民用大飞机经济舱座椅安全设计研究

陈万鹏　徐江华

关键词：民用大飞机 经济舱座椅 安全设计 座椅设计 航空安全

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）07-0150-04

引言

2021年9月，中國国内航空客运市场总额为全球的19.9%，而同期美国国内航空客运市场总额为全球的16.6%。庞大的航空客运市场给我国民航业的发展提供了动力，但也带来了极大挑战。民用大飞机经济舱座椅作为整个飞行体验中陪伴乘客时间最长的舱内设施，与乘客的安全息息相关，但目前的经济舱座椅较多沿用早期的设计标准，更新换代频率较慢。民用航空特别注重安全问题，但近几年因经济舱座椅而产生的安全问题却越来越突出，有些机闹行为严重扰乱客舱安全秩序，危害其他乘客的飞行安全体验。经济舱座椅的安全设计仍有较大的优化设计空间，基于此，文章以经济舱座椅为研究对象，通过文献计量法，分析国内外的相关研究进展，从工业产品设计的角度，探寻一种可以应用于经济舱座椅安全设计的设计方法，为民用大飞机经济舱座椅安全设计提供一种理论研究的参考。

一、概念界定

（一）民用大飞机定义

民用大飞机，也指大型客机。国内外对于大飞机的定义不尽相同。美国联邦航空管理局认为：大型客机是指认证最大起飞重量超过12500磅的飞机。欧洲航空安全局将大型飞机定义为最大起飞重量超过5700公斤（约为12600磅）的飞机或多引擎直升机。而我国大飞机一般指的是最大起飞重量超过100吨的运输类飞机，包括军用大型运输机和民用大型运输机，也包括一次航程达到3000公里的军用飞机或乘坐达到100座以上的民用客机，通常将150座以上的客机称为“大型客机”。目前世界上具有代表性的大飞机主要是波音787-10、空客A380。

（二）经济舱座椅组成部分

经济舱座椅在成本上要低于其他客舱的座椅，在座椅的功能服务以及舒适程度上也与其他客舱座椅有较大的差别。经济舱座椅主要由头枕、靠背、扶手、安全带、坐垫、小桌板、飞机客舱娱乐设施系统（IFE）、杂志袋、大梁、吸能椅腿等部分组成，图1是Safran经济舱座椅Z400。

（三）安全设计

安全，英语词汇是“Safety”。《韦伯斯特英文大辞典》对安全的定义是：1.免于伤害或危险;安全的状态;2.没有危险或有害的状态;3.没有伤害或危险的地方;安全的地方;4.不会遭受或造成伤害或损失。《新华字典》中的安全：没有危险;不受威胁;不出事故。安全也可是一种和谐稳定的状态，主体不受伤害或是没有危险因素的威胁。

安全设计（Design for Safety），是将安全作为工业产品设计的首要考虑要素。安全设计是从源头上消除危害的最有效风险控制措施。安全设计的原则是将对每个产品的实际潜在危害和风险的考虑置于该产品设计的始终。安全设计目前主要集中在网络安全、高速公路安全系统设计、化工工艺以及煤矿安全生产等方面。而在工业产品设计领域，少有从安全角度探析设计的文献研究。江牧在《工业产品设计安全原则》一书中，对于产品，简单的来说，安全具有两方面的意义：1.产品自身不能危害人;2.产品能够帮助人应对外来的危险[1]。以往的经济舱座椅安全设计主要是涉及工程领域，如经济舱座椅的机械结构设计、吸能椅腿的设计、桌板组件的设计等硬件设施设计，相对静止地考虑其功能，使其满足各种安全标准，忽视了乘客-座椅的动态关系安全设计研究。工业产品的安全设计则是以人为中心的安全设计。江牧还提出要动态地看待人机关系，把姿态、视野等人在使用产品时的种种行为也考虑进去[2]。

二、民用大飞机经济舱座椅设计分析

（一）研究高频词汇分析

在Web of Science核心数据库中以“Aircraft Seat Design”为主题，共检索到251篇相关文献。从Web of Science核心数据库获得的文献数据分析发现，关于飞机座椅设计的高频词汇，从高到低依次是乘客、舒适性、测试、负载和姿势等词汇，如图2所示。乘客是出现频率最高的词汇。乘客作为整个飞行体验中的主要服务对象，在对飞机座椅进行设计的过程中，乘客是必不可少的考虑要素。

Siyu Ren从乘客体验的角度，通过分析一般飞行过程，研究了乘客的机上行为以及相关触摸点。在将机舱划分为前服务区、座椅和客运服务单元等多个系统区域后，确定了每个区域的产品部件及其属性，基于此提出了因素模型，并将影响乘客体验的关键因素进行分类，建立了因素模型指导飞机客舱座椅设计。Fiorenzo Franceschini提供了一种基于通用Yager的优先排序算法，对客舱乘客优先级的需求进行排序。Hanjun Park为美国的肥胖人群提出了适合他们的人体模型，为航空公司对客舱座椅设计提供了数据支撑。HuizhongZhang通过向乘坐波音737飞机的乘客分发200份问卷，最终经过数据分析以及对乘客机上睡眠行为的实验研究，发现与垂直靠背相比，仰卧式靠背会导致颈部更大的旋转和颈部肌肉的更大疲劳，并发现乘客身高是导致头部和颈部疲劳的重要因素[3]。

国外学者在对于飞机座椅设计的研究中，除了对乘客的考量，第二多的就是对舒适性的研究。座椅的舒适性设计是安全设计的更高体现。P. Vink通过研究发现，乘客的舒适度与飞机座椅和腿部空间密切相关[4]。Jing Liu通过视频软件系统MVTA发现，乘客在机上的大部分时间内在进行的活动是睡眠和休息活动（34.3%）、使用小型电子设备占（32.7%）、阅读占（16.1%）。针对这些姿势，使客舱座椅舒适性设计更有针对性[5]。Shabila Anjani在关于乘客舒适度的研究中指出，客舱座椅间距和宽度是影响乘客舒适度的关键因素，研究还发现，肩膀、膝盖、小腿和脚的舒适程度会影响乘客的整体舒适度[6]。测试、载荷也是出现较多的词汇，飞机座椅在设计的过程中需满足特定的静态、动态载荷测试，还有不同的航空标准以及登机标准。FDNapoli开发了一种混合FE-MB模型，其模拟座椅实验测试具有良好的精度水平[7]。

国内对于经济舱座椅安全设计研究的文献数量较少，主要是研究飞机座椅的结构优化、仿真分析、抗坠撞性、阻燃性能等工程领域安全方面，对于座椅的舒适性设计也仅仅是对于座椅靠背和座椅垫等硬件设施设计优化，如图3所示。

徐江华基于人机工程学的设计方法，结合观察法与压力分布实验，借助SPSS统计软件，得出乘客在三种常见行为下产生的最舒适静态坐姿与对应的最佳压力值。通过对可调节座椅的设计，满足民航飞机乘客的个性化需求[8]。在《飞机客舱设施造型安全人机设计研究》中提出，针对飞机客舱安全事故发生前的预防，通过安全人机设计满足飞机客舱乘员与客舱设施造型之间的匹配，从而达到乘员-客舱设施-情景-文化与审美的“安全和谐”[9]。

商伶榕指出，在对民航经济舱座椅的设计中，硬件设施方面的设计是必不可少的考虑因素，如座椅的宽度、椅背的高度、宽度等。即使经济舱座椅的设计与人机完全匹配，乘客仍会有很多不安全、不舒适的飞行体验感。座椅设计应注重研究人体不同行为下的姿态特征、腰椎的最佳状态，以及不同姿态下体压的分布、调整姿态的可能性以及频率，还包括这些因素相互之间的影响关系[10]。

朱江兰经过研究分析，介绍了飛机座椅安全带状态报警电路的设计，通过安全带主动提示的方式去保证机上乘客的安全[11]。孟坤基于人机工程学的设计方法，采用三次样条插值算法，对椅背中心线进行拟合，并采用曲率半径误差最小的方法对原始数据点进行优化，得到优化后的椅背中心拟合曲线，提升乘客乘坐体验[12]。冯振安指出在民用飞机设计与工业设计交融过程中，对儿童、残障人员这类特殊人群提出针对性的设计，以满足这类人群的飞行安全需求[13]。设计在任何时间、任何地点空间，都不能忽视“人”这一客观主体的差异性和非划一性。

初建杰通过语义差异法，将主观意向量化为可参考的数据，提出客舱座椅面料应该选用明度高和纯度较低的颜色及简单、有规则的纹样[14]。蔺越国利用MSC.Dytran有限元软件对飞机座椅复合材料面板结构进行高速冲击响应分析，并将分析结果与试验结果进行比较，发现了一种具有较好的抗冲击性能的复合材料板[15]。

（二）研究对象分析

通过在Web of Science收集到的相关文献，按照时间、文献数量和具体的研究对象分类，主要采用2016年至今的文献，得到飞机座椅设计研究对象归纳分析表1。由归纳分析表可知，从2016年以来，经济舱座椅设计研究主要以研究乘客的生理、心理和行为为主，对座椅的结构设计研究次之。对乘客的生理研究一直是近几年的研究重点，随着时间的推移，对乘客的心理、行为研究以及座椅的功能、材料、造型等研究也越来越引起人们的关注。

Gabriel H. Campos提出变形阀座设计，通过调整阀座表面曲率，分散乘客乘坐时的腰椎压力，减少腰椎肌肉疲劳。系统上全面重视乘客的生理、心理以及行为的安全设计研究较少，同时对经济舱座椅材料、色彩、造型等的设计研究也较少。国外对于乘客的生理研究仅仅体现在普通乘客的身体安全的设计研究，对于不同性别、不同年龄以及不同身体状态的乘客的文献研究相对较少，国内对于此研究也是比较匮乏。近几年生活质量的快速提高，人们的身体尺寸也与以往有所不同。以往的经济舱座椅设计并没有完全考虑孕妇、儿童、老年人以及残障人士的安全需求，以至于埋下很多安全隐患，没有提供更好的飞行安全体验。

国内外学者注重相对“静态”下乘客的安全设计以及座椅的结构安全设计，对于乘客-座椅的动态和谐关系的设计研究较少。然而这种不和谐的设计研究正引发越来越多的不安全事件，如乘客在使用小桌板时，前排乘客突然倾斜座椅靠背，乘客之间比较容易产生矛盾，引发不安全事件;乘客在出入座时影响其他乘客的飞行安全体验;乘客之间私下调换座位引发矛盾冲突等。因此，对乘客-座椅的动态和谐关系的设计研究具有十足的必要性。

（三）设计方法分析

经过对相关文献的分析，飞机座椅的设计方法以人机工程学的设计方法为主。Jordi Porta将体形和人体的比例的变化考虑到人机工程学的设计方法中，并指出增加经济舱座椅的腿部空间和座位宽度的必要性。Negin Ozve Aminian通过研究发现，目前的飞机座椅需要更符合人机工程学的设计，通过设计减少乘客的差异化安全体验。徐江华基于人机工程学的设计方法，给出了乘客三种常见行为下的最舒适静态坐姿和对应的最佳压力值。孟坤基于人机工程学的基本原理，采用三次样条插值算法，优化了椅背中心线，提升乘客乘坐体验。人机工程学的设计方法大多指导静态下的经济舱座椅设计，对于椅背曲线、座位宽度、扶手高度等具有指导作用，根据人体尺寸可以不断优化座椅硬件设施的设计，以满足乘客的基本安全需求。人性化的设计方法，更加注重“以人为本”，也是经济舱座椅设计使用较多的设计方法之一。商伶榕提出要充分考虑人性需求，在完全符合人机的情况下，乘客仍然会有不舒适的体验感，并指出要研究人体不同的行为姿态，在靠背设计中，应考虑到人体脊椎曲线、曲面的定量关系。初建杰通过语义差异法，将主观意向量化为可参考的数据，提出客舱座椅面料应该选用明度高和纯度较低的颜色及简单、有规则的纹样。

目前在对于经济舱座椅的设计方法中，从乘客角度考量的设计方法，以人机工程学的设计方法为主，人性化的设计方法、感性工学的设计理论等也有所涉及，针对座椅硬件设施的以实验设计为主，其中主要通过有限元设计方法等机械设计方法进行模拟仿真，对座椅进行不断的优化设计。现有的设计方法中，缺少对乘客、座椅、乘客-座椅和谐关系以及整个客舱都具有指导性的安全设计方法，应多关注不同乘客的安全需求，做好针对性的设计，确保乘客安全的飞行体验。

三、民用大飞机经济舱座椅安全设计

经济舱座椅设计包含人机、形态、色彩、铭牌、标识以及字体等要素的设计，在设计的过程中受到相关航空适航标准以及登机标准的制约。文章从工业产品设计的角度，提出了经济舱座椅安全设计的三种设计策略，即：经济舱座椅人机安全设计、经济舱座椅形态安全设计和经济舱座椅色彩安全设计。人机安全设计是基础，座椅形态、色彩安全设计则是提升乘客安全体验感的主要方式。

（一）经济舱座椅人机安全设计

经济舱座椅人机安全设计主要是为了减少使用中人的差错，发挥乘客和座椅各自的特点以提高机械产品的可靠性。人机系统中乘客是使用经济舱座椅的主体，是主要方面，起着主导作用。对经济舱座椅设计首先要考虑人的生理尺度、心理感受以及行为状态因素，以追求乘客-座椅-客舱的协调与最佳匹配，使乘客的飞行体验环境更加安全、舒适。同时座椅安全设计也要兼顾特殊人群的飞行乘坐安全需求，设计师不应仅仅考虑通用性设计，应关注因个体差异性而带来的座椅安全设计问题。

在人机系统中，经济舱座椅是客体，是主要的研究对象。座椅的设计应符合人的要求，应具有可操作性、易维护性和本质可靠性。可操作性就是指提高经济舱座椅在使用过程中的稳定性，并且快速、准确无误地帮助乘客完成乘坐任务。

人机系统中，存在着一个人与机相互作用的“面”，即人机界面。座椅人机界面的安全设计，主要是座椅靠背控制器、飞机客舱娱乐设施系统以及桌板开关等相关设施的设计。乘客在与座椅进行人机交互时，座椅应尽可能高效率地为乘客提供所需要的安全信息。如乘客坐在座椅上感到疲劳时，座椅靠背控制器应及时准确无误地提供向后躺的信息，便于乘客去快速调整座椅靠背，以减轻座椅带给乘客的生理伤害。

意大利飞机座椅公司Aviointeriors的设计和工程团队提供了一个安全设计的方案，这个方案即可以保持原有座位数量，也可以创造安全的客舱环境，如图4。中间座椅背对着飞机的行驶方向，三连座的座椅中的三名乘客都由透明防护罩隔开，以避免乘客间直接接触，在全球疫情得不到有效控制的情况下，可以提供一定的防护功能。过道座椅上的防护罩可以保护乘客免受过道的人的影响，还可以保证乘客具有一定的隐私安全，能有效减少诸多不安全的因素。过道座椅的防护罩具有可折叠和可滑动的功能，残障人士使用该座椅时也不会有相当大的障碍，在进出座位时也更容易。防护罩的形状可保持肘部的活动安全空间，并便于使用椅背功能，如小桌板、杂志袋。该防护罩由易于清洁的材料制成，可以更好地清洁，并且可以在不透明的材料中指定或具有不同程度的透明度，以满足不同乘客的不同安全需求。

（二）经济舱座椅形态安全设计

经济舱座椅形态的安全设计主要是通过正确选择材料、表面修饰工艺包括美学的构成法则形成与座椅功能、客艙条件等因素相适应的良好的外观质量。

经济舱座椅材料的选择需要履行极为严苛的适航安全标准，如需要满足防火、防烟以及防毒等特性。捷克航空最新A220飞机上的Collins Meridian座椅配备了座椅垫和头枕垫，它们由UltraleatherPromessa AV制成，这是一种柔软的、不含动物纤维的材料，感觉起来与皮革十分类似。

座椅表面的修饰工艺主要是指座椅自身的形态不会对乘客造成伤害，还能为乘客提供防护功能以及保护乘客的隐私安全。目前经济舱座椅形态早已实现倒圆角的处理，少有外露的尖锐面，在正常情况下，乘客在使用座椅的过程中并不会因座椅自身形态而造成直接伤害。座椅形态设计还应具有一定的审美特性，满足美学的构成法则，使乘客可以通过感官感受审美愉悦。

（三）经济舱座椅色彩安全设计

色彩心理学将色调作为人类行为的决定因素。颜色会影响不明显的感知，人们普遍喜欢饱和的蓝色，因为它主要与大多数人认为积极的事物有关，如晴朗的天空和干净的水，而他们往往不喜欢深黄色或棕褐色，因为它主要能让人们联想到不好的事物，如生物的粪便和一些腐烂的食物。

物体的颜色并不是独立的发挥作用，所有相关物体的总价决定了人们对这种颜色的平均偏好，其中包括环境、光线、温度、时间、文化、声音、材料等因素的影响。经济舱座椅色彩的安全设计主要是对头枕、靠背以及坐垫的色彩设计，既要满足乘客心理安全感，又要与整个客舱内饰做到和谐统一。东京的飞机内饰设计工作室Lift AeroDesign创建了Paradym World Colors，东京装饰方案混合了现代大都会与城市的平静和历史方面的暗示。新加坡装饰方案中引入了自然、热带的美，从鼠尾草到深色的森林，宁静的绿色色调与丰富的深色木材色调相得益彰，让乘客想起岛上原生的柚木。

结语

通过对经济舱座椅安全设计研究文献的梳理，设计师需要真正的了解不同乘客的飞行安全需求，并对此做出针对性的安全设计。经济舱座椅是民用客机中排布数量最多的座椅，伴随着座椅而产生的安全问题也越来越影响乘客的飞行安全体验。在民用航空客舱安全问题频发的背景下，从工业产品设计的角度，提出民用大飞机经济舱座椅的安全设计三种设计策略，即经济舱座椅人机安全设计、经济舱座椅形态安全设计和经济舱座椅色彩安全设计。文章可以为设计师们在进行经济舱座椅安全设计时提供一种思路，切实保证乘客的安全，丰富当前经济舱座椅设计类型，最终以提升我国制造业的核心竞争力。