蔣曉東　顧宏斌　吳東蘇

摘要：本文通過對最小飛行機組條款的解讀，設(shè)計了相應(yīng)的模擬實驗，對機組工作功能和工作量評估進(jìn)行深入研究。本文采用的方法是計算機輔助分析法，基于JACK軟件，利用其中的人因分析模塊進(jìn)行最小機組評估研究。首先在三維仿真軟件中建立駕駛艙、座椅等模型，并導(dǎo)入JACK中。通過優(yōu)化模型，并根據(jù)GJB 4856-2003中國男性飛行員人體尺寸數(shù)據(jù)，建立中國飛行員人體模型庫。然后針對數(shù)字飛行員進(jìn)行手部和眼部對操縱器件的可達(dá)性，不同飛行任務(wù)操作的舒適度、適配性等分析，通過實驗結(jié)果驗證某大型民機駕駛艙符合最小機組條款的適航要求，完成最小機組評估。

關(guān)鍵詞：最小飛行機組；JACK軟件；可達(dá)性；適配性

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0088-03

1 引言

民用運輸類飛機的研發(fā)設(shè)計過程中，必須符合相應(yīng)的適航管理條例，以滿足最低的安全標(biāo)準(zhǔn)，才能夠允許進(jìn)入市場。目前適用于我國民用客機的適航標(biāo)準(zhǔn)是中國民用航空局（CAAC）制定的《中國民航規(guī)章》（CCAR-25）。同時為了進(jìn)軍市場，我國的民用客機還需要滿足國際上主要的適航審定標(biāo)準(zhǔn)，如美國聯(lián)邦航空局制定的《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》（FAR-25）以及歐洲航空安全局制定的《大型運輸類飛機審定規(guī)范》（CS-25）。其中FAR 25.1523及其附錄，規(guī)定了針對最小飛行機組（下文稱“最小機組”）條款的適航要求?！白钚★w行機組”是指在飛行駕駛艙的設(shè)備配置、布局等都已確定的情況下，機組成員能夠沒有過度的注意力集中或者感覺到疲勞，并安全完成飛行任務(wù)時所需要的最小編制人數(shù)。長期以來，該條款被認(rèn)為是民機駕駛艙人為因素問題的首要條款[1]。

所以研究最小機組評估對適航取證有重要意義。本文主要使用計算機輔助分析法，由于JACK軟件有豐富的人體仿真模塊，所以使用JACK進(jìn)行實驗。其主要工作有：（1）利用JACK軟件建立中國飛行員數(shù)字人體庫，由于JACK軟件沒有現(xiàn)成的中國男性飛行員人體模型庫，所以根據(jù) GJB-4856-2003中國男性飛行員人體尺寸，建立數(shù)字人體模型，用以做最小機組評估分析；（2）對駕駛艙座椅等三維模型進(jìn)行重新設(shè)計，由于駕駛艙座椅結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，直接導(dǎo)入JACK軟件在個人計算機上無法讀取，會有卡頓。所以根據(jù)飛行座椅標(biāo)準(zhǔn)簡化了座椅模型，并導(dǎo)入JACK軟件中；（3）基于JACK軟件的人因分析模塊進(jìn)行設(shè)備操縱器件的可達(dá)性和可視性實驗；（4）經(jīng)過上述試驗后，得出最小機組評估結(jié)論。

2 FAR 25.1523最小飛行機組準(zhǔn)則

FAR 25.1523指出，必須確定完成安全的飛機操縱所需的最小飛行機組[2]。同時，F(xiàn)AR 25附錄D指出了確定最小飛行機組的準(zhǔn)則和相應(yīng)的飛行機組工作量基本功能及因素。其中，基本的工作量功能包括：（1）航跡控制；（2）防碰撞；（3）導(dǎo)航；（4）通信；（5）飛機發(fā)動機及系統(tǒng)的操作和監(jiān)視；（6）命令決策。然后，工作量因素包括：（1）所有飛行、動力及設(shè)備控制中必要的操作的可達(dá)性、難易程度；（2）所有必要的儀器及失效報警設(shè)備的可達(dá)性、顯著程度；（3）操作程序的數(shù)量、緊急程度及復(fù)雜程度；（4）腦力及體力的集中程度及持續(xù)時間；（5）航途中對燃油、液壓、增壓、電氣、電子、除冰及其他系統(tǒng)所需的監(jiān)視程度；（6）需機組成員離開其崗位才能完成的動作；（7）飛機系統(tǒng)減少機組參與克服或隔離故障的自動化程度；（8）通信及導(dǎo)航工作量；（9）由連鎖的緊急情況導(dǎo)致工作量增加的可能性；（10）運營規(guī)則要求最小飛行機組不得少于兩名飛行員，而其中一名因故不能工作。

3 利用JACK軟件建立中國飛行員人體數(shù)字庫

由于Jack中自帶的中國人體數(shù)據(jù)庫僅為1989年以中國60歲以下成年男性和55歲以下成年女性為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)（GB10000-88），而本文做的是最小機組評估方面的研究，故需要飛行員的人體尺寸。所以比照GJB 4856-2003中國男性飛行員人體尺寸的數(shù)據(jù)，建立中國飛行員人體數(shù)字模型庫[3]。

根據(jù)運輸機飛行員的測量數(shù)據(jù)，分別對中國飛行員第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的數(shù)字人體進(jìn)行建模。

第一步，現(xiàn)在Jack界面中選擇Human，再選擇Create，點擊Custom選項，進(jìn)入建立人體模型（Build Human）界面進(jìn)行基本人體數(shù)字模型的創(chuàng)建（Basic Scaling）。選擇姓名、性別、身高、體重等，創(chuàng)建出一個基本的數(shù)字人。第二步，點擊高級選項（Advanced Scaling），進(jìn)入精確人體尺寸定義界面。根據(jù)運輸機飛行員的測量數(shù)據(jù)，分別對中國飛行員第一百分位，第五百分位，第五十百分位，第九十九百分位的數(shù)字人體進(jìn)行輸入身高（Stature）、頭高（Head Height）、頭寬（Head Breadth）、頭長（Head Length）、手長（Hand Length）、手寬（Hand Breadth）、坐高（Sitting Hgt）等26項數(shù)據(jù)，創(chuàng)建出中國男性飛行員數(shù)字人體模型庫。由于這26項數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性過大，按照表內(nèi)輸入數(shù)據(jù)后會引起其他數(shù)據(jù)的改變，所以需要修改部分的數(shù)據(jù)，使數(shù)字人正常創(chuàng)建。第三步，用目視觀察法檢測數(shù)字人體模型的外形是否正常，比如胳膊或者腿部有無過粗或者過細(xì)，脖頸太長或太短，腰臀有無過大等。如不正常則點擊進(jìn)入身體部分調(diào)整（Body Part Scaling）界面，對頭、四肢、手足、關(guān)節(jié)等相關(guān)部位的數(shù)據(jù)按照需求進(jìn)行修改，使得人體模型的幾何形狀回到正常狀態(tài)。第四步，返回至高級選項，將26個人體數(shù)據(jù)測量項目選項再一次選中，改成中國飛行員標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值.再次返回上一步，如此循環(huán)，直到數(shù)字人體模型幾何形狀趨于正常，而且26個與最小機組評估相關(guān)的項目均和中國飛行員標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致。

人體模型之所以幾何形狀失常，一是因為人體數(shù)據(jù)各方面都互相關(guān)聯(lián)，需要更改部分?jǐn)?shù)據(jù)，例如腿長調(diào)大后，其他方面的數(shù)據(jù)沒有產(chǎn)生變化，導(dǎo)致大腿和小腿變細(xì)，造成幾何形狀失常[4]。二是因為沒有一個的所有尺寸都在同一百分位上，人體模型需要建成現(xiàn)實中存在的真實的人，所以通過目視觀察法檢測人體模型的幾何形狀是否正常。更改一些與最小機組評估不相關(guān)的人體數(shù)據(jù)，從而達(dá)到中國飛行員人體模型庫建模的目的。

4 民機飛行駕駛艙的導(dǎo)入

建立完數(shù)字人體模型后，需要導(dǎo)入民機駕駛艙進(jìn)行實驗[5]。根據(jù)駕駛艙既定的尺寸在三維建模仿真軟件上進(jìn)行建模，導(dǎo)出后格式轉(zhuǎn)為.wrl格式。然后從Jack軟件的模型導(dǎo)入模塊導(dǎo)入。導(dǎo)入的時候會同時出現(xiàn).fig格式和許多.pss格式的文檔。導(dǎo)入后的模型占據(jù)很大硬盤空間，個人計算機難以讀取，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化的具體方法是將.pss文件進(jìn)行二次導(dǎo)入，選取合適的參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。將改進(jìn)后的.pss文件替換之前的.pss文件。再重新打開.fig文件，就可以讀取駕駛艙模型了。改進(jìn)后的模型既能被讀取，也不會影響后續(xù)的實驗。

5 最小機組評估實驗

5.1 不同情況下的可達(dá)性與可視性仿真

（1）分別取【CHINESE】和【ANSUR】數(shù)據(jù)庫中，覆蓋比例為 1%、5%、50%、95%、99%的數(shù)字人構(gòu)建場景圖，對每組的數(shù)字人進(jìn)行手部和視覺可達(dá)域分析，并測量可達(dá)域的覆蓋范圍，如圖1所示。（2）分別設(shè)置座椅距離方向舵 0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，對不同座椅前后位置的可達(dá)域進(jìn)行分析量化。

5.2 可達(dá)性實驗仿真結(jié)果分析

（1）經(jīng)過 JACK 軟件仿真，并通過測量工具，可以得到不同數(shù)據(jù)庫不同百分比數(shù)字人手部和視覺可達(dá)域數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表格中可以看出不同數(shù)據(jù)庫相同百分比數(shù)字人模型的可達(dá)域范圍差距很大，這是由于數(shù)據(jù)庫的來源差距比較大，中美兩個人的體格之間的差異，同時也有【CHINESE】是基于全國人口普查的數(shù)據(jù)制成的，而【ANSUR】則是根據(jù)美國軍隊的人員素質(zhì)普查數(shù)據(jù)制成，軍隊對人員的身體素質(zhì)通常有特殊的要求，這就進(jìn)一步加深了上表中的差異，為了進(jìn)一步對比這種差異，我們將上表繪制成折線圖，如圖2所示。

從折線圖中可以進(jìn)一步分析得出，隨著數(shù)字人的體格增大，肩膀的位置相應(yīng)提高，是可達(dá)域減小，同時上肢增長，使可達(dá)域增大，但兩者的影響有大有小，在【CHINESE】數(shù)據(jù)庫中，上肢增長的影響更大一些，在折線圖中表示為5%覆蓋率的手部可達(dá)域有所擴(kuò)大；在【ANSUR】數(shù)據(jù)庫中，肩膀位置的變化對可達(dá)域的影響更大，在折線圖中表現(xiàn)為5%覆蓋率的可達(dá)域有所下降。

（2）座椅相對于駕駛桿的位置對可達(dá)域也有一定的影響，如圖3所示。

從圖中可以分析得出隨著座椅距離駕駛桿的距離越來越遠(yuǎn)，手部和視覺的可達(dá)域范圍都呈現(xiàn)下降的趨勢，但這并不是沒有意義的。首先，在座椅距離駕駛桿過近時，可達(dá)域范圍很大，部件的可達(dá)性很好。數(shù)字人的可達(dá)域范圍已經(jīng)覆蓋一部分副駕駛的操縱空間，這意味著數(shù)字人的身體實際上離操作面板很近，這有可能會對數(shù)字人的其它操縱造成影響，甚至造成誤觸碰、誤操作。經(jīng)過對比和仿真，發(fā)現(xiàn)距離定位50mm～100mm之間的誤觸碰是最少的，同時可達(dá)域覆蓋了左側(cè)全部的操縱面板，不會對操縱造成影響。

6 結(jié)語

本文依據(jù)FAR 25.1523設(shè)計了最小機組評估實驗，按照某民機駕駛艙的結(jié)構(gòu)建立了駕駛艙的模型，根據(jù)GJB 4856-2003中國空軍男性飛行員標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了數(shù)字人體飛行員建模，并針對駕駛艙部件的可達(dá)性和可視性等進(jìn)行了分析，得出該駕駛艙的人機工效指標(biāo)均符合FAR 25.1523條款的適航要求，民機最小機組評估初步研究有了一定成果。該課題在將來還有待拓展，比如對飛行員操縱器件時關(guān)節(jié)角度是否合適，身體的舒適度是否在可接受范圍內(nèi)等還有待研究，這些對于民機取得適航取證都有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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