面向機(jī)組工作量審定的民用飛機(jī)人機(jī)交互適航驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)

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(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)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(diǎn)。根據(jù)有關(guān)航空事故統(tǒng)計(jì)，有70%的飛機(jī)事故是由人為因素導(dǎo)致的。飛行機(jī)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(jī)組的工作量是衡量機(jī)組飛行操縱績效的重要指標(biāo)，過大或過小的機(jī)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(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)組工作量測量審定研究，對于滿足良好人機(jī)交互要求的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)和保障運(yùn)輸類飛機(jī)安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外對運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)組工作量開展了系列研究。徐敏敏等在分析飛機(jī)場景的基礎(chǔ)上，對機(jī)組工作量場景捕獲進(jìn)行分析；劉樹強(qiáng)等運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對機(jī)組工作量進(jìn)行評價；毛志威等在民用飛機(jī)審定過程中，運(yùn)用MBSE 方法進(jìn)行試飛場景設(shè)計(jì)研究；黃二利從運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)組的適航符合性驗(yàn)證方面分析和考慮飛機(jī)機(jī)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(jìn)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(jī)組工作量適航條款解讀的人機(jī)交互場景維度設(shè)計(jì)及適航驗(yàn)證方法交叉融合方面的研究較少，有待進(jìn)一步探討。

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

1 機(jī)組工作量適航條款解析與驗(yàn)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(jì)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(jī)適航安全領(lǐng)域，飛行機(jī)組工作量直接影響飛行操縱績效，進(jìn)而影響飛行運(yùn)行安全。而飛機(jī)機(jī)型、運(yùn)行環(huán)境、飛機(jī)工況以及機(jī)組自身狀態(tài)等因素都會對運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)組工作量產(chǎn)生影響，科學(xué)有效地測度機(jī)組工作量是民用飛機(jī)適航安全審定的基本需求。

1.2 機(jī)組工作量適航條款解析

我國民航局針對運(yùn)輸飛機(jī)機(jī)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(jī)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(jī)組中明確要求，考慮每個機(jī)組成員的工作量，使其足以保證安全運(yùn)行，CCAR25 附錄D 闡述了按要求確定最小飛行機(jī)組時采用的準(zhǔn)則。飛行過程中機(jī)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(jī)組的安全，必須考慮如下因素：①機(jī)組成員必須了解飛行器件的簡易性和可操作性；②機(jī)組成員工作量；③按該條所審核的運(yùn)行類型。

CCAR25 附錄D 也明確最小飛行機(jī)組的基本工作職能和工作因素?；竟ぷ髀毮馨ǎ孩僦笓]決策；②導(dǎo)航；③防撞；④飛行航跡控制；⑤監(jiān)控飛機(jī)系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)；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(jìn)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(dá)性和醒目程度，并考慮這些儀表或裝置引導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)糾正的程度；③操作程序復(fù)雜程度。特別要考慮由于飛機(jī)重心、飛機(jī)結(jié)構(gòu)或飛機(jī)上其他適航性的原因而強(qiáng)制采用燃油管理程序，以及發(fā)動機(jī)使用油箱情況及供油而運(yùn)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(jī)所需的燃油進(jìn)行監(jiān)控；⑥需要機(jī)組成員離開自己原來的崗位，包括應(yīng)急情況和查看飛機(jī)系統(tǒng)；⑦在飛機(jī)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(jī)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(jī)交互適航驗(yàn)證流程

機(jī)組工作量審定主要取決于測定不同場景下的機(jī)組工作量適航規(guī)章符合性，需考慮基于民用飛機(jī)全生命周期，建立測試場景并對機(jī)組工作量實(shí)施測量分析，主要包括：①在飛機(jī)設(shè)計(jì)早期對工作量進(jìn)行分析。對于特定駕駛艙布局，選取分析方法并對方法進(jìn)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(jī)型與其他相近機(jī)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(yùn)行程序和職責(zé)等，都需要進(jìn)行綜合詳細(xì)的評估。④若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(yàn)證部門，并及早發(fā)現(xiàn)潛在問題。在機(jī)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(jì)與運(yùn)行，建立對應(yīng)測試場景和驗(yàn)證方法，實(shí)施機(jī)組工作量審定人機(jī)交互適航驗(yàn)證（如圖1 所示）。

圖1 機(jī)組工作量審定人機(jī)交互適航驗(yàn)證流程Fig.1 Crew workload man-machine interaction airworthiness verification process

2 機(jī)組工作量審定人機(jī)交互適航驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)原則

根據(jù)CCAR25.1523 條和附錄D，對機(jī)組工作量進(jìn)行評估遵循基本設(shè)計(jì)原則：若要評估的機(jī)型與已經(jīng)取得適航認(rèn)可的機(jī)型相似，則選取類似的方法。對于明顯改變駕駛艙、人機(jī)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(jì)新的任務(wù)場景進(jìn)行工作量的評估。場景設(shè)計(jì)時通常要考慮機(jī)組試驗(yàn)人員、天氣、航線、機(jī)組工作計(jì)劃、最低設(shè)備清單（Minimum Equipment List，簡稱MEL）和系統(tǒng)失效。設(shè)計(jì)機(jī)組工作量場景設(shè)計(jì)包括：正常場景、非正常場景和應(yīng)急操作場景。

2.2 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證場景維度

機(jī)組工作量適航場景設(shè)計(jì)的目的是確保工作量準(zhǔn)確性。在場景捕獲維度設(shè)計(jì)上，建立整個飛行過程中的機(jī)組工作量多維矩陣，實(shí)現(xiàn)場景捕獲設(shè)計(jì)的完整性。參考相關(guān)研究和飛機(jī)飛行手冊，最終得出機(jī)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(yàn)人員、環(huán)境因素、飛機(jī)狀態(tài)，其中飛行階段劃分六個子任務(wù)場景維度：飛機(jī)靜立、滑行、起飛、巡航、進(jìn)近以及著陸；試驗(yàn)人員指參與試驗(yàn)的成員，包括學(xué)生駕駛員、航線運(yùn)輸駕駛員和試飛員；環(huán)境因素維度就是飛機(jī)運(yùn)行階段所處運(yùn)行環(huán)境；飛機(jī)狀態(tài)維度指飛機(jī)適航狀態(tài)直接影響到飛行員的操縱，嚴(yán)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(jī)組工作量審定人機(jī)交互適航驗(yàn)證場景維度Fig.2 Dimensional of man-machine interaction scenario for crew workload airworthiness verification

2.3 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證要素

2.3.1 工作量適航驗(yàn)證機(jī)組維度要素

通過對參與實(shí)驗(yàn)人員的反應(yīng)和狀態(tài)來分析和制定工作量的大小，當(dāng)遇到緊急情況時飛行員的工作量突然增加，工作負(fù)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(shí)驗(yàn)人員。根據(jù)試驗(yàn)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(jī)型駕駛經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)急處理能力一般也較弱。②航線運(yùn)輸駕駛員，在飛行時間、航空領(lǐng)域知識和駕駛經(jīng)驗(yàn)方面，航線運(yùn)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(yùn)行與空域、重量和平衡的計(jì)算、對飛行特征的影響、飛行性能、機(jī)動飛行操作程序和應(yīng)急操作、人為因素和機(jī)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(yàn)、應(yīng)急處理能力和熟練的駕駛技術(shù)。

2.3.2 飛行運(yùn)行過程維度要素

飛機(jī)飛行過程中分六個子任務(wù)運(yùn)行過程場景維度：飛機(jī)靜立、滑行、起飛、巡航、進(jìn)近以及著陸。①飛機(jī)靜立場景設(shè)置為航空器推出或滑行之前，或者在到達(dá)之后，在廊橋、機(jī)坪或者停機(jī)位處于靜止?fàn)顟B(tài)。②飛機(jī)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(jī)場道面上移動。③飛機(jī)起飛場景設(shè)置為航空器為實(shí)際起飛而使用動力起飛時起，經(jīng)滑跑直到達(dá)到標(biāo)高之上35 ft（1 ft=0.304 8 m）的高度。④飛機(jī)巡航場景設(shè)置為飛機(jī)經(jīng)起飛爬升之后到飛機(jī)進(jìn)入進(jìn)近階段之間的運(yùn)行階段。⑤飛機(jī)進(jìn)近場景設(shè)置為飛機(jī)開始下降進(jìn)下滑道到著陸之間的飛行運(yùn)行階段。⑥飛機(jī)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(yùn)行環(huán)境維度要素

飛行運(yùn)行環(huán)境因素維度就是飛機(jī)在不同運(yùn)行過程所處的環(huán)境。晝夜不同是飛機(jī)在不同運(yùn)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(fēng)切變、飛機(jī)積冰、顛簸等；跑道狀況是指機(jī)場的環(huán)境，干跑道、濕跑道、污染跑道等。

2.3.4 飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)維度要素

飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是在不同飛行運(yùn)行過程中遇到系列飛機(jī)狀態(tài)。飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)除了正常情況下，典型故障模式包括：①發(fā)動機(jī)故障：發(fā)動機(jī)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(zhǔn)失效、大氣數(shù)據(jù)基準(zhǔn)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(jī)結(jié)構(gòu)受損等。

2.4 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證典型場景捕獲

根據(jù)適航驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)原則，以及適航驗(yàn)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(jī)組工作量適航審定要求，運(yùn)行環(huán)境維度為良好運(yùn)行環(huán)境（如表1 所示）。

表1 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證著陸場景捕獲Table 1 Crew workload airworthiness verification landing scene capture

3 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證方法及應(yīng)用

3.1 機(jī)組工作量適航驗(yàn)證策略

根據(jù)機(jī)組工作量不同測試場景，采用不同的工作量設(shè)計(jì)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(dú)立評估法。①直接比較法。通過建立有組織的試驗(yàn)體系，試驗(yàn)評估人員把新設(shè)計(jì)與之前已經(jīng)通過驗(yàn)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(jì)全新試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行比較。③獨(dú)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(jī)組工作量適航驗(yàn)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(jī)組的額外工作量，盡可能不影響機(jī)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(yàn)性的方法，通?？梢员碚鳈C(jī)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(fù)荷指數(shù)法、Bedford 法、主觀工作負(fù)荷評估法等。應(yīng)用較成熟的NASA 工作負(fù)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(yàn)者可以根據(jù)自身情況進(jìn)行打分，實(shí)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(dá)到預(yù)期目標(biāo)的評估程序，該評估程序需要使用統(tǒng)計(jì)證據(jù)以確定特定的績效目標(biāo)。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(jī)能測量法

生理機(jī)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(biāo)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(jī)能測試結(jié)果可以表示機(jī)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(jī)組工作量適航驗(yàn)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(diǎn)（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(zhǔn)度方面有待提升?？冃y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(zhǔn)確。生理機(jī)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(shí)現(xiàn)，部分測試技術(shù)還有靈敏度要求。面向機(jī)組工作量審定的民用飛機(jī)人機(jī)交互適航驗(yàn)證，綜合運(yùn)用主觀和績效測量的方法，并結(jié)合生理機(jī)能測量方法，實(shí)施機(jī)組工作量適航驗(yàn)證條款有效驗(yàn)證。

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

3.3 運(yùn)行場景下工作量適航驗(yàn)證案例應(yīng)用

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

B767 開展機(jī)組工作量適航驗(yàn)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(jī)型，記錄飛行員生理參數(shù)，開展機(jī)組工作量評估分析。在運(yùn)行場景下工作量適航驗(yàn)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(jī)運(yùn)行維度方面，用單臺發(fā)動機(jī)完成應(yīng)急下降，飛行儀表進(jìn)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(jī)組成員無法讀取飛機(jī)的高度信息；有意關(guān)閉著陸燈后，機(jī)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(jī)單發(fā)著陸，機(jī)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(jī)能測量方法評估機(jī)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(jī)組成員的工作量是否合理。

4 結(jié)論

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

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

（3）面向機(jī)組工作量審定的運(yùn)輸類飛機(jī)人機(jī)交互適航場景設(shè)計(jì)以及機(jī)組工作量適航驗(yàn)證方法，有助于民用飛機(jī)人機(jī)交互正向設(shè)計(jì)與適航風(fēng)險分析。