基于虚拟仿真的民机最小机组评估初步研究

蒋晓东　顾宏斌　吴东苏

摘要：本文通过对最小飞行机组条款的解读，设计了相应的模拟实验，对机组工作功能和工作量评估进行深入研究。本文采用的方法是计算机辅助分析法，基于JACK软件，利用其中的人因分析模块进行最小机组评估研究。首先在三维仿真软件中建立驾驶舱、座椅等模型，并导入JACK中。通过優化模型，并根据GJB 4856-2003中国男性飞行员人体尺寸数据，建立中国飞行员人体模型库。然后针对数字飞行员进行手部和眼部对操纵器件的可达性，不同飞行任务操作的舒适度、适配性等分析，通过实验结果验证某大型民机驾驶舱符合最小机组条款的适航要求，完成最小机组评估。

关键词：最小飞行机组；JACK软件；可达性；适配性

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0088-03

1 引言

民用运输类飞机的研发设计过程中，必须符合相应的适航管理条例，以满足最低的安全标准，才能够允许进入市场。目前适用于我国民用客机的适航标准是中国民用航空局（CAAC）制定的《中国民航规章》（CCAR-25）。同时为了进军市场，我国的民用客机还需要满足国际上主要的适航审定标准，如美国联邦航空局制定的《运输类飞机适航标准》（FAR-25）以及欧洲航空安全局制定的《大型运输类飞机审定规范》（CS-25）。其中FAR 25.1523及其附录，规定了针对最小飞行机组（下文称“最小机组”）条款的适航要求。“最小飞行机组”是指在飞行驾驶舱的设备配置、布局等都已确定的情况下，机组成员能够没有过度的注意力集中或者感觉到疲劳，并安全完成飞行任务时所需要的最小编制人数。长期以来，该条款被认为是民机驾驶舱人为因素问题的首要条款[1]。

所以研究最小机组评估对适航取证有重要意义。本文主要使用计算机辅助分析法，由于JACK软件有丰富的人体仿真模块，所以使用JACK进行实验。其主要工作有：（1）利用JACK软件建立中国飞行员数字人体库，由于JACK软件没有现成的中国男性飞行员人体模型库，所以根据 GJB-4856-2003中国男性飞行员人体尺寸，建立数字人体模型，用以做最小机组评估分析；（2）对驾驶舱座椅等三维模型进行重新设计，由于驾驶舱座椅结构过于复杂，直接导入JACK软件在个人计算机上无法读取，会有卡顿。所以根据飞行座椅标准简化了座椅模型，并导入JACK软件中；（3）基于JACK软件的人因分析模块进行设备操纵器件的可达性和可视性实验；（4）经过上述试验后，得出最小机组评估结论。

2 FAR 25.1523最小飞行机组准则

FAR 25.1523指出，必须确定完成安全的飞机操纵所需的最小飞行机组[2]。同时，FAR 25附录D指出了确定最小飞行机组的准则和相应的飞行机组工作量基本功能及因素。其中，基本的工作量功能包括：（1）航迹控制；（2）防碰撞；（3）导航；（4）通信；（5）飞机发动机及系统的操作和监视；（6）命令决策。然后，工作量因素包括：（1）所有飞行、动力及设备控制中必要的操作的可达性、难易程度；（2）所有必要的仪器及失效报警设备的可达性、显著程度；（3）操作程序的数量、紧急程度及复杂程度；（4）脑力及体力的集中程度及持续时间；（5）航途中对燃油、液压、增压、电气、电子、除冰及其他系统所需的监视程度；（6）需机组成员离开其岗位才能完成的动作；（7）飞机系统减少机组参与克服或隔离故障的自动化程度；（8）通信及导航工作量；（9）由连锁的紧急情况导致工作量增加的可能性；（10）运营规则要求最小飞行机组不得少于两名飞行员，而其中一名因故不能工作。

3 利用JACK软件建立中国飞行员人体数字库

由于Jack中自带的中国人体数据库仅为1989年以中国60岁以下成年男性和55岁以下成年女性为基准的数据（GB10000-88），而本文做的是最小机组评估方面的研究，故需要飞行员的人体尺寸。所以比照GJB 4856-2003中国男性飞行员人体尺寸的数据，建立中国飞行员人体数字模型库[3]。

根据运输机飞行员的测量数据，分别对中国飞行员第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的数字人体进行建模。

第一步，现在Jack界面中选择Human，再选择Create，点击Custom选项，进入建立人体模型（Build Human）界面进行基本人体数字模型的创建（Basic Scaling）。选择姓名、性别、身高、体重等，创建出一个基本的数字人。第二步，点击高级选项（Advanced Scaling），进入精确人体尺寸定义界面。根据运输机飞行员的测量数据，分别对中国飞行员第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的数字人体进行输入身高（Stature）、头高（Head Height）、头宽（Head Breadth）、头长（Head Length）、手长（Hand Length）、手宽（Hand Breadth）、坐高（Sitting Hgt）等26项数据，创建出中国男性飞行员数字人体模型库。由于这26项数据关联性过大，按照表内输入数据后会引起其他数据的改变，所以需要修改部分的数据，使数字人正常创建。第三步，用目视观察法检测数字人体模型的外形是否正常，比如胳膊或者腿部有无过粗或者过细，脖颈太长或太短，腰臀有无过大等。如不正常则点击进入身体部分调整（Body Part Scaling）界面，对头、四肢、手足、关节等相关部位的数据按照需求进行修改，使得人体模型的几何形状回到正常状态。第四步，返回至高级选项，将26个人体数据测量项目选项再一次选中，改成中国飞行员标准数值.再次返回上一步，如此循环，直到数字人体模型几何形状趋于正常，而且26个与最小机组评估相关的项目均和中国飞行员标准数据一致。

人体模型之所以几何形状失常，一是因为人体数据各方面都互相关联，需要更改部分数据，例如腿长调大后，其他方面的数据没有产生变化，导致大腿和小腿变细，造成几何形状失常[4]。二是因为没有一个的所有尺寸都在同一百分位上，人体模型需要建成现实中存在的真实的人，所以通过目视观察法检测人体模型的几何形状是否正常。更改一些与最小机组评估不相关的人体数据，从而达到中国飞行员人体模型库建模的目的。

4 民机飞行驾驶舱的导入

建立完数字人体模型后，需要导入民机驾驶舱进行实验[5]。根据驾驶舱既定的尺寸在三维建模仿真软件上进行建模，导出后格式转为.wrl格式。然后从Jack软件的模型导入模块导入。导入的时候会同时出现.fig格式和许多.pss格式的文档。导入后的模型占据很大硬盘空间，个人计算机难以读取，需要进行优化改进。优化的具体方法是将.pss文件进行二次导入，选取合适的参数进行改进。将改进后的.pss文件替换之前的.pss文件。再重新打开.fig文件，就可以读取驾驶舱模型了。改进后的模型既能被读取，也不会影响后续的实验。

5 最小机组评估实验

5.1 不同情况下的可达性与可视性仿真

（1）分别取【CHINESE】和【ANSUR】数据库中，覆盖比例为 1%、5%、50%、95%、99%的数字人构建场景图，对每组的数字人进行手部和视觉可达域分析，并测量可达域的覆盖范围，如图1所示。（2）分别设置座椅距离方向舵 0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，对不同座椅前后位置的可达域进行分析量化。

5.2 可达性实验仿真结果分析

（1）经过 JACK 软件仿真，并通过测量工具，可以得到不同数据库不同百分比数字人手部和视觉可达域数据，如表1所示。

从表格中可以看出不同数据库相同百分比数字人模型的可达域范围差距很大，这是由于数据库的来源差距比较大，中美两个人的体格之间的差异，同时也有【CHINESE】是基于全国人口普查的数据制成的，而【ANSUR】则是根据美国军队的人员素质普查数据制成，军队对人员的身体素质通常有特殊的要求，这就进一步加深了上表中的差异，为了进一步对比这种差异，我们将上表绘制成折線图，如图2所示。

从折线图中可以进一步分析得出，随着数字人的体格增大，肩膀的位置相应提高，是可达域减小，同时上肢增长，使可达域增大，但两者的影响有大有小，在【CHINESE】数据库中，上肢增长的影响更大一些，在折线图中表示为5%覆盖率的手部可达域有所扩大；在【ANSUR】数据库中，肩膀位置的变化对可达域的影响更大，在折线图中表现为5%覆盖率的可达域有所下降。

（2）座椅相对于驾驶杆的位置对可达域也有一定的影响，如图3所示。

从图中可以分析得出随着座椅距离驾驶杆的距离越来越远，手部和视觉的可达域范围都呈现下降的趋势，但这并不是没有意义的。首先，在座椅距离驾驶杆过近时，可达域范围很大，部件的可达性很好。数字人的可达域范围已经覆盖一部分副驾驶的操纵空间，这意味着数字人的身体实际上离操作面板很近，这有可能会对数字人的其它操纵造成影响，甚至造成误触碰、误操作。经过对比和仿真，发现距离定位50mm～100mm之间的误触碰是最少的，同时可达域覆盖了左侧全部的操纵面板，不会对操纵造成影响。

6 结语

本文依据FAR 25.1523设计了最小机组评估实验，按照某民机驾驶舱的结构建立了驾驶舱的模型，根据GJB 4856-2003中国空军男性飞行员标准进行了数字人体飞行员建模，并针对驾驶舱部件的可达性和可视性等进行了分析，得出该驾驶舱的人机工效指标均符合FAR 25.1523条款的适航要求，民机最小机组评估初步研究有了一定成果。该课题在将来还有待拓展，比如对飞行员操纵器件时关节角度是否合适，身体的舒适度是否在可接受范围内等还有待研究，这些对于民机取得适航取证都有重要意义。

参考文献

[1]王黎静，袁修干.飞机座舱设计人机工效评价探讨[J].中国安全科学学报，2002，（2）：64-66.

[2]Federal Aviation Administration. AC 25.1309-1A-System Design and Analysis [R].1988.

[3]中国人民解放军总装备部. GJB4856-2003 中国男性飞行员人体尺寸[S].中华人民共和国国家军用标准，2003.

[4]汤志荔，张安，毕文豪.飞机驾驶舱人机协作设计理论与方法[M].西北工业大学出版社，2015.

[5]陈勇，吴国献，赵忠明.基于CATIA的人员作业仿真建模、人因分析与优化[J].系统仿真学报，2009，（14）：4540-4545.