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TheapplicationofHumanFactorsEngineeringinthecockpitspacelayoutdesignAbstuction:BasedonreviewingtheexistingprimaryresearchmethodofHumanFactorsEngineeringonthecockpitdesigning,thisarticlediscussedtheHumanFactorsEngineeringprincipleandit’sspecificusingofaircraftcockpitspacelayoutdesign,andevaluatethesuperiorityofcomparison,finallyputsforwardsomeproblemsneedtobetakenattention.Keys:HumanFactorsEngineering;researchmethod;spacelayoutdesign1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(situationAwareness)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。3.1座椅的人因工程学设计3.1.1人体坐姿的舒适角度[8]舒适的坐姿，应保证腰曲弧形处于正常状态，腰背肌肉处于松弛状态，从上体通向大腿的血管不受压迫，保持血液正常循环。因此，最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿夹角在90°~115°，同时，小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图1所示：图1舒适的坐姿关节角度在坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、盆骨、腿和脚等。脊柱位于人体背部中线处，由33块短圆柱状椎骨组成，包括7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎和下方的5块骸骨及4块尾骨，相互间由肌腿和软骨连接。腰椎、骸骨和椎间盘及软组织承受坐姿时上身大部分负荷，还要实现弯腰扭转等动作。正常的姿势下，脊柱的腰椎部分前凸，而至骸骨时则后凹。在良好的坐姿状下，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织上分布均匀的静负荷。当处于非自然姿势时，椎间盘内压力分布不正常，产生腰部酸疼万疲劳等不适感。图2为不同姿势下的腰椎曲线：图2各种不同坐姿下产生的腰椎曲线可见，当人侧卧、躯干与大腿成适度弯曲状时，脊椎形状最接近自然状态。欲使坐姿能形成几乎正常的脊柱形态，躯干与大腿之间必须有约135°的角度，且在腰椎部有所支承。3.1.2人体坐姿的体压分布[9]坐姿的体压分布指人体的质量在靠背和坐垫上的压力分布。根据人因工程学的研究，最舒适的坐姿应保证:人体的大部分质量应以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上;压力分布应从小到大平滑地过渡，避免突然变化。见图3：图3座椅各部位的受力分布由图3可知，人体重量作用在座椅上的压力并非均布，前面已经分析出，舒适的坐姿是肩部和臀部同时支撑身体重量，应根据各部位所承受压力的大小进行合理布局。坐垫上的体压分布应使坐骨部分承压最高，由坐骨向周围扩散到臀部外围，压力逐渐降低。靠背上的体压分布则应以肩胛骨和腰椎骨两个部分承压最高，实现“两点支撑”。3.1.3座椅设计的一般人因工程学原则[10]1）座椅的形式、尺度应与坐的目的或动机有关。正确的座高应使坐者大腿保持水平，小腿垂直，双腿能平放在地面上，以避免大腿底部肌肉承力过多，引起疲劳。推荐值：35~50CM；2）座椅的尺寸应与相对的人体数据配合。坐宽的设定应适合于身材高大者，依臀宽的人体测量值设计。推荐值：430~450CM；3）座椅的设计必须能够提供坐者右足够的支撑与稳定作用。坐深应按第5个百分位的人体尺寸设计，这使身材矮小者坐姿舒服，身材高大者可以小腿做稳定支持，也不会引起大腿部位的疲劳。推荐值：350~400CM；4）座椅的设计必须能使坐者改变其姿势，并提供防滑。飞机操纵位于飞行员前方，故座面倾角不可过分后倾，脊椎因身体的前倾拉伸会破坏正常的腰椎曲线，造成背部肌肉疲劳。推荐值：4°~6°；5）座椅的靠背设计。特别是在腰部的支撑，可降低脊椎所产生的紧张压力。靠背倾角是指坐面与靠背的夹角。从保持正常自然形态的脊柱，增加舒适感角度看，靠背倾角度取为115°较为合适。6）坐垫必须有充分的衬垫和适当的硬度，使之有助于将人体的压力分布于坐骨结节附近。坐垫应该软硬适度，可使臀部压力值大为降低。3.2飞机操纵器的人因工程学设计3.2.1手臂的操纵力已有的实验实测数据显示，坐姿下手臂的操纵力如下，见图4:图4手臂的操作力测定方向图具体的手臂操作角度和力度，见表1：表1手臂在不同角度和方向的操作力单位：N3.2.2操纵器设计的人因工程学原则[11]飞机驾驶舱内的操纵器分为两类：一类是尺寸较大的操纵器，另一类是尺寸较小的操纵器。尺寸较大的操纵器有操操作盘、操纵杆、舵蹬、襟翼和起落架手柄、油门杆或手柄等。运动方向主要有前、后、左、右运动或旋转，通常以手或脚操纵。尺寸较小的操纵器主要有气压调定旋钮、无线电旋钮、仪表板灯光调节钮等。需要遵循的一般原则有：1）驾驶杆的设计原则：控制杆的运动形式有前后推拉，左右推拉和圆锥运动。控制杆的长度应根据设定的位移量和操纵力决定。当操纵角度较大时，控制杆端部应设置球状手把。控制杆的操纵角以30°—60°为宜，一般不超过90°。控制杆的位移量随控制杆的运动方不同而不同，当控制杆前后运动时，最大为350m