人因工程学在飞机驾驶舱空间布局设计中的应用

人因工程学在飞机驾驶舱空间布局设计中

的应用

摘要：本文在回顾现有驾驶舱设计中人因工程学主要研究方法的基础上，着重探讨了飞机驾驶舱空间布局设计中人因工程设计原则的具体应用，并对这些设计方法的优劣进行对比和评价，最后提出设计中需要注意的若干问题。

关键词：人因工程学；研究方法；空间布局设计

The application of Human Factors Engineering in the cockpit space layout design Abstuction: Based on reviewing the existing primary research method of Human Factors Engineering on the cockpit designing, this article discussed the Human Factors Engineering principle and it’s specific using of aircraft cockpit space layout design, and evaluate the superiority of comparison, finally puts forward some problems need to be taken attention.

Keys: Human Factors Engineering; research method; space layout design

1 引言

根据台湾工效学学会的定义，人因工程是指“了解人的能力与限制，以应用于工具、机器、系统、工作方法和环境之设计，使人能在安全舒适及合乎人性的状况下，发挥最大工作效率和使用效能，并提高生产力及使用者的满意度的学科领域。”已有的研究表明，人因工程学在增进系统安全，提高人员满意度，和提高系统绩效等方面能发挥很大的作用[1]。

人因学最初的研究范围比较狭小，只涉及军事、工业领域人—机界面交互的一些问题，目前的研究范围已得以扩大，与人类工效学、工程心理学及认知工程学等学科有着紧密的联系，并在核工业、汽车设计、风险评估、航空领域等都产生了广泛的影响。

2 人因工程学的研究进展及研究方法

2.1 人因工程学的研究进展及方法

人因工程是一门相对年轻、独立和独特的实践性学科 ,其研究与应用重心历经了军事、工业人因工程、消费产品及服务、计算机人因工程等领域阶段 ,到20世纪90年代兴起宏观人因工程和认知人因工程研究后,逐步转移到工业系统。其研究内容现主要涉及到以下四个方面[2]：

1）硬件人因工程：起初称为人-机器接口技术，代表了人因工程学科前30年的主流应用方面 ,最初研究人的生理和知觉特性 ,并将其相关成果应用到操作、显示与工作空间布局的分析、设计和评价等过程中。这仍然是今天人因工程的最大研究应用领域。

2）环境人因工程：该技术主要研究处于各种环境状态(光、热、噪声和振动等)下时人的能力及其极限。近几十年来,随着对人与其自然和人造环境间关系的认识和探讨不断深入,该技术不断得到应用和发展。

3）认知人因工程：该技术是随着20世纪60年代硅芯片的诞生及随后的现代计算机革命的兴起，它最初研究的是人们获取和加工信息的方式,现在该技术主要应用于设计或完善系统软件,从而提高其可使用性。

4）宏观人因工程：这是人因工程的最新分支,兴起仅仅10余年。前述3种类型的研究重心在于单个的操作者和操作小组(子系统) ,可以说是处在“微观”人因工程层次上。此时人因工程开始着重研究组织系统和工作系统的设计及与此相关的人—机器、人—环境和人—软件等多个接口整体的设计问题。

由于人因工程的全面研究涉及到人类工效学、工程心理学及认知工程学等多个学科，所以其研究方法一般采基础研究和应用研究相结合的方式[3]，通过对具体人群、产品和系统等的研究，发展出相应理论、原理，再把研究扩展到不同系统和环境下，力求得到若干可以普遍应用的原理。研究通常需要进行数据采集，人因工程学研究中数据采集方法有很多种，主要采用的有实验研究法和描述性研究法。前者通过自然实验或实验室实验来控制自变量和影响自变量变化的环境因素，观察和记录自变量因素引起的因变量的变化；后者直接测量一些变量并评估各个变量间关系的方法，来收集复杂的实际系统的变化数据，并得出实验结论。

2.2 驾驶舱设计中的人因工程学研究现状

在过去几十年里，发动机、系统和结构设计等方面的改进大大降低了事故率并提高了飞行效率，但飞行高度、速度、巡航时间的增加及显示系统、操纵系统的高度自动化，却造成对飞行员生理心理负荷的增大，人的因素成为制约飞行安全的主要因素，驾驶舱作为人机接口最突出和集中的地方，其设计的优劣直接关系到飞机飞行的安全，自然成为人因工程学在航空领域的研究重点[4]。

最早在驾驶舱设计中运用人因工程学理论的是美国和日本，他们研制了许多基于人因工程设计理论和原则的计算机辅助软件，并广泛应用于飞机驾驶舱和汽车驾驶舱的设计总，比较典型的代表有：1973年Dayton大学为美空军开发的COMBIMAN软件，主要用于飞机乘务员工作站设计中的视野分析和手部可达性分

析；宾夕法尼亚大学设计开发的JACK软件，构建了人体模型和一系列可控的分析工具；德国THCMATH开发的RAMSIS工效分析工具，建立了飞行员以及乘客的姿势仿真模型[5]。

我国的人因工程学理论研究开展较晚，飞机驾驶舱设计主要是借鉴苏联的成果，由于各研究机构的驾驶舱设计规范还不统一，基于人因工程学的驾驶舱统一的设计标准还有待形成。现在，北航、南航和一些研究部门都取得了一定的成果和开发了一些软件：北京航空航天大学开发的MMES软件，建立了人机工效模拟系统，和模型评价；南京航空航天大学开发的参数化人体模型生成系统，建立了人体尺寸数据库[6]。

目前国内外的诸多研究主要集中于飞机驾驶舱的操作面板设计，利用三维人体模型和虚拟人技术进行驾驶舱的设计以及飞机驾驶舱的人机适配性评价。为了改善飞行员在复杂情境中对自身状态、飞机状况及周边事态的充分了解和整体把握，增强飞行员的情境意识(situation Awareness)能力，国外目前正在寻求新的信息显示方式和途径，研制开发新型信息显示界面—三维图形数据格式信息显示界面，这种界面可以使飞行员认知反应时间变短，操作错误减少，心理负荷降低，而且情景意识也明显增强。

总之，国内外的研究都在寻求利用CAD技术和计算机图形技术，完善现有参数化三维驾驶舱模型和三维虚拟人体模型和适当的评价模型。同时在驾驶舱的自动化设计中，强调自动化与飞行员能力及需求的相匹配和兼容，避免忽视人的特性而导致的“过度自动化”或“不当自动化”，寻求以人为本的自动化设计。

3 驾驶舱空间布局设计的人因工程学问题

纵观已有的文献资料，我们不难发现，当前的人因工程学研究是把人、机、环境视为相互关联的复杂系统，运用现代科学技术理论和方法进行研究，使系统具有“安全、高效、经济”等综合效能。驾驶舱设计中的人因工程学研究，就是以人因工程的相关理论知识为基础，对飞机驾驶舱设计元件进行合理布局，使飞行员能舒适、高效和安全驾驶，并顺利完成指定的任务。

飞机驾驶舱的主要设计元件有座椅、驾驶杆、脚踏板和仪表板等，它们的设计关联到不同的相关人因工程学设计原理[7]，大致如下:

1）座椅设计：此项设计要基于人体坐姿理论的相关知识，包括坐姿舒适角度和人体坐姿体压分布。坐姿舒适角度和人体体压分布都是通过大量实验得到的，它们对座椅设计元素（座高、座深、扶手高和头枕尺寸等）有着重要指导意义；

2）驾驶杆和脚踏板：都属于操作器设计。此项设计涉及到人手和脚可达性分析和受力分析理论。根据人体的多刚体系统模型可将人体模型分为上、下肢运动链，应将驾驶杆和脚踏板布置在人手和脚的舒适域内，而仪表板上的控制面板应布置在人手的活动范围内；

3）仪表显示设计：属于显示器设计。此项设计要考虑人体的视域分析理论。飞机的主要仪表和显示器应设计在飞行员的舒适视野内，且仪表和显示器的指针方式、显示方式等都应参照人因工程学相关标准来设计，便于飞行员观察及识别。