直升机驾驶舱设计理念研究

陈丹昱

摘 要：针对国内直升机驾驶舱设计尚未建立完善的人机交互设计方法与体系的现状，本文提出了人机和谐的直升机驾驶舱设计理念。该理念强调了飞行员与自动化系统相互融合、互补互促、和谐统一的设计思想，确定了驾驶舱设计过程中人机功能分配和人机交互设计所应遵循的一般原则，为直升机驾驶舱各阶段的设计和优化提升提供指导。

关键词：直升机;驾驶舱;设计理念;设计原则

0引言

直升机驾驶舱是飞行员控制直升机完成飞行任务时最直接的工作环境，是人机交互的枢纽，也是直升机研制的核心部位。驾驶舱人机交互设计的优劣将直接影响飞行员操控直升机时的生理与心理，影响飞行员是否能够安全、高效、舒适地完成飞行任务[1]。

随着技术的不断发展，自动化将要承担更多更复杂的系统任务，人机结合的直升机控制模式应运而生[2]。与此同时，直升机驾驶舱系统中人与自动化的各自地位、功能和需求，以及人机之间的功能分配和交互原则等，都是直升机驾驶舱设计急需解决的关键问题。直升机驾驶舱设计理念的构建就是为人机之间的功能分配和交互给出指导，提供矛盾出现时的协调原则，保障人机接口和操作方法的一致性。只有确定了直升机驾驶舱设计理念，才能进行具体的人机功能分配方案和人机交互方案的设计。

国外先进直升机研发机构已建立了完善的驾驶舱人机交互设计方法与体系，确立了一脉相承的文化要素和企业内涵，使其直升机产品具有安全、经济、高效、舒适的优势，形成了强大且稳定的市场竞争力;我国直升机驾驶舱设计并未建立完善的驾驶舱设计理念及捕获完整的驾驶舱功能需求，不同的直升机型号和平台之间差异较大，普遍存在界面与布局纷杂混乱的问题[3]，阻碍了我国直升机驾驶舱技术的发展，影响了用户满意度和市场竞争力。为此，迫切需要开展对直升机驾驶舱设计理念的研究。

1驾驶舱设计理念现状

空客公司和波音公司将基本飞行原理和现代飞行技术相结合，充分考虑机组和自动化系统的交互，提炼出飞机操纵黄金法则，分别见表1和表2。

对比可知，两家公司均采用以人为中心的驾驶舱设计理念，然而其贯彻过程中所衍生的设计原则却截然不同。这是因为以人为中心的理念实际上将“人”与“机”理解为相对独立的实体，虽确定了“人”是矛盾的主要方面，但如何解决二者间的矛盾却可以采用不同的方法。空客公司的设计强调飞行员错误的不可避免性，在设计中侧重以自动化功能代替飞行员的作用;而波音公司的设计则强调飞行员的主观能动性，在设计中侧重于为飛行员提供信息，使自动化功能成为飞行员决策的辅助。

以人为中心的驾驶舱设计理念在目前最为前沿，因为它确保了“人”在航空器系统中的重要作用，确立了驾驶舱设计过程中人为因素的核心地位。然而，无论是波音还是空客，在将以人为中心的驾驶舱设计理念贯彻为设计原则时都没有将“人”摆放在合适的位置。回顾近十年，波音、空客公司投入运营的新机型中由于人为差错而导致的航空事故比例并没有大幅下降[4]。

本文在传统的以人为中心的驾驶舱设计理念基础上进行发展研究，阐述一种通过飞行员与自动化系统相互融合，互补互促，以达到和谐统一的直升机驾驶舱设计理念。

2人机和谐的直升机驾驶舱设计理念

2.1直升机驾驶舱设计理念的构建

根据航空航天推荐标准ARP 4754A，流程演示和最终产品质量通常是通过可追溯性和严格的级联来进行保证的。对于直升机驾驶舱，其设计理念只有涵盖所要求的文件才能正式级联，具体的文件级联形式见图1。

直升机驾驶舱设计理念是一个需要在整个设计周期中被调用和使用的参考文件，它以设计目标为出发点，通过设计原则来贯彻，从顶级设计需求文件到各级功能定义及系统需求文档的级联，来影响目标，优先级，冲突等设计需求的定义并支持它们的验证，检查直升机驾驶舱的设计与最初操作概念的符合性与一致性。

2.2直升机驾驶舱设计目标

为完成直升机驾驶舱设计理念的构建，首要工作是对设计目标的明确。由于直升机驾驶舱设计是一个系统工程，涉及驾驶舱、飞行员、设计人员、制造商、运营方、管理当局以及相关社会因素，其设计目标应至少包含以下几个方面：

（1）应满足机组在飞行、导航、通信和管理直升机系统时的基本要求，并符合飞行员通常的使用习惯。

（2）须对现有及可能发生的飞行环境限制进行考虑。

（3）须对制造商的战略决策进行考虑，使设计目标能够落到实处。

（4）须为设计和开发的参与者建立良好的互动、协作关系，重视设计管理。

2.3人机和谐的设计理念内涵

在直升机驾驶舱系统中，“人”与“机”是不可比拟的两类智能体，不能简单地用“非此即彼”或者“彼此替代”来表述他们之间的关系，不应单方面强化飞行员或者自动化系统在直升机控制中的作用。只有通过“人”与“机”的融合，互补互促，使之和谐统一，才能从根本上设计出安全、高效和舒适的直升机驾驶舱。

人机和谐的直升机驾驶舱设计理念，其核心思想是飞行员、驾驶舱甚至直升机本身只是航空运输系统的一部分，整个航空运输系统还包括运营商、维修商、空中交通管制员、气象预报员、飞行调度员、机场地勤以及政府监管机构等。系统各个组成部分之间的成功协作才能确保飞行任务这一总体目标的完成。

人机和谐是一种状态与趋势，它要求直升机驾驶舱的设计能保证飞行员在飞行任务过程中保持安全、高效和舒适。人机和谐的设计涵盖了三个层次的要素：（1）功能、信息完备：根据任务需求定义，为实现直升机安全、高效飞行所需的功能以及支撑这些功能的相关信息必须完备。直升机驾驶舱须为飞行员提供操作控制、状态获取以及任务执行所需的所有功能和信息，以确保其对飞行安全所负有的最终责任。（2）优先次序：根据任务过程中的重要性排序，由飞行员和驾驶舱所组成的系统其综合优化须优先于各个子系统的优化;飞行员的操作权限优先于自动化系统的操作权限;直升机驾驶舱设计的优先级次序依次为：安全、舒适和效率。（3）符合常规：直升机驾驶舱的设计须适应飞行员的常规特性及习惯，其操作设计与信息显示须考虑飞行员的常规能力与限制，使自动化系统最大程度地成为飞行员的辅助。

人机和谐直升机驾驶舱设计理念可以概括为以下三个方面的内容：

1）所有的设计与决策都须考虑直升机整体的安全与效率。飞行员与直升机驾驶舱所组成的系统其综合功效优化比单一性能的优化更为重要。

2）飞行员与驾驶舱所组成的系统，其综合功效受到以下几方面因素共同影响：飞行员的权力、责任、差错和特性，各系统中所应用自动化功能，设计过程所涉及的冲突管理等。

3）通过考虑直升机驾驶舱设计的功能信息完备、优先次序和符合常规等要素来实现飞行员与驾驶舱系统的综合功效优化。

2.4设计理念的贯彻

人机和谐的直升机驾驶舱设计理念提供了全面且综合的有关人机界面主要特点和操作概念的理论基础、目标和设计思想。然而使其成为设计过程中的实用手册，则需要通过一系列设计原则来贯彻。

根据航空航天推荐标准ARP 5056，直升机驾驶舱设计原则应包含的内容有：飞行员的责任、飞行员的权限、飞行员的特性、自动化的使用、新技术和功能的使用、人為差错管理、设计优先次序和机组任务简化。对于直升机驾驶舱设计，其设计原则就是要将人机和谐的理念中所提出的功能信息完备、优先次序和符合常规等要素落实到上述内容中去。具体体现如下：

（1）飞行员的责任：飞行员对飞行安全和效率负有最终责任，其基本任务是飞行、导航、通信和系统管理。直升机驾驶舱的设计应该保证飞行员在所有情况下都拥有完成上述任务所需的信息以及控制操作能力。

（2）飞行员的权限：飞行员拥有对直升机操作的最高权限。直升机驾驶舱的设计应确保两名飞行员都具备用以保证飞行安全所需的基本权限和资源，并都能随时访问与直升机、系统和飞行状态相关的信息。为了保证飞行安全，必要时飞行员有权利超越已知系统的限制完成对系统的操作。

（3）飞行员的特性：驾驶舱的设计不应超越飞行员的正常能力限制或违背其通常的习惯。驾驶舱的操作设计和信息显示应适应飞行员的能力和限制。

（4）自动化的使用：自动化系统只是飞行员执行飞行任务的辅助工具，而不能替代飞行员的操作。飞行员应能对飞行控制系统中所有的动态功能和任务进行分配。驾驶舱的设计应有助于飞行员与自动化系统之间的协作，使飞行员有能力随时监控和调整自动化系统的状态。

（5）新技术和功能的应用：新技术的使用应能实现明确的提升或优化，不与现有系统或设备的功能发生冲突，与飞行员通常的偏好和习惯不存在矛盾，并确保对其他系统或人机界面不产生负面影响。

（6）人为差错：驾驶舱提供给飞行员的信息内容和集成程度应与其正在执行的任务和所用的自动化程度相适应。驾驶舱的设计应能够为飞行员提供多种不同的途径来实现任务目标，并有利于其建立准确的任务目标或系统功能的概念模型。此外，驾驶舱的设计应在保证不超越飞行员注意力、记忆力、计算能力、决策偏差等的基本局限前提下，充分发挥其解决问题、归纳推理的能力。

（7）设计优先次序：驾驶舱中各系统的设计应首先确保其系统信息和功能操作的完整性。系统设计所需遵循的优先级次序依次为：简化、冗余和自动化。

（8）机组任务简化：驾驶舱的设计可以通过提供辅助决策信息和简化操作来实现机组任务的简化。机组任务的复杂程度应保证当自动化系统失效时，飞行员仍能够获取得足够的信息和操作支持，来完成飞行任务。

3 结语

针对目前国内直升机驾驶舱设计未建立完善的人机交互设计方法与体系的现状，本文对直升机驾驶舱设计理念开展研究，阐述了人机和谐的直升机驾驶舱设计理念，确定了驾驶舱设计过程中人机功能分配和人机交互设计所应遵循的一般原则，为人机之间的功能分配和交互给出参考，提供矛盾出现时的协调依据，保障人机接口和操作方法的一致性，为直升机驾驶舱各阶段的设计和优化提升提供指导。

参考文献

[1] 钱进.运输类飞机驾驶舱人为因素设计评估指南[M].上海：上海交通大学出版社，2016.

[2] 陆虎敏.飞机座舱显示与控制技术[M].北京：航空工业出版社，2015.

[3] 刘启越.民用直升机驾驶舱人机工效评价方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[4] 班永宽.航空事故与人为因素[M].北京：中国民航出版社，2002.