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基于飞行试验的人因模型研究

添加时间:2019-06-21 11:09 来源:未知 作者:优选论文网
  摘要:飞行试验中的事故或问题大多数都与人的因素有关。文章参考国内外人的因素理论研究, 首次建立了适用于试飞的人因模型--LEAF模型, 分别从与试飞员相关的5个界面详细分析了引起试飞问题发生的原因, 并将该模型成功应用于某次飞行试验问题的原因分析及处置。文章的研究结果还可为试飞流程和试飞方法优化提供参考。
  
  关键词:人的因素; LEAF模型; 飞行试验; 试飞问题; 原因分析;
 
  
  无论航空器自动化程度有多高, “人”始终都是航空活动的主体, 也是航空系统中最有价值、最易变化、最不可靠的因素。早期人们对航空器本身的研究和试验关注较多, 而对航空系统中人却研究甚少。
  
  国际民航组织将人的因素定义为:关于工作和生活环境中的人, 人与设备、程序及周围环境, 人与其他人的关系[1].统计表明, 在民用航空领域中人的因素占所有飞行事故原因的60%~80%[2].美国海军安全中心的调查结果表明, 人的因素在导致军机事故的原因总数中超过了80%[3].在飞行试验中, 国内多型机的鉴定试飞过程所暴露的与人的因素有关的故障/问题占总数的70%以上。而目前在进行试飞故障/问题的分析中, 主要着眼于试验机本身软硬件的设计, 忽略了人的因素的影响及其重要性。
  
  基于上述问题, 本文参考国内外经典的人的因素理论模型, 首次建立了适用于试飞的人因模型, 从不同界面详细分析了可能导致试飞安全问题的原因, 并将此模型成功应用于某次试飞问题的实际分析之中。
  
  1 国内外发展现状
  
  爱德华的SHEL模型可作为飞行中人的因素的概念模型[1].该模型由Software (软件) 、Hardware (硬件) 、Environment (环境) 、Liveware (人) 的首字母组成, 表明了与飞行员构成交互界面的主要因素及其相互关系, 用于分析飞行中人的因素的研究领域及人的错误来源。
  
  James Reason提出了着名的Reason致因模型[4], 模型中用不同层次中的“洞”来表示某种失效, 这些失效破坏了系统的完整性, 使系统容易受到不安全因素的影响, 而事故就发生在系统元素之间交互出现问题的地方。该模型能够全面反映飞行中人的失误及其影响因素。
  
  图1 经典的SHEL模型

  
  人为因素分析和分类系统 (HFACS) 在Reason模型的基础上发展而来, 该系统对不安全行为及其诱发因素提出了较为详细的编码构想。HFACS描述了四个层次的失效:不安全行为, 不安全行为的前提条件, 不安全监督和组织影响[5], 如图3所示。
  
  目前国内外已将人的因素考虑应用于飞行员的选拔与培养[1]、空管系统[6]、航空维修[7]、飞行试验等领域。在飞行试验中, 人的因素的考虑主要通过人机工效评估来体现。具体而言, 即在不同的任务环境中, 通过地面试验和飞行试验, 评估飞行器的座舱布局和视野、显示系统、操控系统、座舱环境、操作程序、告警系统等方面的设计对不同经验水平试飞员的工作能力的影响, 而通过主观评价、绩效测量以及生理测量等方法对飞行员的工作负荷进行评价[2][8].
  
  图2 Reason模型

  
  图3 人为因素分析和分类系统

  
  2 LEAF模型
  
  飞行试验因其任务复杂且操作难度大、试验机状态不固定、试验环境多样、试飞工程师作用突出、参试人员多等特点而不同于一般的航空活动, 因而在飞行试验过程中, 传统的人因模型已不完全适用。本文参考传统模型并结合飞行试验的特点, 建立了图4所示的LEAF模型, 该模型以操纵试验机的人 (Liveware) 即试飞员为纽带, 将与试飞员构成交互界面的因素确定为:航空器 (Aircraft) , 环境 (Environment) , 试飞工程师 (Flight Test Engineer) , 航空系统中的其他人 (Liveware) .
  
  2.1 试飞员自身界面 (L)
  
  由于选拔和培养比较严格, 试飞员通常具有更高的飞行技能和可靠性。但由于人类自身的局限性, 试飞员自身界面依然是试飞问题分析中必须考虑的因素。
  
  (1) 身心状况
  
  身体状态欠佳, 如感冒、昼夜节律扰乱、服用药物、长时间连续飞行等, 都会使试飞员的信息加工系统的各个环节, 包括感觉、知觉、决策、注意和行动等, 受到不同程度的影响, 从而产生延迟或出现隐性差错, 形成错误链, 最后导致大的显性差错的产生。
  
  心理状态欠佳, 常由不和谐的人际关系或家庭关系、过高或过低的心理预期、过大的压力等原因引起。不良的心理状态易引起不正常的应激状态, 如心境变化、注意力分散、易于冲动或无精打采、出错或遗漏正常程序的某些步骤等, 也容易造成飞行疲劳或情景意识丧失。
  
  (2) 个性特性
  
  具有不同个性特征的人在信息处理过程中的反应方式不同。具体来说, 感觉视角、知觉模式、注意弱点、记忆速度、思维方式等都不尽相同, 这涉及到气质和能力的差异[9].例如, 根据希波克拉特的体液说, 多血质的人灵敏度高、热情活泼, 但情绪不稳定, 注意力容易转移;而黏液质的人稳定性强、沉着平和, 但行动迟缓、不善交际。因而, 具备前一种个性特性的试飞员更擅长执行操纵性、机动飞行类的任务, 在任务单调重复时容易出现情景意识丧失的现象;而具备后一种个性特性的试飞员更擅长执行稳定平飞类任务, 在执行复杂多变的任务时容易产生飞行疲劳。
  
  2.2 人-机界面 (L-A)
  
  试验机系统, 包括平台、飞控系统、座舱布置、航电系统、飞行手册、检查单、应急处置程序等一切硬件和软件。试验机系统的设计是否符合人的特点, 试飞员能否适应人-机界面的改变, 都是出现试飞问题的诱因。
  
  (1) 人机工效
  
  试验机的仪表板和操纵台的界面布局应整齐、合理, 具有防差错设计, 具有合适的力感;操作程序应简捷、易使用;飞行手册、检查单等随机文件内容应完整、准确。这些设计若不适于人的使用, 就会分散试飞员的注意力, 降低试飞员的工效, 增大其工作负荷, 使其对试验机状态的反应不及时, 从而容易产生人为差错。
  
  另一方面, 试飞员对试验机的改进也应主动适应, 否则当遇到任务紧急时, 容易因习惯性地按传统的处置方式处置而产生错误。
  
  (2) 对自动化的态度
  
  自动化能够简化操纵、减少人为差错, 但自动化系统只是辅助工具, 不能完全替代人的工作。试飞员过度依赖或不信任自动化都是错误的态度。
  
  任何时候都要保证人工操纵试验机的意识和能力, 若试飞员过于依赖自动化系统, 思想上认为其能有效工作, 从而放松警惕性, 对系统出现的差错过于宽容, 减少了对系统或任务的反馈, 有可能从飞行任务中“脱离”出来, 丧失情景意识。当遇到系统故障时, 即使故障后瞬态响应满足相应的标准, 也可能使试飞员反应滞后, 产生错误的判断和不恰当的处置方式。
  
  图4 适用于试飞的LEAF模型

  
  当自动化系统在试飞过程中出现故障率较高、虚假错误警告频发或试飞员对自动化系统逻辑不理解等情况时, 试飞员会表现出不信任。从而在试飞过程中会分配过多精力在判断自动化提供的信息和所做的处置是否正确上, 导致工作负荷增大, 当飞行任务相对较复杂和遇到特殊情况时, 极易产生飞行疲劳。
  
  2.3 试飞员-环境界面 (L-E)
  
  试飞员-环境界面主要考虑试飞员-环境界面是否相容, 特定的任务环境对试飞员的影响, 试飞员对特定环境的适应能力和规律等内容。环境主要包括机体环境和自然环境两大类。
  
  (1) 机体环境
  
  噪声持续较长时间后可使人员的听觉域值增高, 表现出听觉损失, 并对语言与工作能力产生影响。有研究表明, 长时间置身于噪声太强的环境也会导致视疲劳, 当噪声强度在90分贝时, 视网膜中视杆细胞对光亮度的敏感性开始下降。
  
  持续的小振动容易使试飞员产生运动病等身体不适现象, 另外振动还会影响试飞员对仪表的判读时间和准确性, 增加试飞员决策的时间和出错的几率。
  
  (2) 自然环境
  
  飞行试验需要在不同的场地执行, 若试飞员对这些场地的地形地势、建筑林地等特点不熟悉, 都会对飞行造成影响。如执行近地面任务时需要分出部分精力用于观察地形和地面建筑物、高架线等目标, 还需注意不熟悉的风场变化。
  
  在高原环境中, 气压明显减小, 试飞员的心率和血氧饱和度等生理指标均会异常[10], 相对应的信息加工和操作能力也会下降, 且容易产生疲劳感。在35℃以上的高温环境中, 人体不断进行调节使体内温度保持在37℃以下以防止过热, 此时代谢率、心率和血压都会升高, 产生过热性应激, 容易进入疲劳、厌倦和紧张状态。处于低温环境时, 体表的血流量会减少以减少热量的散失, 导致手指和脚趾感到寒冷, 肌肉僵硬无力。这种状态会降低试飞员的操作能力, 对飞行产生不利影响。
  
  在雨、雪、烟、雾、尘土或黑夜环境下, 能见度降低, 试飞员所得到的视觉信息会减少, 容易产生飞行错觉, 造成飞行空间定向障碍, 从而导致飞行问题的发生。
  
  2.4 试飞员-试飞工程师界面 (L-F)
  
  在飞行试验中, 试飞工程师是一个极其重要的角色, 从试飞内容设计、试飞任务单编写、与试飞员的任务协调、试飞过程监控到试飞数据判读, 每一项都与飞行试验过程息息相关。研究试飞员-试飞工程师界面对于飞行试验问题分析与解决十分重要。
  
  (1) 任务单设计
  
  试飞任务单中动作较多、容量较大, 易造成试飞员在任务前段消耗过多精力, 以至任务后端工效下降, 试飞动作质量下降;任务容量过大, 同时会导致工作负荷增大, 易导致飞行疲劳, 增加试飞员出错的几率。
  
  任务单的试飞动作设计应充分考虑人的因素, 若试飞动作过于复杂, 则在动作执行过程中会出现试飞员将注意力过多分配在执行动作上, 而无暇顾及飞机状态的监控和飞行空间的定向, 容易造成情景意识丧失的问题。若整份任务单上的内容执行起来都十分简单, 容易造成试飞员缺乏成就感, 从任务中“脱离”出来, 在飞行后评述时缺乏对任务执行情况的真实反馈。
  
  任务单语言应标准规范, 要避免在飞行环境下易使试飞员产生误解, 从而造成试飞任务无法准确完成的描述。
  
  (2) 任务协调
  
  任务协调是试飞工程师和试飞员等相关人员针对试飞任务内容所进行的沟通和交流。任务协调时, 应将任务的动作要点、可能达到的限制条件、所存在的风险以及相应的风险处理措施进行充分的沟通。若试飞工程师认为试飞员可能了解某条限制而未告知, 或试飞员因经常执行该项任务而未仔细查看任务单, 则在试飞中均有可能因此而出现飞行安全问题。
  
  (3) 实时监控
  
  在执行某些试飞科目时, 需试飞工程师实时监控, 把握飞行状态, 并在试验机出现特定情况时实时给出处置方案。此时, 存在的人的因素问题是, 试飞员和试飞工程师能否及时发现特定试验机状态并相互告知, 试飞工程师能否及时将处置方案及相关要点快速、准确地传达给试飞员。
  
  2.5 试飞员-其他人界面 (L-L)
  
  试飞员-其他人界面是指试飞员与其他试飞过程相关者之间的关系, 包括其他试飞员、空中机械师、指挥员、机务等。个体间相互交流、机组协调与配合、驾驶舱领导艺术等方面出现问题都是引发试飞安全问题的诱因。
  
  (1) 驾驶舱职权梯度
  
  驾驶舱职权梯度是指试飞机组之间技术、资历和职位的相互关系, 合理的驾驶舱职权梯度是协调分工、合理分配工作负荷的有效途径, 是交互监视、互相备份的保障。过于陡峭的梯度, 副驾试飞员可能因为主驾试飞员的威望而不敢提出自己的意见和建议, 无法进行交互监视和检查;过于平坦的梯度, 则不利于主驾试飞员的决断, 有可能造成互相的的逆反心理或反其道而行之的行为。
  
  (2) 协调沟通
  
  试飞员和指挥员的沟通在于语言是否标准、简捷, 是否能够及时、准确地将信息传达给对方。试飞员与机务的沟通在于试验机状态的确认, 试验机在飞行前是否进行过维护工作是经常被忽略的人的因素。试飞员与空中机械师的协调沟通在于前后舱的任务配合, 以及试验机飞行状态的交互监视, 这也是对人的不可靠性的余度管理。
  
  3 试飞问题分析与处置
  
  3.1 问题描述
  
  在某次抗侧风试飞过程中, 试飞员反映试验机在左侧飞时增速困难, 出现了稳定状态保持困难、在较大左坡度时地速较小、工作负荷过大等异常问题。
  
  3.2 使用LEAF模型分析
  
  (1) 试飞员自身界面
  
  身心状况:由于连续飞行, 试飞员的精力消耗严重, 身心状况并非最佳。
  
  (2) 人机界面
  
  人机工效:右侧主驾驶在操纵直升机进行左侧飞时外部视野会受到较多限制, 而随着滚转角的增大, 试飞员的工作负荷会明显增大, 致使试飞员产生“滚转角已经很大但增速效果小于预期”的感觉。
  
  (3) 试飞员-环境界面
  
  自然环境:试验机场自然环境的恶化导致试飞员的信息加工和操作能力的下降, 使其在操纵试验机时变得谨慎和保守;同时有限的机场跑道长度不利于危机状态的改出, 从而使试飞员倾向于提前改出压杆动作。
  
  (4) 试飞员-试飞工程师界面
  
  任务单设计:由于单架次任务单的动作数较多, 且抗侧风科目的操纵难度较大, 试飞员在任务后段的工效下降。
  
  任务协调:试飞工程师与试飞员协调任务时, 在该架次试飞任务单中未针对跑道长度限制因素做出相应的提醒, 比如建议试飞员快速压杆。
  
  (5) 试飞员-其他人界面
  
  沟通协调:在飞行过程中, 空中机械师和试飞员未就油量的均衡分配进行沟通, 不适当的油量转输导致试验机重心不合理变化, 提供相同侧向力的坡度需求显然会更大。
  
  3.3 解决措施
  
  课题组针对问题原因改进了试飞方案:降低试飞频率, 保证试飞员体力精力充沛;调整正负驾驶的任务分配, 在正驾驶执行侧飞任务时副驾驶协助监控高度、姿态等试验机状态;针对任务环境特点, 制定相应预案;减少单架次的任务动作数;任务协调时就任务分配、操纵方法、处置预案、油量分配进行充分沟通, 做好充足的准备。
  
  改进方案后, 成功完成了全部抗侧风飞行试验, 上述试飞问题未再出现。
  
  4 结束语
  
  本文参考国内外人的因素的理论与应用, 建立了适用于试飞的LEAF模型, 从试飞员自身界面、L-A界面、L-E界面、L-F界面、L-L界面等5个界面详细分析了导致试飞问题发生的影响因子。并将LEAF模型成功应用于某型试验机试飞问题的实际分析之中, 对试飞问题的解决起到很好的指导作用。本文的研究成果可以用于飞行试验的问题分析, 也可以为试飞流程和试飞方法的优化提供参考。
  
  参考文献
  
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