民机驾驶舱共通性设计要素分析与数据库开发

蔡向群，戴树岭，雷小永，匡 群，王 媛，李先学

（1.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2.中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 200135）

0 引 言

驾驶舱的共通性是民机共通性设计中的重要组成部分。共通性是指两个或多个机型在设计过程中，采用相似或相同的模式实现设计、制造、装配、取证、服务等方面的互通，进而达到降低产品的设计制造及运行维护成本、提高效率的目的[1]。

通过对驾驶舱进行共通性设计，能够降低飞机制造维护成本。波音B737 NG系列研制过程中，利用设计保证了98%的机械部件的通用性，促使该系列飞机维护成本[2]下降15%。良好的共通性可以大大缩短民航客机飞行员改装时间，降低飞行员改装培训成本[3]，波音公司在B787飞机研制过程中采用了与波音其他系列飞机相似的设计，使得B777驾驶员仅需通过5天，B757或B767驾驶员仅需8天时间培训即可胜任B787驾驶工作[4]。空客公司在其A380飞机设计时同样采用了共通性 设 计，A320及A350飞 行 员 分别仅需11天、5天的培训，即可胜任A380飞机驾驶工作[5]。驾驶舱设计的差异性和飞行员改装不充分可能导致操作错误，造成安全隐患。2013年7月6日，航亚航空214班机发生着陆事故，经调查分析，飞行员改装不充分和机型的差异性为造成事故的重要原因之一[6]。

飞机驾驶舱设计可分解为众多设计要素的集合，驾驶舱共通性设计，本质上是对各设计要素进行共通性设计。对现有典型民航驾驶舱设计要素进行分析，可为未来驾驶舱共通性设计提供指导，而充足的驾驶舱设计要素数据是进行共通性要素分析研究的重要前提。目前，国内相关研究处于起步阶段[3]，有部分学者针对民机各局部系统共通性进行相关研究。例如，文献[7-8]针对民用飞机起落架设计共通性进行相关研究；张芳对飞控系统控制律共通性进行了相关分析[9]；奚海燕等人针对民机空气管理系统共通性展开相关研究[1]；徐笑利用层次分析法对民用飞机共通性进行了评价[10]；董文俊则对民机共通性对飞行员改装训练效益进行了研究[4]；Zhang等提出了共通性指标量化方法[11]。这些研究在一定程度上推进了国产飞机共通性设计工作，但目前国内尚无系统性的驾驶舱共通性设计要素数据库，对驾驶舱共通性元素缺乏全面、完整的量化归类研究，给驾驶舱共通性设计研究工作带来了一定的困难。驾驶舱设计要素数据库较传统数据库而言，在数据内容和结构上存在巨大差异。传统数据库多采用“文本”“数值”形式对信息进行存储[12-13]；而驾驶舱设计要素包含大量空间位置、外观、声音、逻辑、操作流程等复杂信息，难以用传统数据结构进行存储，需要建立支持文本、图像、视频、音频存储和展示能力的多媒体数据库[14-16]。

本文对大型民用飞机系列化产品驾驶舱产品共通性设计要素进行识别，并对其进行分析、归类和量化。在此基础上，设计并开发建立大型民机驾驶舱共通性设计要素数据库和数据库管理工具，为大型民机驾驶舱共通性设计与评估提供技术支撑。

1 驾驶舱共通性设计要素分析

1.1 共通性设计要素分析与要素树构建

驾驶舱设计要素内容繁多，涉及驾驶舱环境、飞机系统操作流程和工作逻辑。本文通过梳理CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》第25.777条、25.779条、25.781条、25.1523等条款的要求[17]，围绕驾驶舱环境、操作及显示、系统功能、操作程序四大部分，按民航ATA手册中章节分类，对不同机型设计要素进行抽象、归类整理，得到驾驶舱设计要素类别与子类别。其中，驾驶舱整体环境包括驾驶舱设备数量、外观、颜色、布局等共300余项设计要素；驾驶舱操作及显示包括操纵机构操纵方式、仪表、指示灯光显示方式等共50余项设计要素；系统功能包括各系统功能原理、系统组件描述等共700余项设计要素；操作程序包括正常、非正常程序共100余项设计要素。

本文使用的分类方式是一种典型的树状分类方式。驾驶舱环境、操纵及显示、系统功能和操作程序分别是树的不同“子树”；其下的子类别则是“子树”的“分支”；而各个要素又是该“分支”的叶节点。最终形成一颗复杂的“要素树”，如图1所示。

1.2 共通性设计要素展示

由于民机系统设计要素的信息量丰富繁杂，包含了众多与外观、位置、操作、功能及动态响应相关的设计要素，难以通过静态功能数据或者简单文本进行描述，需要通过更加直观的图片、动图、音频以及文本配合描述，这些要素以多媒体数据方式存储于数据库中，是数据库的核心组成内容。

进行驾驶舱环境要素分析时，需要重点对驾驶舱布局，控制面板位置，操作器件外观、颜色等信息进行分析。采用“图片+文字”方式对该类要素进行展示，能够直观地显示出设计要素的空间和外观特性。

进行驾驶舱操作及显示要素分析时，需要重点对操纵杆、油门台、高升力、减速板等控制器件操作方式、系统响应、指示灯光变化等动态过程进行分析，需要采用“视频+文字”方式对该类要素进行展示。

对于告警音响、提示音响等声音信息要素，采用“音频+文字”方式进行展示，能够清楚地显示出设计要素的特性。

系统功能、操作程序等要素包含了大量的操作步骤、逻辑功能描述，采用文本对信息进行展示，具有完整、清晰、存储方便、易于修改等优点。

1.3 设计要素共通性评估

在要素分类和展示的基础上，可进一步进行设计要素的对比。分别选取不同机型在要素树中的同一叶节点，利用专家打分方式，对该节点设计要素进行共通性评估；对要素树某一分支所有叶节点共通性进行打分并汇总，则可得到该分支对应系统功能或操作程序的共通性评估。以此类推，可得到不同维度、不同层级的机型设计要素共通性评估结果。

2 数据库设计

驾驶舱共通性数据库包含5个实体集合：飞机制造商集、飞机机型集、飞机驾驶舱设计要素集、飞机驾驶舱设计要素值集和飞机驾驶舱设计要素对比集。其中，飞机驾驶舱设计要素集是包括驾驶舱环境、操纵及显示、系统功能级操纵程序在内的设计要素分类；飞机驾驶舱设计要素值集则是这些要素具体的展示和描述；飞机驾驶舱设计要素对比集是进行设计要素对比的要素数据，是完整设计要素集的子集；飞机制造商集、飞机机型集则是为了方便进行结果描述，引入的背景信息集合。在MS SQL Server中为每个实体集合创建数据表，将集合的属性作为数据表的列，并通过外键建立数据表间的映射关系。5个数据表及其关系如图2所示。

2.1 飞机制造商集

飞机制造商表如表1所示。表中，mfr_id字段作为表的主键，数据库管理系统将自动为用户新插入的表项生成连续递增的编号，以保证其值的唯一性。其他表的主键类似，不再重复说明。

表1 飞机制造商表

2.2 飞机机型集

飞机机型表如表2所示，通过mfr_id字段连接到飞机制造商表。飞机制造商名称可用作查询特定机型的入口。此外，当数据库中存储的机型数量较多时，可实现按飞机制造商进行机型筛选。

表2 飞机机型表

飞机机型和其他各数据表的create_date和update_date字段，通过为数据表设置一个触发器，实现当用户执行插入或修改操作时自动设置create_date和update_date的值。

2.3 飞机驾驶舱设计要素集

创建的飞机驾驶舱设计要素表如表3所示。该要素表不是将各要素作为机型表的字段直接使用，可使在用户修改要素树（即使是从头开始构造）时，无需修改数据表结构。驾驶舱设计要素值包括数值、文本、图片、声音、文件等多种类型，可根据要素值的类型设置相应的value_type字段。另外，要素结构采用树状结构显示，通过为子要素节点设置parent_id的值（顶层节点的parent_id设置为空），可以建立任意形状和深度的树状结构。

表3 驾驶舱设计要素表

2.4 飞机驾驶舱设计要素值集

飞机驾驶舱设计要素值表如表4所示，表中的内容是数据库的主体。要素值包括多种类型，为简化设计与减少冗余字段，在数据库中统一以字符串形式将各类型存储到要素值表的value字段中，存储的内容根据值的类型而不同。

表4 驾驶舱设计要素值表

对于数值与文本类型，value字段直接存储要素值（对于数值类型是其等效字符串）；对于其他各种文件类型，从数据库的物理设计考虑，value字段只存储指向该文件的索引（通常是其在硬盘上的相对路径）。value字段具有非空约束，所以当某一要素不适用于某机型时，则不需要将该机型的相应要素添加到要素值表。

要素值表通过model_id字段连接到机型表，同时还通过element_id字段连接到要素表，从而建立起了要素值与机型、要素名之间的三元联系。

2.5 飞机驾驶舱设计要素对比集

飞机驾驶舱设计要素对比表主要用于支持共通性要素对比。用户可以根据需要在要素树任意级别（深度）的要素节点上进行对比。对除数值以外的要素值，如文本、图片、声音、文件等类型，需要由专家判断和输入对比结果，存入comparison_result字段，以便得出两种机型共通性要素对比的总体量化结果。

要素对比表如表5所示，通过source_model_id和target_model_id字段连接到机型表，用来指定进行对比的两种机型，同时还通过element_id字段连接到要素表，用来指定两种机型进行对比的要素。表的每一行都是由机型1、机型2、要素名、对比结果等字段组成。

表5 驾驶舱设计要素对比表

3 数据库管理软件

数据库管理软件为用户进行机型设计要素对比提供了人机交互界面，主要功能包括机型要素对比、机型管理、要素树管理、机型要素数据管理等。

机型要素对比是数据库管理软件的核心功能，如图3所示。该功能为用户提供了不同机型间要素对比界面，以直观的方式向用户展示所选定机型的设计要素，便于进行要素共通性评价。

机型管理功能提供了机型要素资源的创建及录入功能，允许用户在当前要素树结构下，逐个/批量导入机型要素。本文利用该功能建立并导入了包含B737-800、B777-200ER、B787-9、A320-214、A350在内的5个机型设计要素，并将其作为初始数据库，用户可在此基础上不断完善机型及对应要素数据库。

要素树管理功能允许用户对当前要素树进行编辑，从而增加、删除或者修改要素分类结构。

机型要素数据管理功能允许用户对要素资源进行修改、替换。当用户发现数据库中的要素描述存在错误时，可利用该功能进行要素的修正。

4 结 论

本文通过对民机驾驶舱共通性设计要素进行分析与梳理，建立要素分类方法并形成设计要素树。根据要素特点分别提出要素展示和对比方法，基于民机驾驶舱共通性元素要素树，利用MS SQL Server 2008 R2，建立了包含B737-800、B777-200ER、B787-9、A320-214、A350在内的5个机型的大型民机系列化产品驾驶舱共通性设计要素数据库及管理软件。该数据库及管理软件涵盖显示、控制人机界面等1 100余项共通性元素，并具备数据管理及分析等功能，可为大型民机驾驶舱共通性设计与评估提供技术支撑。