民用运输类飞机机组工作量设计与评估关键问题研究

揭裕文1，朱亮2，屈展文3，俞玮4

（中国民用航空上海航空器适航审定中心，上海，200335）

摘   要: 研究了民用运输类飞机机组工作量设计与评估关键技术问题。首先给出“工作量”定义及相关运输类飞机适航要求，并对相关适航要求进行了解析。分析了当前我国民用运输类飞机研制和取证过程中，关于机组工作量设计和评估活动中存在的问题。针对工作量设计与评估工作计划、工作量分析与设计、工作量测量与评估、参试人员选拔、飞行场景设计等6大关键技术问题，研究了开展相关工作的原则和考虑要素。最后给出研究结论。

关键词: 民用飞机；最小机组；工作量评估；适航审定

1   引言

民用飞机飞行机组的工作量设计和评估问题是涉及民用飞机安全的重要问题。“工作量（Workload）”是指为完成某项任务所需的个人能力（生理和心理）和完成这项任务所需的系统等级和环境要求之间的关系[1]。如果工作量设计的不合适，例如，飞行中所需工作量水平太高、工作负荷太重，则有可能导致飞行员错过重要信息、难以执行预定任务、执行错误操作、或为减少工作量而故意遗漏某些任务。相反地，飞行中所需工作量水平太低、工作负荷太轻，则有可能导致飞行员注意力分散、甚至厌烦。经验表明，工作量的大小与飞行员工作绩效的好坏大致成“反U形”分布，工作量设计的太高或太低都会影响飞行员的工作绩效，进而影响整个飞机的安全。

运输类飞机适航要求（CCAR-25）是强制执行的最低安全性设计要求，其中包含对驾驶舱、机组工作量等的多项最低安全性设计要求[2]。本文将针对完整的民用运输类飞机工作量设计、评估和验证过程，针对其中关键技术问题展开研究，为形成型号研发和审定的指导性文件提供帮助。

2   相关适航要求解析

现行CCAR-25部中与机组工作量设计和评估相关的适航要求，专业涉及面非常广，包括：飞行性能、操纵性和稳定性、操纵系统、驾驶舱布局、设备安装与显示界面、使用限制、标记和标牌、飞行手册与EWIS等，其中25.1523“最小飞行机组”是关于工作量设计和评估的核心适航要求，该条款制定的目的就是为了防止在飞行过程中飞行员工作量超载以及针对使用先进驾驶舱自动控制系统后，可能导致的、难以预料的工作量增加。具体描述如下[2]：

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：

(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易用性；

(3) 按第25.1525条所核准的运行类型。

CCAR-25附录D还阐述了按本条要求确定最小飞行机组时采用的准则，即适航当局在决定第25.1523条所述的最小飞行机组时，应考虑：a) 基本工作职能；b) 工作量因素；c) 核准的运行类型等三项因素[2-3]。本文研究的重点即为解决与第25.1523条相关的关键技术问题。

3   当前机组工作量设计与评估中亟待解决的关键问题

机组工作量的设计与评估需要贯穿飞机设计的整个过程，即不仅要在早期的设计节点中介入，而且需要在设计过程中不断迭代，并在最终表明符合性的过程中得到验证和确认。由于我国以往缺乏足够的大型民用运输类飞机研发制造经验，同时由于特定的历史原因遗留下的“仿制”文化，当前国内民机机组工作量的设计与评估工作存在两大问题：

(1) 偏重设计结果的评审，设计和评估活动的完整性不足。

典型的表现是评估工作往往在产品研发的后期才开始启动，例如：某型飞机的驾驶舱评估工作和机组工作量评估工作是在驾驶舱设计和制造基本完成后才开始。事实上，“评估”作为一种方法，不仅仅用于最终结果的评审，更要贯穿整个研制活动全过程。从系统工程的双V思想看，V字模型的左半边承担了大部分的设计工作，并且是顶层的设计工作，而右半边主要体现的是对设计结果的验证和对设计需求的确认。咨询通告AC23.1523中有描述：“最小机组数一般是申请人在型号研制的初期，综合考虑设计驾驶舱界面机组工作量、飞行员个人经验和其他需考虑因素后确定的”。可见，最小机组人数的确定、机组工作量的评定，不仅仅是评估出来的，更应该是设计出来的。忽视或弱化“评估”作为一种重要的设计方法在整个研发活动前端起到的关键作用的做法，其结果是导致设计方案不断更改、研制周期不断加长、研制费用不断攀升

(2) 缺乏系统性的指导手册，设计和评估活动的充分性不足

飞机设计过程是一个非常复杂的过程，具有动态变化、非标准化等特点。一方面，飞机设计很大程度上依赖于先前的经验，包括研发、制造、使用和维修知识和经验，也包括对飞机产品预期使用环境的知识和经验。另一方面，为确保飞机产品的安全性，民用运输类飞机的研发非常强调规范性和系统性，例如：美国汽车工程师协会（SAE）颁布的《民用飞机及系统研发指南》（编号：SAE ARP 4754，当前版本：A），作为一份审查方认可的指导性文件，其中明确强调民机研制工作应当由一系列有计划和系统的活动（planned and systematic actions）组成[3]。事实证明，当前我国在运输类飞机机组工作量设计和评估方面，即缺乏足够的知识和经验，也缺乏规范性、系统性的指导手册，给整个项目的研制和取证带来极大困扰

综上所述，急需研究和总结有关机组工作量设计、评估、验证中存在的关键技术问题，形成完整规范的工作思路、工作原则，以及各环节所需考虑的过程、方法和要素。

4   机组工作量设计与评估关键技术问题研究和讨论

4.1.    制定工作量设计与评估工作计划的原则和考虑要素

如上文所述，民用飞机产品的研发非常强调规范性和系统性，并且由于民用飞机产品在生产及投入运营之前，必须接受适航管理当局强制性的适航审定。因此，民用飞机机组工作量设计与评估工作计划的制定原则应当是：充分考虑适用的适航要求和各项指导性政策，及早建立详细并可实现的工作计划，该工作计划应明确规定相关设计、分析、验证直至最终确认活动中应完成的任务，并且对于工作计划中的重大问题应尽早与审查方沟通，尽量在研发工作早期与审查方达成一致，并取得审查方认可。

一般说来，最小机组数是申请人在型号研制的初期，综合考虑设计驾驶舱界面机组工作量、飞行员个人经验和其他需考虑因素后确定的，这一数目极少改变，因此对于最小机组工作量的评估通常也即为对于最小机组数量的验证评估。最小机组数的确定对整个驾驶舱布局及布置设计、机组操作程序的设计、各系统功能和界面设计、机组工作量设计等等将产生重大影响，为使审查方能够清晰了解申请方的设计理念、熟悉相关设计细节，有必要在项目前期与审查方做充分的沟通和讨论。对于机组工作量设计和评估，需要特别注意如下两点[1]：

(1)   识别可能对机组工作量造成影响的设计特征。对于这些设计特征，是未来分析和验证的重点，申请方要通过随后的分析、试验等方法，表明这些设计特征不会给机组乘员增加过多的工作量或使他们增加出错的几率。

     (2)   审查方要求的试验水平（Required Level ofTesting）。审查方会根据申请方提供的型号设计特征，综合考虑适航要求、以往的审定经验、申请方以往的设计经验和已有型号的运行经验等，与申请方一起讨论试验水平和介入层度。一般说来，对于驾驶舱的小改，无需重新进行工作量分析，但是，对于驾驶舱大改则需要进行全面深入的评估，相应的试验等级应与改动程度相一致。要求的试验等级由申请人制定，但同时需要及时提交给局方。

      考虑到当前我国发展民用大型飞机的现实问题，建议工作计划制定之初即考虑培养和邀请第三方参与。实践表明，当前我国研发民用大型飞机、发展民用航空产业的一个瓶颈问题是缺乏实力强劲的第三方，这个第三方代表了中国民用航空工业的基础。作为第三方，既可以帮助审查方提出要求，协助审查方对申请方的工作结果进行判定；也可以帮助申请方按照适航要求和客户要求解决研发中存在的各种问题，协助申请方表明产品符合各项要求。FAA咨询通告AC25.1523-1也指明，为了确保有效和可靠的机组工作量测量结果，审查方应致力于，并鼓励申请方与其他政府和工业界专家广泛地交流与合作[4]。

4.2.    工作量分析的原则和考虑要素

决定机组工作量大小的根本在于工作量的分析和设计，在实施工作量分析和设计的过程中，需要考虑如下要素：

(1)   应在型号研发的早期就开展工作量的分析工作。开展分析工作应以明确定义在整个预期使用的环境中飞行员执行的工作任务为出发点，同时需结合驾驶舱设计理念、全机功能定义、各系统自动化程度等要素进行考虑；

(2)   分析方法选取时，应考虑特定的驾驶舱布局，同时评估各分析方法的效度（Validity）、信度（Reliability）和可用度(Applicability)，然后再做出适当的选择[5][6]

(3)   开展分析工作时，如果条件允许，应尽可能比较被评机型与其它相似机型之间的差异。如果分析工作的对象是驾驶舱更改，应将分析重点集中在驾驶舱更改部分和新设备上。对于驾驶舱重大修改，如更改驾驶舱布局、更改飞行员操纵界面、更改飞行员任务或运行程序等，则需进行更加综合详细的分析[1]

(4)   开展分析工作时（包括工作量测量和评估），还需重点关注各适航管理当局以正式形式颁布的解释性材料、研究报告中所列的相关信息。例如：FAA咨询通告AC23.1523的附录一中列出并讨论了与驾驶舱人为因素设计相关的很多需关注的问题，以及通过早期的研究和经验发现的一些与高工作量相关的典型的人的行为；AC23.1523的附录二则列出被认为是会对飞行任务的完成产生重大影响的多种因素[1]

(5)   分析工作应以正确、有效的数据为基础。飞行员执行的各项任务将在分析过程中被分解成各项操作程序，直至各个操作行为，而行为的表达是与时间和空间相关的各项数据，也是与飞行员感受相关的各项数据。因此，申请方应注重收集为开展工作量分析所需的各项数据，建立相应的数据库

(6)   分析结果应及时提交至有关部门及审查方，以便及早发现潜在的问题

4.3.    工作量测量的原则和考虑要素

机组数量和机组工作量是始于型号设计早期的迭代分析过程，但最终确定必须一系列的综合试验、测量和评估，整个过程包括基于相关实体模型、试验平台、模拟设备的试验室试验，以及基于最终构型的目标飞机上的试飞试验。

申请方应尽早与审查方就工作量评估的策略和工作量测量的方法进行讨论，与审查方达成一致。

(1)   对于评估工作量的策略，主要有三大类：直接比较（DirectComparisons）、间接比较（Indirect Comparisons）和独立评估（Standalone Evaluations）[1]

       直接比较和间接比较具有共同的思想，即通过对比新系统与已经过安全验证的现役系统，来检验“飞行员-系统”的性能和可接受程度。通常，如果新研系统所需工作量被评估为与参考系统相当或低于参考，则可以认为新系统所需工作量是可接受的。“直接比较”是指以新系统与参考系统就指定任务和飞行阶段完成状况进行直接的比较。在进行直接比较时，需注意解决如何通过合理的组织和设计试验任务，以确保评估试验在两对比系统中的准确性和可重复性问题。另外，应注意保证两系统进行同一评估任务间的时间间隔最小。“间接比较”是当难以实施两系统间直接比较时，提出的一种可接受的评估方法，它是通过评估飞行员的“心理感受”，即根据其对参考系统和性能和工作量的记忆和经验，来进行新系统与经验证系统的间接的比较。在实施间接比较时，因为相比于通过直接比较法所得到的数据，间接比较所记录的数据并不准确可靠。因此，需注意对由间接比较所得到的数据进行仔细评估，以保证所得结论的合理性和一致性。对于两类比较评估策略，都应注意：如果之前已经过验证的系统存在某些功能/运行缺陷或其它不合理特性，则该系统并不能作为“好”的参考系统来进行比较。在进行任何比较评估时，都需对参考系统进行全面系统的安全性评估和服役表现评估，以确保用于比较的参考系统不存在任何安全问题或其它缺陷。

       当新设计系统与现存的所有已验证系统有着本质的不同，没有合适的参考（基准）系统来进行比较评估时，可以采用独立评策略，例如，当新的设计会造飞机自动化程度或机组职责的重大改变时，参考设计比较法的有效性则会大大降低，此时没有合适的基准系统用于比较，而只能通过评估该系统本身的优劣性来决定其是否满足用户需求和规章要求。在选择独立评估策略时，应根据预计的功能和任务，在所有可能的运行条件下，设计充分完整的评估任务要求来完成该系统的评估。

(2)   对于工作量测量方法，从类别上也包括三大类[7][8][9]：主观测量方法（Subjective Measure）、绩效测量方法（PerformanceMeasure）和生理机能测量方法（Physiological Measure）

       主观测量方法的原理在于假设：增加的人力付出与可察觉的努力有关，并且人力付出可以被个人以适当方式评估出来。绩效测量方法的原理在于假设：任务难度的任何增长，将导致操作要求的增长，从而降低操作员的绩效。生理机能测量方法的原理在于假设：可以通过测量操作者对所分配的工作任务产生的不同生理反应来评估其工作量。

       主观测量方法和绩效测量方法都是基于体验的后验性方法，能够总体表征测量机组工作量的大小，但不易区分各任务阶段工作量的变化；相对来说，生理机能测量方法具备实时测量的能力，能够表征工作量随任务过程变化的关系，但测量方法的构建较为复杂，且数据采集有可能对飞行机组的操作产生影响。

       这些方法各有优缺点，因此如何根据项目要求，选择合适的工作量测量方法，是需要审查方和申请方重点考虑并达成一致的关键问题。

4.4.    选拔参试人员的原则和考虑要素

工作量测量中常用的三类方法：主观测量法、绩效测量法和生理机能测量法，都脱离不了人的参与。由于参与人的一些特征与他们在完成系统操作和维护任务中的工作绩效有关联，因此参与人的特征和表现会影响到整个人机系统的性能，进而影响最终的评估结果，因此需要根据任务要求，对参试人员进行仔细的甄选，考查并保留相关特征数据，例如：参试人员的经历数据、体检数据、职业数据等。

在选拔和确定参试人员时，需注意如下原则[1][4][5][6][10]：

(1) 需注意飞行人员种类

根据飞行时间的长短、专业能力的高低和飞机运行类型等因素，飞行驾驶人员可分为学生驾驶员、商用驾驶员、私人驾驶员、航线运输驾驶员、飞行教员和试飞员等。AC 23.1523指出虽然审查方没有强制要求，但参与评估的飞行员应不仅仅限于生产商试飞员和审查方试飞员。因此，为更有效的表明真实运行状态下的机组工作量情况，应考虑飞机或系统预期使用者，挑选可代表具有类似飞行经验和培训背景的目标飞行员，作为参试人员。

(2) 需关注不同飞行员的差异性

显然，飞行员之间存在巨大的种类差异和个体差异。这些差异通常表现在如下几个方面：

(A)   操作技能的差异。由于不同的飞行员具有不同的培训和运行经历不同，因此他们的飞行经验和操纵技能也有差异

(B)   情境意识的差异。情境意识之所以重要，是因为它与支持情境意识的显示器件和告警器件等的设计有关，同时在探索灾难和事故的原因中也有重要作用，不同飞行员之间的情境意识是存在差异的

(C)   诊断能力的差异。由于不同飞行员之间技能和情境意识等的不同，因此他们在应对不稳定的、动态的和异常的条件时，解决问题的能力是不同的，也就是发现故障以及故障诊断的能力是不同的

(3) 需建立选择试验机组的适当原则

为了保证试飞结果和飞行员对飞机评价的准确性，在选取最小机组试验机组时，应选择具有不同经历和背景的飞行员作为试验机组完成飞行试验。参与最小机组工作量试飞的试飞员应包括：航线飞行员和试飞员（按照规章要求，飞行学员不能参与试飞试验）。其中，航线飞行员又应包括参考机型（相似机型）的航线飞行员和非参考机型航线飞行员；试飞员则包括参与研发试飞的申请人试飞员和局方试飞员。对于最小机组数和机组工作量，需要经过具有相应资质的、有经验的现役飞行员试飞验证后方能决定。

4.5.    设计飞行场景的原则和考虑要素

       尽管申请方通过分析计算可以获得有关机组工作量的定量数据，通过各种研发试验也可以获得大量的试验数据，但为验证申请方所提交的数据，确认最终机组工作量和最小机组数量，需要在可代表飞机运行环境的典型飞行场景（Scenario）中进行有组织的主观评估。可以说飞行场景（Scenario）描述了机组、飞机、环境的动态关系，是设计、测量和评估在机组、飞机、环境的各种复杂动态关系下的机组工作量的必要前提，是验证并确定最小飞行机组的必要前提[1]。

综合AC25.1523-1、AC25.1523，申请方在设计飞行场景，拟定试飞试验大纲时，需考虑下列因素[1][4]：

(1)   航线。试验航线应综合考虑航海营救、机场、仪表进近和空中交通管制等因素

(2)   天气。航线的选择应能保证在遭遇不利天气状况时飞机仍能够正确地实施操作。（仪表飞行气象条件，夜间飞行，湍流，结冰等）

(3)   机组工作计划。根据设计飞机的运行类型，合理地安排试验机组工作计划，使其与飞机设计运行类型相一致。该计划应包括连续工作天数和预计最大离港和到港数量，夜间飞行数、最大允许工作时间和机组最小作息周期

(4)   最低设备清单。在制定飞行试验大纲时，申请人需综合考虑典型的签派放行形态 。这些典型的签派放行形态和可能与其对应的后续模拟故障模态构成了很多评估场景的基础

(5)   空中密度。飞机需在仪表飞行气象条件(IMC)和目视飞行气象条件(VMC)下，模拟空中高密度运行，但同时也需考虑精密和非精密进近，复飞，转场等情形

(6)   丧失活动能力机组成员。需要证明在任何飞行条件下当一名机组成员完全丧失活动能力时的机组操作程序，确保在剩有机组成员的情况下，飞机仍能安全的运行至目标机场或其他备用机场着陆

(7)   系统故障。试飞大纲中应对飞机由正常状态改变至失效模态时所引起的结果进行说明。同样地，试飞大纲应考虑初始系统和备用系统；各种典型的失效模态组合也应在试飞大纲中有所说明

(8)   应急情形及非正常情形。在试飞大纲中应列举各种应急情形和非正常情形的案例，来说明它们对机组工作量的影响。（注意：在确定将在试飞大纲中进行评估的系统失效前，需进行模拟或相关分析；并且需明确应急情形或非正常情形时机组工作量的分配，以确保选择合适的失效情形。）

(9)   机组差错情况。需评估驾驶舱设计以确定工作量是否为造成飞行员差错的重要因素。控制和显示设计上的不足是造成飞行员差错的重要因素。进行机组差错分析同时也能保证在遭遇该情形时不会导致不安全或灾难性事件的发生。

5   结论

本文针对民用运输类飞机机组工作量设计和评估关键技术问题展开研究。重点讨论了机组工作量设计、评估、验证过程中有关设计和评估工作计划、工作量分析与设计、工作量测量与评估、参试人员选拔和飞行场景设计等6大问题的原则和考虑要素。本文研究成果将对我国大型民用飞机项目的研制和适航取证工作起到积极地推动作用。

6   参考文献

[1]    Federal Aviation Administration,Minimum Flight Crew，AC23.1523, 2005

[2]    中国民用航空局，运输类飞机适航标准，CCAR25R4，2011

[3]    SAE AEROSPACE RECOMMENDED PRACTICE,Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems(SAE ARP 4754A),2010-12

[4]    Federal Aviation Administration，MinimumFlight Crew，AC25.1523-1, 1993

[5]    William H. Corwin, Diane L.Sandry-Garza，Michael H. Biferno, and et al., Evaluation of crew workloadmeasurement methods, techniques and procedures, AD-A217-699, Vol.I, 1989

[6]    William H. Corwin, Diane L.Sandry-Garza，Michael H. Biferno,  and etal., Evaluation of crew workload measurement methods, techniques andprocedures, AD-A217-699, Vol.II, 1989

[7]    Susana Rubio, Eva Diaz, Jesus Martin,and et al., A comparison of SWAT, NASA-TLX, and workload profile methods[J],Applied Psychology: An International Review, 2004, 53(1): 61-86

[8]    Barry H. Kantowitz, Selecting Measuresfor Human Factors Research[J], Human Factors, 1992, 34(4): 387-398

[9]    J.C. Geddie , L.C. Boer, R.J. Edwards,and et al., NATO Guidelines on Human Engineering Testing and Evaluation, NorthAtlantic Treaty Organization, RTO-TR-021, 2001

[10]威肯斯，霍兰兹著，祖祥译，工程心理学与人的作业[M]，第1版，上海：华东师范大学出版社， 2003

【说明】本文已正式发表于《南京航空航天大学学报》（社会科学版）民航专刊，2014年，如引用，请注明出处