适航审定中最小机组工作量的定量测量方法

摘 要:随着经济的飞速发展,我国正在自主研发民用大型运输类飞机。根据适航审定要求,最小机组工作量的符合性验证必需考虑人为因素的定量测量。本文研究了大型客机驾驶舱的人为因素,提出了机组人员生理数据测量方法,设计了最小机组人为因素测量系统。该系统为驾驶舱人为因素的研究提供必要的相关机组人员生理数据,以及初步的分析接口,并为整个显控布局的设计以及飞机子系统设计过程提供必要的帮助和辅助。通过实验,验证了系统集成和设计的正确性和准确性,从而优化飞机座舱布局、提高飞行安全的人为差错控制、增强航空电子系统可靠性、提升飞机整体安全性和稳定性。

关键词:最小机组工作量 人为因素 测量系统 生理数据

中图分类号:V221文献标识码:A文章编号:1007-9416(2011)04-0164-03

民用运输类飞机的研制必须符合适航管理条例,以满足最低安全标准。适用于我国正在研发的C919民用大型客机的适航标准是由中国民用航空管理局制定的CCAR25部。同时,为了获取国际认定的安全认可,以及在未来进军国际市场,我国的民用运输类飞机还必须满足国际上主要的适航审定标准,如由美国联邦航空管理局指定的FAR25部和由欧洲航空安全管理局指定的CAR25部。如果从标准条例的文本上来看,这些标准的要求都是一样的。各国民用航空研制水平的区别主要表现在对适航条例的符合性验证方法上。符合性验证方法的不断进步保证了民用航空器的安全水平的不断提高。

在适航条例中有一些条款有着明确的定义,但无法用精确定量的方法来证明其符合性。最小机组工作量(适航条例25部第1523条款)就是典型的例子。传统上对于该条款只能采用主观判断的方法[1]进行符合性验证,尽管这些方法国际范围内有着较高的认可度,但作者认为这些都是不得已而为之的方法,无法满足日益繁忙的航空运输环境中的民用客机的安全性认定。

“最小机组工作量”条款的符合性难以用精确定量的方法来证明的主要原因有以下几个方面:

(1)“最小机组工作量”涉及航空人为因素这一综合性极高的概念,很难用有限的物理测量来表达“最小机组工作量”;

(2)无论在模拟器中,还是在真实飞机驾驶舱中,构建“最小机组工作量”测量系统都是很困难的。

本文分析了正确表达“最小机组工作量”所需的测量量,并以此为需求设计了最小机组工作量的定量测量系统和方法。

1、需求分析

最小机组工作量条款明确规定必须考虑下列因素来规定最小飞行机组,使其足以保证安全运行[2]:(1)每个机组成员的工作量;(2)有关机组成员对必需的操纵器件的可达性和操作简易性;(3)按适航审定所属类别及所装设备核准的飞机限用的运行类型。

传统的符合性验证为确定最小飞行机组而分析和验证工作量时,主要考虑下列工作量因素[2]:(1)对所有必需的飞行、动力装置和设备操纵器件(包括燃油应急切断阀、电气控制器件、电子控制器件、增压系统操纵器件和发动机操纵器件)进行操作的可达性和简便程度;(2)所有必需的仪表和故障警告装置(例如火警、电气系统故障和其它故障的指示器或戒备指示器)的可达性和醒目程度。并考虑这些仪表或装置引导进行适当纠正的程度;综上所述,对最小机组工作量进行定量测量必须采集机组成员必要的生理行为数据,对人为因素中的工作负荷进行度量,从而为人为因素研究提供数据接口。(3)操作程序的数量、紧迫性和复杂性。特别要考虑由于重心、结构或其它适航性的原因而强制采用的专用燃油管理程序,以及发动机自始至终依靠单一油箱或油源(其它油箱如果贮有燃油,则自动向该油箱或油源输油)供油而运转的能力;(4)在正常操作以及判断、应付故障和应急情况时消耗精力和体力的大小和持续时间;(5)在航路飞行中,需对燃油、液压、增压、电气、电子、除冰和其它系统进行监控的程度;(6)需要机组成员离开原定工作岗位才能完成的动作,包括:查看飞机的系统、应急操作操纵器件和处理任何隔舱的应急情况;(7)飞机系统的自动化程度,自动化是指系统在发生故障或失效后,能自动切断、自动隔离由此起的障碍,从而减少飞行机组为防止丧失能源(飞行操纵系统或其它主要系统的液压源、电源)所需的动作;(8)通讯和导航的工作量;(9)由于任一应急情况可导致其它应急情况而增加工作量的可能性;(10)当适用的营运规则要求至少由两名驾驶员组成最小飞行机组时,一名机组成员因故不能工作。

综上所述,对最小机组工作量进行定量测量必须采集机组成员必要的生理行为数据,对人为因素中的工作负荷进行度量, 从而为人为因素研究提供数据接口。

2、系统设计

本部分所述研究的主要目的是为民用航空人为因素的研究提供必要的数据接口,核心是机组人员的行为体征,主要是生理运动参数的长时间监测。这样,利用这套系统,上层接口可以使用这些数据度量机组人员的工作负荷,研究驾驶舱设计的人机工效,分析出驾驶舱设计过程中可能存在的人为因素错误和错误隐患,这些错误可能源于驾驶舱显控布局,也可能源于机组人员的专业素质不够,也可能源于某些适航条例的不合理性。这样就可以有目的地优化驾驶舱显控布局或者在某些方面加强机组人员的培训工作,从而避免或者降低飞机飞行过程中的可能由这些人为因素造成的事故率,确保飞机的飞行安全[3]。

系统目标是监测机组人员行为相关的生理运动参数,所以系统的功能就是采集这些生理运动参数。生理运动参数主要包括:心跳心电图、心率、呼吸率、体温、脑电波、瞳孔、肌电图。

脑电波的测量一般需要非常专业的脑电波扫描设备,这些设备不但昂贵,而且需要被测人员在头部佩戴复杂的测量仪器和多条导联,操作也比较繁琐。虽然市场上有一些厂商生产便携式的脑电波扫描仪,但是精度不能保证,另外也不具备二次开发的能力,集成性较小。考虑到实现难度和对机组人员的工作影响,为了保证其他数据的准确性和正确性,系统功能先不考虑脑电波的采集实现。

同理,肌电图的采集也有类似的问题,复杂昂贵的仪器,无法二次开发,导联太多,操作复杂,对被测试人员的工作影响较大,实现也困难,所以在生理数据采集过程中,也不先考虑肌电图采集。

另外,血压的测量需要气泵以及要对被测试者进行收缩舒张操作,会严重影响被测试者的工作,而且心率相比血压的变化率更有研究意义,所以血压也不考虑采集。

瞳孔的变化主要利用虹膜识别技术,通过一些图像识别的方法进行,但是由于实现复杂以及对机组人员的影响,本系统暂时不讨论瞳孔的识别技术。

因此,综上所述,在系统功能需求的制定中,生理体征数据采集首先实现:心电图、心率、体温、呼吸率。

由于在人为因素中,心跳和肌电图对于工作负荷度量是最重要的参数,所以必须要通过一种方法弥补因为缺少肌电图而造成的数据量不足。一个比较可行的方法是通过高清摄像头阵列,从多个角度捕捉机组人员的动作状态,从而分析机组人员的肢体肌肉相关的行为特征。

根据功能需求分析的结果,实现机组人员生理运动数据的监测:心电图、心率、体温、呼吸率、多角度运动视频图像。由此可知,系统的功能模块主要分为以下几部分:体征数据采集模块、数据网关、运动监测模块、远程数据处理模块,如图1所示。监测过程中必须尽可能地减少对机组人员的工作影响,以保证数据的正确性和有效性。

3、系统实现

本系统中体征数据采集模块主要由心7通道心电仪OEM模块和CC2430 Zigbee终端节点组成,数据网关主要由ARM系统板、CC2430 Zigbee协调器以及交换机模块组成;运动监测模块由USB Camera和数据采集计算机组成;远程数据处理模块由计算机实现。整个系统软件设计的关键是数据通信协议的设计,包括数据组织、数据融合、数据管理、数据同步、数据存储等等。

硬件设计如图2所示

整个系统的软件可以分成两大模块:数据通信和数据处理。数据处理工作主要在于远程数据处理模块,数据通信工作主要在于ZigBee网络传输[4]和数据网关转发上,另外数据通信工作还包括必要的数据融合和过滤重组去冗余。贯穿于整个系统通信的是各个模块接口之间的数据协议,通过一种有效和风格统一的协议,规范数据通信的方式和时序,增强数据融合的能力,大大提高数据通信的效率,使得系统数据的实时性和有效性满足需求和功能设计

本系统实验的总体过程是通过模拟驾驶舱平台,运行一个模拟的民机飞行任务,包括起飞、巡航、降落等过程,被测人员通过操纵杆和显示仪,操作飞行任务软件,直到完成该任务,时间大约是5到10分钟,期间本系统采集被测人员在飞行任务过程中的一路生理体征数据和2路图像视频数据从而完成实验,实验共有2名被测人员。

实验结果如图3所示。

本系统实验中,模拟任务的总时间为5分钟,由被测人员轮流执行,2名被测人员的1路体征数据和2路视频数据都成功地被采集下来,并且存入了数据库,实验验证了系统设计和系统实现。从界面监控情况上来看,体征数据和图像数据都是有效并且真实可用的。

4、结论与展望

系统测试结果基本满足性能需求制定的指标,包括节点数目、数据完整性和采样率、实时性、同步性、便携性以及成本等要求。但是架构、性能以及可扩展性仍然需要加强和优化,接口设计需要更加完善。

本系统为驾驶舱人为因素的研究提供必要的相关机组人员生理数据,以及初步的分析接口,对于大型客机设计过程中的人为因素研究,是一个重要的信息数据参考依据。该系统可以为整个显控布局的设计以及飞机子系统设计过程提供必要的帮助和辅助,验证系统集成和设计的正确性和准确性,从而优化飞机座舱布局、提高飞行安全的人为差错控制、增强航空电子系统可靠性、提升飞机整体安全性和稳定性。

今后,机组人员的人为因素研究主要分析以任务为核心的人、机、环境关系模型,重点将会分析机组人员可能出现错误的原因,从而在飞机设计中以及飞机操控中降低事故率。并且,人为因素的研究应该从单纯的模型研究逐步向模型的工程实现进行过渡,而工程实现的关键就是对于各种参数进行监测测量。未来针对每个人为因素模型,会有多种数据需要进行采集,从而为分析提供更为客观的基础。

最小机组人员的人为因素研究的一个主要突破口为人因学的研究,即人机工效学。而其对于工作负荷的度量将会成为主流,而生理度量是目前最为客观的工作负荷度量法,包括利用人体的各种体征数据和运动行为数据进行分析,因此对于这些数据的采集是研究的基础和关键,同时涉及到其他多个学科的研究,包括电子信息技术、网络技术、物联网技术、流媒体技术、数据库技术、管理学、心理学等等,是一个跨学科的复杂领域,会有越来越多的技术融入到该领域研究。

由此可见,最小机组人员的人为因素研究会在飞机设计,尤其是驾驶舱安全设计方面做出越来越多的贡献,对于驾驶舱布局设计、优化和改革具有极大的推进作用,也将成为我国大型民用飞机设计的重点投资领域。

5、致谢

本项目得到“97计划”资助(编号:2010CB734103),感谢所有在科研过程中帮助过我的良师益友,以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

参考文献

[1] Federal Aviation Administration. Advisory Circular--Minimum Flightcrew.AC 25.1523[R].U.S Department of Transportation, 1993.

[2] 中国民用航空总局.运输类飞机适航标准.CCAR-25-R3 [R].2001.

[3] 程道来,杨琳,仪垂杰.飞机飞行事故原因的人为因素分析[J].中国民航飞行学院学报,2006.

[4] 刘晓宁,ZigBee无线传感器网络在监控系统中的研究与应用[D].山东大学,2007.

作者简介:周珺,女,1966年10月出生,籍贯四川成都,毕业于四川省教育学院,现民航上海中等专业学校讲师。从事民航电子电工及人为因素等教学和研究,长期致力于民用航空维修及飞机制造类的高技能人才的培养和培训。

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