一种基于功能论的座舱工效设计需求定义方法

刘　璐，孙有朝，张燕军

(1. 南京航空航天大学 民航学院，南京 211106；2. 扬州大学 机械工程学院，扬州 225127)

一种基于功能论的座舱工效设计需求定义方法

刘璐1，孙有朝1，张燕军2

(1. 南京航空航天大学 民航学院，南京 211106；2. 扬州大学 机械工程学院，扬州 225127)

摘要：座舱设计需求定义是座舱设计流程中的重要环节，如何使座舱工效设计需求定义工作具备系统性和全面性是该环节的核心问题. 提出了一种基于功能论的座舱工效设计需求定义方法，利用功能定义、功能分类、功能整合的方法对座舱人机系统功能进行分析，得到了完备的座舱人机系统功能；通过求解子功能、构建功能技术矩阵、子功能实现途径组合和选择的方法，得到了座舱人机系统功能的实现方案.给出了某型飞机座舱需求定义的应用实例，验证了该方法的可行性和优越性.

关键词：座舱; 人机工效; 需求定义; 功能论

座舱工效设计需求定义是飞机座舱研制设计重要环节，可为座舱的概念设计提供输入和支持，现阶段飞机座舱研制的人机工程需求分析涵盖的内容广、任务多，包括飞行任务分析、系统功能分配、设备选择等[1]，虽然，对于座舱需求分析，在工程上已有一些实践经验，且对于系统功能分配、设备选择等座舱需求分析工作，许多专家也提出相应的工作原则及方法[2-5].但是这些工程经验及研究存在不足之处，主要体现在以下几个方面：

1)仅研究座舱人机系统需求定义阶段某一模块的内容，缺乏连贯性和系统性的考虑，没有将座舱人机系统的功能分析与方案实现联系起来.

2)不管是人机功能分配还是设备的选择都没有从不同角度对座舱人机系统功能需求进行梳理，对座舱人机系统的分析缺乏全面性. 在工业界，用于产品需求定义的方法很多，发展也逐渐成熟，其中常用的方法有因果分析图法、质量功能配置法、功能论设计方法[6-10]等.由于因果分析图法仅可用于对座舱人机系统的影响因素进行分析，没有涉及设计实现的过程，不能达到对座舱需求定义系统性、连贯性的考虑，而质量功能配置法可将飞行员对座舱人机系统的需求作为分析重点，忽略座舱人机系统本身特性的研究，功能论设计方法可从座舱人机系统的本质——功能这个角度开展研究，明确座舱人机系统的实用功能以及其系统结构，有助于克服设计的思维定式.

这里为使座舱工效设计需求定义工作具备系统性和全面性，提出了一种基于功能论的座舱工效设计需求定义方法，利用功能定义、功能分类、功能整合的方法对座舱人机系统功能进行分析，得到了完备的座舱人机系统功能.通过求解子功能、构建功能技术矩阵、子功能实现途径组合和选择的方法，得到了座舱人机系统功能的实现方案.并通过实例分析，验证了方法的可行性.

1基于功能论的座舱需求定义流程

功能论设计方法核心思想是系统论[11].其基本方法是对设计系统进行分析与综合，系统分析是通过明确设计问题中的构成要素和有关因素，对系统的结构和层次关系进行分解，系统综合是根据系统分析的结果，经过评价、整理、改善后，决定事物的构成和特点，确定设计对象的基本要素.

基于上述设计思想，将座舱工效设计需求定义分为座舱人机系统需求分析和系统功能到设计方案的转化两个部分.通过座舱人机系统需求分析，对座舱人机系统的功能进行抽象和分解，根据座舱人机系统功能到设计方案的转化方法，可得到座舱人机系统功能的实现方案.座舱人机系统需求定义流程如图1.

图1　座舱工效设计需求定义流程

2基于功能论的座舱人机系统功能分析方法

2.1飞机座舱人机系统目标

飞机座舱人机系统的总目标应依据座舱型号设计任务书的各项要求来确定.以某型号飞机为例，座舱人机系统设计目标为高效、安全、舒适[12].为了更加清晰地表示出设计目标的层次关系，以及各目标之间的联系，从飞行任务需求、飞行员生理心理特征、防操纵错误设计等角度进一步细化座舱人机系统的设计目标，形成如图2所示的座舱人机系统目标树.

2.2座舱人机系统功能定义

功能定义主要是确定座舱人机系统及其各构成要素的效用.座舱人机系统功能一般通过应用“黑箱法”原理来确定，将座舱人机系统作为一个“黑箱”，如图3所示，利用信号、能量等在座舱人机系统中的变化情况，以及“黑箱”与周围环境相互作用的关系，对座舱人机系统的功能进行定义.

图2　座舱人机系统目标树

图3　座舱人机系统的“黑箱”

由图3可以看出，该座舱人机系统的基本功能是系统输入、输出功能.座舱人机系统输入、输出信息的处理结果关系着信息的显示、飞行员操纵和控制要求等.而座舱人机系统的输入、输出功能从飞机系统、不同飞行阶段等不同角度分析将有一定的相异性，要将座舱人机系统功能分析清楚，则需要从不同的角度进行梳理，力求将输入、输出功能分析全面.

2.3座舱人机系统功能分析

2.3.1功能分类

由于座舱人机系统及其构成要素的功能数量众多，为了更好地分析座舱人机系统，从飞机不同系统、不同飞行阶段等角度出发对座舱人机系统的输入、输出功能进行分类.

按飞机的不同系统对座舱人机系统输入、输出功能分类，可得到座舱人机系统的必要及不必要功能，必要功能是在座舱中可被控制和显示的功能，不必要功能是飞机系统自动控制和不显示在座舱人机系统中的功能.

若按飞行阶段分类，可得到座舱人机系统的基本功能和辅助功能.基本功能是指在完成飞行任务过程中，飞行员使用优先级较高的功能，辅助功能是那些飞行员不经常使用的功能.

2.3.2功能整合

在座舱人机系统的输入、输出功能中，存在着目的与手段关系以及并列关系，即功能之间为目的-手段关系，某一功能可能是实现另一功能的目的，也可能是其他功能的实现手段，在复杂的座舱人机系统中，有时为了实现同一目的功能，需要两个以上的手段功能，这些手段功能构成并列关系.

对于座舱人机系统输入、输出功能的整合，需要采用功能分析系统技术的方法[13]，通过制作功能卡，将座舱人机系统的每个子功能记载在卡上，从卡片集的必要功能中区分基本功能、辅助功能，明确基本功能之间的目的-手段关系，将目的功能摆在左侧，手段关系摆在右侧，根据该功能是“目的”还是“手段”，逐步确定出座舱人机系统功能结构的骨架.同时，将辅助功能也按照目的-手段、并列关系排列在相应位置上.

根据卡片整理的结果，确定功能之间的目的-手段、并列关系，从而形成座舱人机系统功能结构图，如图4所示.

图4　座舱人机系统功能结构图

3座舱人机系统功能到设计方案转换方法

3.1求解座舱人机系统子功能

座舱工效设计需求定义的关键问题是如何得到座舱人机系统子功能的求解方案.即寻找实现的技术手段、实现方式或结构形式.座舱人机系统子功能的求解包括确定子功能的实现方式、编码方式两个步骤.

通过分析当前座舱设备的应用情况以及技术发展水平，确定输入子功能的实现方式包括：触摸屏控制、声控、控制器控制、眼动控制、脑电控制等，输出子功能的实现方式包括：视觉显示、听觉显示、触觉显示、嗅觉显示等.每个输入、输出子功能需要根据不同实现方式的优点和不足、适用范围等，并结合各个子功能属性、合适的调节方式等，选择合适的实现方式.

对于显示目标和控制装置的编码需考虑形状、尺寸、颜色编码等，显示目标和控制装置的形状、尺寸应符合飞行员的手脚尺寸、生理学、解剖学特性，应能够较好的降低飞行员疲劳和扩大飞行员的内视野等，颜色编码应能够提高显示目标和控制装置的辨识度[14].

3.2构建功能技术矩阵

为了从诸多的可能手段中挑选出合理可行的方案，还需要将座舱人机系统子功能及可能的实现技术途径，按功能技术矩阵表(如表1)的方式进行整理，便于从中挑选和组合.

3.3实现途径的组合与选择方法

根据功能技术矩阵表，对每个座舱人机系统子功能选择一种实现方式，相互组合就可得到座舱人机系统总的实现方案.由于组合的方案众多，对其一一检验，需要耗费大量时间且不符合现实情况，应依赖设计者的直觉思维和以往经验，考虑设计方案在几何学、运动学上的相容性，从经济技术、操纵效率的角度对实现方案进行分析判断，筛选出最有价值的实现方案的组合.

表1　功能技术矩阵

4基于功能论的飞机座舱需求定义实例

4.1座舱人机系统输入功能分析

参考飞机系统工作原理、组成部件说明以及飞行员不同阶段的操纵，对座舱人机系统输入功能，按飞机不同系统、不同飞行任务阶段两个方面进行分类，部分梳理结果如表2, 3所示.

表2　不同系统的输入功能分类

表3　任务相关的输入功能分类

对于按飞机系统、飞行任务角度梳理得到的座舱人机系统输入诸功能，采用上述“功能分析系统技术”的方法，梳理出输入功能中的基本功能、辅助功能、目的功能及手段功能，如控制飞机基本飞行功能、支持飞机作战任务的功能为基本功能，而其他功能为辅助调节功能；而为了实现飞机作战任务下导弹发射目的功能，需要进行武器电源接通、SMS工作状态处于“实战”、导弹选择、导弹准备、导弹解锁、导弹发射等一系列的手段功能，这些手段功能之间为并列关系.座舱人机系统输入功能的部分结构图如图5所示.

图5　座舱人机系统输入功能的部分结构图

4.2座舱人机系统输入功能的实现

根据系统功能到设计方案的转换方法，以飞控系统的俯仰控制为例，通过功能实现方式的选择，确定控制器的类型，并分析控制装置编码方式，从而得到俯仰控制功能的实现方案.

1)俯仰控制功能的实现方式

飞机俯仰控制在飞行过程中使用的频率很高，由于触摸屏的精度、灵敏度还不能达到实时操纵控制的要求.声控对于座舱环境的要求较高，受到噪音的影响大，且脑电、眼动控制受到当前发展的约束，还不能用于实现高频使用的功能[15].初步确定俯仰控制采用控制器的方式实现.

2)确定俯仰控制装置类型

考虑到飞行俯仰控制信号为模拟量，且操控力要求在90～150 N之间.参考不同控制器类型的使用功能、使用情况及最大的操作力，确定飞机俯仰功能可采用操纵杆的形式.

3)确定俯仰控制装置的编码方式

控制装置的编码包括形状、尺寸、颜色编码等.考虑飞行员的手脚尺寸、认知心理学特性以及座舱空间的尺寸约束，给出飞控系统控制装置的编码方式，如表4所示.

表4　俯仰操纵杆编码方式

图6　中央操纵杆

5结语

通过研究工业设计方法——功能论设计方法的核心思想、基本流程，结合飞机座舱人机系统的设计目标，提出了基于功能论的座舱工效设计需求定义方法.利用功能定义、功能分类、功能整合的方法对座舱人机系统功能进行分析，得到了完备的座舱人机系统功能.通过求解子功能、构建功能技术矩阵、子功能实现途径组合和选择的方法，得到了座舱人机系统功能的实现方案.结合某型号飞机的研制，给出了基于功能论的座舱需求定义案例.

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Requirements definition of cockpit ergonomics design based on function theory

LIU Lu1, SUN You-chao1, ZHANG Yan-jun2

(1. School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China;2. School of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Abstract：Requirements definition is an important part in the process of cockpit ergonomics design. How to make the work process of requirements definition more systematic and analysis of content more comprehensive are becoming core issues of this part. In this paper, a method of requirements definition for cockpit ergonomics design was proposed based on function theory. In order to obtain the complete functions of cockpit human-machine system, the methods of function definition, functional classification and integration were applied to analysis the system functions. Solving sub-function, building features technology matrix, combining and selecting the solving ways for the sub-functions were main methods to get the implementation for cockpit human-machine systems functions. In addition, a case was given to verify the effectiveness and feasibility of the methods mentioned above.

Key words：cockpit; ergonomics; requirements definition, function theory

收稿日期：2015-12-21.

基金项目：国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合基金资助项目(U1333119、60979019、60572171)；国防基础科研计划重点项目(JCKY2013605B002)；工信部民用飞机专项(MJ-F-2011-33)

作者简介：刘璐(1991-)，女，硕士，研究方向：航空器可靠性与适航性工程. 通讯作者：孙有朝(1965-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：飞机虚拟设计与验证、可靠性与维修性工程、飞机安全性设计与验证、适航技术与管理等.

中图分类号：V223

文献标识码：A

文章编号：1672-0946(2016)03-0275-06