飞行自动化中人的因素_飞行中人的因素
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飞行自动化中人的因素
资料来源： 入库时间：2002-11-3 18:21:26
飞行自动化中人的因素
贺青 张林英
【摘要】 面对越来越复杂的飞行任务环境,为了用最少的人力去完成尽可能多的飞行任务,飞行自动化是必由之路。人们发展了自动化技术并从中获益, 但是高度自动化的飞机同时也带来了许多人的因素问题。人不可能无限度地满足现代化航空技术的要求，无限度地利用自身的适应能力弥补设计上的不足。笔者综述了飞行自动化中一系列人的因素问题,包括空中交通管制、座舱资源管理、工作负荷、操作差错、心理情绪、虚警、隐蔽错误等。
【关键词】 自动化 人体工效学 综述
【中国图书资料分类法分类号】 R857.1
Human factors problems in flight automation He Qing,Zhang Linying.Institute of Aviation Medicine, Air Force, Beijing,100036
【Abstract】
As the flight task environments getting more and more complex,cockpit automation has become an inexorable trend.Human beings have invented and developed automation technologies ,and received much benefit from them.But this new situation also brings a lot of human factors problems.In this paper, some human factors iues such as operation error,nuisance warning, workload,ATC and CRM arisen in automatic flight are summarized.【Key words】 Automation Human engineering Review
目前，飞机的自动化程度越来越高，飞行自动控制系统已经发展到了相当复杂和完善的程度［1,2］。为了用最少的人力去完成尽可能多的飞行任务，飞行自动化是必由之路。但是高度自动化的飞机带来了许多人的因素问题。人不可能无限度地满足现代化航空技术的要求，无限度地利用自身的适应能力弥补设计上的不足。研究人的因素,完善自动化系统已成为航空界有关研究人员重点关注的课题之一。
一、飞行自动化与空中交通管制
空中交通管制(Air traffic control,ATC)管理的飞机有的先进，有的落后；飞行人员的技术等级、飞行标准和飞行任务也不一样。目前ATC的水平大致与六十年代飞机的水平相当，所以自动化飞行的先进飞机的优越性，在很大程度上没有充分发挥出来。其主要不良影响有：①不承认预交的飞行计划或飞行程序；②不接受或不完全接受自动化飞行的先进飞机的飞行曲线。这些问题虽然也影响着一般的飞机，但对自动化飞行的飞机影响最大。ATC 往往不接受采用自动化飞行系统飞机的爬升和下降曲线，因为ATC所管理的飞机性能各异，为了便于管理，只能用比较简单统一的方式来控制飞机。
飞机和地面ATC系统的发展，一开始就是相互独立的，现在也仍然如此［3,4］。只有当飞机的设计者和地面ATC的规划者共同探讨并确定统一的自动化飞行原则时，自动化与ATC之间的矛盾才可能有合理的解决。
二、飞行自动化中的座舱资源管理
座舱资源管理(Cookpit resource management,CRM)或机组资源管理(crew resource management,CRM)一般是指驾驶舱内的人与人、人与机之间的协作和联系。大量的飞行事故调查表明，现代飞机失事，尤其是自动化座舱的飞行事故和座舱秩序混乱、机长指挥不力、机组人员参与意识差及集体决策错误等密切相关。有专家认为,在飞机座舱环境中，最薄弱的界面不是人们以往认为的人-机面，而是人-人界面。飞行员的驾驶行为和效绩不仅依赖于飞机硬、软件及气象等因素，还取决于乘务组中其他人员的活动，并且同地勤人员、地面指挥人员或空中交通管制人员的工作协调配合情况有密切关系。在飞机-人-环境界面关系中，人-人界面是最容易受系统内外因素影响的界面。动机、情绪、意志、性格等个性因素，以及上下、左右、内外各方面的人际关系和国家政策、群体组织、社会公认舆论等，都会对人的工作态度和积极性产生各种影响［5］。
CRM的研究特点是，不侧重于飞行机组由几个人组成及他们的具体分工，而着重于他们的总体表现。CRM研究强调机组的协调与配合,充分利用驾驶舱内的各种信息资源和操纵手段,最大限度地发挥机组的整体功能。根据调查，先进飞机发生飞行事故时飞行人员的不佳表现有：①机长没有起到正确的决策作用；②在多员制机组中，其他飞行人员没有指出机长的错误或坚持自己的正确观点。
在自动化飞行的先进飞机上，飞行人员虽然不必亲自动手驾驶飞机，但是他们必须正确掌握飞行动态和自动飞行系统所用的处理方法。尤其是因外界条件变化而要求改变飞行参数时，能否在控制显示装置(Control & display unit,CDU)上正确编程是很重要的。对于多员制机组，飞行系统自动化使传统的飞行准则有了很大变化，不象传统的飞机那样分工和职责都很明确。在自动化飞行的先进飞机上，机组人员之间常常可以在自己的控制面板上实现交叉控制，任何一个人都可以独立给自动控制器一个指令，动作是那样的简单容易,以至其他人很难察觉。在不知情的情况下,另一个人可能用另一种方式进行另一个操作,造成人与自动控制器的“对抗”。在目前的CRM原则下，副驾驶员操作CDU的时间远远多于机长，他对CDU 的熟悉程度和输入数据的熟练性都强于机长，于是，机长往往为发挥副驾驶员的这一长处而把按传统CRM 原则应由他来控制的内容转交给副驾驶员，使副驾驶员有更多的机会在CDU上控制，构成了事实上的职责不分，留下了事故的隐患。自动化飞行的飞机打破了传统CRM 的标准分工和操作，对飞行安全不利。掌握自动控制器的工作状态,强化机组人员之间的沟通是自动化飞行中应该解决的问题。
三、飞行自动化与飞行员工作负荷
在飞行自动化的实施初期，设计者认为飞行自动化可能减轻飞行人员的工作负荷和疲劳程度，并最大限度地减少飞行人员的数目。事实上，在自动化飞行系统中，对飞行人员的要求表现出以下特点：①面临的信息量极大地增加，飞行人员必须处理大量的输入输出信息。②飞行人员要有快速和准确的反应能力。任何信息处理的延误都有可能导致决策上的困难甚至失误。③紧张度增加。在自动化飞行系统中，飞行人员做出的每一操纵动作都与系统密切相关，任何一个操纵动作的失误都可能对总系统构成严重危害。系统的这种特点无疑会给飞行人员造成较大的心理压力。以上特点，使得飞行人员处于这样一种状况：一方面，所承受的体力负荷越来越小；而另一方面，所面临的信息加工要求越来越严格而心理负荷也越来越大。当自动化程度超过一定值以后,飞行人员的总体工作负荷反而随其增加而增加［6,7］。因此, 考虑人的因素问题, 确定最佳自动化程度是必要的。
工作负荷与机组人员的数量和素质也有关。比如，原来由正、副驾驶员、飞行工程师、领航员和报务员组成的五人制飞机，实现自动化飞行后，省去了飞行工程师、领航员和报务员三人，成了两人制机组。在高工作负荷的飞行阶段，象进场着陆阶段，机组忙于按地面空中交通管制的指挥而不停地在控制显示装置(CDU)键盘上输入或修改参数，没有第三者观察机外的飞行环境和监督他们的CDU操作，这时如果有一个驾驶员能力比较低，另一个驾驶员不仅工作量大，还担心操作的正确性，心理负荷势必加大。
在一些飞行任务中，自动化减少了驾驶员的工作负荷，却增加了副驾驶员的工作负荷。例如，安装在波音767 上的手控制飞行情况显示器使驾驶员的工作负荷比波音737上的低，但副驾驶员的工作负荷却增加了，因为副驾驶员必须对飞行导航系 统不断地选项观察，需要有大量的数据和指令，而副驾驶员又往往处于低工作负 荷状态，不能立即进入角色。
同样的自动化功能，在某些飞行条件下，如飞行不太繁忙或在不太关键的飞行阶 段，可以减小工作负荷。而在另一些飞行环境中，如处于繁忙或关键飞行阶段，飞行 自动化反而增加了工作负荷。
在某些飞行阶段,如巡航阶段,飞行员工作负荷本来就不大, 自动化系统进一步减小了飞行员的工作负荷,使飞行员处于非常松驰的状态,人在这种状态下很容易犯错误［8］。
如果自动化系统的优点在工作负荷不大时表现出来，缺点在工作负荷高峰时 出现，飞行员容易形成反感情绪。如水平导航和垂直导航功能，在飞行人员工作 负荷很小的飞行阶段(如巡航阶段)，可以锦上添花地进一步减少飞行人员的工作 负荷。但在起飞、爬升、下降或着陆等工作繁忙阶段，因航路多变而使飞行人员 的CDU操作量增大。这种飞行负荷很低的自动化飞行会造成飞行人员工作能力严重 减弱，觉醒水平下降,导致对突发事件作出反应的“剩余能力”减小，危及飞行安全［9］。
如何使飞行人员保持必要的警觉性和良好的“情景意识”,是自动化飞行中应该解决的问题。
四、飞行自动化中的操作差错
在自动化飞行中，操作差错是薄弱环节。自动化减少了人的操作，因而也减少 了人的差错机会。但是，由于系统本身是人设计的，所以不可避免地有先天性的 缺陷。有专家认为，自动化在减少小的差错的同时，也增加了铸成大错的可能性。人的差错有两种类型。其一是疏忽性差错，即误读、误判等。其二是概念性 差错，即理解差错和认识差错等。对于第一类差错，在任何飞机上都可能发生，但机种越先进，自动化程度越高，差错导致的后果就会越严重。对于第二类差错，飞机越先进，发生的机会就越多。尤其在一个任务可以用系统的多个模式来完成时,选择准确、恰当的模式往往要费一番功夫。使用自动化飞行系统的飞行人员在战斗机实施攻击、格斗或民航机进入空管限制区及航路繁忙等阶段很容易出错［10］。在第一类差错中，错误输入可能后果最严重，比如应该在52 R跑道上着陆，输入数据时，如果误输入为52 L，着陆方向就相反了。后果显然很严重。
西方国家已着手改善新一代飞机上的显示格式，比如关键数据(如起飞高度)输入错误，可以用重要的告警信号来引起飞行人员的注意。用计算机来进行系统的综合检查也是一办法。比如，把高度值和速度值对应起来检查，看看是否符合预先算出的飞行曲线。把多个输入参数进行比较，看看逻辑关系是否合理。以上方法可以帮助飞行员及时发现错误。
五、飞行自动化与飞行人员心理情绪
过去飞行员靠身体和触觉感知飞机状态,如通过油门杆的位置判断发动机功率,通过方向舵的倾斜程度判断飞机状态。飞行自动化系统使得飞行员只能通过显示器上的数据和信号了解飞机状态,飞行员易产生怀疑情绪。因此兼顾自动化与手工操纵系统并存具有实际意义。波音公司在实现驾驶舱自动化后, 为满足飞行员触觉上的要求,让飞行员有人工触觉感受装置。
自动化飞行系统要求飞行员通过电传操纵和触敏开关完成攻击、规避等空中格斗动作。飞行员对这操纵易产生不满情绪,感觉象是在玩电子游戏,对空战环境有距离感和倦怠情绪,精神振奋程度受到影响。这就是美国空军不在ATF(先进战术战斗机)上采用触敏开关的原因［11］。
六、飞行自动化中的虚警
随着系统自动化程度的提高，系统的组件也相应增加。系统的可靠性是它的所有组件可靠性的乘积，组件的增加将潜在地提高事故发生率。尤其是对报警信号，有可能增加虚警的发生率。所谓虚警，指系统或部件正常工作时它的指示器发出了报警。虚警尤其是危急信号的虚警危害很大，它不仅严重增加飞行员的心理负荷，更重要的是它会转移飞行人员对关键任务的注意。1972 年在美国大沼城发生的一起飞机坠毁事件，就是因为飞机起落架警告灯出现虚警，飞行员去查找原因而失去了对飞机导航的控制时发生的［12］。多次的虚警还会导致飞行员对自动装置产生不信任感，放松对它的警戒。
七、飞行自动化中的错误安全感
有的飞行员可能过度地信任自动化装置，甚至盲目地将一些未自动化的装置也误认为是自动化的,因而放弃了自己应有的检查和控制。1975年在美国底特律城，两架飞机处于相撞航线上，由于云层的阻挡，机上飞行员未意识到潜在的危险。一位空中交通管制人员在显示屏上注意到了，可是他以为两架飞机更接近时会自动报警，于是转头去处理别的飞机。正好这时有人把他换了班，他也没有把情况告诉换班者。万幸的是，刚来换班的人也从显示屏上发现了这一严重情况，并立即向飞行员发出了警告。飞行员立即采取快速机动飞行，从而避免了一场惨案的发生［12］。
八、飞行自动化中的隐蔽错误
在自动化飞行系统中，飞行员就象一个监工，计算机和它所控制的设备好比下属工人。后者是绝对服从人的命令的。这样，人的指挥错误就会导致系统运行时的错误。高水平的人其错误更具隐蔽性、更难觉察。如程序员对计算机的错误编程将带来不堪设想的事故［13］。
九、飞行自动化中飞行员对系统的熟悉情况
飞行员不进入控制环后，一方面他失去了有关系统瞬时的即时信息，另一方面长期下去也会使他的技能熟练程度下降［14］。一旦发生事故，飞行员可能更难觉察。即使发现了，从环外跳到环内来矫正错误，可能也要花更多的时间，有研究表明，在高负荷条件下，采用自动控制后飞行人员比在手工操作条件下发现系统动力特性的变化更慢。如果在自动控制失灵时仍需要飞行人员进行手工操纵的话，就应该重视飞行人员手动操作的再训练，以保持必要的手工操作经验［15］。
自动化飞行系统在解决一些问题的同时也带来了新的问题。在自动化的实施过成中,人们往往过于重视技术因素而忽视人的因素。事实上人是实现自动化的决定定性因素。航空界尤其是航空医学界有关研究人员应重视研究人的因素问题, 完善自动化系统;同时还应加强对飞行人员进行各种培训,使其能正确使用自动化飞行系统。
作者单位：100036 北京，空军航空医学研究所
参考文献 Wang Chengen.Human factors crucial to automation imple mentations.In proceedings of the first Sino-French symposium on man and automation, Beijing, Sep.1998.75-79 2 Morrison J G, Gluckman O P.Human performance in complex task environments.AD-A255 067,1992,3 3 Parasuraman R.Theory and design of adaptive automation in aviation systems.AD-A254 595,1992 4 Beringer D B.Harris H C.Automation in general aviation.AD-A340 243,1997 5 Amoroso P J.Cockpit resources management.AD-A214 272,1989 6 Hollister W M.Improved guidance and control automation at the man-manchine interface.AD-A177 651,1986,12 7 Hart S G, Sheriden T B.Pilot workload, performance and aircraft control automation.AD-P004 517,1984 8 Hughes D.Gla cockpit reveals human factors problems.Aviation Week & Space Technology,1989;31(6):32-34 9 Abrams T S, Martin C D, Cockpit automation technology.AD-A273 124, 1991 10 Hughes D.Extensive MD-11 automation aists pilot, cuts workload, Aviation Week & Space Technology,1990,133(17):34-41,45 11 Conference Proceedings: Human factors considerations in high performance aircraft.AD-A152 468, 1984,11 12 Veitengruber J E.Aircraft alerting systems criteria study.AD-A042 328,1977 13 Harrison L, Janowitz J.Pilot-vehicle interface.AD-A275 722,1993 14 Statler I C.Military pilot ergonomics.AD-P004 503,1984 15 Parasuraman R.Adaptive automation and human performance.AD-A254 381, 1991
