安全著陸。在類別4的SPO 方案中，履行機長職責的地面站操作員可能需要地面站其他人員的協助才能安全地操控飛機著陸。根據地面站操作員的角色，“簽派員”需要支持方案類別1～類別4 中的部分任務；“港口飛行員”支持類別1；“地面飛行員”需要支持類別2、類別3、類別4。

Airbus 稱之為“最小可行模擬器”的SPO 飛機駕駛艙模型、NASA 的一個SPO 模擬地面站、上海交通大學的“駕駛艙+地面站”SPO 組合方案演示驗證系統架構以及設計原型分別如圖1～圖3 所示。

圖1 Airbus 的SPO 飛機模擬駕駛艙［31］Fig.1 An SPO flight deck simulator from Airbus［31］

圖2 NASA SPO 實驗模擬地面站［15］Fig.2 A NASA SPO simulated ground station［15］

圖3 上海交通大學的“駕駛艙+地面站”SPO 組合方案演示和驗證系統架構［9］Fig.3 The demonstration and verification system architecture of the combined“flight deck+ground station”SPO solution proposed by Shanghai Jiao Tong University［9］

1.2 研究方法

基于K.L.Vu 等，D.Schmid 等的綜述，概括出目前SPO 人因工程研究所采用的主要方法，如表2 所示。人因工程研究方法首先是基于“以人為中心”的理念，在研究初期充分收集人（飛行員、地面站操作員等）的需求；然后構建設計概念和原型，通過實驗獲取用戶（飛行員等）對設計概念和原型的反饋，整個過程是一個重復迭代的流程；最終篩選出符合人因工程需求的最佳SPO方案。

表2 目前SPO 研究中所采用的主要人因工程方法Table 2 Major human factors methods used in the current SPO research

從表2 可以看出：目前SPO 人因工程研究總體上按照“以人為中心”理念和方法展開，這種“以人為中心”方法有助于優化人機匹配，支持適航認證，保證系統安全，降低后期系統開發的風險。同時，這樣的方法也說明在SPO 系統研發中人因工程“預研先行”的重要性。

1.3 階段性研究結果

從研究的側重面看，2012 年NASA SPO 技術交流會確定了人因工程研究的5 個重點領域：SPO設計方案、設備系統更新、人員交流與溝通、飛行員失能、適航認證。目前的人因工程研究主要集中在前三個方面，取得了以下一些階段性研究結果。

首先，基于有限的模擬駕駛艙實驗研究，目前還沒有足夠的人因工程研究數據證實哪一種SPO方案具有明顯的優勢。多項人因工程模擬艙實驗研究表明，SPO 駕駛艙機長借助于地面站或駕駛艙機載設備升級的支持，能夠完成正常飛行場景和某些非正常場景中的飛行操作任務。

第二，基于對飛行員工作負荷的考慮，沒有地面站支持的SPO 方案已經被許多研究放棄。多項模擬駕駛艙實驗表明，在非正常或應急飛行場景中，飛行員普遍報告SPO 會導致工作負荷增加，沒有地面站支持的SPO 方案差于有地面站支持的方案，地面站支持有助于降低飛行員工作負荷和飛行安全。

第三，地面站的多機“簽派員”借助地面站設備，可以實現一人為多架正常起飛或進近的SPO飛機提供副駕駛職責的支持，這個結論是基于有效的地面站設備以及人機界面可以為地面站操作員提供足夠的有關SPO 飛機的情景意識。

第四，從安全和人因工程等角度考慮，許多研究建議“駕駛艙方案+地面站方案”的組合方案，即通過提升現有駕駛艙機載設備，同時也為SPO 飛行員提供地面站支持，構建一個“單一駕駛艙飛行員+駕駛艙機載設備+地面站操作員”協同實現的SPO 新模式。盡管該組合方案比較復雜，但研究者認為，這種組合方案可以處理各種不可預見的影響飛行安全的場景，最大程度地保證SPO 飛行安全。

最后，SPO 人因工程研究取得了一些階段性結果，為SPO 總體方案的初步選擇提供了人因工程的學科支持。Boeing 和Airbus 等飛機制造商正在研發SPO 民用飛機，由于缺少足夠的信息，目前本文無法準確判斷這些階段性研究結果對制造商的SPO 系統設計所產生的具體影響。

1.4 存在的主要問題

首先，盡管SPO 人因工程研究取得了一些階段性結果，但是目前的研究還不全面。雖然一些研究建議采用“駕駛艙方案+地面站方案”的SPO組合方案，但是該方案增加了系統總體設計的復雜性，涉及到人與機（駕駛艙，地面站）、空（駕駛艙）與地（地面站）人員之間功能和任務的重新分配，機載和地面設備的升級以及航空運輸系統等多方面的重大更改，需要開展進一步的研究來為SPO 系統總體設計提供完整的SPO 人因工程解決方案。

其次，目前的SPO 人因工程研究僅考慮了有限的飛行場景，還缺乏足夠的研究證據來完整地驗證SPO 方案。例如，模擬艙實驗僅考慮了有限的非正常和應急飛行場景，沒有全面考慮如何從非正常飛行狀態或者偏離正常自動化飛行程序的操作中恢復等復雜飛行場景，也沒有充分考慮地面站“遠程飛行員”為處于非正常飛行場景中的單架SPO 飛機提供飛行支持的場景。這些高工作量場景對飛行員以及地面站操作員的工作負荷、人機交互和協作、飛行操控和決策等方面影響很大。另外，在SPO“正常”巡航飛行階段，低工作量可能會增加飛行員無聊和疲勞等效應，導致情景意識和警戒水平下降，目前還缺乏這方面的研究。

最后，目前的SPO 人因工程研究還沒有開展（或者沒有深入開展）針對一些SPO 關鍵人因問題的研究。例如，飛行員失能，空地和人機之間協同操作和決策，適航認證等。另外，許多實驗采用不同的測試指標（工作負荷等），不利于跨研究的比較；研究大多采用現有駕駛艙設備或者低保真SPO 駕駛艙設計原型，還沒有具體的設計方案和高保真設計原型；研究缺乏對駕駛艙設備更新的總體考慮（提升現有機載自動化或者引進新的智能自主系統）；許多研究中的人機交互設計還停留在概念層面。

2 SPO 關鍵人因問題及研究重點

2.1 人機功能和任務分配

作為人因工程研發的一項基礎工作，人機功能和任務分配將為SPO 的系統設計奠定基礎。無論采用哪種SPO 方案，都將對現有基于雙乘員駕駛艙的人機功能和任務進行重新分配。SPO 研究首先需要優化人與機（機載設備系統）、空（駕駛艙）與地（地面站）人員之間功能和任務的重新分配。

目前人因工程研究已經開展了大量的這方面的研究，研究者采用傳統的功能分析、流程分析等方法，在不同飛行場景中，分析和定義SPO 駕駛艙飛行員、地面站操作員以及設備系統的角色、功能、任務等；研究者還采用了一些新方法從不同的角度來分析SPO 人機功能和任務的重新分配，例如認知工作分析，工作領域分析。但是，現有的SPO 人機功能和任務分配研究工作還不完善，許多研究還側重于方法的選擇和比較，研究結果缺少人因工程實驗驗證，尚無法為SPO 方案的系統需求定義提供完整的分配方案。

另外，目前的研究沒有充分考慮地面站方案。例如，地面站方案的主要挑戰之一是如何定義地面站操作員與SPO 駕駛艙飛行員之間的功能和角色分配，但是大多數研究注重于地面站操作員的一種任務，例如支持高工作量情景下的單架飛機或者多架正常飛行的飛機，只有K.L.Vu 等、J.Lachter 等的 研 究 包 括 了 地 面 支 持 的 多 任 務組合。

現有雙乘員駕駛艙的人機交互設計主要是基于幾十年前制定的人與自動化系統之間的功能分配方案，這種分配已被證明有時會阻礙飛行員履行其主要職責，不能有效地利用飛行員的潛能（處理異常狀況等），浪費了飛行員的基本飛行技能。這種設計是基于“以技術為中心”的理念，將一些飛行操作任務整體地分配給自動化系統，造成將飛行員置于“人在環外”的狀況，容易降低情景意識，無法迅速有效地處理復雜的意外情況。從方法論上來說，這種分配主要依據傳統的Fitts 模型：人機功能分配取決于兩者之間的相對優勢，但是沒有系統考慮飛行員潛能和技能，這個問題對SPO 飛行員的影響更大。

今后針對SPO 人機功能和任務分配的人因工程研究需要從以下三方面考慮。首先，吸取現有駕駛艙自動化系統設計的教訓，采用“以人為中心”的理念來指導SPO 人機功能和任務分配。基于現有的研究，選擇最佳的方法明確定義針對SPO 的分配方案，要嚴格評估SPO 中副駕駛工作量的分配去向以及非正常和應急飛行場景中的分配方案，充分考慮工作負荷、人機交互決策模式、空—地協同的飛行操控和決策等因素，制定出完整的SPO 人機功能和任務分配方案。

其次，采用人因工程實驗（模擬艙實驗等）驗證SPO 人機功能和任務分配方案，并且采用合適的指標（工作負荷等）來優化分配方案，為SPO 方案的系統設計決策提供實驗依據。

最后，在系統設計中考慮如何發揮飛行員潛能和技能。目前，在現有雙乘員駕駛艙中，飛行員每次航線飛行平均花費不超過10 min 的手動操控。SPO 駕駛艙自動化的提升會進一步減少手動操控，要考慮如何既能夠發揮飛行員潛能和技能，又能保證飛行員“人在環內”的系統設計。例如，采用基于自適應機制的智能系統，根據飛行員 狀 態 以 及場景 動 態 調 整人機 功 能 分 配。在低負荷操作中鼓勵手動操控；在高負荷操作中，系統控制飛機，使飛行員能夠執行航線規劃或者應急任務。

2.2 工作負荷

傳統雙乘員駕駛模式的一個重要特征就是工作分工，SPO 模式中將雙乘員的工作由單一飛行員承擔，增加了飛行員的工作負荷，這是SPO 面臨的重要問題之一。目前針對SPO 工作負荷的人因工程研究主要集中在針對SPO 駕駛艙飛行員和地面站操作員工作負荷的實驗評估，以及如何通過設備系統的人機交互設計來降低工作負荷。

研究者對高工作負荷狀態下如何保證SPO 飛行安全的重要性已經達成了共識。多項研究取得了基本一致的結果：在正常飛行場景中，多數飛行員可以接受SPO 操作的工作負荷；而在非正常操作或應急飛行場景中，與雙乘員駕駛艙相比，飛行員普遍認為 SPO 的工作負荷明顯增加。SPO 方案需要給高工作負荷下的飛行員提供飛行支持方案（例如地面站支持）。

通過設備提升和人機交互設計來降低飛行員工作負荷是目前關注的一個問題。例如，認知飛行員—飛機界面（CPAI）設計概念，認知自適應人機界面（CAMMI）系統，這些系統根據監測的飛行員工作負荷以及飛機狀態，動態地調整人機任務分配（自動化水平等）。初步實驗結果表明，系統可以降低飛行員的工作負荷。類似的人機自適應設計思路已經在早期研究中體現出來，例如駕駛艙支持系統（CASSY）。其他的設計概念包括智能副駕駛電子交叉檢查表、飛行員可穿戴技術、操作告警系統、增強現實眼鏡、虛擬飛行員輔助系統、飛行操作推薦系統等。

針對地面站操作員的工作負荷問題，N.Ho 等初步研究表明，在地面站智能設備系統（設計原型）的支持下，地面站簽派員可以同時支持多架SPO 飛機和管理地面高工作量的事件（機場關閉等）。K.L.Vu 等研究表明，當地面站“遠程飛行員”為處于非正常飛行狀態的單架SPO 飛機提供支持時，就不應該執行其他職責。

從長遠來看，需要考慮未來空中交通管制（ATC）系統對SPO 飛行員工作負荷的影響。例如，美國未來ATC（NextGen）計劃將一些ATC 任務轉移給飛行員，而且未來的空間將更加擁擠，這些變化有可能進一步增加SPO 飛行員的工作負荷。

目前針對SPO 工作負荷的人因工程模擬駕駛艙實驗研究存在兩個主要問題：其一，缺少對極端條件下飛行場景的考慮；其二，實驗研究采用的工作負荷測量指標不一致，例如生理、心理、腦電、眼動、主觀量表等指標，給跨研究比較帶來困難。

今后針對SPO 工作負荷的人因工程研究需要考慮以下三方面工作。首先，建立SPO 工作負荷評價體系，支持對SPO 總體方案的實驗研究篩選。基于適航認證要求（例如條款25.1523 中的最小飛行組），選擇合適的工作負荷測評指標，為SPO空地人—人與人—機交互、協同和決策的系統整體設計提供人因工程實驗數據。

其次，針對目前研究中存在的問題，完善針對SPO 工作負荷的人因工程模擬艙實驗研究，特別需要評估在非正常和應急飛行場景中飛行員高工作負荷對SPO 駕駛艙方案和地面站方案的影響，為SPO 方案的決策提供實驗依據，確保SPO 駕駛艙飛行員代替現有雙飛行員駕駛的工作負荷不超出安全范圍。

最后，通過技術手段（自動化提升或者智能自主技術、人機交互設計）來降低飛行員工作負荷。例如，基于以往的研究，進一步開展智能機載人機功能自適應分配系統的研究，動態優化飛行員工作負荷。

2.3 飛行員失能

飛行員失能是指由于健康等原因飛行員喪失行為和認知等能力。傳統雙乘員駕駛模式下的飛行員失能可能危害飛行安全，飛行員失能對SPO飛行安全的影響更加突出。研究者對SPO 飛行員失能的重要性已經達成了廣泛的共識，SPO駕駛艙必須裝備機載感知系統來準確判斷飛行員是否處于失能狀態，一旦發現飛行員進入失能狀態，機載自動化系統或者地面支持站必須快速接管SPO 飛機。

發生飛行員失能的概率相當低，但是從單人駕駛特殊性、公眾對SPO 接受度以及民航安全等方面考慮，飛行員失能狀態下保證SPO 飛行安全顯得尤為重要。有研究者建議，相對于雙乘員駕駛艙雙倍的余度式安全設計，SPO 飛行需要有“三倍”的余度式安全設計。

“未來歐洲環境中的飛機安全聯盟”（SAFEE）研究項目針對飛行員失能和自殺事件的研究思路是開發飛機機載飛行員健康監測系統和飛機監控系統。許多研究建議當SPO 飛行員失能事件發生時，地面站操作員應該接管飛機的操控，將飛機安全著陸在合適的機場，或者監控機載系統所操控的飛機自動著陸。

目前針對SPO 飛行員失能的人因工程研究還沒有全面展開，這方面的文獻有限，所關心的兩個主要問題是飛行員失能監控指標和監控手段。

D. Schmid 等的研 究 采用了系 統 理論事故模型和過程（STAMP）以及系統理論過程分析（STPA），研究分析了飛行員失能以及地面站如何檢測這種場景來快速接管飛機操控。建模結果表明，使用升級的自動化系統可以防止由于SPO 飛行員失能而可能導致的事故，該結果還沒有經過實驗驗證。

在非SPO 研究領域，人因工程針對人類操作員（飛行員、車輛駕駛員等）失能問題已經開展了許多研究。從操作員失能的監控指標來看，人因工程研究建議采用對警覺、嗜睡、疲勞、失去知覺等狀態的檢測（心理、生理、眼動、腦電監測等）以及對高環境壓力和工作量的檢測（心理、生理監測等）等。例如，Y. Lim 等提出的SPO“虛擬飛行員助理”（VPA）系統架構建議采用大腦（例如血氧水平）、心血管（心率變異性等）、眼睛（眨眼率、瞳孔直徑等）活動指標。

從SPO 系統設計角度，研究者一般建議采用被動式和非侵入式飛行員監控方法。有研究認為地面站的支持既能夠幫助減輕SPO 飛行員的工作負荷，同時在互動中可以幫助檢測飛行員的狀態。

另外，當SPO 飛行員失能事件發生時，SPO 飛機實際上過渡到一架由地面站遠程遙控的大型無人飛行器。人因工程界已經開展了一系列針對大型無人飛行器應急狀態下地面遙控的人機交互、人工接管等方面的研究，這些研究可以為SPO飛行員失能的系統解決方案提供支持。

今后的人因工程研究主要包括以下三方面。首先，基于目前的研究，開展針對SPO 飛行員失能監測指標的人因工程研究，利用人因工程實驗研究來篩選最佳監測指標以及觸發告警的最佳閥限值。

其次，開展針對SPO 飛行員失能的機載監測手段的人因工程研究。例如，監測系統的人機交互，系統舒服性等（非侵入式測量，遠程監控等），監測準確性和預測性（臉部識別，腦電測量等）。利用針對自動駕駛車駕駛員監測的人因工程研究成果為SPO 飛行員失能監控系統的開發提供參考。

最后，針對從飛行員失能事件發生到SPO 飛機安全著落期間的平穩安全問題，人因工程要提供解決方案。解決方案包括飛行員失能監控、機載系統（自動化/智能自主系統）的自動接管、地面站緊急飛行支持、地面站操作員情景意識和角色轉換等。

2.4 自動化與智能自主化系統更新

實現SPO 的必要條件是更新現有設備系統，目前爭議的焦點是采用自動化技術提升現有駕駛艙機載自動化系統還是引進基于智能新技術的機載智能自主化系統（autonomous systems）。

自動化系統依賴于固定的邏輯規則和算法來執行定義好的任務，當出現設計無法預料的飛行場景時，需要飛行員人工干預。大量的駕駛艙自動化人因工程研究發現，雖然自動化減少了飛行員的體力工作負荷，但是增加了飛行員自動化監控中的認知工作負荷，可能導致飛行員對自動化的過度信任、情景意識和警戒水平下降。遇到意外事件時，系統可能引起飛行員的模式混淆、自動化情景意識下降等問題，這些問題導致了多起飛行事故。

智能自主化系統通過基于人工智能算法、大數據和專家知識庫（尤其是應對非正常和應急操作場景）的學習訓練，在一些操作場景中，系統會具有一定的學習、自適應等能力，有可能在沒有人工干預的情況下獨立執行一些設計中無法預期的場景任務，從而能在更大的操作范圍內提供“自動化”功能。不同于作為輔助工具的自動化系統，智能自主系統可以成為與人類合作的“隊友”，分享任務和操控權，形成“人機組隊”（human-ma?chine teaming）式合作的新型人機關系，或者稱為“人—自主化組隊”（human-autonomy teaming）式合作。

許多研究者希望在SPO 駕駛艙引進一個“智能副駕駛”來承擔起與SPO 飛行員合作的隊友角色，形成類似于雙乘員駕駛艙的機組合作關系來解 決SPO 的 一 些 挑 戰。例 如，G. To?kadli 等采用一個“劇本委托界面“（playbook del?egation interface，簡稱PDI）來評估SPO 駕駛艙中的“人—自主化組隊”式合作。該系統是一個基于領域知識庫和決策—行為架構的智能自主系統，在一些設計無法預料的操作場景中可以輔助操作員。初步的實驗結果表明，飛行員認為PDI 有助于他們與該自主化系統的合作。Y.Lim 等提出的SPO“虛擬飛行員助理”（VPA）系統架構就是基于智能技術，該系統包括推理模型、不確定性分析模型、認知知識模型等，其設計目的是通過駕駛艙飛行員與智能自主化系統之間的協作來降低飛行員的工作負荷。

在NASA、FAA 和Rockwell 早期合作的一項SPO 模擬艙實驗研究報告中，針對SPO 會導致飛行員工作負荷增加等問題，該報告建議SPO 的技術干預方案不應該僅僅是提升現有駕駛艙的自動化系統，而是應該考慮引進新的智能自主化系統。一些研究者也認同這樣的技術路徑。

盡管目前針對“智能副駕駛”的技術和人因工程研究尚不成熟，但是在大型民用飛機機載設備領域已有一些正在研發的智能子系統，例如智能化推薦檢查表及狀態傳感系統，機載人機語音交互，智能化空中交通防撞系統，應對故障模式的智能飛行系統，可穿戴智能設備。這些研發有助于為SPO 機載智能自主系統的技術發展路徑提供支持。

SPO 地面站同樣需要設備系統更新。例如，NASA 團隊采用“人—自主化組隊”式合作理念開展了一項針對地面站“簽派員”執行飛行跟蹤任務的評估，該研究采用了一個自主約束飛行計劃器（ACFP）系統。作為一種自動推薦系統，ACFP匯集多源信息，生成一份排序的選項（天氣、位置、地形、飛機狀況、機場跑道等），目的是通過該系統與地面站操作員的協作關系，支持地面站操作員在非正常場景中的快速決策。初步的模擬實驗結果表明，與沒有ACFP 的地面站相比，參與者認為ACFP 提供了足夠的情景意識，降低了工作負荷。

提升現有的駕駛艙機載自動化系統來支持SPO 是另一種思路。采用這種思路的SPO 系統設計必須考慮雙乘員駕駛艙自動化的人因工程問題。如前所述，“以技術為中心”的理念導致現有雙乘員駕駛艙自動化系統容易引起飛行員“人在環 外”的 效應。L. Bainbridge發 現 了 一個經典的“自動化諷刺”現象：自動化程度越高，操作員介入越少，對系統的關注度就越低；在應急場景中，操作員就越不容易通過人工干預來操控系統。更新SPO 機載自動化系統必然提升系統的自動化程度，如何避免“自動化諷刺”現象是SPO 系統設計的一個挑戰。

針對駕駛艙自動化的升級方案，人因工程研究提出了自適應的設計概念，即根據飛行員狀態，系統動態調整自動化水平。其他已經研發或者正在研發的項目包括“電子副駕駛”、“認知駕駛艙（COGPIT）”、“機組人員駕駛艙自動化系統（ALIAS）”、“數字化副駕駛”等。盡管有些項目不是針對SPO，但是這些設計概念為SPO 駕駛艙自動化升級提供了參考。

人因工程研究表明，提升駕駛艙機載自動化的水平可以降低飛行員體力工作負荷，但是也可能提升認知工作負荷并且降低情景意識。人因工程實驗研究表明，這種情景意識損失可以通過使用中等程度的自動化來減少。如何為SPO 系統設計提供明確的解決方案有待于今后的人因工程研究。

針對SPO 地面站自動化設備的升級方案，J.Lachter 等評估了一個基于自動化技術的合作工具（CT）設計原型對SPO 人機溝通和決策的影響。在該實驗中，參與人員在三種配置中執行了非正常飛行場景：基準操作（雙人飛行操作）、使用/不使用協作工具的SPO 操作。研究結果表明，雖然參與人員更喜歡基準操作的配置，但是他們認為協作工具的確有助于SPO 操作。這種從人機協作的角度來評估自動化升級值得鑒借。

綜上所述，提升現有自動化系統還是引進智能自主系統，目前還沒有明確的結論。今后的人因工程研究需要解決以下四方面問題。

首先，無論是采用自動化或者智能自主系統，本文強調采納“以人為中心”的理念來指導對SPO設備系統的總體設計。該理念要求將人類操作員放在系統研發的中心位置考慮，發揮人類智能與機器智能間的優勢互補，實現“人在環”的系統設計，保證人類操作員擁有對SPO 飛機的最終操控權。

第二，根據人因工程研究、機載自動化技術和智能自主技術可行性，初步建議SPO 駕駛艙設備系統采用“自動化+自主化”的組合式方案，根據場景復雜性選用技術，利用兩種技術的優勢互補來獲取最大的安全保證。例如，提升現有機載自動化來開發面向一般飛行環境的自動飛行模式，引進智能自主系統來開發面向復雜飛行環境的自主飛行模式（可獨立執行一些無法預期的任務）。人因工程要從人機功能分配、工作負荷、人機交互協同等方面出發，優化人—自動化—智能自主系統三者之間的整合設計，并通過實驗驗證最終的技術方案。

第三，針對駕駛艙設備升級，開展人機交互、協作和決策的人因工程研究，為SPO 空地人—人與人—機交互、協同和決策的系統整體設計提供人因工程方案。例如，基于智能技術，構建和實驗驗證基于“人—自主化組隊”合作的人—自主化之間的人機交互和決策模式及設計概念；在以往人因工程研究基礎上，構建和實驗驗證SPO 駕駛艙飛行員與自動化之間的人機交互決策模式和設計概念。

最后，針對駕駛艙機載自動化升級設計，系統設計需要避免“自動化諷刺”現象，解決目前雙乘員駕駛艙中的人因問題（簡化自動駕駛模式，避免“人在環外”等），在人與自動化（自動化水平、人機功能分配、工作負荷等）之間找到一個最佳設計平衡點，保證“只有通過嚴格人因工程實驗驗證的自動化升級方案”才能在SPO 方案中被考慮。

2.5 人機交互和人機界面

駕駛艙和地面站設備系統要在SPO 中發揮作用離不開有效的人機交互。回顧歷史，目前雙乘員駕駛艙人機交互設計基本上遵循“以技術為中心”的理念，導致人機界面擁有過分復雜的自動化模式和控制方式，帶來產生人為差錯的隱患。例如，垂直導航（VNAV）操作中的眾多自動化控制方式（垂直速度-V/S、飛行高度改變/FLCH、VNAV 航路、VNAV 速度、飛行路徑角/FPA 等）增加了飛行員的認知工作負荷；新增機載設備的告警信號（TCAS、EGPWS 等）沒有與原有機載告警信號實現有效整合，容易給高負荷狀態下的飛行員造成信息過載。

受跨機型設計通用性和兼容性、飛行員培訓、適航風險等因素的影響，后續新機型的駕駛艙人機交互設計并沒有得到根本的改進。SPO 應該是優化駕駛艙人機交互設計的一個新機遇，必須考慮如何解決這些“歷史遺留”的人機界面設計問題。

現有雙乘員駕駛艙會顯示過多與飛行員當前任務無關的信息，這種信息過載問題對SPO 飛行員的影響更大。現有駕駛艙人機顯示界面實際上并沒有完全實現從“空分制”（空間固定式機電儀表）向“時分制”（實時動態化數字顯示器）顯示方式的過渡，并且缺乏基于優化等級的動態信息顯示。Airbus 考慮在SPO 駕駛艙中采用基于“以飛行員為中心”的動態優化顯示方式，即圍繞飛行員任務的需求，顯示關鍵信息，降低次要信息的優先等級。Airbus 認為SPO 機載人機界面要保證飛行員擁有合適的工作負荷水平，例如在巡航低負荷階段，人機界面需要為飛行員提供一定的人機交互活動，保持“人在環”的狀態；在高負荷階段，人機界面要突出當前飛行目標參數的顯示。在模擬器上針對飛行員眼動掃描行為的實驗結果支持Airbus 的思路，該研究表明SPO 操作會增加飛行員的視覺工作負荷。

目前針對SPO 駕駛艙人機交互的人因工程研究有多種思路。例如，基于“自適應設計”理念的認知飛行員—飛機界面（CPAI）、認知自適應人機界面（CAMMI）；基于“人—自主化組隊”式合作理念的“劇本委托界面”（PDI）；基于人機交互技術的可穿戴技術和語音交互。

針對SPO 地面站設備的人機交互設計，有研究認為地面站設備的人機交互設計需要采用SPO機載人機界面的鏡像顯示方式，即顯示與SPO駕駛艙一致的信息，這有利于地面站人員通過設備的人機界面來遠程操控SPO 飛機。Y.Lim 等提出的虛擬飛行員助理系統（VPA）架構就包括了SPO 飛行員監控、飛行管理/控制等功能的人機界面。另外，NASA 團隊采用了一個“應急著陸協調”系統（ELP），當SPO 飛機發生故障時，作為推薦系統的ELP 可幫助飛行員選擇最佳緊急著陸機場。實驗結果表明，地面站操作員認為該推薦系統人機界面的透明化設計能夠為決策提供更好的解釋，并且能有效支持在非正常場景中高負荷的地面站操作。

如何通過有效的地面站設備人機交互設計來幫助地面站操作員保持足夠的情景意識也是人因工程關心的一個問題。S.L.Brandt 等的初步研究表明，既使地面站操作員缺乏對某一SPO 飛機飛行狀態的詳細了解，但是當該機向地面站請求副駕駛職責的飛行支持時，地面站操作員借助地面站設備人機界面仍然可以迅速獲取足夠的情景意識來為該機提供支持。J. Lachter 等研究表明，地面站設備的透明化人機界面可以及時將SPO 飛行環境和系統數據提供給地面站操作員，從而獲取足夠的情景意識。有研究建議利用可穿戴人機交互技術可以幫助SPO 飛行員提高情景意識。

總的來說，目前針對SPO 設備的人機交互研究尚不完整，SPO 空對地人機協作和決策系統涉及到空地人—人和人—機之間的交互、協同和決策，人—自動化/自主化交互等一系列人機交互問題，有待于今后進一步的人因工程研究。

一方面，SPO 為新型駕駛艙人機交互的優化設計提供了一個新的機遇，SPO 駕駛艙人機交互設計要基于“以飛行員為中心”的理念，解決現有雙乘員駕駛艙人機交互存在的問題。例如，基于飛行員任務的人機界面動態優化顯示方式，簡化駕駛艙自動化控制和顯示方式。要考慮采用創新方法，例如基于“人—自主化組隊”式合作的人機交互設計。

另一方面，人機交互和界面設計要考慮多種因素（工作負荷、飛行員失能等），SPO 研發可以構建多個設計原型方案，通過人因工程模擬駕駛艙實驗來優化人機界面的設計。

2.6 人—機與空—地的飛行協同操控和決策

SPO 改變了駕駛艙飛行員的認知決策模式。一方面，SPO 避免了現有雙乘員駕駛艙中雙人飛行員之間潛在的認知決策沖突，有助于提升決策效率；另一方面，SPO 駕駛艙飛行員將更多地依賴于個人知識、人—機（機載系統）之間以及人—人（地面站）空地之間的協同操控和決策。因此，SPO 的飛行操控和決策模式可能變得更為復雜。針對這種新型的飛行操控和決策模式，人因工程研究還沒有通過深入的研究來達到共識。要達到這樣的共識，人因工程研究首先要回答三個關鍵問題。

第一個問題是關于SPO 駕駛艙飛行員的角色轉變。民用飛機飛行員的主要任務是飛行、導航、通信（A-N-C），駕駛艙自動化的引進增加了一個管理系統的任務，并且帶來了一些不可預見的事件和故障模式，需要飛行員處理，因此，飛行員更像是一名“自動化管理員”或者“異常處理員”。S.M.Sprengart 等認為，未來的機載設備系統將自行管理具體的飛行任務，飛行員可能轉變為飛行管理角色（從機場A 到機場B 的任務等），成為一名“任務經理”。Airbus 也認為未來駕駛艙中的飛行員一般不用從事具體的航線飛行操作任務，而主要將承擔航線規劃等“任務管理”的角色。

SPO 涉及到在駕駛艙中移除和替代第二名飛行員的核心問題，這繞不開一個問題：如何定義人類操作員的角色。SPO 駕駛艙飛行員的這種角色轉變和定位將影響人機和空地之間的功能分配、協同操控和決策模式，影響SPO 的系統技術方案。

第二個問題是關于SPO 飛機的最終飛行操控決策權。基于“以技術為中心”理念的機載自動化升級“促使”飛行員成為系統管理員，部分地導致目前雙乘員駕駛艙中飛行員與自動化之間在飛行操控和決策方面存在的一些不匹配，進而導致了與自動化相關的人因問題。

許多SPO 研究出于對SPO 整體設計復雜性的擔憂，研究的重點只是在一個“舒適區”內針對SPO 方案提出一些針對現有系統的局部改進，這是一種“演變”而不是“革新”的設計路徑。雖然這種“演變”路徑對系統開發和適航認證成本要低得多，但是很難從根本上解決目前人—自動化交互中的問題，而且長遠來看，可能帶來飛行安全、人因工程、系統升級可擴展性等方面的一系列問題。

S.M.Sprengart 等認為，離開“舒適區”是尋找SPO 系統方案的必要條件，只有這樣才能將SPO 飛行員與機載系統（自動化、智能自主化、人機交互等）在人機與空地的飛行協同操控和決策等方面達到最佳的匹配。無論哪一種SPO 方案都需要適航認證，SPO 提供了一個獨特機遇。S.M.Neis 等建議，SPO 系統方案的設計應該回到原點，將人類操作員放回中心，讓技術適應人類操作員，最終達到人機交互、協同操作和決策的最佳匹配。

第三個問題是關于飛行的操控決策權管理和權限分配。現有雙乘員駕駛艙的設計是基于“決策控制權在機長手中，直到移交給另一人為止”的原則。SPO 飛行操控權的授權管理和權限分配可發生在人—機（機載、地面站系統）之間或人—人（駕駛艙與地面站）之間，這個過程可能會出現飛行操控決策和權限分配方面的沖突。目前的研究還沒有明確地定義相應的分配原則和模式。

有研究建議只要SPO 系統設計定義了相應的分配原則和模式，我們可以利用智能自主技術來實現對SPO 飛行操控權限的分配。例如，智能化空中交通防撞系統（ITCAS）在檢測到即將發生碰撞時，并且飛行員失能或無法及時做出反應時，系統可以自適應調整擁有的權限級別來接管飛行操控。

人機與空地的飛行協同操控和決策模式設計還需要考慮一些人因問題。例如，人因工程研究已經表明，當飛行員處于環外狀態時，其控制權應該被收回；當飛行員從系統中收回飛行操控權時，系統設計需要考慮飛行員認知延遲的影響，尤其在應急狀況中對系統的診斷會出現更長的認知延遲。研究表明，在應急場景中地面站操作員利用人機協作系統可以有效支持空地之間操控權的分配。

綜上所述，目前還沒有足夠的SPO 人因工程研究能夠完整地回答這些重要問題。今后的研究首先需要構建和實驗驗證SPO 機長、駕駛艙設備系統和地面站操作員三方空地協同的飛行協同操控和決策模式。這種模式首先要明確以上三個問題的答案，考慮各種飛行條件以及SPO 飛行員能力（如表1 所示），考慮在操控權分享和轉移過程中潛在的人—人或者人—機沖突，并且通過人因工程研究來驗證。

另外，今后的研究還需要從SPO 人機功能的重新分配出發，嚴格定義飛行操控和決策權限的優先等級分配方案。例如，如果機長離開駕駛艙，地面站承擔“副駕駛”的支持人員是否可以履行機長的職責；在飛行員失能情況下，飛行權限是否自動轉移到地面“副駕駛”或者由機載系統接管；如果需要地面站遠程控制，地面站操作員如何知道他們必須接管控制權，誰擁有最終操控權；作為一種罕見的情況，如果同時發生地空兩名飛行員以敵對或自殺的方式行事，是否需要考慮備份地面站操作員等。

2.7 人—人交流與溝通

SPO 的系統方案需要考慮地面站操作員、ATC 管制員和駕駛艙的一體化協同模式，在這一模式中，人—人之間的有效交流與溝通至關重要。

SPO 駕駛艙飛行員與地面站操作員之間的交流除了技術挑戰以外，不同空間上人—人（SPO 機長與地面站操作員）之間的溝通、協調和決策是一個重要的人因問題，事關飛行安全。由于無法獲得非語言線索和動作的信息，飛行員的空間分離可能會對相互之間的交流以及情景意識產生負面影響，例如，飛行員對他們的角色（誰在飛行？）以及動作是否完成（是否輸入了命令？）可能會感到困惑。

J. Lachter 等的實驗結果表明，在一些非正常飛行場景中，雖然SPO 飛行員不喜歡空間分離的操作，但是在空間分離與不分離兩種條件下的SPO 飛行績效沒有顯著差別。因此，研究者認為空間分離對SPO 空地合作的影響沒有比預料的大。該模擬艙實驗還比較了SPO 機長與地面站“副駕駛”的協同操作（“空間分離”方案）、現有雙人駕駛艙操作（“無空間分離”方案）、有或沒有機組資源管理（CRM）協作工具支持的三種實驗條件，結果表明，在一些非正常飛行場景中SPO 駕駛艙飛行員都能夠完成飛行任務，但是他們更傾向于采用“無空間分離”的方案以及有CRM 協作工具的支持。

缺乏副駕駛的SPO 駕駛艙由于缺乏艙內人—人之間的交流與溝通，飛行員容易產生單調、低警戒、易疲勞等狀態，因此目前的研究都建議SPO 應該被限制在短途航線運營中。現有的SPO 人因工程研究還沒有充分考慮SPO 對飛行員疲勞的影響以及針對飛行員疲勞管理的解決方案。Air?bus 認為SPO 機載人機界面設計應該考慮飛行員的疲勞管理，例如在巡航低負荷階段，人機界面為飛行員提供一定的人機交互活動，保持一定的警覺水平。

今后的人因工程研究需要考慮以下三個方面。首先，進一步評估在不同SPO 飛行階段中空間分離對飛行員的工作負荷、情景意識、警戒水平以及單調狀態等方面的影響，為SPO 人機與空地的協同操控和決策模式的系統設計提供人因工程的支持。

然后，在系統設計中，通過技術和人機交互設計等手段來降低SPO 空地之間潛在的沖突風險，通過有效的、透明化的人機交互界面來促進人-人以及人機之間的溝通。

最后，提供針對沖突管理的人因工程解決方案。例如，制定沖突管理的策略和方法，改進現有CRM 方法，修改現有飛行程序。

2.8 人為因素適航認證

SPO 的適航認證是一個公認的棘手問題，其中，美國聯邦航空總署（FAA）和歐盟航空安全局（EASA）的態度尤為重要。在2012 年的NASA SPO 會議上，FAA 飛機與飛行機組界面部主任Steve Boyd 表示：SPO 研發不應該將適航認證視為一個障礙，目前的適航認證是達到飛行安全目的的一個不完美的工具；如果新技術出現，在保證安全的前提下，FAA 會認為某些條款是過時的。EASA 目前正在考慮放寬對大型民用飛機SPO 適航認證的限制。

適航條款要求本身是與時俱進的。例如，20世紀80 年代，繼Boeing 757 采用雙人操作駕駛艙以后，Boeing 成功說服FAA 將原先計劃的Boeing 767 的3 人制駕駛艙升級為雙人制駕駛艙。另外，適航條款FAR 25.1523 發布在20 世紀40 年代，該條款的適航要求是基于飛行績效，并沒有明確指定最小飛行機組人數。在20 世紀60 年代，該條款增加補充了飛行操作、導航、通訊等6 方面的工作負荷要求。

從人為因素（人因工程）適航認證角度看，FAR-25 部中的某些適航條款可能是SPO 適航認證的潛在障礙。例如，FAR 25.1523（最小飛行機組）包含與飛行員失能相關的要求，并將事故的原因歸因于單人駕駛操作，這可能表明適航當局不愿對SPO 進行認證。雖然FAR 25 部沒有明確說明SPO 是不可以適航認證的，但是FAR 25 部中所用的語言是假定雙人操作的駕駛艙。有研究者質疑，雖然所有的適航規范都規定大型民用飛機駕駛艙必須有不少于兩人的機組，但是同時又規定所有飛機必須可以由一名飛行員從任一座位上操作，這是否表明現有雙乘員駕駛艙已經滿足了對SPO 的適航認證要求？

針對人為因素適航條款，人因工程已經開展了一些研究。例如，FAR 25 部中許多適航條款從人因工程角度對駕駛艙設計提出了保證最低安全的適航要求，為進一步降低由人為因素導致的事故發生率，國際航空界一直在努力將航空產品的人因工程設計高于適航要求，并且達成了以下兩方面的共識。

一方面，目前的人為因素適航條款內容滯后于機載技術和人因工程領域的發展。例如，許多條款內容是基于以往機電式機載設備而制定的，沒有及時反映當代數字化、自動化和綜合化機載人機交互技術對人因工程設計提出的更高要求，由此帶來條款內容多側重于物理空間等方面的基本要求（可達性、可視性等）。人為因素條款基本按照“以系統為中心”的方式分散地羅列在相關的系統和部件條款中。

另一方面，人為因素適航條款缺乏對駕駛艙人機交互設計的指導作用。例如，自動化駕駛艙可能引起飛行員的自動化方式混淆和選擇的人為差錯。盡管設計不能（也不可能）完全消除人為差錯，但作為保障最低飛行安全的適航標準，如何從設計上幫助最大限度地減少人為差錯有待進一步完善。另外，人為因素適航條款缺乏對不同飛機制造商之間的駕駛艙人機界面基本元素的一致性設計指導，目前的雙乘員駕駛艙存在不一致的界面設計（顯示畫面格式、起飛/復飛開關位置、自動油門斷開裝置、自動飛行方式板布局和方式命名等）。

更重要的是，從進一步提高飛行安全的角度看，目前的人為因素適航條款缺乏對新一代駕駛艙人機界面優化更新的前瞻性指導。這個問題對SPO 研發影響更大，因此適航認證條款應該與時俱進，從而有效地指導SPO 的人因工程設計。

滿足當前的適航條款對SPO 是一項挑戰。例如，就條款FAR 25.1302（人誤管理）的適航要求來說，在多人駕駛艙中，事故數據表明一名飛行員所產生的人為差錯經常由另一名飛行員發現和改正，SPO 則失去了這種機會，這是否會給安全造成影響？根據條款FAR 25.1523，要證明SPO 中單飛行員的工作量（借助某種支持方案）等于或小于現有駕駛艙雙人飛行員的工作量也是一個挑戰。

人因工程研究表明，建立起申請人與局方（適航當局）之間有效的協調關系非常重要。局方應主動地參與型號研制，指導申請人的人為因素前期認證工作；而申請人要主動爭取局方指導。SPO 研發可能帶來駕駛艙人機界面的重新設計，盡早建立起申請人與局方的協調合作關系尤其重要。

另外，SPO 對飛行員如何獲得飛行資質和適航認證也帶來了新問題。目前，一名飛行員要獲得雙乘員駕駛艙的飛行資格，首先要成為一名觀察員，積累一定的飛行小時數后才能成為一名副駕駛，再積累一定的飛行小時數后才能成為一名機長。若引入SPO 運營機制，飛行員的帶飛培訓、駕駛艙飛行操作資質獲取等方面的工作將面臨新的問題。

盡管SPO 人為因素適航認證是人因工程界非常關心的一個問題，但是還沒有進入實質性的研究階段，下一步人因工程工作可以從以下三方面考慮。

首先，將SPO 的人為因素適航意識貫穿在人因工程的研發全流程中。在研究初期，確定所有適用的人為因素條款，將各條款的具體要求分解為各系統和部件的設計指標，對不符合現有條款要求的設計做到早發現早溝通。同時，SPO 研發要挑戰過時的現有條款，盡早獲取申請人與局方之間的共識。

然后，SPO 人因工程研究要與適航條款掛鉤，實驗指標的選取盡量與適航取證要求相符合，有利于獲取有效的驗證數據，提高適航認證的效率。例如工作負荷、飛行員失能等方面的實驗研究。

最后，將SPO 人為因素適航認證納入機載設備供應商的選擇決策以及合作中。作為系統整合的飛機制造商，型號認證是對駕駛艙系統整體設計的認證，供應商的單一機載部件設備獲取適航認證并不能保證對駕駛艙設計的整體認證，因此人因工程在設備供應商選擇和合作中要有話語權是保證駕駛艙系統整體設計獲取適航認證的手段之一。

3 今后SPO 人因工程研究思路和建議

綜上所述，目前SPO 人因工程研究取得了一些階段性研究結果，但是還有許多SPO 關鍵人因問題還沒有開展或者需要進一步深入研究。針對今后人因工程研究，本文提出以下總的思路和建議。

3.1 SPO 的設計理念

今后SPO 的研發工作需要繼續強調“以人為中心”的理念，同時，本文具體定義了“以人為中心”的SPO 設計理念和人因工程設計指導原則（如表3 所示）。

表3 “以人為中心”的SPO 設計理念和人因工程設計指導原則（部分）Table 3 The“human-centered”design philosophy for SPO and the guiding principles of human factors engineering（examples）

SPO 設計理念對于SPO 研發以及飛行安全極為重要，它將貫穿于SPO 系統研發的整個生命周期。表3 所定義的“以人為中心”SPO 設計理念將有利于各專業人員統一設計思路，將對人機（自動化和智能自主系統）功能分配、工作負荷、人機與空地的飛行協同操控和決策、人機交互決策模式、人機交互設計（例如簡化、自適應化、余度化和容錯化）、SPO 飛機最終操控權等方面的系統設計和決策起著重要的指導意義，避免以往駕駛艙機載系統研發中由于采用“以技術為中心”理念所帶來的問題。Boeing 和Airbus 在開發新機型產品的初期都首先制定了“以人（飛行員）為中心”駕駛艙設計理念。另外，表3 中的SPO 設計理念和設計指導原則將在今后的工作中不斷完善。

3.2 今后SPO 人因工程研究總的思路

根據前面的綜述和分析，圍繞構建一個“單一駕駛艙飛行員+駕駛艙機載技術系統+地面站操作員”協同實現的SPO 新模式，本文從人因工程角度出發，對下一階段的SPO 人因工程研發提出以下初步建議。

首先，強調“以人為中心”的理念來指導SPO研發，制定具體的人因工程設計原則來指導研發工作，并且將人因工程方法整合在SPO 研發的整個流程中。同時，研發人員要將適航認證貫穿于SPO 的研發中，要特別注重一些重要適航條款的要求，例如FAR25.1523（最小飛行機組），FAR25.1302（人誤管理）以及與飛行員失能等相關的條款。在現有研究的基礎上，優化人因工程實驗測試指標（例如工作負荷指標），為今后適航認證做準備。

其次，圍繞構建一個“SPO 駕駛艙飛行員+地面站操作員+機載和地面站設備支持系統”協同實現的SPO 新模式，深入開展針對“駕駛艙方案+地面站方案”SPO 組合方案的人因工程研究。研究重點集中在更大飛行操作環境范圍內（非正常和應急飛行場景中）驗證SPO 方案的安全性。開展針對工作負荷、飛行員失能、人機與空地的飛行協同操控和決策、人與自動化/智能自主系統交互、協同以及決策支持等關鍵問題的人因工程研究，為SPO 系統整體設計提供人因工程的解決方案。

然后，構建SPO 人因工程實驗測試平臺。該實驗測試平臺應該主要包括模擬駕駛艙（模擬各種非正常和應急飛行場景的主要航線飛行任務），模擬地面站（模擬對SPO 飛機提供主要的支持任務），人因工程測試設備（例如眼動儀，腦電、生理測量儀）以及數據采集儲存系統等。

最后，開展跨學科、跨行業的協同合作。SPO研發需要企業與科研院校、企業與設備供應商等各方面的人因工程合作研發。針對SPO 駕駛艙與地面站的組合研究方案，還需要與航空公司、民航空管機構等單位協同合作。

4 結束語

針對SPO 的人因工程預備研究已經展開，最初的研究主要集中在駕駛艙機載設備升級和地面站支持兩種SPO 方案。基于有限的人因工程模擬駕駛艙實驗，目前還沒有足夠的數據證實哪一種SPO 方案具有明顯的優勢，同時也沒有發現可以完全阻止實現SPO 的障礙。但是，沒有地面站支持的SPO 方案已經被許多研究放棄，許多研究建議采用“駕駛艙方案+地面站方案”的第三種SPO組合方案。

盡管SPO 人因工程研究取得了一些階段性結果，但是目前的研究還不全面，需要開展進一步的研究來為SPO 系統總體設計提供完整的SPO 人因工程解決方案。針對一些SPO 人因工程關鍵問題，本文逐一進行詳細的文獻綜述，分析目前研究中存在的不足之處，提出今后研究的重點。最后，對下一步的SPO 研發工作提出了一些初步建議。