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面向机组工作量审定的民用飞机人机交互适航验证场景设计

发布时间:2021-12-07 16:54所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:设计有效的民用飞机人机交互适航验证场景是实施机组工作量审定的基

  摘要:设计有效的民用飞机人机交互适航验证场景是实施机组工作量审定的基础。依据中国民航规章CCAR-25部1523条款和附录D适航验证性要求,通过对运输类飞机机组工作量适航验证条款的解读,建立工作量审定人机交互适航内容及验证流程;确立机组工作量审定民用飞机人机交互适航场景设计原则,分别从测试机组、运行过程、运行环境以及运行状态四个维度设计验证场景,并实施典型机组工作量适航验证场景捕获;结合机组工作量评估策略和测量方法比较,提出机组工作量适航验证方法。结果表明:构建的民用飞机人机交互适航验证场景和适航验证方法适用有效,可为民用飞机机组工作量适航验证提供参考。

  关键词:民用飞机设计;机组工作量审定;场景设计;适航验证;人机交互

民用飞机

  0引言

  运输类飞机机组人员的工作量适航审定问题是民航适航安全领域关注的重要内容和研究热点[1-2]。根据有关航空事故统计,有70%的飞机事故是由人为因素导致的。飞行机组的飞行质量直接关系到能否安全顺利地完成飞行任务,而飞行机组的工作量是衡量机组飞行操纵绩效的重要指标,过大或过小的机组工作量对于飞行绩效表现都会产生不利影响。开展运输类飞机机组工作量测量审定研究,对于满足良好人机交互要求的民用飞机设计和保障运输类飞机安全运行具有重要现实意义。近年来,国内外对运输类飞机机组工作量开展了系列研究。

  民航论文范例: 运输类飞机应急撤离演示试验适航要求解析

  徐敏敏等[3]在分析飞机场景的基础上,对机组工作量场景捕获进行分析;刘树强等[4]运用BP神经网络对机组工作量进行评价;毛志威等[5]在民用飞机审定过程中,运用MBSE方法进行试飞场景设计研究;黄二利[6]从运输类飞机机组的适航符合性验证方面分析和考虑飞机机组工作量审定;G.Roth等[7]通过开发有人/无人协作应用程序对工作量进行了分析和比较;D.M.Benitez等[8]介绍了一种适用于民航驾驶舱的新型概念来分析和减轻飞行员工作量。综上,国内外在运输类飞机机组工作量方面开展了系列研究,取得了丰硕成果,但在基于机组工作量适航条款解读的人机交互场景维度设计及适航验证方法交叉融合方面的研究较少,有待进一步探讨。

  本文针对机组工作量符合性验证场景设计与验证方法问题,通过对运输类飞机机组工作量适航条款的总结与解读,针对性地确立机组工作量场景设计原则;分别从适航验证测试机组、飞行运行过程、飞行运行环境以及飞机运行状态四个维度设计机组工作量适航验证场景,并通过机组工作量评估策略和测量方法比较,提出机组工作量验证方法,通过典型案例加以分析验证,以期为开展运输类飞机机组工作量适航验证场景设计和验证提供参考。

  1机组工作量适航条款解析与验证

  1.1工作量内涵

  工作量常用来描述一个人执行任务的能力(生理或者心理)和与其执行任务相关的系统和环境要求匹配之间的关系。工作量是否饱和并非仅依靠工作数量多少而定,而是依据计时定额法确定而成,与人为操纵者的资源数和完成任务所需的资源数之间的差异密切相关,工作量和工作绩效存在关联关系,工作量太高或者太低都会影响工作绩效[9]。在民机适航安全领域,飞行机组工作量承载量直接影响飞行操纵绩效影响飞行运行安全。而飞机机型、运行环境、飞机工况以及机组自身状态等因素都会对运输类飞机机组工作量产生影响,科学有效测度机组工作量是民机适航安全审定的基本需求。

  1.2机组工作量适航条款解析

  我国民航局方针对运输飞机机组工作量审定方面,在中国民航规章CCAR25和附录D规章中为防止飞行中飞行员工作量过高以及由于驾驶舱自动控制系统可能引发机组工作量异常而诱发不安全问题设立有专门适航条款。CCAR25.1523条最小飞行机组中明确要求考虑每个机组成员的工作量,使其足以保证安全运行,CCAR25附录D阐述了按要求确定最小飞行机组时采用的准则。

  飞行过程中机组工作量水平过高或过低,都会引起飞行员精神疏忽或者疲劳,诱发飞行员遗漏重要信息、不能完成执行相关任务而产生人为差错。CCAR25.1523条是要确保最小飞行机组的安全,必须要考虑如下因素:①机组成员必须了解飞行器件的简易性和可操作性;②机组成员工作量;③按该条所审核的运行类型。CCAR25附录D也明确最小飞行机组的基本工作职能和工作因素,基本工作职能包括:①指挥决策;②导航;③防撞;④飞行航迹控制;⑤监控飞机系统和发动机;⑥通讯。

  工作因素包括:

  ①飞行过程中所必须的动力装置和操纵器件,并对其进行操作的简易性和可操作性;②对飞机上所有的仪表和故障警报装置的可达性和突出程度,并考虑仪表和装置显示程度;③操作程序复杂程度。特别要考虑由于飞机重心、飞机结构或飞机上其它适航性的原因而强制采用燃油管理程序,以及发动机使用油箱情况及供油而运转的能力;④在正常操作以及在遇到突发情况下消耗的体力和精力的大小和时间;⑤在飞行过程中,需对飞机所需的燃油进行监控;⑥需要机组成员离开自己原来的岗位,包括应急情况和查看飞机系统;⑦飞机系统在失灵过后,处理引起故障的能力;⑧导航所需的工作量;⑨突出情况导致的额外工作量;⑩根据要求至少由两名驾驶员组成的最小飞行机组时,其中一名成员不能完成工作时的工作量[10]。

  1.3工作量审定人机交互适航验证流程

  机组工作量审定主要取决测定不同场景下的机组工作量适航规章符合性,需考虑基于民机全生命周期,建立测试场景并对机组工作量实施测量分析,主要包括:

  ①在飞机设计早期对工作量进行分析。对于特定驾驶舱布局,选取分析方法并对方法进行选择和优化处理。②在分析工作量并且条件允许下,应包含机型与其他相近机型驾驶舱之间的对比。③对驾驶舱有重大改造时,如更改驾驶舱构造、更改飞行员操纵界面、更改飞行员运行程序和职责等,都需要进行综合详细的评估。④若发现设计问题时,应对这些问题深入研究、评估。把相关信息及时提交有关验证部门,并及早发现潜在问题。在机组工作量审定过程中,需要结合CCAR25.1523条规以及CCAR25附录D规章审定要求,结合飞行设计与运行,建立对应测试场景和验证方法,实施机组工作量审定人机交互适航验证。

  2机组工作量审定人机交互适航验证场景设计

  2.1机组工作量适航验证场景设计原则

  根据CCAR25.1525条和附录D,对机组工作量进行评估遵循基本设计原则:若要评估的机型与已经取得适航认可机型相似,选取类似的方法。对于明显改变驾驶舱、人机交互界面、操纵习惯和流程时,针对改变的新特征来设计新的任务场景进行工作量的评估[11]。场景设计时通常要考虑机组试验人员、天气、航线、机组工作计划、最低设备清单(MinimumEquipmentList,简称MEL)和系统失效。设计机组工作量场景设计包括:正常场景、非正常场景和应急操作场景。

  2.2机组工作量适航验证场景维度

  机组工作量适航场景设计的目的是确保工作量准确性。在场景捕获维度设计上,建立整个飞行过程中的机组工作量多维矩阵,实现场景捕获设计的完整性。参考有关学者研究和飞机飞行手册,最终得出机组工作量操纵任务场景的4个维度,分别是:飞行阶段、试验人员、环境因素、飞机状态,其中①飞行阶段划分六个子任务场景维度:飞机静立、滑行、起飞、巡航、进近以及着陆。②试验人员就是参与试验的成员,包括学生驾驶员、航线运输驾驶员和试飞员。③环境因素维度就是飞机运行阶段所处运行环境。④飞机状态维度指飞机适航状态直接影响到飞行员的操纵,严重情况会导致整个系统发生故障,直接诱发飞行事故发生。

  2.3机组工作量适航验证要素

  2.3.1工作量适航验证机组维度要素

  通过对参与实验人员的反应和状态来分析和制定工作量的大小,当遇到紧急情况时飞行员的工作量突然增加,工作负荷压力突然增多,情景意识就会下降,诊断故障能力和判断力也会下降。根据任务要求考察其相关特征选择实验人员。根据试验要求可以把飞行员分以下几类:

  ①学员驾驶员,其特征是机型驾驶经验和应急处理能力一般也较弱。②航线运输驾驶员,在飞行时间、航空领域知识和驾驶经验方面航线运输驾驶员要比学员驾驶员高得多。一般情况下,航线驾驶员应对气象、规章、空气动力学、导航、航空器运行与空域、重量和平衡的计算和对飞行特征的影响、飞行性能、机动飞行操作程序和应急操作、人为因素和机组管理等,一般拥有至少1500h的飞行时间。③试飞员,试飞员必须有丰富的飞行经验应急处理能力和熟练的驾驶技术。

  2.3.2飞行运行过程维度要素

  飞机在飞行过程分六个子任务运行过程场景维度:飞机静立、滑行、起飞、巡航、进近以及着陆。①飞机静立场景设置为航空器推出或滑行之前,或者在到达之后,在廊桥、机坪或者停机位处于静止状态。②飞机滑行场景设置为航空器起飞前或着陆后,依靠自身动力在机场道面上移动。

  ③飞机起飞场景设置为航空器为实际起飞而使用动力起飞时起,经滑跑直到达跑到标高之上35英尺的高度。④飞机巡航场景设置为飞机经起飞爬升之后到飞机进入进近阶段之间的运行阶段。⑤飞机进近场景设置为飞机开始下降进下滑道到着陆之间的飞行运行阶段⑥飞机着陆场景设置为从开始着陆拉平,直至航空器脱离着陆跑道或者停止在跑道上。

  2.3.3飞行运行环境维度要素飞行运行环境因素维度就是飞机在不同运行过程所处的环境。昼夜不同是飞机在不同运行阶段所处的时间不同;恶劣天气是气象条件,如低能见度、风切变、飞机积冰、颠簸等;跑道状况是指机场的环境,干跑道、湿跑道、污染跑道等。

  2.3.4飞机运行状态维度要素飞机运行状态是在不同飞行运行过程中遇到系列飞机状态。飞机运行状态除了正常情况下,典型故障模式包括①发动机故障:发动机失效包括单发失效和双发失效;②操纵控制系统故障:包括主操纵系统、辅助系统故障、导航失效包括无线电高度表失效、惯性基准失效、大气数据基准失效等;③起落架系统故障:包括起落架收放故障、起落架警告系统故障灯;④其他设备故障等,包括仪表板、飞机结构受损等。

  2.4机组工作量适航验证典型场景捕获

  根据适航验证场景设计原则,以及适航验证场景维度,确定着陆典型应用场景的飞行员操纵行为任务,根据具体的操纵任务再分析机组工作量适航审定要求,运行环境维度为良好运行环境。

  3机组工作量适航验证方法

  3.1机组工作量适航验证策略

  根据机组工作量不同测试场境,采用不同的工作量设计和评估工作,评估工作量考虑采用:直接比较法、间接比较和独立评估。①直接比较法。通过建立有组织的试验体系,试验评估人员把新设计与之前已经通过验证特定任务做比较,记录比较数据来完成评估,通过设计全新试验场景来完成特定评估。②间接比较法。由于条件限制,两系统进行并联评估直接比较是非常困难的。通过飞行员的“心理感受”,将旧系统和新系统进行比较。③独立评估法。通过评估系统本身的质量(尤其是用户满意度)来确定相应的工作量评估策略。

  3.2机组工作量适航验证方法工作量测量工作量的前提是确定工作量的评估方法。在测量方法或者选择测量方法时,注重考虑有效性、可靠性以及适用性需求,测量方法尽可能不增加机组的额外工作量、测量方法尽可能不影响机组正常工作。

  3.2.1主观测量法主观测量法是一种事后经验性的方法,通常可以表征机组工作量[12]。主观测量法可用工作量评定表来划分亮度等级。常用方法包括:NASA工作负荷指数法,Bedford法,主观工作负荷评估法等。应用较成熟的NASA工作负荷指数法是用NASA-TLX量表来测量工作量,由6个因素及相关描述组成(如表2所示),检验者可以根据自身情况进行打分,实现量化评估。

  3.2.2绩效测量法

  绩效测量法一种用以判断其方案、绩效、收益等是否达到预期目标的评估程序,该评估程序需要使用统计证据以确定特定的绩效目标。主要测量方法为:主任务测量法和辅助任务测量法。

  3.2.3生理机能测量法

  生理机能测量法是通过中枢神经系统、自主神经系统及内分泌系统等生理指标测量分析所得。生理测试分为两个层次:情绪和生理活跃的测量(心率、瞳孔变化和眼动特征),感觉和精神过程测量(相关的电位和凝视方向)。生理机能测试结果可以表示机组工作量测量的表面特征,通过结果确定工作量的程度的变化[13]。

  3.3机组工作量适航验证方法

  单一工作量评价方法都存在适用范围和优缺点(如表3所示)。主观测量法重在评估操纵员功能及因素,相对于其他方法应用广泛,但在精准度方面有待提升。绩效测量法评估主要是考虑主任务和辅助任务完成情况,评价结果较为准确。生理机能测量法需要用生理学相关内容,测试方法不容易实现,部分测试技术具有灵敏度要求[14]。面向机组工作量审定的民机人机交互适航验证,综合运用主观和绩效测量的方法,并结合生理机能测量方法,实施机组工作量适航验证条款有效验证。

  4结论

  (1)针对运输类飞机机组工作量适航条款CCAR25.1523条和附录D的解析为面向机组工作量适航审定提供理论支撑。

  (2)从适航验证测试机组、运行过程、运行环境以及飞机状态四个维度可有效构建面向机组工作量审定的人机交互适航验证场景,并实施典型着陆场境捕获应用。

  (3)面向机组工作量审定的运输类飞机人机交互适航场景设计以及机组工作量适航验证方法,有助于民机人机交互正向设计与适航风险分析。

  参考文献

  [1]张夏,孙有朝,张越梅,等.运输类飞机运行符合性验证规划方法研究[J].电子测量技术,2021,44(1):76-82.ZHANGXia,SUNYouchao,ZHANGYuemei,etal.Studyontheplanningmethodoftransportaircraftoperationcomplianceverification[J].ElectronicMeasurementTech⁃nology,2021,44(1):76-82.(inChinese)

  [2]朱海云.民用飞机最小机组工作量评价方法研究[J].内燃机与配件,2019(8):185-187.

  作者:陈农田1,满永政2,李俊辉2

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《面向机组工作量审定的民用飞机人机交互适航验证场景设计》

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