站点首页
 
 
 
 
 

关键词: 航空航天医学;人体工效学;综述

 
 
 
航空工效学研究进展  

摘要】 本文复习了近年来国内外航空工效学研究进展情况。国外在人-机-环境系统中已采用多种新技术,并重视解决高度自动化带来的人的因素问题。国内研究集中在人体测量、视觉显工效学评价、个体防护装备工效学评价、工作能力和工作负荷测量等方面。建议国内应进一步加强该领域研究。

  航空工效学的任务是以航空心理学、环境生理学、人体测量学和生物力学等学科为基础,研究如何实现飞行员-飞机-环境系统最优化,使飞行员能够安全、高效、舒适地工作。英国学者Edwards (1972)提出的SHEL模型对航空工效学的研究范围做了全面概括[1]。该模型的命名是由软件(Solfware)、硬件(Hardware)、环境(Environment)、人(Liveware)四个英文单词的第一个字母组成。SHEL模型以人为中心形成的四个主要界面是:人-硬件、人-软件、人-环境和人-人。人-硬件界面是人-机界面的近义词,在此界面上有许多要解决的工效学问题,例如显示器和控制器的设计要适合人的信息加工特点等。人-软件界面主要包括系统中的无形部分,如作业步骤、操作手册、显示符号、计算机程序、屏幕菜单等。人-环境界面问题最早被人们认识,主要涉及缺氧、低气压和加速度等环境因素对人体的影响及防护措施。人-人界面主要解决机组成员协作、团队中人格交互作用、领导者与被领导者关系、教学关系等。我们认为,SHEL模型所概括的是广义的航空工效学的范围,狭义的航空工效学主要研究人-硬件、人-软件两个界面有关的问题。现对近年来航空工效学的研究进展做如下综述。

  

一、国外航空工效学研究进展

人与硬、软件界面问题的研究始终是国外航空工效学最活跃的领域。近20年里,在显示与控制的人机界面上,采用了平视显示(Head-up display,HUD)、下视显示(Head down display,HDD)、头盔显示(Helment mounted display,HMD)、握杆操纵技术(Hands on throttle and stick,HOTAS)、多功能控制技术、话音技术、自动驾驶等多种新技术。通过大量实验研究提出的各种工效学规范、标准和手册,已成为航空装备设计、制造的指南,在保障飞行安全和提高飞行劳动效率方面发挥着重要的作用。在视觉显示的界面上,对平显、下显的字符画面设计进行了深入研究,具体内容包括阴极射线管(Cathode-ray tube,CRT)显示的彩色与亮度,字符的形状与大小,不同任务类型、飞行阶段的画面布局与编码特性,多重复合信息的认知效果与负荷水平,菜单显示的层次、长度及用法等,并制订了有关标准[2]。

在听觉显示的界面上,研究提出了非言语告警信号的声谱特性和分级标准,话音告警的用语、语调、语速、间隔等有关工效学要求。另外有关三维听觉显示的研究表明,在关于目标方位的二维视觉显示的基础上增添空间听觉线索,确能提高辨别视野内外目标方位的能力,缩短目标截获时间,提高情境意识,而且并不加重认知负荷[2]。

由于自动化系统的发展,飞行员面临的信息加工要求越来越高,而判断决策的容许时间越来越短。虽然自动化会减轻飞行员体力负荷,但越过某一限度后,由于加重信息加工时的心理负荷反而会增加总体工作负荷,所以确定最佳自动化程度是必要的。另外,如何改进机载设备以提高人的信息采集和处理能力,减轻工作负荷等问题日渐迫切。采用新的信息显示和操纵控制技术,如电子综合显示器和多功能键盘等,使设备和传感器的信息数字化,然后由计算机综合处理再汇总传输,可减轻飞行人员工作负荷[3,4]。自动化带来的人的因素问题,还有系统操作差错、虚警、隐蔽性错误、错误安全感、座舱秩序混乱等。这些都是飞机发展中出现的新的工效学问题。

关于工作负荷测量技术,仍采用主观评定、操作任务客观测量和生理指标测量,并主张进行多指标复合测量。有的学者针对主观评定中存在的问题,建议用脑电图来寻找工作负荷与任务难度的关系。也有人建议采用肌电图模型和神经网络模型定量计算工作负荷[5~7]。

高性能战斗机飞行员个体防护装备适体性问题的解决方法是用系统工程的观点,逐步实现个体防护装备一体化(如美国的防化型“空中优势”抗荷系统同时具有抗荷、代偿、防化、防冷水浸泡的功能)[8~10],同时还采用新材料和微电子技术,减少装备的体积和重量。美国海军和空军都重视发展扩大囊覆盖面积的抗荷技术,但抗荷服覆盖面积扩大后也带来了热负荷增加等问题[11~13]。这些问题已引起航空工效学专家的重视。

美国国防部将人工智能技术列为提高未来作战能力的关键技术之一。面对瞬息万变的战场态势和浩如烟海的信息数据,靠人力在短时间内做出最佳选择几乎是不可能的。借助机载人工智能系统,帮助飞行员思考理解语音指令,进行信息管理和飞行控制,已成必然趋势[14]。

实现人-机匹配最佳化的另一重要途径,是加强对飞行人员的选拔和训练。从70年代起,英、美、荷等国相继开展工效学普及教育,提高飞行人员对人-机-环境系统的认识。并通过模拟训练,提高其对硬件、软件的适应能力。

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术被公认为21世纪可能促使社会发生重大变革的高新技术之一。它是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统。其最根本的特点是具有浸入性(Immersion)。在虚拟现实系统中,用户可以浸入到虚拟环境中,身临其境地观察、探索和参与环境中事物的变化和相互作用。VR技术在飞行训练、医学研究、防护装备设计等领域已有广泛的应用[15~18]。

人-人界面是近年来国外比较关注的方面。传统观念认为飞行作业质量主要受飞行员个体行为影响,而目前关心焦点较多地转向团队工作情况。民航系统更为关心人-人界面,认为机组整体效能才是决定飞行操纵质量的关键因素。目前的热门话题是机组资源管理( Crew resource management,CRM)。

为了解决不断出现的新的航空工效学问题,美、英、加拿大、新西兰、德国等建立了航空安全报告管理系统[1]。

二、我国航空工效学研究进展

十年动乱后尤其近十几年里,我国航空工效学研究有了较快发展。1995年,在中国航空学会人体工程、航医、救生分会的关心和支持下正式成立了人机工效专业委员会,挂靠在空军航空医学研究所开展工作,这是我国第一个航空工效学学术组织。该专业委员会1995年和1997年在北京和苏州先后召开了两届学术交流会,对推动该领域研究起了积极作用。此外,在中国人类工效学会认知工效学专业委员会、中国心理学会工业心理学会和中国系统工程学会人-机-环境系统工程专业委员会组织的学术交流活动中,均有航空工效学界的最新研究成果交流报告。国内研究工作可概括为以下几个方面。

1.关于座舱人机界面的工效学问题

在人体参数测量方面,70年代初,杨企文等完成了1 654名飞行员96项参数的测量,提出了中国飞行员体型、侧面样板、救生装备规格、座舱与座椅的基本尺寸。并在地面练习器上用模拟方法测量了飞行员操纵杆、舵的力量。刘宝善等[19](1992)对126名22岁~40岁飞行员的手指运动功能做了测评,并依据测评结果制订了国家军用标准[20]。

对于仪表显示,李良明等[21](1984)分析研究了几种国内飞机座舱使用圆形刻度仪表的情况,建议增加数字式、垂直式、水平式显示,并结合实际采用综合显示形式。对于仪表刻度、指针、显示数字、飞行姿态显示基准、仪表尺寸和布局提出了具体建议。刘宝善[22](1987)和丁亚平[23](1992)分别对歼击机和直升机仪表板各区位的识别效果做了研究。

对于HUD的工效学问题,李良明等(1985,1987)用量表方法抽查了72名资深飞行员对不同飞行阶段或状态的信息要求,以及各仪表信息在不同飞行状态下的重要性评价等级[24]。并研究了电/光汉字显示瞬时量与排列格式,发现在0.2 s~0.8 s内,平均视觉量为4.2个~6.0个;分组上下对齐排列的识别效果较好[25]。李良明、刘宝善等(1987)为座舱电/光显示选择了汉字、用语和缩略词汇,并制订了国军标[26]。崔代革[27](1997)专门研究了国军标中的飞机平显字符工效学问题,认为欲确定字符的编码方式必须进行模拟字符显示动态情境的工效学实验研究。许百华等[28](1997)进行了在模拟飞机座舱红光照明条件下下视显示颜色编码的研究,发现当模拟舱内仪表平均显示亮度不超过4.2 cd/m2时,绝对辨色效果保持在与无照明条件下的辨色效果比较接近的水平上。色标的显示亮度对绝对辨色效果和颜色编码范围均有影响。 在听觉显示方面,刘宝善等[29~31](1994)通过工效学实验研究提出了战斗机座舱话音告警的汉语用语、适宜音量和设计参数。

2.关于认知能力及工作负荷评定问题

武国城等[32,33](1997)研究发现,与飞行有关的数字运算、表象旋转、仪表认读、方位判断和双重作业能力在29岁之后有明显下降,短时记忆力在35岁后明显下降,提示在座舱人机界面设计时应充分考虑年大飞行员的能力极限。王兴伟等[34](1995)通过对模拟应急条件下飞行员的反应时研究,给出了飞行员对规定的声/光应急信号做出反应并完成规定操纵动作所用的时间,为确定告警方式提供了实验数据。张智君等[35](1997)在对监控操作心理负荷综合测评模型的研究中,选用了主作业“准确反应时”、次作业“准确反应时变化率”、“加权主观负荷”和“心率变异变化率”四项指标,通过相关和主成分分析,提出了综合加权测评指数,并探讨了次任务技术对追踪负荷的测评敏感性。廖建桥[36](1994)关心飞行员心理负荷是否存在“红线(Red Line)”,研究发现当外界负荷超过人的能力之后,人通过忽略一些任务来降低自己的负荷,在面临多项任务时,是通过转移注意力来达到此目的。“红线”是否存在取决于人如何转移注意力,也取决于系统特性,没有独立于工作任务之外的一般规律。

3.关于个体防护装备的工效学问题

飞行员与宇航员的个体防护装备以克服环境因素影响为主要目的,亦应注意其适体性和高效性问题。贾司光等[37](1997)系统地论述了航天服的工效学问题,内容涉及人体测量学在航天服尺寸设计上的运用和人体力学在航天服活动结构设计上的运用,对我国开展该领域研究与工程应用具有指导作用。庞诚等[38](1997)研究了舱外航天手套对手动作业的影响,并设想了一些解决问题的方法。认为航天手套不仅要具有必要的防护性能,还必须满足出舱作业的要求。刘保钢等[39](1997)研究建立了飞行员个体防护装备适体性模糊综合评价方法,为改进适体性主观评价法作了有益的尝试。

4.关于航空人机系统的模拟问题

袁修干等[40](1993)建立的二维“人-座舱-热环境”系统数学模型,为该系统的综合分析和优化设计提供了有效手段。季白桦等[41](1997)在航天员舱内活动的建模方面作了探讨。魏斌等[42](1997)对正在迅速兴起的人-机系统计算机仿真研究的现状和未来做了简要述评,针对人体建模软件开发和应用现状,机器建模和人机系统计算机辅助工程等问题发表了看法,提出人体模型和VR技术是人机仿真系统重要组成部分。

三、关于加快发展我国航空工效学研究的建议

我国现阶段的航空工效学研究要根据国情贯彻“有所为、有所不为”的方针,明确重点,集中优势兵力协作攻关。将人、财、物力集中在航空事业急需开展的应用研究或应用性基础研究课题上。应优先考虑的是:飞行员人体测量数据库和人体模型;个体防护装备工效学评价方法;飞行员工作负荷(尤其是心理负荷)评价模型;自动化飞行中的人的因素问题;汉语在平显、下显和听觉显示中的应用问题;机组资源管理问题等。针对这些问题,心理学、生理学、工程技术等各方力量要加强协作,发挥各自优势,力争多出高水平研究成果,不搞低水平重复研究。研究方法的起点要高。采用系统工程思想和虚拟现实等高新技术,提高人机界面工效学研究水平,缩小与国外的差距。高等院校、研究机构与应用部门,军队与地方,要在科研活动中联合培养高层次人才,要始终清醒地认识人才培养的重要性和紧迫感。要充分发挥好学术组织的作用,加强学术交流,及时沟通信息,相互促进提高。从而使具有中国特色的航空工效学为祖国现代化建设作出贡献!

参考文献

1 Hawkins F N. Human factors in flight. 2nd ed. Hants: Avebury aviation, 1995:18-24

2 李良明,郭小朝. 当今航空工效学研究的一些课题. 中国心理学会工业心理学专业委员会、中国人类工效学会认知工效学专业委员会学术会议论文集,南京,1995:43

3 Haas M W, Beyer S L,Dennis L b. Evaluation of advaned multisensory display concepts for use in future tactical aircraft. AD-A328 767,1997

4 Cardosi K M, Murphy E D. Human factors in the design and evaluation of air traffic control systems. AD-A286 863, 1995

5 Kottas K.USAF pilot perceptions of workload assessment in a combat or high-threat environment. AD-A335 182, 1997

6 See J E, Vidulich M A. Operator workload in the F-15E. AD-A327 807, 1997

7 Laldwell J A, Roberts K A. Effects of workload on EEG activity recorded during the performance of in-flight maneuvers in a VH-1 helicopter. AD-A329 238, 1997

8 Hennessy R T. Human factors considerations in high performance aircraft. AD-A152 468, 1985

9 Spitler I C. Military pilot ergonomics. AD-A152 468, 1995

10 Vikan T T. The integrated concept for aircrew life support equipment. Proceedings SAFE 25th annual symposium,1987∶161

11 Shaffstall R M. A review of ATAGS research and development in the Armstrong Laboratory. Proceedings SAFE 34th annual symposium, 1996∶357

12 Kergulen M, Ossard G, Clere J M. Influence of anti-G suit coverage on +GZ tolerance and cardiovascular response. Avia Space Environ Med, 1995; 66(5)∶463

13 Burns J W, Hill R C. Comparative centrifuge evaluation of the Air Fore advanced technology anti-G suit and the Navy enhanced anti-G lower ensemble. SAFE J, 1994; 24(1)∶31-35

14 Jackson J A. Artificial intelligence. AD-A309 721, 1996

15 Tsutsui Y, Takeda T. Research on the applicability of virtual reality technologies to the space crew training. TAF-96-G.3.06, 1996

16 Daileg J F.Virtual reality. AD-A278 294, 1993

17 Stiles R. Virtual environments for training.AD-A328 794, 1997

18 Gulbransen D S. Effective use of aircraft simulation in aircrew training. AD-A326 665, 1997

19 刘宝善.握杆操纵技术中手的数据和手指功能.中华航空医学杂志,1992;3(4):206-210

20 握杆操纵中手的数据和手指功能.GJB 1124-91

21 李良明.歼八飞机座舱仪表的工程心理学调查.航空军医,1984;(1):60-61

22 刘宝善.模拟歼击机主仪表板各视区视觉效果的研究.心理学报,1987;(1):86-91

23 丁亚平,刘宝善,曹步平.模拟军用直升机座舱仪表板各视区视觉效果的研究.中华航空医学杂志,1994;5(2):108-111

24 李良明,武国城,朱召烈.不同飞行状态飞行员所要求的仪表信息.航空军医,1985;(2):22-24

25 李良明,朱召烈,王秀增 等.电/光显示汉字的瞬时视觉量与排列格式.航空军医,1987;(5):13-15

26 飞机电/光显示器汉字和用语.GJB 302-87

27 崔代革.国军标中平视显示器字符的工效学问题.中国航空学会人机工效专业委员会第二届学术交流会论文集,苏州,1997:23

28 许百华.在模拟飞机座舱红光照明条件下下视显示颜色编码的研究.中国航空学会人机工效专业委员会第二届学术交流会论文集,苏州,1997:26

29 郭小朝,刘宝善,武国城 等.战斗机座舱话音告警汉语用语的选定.中华航空医学杂志,1994;5(4):230-233

30 刘宝善,武国城,郭小朝 等.战斗机汉语合成话音适宜音量测定和频谱分析.中华航空医学杂志,1995;6(2):91-96

31 刘宝善,武国城,郭小朝 等.战斗机汉语合成话音告警用语设计参数的测定.中华航空医学杂志,1995;6(3):176-180

32 武国城,李志红,田广庆 等.战斗机飞行员基本认知能力年龄差异及对飞行的影响.中华航空航天医学杂志,1998;9(3):133-136

33 武国城,毕红哲,姚阿庆 等.年龄差异对战斗机飞行员短时记忆和双重作业能力的影响.第八届全国心理学学术会议论文集,苏州,1997:245

34 王兴伟,李良明,彭福敏 等.模拟应急条件下的反应时研究.中国心理学会工业心理学专业委员会、中国人类工效学会认知工效学专业委员会学术会议论文集,南京,1995:55

35 张智君,朱祖祥,杨仁志.监控操作心理负荷的综合测评模型研究.中国航空学会人机工效专业委员会第二届学术交流会论文集,苏州,1995:12

36 廖建桥,Moray N.人在多项任务中的表现及脑力负荷.中国人类工效学会第三次学术年会暨中外驾驶适性与神经行为学学术会议论文集,合肥,1994:215

37 贾司光,陈景山.航天服功效学问题.中国航空学会人机工效专业委员会第二届学术交流会论文集,苏州,1997:1

38 庞诚,陈景山.舱外航天手套对手动作业的影响及解决办法的一些设想.中国航空学会人机工效专业委员会第二届学术交流会论文集,苏州,1997:56

39 刘保钢,李良明,张建伟 等.飞行员个体防护装备适体性模糊综合评价方法的建立.中华航空航天医学杂志,1998;9(3):165-169

40 袁修干,沙斌,杨春信.航空人-座舱-热环境系统建模及计算机仿真研究.见:龙升照主编.人-机-环境系统工程研究进展(第一卷).北京:北京科学技术出版社,1993:411-416

41 季白桦,袁修干.航天员舱内活动(IVA)的建模.中国航空学会人机工效专业委员会第二届学术交流会论文集,苏州,1997:99

42 魏斌,袁修干,沈翔.人-机系统计算机仿真研究的现状及展望.见:龙升照主编.人-机-环境系统工程研究进展(第三卷).北京:北京科学技术出版社,1997:281-285


 
 
 
 
 
 
返回首页 发信给我们