关于直升机驾驶舱先进技术的人为因素研究

摘要：新技术的引入为直升机驾驶舱带来了系统功能和性能的提升，针对其可能引发人为因素问题的情况，本文梳理了新技术引入时须考虑的人为因素要点，并对直升机驾驶舱先进技术开展了人为因素研究与分析，给未来直升机驾驶舱技术的发展提供人为因素设计指南。

关键词：直升机;驾驶舱;人为因素;先进技术

中图分类号：V223.1    文献标识码：A       文章編号：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

在航空领域，飞行安全是永恒的主题和追求，是飞行员、乘客、设计人员、制造商、运营方以及管理当局共同追求的目标。随着新一代直升机的服役运营，人们对直升机商业目标的期望变得更高，更多的新技术和新功能应用到了直升机各个系统中。这无疑给直升机带来了系统功能和性能的提升，但对安全和舒适的影响也同样不容忽视，如何避免由人为因素导致的不安全事件始终是直升机设计提升所面临的巨大挑战。

在直升机上，飞行员直接接触和操作的场所是驾驶舱，有关人为因素的考虑首要放在驾驶舱的设计与研究中。驾驶舱的设计集成度和复杂度极高，其人机界面对飞行员的生理、心理以及工作效率、操作正确率都有直接影响，人为因素的设计考虑涉及到驾驶舱的各方各面[1]。飞行员在驾驶直升机的过程中，需要大脑和手、脚、眼的密切配合，在不同的情况下迅速地做出操作反应，因此欠缺人为因素考虑的设计更容易引发飞行员的错误操作，进而影响飞行安全[2]。

1直升机驾驶舱人为因素研究发展概述

人为因素是通过系统应用人为科学，在系统工程框架中优化人与其活动的关系。人为因素包括生活和工作环境中的人;人与机器、程序和环境的关系;还包括人与人之间的关系。

1947年，科学家Fitts和Jones首次正式地开展了航空领域人为因素研究，对飞行员使用电子显示器的情况进行了人机工效分析。其后的人为因素研究大多致力于控制和显示设计，梳理了飞行员由于设计缺陷可能引发的操作错误。在20世纪五六十年代，人为因素研究助力了机组人员的选择、培训和驾驶舱的布局。到了20世纪七八十年代，随着“玻璃驾驶舱”的引入，人们对人为因素的研究则主要体现在显示设计、人机界面等方面。

如今，全新的直升机驾驶舱设计带来了突破性技术，但其所带来的新的人为因素问题也逐渐凸显，前期的人为因素研究已不足以解决现阶段飞速的技术提升所带来的人机交互问题[3]。

为避免更多的人为因素问题产生，新技术的引入在追求效率和竞争力的同时，其在自动化的应用、态势感知的增强、工作负荷的减轻、人为差错的预防等方面的人为因素研究亟待开展。

2直升机驾驶舱先进技术的人为因素分析

2.1直升机驾驶舱人为因素考虑要素

对于直升机驾驶舱设计，为避免技术和功能提升带来新的人机交互问题，对新技术的应用须考虑人为因素的四个重要方面：

（1）交互环境简洁自然。简洁不仅仅是简化，它是一种高层次的设计原则。简洁的设计将易于理解，进而易于学习和记忆，并可使飞行员预知它的作用和功能。对于飞行员，简洁的人机交互设计不仅易于使用，还能够提高人机界面设计的可理解性。在驾驶舱布置和架构设计中，应尽可能地考虑人的思维和操作习惯，使其符合飞行员常规的飞行理念，便于对直升机的操纵和管理。

（2）操作设计应尽量减轻飞行员的记忆负担。飞行是高难度、复杂的操作技能，其操作输出不容许有错误。但是直升机各控制系统程序复杂，相互交联多，特别是在紧急情况下，飞行员地仓促操作和选择很容易出错。广为接受的驾驶舱设计原则之一是显示器中活动元件的运动方向与对应的控制器运动方向一致，使其符合“操纵—显示”一致性的逻辑以及人的通常习惯，这可避免由于情况紧急、情绪紧张而激发的本能习惯行为引发错误操作。因此，在按飞行规律科学地编排程序时，还应在留有足够安全裕度的前提下，尽可能地减轻飞行员的记忆负担，使操作和显示更加简单易懂。

（3）机组有能力监视自动化系统。自动化系统通常只能严格按照编制的程序工作，而不以简单直观的方式向飞行员展示其最终意图，而这正是人为因素引发各类突发事件和事故的潜在危险。因此，在驾驶舱设计时，应考虑到机组对系统的接受和掌握能力，确保飞行员对直升机的操作具有最高权限，使飞行员可以根据情况决定何时授权自动化工作，以及需要多大程度的协助，这样可以保持飞行员的情境意识，避免在自动化系统失效时飞行员无法恢复控制权限的情况发生。

（4）防差错设计。防差错设计的首要任务是避免错误的发生，其次是在错误造成灾难之前捕获错误，最后是减轻漏网错误造成的后果。未来的直升机驾驶舱中，不仅飞行员要监视系统的工作，反过来系统也要监督飞行员，监视其生理、心理和行为，提醒飞行员集中注意力并能够进行“人为危险分析”，以避免飞行员出现可能导致灾难性事故的动作，这也是基于人为因素考虑的系统设计最具有挑战性的目标。

2.2目前先进技术的人为因素分析

近年来，全新的直升机驾驶舱设计带来了突破性技术，与此同时带来的人为因素问题也逐渐凸显。

2.2.1触摸控制

触摸控制给用户提供了更加直观的、上下文互联的交互体验。在直升机驾驶舱中，触摸屏可以被用在仪表板、中央操纵台、扶手控制器和多功能显示单元中。

触摸控制的使用在通用性和拓展性方面具有商业优势，特别是在集成增加的功能方面不需要任何物理扩展。基于人为因素考虑，触摸控制在减少机组操作、快速启动以及信息共享等方面发挥了潜在优势。目前直升机驾驶舱显控设备的小屏幕容量有限，且菜单控制结构窄而深，触摸屏将比现有设备具有更大的使用性优势，为驾驶舱提供了更大的显控面积，使得菜单控制结构更宽、更浅。此外，许多飞行程序的执行会牵涉到布置在驾驶舱各处不同面板上的顺序化检查和操作，若用触摸屏将这些程序集成在一个区域，可有效减轻飞行员工作负荷和增强态势感知。同时，触摸屏可以贯彻一致的显示理念，这也将提高整个直升机驾驶舱人机界面的一致性。

然而，也有一些潜在的人为因素问题需要考虑。例如，触摸控制的应用需要飞行员与其进行直接的交互，为避免操作时的手臂疲劳或不适，其布置对可达性的要求较高。另一方面，对于当前直升机驾驶舱使用的物理按钮，触觉、听觉或视觉反馈机制给予了飞行员较好的操作即时反馈，触摸控制也同样需要考虑触摸反馈。此外，在气流或振动条件下，屏幕和手的抖动可能会导致非意愿性交互，从而带来工作负荷和安全性方面的隐患。

2.2.2输入设备

早期直升机驾驶舱的显示器是非交互式的，随着显示器功能的增加，输入需求也在适当地增加。

当几个定制的接口通过一个输入设备连接起来时，这个新输入设备的引入将引发设计问题。设计师需要在对现有系统保持熟悉度和使用性的同时，可以提供有效的重新设计解决方案。即使引入了触摸屏，仍然需要间接设备作为备份或在多模态解决方案中补充触摸屏[4]。直升机驾驶舱设计将会考虑的输入设备有：

轨迹球：固定在球座上用手或手指滚动的球。基于人为因素考虑，当设备操作在表面空间受限时，轨迹球具有使用优势，然而与其他输入设备相比，轨迹球的操作更复杂。

旋转控制器：可以旋转、向下推或向上/向下/向左/向右移动，以控制屏幕上光标的移动和操作。经人为因素评估，旋转控制器比其它间接输入设备具有更快的任务性能。

触控板：触控板带有一个触觉表面，能够感知手指的移动，并将其转换为屏幕光标的动作。在人为因素方面，触控板所需的安装和操作空间很小，这同轨迹球一样，但其操作比轨迹球更为简便。

直接语音输入（DVI）：可应用于各种任务，包括无线电调谐、导航功能和检查单程序等。基于人为因素考虑，DVI的使用可使飞行员不需要用手与特定的系统交互，而是可以专注于其他任务，并有更多的时间可以抬着头。此外，语音命令的使用可以克服振动问题。然而，DVI也存在一些需要解决的人为因素问题，包括调整词汇以适应各种口音，多人说话环境中识别单个说话人，以及减少背景噪声对话音的干扰。

2.2.3智能化显示

头盔显示/瞄准系统是由头盔显示器和头盔瞄准具组合而成的。头盔显示器既可以显示飞机状态、武器火控、目标状态等字符信息，也可以显示前视红外、雷达或电视图像等光栅图。头盔瞄准具能够确定头盔瞄准线，并且产生信号以驱动系统中的传感器，使传感器指向与头盔相同的方向，以便飞行员从头盔显示器上看到由传感器测量得到的图像，从而形成闭环系统[5]。

在人为因素方面，头盔显示/瞄准系统使用方便、瞄准迅速，飞行员可以在看到真实世界物体的同时，看到显示器上显示的信息，而不必调整眼睛的焦点。它可以有效改善视觉降级环境中的操作和增强态势感知，不仅能为飞行员提供速度、航向和瞄准等重要信息，而且在近距离格斗以及对地攻击中起到重要作用。

对于其使用中的各种影响，包括态势感知、工作负荷和显示器的通用性能等，仍需进一步开展人为因素评估。

2.2.4增强/合成视觉系统

增强/合成视觉系统由增强视觉系统和合成视觉系统组合而成。

增强视觉系统在平视显示器上显示前视红外传感器和毫米雷达波得到的重叠图像，这样飞行员就可以在平视显示器上看到肉眼看不到的飞行跑道，同时还能看到一些系统给出的重要数据指示。它的使用无需地面导航设备，而且能够全天候工作，因此摆脱了对地面设备的依赖性。

合成视觉系统将基于机载数据库的精确定位信息与传感器探测到的实际图像信息相融合。它与GPS精密导航系统相连，为飞行员提供直升机外界环境描述，并以“空中高速路”的方式引导直升机的飞行航路。合成视觉系统能提供三维透视景象图，无论外界气象条件如何，都具有等同于明亮昼间的真实感。

基于人为因素考虑，对增强/合成视觉系统的使用，可有效增加飞行员对地形、姿态和交通情况的空间感知。

2.2.5侧杆技术

受限于机械操纵系统的发展，传统直升机驾驶舱使用驾驶杆、总距杆和脚蹬等操纵装置来控制直升机的飞行状态。目前，随着电传操纵系统的发展，侧杆技术的研究和应用已经逐步开展。全新的直升機驾驶舱将采用电传飞控系统，并通过侧杆技术直接控制直升机的飞行姿态。

在人为因素方面，飞行员可通过对两杆的联合操纵，直接控制直升机的俯仰、偏航、滚转和悬停等各个飞行姿态。这种通过左右侧杆替代传统驾驶杆、总距杆和脚蹬的设计，可以有效改善直升机驾驶舱的空间布局，便于飞行员登机，且仪表板无视野遮挡。飞行员可以手动调节扶手以提高舒适度，且易于完成杆干扰、控制失效等紧急状况下的操作，大幅减轻工作负荷。

3未来直升机驾驶舱人为因素发展

当新技术被引入到一个很复杂的环境中时，对人与技术的交互进行严格的人为因素分析就变得尤为重要。人因科学在评价直升机驾驶舱新技术时起着重要的作用，它可以确保对物理性能和认知处理的优化，使之能够更理想地完成任务。

对一项独立技术的人为因素评估相对简单，但随着更多技术被引入未来的直升机驾驶舱，如何同时评估这些技术，以达到在评估整个未来驾驶舱优点的同时，抓住单个技术突出的优劣势，使这一过程变得越来越复杂。眼动跟踪、视频捕获、模拟器数据记录和定性自我评估等技术，都有可能在未来直升机驾驶舱的人为因素评估中发挥作用。

理想的直升机驾驶舱将能够支持不断变化的空中交通管理环境，并能确保在条件要求下运行的同时，提供一个对飞行员生理和认知上都有优化的可伸缩的解决方案。

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]班永宽.航空事故与人为因素[M].北京：中国民航出版社，2002.

[3]王寧，余隋怀，肖琳臻.考虑用户视觉注意机制的人机交互界面设计[J].西安工业大学学报，2016（4）：36.

[4]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.

[5]王合龙.机载光电系统及其控制技术[M].北京：航空工业出版社，2016.

收稿日期：2020-01-08

作者简介：陈丹昱（1990—），女，河南南阳人，硕士，工程师，研究方向：直升机驾驶舱与人机工效。

Research on Human Factors in Advanced Technologies of Helicopter Cockpit

CHEN Dan-yu

（China Helicopter Research and Development Institute， Jingdezhen Jiangxi  333001）

Abstract： The introduction of new technologies to helicopter cockpit could brought about the improvement of function and performance. Against the problem of the possibly caused human factor cases， this paper sorts out the key human factor elements to be considered in the introduction of new technologies. Research and analysis were also carried out about human factors in advanced technologies of helicopter cockpit. Human factors design guidelines have been given for the future development of helicopter cockpit technology.

Key words： helicopter;cockpit;human factors;advanced technologies