民用飞机机组告警系统模拟器验证试验研究

摘 要：民用飞机机组告警系统的作用是吸引飞行机组的注意，使其知晓飞机和飞机系统出现的失效或故障。机组告警系统的设计和验证高度依赖于人为因素和飞行员评估，通过飞行模拟器进行验证是一种有效的评价手段和工具。该文对民用飞机机组告警系统的模拟器验证试验进行研究，对民用飞机机组告警系统的设计验证提供参考。

关键词：机组告警系统 飞行模拟器 人为因素

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（a）-0006-03

Abstract：The purpose of crew alerting system on civil aircraft is to attract the attention of the flight crew， to inform them of specific non-normal airplane and airplane system conditions or certain nonnormal operational events that require their awareness. Design and Verification of Crew Alerting System highly depends on human factor consideration and pilots evaluation， which can be effectively evaluated by flight simulator. The article gives research and provides advices on research on simulator verification test of crew alerting system for civil aircraft.

Key Words：Crew alerting system； Flight simulator； Human factor

民用运输类飞机应安装有机组告警系统。飞行机组告警系统的目的是吸引飞行机组的注意力，提供需要注意的特定的非正常飞机系统状态，或者特殊的非正常运行事件。飞行机组告警系统的设计依赖于系统监控的设计、以及人为因素。

该文分析了采用飞行模拟器试验方法对机组告警系统的设计进行验证的方法。首先阐述了民用飞机机组告警系统的设计考虑；其次分析了机组告警系统的验证范围和要求；然后给出了采用模拟器验证试验（MOC8）的方法，包括验证思路、故障模拟方法、验证和评估内容以及验证方法；最后给出了该研究的意义和今后的工作方向。

1 机组告警系统的设计考虑

1.1 机组告警的目的和意义

由于飞行机组最终负责飞机的运行，在出现非正常机组操作或飞机系统非正常状态时，必须向飞行机组提供告警，以帮助飞行机组确认紧急和非正常状态，并及时正确地做出响应。以前，飞机的设计使用独立的告警灯提供告警功能，而现在告警功能已能够被集成在其他的系统，包括电子显示系统、音响或语音生成系统以及振动警告系统。

根据中国民用航空规章CCAR25§1309的要求，必须提供警告信息，向机组指出系统的不安全工作情况并能使机组采取适当的纠正动作。系统、控制器件和有关的监控与警告装置的设计必须尽量减少可能增加危险的机组失误[1]。

机载飞行机组告警的目的是吸引飞行机组的注意力，通知他们需要注意的特定的非正常飞机系统状态，或者特殊的非正常运行事件。另外，在现代告警系统中，向机组建议针对这些情况的可能的措施。

一个告警能够完成其目的的能力取决于整个告警功能的设计。这包含传感器和触发告警所需的传感条件，以及对该信息进行何种处理，包括紧急程度和分配的优先级，以及如何选择告警要素以表达分配的紧急程度。无需机组注意的条件不应生成一个告警。

1.2 机组告警的设计要素

在设计机组告警系统时，应考虑以下概念和要素[2]。

仅需要机组注意的非正常飞机系统状态和运行事件才应当作为一个告警，机组需要注意这些系统状态和运行事件用于支持机组决策并确定适当的机组响应。然而，需要提供告警的状态也取决于特定的系统和飞机设计。例如，在一个多传感器系统中的单一传感器的失效可能不会导致一个需要飞行员注意的告警状态。然而，对于一个单套传感器系统，这样的一个失效应当导致一个告警状态，并向飞行机组提供能够保证持续安全飞行和着陆的信息。

所有呈现给飞行机组的告警，必向飞行机组提供能够确定非正常运行或飞机系统状态并决定纠正措施的信息。适当的飞行机组纠正措施通常由飞机操作程序（例如，飞行手册）定义，也是飞行机组培训课程的一部分，或是基本的飞行技术。

告警系统的设计应考虑适当的要素组合，使其能够在特定的情形下有效地吸引机组的注意力，典型的要素包括：主视觉告警、视觉告警信息（包括机组告警信息和故障旗指示）、音响告警（包括语音和独特的音调）、振动或触觉信息。

其中机组告警信息的要素包括信息文本、信息等级和信息逻辑等。

使用基于逻辑的综合告警系统，以保证告警系统要素得以在时序上同步，并按照每个告警等级提供适当的告警。例如，主视觉告警的触发通常应当与主语音告警同时发生。如果使用的语音告警带有多种含义，应提供相应的视觉、振动或触觉告警，以避免任何告警状态及含义的不确定性。

应为每个告警条件确定紧急程度或优先级（警告、警戒和提示）。如果某个告警的紧急程度和优先级会由于飞机状态、飞行阶段、系统构型等不同而不同，那么应在告警系统的设计中加以确认。

应设计一套通用的告警表现形式（例如，告警功能的布局、告警组合（音响、视觉、振动）、告警信息提供的信息和标准化的颜色和图形），并明确告警的实现形式（例如，告警信息的结构和时序）以支持告警功能。

2 机组告警系统的验证范围和要求

根据民用航空规章的要求，民用飞机机载系统需要进行适航审定，以表明对于适航规章的符合性。由于不同项目中告警功能或系统的复杂性、综合程度以及系统细节的不同，所需的适航审定可能是不同的。美国联邦航空局（FAA）建议制定审定计划以确定如何表明对规章的符合性，并建议在民用飞机项目研制早期讨论的任何机组告警设计理念和要求的可接受性，以及需要向机组提供告警的条件[3]。

FAA提出，应根据适航合格审定计划开展对告警系统的验证和评估。验证和评估应当包括对预定功能的可接受性能，如人-机接口，以及告警系统失效情况的可接受性。这些情况应反映系统预期的运行使用，验证和评估中所应包含的特定方面有[4]如下几个。

（1）告警的视觉、语音、以及触觉。

（2）从人-机集成角度满足预定功能的有效性，包括工作负荷，潜在的飞行机组错误和混淆。

（3）正常和紧急状态下的抑制逻辑，以及相关控制的可接受性。

（4）与其他系统的有效集成，可能要求测试每个特定的告警，并验证已提供了适当的程序。

（5）验证在故障模式下操作的可接受性。

（6）与其他显示和控制的兼容性，包括多个警告。

（7）保证告警系统自身不会产生虚警，或对其他系统造成干扰。

（8）针对特定的飞行阶段（例如：起飞和着陆）以及特定的飞机构型（例如：非正常襟翼和起落架）抑制告警。

根据上述验证范围要求，应对机组告警系统进行技术分析、试验室试验、模拟器验证试验和飞行试验，以表明对于适航规章的符合性。

3 机组告警系统模拟器验证试验（MOC8）方法

根据机组告警系统的验证范围和要求，可以通过适当的飞行阶段和机组来评估单个或多个告警，包括具有代表性的环境和运行条件。机组告警功能作为一个整体，其设计要素与人为因素和人机接口密切相关，因此适合在一个具有代表性的驾驶舱环境中进行评估，典型的模拟器可以用于完成对某些人为因素和工作负荷研究的评估。

3.1 验证思路

机组告警系统的验证应选用能够代表飞机真实座舱设计和功能的模拟器，应评估其逼真程度，确保与适航要求相一致，并得到适航审查方的确认。机组告警的验证范围应包括第2节中的机组告警系统设计要素、机组操作和工作负荷。对机组告警系统的验证和评估应该由具有多种背景和经验的具有代表性的飞行员团队完成。

3.2 故障模拟方法

中国民航CCAR-60飞行模拟设备的鉴定和使用规则要求[5]，飞机飞行模拟机的驾驶舱一般构型、模拟机编程、教员台、运动系统、声音系统和视景系统的功能和性能应与其所模拟的飞机具有一定的相似程度并满足飞机飞行模拟机一般要求。飞行模拟机主要部分通常包括仿真驾驶舱，提供驾驶舱真实环境和仪器操纵；计算机系统进行模型运算提供飞行数据；视景系统根据飞行数据提供真实的驾驶舱外视景，包括跑道、机场、大气环境等；运动系统控制模拟机平台的姿态，给飞行员提供姿态和加速度感受；声音系统给模拟机提供飞行中各种情况下的驾驶舱声音。

对于机组告警系统的模拟机验证试验，告警状态和条件均来源于模拟机模拟的飞机系统输入，因此飞行模拟机应可以控制所需的全部系统变量，将必需的全部紧急和非正常条件输入到模拟机，同时也可以通过控制台设定风速和风向以及地面和空中危险情况的功能。图1说明了通过模拟机控制台模拟飞机系统状态，以替代使用真实飞机系统的原理。

3.3 验证方法

机组告警系统模拟器验证和评估内容以及验证方法见表1所示。

4 研究的意义和今后的工作方向

民用飞机机组告警系统是重要的机载系统，与飞行机组的操作和航线运行安全密切相关。该文对民用飞机机组告警系统的设计考虑和适航符合性验证方法进行了分析和研究，初步阐述了通过飞行模拟器对机组告警系统进行验证的方法，为民用飞机机组告警系统的设计验证提供了有效途径。

参考文献

[1] CCAR-25-R4，运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2011.

[2] 姚新斌.民用飞机机组告警系统设计研究[J].科技创新导报，2012（27）：14-15.

[3] Michelle Yeh， Young Jin Jo， Colleen Donovan， et al. Human Factors Considerations in the Design and Evaluation of Flight Deck Displays and Controls [R].Washington：FAA，2013.

[4] AC25.1322-1， FLIGHT CREW ALERTING [S]. Washington：FAA，2010.

[5] CCAR-60，飞行模拟设备的鉴定和使用规则[S].北京：中国民用航空局，2005.