民机驾驶舱人为因素层次化综合评价与诊断方法研究

摘要

人为差错是现代航空事故的首要原因。飞机驾驶舱内的人为因素评价无论对飞机的设计改进还是适航审定都具有极其重要的意义。在我国大飞机重大专项背景下，对民用大型飞机驾驶舱人为因素综合评价方法的研究和应用有迫切需求。目前，该评价方法在设计过程中主要存在以下难点：对驾驶舱人为因素的概念缺少（或忽视）全面、合理的认识；考察指标难以覆盖适航标准的要求；现有综合评价方法难以应对飞行过程复杂、多样、不确定的特性以及对安全性的苛刻要求；此外，目前的评价方法注重决断而忽视对安全问题来源的诊断，难以为设计改进提供指导。
　　本研究将理论分析、实验研究、方法设计与实际应用相结合，基本目标是提出一种有效、灵活实用、能够覆盖适航法规要求，且具有诊断能力的民用飞机驾驶舱人为因素综合评价方法。主要工作致力于民机驾驶舱人为因素评价诊断理论、驾驶舱人为因素评价指标体系、多指标综合方法、适航审定中实际应用四个方面的研究。研究受到国家重点基础研究发展计划（973计划）项目课题“民用飞机驾驶舱人工效综合评估理论与方法”（编号：2010CB734103）资助。本文的主要创新点如下：
　　1）针对目前“工作负荷”概念在人为因素评价中表现出的局限性，本文提出“基于人机交互与人机状态”的多维人为因素概念框架。该概念框架将飞行过程中众多安全性影响因素的复杂作用归结为对驾驶舱人机交互行为、飞行员状态和系统状态的影响，并通过<认知活动>、<控制活动>、<工作负荷>以及<飞行绩效>四个方面来描述和评价飞行过程中的人为因素。模拟飞行实验结果表明，相比于仅考察工作负荷的传统人为因素综合评价方法，基于本概念框架的评价方法可以更全面的反映人为因素与飞行安全的关系。
　　2）针对现有人为因素评价方法诊断能力弱的问题，本文提出利用人机交互活动与人机状态之间的相关性来诊断安全问题的设计根源。其中“认知活动-工作负荷相关性”用于反映驾驶舱界面信息的感知难度，“控制活动-工作负荷相关性”用于反映控制器件的操控难度，“认知活动-飞行绩效相关性”用于反映告警信息的显著性，“控制活动-飞行绩效相关性”用于反映控制器件的控制效率。由此可为民用飞机驾驶舱设计改进提供有针对性的指导。
　　3）针对现有人因综合评价指标体系以定性指标为主、不全面、通用性差、难以满足适航审定要求的问题，本文在所提出的人为因素概念框架指导下结合适航标准的要求，构建出一套基于客观定量测量的“多方面分层次”评价指标体系。针对其中生理指标含义模糊的问题，通过模拟飞行实验研究了飞行过程中多种生理指标之间的关联及隐含意义，以此为根据对指标体系进行了修正和明确。此外，该指标体系可根据实际应用情况进行局部调整，具有一定的灵活性和通用性。
　　4）针对现有指标综合方法可靠性低的问题，本文提出“分组分层次主成分得分加权集成”的多指标综合方法。该方法利用了多元统计分析方法自适应性强的优势，同时解决了信息损失严重的问题，可以应对航空领域复杂、多样、不确定等特性。模拟飞行实验结果证明该方法可以有效利用同类指标中的相关信息，在保证灵敏度的同时削弱个别指标所受干扰对整体评价结果的影响，并且能够从多方面对评价结果的具体情况进行解释。
　　为了在真实环境中验证本文方法的有效性，本研究全程参与了ARJ21-700型飞机针对《民用运输类飞机适航标准》—“最小飞行机组”条款（CCAR-25.1523）的符合性验证试验。解决了本文的人为因素综合评价方法在真实环境应用中的关键问题。结果表明本方法可以有效区分不同驾驶舱设计造成的人为因素差异，并能对差异来源做出一定的诊断。由此，为《民用运输类飞机适航标准》“最小飞行机组”条款的符合性验证提供了一种有效的新方法。同时，本研究也为我国人为因素适航审定积累了大量宝贵经验，推动了我国航空人为因素领域的发展。
　　综上所述，本研究为民用飞机驾驶舱人为因素综合评价提供了理论基础、技术支持与经验指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3目前存在的问题

1.4本文的研究工作

第二章 人为因素及综合评价相关基础理论

2.1人为因素相关理论

2.2多指标综合评价理论方法

第三章 民机驾驶舱人为因素实验分析平台设计与实现

3.1构建驾驶舱人因实验分析平台的意义

3.2驾驶舱人因实验分析平台设计原则

3.3飞行模拟器设计实现

3.4参数测量系统构建

3.5多路数据同步集成

3.6本章小结

第四章 民机驾驶舱人为因素评价要求及机理研究

4.1驾驶舱设计过程中的人为因素评价要求

4.2适航审定中的人为因素评价要求

4.3民机驾驶舱人为因素机理研究

4.4诊断功能的引入

4.5本章小结

第五章 民机驾驶舱人为因素综合评价指标体系构建

5.1民机驾驶舱人为因素评价指标初选

5.2民机驾驶舱人为因素评价指标体系优化

5.3本章小结

第六章 民机驾驶舱人为因素评价指标综合方法研究

6.1多指标综合方法需求分析

6.2民机驾驶舱人为因素评价指标综合方法设计

6.3民机驾驶舱人为因素综合评价的实现与有效性验证

6.4本章小结

第七章 民机驾驶舱人为因素综合评价在ARJ21-700适航评审中的应用

7.1真实环境与实验室环境差异研究及解决方案

7.2 ARJ人为因素适航符合性验证试验

7.3本章小结

第八章 总结与展望

8.1全文工作总结

8.2论文创新点

8.3研究展望

参考文献

附录1 传统工作负荷测量技术特性总结

附录2 SmartEye桌面式眼动仪技术指标

附录3iViewX HED头盔式眼动仪技术指标

附录4Tobii Glasses眼动仪技术指标

附录5 Bioharness生理测量系统技术指标

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果

攻读博士学位期间参与的科研项目