張偉

(中航通飛研究院,廣東珠海 519040)

人體測(cè)量學(xué)在飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張偉

(中航通飛研究院,廣東珠海 519040)

人體測(cè)量學(xué)作為人為因素的一個(gè)重要組成部分,在飛機(jī)設(shè)計(jì)尤其是在飛機(jī)的駕駛艙設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。本文參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn),分別從人體測(cè)量學(xué)在駕駛艙可達(dá)性設(shè)計(jì)、舒適性設(shè)計(jì)和維修性等方面進(jìn)行討論和分析,展示了其基本的應(yīng)用。

人體測(cè)量學(xué)人為因素駕駛艙可達(dá)性

1 引言

人體測(cè)量學(xué)是指用科學(xué)的方法測(cè)量和收集人體物理特性,并將其應(yīng)用到系統(tǒng)、設(shè)備、產(chǎn)品和人機(jī)環(huán)境等的設(shè)計(jì)中[1]。是人為因素的重要組成部分。

這些物理特性包括身高、體重、可達(dá)范圍、力量數(shù)據(jù)以及舒適度評(píng)價(jià)等。

人體跟產(chǎn)品、系統(tǒng)是不一樣的,人體是不能設(shè)計(jì)的,因此,在類似駕駛艙這樣的產(chǎn)品或人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員必須充分考慮人體測(cè)量學(xué)的要求,使得設(shè)計(jì)出的飛機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境都能夠適應(yīng)人體的尺寸需求。

2 人體數(shù)據(jù)的修正與選擇

2.1 人體數(shù)據(jù)的修正

常見(jiàn)的人體測(cè)量項(xiàng)目如圖1所示(限于篇幅未列全),但是這些測(cè)量數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于設(shè)計(jì),首先是因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)的測(cè)量有其年份,一般這個(gè)年份既不同于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間,也不同于產(chǎn)品使用時(shí)間;其次是因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是用裸身來(lái)測(cè)量的,所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮服裝、鞋帽等著裝對(duì)數(shù)據(jù)的影響;再次是因?yàn)椴煌朔N、不同年齡段、不同性別之間的數(shù)據(jù)差異也很大,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須予以取舍或兼顧。由于本文所用數(shù)據(jù)取自GJB 4856-2003《中國(guó)男性飛行員人體尺寸》[2],人種、年齡段與大眾的人體數(shù)據(jù)相比,取樣的范圍要窄很多,因此這些因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響較小,可以不予考慮。

2.1.1 年份對(duì)數(shù)據(jù)的修正

GJB 4856數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間是2000年7月,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,中國(guó)人近年來(lái)的平均身高增長(zhǎng)量為26mm/10年,所以如果設(shè)計(jì)當(dāng)下使用的產(chǎn)品,在身高上的修正量就達(dá)到39mm,如果像飛機(jī)這種長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期的產(chǎn)品,就要考慮到飛機(jī)投入運(yùn)行的時(shí)間,使之能夠符合飛機(jī)投入市場(chǎng)時(shí)的人體尺寸要求。

按照FAA的標(biāo)準(zhǔn)[1],著裝對(duì)于操縱間隙的影響較大,因此,在計(jì)算機(jī)組人員尺寸時(shí),需要考慮著裝的因素。FAA將著裝分為輕便著裝,中等著裝和重裝三種類型。表1給出了中等著裝對(duì)人體尺寸的影響。

2.2 人體數(shù)據(jù)的選擇

按照CCAR 25.777(C)條款規(guī)定,“操縱器件相對(duì)于駕駛員座椅的位置和布局,必須使任何身高158至190厘米的最小飛行機(jī)組成員就座并系緊安全帶和肩帶(如果裝有)時(shí),每個(gè)操縱器件可無(wú)阻擋地作全行程運(yùn)動(dòng),而不受駕駛艙結(jié)構(gòu)或最小飛行機(jī)組成員衣著的干擾?！盵3]

因此,駕駛艙設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)至少滿足最低和最高身高這兩個(gè)極限值及其所對(duì)應(yīng)的其他身體尺寸。由《中國(guó)男性飛行員人體尺寸》[2]可知,人體尺寸的分布基本滿足正交分布,可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和第50百分比的數(shù)據(jù)計(jì)算出其他百分比的數(shù)據(jù)。

3 人體測(cè)量學(xué)在駕駛艙可達(dá)性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

駕駛艙的可達(dá)性不僅包含對(duì)各操縱器件的無(wú)障礙的可操作,還包括對(duì)內(nèi)外部視界的可達(dá)。在進(jìn)行操縱器件的可達(dá)性分析時(shí),需要對(duì)可達(dá)方式進(jìn)行定義,因?yàn)椴煌目蛇_(dá)方式其可達(dá)包線不同,所需要的可達(dá)力也不同。而在對(duì)視界的可達(dá)性進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí),則需要把重點(diǎn)放在對(duì)設(shè)計(jì)眼位的選擇上。實(shí)際上,這兩者又是相互關(guān)聯(lián),相互影響的。下面分別就兩方面進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 操縱器件的可達(dá)性分析

駕駛艙設(shè)計(jì)中需要用到手的可達(dá)方式主要是對(duì)按鈕的按壓、對(duì)開(kāi)關(guān)的撥動(dòng)、對(duì)旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)、對(duì)開(kāi)關(guān)等的拉拔提、對(duì)油門桿等的推拉和對(duì)駕駛盤的推拉與旋轉(zhuǎn)等。需要用到腳的可達(dá)方式主要是對(duì)腳蹬的踩踏。

3.1.1 手的可達(dá)性

2.創(chuàng)造性地提出建設(shè)服務(wù)型、創(chuàng)新型馬克思主義執(zhí)政黨。報(bào)告提出要“建設(shè)學(xué)習(xí)型、服務(wù)型、創(chuàng)新型的馬克思主義執(zhí)政黨”［1］，具有突出的創(chuàng)新性。

手的可達(dá)方式主要是通過(guò)手指、手指與手指、手指與手掌、手掌等的觸碰、抓取、握取、拉拔、推等動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛艙器件的操縱。

其中,只需要指尖可達(dá)的方式可達(dá)范圍(3.17-3.20)最大為722mm。根據(jù)HFDS[1]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,指尖可達(dá)范圍比需要指關(guān)節(jié)操作的方式大70mm,比全手掌操作的方式大125mm,分別為652mm和597mm。

同時(shí),就同一種動(dòng)作而言,也會(huì)因?yàn)榫嚯x人體上下、左右、前后的距離不同而使可達(dá)范圍不同。可以在不同的尺寸位置分別對(duì)人體做橫切和縱切來(lái)詳細(xì)判斷手的可達(dá)性,如圖2所示,(均為第50百分比人體尺寸的抓取動(dòng)作)。這些曲線都是在對(duì)大量人體尺寸精確測(cè)量和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上得到的。如果將剖面進(jìn)一步增加,則可以形成一只手對(duì)可操縱范圍的包絡(luò)體,這也是CATIA人機(jī)功效學(xué)模塊中可達(dá)性分析的原理。

操作器件除應(yīng)在駕駛員的可達(dá)包線內(nèi),還應(yīng)保證駕駛員能夠以合適的力對(duì)其進(jìn)行操作,以減少駕駛員疲勞負(fù)荷,提高安全性水平。例如,按鈕的操作力應(yīng)在2.8至11.3N范圍內(nèi)。用于前輪轉(zhuǎn)彎操縱的手輪,一般是由手腕和手指運(yùn)動(dòng)來(lái)操作的,由其負(fù)荷應(yīng)小于22N。用于起落架收放操縱的手柄的操作力應(yīng)在4.5至45N之間。

3.1.2 腳的可達(dá)性

腳產(chǎn)生的力的大小與下肢的位置、腿部膝關(guān)節(jié)的角度等姿勢(shì)和方向有關(guān)。下肢伸直時(shí)腳產(chǎn)生的力大于下肢彎曲時(shí)產(chǎn)生的力。腳產(chǎn)生的操縱力通常是以壓力形式出現(xiàn)的,壓力的大小與腳離開(kāi)人體中心對(duì)稱線向外偏轉(zhuǎn)的程度有關(guān)。

為了達(dá)到最佳的可達(dá)效果,最好將所有的操作器件放置在第50百分比的人體可達(dá)的邊界之內(nèi),但這顯然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以,必須根據(jù)操作器件的操作頻率,盡可能將使用頻率高的操作器件安排在該可達(dá)包絡(luò)范圍之內(nèi)。

3.2 視界的可達(dá)性分析

圖1 坐姿測(cè)量項(xiàng)目

表1 著裝對(duì)人體尺寸的影響(單位:mm)

圖2 不同橫斷平面和縱斷平面上手的可達(dá)包線示例

駕駛艙的清晰視界主要是根據(jù)咨詢通告AC 25.773-1[4]的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)得到的錐形區(qū)域,并將錐形區(qū)域與飛機(jī)外形相交得到駕駛艙風(fēng)擋的最小區(qū)域。外部視界與人體測(cè)量學(xué)關(guān)系不大,本文不作詳述。而內(nèi)部視界,則主要是針對(duì)操縱器件以及各面板上的儀表的可視性而言。在對(duì)內(nèi)部視界進(jìn)行分析時(shí),僅僅通過(guò)頭部的移動(dòng)來(lái)改變視界,要求機(jī)組的軀干部分均保持直立,無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)或者彎曲,并由安全帶束縛。頭部的運(yùn)動(dòng)包括如下三種方式:左右轉(zhuǎn)動(dòng)、上下抬頭和低頭和左右偏轉(zhuǎn)。

圖3 全身出入通道

3.2.1 設(shè)計(jì)眼位的確定

不論是外部視界還是內(nèi)部視界,與設(shè)計(jì)眼位的位置都息息相關(guān)。因此,在駕駛艙設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)眼位是比較重要的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)之一。設(shè)計(jì)眼位在展向的值有個(gè)范圍,對(duì)于中程運(yùn)輸機(jī),平均值為650mm,對(duì)于輕型飛機(jī)則為350mm。因此,設(shè)計(jì)眼位的位置主要集中在航向和高度方向上。設(shè)計(jì)眼位的確定要在座椅參考點(diǎn)、駕駛艙頂部邊界、風(fēng)擋、儀表板、操縱器件等因素中權(quán)衡。

3.2.2 儀表板的布置

運(yùn)輸類飛機(jī)儀表板上主要布置有PFD、MFD和EICAS顯示器,要求駕駛員能夠舒服地看到,即防止駕駛員視覺(jué)疲勞,以減少由于人為因素導(dǎo)致的操作失誤。防止疲勞的措施包括很多,與人體測(cè)量學(xué)有關(guān)的有:

(1)眼睛與顯示器中心的連線應(yīng)低于水平視線。最佳的視線應(yīng)在水平視線下15度角至40度角之間。在該角度區(qū)域范圍內(nèi),將增加眼睛的聚光能力,同時(shí)能緩解頸部、肩部、前臂和腕部的肌肉緊張程度。

(2)眼睛與顯示器中心的連線最好垂直于顯示器平面,若不能垂直,則至少大于45度角。

(3)眼睛與顯示器之間的距離不應(yīng)小于330mm(只需短時(shí)間觀察的可以放寬到250mm)。最遠(yuǎn)距離取決于顯示的內(nèi)容。當(dāng)眼睛與顯示器之間的距離大于600mm時(shí),需要對(duì)顯示內(nèi)容(字體、符號(hào)等的大小)及顯示亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)以增加易讀性,一般應(yīng)大于22弧分。

3.3 兩者間的相互影響

操縱器件的可達(dá)性與視界的可達(dá)性是相互聯(lián)系又相互制約的。例如,為了達(dá)到最佳的內(nèi)部和外部視界,飛行員的眼位最好位于設(shè)計(jì)眼位上。但是由于人體尺寸的不同,如果設(shè)計(jì)時(shí),保證身材較高的飛行員在設(shè)計(jì)眼位時(shí)的視界,就可能導(dǎo)致身材較矮的飛行員無(wú)法夠到腳蹬等飛行控制器件。因此,在駕駛艙設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)座椅、腳蹬等設(shè)置中立位置和可調(diào)節(jié)范圍就十分必要。需要說(shuō)明的是,一般情況下,座椅的上下調(diào)節(jié)范圍,腳蹬的前后調(diào)節(jié)范圍都是一樣的,但并不是說(shuō),中立位置一定對(duì)應(yīng)于第50百分比的人體尺寸,需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù),來(lái)選擇中立位置和調(diào)節(jié)范圍,否則可能導(dǎo)致有些調(diào)節(jié)范圍是無(wú)法使用的。

又如,波音737-800飛機(jī)的墊腳板厚度為70mm。其設(shè)計(jì)眼位距離地板高度在1200mm左右,最小和最大身材的飛行員的坐姿眼高分別為7 6 1 m m和8 9 6 m m,小腿加足高的長(zhǎng)度分別為3 7 4 m m和477mm。為了保證達(dá)到設(shè)計(jì)眼位的高度,最佳的狀態(tài)莫過(guò)于座椅參考點(diǎn)中立位置距離地板422mm,上下分別可調(diào)節(jié)118mm。但是實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),座椅的調(diào)節(jié)量很難達(dá)到118mm,一般情況下在上下各50mm左右。這將使得座椅向上調(diào)節(jié)至極限位置時(shí),很可能導(dǎo)致腿腳的懸空。在腳下布置一定厚度的墊腳板,則可以增加飛行員的舒適性,降低駕駛疲勞。

4 人體數(shù)據(jù)在駕駛艙維護(hù)性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

駕駛艙作為一個(gè)各系統(tǒng)的控制中心,各種線束、管路、桿系在駕駛艙地板下匯集,如果沒(méi)有良好的開(kāi)敞性,則既不利于飛機(jī)的總裝,也不利于維護(hù)。

增開(kāi)維護(hù)口蓋,設(shè)置維護(hù)通路是增強(qiáng)維護(hù)性的常用方法。對(duì)于飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)而言,在地板結(jié)構(gòu)上設(shè)置可以供人進(jìn)出的開(kāi)口對(duì)于大型運(yùn)輸類飛機(jī)是必須的。但是設(shè)置多大的開(kāi)口合適,則是人體測(cè)量學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域。圖3給出了常用的全身出入通道尺寸[5],按照輕裝和重裝、頂面/底面和側(cè)面進(jìn)行了分類。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)人體測(cè)量學(xué)在飛機(jī)駕駛艙可達(dá)性、舒適性和維修性等方面的簡(jiǎn)要描述,說(shuō)明了其在駕駛艙設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

[1]Ahlstrom V,Longo K.Human Factors Design Standard. USA:Washington,2003.

[2]中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 4856-2003中國(guó)男性飛行員人體尺寸,2003.

[3]中國(guó)民用航空局.CCAR-25-R4運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn),2011.

[4]FAA.AC 25.773-1 Pilot Compartment View Design Considerations.USA:Washington,1993.

[5]中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 2873-1997軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,1997.