基于需求的民用直升機駕駛艙MBSAP方法構建研究

牟曉偉，李治權，何振亞

中國航空研究院，北京，100029

駕駛艙作為飛行員操縱直升機實現飛行和執行任務的平臺，融合了多個復雜系統，在設計思想、設計理念、使用的技術、布局形式等多個方面反映了飛行器技術水平[1-3]。如何將這些系統有機結合起來，既能準確反映設計者的設計意圖，同時又能讓使用者操作起來得心應手，是需要我們探究的科學問題。駕駛艙設計學科包括認知科學、神經科學、人機交互、人因工程、人體工程學等，其中設備布局、設備操控、信息顯示及告警等更是直接面向駕駛艙設計[4]。駕駛艙設計的最終目的是提高飛行安全性，提高任務完成率，同時不會造成飛行員工作負荷過重或駕駛艙信息過載。上述工作和研究內容需要通過科學的方法，從設計之初便貫徹并落實在設計過程之中，并能夠應用于不同機型，以達到良好的設計效果。

最初的駕駛艙設計想法很簡單，就是在安全飛行的基礎上準確高效地完成飛行任務。早期駕駛艙通過儀表為飛行員提供空速、高度等基本飛行數據[5]。20世紀70年代以后，隨著自動化技術和綜合信息技術的發展，航空產品集成化程度不斷提高，綜合顯示系統逐漸取代分立式儀表駕駛艙，先進且直觀的綜合化電子數據顯示系統、數字式自動駕駛儀、先進的飛行管理系統等形成了現代化的玻璃座艙設計[6]。技術在進步的同時，給駕駛艙設計也帶來了新的問題。現代直升機駕駛艙集成了直升機所有系統相關信息數據，這對系統集成、系統交聯、信息顯示、數據處理等都提出了更高的要求。處理越來越復雜的系統關系是航空業內一直關注并著力發展的方向。

系統工程起源于第二次世界大戰后的“曼哈頓工程”[7]。20 世紀90 年代，以波音為主的航空企業開展了面向航空的系統工程技術應用研究[8]。隨著航空產品構型越來越復雜，型號數量越來越多，跨學科、跨系統的交叉融合越來越多樣化，導致原有的系統工程難以有效保證產品數據一致性和可追溯性，同時當下航空產品面向全生命周期的設計、維護與保障、管理等多個方面，需要用一種更科學、合理、高效的方法來解決系統工程難以解決的問題。基于上述困難和挑戰，2000 年年初，美國國家航空航天局（NASA）在原有系統工程研制模式基礎上發展了國際系統工程組織（ⅠNCOSE）提出MBSE，并建立了自己的系統建模語言SysML，以滿足復雜程度更高的航空產品研制需求[9]。我國在航空、航天、空間技術等方面也開展了MBSE技術研究，并成功地應用到具體型號研制中，取得了很好的成效。

直升機駕駛艙作為直升機的大腦，集成了直升機所有系統，具有態勢感知、信息傳遞與處理、信息顯示、操縱器件布置等多種功能，具有設計難度大、系統構成復雜、交聯關系多變等特點，在以往的型號設計中，對駕駛艙設計進行更改時有發生，嚴重影響了項目進度和產品質量。

本文針對直升機駕駛艙設計所面臨的問題，從用戶需求入手，開展面向直升機駕駛艙設計的基于模型的系統架構流程（MBSAP）設計方法及評價策略研究，以建立一種普適的駕駛艙設計準則和評價準則，為直升機駕駛艙設計提供技術支持。

1 基于用戶需求的駕駛艙MBSAP 框架體系構建

駕駛艙設計的需求可能來自多個方面，包括直接使用者（飛行員、地勤維護人員）及直升機的運營人，甚至各個系統的設計員對駕駛艙設計也有各自的需求和建議，由此匯集起來的需求會有幾千條甚至上萬條。長期以來，設計人員對直接使用者的需求了解較少，沒有引起足夠的重視，大部分設計都是沿襲前人的設計成果，并沒有更好地融入新的設計理念和設計需求，這阻礙了駕駛艙設計技術的發展。因此，我們在滿足適航要求的基礎上，從相關利益方的需求視角出發，將需求分解形成直升機駕駛艙的功能，最終落實到具體系統和詳細設計中，從正向設計的角度，重新定義駕駛艙設計。

面向駕駛艙設計的MBSAP框架構建包括需求域、功能域和物理域三部分[10]，其中需求域包括利益相關方的需求獲取與分析，形成相應的駕駛艙總體設計需求；功能域主要是基于需求的駕駛艙功能設計，將需求分解向功能轉化，并體現在各個組成系統中，以系統集成來滿足使用要求；物理域則是將功能落實到具體設計中，包括系統方案和詳細設計等工作，其中涉及信息顯示、操縱器件設計等，駕駛艙設計框架如圖1所示。設計工作完成后，根據系統規范、總體設計要求、適航規章等對各個系統的符合性開展檢驗及驗證工作，以建立的設計準則開展效能評估并進行優化，以評價結果滿足需求為最終目標，形成設計閉環。

圖1 基于MBSAP方法的駕駛艙設計框架Fig.1 Cockpit design method based on MBSAP

2 相關利益方需求的獲取

駕駛艙是直升機的大腦，為飛行員提供信息、操作空間和手段，是直升機設計成功的關鍵。駕駛艙利益相關方主要涉及三個方面，分別是飛行員、地勤人員和運營公司，他們分別代表不同的需求屬性。作為直升機的直接使用者，飛行員的需求是最有參考價值的，地勤人員作為日常維護者，其意見對駕駛艙使用和維護有著很大的借鑒意義，運營公司作為直升機的擁有者，在運營成本等方面對駕駛艙設計有著更深入的考量，駕駛艙設計需求組成如圖2所示。

2.1 飛行員需求

駕駛艙設計在保證飛行安全和任務順利執行的同時，還需要考慮飛行員心理和生理等多方面情況。駕駛艙設計是否合理、舒適、友好是考核駕駛艙設計理念及設計技術與水平是否先進的重要指標。對于具體設計工作，如設備的布局、信息顯示模式、操作開關等，飛行員的意見最為直接也最為重要，而這也是航空器評審（AEG）審查中的一項重要內容。根據型號設計及民航審查中形成的飛行員意見，總結飛行員具體需求如下[11]:（1） 安全、舒適、高效:駕駛艙設計在保證飛行安全的同時，盡量兼顧舒適性和高效率；（2） 駕駛艙信息與告警系統:對呈現給飛行員的信息在滿足飛行安全的情況下盡量簡化，告警信息要準確、簡潔、清晰反映故障情況，不應造成飛行員誤判；（3） 駕駛艙布置:駕駛艙設備布置不應妨礙正常飛行操作，且操作應順暢；（4） 駕駛艙自動化:在常規飛行中，以自動化設計代替人工操作，減輕飛行員負擔；（5） 新技術、新功能的應用:新技術、新功能的使用不應超出大部分飛行員能夠接受的水平；（6） 飛行員的最終控制權:對直升機飛行控制的最終決策權始終掌握在飛行員手中；（7） 機組之間的協調:設備布置有利于飛行及任務執行，滿足機組之間協調的需求；（8） 駕駛艙對飛行員的要求:在經過培訓后，飛行員應對駕駛艙設計有準確的了解，不應產生誤解；（9） 誤動作影響:設備布置與按鈕/開關設計要充分考慮誤動作的影響。

2.2 地勤人員需求

在日常使用中，直升機的維護是保證安全、提高出勤率、提升任務執行率的關鍵，地勤維護人員的意見同樣需要得到重視。在具體的設計工作中，設計人員為了規避自身設計經驗和認知的局限性，必須征求有經驗的地勤維護人員的意見，尤其是對同系列機型有著多年使用和維護經驗的人員。這其中涉及日常維護、日歷檢查便捷，設備維護可達性好，設備更換操作簡單，同時考慮相似或多于兩套以上的系統設備要有防差錯設計，對于地面維護故障信息的獲得與可判讀同樣非常重要。此外，還需要考慮AEG審查內容之一的“航空器檢查大綱”相關工作。

根據型號設計經驗，征求地面維護人員的意見，形成地勤人員需求，包括故障顯示清晰、準確，便于故障查找與排故；設備維護的可達性與時間間隔的合理性；運輸與存放期間的維護、保養、封裝合理性；拆卸與安裝的便捷性；航前/航后檢查合理、便捷性[12]。

2.3 運營人需求

按照《中國民用航空規章》CCAR-91/135 部運營規章要求，對直升機應加裝的設備有以下要求:飛行數據記錄、艙音記錄、通信設備數量等，在考慮飛行安全和任務執行的同時，航空器運營人作為運營方，有著不同于飛行員和地面維護人員的需求，具體的要求包括:安全可靠；操作便捷；適應多種任務；適應各種環境；拆裝運輸方便；使用維護成本低；滿足包括海上運營等特殊運營類型。

3 需求分解

3.1 功能劃分

在獲取了相應的需求信息后，需要開展需求分析，將需求轉化為駕駛艙對應的功能，進而分解到各個系統中。駕駛艙作為一個人機交互的平臺，包括飛行操縱功能、設備布局與安裝、信息顯示與告警、環境控制、安全與逃生、使用與維護等[13]，現將其具體功能描述如下。

（1） 飛行操縱功能

能夠滿足直升機正常啟動功能，直升機飛行中的基本操縱功能，以及故障及應急情況下具備應急處置功能。

（2） 設備布局與安裝

設備的選擇依據CCAR-27/29/91/135 部要求進行，包括CCAR-91/135部對運營人需要安裝的設備的要求；設備的布局滿足直升機駕駛艙視野和儀表板視區的要求（人機功效）；考慮駕駛艙設備安裝空間，以及使用、維護的要求。

（3） 信息顯示與告警

直升機駕駛艙應將一切必要信息告知飛行員，包括任務系統信息顯示、備用儀表的信息顯示、音頻/視頻等告警及故障信息顯示等，為地勤人員提供必要的設備故障信息以供檢查和維修。

（4） 環境控制

環境控制系統為飛行員提供舒適的駕駛環境，并積極考慮為駕駛艙提供強迫通風系統，以滿足懸停使用過程中的通風需求，適當考慮為駕駛艙提供具有制冷功能的環控系統。環境控制的功能要求中，涉及系統信息顯示和設備安裝。

（5） 安全與逃生

駕駛艙的座椅及安全帶必須滿足規章安全性要求，駕駛艙必須有滿足適航要求的應急出口，有必要的防火設備，或者在發生火情時飛行員能夠方便地使用滅火設備，對于跨水運營要滿足水上運營要求。

（6） 使用與維護

駕駛艙的設計要充分考慮日常使用維護的要求，地勤操作應簡便易懂，并在飛行員位置就可以完成相關機上檢查工作，必要的設備故障信息顯示可用于故障查找和設備維修，設備安裝和拆卸要便捷，維護時間短，要有防差錯設計，以保證維護的可靠性。

3.2 需求分解

需求向功能的分解是一個落實與貫徹的過程，一項需求可以對應多個功能，一個功能同樣可以滿足不一樣的需求。直升機駕駛艙有著基數龐大且復雜的設備，種類多樣，功能覆蓋面廣，信息集中度高，因此將需求分解到具體功能是一項極其復雜的工作。將飛行員需求、地勤人員需求、運營人需求，對應6項駕駛艙功能，進而分解為23項具體功能，完成從需求到具體功能的分解，將具體功能落實到系統設計中[14]。通過建立需求與駕駛艙功能的聯系，為進一步開展駕駛艙設計工作奠定了基礎，功能分解框架如圖3所示。

4 駕駛艙設計

基于上述從需求到功能再到系統要求的逐層分解，駕駛艙每個器件、機構、功能與需求構成了關聯關系，將駕駛艙設計過程中涉及的內容梳理完整，并分解到具體的系統設計中。根據民用適航規章對于駕駛艙設計總的要求，結合各個系統的具體適航要求，以MBSE的方法論，建立基于模型的復雜系統設計流程，開展駕駛艙設計工作，同時完成系統級的符合性驗證，并映射到功能及需求的上層要求，形成設計閉環。

對于操作功能中的直升機正常啟動功能，發動機系統涉及的操作器件包括:發動機啟動開關、模式開關、冷轉開關、金屬屑燒蝕開關、功率檢查開關，有的發動機還有油門桿；對于信息顯示，發動機參數和狀態顯示在綜合顯示器上，包括發動機轉速、扭矩、發動機工作模式（熄火、慢車、飛行），與發動機相關的系統有燃油系統、滑油系統、電源系統、防火系統以及環控系統的發動機引氣等。具體的設計邏輯梳理如圖4所示。

圖4 發動機系統功能要求與操縱器件、信息顯示、適航規章對應關系Fig.4 The correspondence of function requirement control display,and airworthiness regulations of engine system

針對由需求分解而形成的系統具體設計要求，需要通過詳細設計落實在具體設計工作中，并完成對設計結果的驗證。

4.1 駕駛艙設計要求

駕駛艙的設計工作雖然涵蓋直升機的所有系統，但是就上述提到的6 個功能來說，具體的設計工作聚焦在設備確定與安裝要求、顯示與告警要求、設備操縱要求上，并滿足人機功效要求，這其中包括儀表板、中央操縱臺、頂部開關板等結構設計，駕駛操縱桿、開關/按鍵、儀表板布局等方面，以及對適航條款的符合性[15-16]。

（1） 設備清單的確定與安裝要求

這其中設備的確定與安裝在CCAR-27/29 部以及CCAR-91/135 部中有明確的規定，這些規章明確了應該安裝在駕駛艙設備的類型以及需要具有的功能，以及設備安裝的強度，保證了直升機飛行安全。

（2） 顯示與告警要求

在適航規章中對各個系統應該提供的顯示與告警信息有較為詳細的規定，但是缺少更為詳細的能夠指導具體設計的設計規范，中華人民共和國國家軍用標準（GJB）1006—1990也同樣如此，這需要通過研究與分析建立適用于型號設計的設計規范。從總體上分析，信息分為飛行任務信息、飛行安全信息和其他必要信息，其中與飛行緊密相關的飛行安全信息分為三個等級，分別定義為紅色警告信息、琥珀色警戒信息和綠色一般信息，對于一些重要的信息還會增加警告燈指示和音響/語音告警提示。

（3） 設備操縱要求

設備操縱也是駕駛艙設計的一個重要環節，尤其是操縱器件的設計需要符合飛行員操縱習慣和一般常識等要求，這在CCAR-27/29 部第779 條中有相應的規定，但是在具體的設計過程中，還需要進行綜合評估，在適航AEG 審查中，對操縱器件設計的合理性也會進行有針對性的審查，并對不符合要求的設計給出評審意見。

（4） 人機功效要求

對于駕駛艙設備布置需要通過人機功效分析進行綜合評估，有較為詳細的GJB 1471A—2012、GJB 1560、GJB 2526—1995 等標準支撐設計與分析工作，需要針對具體機型開展具體分析。

4.2 適航規章及標準

在滿足適航規章的同時，還需要滿足AEG對駕駛艙的審查，具體涉及部分軍用標準和民航相關規定見表1。這些標準規范涵蓋駕駛艙尺寸要求、設備安裝布局要求、信息顯示與告警要求，以及使用維護要求等[17]。同時還包括AEG審查中所涉及的駕駛艙審查、飛行手冊審查和飛行審查，具體標準規章見表2。

表1 直升機駕駛艙設計中參考的其他標準規范Table 1 Other standard specifications for reference inhelicopter cockpit design

表2 航空器評審（AEG）涉及的標準規章Table 2 Standard regulations related to AEG

5 駕駛艙設計評估準則

盡管已經完成了從需求到具體設計工作，并驗證設計滿足需求，形成了一個閉環系統，但是信息顯示與告警、按鍵/開關等操縱器件設計需要在上述分析基礎上統籌考慮，駕駛艙設計結果需要一個綜合評估方法和準則進行整體性評價，因此需要建立一個評估準則。由于駕駛艙包含多個系統，每個系統都有其特殊性，因此需要以系統為單位開展獨立系統評估，并以此來判定駕駛艙整體設計水平。

5.1 系統綜合評估方法

根據不同系統設計變量不同，參考表3進行系統評估，并以表4的評分準則給出系統綜合評價值。在表3中，bij為第i個設計變量的評價準則，ωij為第i個設計變量的權重系數，Aij為單一變量的綜合得分。系統評價分制為10 分，得分的評判標準見表4，該系統一組變量對評價準則總的符合性評價原則是，單項得分Ai不低于6 分，綜合得分A不低于8分。

表3 系統綜合評價表（以發動機系統為例）Table 3 System comprehensive evaluation table（taking engine system as an example）

表4 得分評判標準Table 4 Scoring criteria

5.2 評估準則

對于系統評估準則，因每個系統都涉及信息顯示和操縱器件兩大部分，因此需要對顯示信息和操縱器件分別進行評估。

（1）系統信息評價的內容包括:信息的完整性，滿足使用要求；信息的準確性，文字信息容易理解；信息顯示系統布置位置滿足駕駛員視野要求；信息顯示形式準確，不易誤判；信息顯示集中告警內容，準確反應故障情況；告警內容不易混淆；告警信息等級劃分明確，音頻/語音告警內容清晰；告警燈告警信息準確易讀[18]。

（2）對系統開關/按鍵等評價內容包括:開關設計合理，與常規操作習慣一致；滿足防誤操作設計；開關布置與動作范圍對其他設備沒有干涉；按照功能區域進行布置；標牌設計不會產生歧義；滿足GJB 1471A中4.5節第一區規定可以操作；駕駛員視野可達[19]。

6 結束語

駕駛艙設計以安全飛行為基礎，以良好的人機功效為目標，搭建直升機駕駛艙平臺，實現直升機安全飛行，并順利完成任務。然而直升機駕駛艙設計一直以來都以滿足總體技術要求、總體設計規范等頂層文件要求為目的，研究方向與內容多以某一具體設計為對象，缺少系統且全面的統籌計劃。

本文以MBSE方法論為基礎，結合以往型號設計經驗，構建一種直升機駕駛艙正向設計的方法與評價準則，利用MBSAP方法將需求分解到各個系統中，并最終落實到設計細節上，很好地完成了一個正向設計的閉環過程。同時通過對系統符合性的驗證表明對設計規范和民航規章及標準的符合性，并構建一套適用于直升機駕駛艙設計的評價準則和方法，對駕駛艙設計最終結果給出綜合評價，用于指導后續設計優化工作。本文的創新與突破包括以下幾個方面。

（1） 完成需求向功能的分解

本文在充分考慮前人研究的基礎上，增加對現代直升機駕駛艙設計特點和未來發展趨勢的分析，構建了駕駛艙功能體系，形成6項主要功能定義，用來承接相關利益方的需求分解。

（2） 完善功能向設計細節的轉化

以型號研究為基礎，通過總結提高，完成功能向設計細節轉化。將功能逐層分解為系統功能要求，通過系統設計轉化為設計細節并落實在方案中，從而滿足功能的實現性、適航條款的符合性及規章標準的符合性等，并不斷優化設計。

（3） 形成設計評價準則與方法

為了有效評價設計的優劣，規避因設計員水平造成的差異，建立了一套行之有效的評價方法和準則。直升機駕駛艙設計的評價準則，是在充分借鑒以往適航審定過程中民航專家所關心的問題，以及在型號設計中對所出現的設計缺陷的補救措施和辦法總結而來，具有較為普遍的適用性。

（4） 構建駕駛艙正向設計方法

以相關利益方需求為輸入，通過MBSAP建立了一種直升機駕駛艙正向設計的方法，完成了從需求到設計并最終完成驗證和綜合評價的設計流程。通過引入相關利益方需求，進行需求分解、功能分解、詳細設計等步驟，形成一套完整的較為合理的正向駕駛艙設計方法，為后續直升機駕駛艙設計乃至直升機設計提供了支撐。

然而，本文的研究仍然存在不足，本文面向的是設計階段的MBSAP方法與評價準則的研究，相對于直升機全壽命周期設計理念，缺少對于日后使用和維護過程中存在的需求獲取，沒有覆蓋全壽命周期的壽命監控和健康監測等方面的內容。后續的研究內容和方向應將直升機日常維護、視情維護、狀態監控、健康監測等方面的內容統一納入直升機駕駛艙設計中，形成覆蓋直升機全壽命周期的正向設計方法和理論，用于指導后續直升機駕駛艙設計。