面向機組工作量審定的民用飛機人機交互適航驗證場景設(shè)計

陳農(nóng)田，滿永政，李俊輝

（1.中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，廣漢618307）（2.中國民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院，廣漢618307）

0 引言

運輸類飛機機組人員的工作量適航審定問題是民航適航安全領(lǐng)域關(guān)注的重要內(nèi)容和研究熱點。根據(jù)有關(guān)航空事故統(tǒng)計，有70%的飛機事故是由人為因素導(dǎo)致的。飛行機組的飛行質(zhì)量直接關(guān)系到能否安全順利地完成飛行任務(wù)，而飛行機組的工作量是衡量機組飛行操縱績效的重要指標，過大或過小的機組工作量對于飛行績效表現(xiàn)都會產(chǎn)生不利影響。開展運輸類飛機機組工作量測量審定研究，對于滿足良好人機交互要求的民用飛機設(shè)計和保障運輸類飛機安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外對運輸類飛機機組工作量開展了系列研究。徐敏敏等在分析飛機場景的基礎(chǔ)上，對機組工作量場景捕獲進行分析；劉樹強等運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對機組工作量進行評價；毛志威等在民用飛機審定過程中，運用MBSE 方法進行試飛場景設(shè)計研究；黃二利從運輸類飛機機組的適航符合性驗證方面分析和考慮飛機機組工作量審定；G.Roth 等通過開發(fā)有人/無人協(xié)作應(yīng)用程序?qū)ぷ髁窟M行了分析和比較；D.M.Benitez等介紹了一種適用于民航駕駛艙的新型概念來分析和減輕飛行員工作量。綜上，國內(nèi)外的相關(guān)研究雖取得了豐碩成果，但在基于機組工作量適航條款解讀的人機交互場景維度設(shè)計及適航驗證方法交叉融合方面的研究較少，有待進一步探討。

本文針對機組工作量符合性驗證場景設(shè)計與驗證方法問題，通過對運輸類飛機機組工作量適航條款的解讀與分析，針對性地確立機組工作量場景設(shè)計原則；分別從適航驗證測試機組、飛行運行過程、飛行運行環(huán)境以及飛機運行狀態(tài)四個維度設(shè)計機組工作量適航驗證場景，并通過機組工作量評估策略和測量方法比較，提出機組工作量驗證方法，通過典型案例加以分析驗證，以期為開展運輸類飛機機組工作量適航驗證場景設(shè)計和驗證提供參考。

1 機組工作量適航條款解析與驗證

1.1 工作量內(nèi)涵

工作量常用來描述一個人執(zhí)行任務(wù)的能力（生理或者心理）和與其執(zhí)行任務(wù)相關(guān)的系統(tǒng)和環(huán)境要求匹配之間的關(guān)系。工作量是否飽和并非僅依靠工作數(shù)量多少而定，而是依據(jù)計時定額法確定而成，與人為操縱者的資源數(shù)和完成任務(wù)所需的資源數(shù)之間的差異密切相關(guān)，工作量和工作績效存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，工作量太高或者太低都會影響工作績效。在民用飛機適航安全領(lǐng)域，飛行機組工作量直接影響飛行操縱績效，進而影響飛行運行安全。而飛機機型、運行環(huán)境、飛機工況以及機組自身狀態(tài)等因素都會對運輸類飛機機組工作量產(chǎn)生影響，科學(xué)有效地測度機組工作量是民用飛機適航安全審定的基本需求。

1.2 機組工作量適航條款解析

我國民航局針對運輸飛機機組工作量審定方面，在中國民航規(guī)章CCAR25 和附錄D 中，為防止飛行中飛行員工作量過高以及由于駕駛艙自動控制系統(tǒng)可能引發(fā)機組工作量異常而誘發(fā)不安全問題設(shè)立有專門適航條款。CCAR25.1523 條最小飛行機組中明確要求，考慮每個機組成員的工作量，使其足以保證安全運行，CCAR25 附錄D 闡述了按要求確定最小飛行機組時采用的準則。飛行過程中機組工作量水平過高或過低，都會引起飛行員精神疲勞或者疏忽，誘發(fā)飛行員遺漏重要信息、不能完成執(zhí)行相關(guān)任務(wù)而產(chǎn)生人為差錯。

CCAR25.1523 條是要確保最小飛行機組的安全，必須考慮如下因素：①機組成員必須了解飛行器件的簡易性和可操作性；②機組成員工作量；③按該條所審核的運行類型。

CCAR25 附錄D 也明確最小飛行機組的基本工作職能和工作因素。基本工作職能包括：①指揮決策；②導(dǎo)航；③防撞；④飛行航跡控制；⑤監(jiān)控飛機系統(tǒng)和發(fā)動機；⑥通訊。工作因素包括：①飛行過程中所必須的動力裝置和操縱器件，并對其進行操作的簡易性和可操作性；②所有必需的儀表和故障警告裝置（例如火警、電氣系統(tǒng)故障和其他故障的指示器或告戒指示器）的可達性和醒目程度，并考慮這些儀表或裝置引導(dǎo)進行適當糾正的程度；③操作程序復(fù)雜程度。特別要考慮由于飛機重心、飛機結(jié)構(gòu)或飛機上其他適航性的原因而強制采用燃油管理程序，以及發(fā)動機使用油箱情況及供油而運轉(zhuǎn)的能力；④在正常操作以及在遇到突發(fā)情況下消耗的體力和精力的大小和時間；⑤在飛行過程中，需對飛機所需的燃油進行監(jiān)控；⑥需要機組成員離開自己原來的崗位，包括應(yīng)急情況和查看飛機系統(tǒng)；⑦在飛機系統(tǒng)失靈后，處理引起故障的能力；⑧導(dǎo)航所需的工作量；⑨突發(fā)情況導(dǎo)致的額外工作量；⑩根據(jù)要求至少由兩名駕駛員組成的最小飛行機組時，其中一名成員不能完成工作時的工作量。

1.3 工作量審定人機交互適航驗證流程

機組工作量審定主要取決于測定不同場景下的機組工作量適航規(guī)章符合性，需考慮基于民用飛機全生命周期，建立測試場景并對機組工作量實施測量分析，主要包括：①在飛機設(shè)計早期對工作量進行分析。對于特定駕駛艙布局，選取分析方法并對方法進行選擇和優(yōu)化處理。②在分析工作量并且條件允許下，應(yīng)包含機型與其他相近機型駕駛艙之間的對比。③對駕駛艙有重大改造時，如更改駕駛艙構(gòu)造、更改飛行員操縱界面、更改飛行員運行程序和職責等，都需要進行綜合詳細的評估。④若發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題時，應(yīng)對這些問題深入研究、評估，把相關(guān)信息及時提交有關(guān)驗證部門，并及早發(fā)現(xiàn)潛在問題。在機組工作量審定過程中，需要根據(jù)CCAR25.1523 條以及附錄D 規(guī)章審定要求，結(jié)合飛行設(shè)計與運行，建立對應(yīng)測試場景和驗證方法，實施機組工作量審定人機交互適航驗證（如圖1 所示）。

圖1 機組工作量審定人機交互適航驗證流程Fig.1 Crew workload man-machine interaction airworthiness verification process

2 機組工作量審定人機交互適航驗證場景設(shè)計

2.1 機組工作量適航驗證場景設(shè)計原則

根據(jù)CCAR25.1523 條和附錄D，對機組工作量進行評估遵循基本設(shè)計原則：若要評估的機型與已經(jīng)取得適航認可的機型相似，則選取類似的方法。對于明顯改變駕駛艙、人機交互界面、操縱習(xí)慣和流程時，針對改變的新特征來設(shè)計新的任務(wù)場景進行工作量的評估。場景設(shè)計時通常要考慮機組試驗人員、天氣、航線、機組工作計劃、最低設(shè)備清單（Minimum Equipment List，簡稱MEL）和系統(tǒng)失效。設(shè)計機組工作量場景設(shè)計包括：正常場景、非正常場景和應(yīng)急操作場景。

2.2 機組工作量適航驗證場景維度

機組工作量適航場景設(shè)計的目的是確保工作量準確性。在場景捕獲維度設(shè)計上，建立整個飛行過程中的機組工作量多維矩陣，實現(xiàn)場景捕獲設(shè)計的完整性。參考相關(guān)研究和飛機飛行手冊，最終得出機組工作量操縱任務(wù)場景的4 個維度（如圖2 所示），分別是：飛行階段、試驗人員、環(huán)境因素、飛機狀態(tài)，其中飛行階段劃分六個子任務(wù)場景維度：飛機靜立、滑行、起飛、巡航、進近以及著陸；試驗人員指參與試驗的成員，包括學(xué)生駕駛員、航線運輸駕駛員和試飛員；環(huán)境因素維度就是飛機運行階段所處運行環(huán)境；飛機狀態(tài)維度指飛機適航狀態(tài)直接影響到飛行員的操縱，嚴重情況會導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障，直接誘發(fā)飛行事故發(fā)生。

圖2 機組工作量審定人機交互適航驗證場景維度Fig.2 Dimensional of man-machine interaction scenario for crew workload airworthiness verification

2.3 機組工作量適航驗證要素

2.3.1 工作量適航驗證機組維度要素

通過對參與實驗人員的反應(yīng)和狀態(tài)來分析和制定工作量的大小，當遇到緊急情況時飛行員的工作量突然增加，工作負荷壓力突然增多，情景意識就會下降，診斷故障能力和判斷力也會下降。根據(jù)任務(wù)要求考察其相關(guān)特征選擇實驗人員。根據(jù)試驗要求可以把飛行員分為以下三類：①學(xué)員駕駛員，其特征是機型駕駛經(jīng)驗和應(yīng)急處理能力一般也較弱。②航線運輸駕駛員，在飛行時間、航空領(lǐng)域知識和駕駛經(jīng)驗方面，航線運輸駕駛員要比學(xué)員駕駛員高得多。一般情況下，航線駕駛員應(yīng)對氣象、規(guī)章、空氣動力學(xué)、導(dǎo)航、航空器運行與空域、重量和平衡的計算、對飛行特征的影響、飛行性能、機動飛行操作程序和應(yīng)急操作、人為因素和機組管理等，擁有至少1 500 h 的飛行時間。③試飛員，試飛員必須有豐富的飛行經(jīng)驗、應(yīng)急處理能力和熟練的駕駛技術(shù)。

2.3.2 飛行運行過程維度要素

飛機飛行過程中分六個子任務(wù)運行過程場景維度：飛機靜立、滑行、起飛、巡航、進近以及著陸。①飛機靜立場景設(shè)置為航空器推出或滑行之前，或者在到達之后，在廊橋、機坪或者停機位處于靜止狀態(tài)。②飛機滑行場景設(shè)置為航空器起飛前或著陸后，依靠自身動力在機場道面上移動。③飛機起飛場景設(shè)置為航空器為實際起飛而使用動力起飛時起，經(jīng)滑跑直到達到標高之上35 ft（1 ft=0.304 8 m）的高度。④飛機巡航場景設(shè)置為飛機經(jīng)起飛爬升之后到飛機進入進近階段之間的運行階段。⑤飛機進近場景設(shè)置為飛機開始下降進下滑道到著陸之間的飛行運行階段。⑥飛機著陸場景設(shè)置為從開始著陸拉平，直至航空器脫離著陸跑道或者停止在跑道上。

2.3.3 飛行運行環(huán)境維度要素

飛行運行環(huán)境因素維度就是飛機在不同運行過程所處的環(huán)境。晝夜不同是飛機在不同運行階段所處的時間不同；惡劣天氣是指氣象條件，如低能見度、風切變、飛機積冰、顛簸等；跑道狀況是指機場的環(huán)境，干跑道、濕跑道、污染跑道等。

2.3.4 飛機運行狀態(tài)維度要素

飛機運行狀態(tài)是在不同飛行運行過程中遇到系列飛機狀態(tài)。飛機運行狀態(tài)除了正常情況下，典型故障模式包括：①發(fā)動機故障：發(fā)動機失效包括單發(fā)失效和雙發(fā)失效；②操縱控制系統(tǒng)故障：包括主操縱系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)故障，導(dǎo)航失效包括無線電高度表失效、慣性基準失效、大氣數(shù)據(jù)基準失效等；③起落架系統(tǒng)故障：包括起落架收放故障、起落架警告系統(tǒng)故障等；④其他設(shè)備故障等，包括儀表板、飛機結(jié)構(gòu)受損等。

2.4 機組工作量適航驗證典型場景捕獲

根據(jù)適航驗證場景設(shè)計原則，以及適航驗證場景維度，確定著陸典型應(yīng)用場景的飛行員操縱行為任務(wù)，根據(jù)具體的操縱任務(wù)來分析機組工作量適航審定要求，運行環(huán)境維度為良好運行環(huán)境（如表1 所示）。

表1 機組工作量適航驗證著陸場景捕獲Table 1 Crew workload airworthiness verification landing scene capture

3 機組工作量適航驗證方法及應(yīng)用

3.1 機組工作量適航驗證策略

根據(jù)機組工作量不同測試場景，采用不同的工作量設(shè)計和評估工作，評估工作量考慮采用直接比較法、間接比較法和獨立評估法。①直接比較法。通過建立有組織的試驗體系，試驗評估人員把新設(shè)計與之前已經(jīng)通過驗證特定任務(wù)做比較，記錄比較數(shù)據(jù)來完成評估，通過設(shè)計全新試驗場景來完成特定評估。②間接比較法。由于條件限制，兩系統(tǒng)進行并聯(lián)評估直接比較是非常困難的，通過飛行員的“心理感受”，將舊系統(tǒng)和新系統(tǒng)進行比較。③獨立評估法。通過評估系統(tǒng)本身的質(zhì)量（尤其是用戶滿意度）來確定相應(yīng)的工作量評估策略。

3.2 機組工作量適航驗證方法

測量工作量的前提是確定工作量的評估方法。在測量方法或者選擇測量方法時，注重考慮有效性、可靠性以及適用性需求，測量方法盡可能不增加機組的額外工作量，盡可能不影響機組正常工作。

3.2.1 主觀測量法

主觀測量法是一種事后經(jīng)驗性的方法，通常可以表征機組工作量。主觀測量法可用工作量評定表來劃分亮度等級。常用方法包括：NASA工作負荷指數(shù)法、Bedford 法、主觀工作負荷評估法等。應(yīng)用較成熟的NASA 工作負荷指數(shù)法是用NASA-TLX 量表來測量工作量，由6 個因素及相關(guān)描述組成（如表2 所示），檢驗者可以根據(jù)自身情況進行打分，實現(xiàn)量化評估。

表2 NASA-TLX 量表的6 個因素Table 2 6 factors of NASA-TLX scale

3.2.2 績效測量法

績效測量法是一種用以判斷其方案、績效、收益等是否達到預(yù)期目標的評估程序，該評估程序需要使用統(tǒng)計證據(jù)以確定特定的績效目標。主要測量方法為主任務(wù)測量法和輔助任務(wù)測量法。

3.2.3 生理機能測量法

生理機能測量法是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)等生理指標測量分析所得。生理測試分為兩個層次：情緒和生理活躍的測量（心率、瞳孔變化和眼動特征），感覺和精神過程測量（相關(guān)的電位和凝視方向）。生理機能測試結(jié)果可以表示機組工作量測量的表面特征，通過結(jié)果確定工作量程度的變化。

3.2.4 機組工作量適航驗證方法比較

單一工作量評價方法存在適用范圍和優(yōu)缺點（如表3 所示）。主觀測量法重在評估操縱員功能及因素，相對于其他方法應(yīng)用廣泛，但在精準度方面有待提升。績效測量法主要考慮主任務(wù)和輔助任務(wù)完成情況，評價結(jié)果較為準確。生理機能測量法需要采用生理學(xué)相關(guān)內(nèi)容，測試方法不容易實現(xiàn)，部分測試技術(shù)還有靈敏度要求。面向機組工作量審定的民用飛機人機交互適航驗證，綜合運用主觀和績效測量的方法，并結(jié)合生理機能測量方法，實施機組工作量適航驗證條款有效驗證。

表3 測量方法對比表Table 3 Comparison table of measurement methods

3.3 運行場景下工作量適航驗證案例應(yīng)用

在開展機組工作量驗證工作前需向民航適航當局提供驗證行動計劃，其內(nèi)容包括適航驗證計劃安排以及適航符合性驗證方法。申請方需向局方遞交飛機圖紙和技術(shù)條件，以及關(guān)于試驗任務(wù)安排和參考飛機的報告，要求參考飛機在結(jié)構(gòu)尺寸、技術(shù)水平、駕駛艙布置和機組人數(shù)等符合驗證飛機要求。試飛員需在驗證飛機和參考飛機上根據(jù)試飛場景完成同樣的試飛任務(wù)，并完成機組工作量主客觀評價。如果機組工作量相類似或待驗證機組工作量略低于參考機組工作量，則驗證飛機機組工作量審定通過適航驗證。

B767 開展機組工作量適航驗證時，采用資深飛行教員及飛行品質(zhì)評估專家共同評定，通過選取B737 作為參考比較機型，記錄飛行員生理參數(shù)，開展機組工作量評估分析。在運行場景下工作量適航驗證典型案例為：設(shè)置模擬三個自動駕駛儀不起作用，座艙高度表不起作用，左發(fā)著火，前起落架燈關(guān)閉。在飛機運行維度方面，用單臺發(fā)動機完成應(yīng)急下降，飛行儀表進場著陸直至停止，此間有意關(guān)閉著陸燈，使用單發(fā)反推裝置來發(fā)現(xiàn)方向操縱發(fā)生故障。在該場景中自動駕駛儀全部故障改為手動飛行；座艙高度表不起作用，則機組成員無法讀取飛機的高度信息；有意關(guān)閉著陸燈后，機組成員只能借助周圍建筑物或跑道上的近燈光作為參考目視飛行；左發(fā)著火需關(guān)閉左發(fā)并執(zhí)行滅火操作；飛機單發(fā)著陸，機組成員需執(zhí)行的操作大幅度增加，精神高度緊張，工作量陡增。通過對高危險、高工作量場景的模擬，采用綜合主觀和績效測量的方法，并結(jié)合生理機能測量方法評估機組成員能否在有限的時間內(nèi)完成指定的操作，判斷每個機組成員的工作量是否合理。

4 結(jié)論

（1）針對運輸類飛機機組工作量適航條款CCAR25.1523 條和附錄D 的解析為面向機組工作量適航審定提供理論支撐。

（2）從適航驗證測試機組、運行過程、運行環(huán)境以及飛機狀態(tài)四個維度可有效構(gòu)建面向機組工作量審定的人機交互適航驗證場景，并實施典型著陸場景捕獲應(yīng)用。

（3）面向機組工作量審定的運輸類飛機人機交互適航場景設(shè)計以及機組工作量適航驗證方法，有助于民用飛機人機交互正向設(shè)計與適航風險分析。