劉　璐，孫有朝，張燕軍

(1. 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106；2. 揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127)

一種基于功能論的座艙工效設(shè)計(jì)需求定義方法

劉璐1，孫有朝1，張燕軍2

(1. 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，南京 211106；2. 揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127)

摘要：座艙設(shè)計(jì)需求定義是座艙設(shè)計(jì)流程中的重要環(huán)節(jié)，如何使座艙工效設(shè)計(jì)需求定義工作具備系統(tǒng)性和全面性是該環(huán)節(jié)的核心問(wèn)題. 提出了一種基于功能論的座艙工效設(shè)計(jì)需求定義方法，利用功能定義、功能分類、功能整合的方法對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，得到了完備的座艙人機(jī)系統(tǒng)功能；通過(guò)求解子功能、構(gòu)建功能技術(shù)矩陣、子功能實(shí)現(xiàn)途徑組合和選擇的方法，得到了座艙人機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案.給出了某型飛機(jī)座艙需求定義的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的可行性和優(yōu)越性.

關(guān)鍵詞：座艙; 人機(jī)工效; 需求定義; 功能論

座艙工效設(shè)計(jì)需求定義是飛機(jī)座艙研制設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)，可為座艙的概念設(shè)計(jì)提供輸入和支持，現(xiàn)階段飛機(jī)座艙研制的人機(jī)工程需求分析涵蓋的內(nèi)容廣、任務(wù)多，包括飛行任務(wù)分析、系統(tǒng)功能分配、設(shè)備選擇等[1]，雖然，對(duì)于座艙需求分析，在工程上已有一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，且對(duì)于系統(tǒng)功能分配、設(shè)備選擇等座艙需求分析工作，許多專家也提出相應(yīng)的工作原則及方法[2-5].但是這些工程經(jīng)驗(yàn)及研究存在不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)僅研究座艙人機(jī)系統(tǒng)需求定義階段某一模塊的內(nèi)容，缺乏連貫性和系統(tǒng)性的考慮，沒(méi)有將座艙人機(jī)系統(tǒng)的功能分析與方案實(shí)現(xiàn)聯(lián)系起來(lái).

2)不管是人機(jī)功能分配還是設(shè)備的選擇都沒(méi)有從不同角度對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行梳理，對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)的分析缺乏全面性. 在工業(yè)界，用于產(chǎn)品需求定義的方法很多，發(fā)展也逐漸成熟，其中常用的方法有因果分析圖法、質(zhì)量功能配置法、功能論設(shè)計(jì)方法[6-10]等.由于因果分析圖法僅可用于對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行分析，沒(méi)有涉及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，不能達(dá)到對(duì)座艙需求定義系統(tǒng)性、連貫性的考慮，而質(zhì)量功能配置法可將飛行員對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)的需求作為分析重點(diǎn)，忽略座艙人機(jī)系統(tǒng)本身特性的研究，功能論設(shè)計(jì)方法可從座艙人機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)——功能這個(gè)角度開(kāi)展研究，明確座艙人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)用功能以及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有助于克服設(shè)計(jì)的思維定式.

這里為使座艙工效設(shè)計(jì)需求定義工作具備系統(tǒng)性和全面性，提出了一種基于功能論的座艙工效設(shè)計(jì)需求定義方法，利用功能定義、功能分類、功能整合的方法對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，得到了完備的座艙人機(jī)系統(tǒng)功能.通過(guò)求解子功能、構(gòu)建功能技術(shù)矩陣、子功能實(shí)現(xiàn)途徑組合和選擇的方法，得到了座艙人機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案.并通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證了方法的可行性.

1基于功能論的座艙需求定義流程

功能論設(shè)計(jì)方法核心思想是系統(tǒng)論[11].其基本方法是對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，系統(tǒng)分析是通過(guò)明確設(shè)計(jì)問(wèn)題中的構(gòu)成要素和有關(guān)因素，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次關(guān)系進(jìn)行分解，系統(tǒng)綜合是根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)、整理、改善后，決定事物的構(gòu)成和特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)對(duì)象的基本要素.

基于上述設(shè)計(jì)思想，將座艙工效設(shè)計(jì)需求定義分為座艙人機(jī)系統(tǒng)需求分析和系統(tǒng)功能到設(shè)計(jì)方案的轉(zhuǎn)化兩個(gè)部分.通過(guò)座艙人機(jī)系統(tǒng)需求分析，對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)的功能進(jìn)行抽象和分解，根據(jù)座艙人機(jī)系統(tǒng)功能到設(shè)計(jì)方案的轉(zhuǎn)化方法，可得到座艙人機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案.座艙人機(jī)系統(tǒng)需求定義流程如圖1.

圖1　座艙工效設(shè)計(jì)需求定義流程

2基于功能論的座艙人機(jī)系統(tǒng)功能分析方法

2.1飛機(jī)座艙人機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)

飛機(jī)座艙人機(jī)系統(tǒng)的總目標(biāo)應(yīng)依據(jù)座艙型號(hào)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的各項(xiàng)要求來(lái)確定.以某型號(hào)飛機(jī)為例，座艙人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為高效、安全、舒適[12].為了更加清晰地表示出設(shè)計(jì)目標(biāo)的層次關(guān)系，以及各目標(biāo)之間的聯(lián)系，從飛行任務(wù)需求、飛行員生理心理特征、防操縱錯(cuò)誤設(shè)計(jì)等角度進(jìn)一步細(xì)化座艙人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，形成如圖2所示的座艙人機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)樹(shù).

2.2座艙人機(jī)系統(tǒng)功能定義

功能定義主要是確定座艙人機(jī)系統(tǒng)及其各構(gòu)成要素的效用.座艙人機(jī)系統(tǒng)功能一般通過(guò)應(yīng)用“黑箱法”原理來(lái)確定，將座艙人機(jī)系統(tǒng)作為一個(gè)“黑箱”，如圖3所示，利用信號(hào)、能量等在座艙人機(jī)系統(tǒng)中的變化情況，以及“黑箱”與周圍環(huán)境相互作用的關(guān)系，對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)的功能進(jìn)行定義.

圖2　座艙人機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)樹(shù)

圖3　座艙人機(jī)系統(tǒng)的“黑箱”

由圖3可以看出，該座艙人機(jī)系統(tǒng)的基本功能是系統(tǒng)輸入、輸出功能.座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入、輸出信息的處理結(jié)果關(guān)系著信息的顯示、飛行員操縱和控制要求等.而座艙人機(jī)系統(tǒng)的輸入、輸出功能從飛機(jī)系統(tǒng)、不同飛行階段等不同角度分析將有一定的相異性，要將座艙人機(jī)系統(tǒng)功能分析清楚，則需要從不同的角度進(jìn)行梳理，力求將輸入、輸出功能分析全面.

2.3座艙人機(jī)系統(tǒng)功能分析

2.3.1功能分類

由于座艙人機(jī)系統(tǒng)及其構(gòu)成要素的功能數(shù)量眾多，為了更好地分析座艙人機(jī)系統(tǒng)，從飛機(jī)不同系統(tǒng)、不同飛行階段等角度出發(fā)對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)的輸入、輸出功能進(jìn)行分類.

按飛機(jī)的不同系統(tǒng)對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入、輸出功能分類，可得到座艙人機(jī)系統(tǒng)的必要及不必要功能，必要功能是在座艙中可被控制和顯示的功能，不必要功能是飛機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制和不顯示在座艙人機(jī)系統(tǒng)中的功能.

若按飛行階段分類，可得到座艙人機(jī)系統(tǒng)的基本功能和輔助功能.基本功能是指在完成飛行任務(wù)過(guò)程中，飛行員使用優(yōu)先級(jí)較高的功能，輔助功能是那些飛行員不經(jīng)常使用的功能.

2.3.2功能整合

在座艙人機(jī)系統(tǒng)的輸入、輸出功能中，存在著目的與手段關(guān)系以及并列關(guān)系，即功能之間為目的-手段關(guān)系，某一功能可能是實(shí)現(xiàn)另一功能的目的，也可能是其他功能的實(shí)現(xiàn)手段，在復(fù)雜的座艙人機(jī)系統(tǒng)中，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)同一目的功能，需要兩個(gè)以上的手段功能，這些手段功能構(gòu)成并列關(guān)系.

對(duì)于座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入、輸出功能的整合，需要采用功能分析系統(tǒng)技術(shù)的方法[13]，通過(guò)制作功能卡，將座艙人機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)子功能記載在卡上，從卡片集的必要功能中區(qū)分基本功能、輔助功能，明確基本功能之間的目的-手段關(guān)系，將目的功能擺在左側(cè)，手段關(guān)系擺在右側(cè)，根據(jù)該功能是“目的”還是“手段”，逐步確定出座艙人機(jī)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的骨架.同時(shí)，將輔助功能也按照目的-手段、并列關(guān)系排列在相應(yīng)位置上.

根據(jù)卡片整理的結(jié)果，確定功能之間的目的-手段、并列關(guān)系，從而形成座艙人機(jī)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示.

圖4　座艙人機(jī)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3座艙人機(jī)系統(tǒng)功能到設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換方法

3.1求解座艙人機(jī)系統(tǒng)子功能

座艙工效設(shè)計(jì)需求定義的關(guān)鍵問(wèn)題是如何得到座艙人機(jī)系統(tǒng)子功能的求解方案.即尋找實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、實(shí)現(xiàn)方式或結(jié)構(gòu)形式.座艙人機(jī)系統(tǒng)子功能的求解包括確定子功能的實(shí)現(xiàn)方式、編碼方式兩個(gè)步驟.

通過(guò)分析當(dāng)前座艙設(shè)備的應(yīng)用情況以及技術(shù)發(fā)展水平，確定輸入子功能的實(shí)現(xiàn)方式包括：觸摸屏控制、聲控、控制器控制、眼動(dòng)控制、腦電控制等，輸出子功能的實(shí)現(xiàn)方式包括：視覺(jué)顯示、聽(tīng)覺(jué)顯示、觸覺(jué)顯示、嗅覺(jué)顯示等.每個(gè)輸入、輸出子功能需要根據(jù)不同實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)和不足、適用范圍等，并結(jié)合各個(gè)子功能屬性、合適的調(diào)節(jié)方式等，選擇合適的實(shí)現(xiàn)方式.

對(duì)于顯示目標(biāo)和控制裝置的編碼需考慮形狀、尺寸、顏色編碼等，顯示目標(biāo)和控制裝置的形狀、尺寸應(yīng)符合飛行員的手腳尺寸、生理學(xué)、解剖學(xué)特性，應(yīng)能夠較好的降低飛行員疲勞和擴(kuò)大飛行員的內(nèi)視野等，顏色編碼應(yīng)能夠提高顯示目標(biāo)和控制裝置的辨識(shí)度[14].

3.2構(gòu)建功能技術(shù)矩陣

為了從諸多的可能手段中挑選出合理可行的方案，還需要將座艙人機(jī)系統(tǒng)子功能及可能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑，按功能技術(shù)矩陣表(如表1)的方式進(jìn)行整理，便于從中挑選和組合.

3.3實(shí)現(xiàn)途徑的組合與選擇方法

根據(jù)功能技術(shù)矩陣表，對(duì)每個(gè)座艙人機(jī)系統(tǒng)子功能選擇一種實(shí)現(xiàn)方式，相互組合就可得到座艙人機(jī)系統(tǒng)總的實(shí)現(xiàn)方案.由于組合的方案眾多，對(duì)其一一檢驗(yàn)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間且不符合現(xiàn)實(shí)情況，應(yīng)依賴設(shè)計(jì)者的直覺(jué)思維和以往經(jīng)驗(yàn)，考慮設(shè)計(jì)方案在幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)上的相容性，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)、操縱效率的角度對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析判斷，篩選出最有價(jià)值的實(shí)現(xiàn)方案的組合.

表1　功能技術(shù)矩陣

4基于功能論的飛機(jī)座艙需求定義實(shí)例

4.1座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入功能分析

參考飛機(jī)系統(tǒng)工作原理、組成部件說(shuō)明以及飛行員不同階段的操縱，對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入功能，按飛機(jī)不同系統(tǒng)、不同飛行任務(wù)階段兩個(gè)方面進(jìn)行分類，部分梳理結(jié)果如表2, 3所示.

表2　不同系統(tǒng)的輸入功能分類

表3　任務(wù)相關(guān)的輸入功能分類

對(duì)于按飛機(jī)系統(tǒng)、飛行任務(wù)角度梳理得到的座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入諸功能，采用上述“功能分析系統(tǒng)技術(shù)”的方法，梳理出輸入功能中的基本功能、輔助功能、目的功能及手段功能，如控制飛機(jī)基本飛行功能、支持飛機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)的功能為基本功能，而其他功能為輔助調(diào)節(jié)功能；而為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)下導(dǎo)彈發(fā)射目的功能，需要進(jìn)行武器電源接通、SMS工作狀態(tài)處于“實(shí)戰(zhàn)”、導(dǎo)彈選擇、導(dǎo)彈準(zhǔn)備、導(dǎo)彈解鎖、導(dǎo)彈發(fā)射等一系列的手段功能，這些手段功能之間為并列關(guān)系.座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入功能的部分結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.

圖5　座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入功能的部分結(jié)構(gòu)圖

4.2座艙人機(jī)系統(tǒng)輸入功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能到設(shè)計(jì)方案的轉(zhuǎn)換方法，以飛控系統(tǒng)的俯仰控制為例，通過(guò)功能實(shí)現(xiàn)方式的選擇，確定控制器的類型，并分析控制裝置編碼方式，從而得到俯仰控制功能的實(shí)現(xiàn)方案.

1)俯仰控制功能的實(shí)現(xiàn)方式

飛機(jī)俯仰控制在飛行過(guò)程中使用的頻率很高，由于觸摸屏的精度、靈敏度還不能達(dá)到實(shí)時(shí)操縱控制的要求.聲控對(duì)于座艙環(huán)境的要求較高，受到噪音的影響大，且腦電、眼動(dòng)控制受到當(dāng)前發(fā)展的約束，還不能用于實(shí)現(xiàn)高頻使用的功能[15].初步確定俯仰控制采用控制器的方式實(shí)現(xiàn).

2)確定俯仰控制裝置類型

考慮到飛行俯仰控制信號(hào)為模擬量，且操控力要求在90～150 N之間.參考不同控制器類型的使用功能、使用情況及最大的操作力，確定飛機(jī)俯仰功能可采用操縱桿的形式.

3)確定俯仰控制裝置的編碼方式

控制裝置的編碼包括形狀、尺寸、顏色編碼等.考慮飛行員的手腳尺寸、認(rèn)知心理學(xué)特性以及座艙空間的尺寸約束，給出飛控系統(tǒng)控制裝置的編碼方式，如表4所示.

表4　俯仰操縱桿編碼方式

圖6　中央操縱桿

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究工業(yè)設(shè)計(jì)方法——功能論設(shè)計(jì)方法的核心思想、基本流程，結(jié)合飛機(jī)座艙人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了基于功能論的座艙工效設(shè)計(jì)需求定義方法.利用功能定義、功能分類、功能整合的方法對(duì)座艙人機(jī)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，得到了完備的座艙人機(jī)系統(tǒng)功能.通過(guò)求解子功能、構(gòu)建功能技術(shù)矩陣、子功能實(shí)現(xiàn)途徑組合和選擇的方法，得到了座艙人機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案.結(jié)合某型號(hào)飛機(jī)的研制，給出了基于功能論的座艙需求定義案例.

參考文獻(xiàn)：

[1]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè). 軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2003.

[2]鄭明光, 徐濟(jì)鋆, 寧忠和, 等. 核電廠先進(jìn)主控制室功能分析和功能分配[J]. 核動(dòng)力工程, 2001. 22(2): 171-175.

[3]周前祥, 蔡劌, 李潔,等. 載人航天器人機(jī)界面設(shè)計(jì)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009.

[4]OLOFINBOBA O, DEMERS R. A systematic tool for deriving crew console layouts [C]// Human Factors and Ergonomics Society 52nd Annual Meeting, 2008. 22-26.

[5]CURRAN R, PRICE M, RAGHUNATHAN S,etal. Integrating Aircraft Cost modeling into conceptual design [J]. Concurrent engineering: research and applications, 2005, 13(4): 323-328.

[6]HAIK Y. 工程設(shè)計(jì)過(guò)程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

[7]JAYARAM M B. A formal method for funetional modeling and conceptual design of complex mechatronic system [D]. Toronto: University of Toronto, 2002

[8]KITAMURA Y, SANO T, NAMBA K,etal. A functional concept ontology and its application to automatic identification to functional structures [J]. Advanced Engineering Informatics, 2002, 16(2): 145-163.

[9]ZHANG Q. Probabilistic reasoning based on dynamic causality tree/ diagrames [J]. Reliability Engineering and System Safety, 1994, 46: 209-220.

[10]CHAN L K, WU M L. Quality function deployment: A comprehensive review of its concepts and methods [J]. Quality Engineering, 2002 15(1): 23-35.

[11]簡(jiǎn)召全. 工業(yè)設(shè)計(jì)方法學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2000. 1-2, 51-58.

[12]尹付強(qiáng). 淺談現(xiàn)代飛機(jī)座艙布局的設(shè)計(jì)理念[J]. 洪都科技, 2006(4): 47-50.

[13]董平. 基于功能論的大型風(fēng)能發(fā)電機(jī)部件設(shè)計(jì)研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2009.

[14]丁玉蘭, 程國(guó)萍. 人因工程學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2004.

[15]SANDERS M S, MCCORMICK E J. 工程和設(shè)計(jì)中的人因?qū)W[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

Requirements definition of cockpit ergonomics design based on function theory

LIU Lu1, SUN You-chao1, ZHANG Yan-jun2

(1. School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China;2. School of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Abstract：Requirements definition is an important part in the process of cockpit ergonomics design. How to make the work process of requirements definition more systematic and analysis of content more comprehensive are becoming core issues of this part. In this paper, a method of requirements definition for cockpit ergonomics design was proposed based on function theory. In order to obtain the complete functions of cockpit human-machine system, the methods of function definition, functional classification and integration were applied to analysis the system functions. Solving sub-function, building features technology matrix, combining and selecting the solving ways for the sub-functions were main methods to get the implementation for cockpit human-machine systems functions. In addition, a case was given to verify the effectiveness and feasibility of the methods mentioned above.

Key words：cockpit; ergonomics; requirements definition, function theory

收稿日期：2015-12-21.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民用航空局聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1333119、60979019、60572171)；國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(JCKY2013605B002)；工信部民用飛機(jī)專項(xiàng)(MJ-F-2011-33)

作者簡(jiǎn)介：劉璐(1991-)，女，碩士，研究方向：航空器可靠性與適航性工程. 通訊作者：孫有朝(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：飛機(jī)虛擬設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、可靠性與維修性工程、飛機(jī)安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、適航技術(shù)與管理等.

中圖分類號(hào)：V223

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-0946(2016)03-0275-06