民航客机驾驶舱人因设计研究综述分析

摘要：為研究现代民航客机驾驶舱人因设计的发展历程和应用现状，文章首先通过文献综述回顾国内外民航客机驾驶舱人因设计研究的最新成果和相关发展，全面了解该领域的研究方向、方法和创新成果。同时，探索民航客机驾驶舱人因设计所涵盖的内容和相关标准，包括对座舱布局、人机界面、人体工程学原理等方面的研究和规范。通过总结这些内容，可以概括国内外民航客机驾驶舱人因设计研究的整体情况，识别出目前存在的问题和挑战。随着技术的不断进步和飞行员需求的变化，驾驶舱人因设计需要不断创新和演进。综合各种因素，如人体工程学、人机交互、认知心理学等，提出新的设计理念和方法，以满足飞行员的需求并提高工作效率和保障飞行安全。通过对现有研究成果的分析和讨论，文章旨在为后续相关研究提供有价值的参考。希望通过推动驾驶舱人因设计的进一步发展，为航空工业提供更先进、人性化的驾驶舱设计，从而提升飞行员工作环境的舒适度，并保障飞行安全和提高效率。

关键词：民航客机；驾驶舱；人因设计；飞行安全

中图分类号：V223.1 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）20-0-03

提升飞行安全性一直是航空业关注的重要课题。在航空工业和航空医学取得长足发展的今天，“人”成为制约飞行安全的主要因素。而驾驶舱作为飞行人员的工作场所，其设计复合性和集合度最高。人为因素在驾驶空间环境中扮演着重要角色，涵盖了飞行人员各个方面的思考。人机界面对飞行人员的体力、心理状态、工作效率产生重大影响。为了确保飞行人员的工作环境和操作界面符合其需求和能力，需要综合考量各个因素，不断优化驾驶舱人机界面。这有助于提升飞行安全性，使驾驶人员能够更高效地履行其职责，并促进整个航空业可持续发展。

1 民航客机驾驶舱人因设计的发展演变

近百年来，民航客机的设计经历了持续演化和改进，取得了令人瞩目的进展。20世纪20年代中期，德国和美国的一些飞机制造商不再遵循将轰炸机改装为客机的传统，而开始为运输旅客专门设计飞机。这一创新标志着民航客机设计迎来了崭新的时代。随着时间的推移，一系列关键技术和设计理念的不断引入改善了民航客机的性能。首先是封闭式客舱的出现，使乘客能够在更安全、隐私和舒适的环境中旅行。随后，增压客舱的应用进一步提升了飞行安全性和乘坐舒适度，克服了高海拔飞行中的氧气稀薄问题。另一个重要的里程碑是涡喷发动机的引入。与传统的活塞发动机相比，涡喷发动机具有更强的推力和更高的燃油效率，同时减少了噪声和振动。这使民航客机更加经济和环保，并提升了乘客的舒适度。涡喷发动机的引入促使民航客机成为人们普遍接受的交通工具，大大推动了民航业的发展。

在民航客机设计中，驾驶舱的重要性不言而喻（见图1）。民航客机的驾驶员不同于其他类型飞机的驾驶员，他们不仅需要负责飞机的安全，还需要关注机上乘客的安全。因此，驾驶舱成为飞行员工作的场所，也是整个飞机上人机关系最为复杂的空间之一。驾驶舱的设计对飞行员操作具有直接影响，因此在民航客机设计中具有重要的地位。

驾驶舱设计需要充分考虑飞行员的操作需求及紧急情况下的应对能力。一个拥有良好设计的驾驶舱能够提供清晰的仪表显示、易于操作的控制装置以及人性化的人机交互界面，帮助飞行员更好地理解和掌控飞机的状态和操作。同时，驾驶舱设计应考虑到紧急情况下的应急操作，以确保飞行员能够迅速作出正确的决策并采取相应的措施。

综上所述，民航客机设计的演化历程中，驾驶舱的重要性逐渐凸显。随着技术的发展和驾驶员需求的变化，驾驶舱设计不断演进，旨在提供更安全、高效和人性化的工作环境，以确保飞行的安全性和舒适性。

人因工程学是20世纪40年代后期跨越不同学科和领域，研究人的特性和工作条件与机器相匹配的学科，是一门研究、应用范围都非常广泛的综合性边缘学科，是技术科学、环境科学、解剖学、人类学、心理学等学科的交叉，研究人机环境系统最优组合的工程技术科学［1］。航空安全中对人因的应用可以追溯到20世纪70年代，其研究经历了两个阶段。首先是从20世纪70年代初到80年代后期，人们对人因的研究受到技术的限制，应用人因工程学理论改善飞行器、驾驶舱和各个组件的设计，以实现良好的人机搭配。在20世纪80年代后期，“人”成为制约飞行安全的主要因素，于是人们将研究范围扩展为人与各种资源的组合利用，其中最知名的是机组资源管理（CRM）的引入。自20世纪90年代以来，人为因素研究进入了系统安全的阶段，标志性结果包括Reason模型的应用及由Reason教授提出的组织原因理论。

国内对人、机、环境等因素的研究始于20世纪80年代后期。其中，驾驶舱几何设计、仪器和照明工程心理学等方面的研究进展比较迅猛，并取得了丰富的技术成果和经验，且成功应用于型号设计中。然而，在航空电子技术、智能技术、生物力学、信息控制技术等方面，国内的研究相对滞后于西方国家。驾驶舱设计对人因工程学的要求不断提高。可以说，以飞行员为中心的驾驶舱设计理念日益得到更多关注，而驾驶舱的人机工效水平则成为评价其设计和布置是否先进的重要指标。

2 民航客机驾驶舱人因设计研究现状

2.1 国内研究现状

白穆和庄达民用JACK软件分析了飞行人员手部和足部的可变域和舒适域［2］。为解决JACK软件不透明性的问题，他们构建了简单的人体模型，分析了飞行员在坐姿状态下的腰椎受力情况，再通过与JACK软件的结果进行对比，发现两种方式的结果是一致的。此项研究支持飞行人员人机界面设计和人体工程学优化，强化了综合应用软件分析和简单人体模型的重要性，为相关领域提供了有益启示。王俊针对我国飞行员的人体尺寸，建立了一套人体运动模型［3］。通过运动链的变换矩阵，他借助MATLAB计算了飞行员上下肢的舒适域和可达域。同时，他使用CATIA建立了飞行模型，并配合DELMIA插件验证了飞机人机界面的合理性。这种综合分析和验证过程有助于确保飞行人员在驾驶舱内的交互环境符合人体工程学原理，提高飞行人员的工作效率和舒适度。

罗晓利等关注的重点是驾驶舱内各主要部件的空间布局［4］。他们的目标是通过合理的设计和安排，使座椅、驾驶杆、脚蹬、控制器和仪表板在驾驶舱内处于适当的位置，以方便飞行人员能够及时、准确地获取所需信息（见图2）。他们的研究旨在确保驾驶舱的设计与飞行员的身体结构、生理和心理特征相匹配，从而提供更好的人机交互体验。通过优化空间布局，创造一个符合人体工程学原理的设计，使飞行人员在工作中足够顺畅地操作各种设备，提高工作效率和飞行安全性。

王俊和徐惠民对轻型飞机驾驶舱进行了设计和分析，以满足人因工程学要求［5］。他们考虑了座舱的各项参数（见图3），通过详细细节描述和精确调整座面和靠背的高度及倾角，提高了座舱的舒适度。此外，沈维蕾对不同功能的座舱进行了个人化设计［6］。她研究了座舱的各项参数，通过定制化设计，满足了不同飞行任务的需求，提供了更好的工作环境和舒适度。综合这些研究成果，他们的设计和分析工作使轻型飞机驾驶舱符合人因工程学，并提高了座舱的舒适度。这些努力改变了飞行人员的工作环境，提升了驾驶舱人机交互的质量，提高了飞行安全性和工作效率。

2.2 国外研究现状

国外有关学者深入研究了飞行员疲劳问题，其研究提醒人们除了关注飞机性能和自动化设计之外，也应重视飞行员的行为，强调飞行员的舒适性需求是人机界面设计首先需要考虑的，这样可以缓解疲劳。

还有一个重要观点认为在座椅的舒适度设计中，目标人群的喜好也是值得被考虑的因素，这意味着座椅设计师不仅需要依照人因工程学的标准，还要深入了解飞行员的需要，并根据他们的喜好来设计座椅，以提供更好的支持。为了进一步改善座椅的舒适性并减轻腰背负荷，宇藤宏及其团队通过对驾驶员座椅的腰部、侧面及座面进行重新设计，并为其配备可调节的头枕和橡胶垫，为驾驶员提供了更好的腰背支撑，提升了舒适性。这样的设计有助于减轻飞行员在长时间飞行中的腰部负荷，提供更好的乘坐体验和工作环境。这种新型座椅的设计充分考虑了人体工程学和飞行员的需求，为飞行员提供了更好的工作条件和乘坐体验。通过这些改进，飞行员能够更好地应对长时间飞行带来的不适，并提高工作效率和专注度。

圣约翰等人对显示器在何时显示2D和3D图像进行了深入研究。他们的研究旨在探讨不同情境下选择不同图像类型的合理性。他们通过观察和分析，得出了一些重要结论。一方面，他们发现2D图像在确定位置和角度数据方面具有明显优势。这是因为2D图像能够提供更准确的空间坐标和方向信息，使飞行员能够更精确地判断和定位目标。这对需要准确导航和目标追踪的任务非常重要。另一方面，他们指出3D图像在理解形状和地形方面具有独特优势。通过呈现真实的三维视觉效果，3D图像能够提供更全面和直观的空间感知，使飞行员能够更好地了解周围环境的复杂性和几何特征。这对需要评估地形、障碍物和目标物体形状的任务非常重要。然而，圣约翰等人强调，选择何时使用2D或3D图像应基于当前任务状态和需求。不同的任务可能需要不同的信息呈现方式。例如，在需要准确判断位置和角度的任务中，使用2D图像可能更加合适。而在需要深入了解環境和地形的任务中，则更倾向于使用3D图像。

3 结语

国产大飞机C919已正式投入运营，作为我国首款具有完全自主知识产权的大型喷气客机，其研发和生产代表了中国航空工业在技术上的重大突破和自主创新能力的提升，对中国航空工业来说是一个重要的里程碑。未来，在客机驾驶舱设计中，人因设计将发挥重要作用。

飞行员作为最终使用者，能够提供宝贵的见解和意见。通过与飞行员的互动和了解，可以更全面地评估人机界面的交互效果，并针对他们的实际感受进行优化和改进。这种实践导向的方法能确保相关设计和解决方案真正符合飞行员的需求，提供更好的工作环境，以提高工作效率和飞行安全性。

参考文献：

［1］ 刘雅婧.汽车驾驶室人机界面设计技术研究［D］.西安：西北工业大学，2007.

［2］ 白穆，庄达民.飞机驾驶舱操纵装置布局优化［J］.民用飞机设计与研究，2009（S1）：152-155.

［3］ 王俊.轻型运动飞机座舱人机界面设计与分析研究［D］.南京：南京航空航天大学，2010.

［4］ 罗晓利，张薇.人因工程学在飞机驾驶舱空间布局设计中的应用［J］.中国民航飞行学院学报，2012（3）：31-34，38.

［5］ 王俊，徐惠民.基于人机工程学的轻型运动飞机座椅设计方法研究［J］.江苏航空，2010（3）：5-7.

［6］ 沈维蕾.基于人因工程学的座椅设计与评价［J］.机械工程师，2005（10）：72-73.

作者简介：刘伟（1994—），男，安徽安庆人，硕士在读，研究方向：产品造型艺术及其应用实践。