机组工作负荷评价新方法及其应用

王黎静 向 维 何雪丽

李润山

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京100191)

(中国国际航空公司飞行总队，北京100621)

1981年，美国出台了关于指导飞行机组定员任务的建议，即关于新一代商用运输机的两人制机组操作是否安全，其验证是否与秘书处的规定 (1958年联邦航空局法令中用来促进飞行安全的验证条款)一致的建议［1］.过去30年里，研究者们研究了大量的机组工作负荷的评价方法，但大多数方法和AC25.1523中的方法一样仅仅被谨慎地应用于可控的飞行模拟实验［2－3］.就目前检索的资料，能用于驾驶舱早期设计的负荷评估方法和工具少之又少.本文从早期介入设计的观点出发，研究一个基于A320、B737(C919竞争机型)机组工作负荷评估体系，之后基于所建立的评价体系，应用模糊综合评价法对B737和A320机组工作负荷进行了综合评价，在此基础上提出了C919驾驶舱机组工作负荷设计中应该关注的设计系统及设计参考原则.基于本文提出的机组工作负荷评价体系，设计人员可在驾驶舱设计的各个阶段方便、清晰地评价驾驶舱机组工作负荷，使机组工作负荷的设计更合理.

1 机组工作负荷综合评价体系

1.1 建立民机机组工作负荷综合评价指标体系

通过对FAA(Federal Aviation Administration)适航标准CFR-25.1523、中国适航标准CCAR-25.1523［4］、B737 及 A320 现有飞行员机组使用手册［5－6］和文献 ［7］的研究，并与这两种机型现役飞行员多次面谈，从以下11个因素对机组工作负荷进行了细化.评估体系的部分内容如表1所示:

1)操纵装置的可达性及操纵的简易程度;

2)仪表及警告装置的可视性及醒目程度;

3)燃油非正常操作程序;

4)消耗的负荷大小和持续的时间;

5)系统监控程度;

6)需机组成员离开原定职能岗位才能完成的动作;

7)飞机系统的自动化程度;

8)通讯工作量;

9)导航工作量;

10)应急程序;

11)一名驾驶员丧失能力的操作程序.

表1 民机机组工作负荷综合评价指标体系模型

1.2 德尔菲法筛选指标

初步确定机组工作负荷评价指标体系后，采用改进德尔菲法［8］筛选指标确定了机组工作负荷的评价体系.两次接受咨询的专家都来自某航空公司飞行总队的现役飞行员，且均飞过A320系列及B737系列机型.论文参考文献 ［8］，把专家一致意见定义为:不少于2/3(或67%)的专家判断等级为“大”及“大”以上的判断结果，即Likert量表等级≥3.

1.3 确定机组工作负荷评价指标权重系数

研究中采用序关系分析法［9］确定各指标的权重系数，接受指标权重系数咨询的专家组同前.权重系数调查共送出25份调查表，收回22份有效问卷.对不同专家人数下11个一级指标中的部分权重系数的计算如图1所示.图中随着专家人数逐渐增加，权重系数趋于稳定.研究中人数达12个以后，11个一级指标的权重系数未再出现大的起伏，与文献 ［9］中所述“专家人数以10～30人为宜”是吻合的.计算所得的一级指标权重系数如表2所示.

图1 不同专家人数的指标权重系数比较

表2 子目标层权重系数

2 机组工作负荷模糊综合评价

2.1 机组工作负荷的主观评价

利用主观评价法［10］对B737和A320机型的机组工作负荷评价体系中的指标进行了评价，评价专家组同前，调查中的评价等级及其含义如表3所示.发送A320机型、B737机型机组工作负荷综合评价调查问卷各25份，分别收回有效问卷23份和17份.

主观综合评价值:按有界和、有界积算子计算原则 X=Rt·VT，其中 VT=(0.9 0.7 0.5 0.3 0.1).

矩阵R中的元素rij的公式为

式中，d表示参加评价的专家人数;dij表示第i个评价因素做出第j评价等级的专家人数.

表3 民机机组工作负荷评价等级及其含义

2.2 机组工作负荷模糊综合评价

论文以指标体系中的子目标“操纵装置的可达性及操纵的简易程度”(O1)为例，展示所进行的机组工作负荷模糊综合评价步骤:

1)评价对象:u10气源系统 (A320).评价指标集:u10={u101，u102，u103}，指标具体名称见表1.

2)拟定评语级:V={很大 (v1)，大(v2)，一般 (v3)，小 (v4)，很小 (v5)}.

3)指标权重系数

4)模糊评价矩阵:

式中rij表示第i个评价指标对j个评价等级的隶属度，它反映了各评价指标与评价等级之间用隶属度表示的模糊关系.

5)模糊综合评价结果:利用权重系数和评价矩阵进行模糊复合运算可得到U×V上的模糊综合评价结果为

式中，“◦”为模糊算子.

6)模糊综合评价等级:按模糊综合判定的最大隶属度原则

可得B=B3=0.58，该值位于评价矩阵的第3列，因此，指标集“气源系统”的评价等级为“一般”.

7)模糊综合评价值:按有界和、有界积算子计算原则

可得Y=0.503，因此，指标集“气源系统”的评价值为0.503.对每个指标及子子目标、子目标集重复上述步骤，可获得A320子目标模糊综合评价矩阵.

由式 (6)和子目标的权重系数

进行模糊运算，可得总目标的模糊综合评价结果为

可得，A320机组工作负荷模糊评价等级为“一般”，评价值Y=0.590.

同样的方法可计算出B737机组工作负荷评价值Y=0.597.

3 结果分析及讨论

用模糊综合评价方法对B737和A320机组工作负荷进行评价后，可获得如表4～表6所示的系列评价结果.

表4 A320和B737总目标层的模糊综合评价结果

表4反映了总目标层的模糊综合评价结果，尽管表中A320机组工作负荷评价等级为“一般”，B737机组工作负荷评价等级为“大”，但是二者模糊综合的评价值相差不大，A320是0.590，B737是0.597，由此可见A320的机组负荷与B737的机组负荷差异不大.

表5反映了部分指标层的评价结果.这些评价结果反映了系统设计对机组工作负荷的影响.

表5 部分A320和B737指标层的模糊综合评价结果

飞行操纵系统O11和基本飞行操纵装置u11，在A320和B737中负荷评价等级均为“大”，原因是在飞行中经常使用，而且飞行操纵与气压、温度、飞机重量、重心等诸多因素相关，在起飞和着陆时操纵尤为重要.

O14为指示/记录系统，u41为电子飞行仪表系统 (EFIS，Electronic Flight Instrument System)面板和飞机中央电子监控 (ECAM，Electronic Centralized Aircraft Monitoring)控制面板，在A320和B737的负荷评价等级分别为“一般”、“小”.原因是A320比B737多了ECAM控制面板，增加了飞行员操作的按钮.

O15为通讯系统，在A320和B737的负荷评价等级分别为“一般”、“大”.在使用“内话/无线电开关”时，当A320不发射时，无需一直按着按钮，而B737无论是发射还是不发射都需要一直按着按钮，给飞行员带来了负荷.

O114为起落架系统，u141为起落架收放控制，在A320和B737中的负荷评价等级分别为“一般”、“大”.因为在A320中，起落架的收放控制只有“收上”和“放下”，但是在B737中除此之外，还有“关断位 (切断液压)”的操作.

O21为仪表的可视性及醒目程度，u152为导航显示器 (ND，Navigation Display)，u164为引导机组快速辨明故障类型的显示，在A320中负荷评价等级为“一般”，在B737中负荷评价等级为“大”.u151为主飞行显示器 (PFD，Primary Flight Display)，在A320和B737中负荷评价等级均为“大”.因为系统集成导致PFD显示的信息量很大，这对于飞行员来说在众多信息中识别有效信息、关键信息等来说负荷是很大的，因此无论是A320还是B737，PFD带给飞行员的负荷都很大.而对于ND，在A320中是自动调节的，而在B737中需手动调节，这导致在B737中飞行员的负荷要大些.而对于引导机组快速辨明故障类型的显示，由于A320中多了ECAM，飞行员只需按照ECAM的指示来执行各种操作，但是B737中只告诉信息的位置，还需要飞行员自己判断操作.

表6给出了部分子子目标层的评价结果.这些评价结果都反映了具体设计给机组工作负荷带来的影响.

表6 部分A320和B737子子目标层的模糊综合评价结果

u182为非正常情况下消耗脑力负荷的大小和持续的时间，在A320和B737中负荷评价等级均为“大”.因为在非正常情况下，飞行员需要大量的思考，加上心理紧张，导致脑力负荷极大.

u181为非正常情况下消耗体力负荷的大小和持续的时间，在A320和B737中负荷评价等级分别为“一般”、“大”.因为A320是电传系统，没有很多操作需要使很大的力，而B737是机械传动，很多操作 (比如双液压失效)需要很大的体力，而且A320的计算机系统会减少很多飞行员的体力负荷，比如单发失效时，A320会自动补偿，而B737不能.

u193为监控增压系统信息，在A320和B737中负荷评价等级分别为“一般”、 “大”.因为A320中，增压信息的调节显示在人工位时，只需判断“上升”和“下降”来调节上升和下降，信息比较直接.而在B737中，需通过调节排气活门来调节上升和下降，信息的获取不是很直接.u194为监控飞行操纵系统信息，在A320中负荷评价等级为“大”，在B737中负荷评价等级为“一般”.原因是在A320中，飞行操纵由计算机完成，如升降舵副翼计算机 (ELAC，Elevator Aileron Computer)、扰流板升降舵计算机(SEC，Spoiler Elevator Computer)、飞行增稳计算机 (FAC，Flight Augmentation Computer)等来完成，因此飞行员需监控的飞行操纵信息比较多，而在B737中飞行操纵信息的监控一部分是靠仪表，一部分是靠感觉，判断飞机是否符合当时的状态.

4 结论

基于A320和B737，确定了民机机组工作负荷综合评价体系，包括评价指标体系及其权重系数.应用模糊综合评级方法对A320和B737机组工作负荷进行了综合评价后发现:

1)基本飞行操纵装置、PFD、非正常情况下消耗脑力负荷的大小和持续的时间3个指标的工作负荷等级均为“大”，建议C919在进行与这些指标相关的系统设计时应着重考虑其引起的机组工作负荷问题.

2)EFIS面板、ECAM控制面板、通讯系统、监控飞行操纵系统信息4个指标，A320的工作负荷等级比B737的高，建议C919在进行与这些指标相关的系统设计时参考B737的设计.

3)起落架收放控制、ND、引导机组快速辨明故障类型的显示、监控增压系统信息、非正常情况下消耗体力负荷的大小和持续的时间共5个指标，B737的工作负荷等级比A320的工作负荷等级高，建议C919在进行与这些指标相关的系统设计时参考A320的设计.

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