許 為

（浙江大學(xué)心理科學(xué)研究中心，杭州 310058）

1 引 言

大型商用飛機(jī)駕駛艙是一個(gè)典型的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)，其機(jī)載人機(jī)交互技術(shù)經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程，目前正在逐步走向智能化。該復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)包括了人因工程（human factors engineering）研究和應(yīng)用的幾乎所有領(lǐng)域的內(nèi)容（許為，陳勇，2012；許為，葛列眾，2018）。

從發(fā)展角度看，機(jī)載人機(jī)交互技術(shù)最初的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)并非是遵循“以人為中心”的人因工程設(shè)計(jì)理念（馮志祥，白畇，2021；許為，2005）。早期的機(jī)械化飛機(jī)駕駛艙基本上遵循“人適應(yīng)于機(jī)器”的設(shè)計(jì)理念。計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)了自動(dòng)化飛機(jī)駕駛艙，但是最初的自動(dòng)化駕駛艙設(shè)計(jì)基本上遵循“以技術(shù)為中心的自動(dòng)化”理念（Billings，1996）。自動(dòng)化技術(shù)一方面帶來(lái)了許多好處，同時(shí)也帶來(lái)了一些人因問(wèn)題，甚至間接或直接地造成了多起飛機(jī)解體的重大事故（Endsley&Kiris，1995；Mumaw et al.，2000）。進(jìn)入智能時(shí)代，基于人工智能（AI）技術(shù)的智能系統(tǒng)逐步進(jìn)入人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕睿笮蜕逃蔑w機(jī)駕駛艙也不例外（Bailey et al.，2017）。如何基于“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念，吸取自動(dòng)化駕駛艙設(shè)計(jì)中的一些歷史教訓(xùn)，利用智能新技術(shù)進(jìn)一步提升商用飛機(jī)和乘客的安全性，這是擺在人因工程面前的一個(gè)重要課題（Billings，1996；許為，2004）。

本文首先概述針對(duì)大型商用飛機(jī)自動(dòng)化駕駛艙的人因工程研究，然后討論和分析智能化飛機(jī)駕駛艙的概念、人因工程研究的初步進(jìn)展以及今后的發(fā)展。最后，應(yīng)用作者所提出的智能人機(jī)交互的人因工程模型和協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)框架（許為，2022a），討論和分析大型商用飛機(jī)駕駛艙單人飛行操縱模式中的人因問(wèn)題，為今后這方面的工作提出人因工程的初步解決方案。

2 自動(dòng)化飛機(jī)駕駛艙

2.1 基本概念

自動(dòng)化系統(tǒng)通常依賴于固定的邏輯規(guī)則和算法來(lái)執(zhí)行定義好的任務(wù)，并產(chǎn)生確定的操作結(jié)果。自動(dòng)化操作需要人類(lèi)操作員啟動(dòng)、設(shè)置控制模式以及編制任務(wù)計(jì)劃等，在一些特殊操作環(huán)境中（如設(shè)計(jì)無(wú)法預(yù)測(cè)的非正常操作場(chǎng)景或應(yīng)急狀態(tài)），自動(dòng)化操作需要人工干預(yù)來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)代大型商用飛機(jī)駕駛艙中的自動(dòng)化飛行系統(tǒng)主要由飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制顯示裝置、自動(dòng)駕駛儀和自動(dòng)駕駛模式控制板、自動(dòng)油門(mén)、飛行指引儀、自動(dòng)駕駛模式指示儀、水平和垂直導(dǎo)航狀態(tài)顯示器等組成（見(jiàn)圖1、2）。根據(jù)操作需求，飛行員不僅可以選擇不同的自動(dòng)化水平（手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)），還可以對(duì)由自動(dòng)油門(mén)、俯仰和橫滾三個(gè)飛行維度組合而成的數(shù)十種自動(dòng)化飛行控制方式作出選擇。基于飛行員對(duì)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所輸入的指令和飛行規(guī)劃，在正常飛行場(chǎng)景下，自動(dòng)化飛行系統(tǒng)可以自動(dòng)操控所有的飛行任務(wù)（除了起飛），當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)無(wú)法預(yù)料的非正常飛行場(chǎng)景時(shí)，需要飛行員通過(guò)手動(dòng)飛行操縱來(lái)執(zhí)行人工干預(yù)。

圖1 波音777 飛機(jī)駕駛艙人機(jī)界面示意圖（Boeing，2002）

2.2 主要人因問(wèn)題

自動(dòng)化駕駛艙提高了飛行操作的準(zhǔn)確性及可靠性、經(jīng)濟(jì)性、乘客舒適性以及飛行安全性，同時(shí)也改變了駕駛艙人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、飛行操作方式以及操作程序，并且對(duì)飛行員能力、知識(shí)、操作、培訓(xùn)等方面提出了新要求（許衛(wèi)，2004）。

圖2 波音777 飛機(jī)駕駛艙布局

在傳統(tǒng)的非自動(dòng)化飛機(jī)駕駛艙中，通過(guò)對(duì)各種儀表數(shù)據(jù)的判讀和理解，飛行員手動(dòng)完成各種飛行操作任務(wù)。根據(jù)Rasmussen（1983）的行為層次認(rèn)知工程模型（SRK），這是一種數(shù)據(jù)-驅(qū)動(dòng)型作業(yè)，表現(xiàn)出以技能式（即手動(dòng)操控）行為為主，并帶有一些規(guī)則式行為（即根據(jù)操作場(chǎng)景來(lái)選擇合適的操作程序）以及少量的知識(shí)式行為（即在應(yīng)急狀態(tài)中，飛行員根據(jù)擁有的領(lǐng)域知識(shí)來(lái)采取有效的操作策略）。在自動(dòng)化飛機(jī)駕駛艙操作中，飛行員操作通常是通過(guò)顯示器、控制顯示裝置和自動(dòng)駕駛模式控制板等機(jī)載設(shè)備來(lái)實(shí)施對(duì)自動(dòng)化飛行的監(jiān)控，飛行員以上3 種行為之間的相對(duì)比例正好與傳統(tǒng)駕駛艙中的比例相反，即飛行員的操控作業(yè)更多地歸屬于規(guī)則式和知識(shí)式行為，有效的自動(dòng)化監(jiān)控操作更多地取決于飛行員對(duì)領(lǐng)域知識(shí)（自動(dòng)化系統(tǒng)基本原理和飛行操作程序等）的理解；當(dāng)遇到非正常飛行操作情景時(shí)，飛行員需要進(jìn)行一定的推理決策（Sarter，Wickens et al.，2003；許為，2003）。這種規(guī)則和知識(shí)-驅(qū)動(dòng)式監(jiān)控操作對(duì)飛行員的能力提出了更高要求，因此自動(dòng)化駕駛艙雖然減輕了飛行員的體力工作負(fù)荷，但是增加了他們的認(rèn)知工作負(fù)荷（Grubb，et al.，1994）。

在過(guò)去的幾十年中，人因工程界針對(duì)現(xiàn)代大型商用飛機(jī)駕駛艙中的人-自動(dòng)化交互方面的問(wèn)題開(kāi)展了廣泛深入的研究，評(píng)估自動(dòng)化駕駛艙對(duì)操作員情景意識(shí)、自動(dòng)化模式識(shí)別、警戒水平、信任、工作負(fù)荷、工作績(jī)效等方面的影響，并且已達(dá)到基本一致的共識(shí)（例如，Sarter & Woods，1995；Endsley，2017a；許為，2003）。例如，自動(dòng)化操作中的監(jiān)控作業(yè)會(huì)導(dǎo)致飛行員操作員警戒水平降低（Hancock，2013）、對(duì)自動(dòng)化的過(guò)度信任（自滿）、過(guò)度依賴自動(dòng)化（Parasuraman＆Riley，1997）等人因問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn)許多自動(dòng)化系統(tǒng)存在脆弱性，它們?cè)谠O(shè)計(jì)所規(guī)定的操作情況下系統(tǒng)運(yùn)行良好，但是在遇到意外事件需要人工干預(yù)的應(yīng)急狀態(tài)下，自動(dòng)化系統(tǒng)可能導(dǎo)致操作員的“自動(dòng)化驚奇”（automation surprise）反應(yīng)（Sarter & Woods，1995），即操作員可能無(wú)法理解自動(dòng)化系統(tǒng)正在做什么，為什么要這樣做，為什么它會(huì)從一種自動(dòng)化模式轉(zhuǎn)換到另一種模式。“自動(dòng)化驚奇”可能引起飛行員的模式混淆、自動(dòng)化情景意識(shí)下降，“人在環(huán)外”效應(yīng)、診斷問(wèn)題準(zhǔn)確性和效率降低等人因問(wèn)題，導(dǎo)致飛行員可能會(huì)作出錯(cuò)誤的人工干預(yù)，從而帶來(lái)產(chǎn)生人為差錯(cuò)的隱患（Endsley，2015；Endsley &Kiris，1995；Wickens & Kessel，1979；Young，1969）。FAA 航空安全報(bào)告系統(tǒng)（ASRS）的數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，在1988—1995 年期間，大約有105 份事故報(bào)告與自動(dòng)化駕駛艙有關(guān)。這些問(wèn)題直接或間接地導(dǎo)致了一些重大飛機(jī)解體事故的發(fā)生（Endsley & Kiris，1995；Mumaw et al.，2000）。

2.3 人因問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因

美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的人因工程研究（1996）確認(rèn)了導(dǎo)致以上這些人因問(wèn)題的一系列原因，其中包括飛行員-自動(dòng)化交互、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、飛行員培訓(xùn)等。Read 等（2020） 分析了美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全局（NTSB）、加拿大運(yùn)輸安全委員會(huì)（TSB）和澳大利亞運(yùn)輸安全局（ATSB）的事故數(shù)據(jù)庫(kù)中16 份涉及自動(dòng)化系統(tǒng)的事故調(diào)查報(bào)告（1997 年1 月至2018 年6 月），結(jié)果表明多種相互作用的因素導(dǎo)致了與自動(dòng)化相關(guān)的事故，其中最主要的因素包括飛行員情景意識(shí)、飛行操作程序、飛行員決策、自動(dòng)化設(shè)計(jì)以及航空公司制定的自動(dòng)化操作規(guī)定。導(dǎo)致自動(dòng)化駕駛艙人因問(wèn)題的原因往往不是單一的（Lee，2018；Kaber，2018）。例如，飛行員情景意識(shí)的下降往往是由多種因素造成的，其中包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)、飛行員培訓(xùn)和飛行操作程序等。以下概述人因問(wèn)題產(chǎn)生的一些主要原因。

2.3.1 人機(jī)界面

現(xiàn)有駕駛艙自動(dòng)化人機(jī)界面是經(jīng)過(guò)多次技術(shù)升級(jí)的產(chǎn)物。大型商用飛機(jī)駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)始于上世紀(jì)70 年代，它的初期研發(fā)遵循了“以技術(shù)為導(dǎo)向”的理念（Billings，1996）。這種開(kāi)發(fā)方式為飛行員提供了幾十種自動(dòng)化模式和控制方式，導(dǎo)致了過(guò)分復(fù)雜的人機(jī)界面（參見(jiàn)圖1、2）。例如，針對(duì)自動(dòng)化垂直導(dǎo)航飛行操作，系統(tǒng)提供了垂直速度、飛行高度改變、垂直導(dǎo)航航路、垂直導(dǎo)航速度以及飛行路徑角等眾多的控制方式，增加了飛行員的認(rèn)知工作負(fù)荷和人為差錯(cuò)的發(fā)生概率（例如自動(dòng)化方式選擇錯(cuò)誤）（FAA，1996；Xu，2007）。

新增的駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)功能與已有功能在人機(jī)界面的整合設(shè)計(jì)方面也存在不足。盡管航空界一直在努力優(yōu)化自動(dòng)化人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，但是受設(shè)計(jì)兼容性、飛行員培訓(xùn)成本、適航認(rèn)證風(fēng)險(xiǎn)等因素的影響，最初的“以技術(shù)為導(dǎo)向”設(shè)計(jì)給后續(xù)新機(jī)型人機(jī)界面設(shè)計(jì)的改進(jìn)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)，導(dǎo)致自動(dòng)化人機(jī)界面并沒(méi)有得到根本性的改進(jìn)。新增的機(jī)載設(shè)備一方面為飛行安全提供了進(jìn)一步的保障，但是也有可能進(jìn)一步增加了人機(jī)界面的復(fù)雜性（Dismukes et al.，2007）。例如，駕駛艙機(jī)載系統(tǒng)為飛行員提供了多通道告警信號(hào)（聽(tīng)、視、觸覺(jué)等），然而逐步增加的新機(jī)載系統(tǒng)（例如地形回避和警告系統(tǒng)）的告警信號(hào)并沒(méi)有與原有告警信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的整合設(shè)計(jì)，有時(shí)會(huì)給高負(fù)荷應(yīng)急狀態(tài)下的飛行員告成信息過(guò)載，從而帶來(lái)產(chǎn)生人為差錯(cuò)的隱患（許為，陳勇，2014）。

2.3.2 自動(dòng)化水平

系統(tǒng)的自動(dòng)化水平會(huì)影響操作員的工作績(jī)效、工作負(fù)荷以及情景意識(shí)（Kaber，2018）。Bainbridge（1983）在總結(jié)了以往研究的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)經(jīng)典的現(xiàn)象：自動(dòng)化的諷刺（ironies of automation）：即自動(dòng)化程度越高，操作員的介入越少，操作員對(duì)系統(tǒng)的關(guān)注度就越低；在應(yīng)急狀態(tài)下，操作員就越不容易通過(guò)人工干預(yù)來(lái)安全有效地操控系統(tǒng)。Onnasch 等（2014）針對(duì)18 項(xiàng)自動(dòng)化研究的元分析發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化水平的增加有利于操作員工作績(jī)效的提升和工作負(fù)荷的下降，但是操作員的情景意識(shí)和手動(dòng)技能也下降。研究表明采用適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化有助于避免這些人因問(wèn)題的產(chǎn)生。例如，Endsley & Kiris（1995）的研究證明全自動(dòng)化所導(dǎo)致的情景意識(shí)損失可以通過(guò)使用中等程度的自動(dòng)化設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)。

2.3.3 飛行員培訓(xùn)

大多數(shù)的飛行員培訓(xùn)內(nèi)容主要側(cè)重于自動(dòng)化系統(tǒng)的基本操作知識(shí)，缺乏對(duì)如何在各種飛行場(chǎng)景中（包括非正常場(chǎng)景）選擇合適的自動(dòng)化水平、方式等方面的任務(wù)導(dǎo)向型知識(shí)和自動(dòng)化飛行領(lǐng)域知識(shí)等方面的培訓(xùn)（Mumaw，Boorman et al.，2000）。從人因工程角度看，這些知識(shí)對(duì)于飛行員正確判斷自動(dòng)化系統(tǒng)的工作狀態(tài)、建立完整有效的心理模型、提升規(guī)則和知識(shí)-驅(qū)動(dòng)式監(jiān)控操作能力、提高解決問(wèn)題和決策能力是非常重要的（Billman et al.，2020）。

2.3.4 文化因素

文化因素會(huì)影響人的自動(dòng)化操作作業(yè)和對(duì)自動(dòng)化的信任（Chien et al.，2018）。對(duì)自動(dòng)化駕駛艙來(lái)說(shuō)，國(guó)家民族文化和航空公司企業(yè)文化對(duì)飛行員的自動(dòng)化飛行操作會(huì)產(chǎn)生影響。例如，美國(guó)得克薩斯大學(xué)對(duì)12 個(gè)國(guó)家的5879 名飛行員的問(wèn)卷調(diào)查研究表明，對(duì)于駕駛艙自動(dòng)化的態(tài)度和使用，不同國(guó)家文化間的差別明顯大于同一國(guó)家內(nèi)不同航空公司企業(yè)文化之間的差別。其中，大部分飛行員認(rèn)為，在高負(fù)荷工作狀態(tài)下，應(yīng)避免對(duì)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的再編程，但是這種選擇的差異范圍在不同國(guó)家之間達(dá)到35%～64%；而對(duì)于所在航空公司是否要求飛行員使用自動(dòng)化飛行的問(wèn)題，不同國(guó)家間的選擇范圍則達(dá)到32%～84%之多（許衛(wèi)，2004）。

2.3.5 飛行操作程序

Mumaw，Boorman 等（2000）的研究表明，當(dāng)飛行員應(yīng)對(duì)非正常飛行狀態(tài)、執(zhí)行空中交通管制（空管）請(qǐng)求時(shí)，自動(dòng)化飛行操作程序并不能有效地支持飛行員的任務(wù)。在某些情況下，沒(méi)有現(xiàn)成的操作程序來(lái)幫助飛行員處理這些情況。當(dāng)飛行員的自動(dòng)化心理模型和人機(jī)界面設(shè)計(jì)存在缺陷時(shí)，缺乏有效的飛行操作程序會(huì)增加飛行員的工作負(fù)荷。例如，駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)為飛行員執(zhí)行空管指令提供了方便，一些復(fù)雜的離場(chǎng)和進(jìn)近航路、高度限制等飛行作業(yè)可通過(guò)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的預(yù)編程來(lái)完成，一定程度上降低了飛行員的工作負(fù)荷。進(jìn)場(chǎng)和著陸飛行操作是一個(gè)高負(fù)荷工作場(chǎng)景，臨時(shí)改變的進(jìn)場(chǎng)或著陸空管指令會(huì)迫使飛行員修改預(yù)編的程序，從而將飛行員置于潛在危險(xiǎn)的高工作負(fù)荷之中，或迫使飛行員放棄全自動(dòng)化功能優(yōu)勢(shì)而回到低水平的自動(dòng)化飛行操作，而某些離場(chǎng)和進(jìn)近程序的設(shè)計(jì)也并非與駕駛艙自動(dòng)化飛行操作程序完全兼容，增加了飛行員的工作負(fù)荷。

2.4 人因工程的途徑

針對(duì)自動(dòng)化駕駛艙的人因問(wèn)題，本文從以下幾個(gè)方面來(lái)概述人因工程解決方案。

2.4.1 “以人為中心的自動(dòng)化”設(shè)計(jì)理念

駕駛艙自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念決定了飛行員與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的功能分配、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)以及飛行操作程序的制定。針對(duì)自動(dòng)化駕駛艙的人因問(wèn)題，Billings（1997）提出了“以人為中心的自動(dòng)化”設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)必須為飛行員提供足夠的反饋信息，保持飛行員的在環(huán)狀態(tài)，確保飛行員擁有對(duì)飛行的最終決策控制權(quán)。Endsley（2017）綜合以往的研究提出了一個(gè)人-自動(dòng)化監(jiān)督（HASO）模型，該模型概括了產(chǎn)生自動(dòng)化人因問(wèn)題的主要因素，并且為實(shí)現(xiàn)有效的“以人為中心的自動(dòng)化”理念提供了一個(gè)人因工程解決方案。

從飛機(jī)制造商角度看，波音和空客公司都強(qiáng)調(diào)了“以人為中心”的駕駛艙設(shè)計(jì)理念，但是具體的人機(jī)界面設(shè)計(jì)則不同。空客的自動(dòng)化駕駛艙設(shè)計(jì)向飛行員提供了更多的自動(dòng)化飛行操作功能和較少的自動(dòng)化系統(tǒng)反饋信息（比如自動(dòng)飛行狀態(tài)下靜止的側(cè)操縱桿和油門(mén)桿），希望降低飛行員的工作負(fù)荷。例如，空客飛機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)限制了飛行員的可控飛行包絡(luò)面（橫滾小于67度、俯仰角小于30 度），這是一種“硬保護(hù)”的設(shè)計(jì)思路。而波音的自動(dòng)化設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)飛行員的主動(dòng)控制權(quán)，采用的“軟保護(hù)”設(shè)計(jì)允許飛行員在飛行包絡(luò)面以外操控飛機(jī)，以便在應(yīng)急狀態(tài)下允許飛行員主動(dòng)操控飛機(jī)來(lái)擺脫困境。另外，波音駕駛艙為飛行員提供了余度式多通道反饋信息（比如失速狀態(tài)下中央手動(dòng)操縱桿的抖動(dòng)，自動(dòng)飛行狀態(tài)下動(dòng)態(tài)的操縱桿和油門(mén)桿）。圍繞這兩種自動(dòng)化設(shè)計(jì)優(yōu)劣的爭(zhēng)議許多年以來(lái)一直沒(méi)有結(jié)論。從飛行安全看，兩類(lèi)飛機(jī)事故率都極低，說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)“以人為中心的自動(dòng)化”設(shè)計(jì)理念的重要性，但是人因工程界目前還缺乏足夠的飛行事故數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案做出一個(gè)全面的科學(xué)評(píng)價(jià)（許衛(wèi)，2004）。

2.4.2 人機(jī)交互和人機(jī)界面優(yōu)化

從人機(jī)界面設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，航空界一直在朝著“以人為中心的自動(dòng)化設(shè)計(jì)”的方向努力。例如，為降低進(jìn)場(chǎng)和著陸階段的可控飛行撞地（CFIT）事故率，增加飛行員的垂直狀態(tài)意識(shí)和低能見(jiàn)度下的可操作性，波音開(kāi)發(fā)了垂直狀態(tài)顯示器（VSD），其中人因工程研究在顯示畫(huà)面格式設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面發(fā)揮了重要作用（Mumaw，Boorman et al.，2000）。新一代飛機(jī)駕駛艙（比如波音787 等）也推出易操作、整合化的飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)顯控裝置（Neville &Dey，2012）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，設(shè)計(jì)出統(tǒng)一的、跨制造商和機(jī)種的標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)化駕駛艙是非常有必要的，有利于進(jìn)一步提高飛行安全，并且降低航空公司的飛行員培訓(xùn)和運(yùn)營(yíng)成本（FAA，1996）。

人為差錯(cuò)是導(dǎo)致約70%民機(jī)重大事故的主要原因或原因之一，其中由駕駛艙設(shè)計(jì)引發(fā)的飛行員人為差錯(cuò)占有相當(dāng)大的比例（FAA，2004），航空界和人因工程界正在通過(guò)駕駛艙人機(jī)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)和適航測(cè)試認(rèn)證等手段來(lái)減少由設(shè)計(jì)引發(fā)的飛行員人為差錯(cuò)（許為，陳勇，2014）。

研究者還從優(yōu)化人-自動(dòng)化交互的角度來(lái)解決相應(yīng)的人因問(wèn)題。例如，針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)化駕駛艙人機(jī)界面沒(méi)有提供有效信息來(lái)支持飛行員應(yīng)對(duì)非正常操作場(chǎng)景的自適應(yīng)認(rèn)知能力和行為，Ackerman 等（2017）的研究提出優(yōu)化自動(dòng)化情景意識(shí)的信息顯示來(lái)修復(fù)人- 自動(dòng)化交互中的人因問(wèn)題，Calhoun（2021）的研究則提出采用人類(lèi)操作員啟動(dòng)的自適應(yīng)人-自動(dòng)化交互機(jī)制有助于提升操作員的情景意識(shí)和人工干預(yù)的有效性，而不是采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)分配的人-自動(dòng)化交互機(jī)制。

2.4.3 適航認(rèn)證

美國(guó)航空總局（FAA）在1999 年啟動(dòng)了一項(xiàng)針對(duì)自動(dòng)化駕駛艙人因問(wèn)題的研究，結(jié)果表明FAA 適航條款中存在35 項(xiàng)與人因有關(guān)的問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及如何在適航要求中充分考慮飛行員能力、如何有效地支持飛行員作業(yè)績(jī)效以及如何有效管理人為差錯(cuò)等方面（FAA，2004）；FAA 25部對(duì)人因方面的適航要求是按照“以系統(tǒng)設(shè)備和功能為導(dǎo)向”的方式在相關(guān)的條款中作出一般性和定性的要求。該研究認(rèn)為局部地修改25 部的部分條款無(wú)法系統(tǒng)地解決所存在的人因問(wèn)題，有必要按照“以飛行員為中心”的方式增補(bǔ)一項(xiàng)新條款（CS25.1302） 來(lái)系統(tǒng)地解決這些問(wèn)題（FAA，2013）。25.1302 新條款將整個(gè)駕駛艙中與飛行員飛行任務(wù)相關(guān)的設(shè)備和功能視為一個(gè)整合的人機(jī)交互系統(tǒng)，以飛行員任務(wù)為導(dǎo)向，以能否支持飛行員有效和安全地完成規(guī)定的飛行任務(wù)（作業(yè)績(jī)效）為目標(biāo)，規(guī)定了這些設(shè)備和功能的設(shè)計(jì)必須與飛行員的能力相匹配，從而能夠有效地支持飛行員作業(yè)績(jī)效和人為差錯(cuò)管理，并且最大限度地減少飛行員人為差錯(cuò)等人因問(wèn)題（羅青，2013）。歐洲航空安全局（EASA）和FAA 分別于2007 年和2013 年正式將該新條款（CS25.1302）納入適航認(rèn)證要求（EASE，2007；FAA，2013），中國(guó)商飛也已將25.1302 條款納入C919 型號(hào)的適航認(rèn)證中（黨亞斌，2012）。

2.4.4 人因工程的挑戰(zhàn)

Strauch（2017）的研究表明，盡管航空界和人因工程界都在致力于改進(jìn)自動(dòng)化駕駛艙的人因問(wèn)題，但是經(jīng)典的“自動(dòng)化的諷刺”現(xiàn)象在30 多年后仍然沒(méi)有得到徹底的解決，波音737 MAX 飛機(jī)在2018、2019 年（獅航和埃塞俄比亞航空）連續(xù)發(fā)生的與駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)有關(guān)的兩起重大事故說(shuō)明了這一點(diǎn)（NTSB，2019）。作者多年前的研究表明實(shí)現(xiàn)和落實(shí)人因工程研究成果仍然面臨著挑戰(zhàn)（Xu，2007）。

針對(duì)自動(dòng)化駕駛艙的人因問(wèn)題，Xu（2007）采用Rasmussen（1985）的抽象層次結(jié)構(gòu)（AH）認(rèn)知工程模型，開(kāi)展了基于大數(shù)據(jù)的建模分析。這些數(shù)據(jù)包括：（1）飛行員問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查數(shù)據(jù)代表了在駕駛艙自動(dòng)化操作方面具備不同航線飛行經(jīng)驗(yàn)的全球5000 多名飛行員（BASI，1998）；（2）飛行事故報(bào)告。航空安全報(bào)告系統(tǒng)（ASRS）數(shù)據(jù)庫(kù)中所記錄的與駕駛艙自動(dòng)化飛行直接相關(guān)的105 個(gè)報(bào)告；（3）飛行模擬器實(shí)驗(yàn)。在波音747-400 飛行模擬器上基于眼動(dòng)追蹤、飛行員自動(dòng)化監(jiān)控行為、自動(dòng)化飛行績(jī)效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Sarter，Wickens et al.，2003）；（4）飛行員心理模型測(cè)試。飛行員在完成747-400 飛行模擬器實(shí)驗(yàn)以后的結(jié)構(gòu)式訪談數(shù)據(jù)（Mumaw，Sarter et al.，2000）。該建模分析研究表明，飛行員掌握了駕駛艙自動(dòng)化操作的基本知識(shí)和技能，飛行員人誤主要發(fā)生在執(zhí)行與規(guī)則式和知識(shí)式行為相關(guān)的自動(dòng)化飛行操作時(shí)；有些飛行員缺乏一個(gè)完整有效的自動(dòng)化飛行操作心理模式；自動(dòng)化人機(jī)界面未能有效地呈現(xiàn)與自動(dòng)化飛行目標(biāo)相關(guān)的信息；飛行員沒(méi)有足夠的能有效應(yīng)對(duì)應(yīng)急狀態(tài)的自動(dòng)化飛行操作程序。該研究建議，改進(jìn)飛行員培訓(xùn)、飛行手冊(cè)內(nèi)容、自動(dòng)化飛行操作程序，并且進(jìn)一步優(yōu)化基于“以人為中心”理念的駕駛艙人機(jī)界面。由于駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)改進(jìn)費(fèi)時(shí)，并且不會(huì)影響現(xiàn)有機(jī)隊(duì)，因此研究建議優(yōu)先考慮飛行員培訓(xùn)、飛行操縱手冊(cè)和飛行操作程序方面的工作。

針對(duì)有效的飛行員自動(dòng)化培訓(xùn)，采用Vicente（1999）認(rèn)知工作分析方法對(duì)飛行員自動(dòng)化培訓(xùn)內(nèi)容的進(jìn)一步分析表明，由于缺乏對(duì)駕駛艙自動(dòng)化領(lǐng)域知識(shí)的有效和完整的表征，許多飛行員培訓(xùn)內(nèi)容不能有效地幫助飛行員建立起一個(gè)準(zhǔn)確和完整的自動(dòng)化心理模型，也不利于有效地培養(yǎng)飛行員的知識(shí)-驅(qū)動(dòng)式監(jiān)控能力和維持良好的情景意識(shí)。這些原因?qū)е聜€(gè)別飛行員遇到復(fù)雜操作情景和異常狀態(tài)時(shí)，有時(shí)不能有效地在整個(gè)領(lǐng)域知識(shí)空間內(nèi)搜索或推理出符合當(dāng)前飛行場(chǎng)景的自動(dòng)化飛行操作（Mumaw，Boorman et al.，2000；Xu，2007）。

導(dǎo)致波音737 MAX 飛機(jī)在2018、2019年兩起飛機(jī)解體事故的發(fā)生有多方面原因，其中包括制造商管理層、自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（機(jī)動(dòng)特性增穩(wěn)系統(tǒng)，MCAS）、人機(jī)界面設(shè)計(jì)（告警信息等）、適航認(rèn)證、FAA 監(jiān)督、安全文化、飛行員培訓(xùn)以及地面維修等（Cusumano，2020；The U.S. House Committee，2020）。從人因工程角度分析，這兩起737 MAX 飛機(jī)事故至少包括以下三個(gè)方面的原因：“以人為中心自動(dòng)化”設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)（如何保證任何時(shí)候飛行員擁有對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的最終決策權(quán)，如何保證飛行員在應(yīng)急狀態(tài)下能夠快速有效地中斷自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)人工接管飛行操控），人機(jī)界面設(shè)計(jì)優(yōu)化（如何在現(xiàn)有駕駛艙告警人機(jī)界面中有效地整合新設(shè)備的告警信息，從而為飛行員提供足夠的情景意識(shí)，避免“自動(dòng)化驚奇”現(xiàn)象等），必要的飛行員培訓(xùn)和飛行手冊(cè)內(nèi)容更新（如何保證飛行員擁有一個(gè)準(zhǔn)確和完整的自動(dòng)化心理模型）。

由此可見(jiàn)，展望今后自動(dòng)化駕駛艙的人因工程工作，人因工程界要繼續(xù)推動(dòng)以往研究成果在實(shí)際應(yīng)用中的落實(shí)；另一方面，人因工程界需要并且也一直在繼續(xù)開(kāi)展自動(dòng)化駕駛艙的研究。例如，在駕駛艙顯示界面設(shè)計(jì)方面，人因工程界研究如何優(yōu)化信息顯示來(lái)降低“自動(dòng)化驚奇”的可能性（Dehais et al.，2015）；研究如何通過(guò)以人為中心的自動(dòng)化顯示設(shè)計(jì)和訓(xùn)練將飛行員的非適度自動(dòng)化信任和依賴調(diào)整到適度狀態(tài)（王新野等，2017；Manzey et al.，2012）；研究如何通過(guò)有效的自動(dòng)化監(jiān)控策略、飛行員培訓(xùn)、心理模型構(gòu)建來(lái)幫助飛行員應(yīng)對(duì)非正常飛行場(chǎng)景（Billman et al.，2020）。

最后，智能自主化新技術(shù)正在進(jìn)入人們的日常工作和生活，自動(dòng)化駕駛艙也不例外。在智能時(shí)代，人因工程的挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存：既要在引進(jìn)智能新技術(shù)的同時(shí)吸取自動(dòng)化駕駛艙人因問(wèn)題的教訓(xùn)，同時(shí)要充分發(fā)揮智能新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，找到能夠進(jìn)一步幫助解決自動(dòng)化駕駛艙人因問(wèn)題的有效方案。

3 智能化飛機(jī)駕駛艙

3.1 基本概念

從某種意義上講，機(jī)載自動(dòng)化技術(shù)輔助飛行員的能力達(dá)到了瓶頸，在一些特殊操作環(huán)境中（比如設(shè)計(jì)無(wú)法預(yù)料的非正常操作場(chǎng)景），飛行員需要智能化、更高水平的“自動(dòng)化”技術(shù)的支持。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，不同于自動(dòng)化技術(shù)，智能技術(shù)擁有獨(dú)特的自主化（autonomy）特征。帶有自主化特征的智能系統(tǒng)具有一定程度的認(rèn)知學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等能力，在特定的場(chǎng)景下可以自主地完成獨(dú)立于人工干預(yù)甚至設(shè)計(jì)事先無(wú)法預(yù)料的一些特定任務(wù)（詳見(jiàn)本系列文章之五《五論以用戶為中心的設(shè)計(jì)：從自動(dòng)化到智能時(shí)代的自主化以及自動(dòng)駕駛車(chē)》，許為，2020）。自動(dòng)化和自主化之間的區(qū)別不是在自動(dòng)化水平上遞進(jìn)的關(guān)系，有沒(méi)有基于智能技術(shù)的認(rèn)知學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、獨(dú)立執(zhí)行等自主化能力是兩者之間本質(zhì)上的區(qū)別，智能系統(tǒng)借助于一定的算法、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)訓(xùn)練等手段，可以在一定的場(chǎng)景中自主地完成以往自動(dòng)化技術(shù)所不能完成的任務(wù)（Madni&Madni，2018；Kaber，2018）。

如前所述，現(xiàn)有飛機(jī)自動(dòng)化駕駛艙系統(tǒng)是基于自動(dòng)化技術(shù)，其運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于固定的邏輯規(guī)則和算法來(lái)執(zhí)行定義好的任務(wù)（比如通過(guò)飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的編程），并產(chǎn)生確定的操作結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)無(wú)法預(yù)料的非正常飛行場(chǎng)景時(shí)，需要飛行員通過(guò)手動(dòng)飛行操縱來(lái)執(zhí)行人工干預(yù)。從理論上來(lái)說(shuō)，基于智能技術(shù)的飛機(jī)智能機(jī)載系統(tǒng)有可能克服自動(dòng)化技術(shù)的局限性。例如，現(xiàn)有自動(dòng)化飛行系統(tǒng)不能應(yīng)對(duì)事先設(shè)計(jì)中無(wú)法預(yù)測(cè)的飛機(jī)故障或者非正常飛行場(chǎng)景，通過(guò)采用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)（基于大量經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員操作數(shù)據(jù)以及相關(guān)的飛行參數(shù)和操作場(chǎng)景的知識(shí)庫(kù)）等技術(shù)，訓(xùn)練并建立能夠應(yīng)對(duì)故障和非正常飛行場(chǎng)景模式的智能飛行系統(tǒng)，從而彌補(bǔ)個(gè)體飛行員能力和知識(shí)的局限，安全有效地?cái)[脫一些飛行操作困境。

針對(duì)未來(lái)駕駛艙機(jī)載智能系統(tǒng)的功能問(wèn)題，目前還沒(méi)有具體完整的解決方案，但是研究者們基于智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、自動(dòng)化技術(shù)的局限性、飛行安全和航空公司等需求，展望了未來(lái)智能駕駛艙的發(fā)展（嚴(yán)林芳等，2017；楊志剛，張炯等，2021；吳文海等，2016）。例如，通過(guò)機(jī)載智能輔助駕駛技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)正常場(chǎng)景和標(biāo)準(zhǔn)飛行流程下“門(mén)到門(mén)”的全自動(dòng)駕駛（包括場(chǎng)面滑行、起飛著陸），并且具備檢查單等相關(guān)飛行準(zhǔn)備工作的全自動(dòng)執(zhí)行能力；通過(guò)機(jī)載智能決策輔助技術(shù)為飛行員提供全飛行階段（正常、非正常）飛行操作的決策支持，以及提供指引以及信息融合（含空管、交通服務(wù)等）顯示、機(jī)組告警系統(tǒng)信息自動(dòng)關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)故障分析與預(yù)測(cè)等能力；利用智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)開(kāi)發(fā)出更加有效的機(jī)載人機(jī)交互界面；基于知識(shí)圖譜和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及決策樹(shù)等技術(shù)，形成具有飛行駕駛決策能力的數(shù)字模型。機(jī)載智能系統(tǒng)應(yīng)該能夠感知飛行運(yùn)營(yíng)信息和飛機(jī)狀態(tài)（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取飛機(jī)內(nèi)外部信息）、進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取、分析和預(yù)測(cè)（天氣、地形等）、進(jìn)行記憶學(xué)習(xí)（空天一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行云存儲(chǔ)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)獲取新知識(shí)）、自主控制與規(guī)劃（飛行操作、航路規(guī)劃、飛行決策等）、裝備智能交互技術(shù)（觸摸屏、組合視景、民用飛機(jī)頭戴顯示、語(yǔ)音識(shí)別等）以及進(jìn)行空地一體化智能維護(hù)管理等（嚴(yán)林芳等，2017；吳文海等，2016）。

國(guó)際上，歐洲航空安全局（EASA）（2020）發(fā)布了《AI 路線圖》，波音和空客等企業(yè)正積極探索AI 技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。中國(guó)商飛在2020 年發(fā)布了“有人監(jiān)督模式下的大型客機(jī)自主飛行技術(shù)研究”的技術(shù)指南（楊志剛等，2021）。

3.2 人因工程初步研究

3.2.1 “以人為中心”的智能化駕駛艙

智能自主化技術(shù)并非十全十美，它具有“雙刃劍”效應(yīng)（許為，2020）。一方面，智能系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)、AI 深度學(xué)習(xí)等技術(shù)可以整合大量的專(zhuān)家知識(shí)，主動(dòng)地幫助人類(lèi)操作員在非正常場(chǎng)景中解決以往單人知識(shí)所不能解決的問(wèn)題，這是傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；另一方面，如果智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不遵循“以人為中心AI”的理念，不保證人類(lèi)擁有對(duì)系統(tǒng)的最終決策控制權(quán)，智能系統(tǒng)自主獨(dú)立執(zhí)行和不確定輸出等自主化特征有可能帶來(lái)飛行安全的隱患（許為，葛列眾，2020）。

人因工程界針對(duì)智能自主化技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展研究。Endsley（2017）認(rèn)為“自動(dòng)化的諷刺”效應(yīng)也會(huì)在智能自主化技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)。在智能自主化系統(tǒng)中，隨著單個(gè)功能“自動(dòng)化”水平的提高、整體系統(tǒng)的自主化以及可靠性的增加，操作員對(duì)這些功能的關(guān)注度和情景意識(shí)可能會(huì)降低，在應(yīng)急狀態(tài)下出現(xiàn)“人在閉環(huán)外”的可能性也會(huì)增加。近幾年發(fā)生了許多起基于智能自主化技術(shù)的自動(dòng)駕駛車(chē)致命事故，人因分析表明導(dǎo)致這些事故發(fā)生的原因包括：人機(jī)界面設(shè)計(jì)問(wèn)題、情景意識(shí)下降、自動(dòng)化模式混淆、“人在閉環(huán)外”、低參與度、過(guò)度依賴或信任自主化等，而這些問(wèn)題正是以往人-自動(dòng)化交互中的典型人因問(wèn)題（Navarro，2018；NHTSA，2018；Endsley 2017；Xu，2020）。

另外，具有學(xué)習(xí)等認(rèn)知能力的自主化系統(tǒng)隨著在不同環(huán)境中的使用會(huì)不斷提升自身的能力，其操作結(jié)果具有潛在的不確定性，因此自主化技術(shù)有可能比自動(dòng)化技術(shù)給人類(lèi)操作員帶來(lái)更強(qiáng)烈的“自動(dòng)化驚奇”體驗(yàn)（Sarter&Woods，1995）。這些效應(yīng)可能進(jìn)一步放大以上這些人因問(wèn)題的影響程度，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“l(fā)umberjack”效應(yīng)（Onnasch et al.2014）。研究還表明，與自動(dòng)化技術(shù)相比，自主化技術(shù)還可能會(huì)導(dǎo)致操作員高度情緒化的反應(yīng)，一些社會(huì)因素更容易對(duì)操作員的心理產(chǎn)生影響（Clare，et al.，2015；de Visser，et al.，2018）。

由此可見(jiàn)，如同自動(dòng)化技術(shù)在飛機(jī)駕駛艙應(yīng)用的初期，智能化飛機(jī)駕駛艙的研發(fā)需要人因工程的早期介入和解決方案。正如本系列文章《四論以用戶為中心的設(shè)計(jì)：以人為中心的人工智能》中所提出的“以人為中心的AI”設(shè)計(jì)理念（許為，2019；Xu，Dainoff et al.，2022），針對(duì)民用航空領(lǐng)域的高風(fēng)險(xiǎn)性特征，“以人為中心設(shè)計(jì)”的理念強(qiáng)調(diào)人應(yīng)該是在任何條件下、任何時(shí)候都擁有對(duì)系統(tǒng)的最終決策控制權(quán)。

針對(duì)航空智能系統(tǒng)研發(fā)，采用“以人為中心”的理念目前已經(jīng)基本達(dá)成了共識(shí)（例如，Parnell et al.，2021；EASA 2020；許為，陳勇，董文俊等，2022）。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）在2014 年發(fā)布的《民航自主化研究：邁向飛行新時(shí)代》中強(qiáng)調(diào)，智能系統(tǒng)的操作需要人的參與，要充分考慮人與智能系統(tǒng)之間的角色、職責(zé)和工作量的有效分配，人與智能系統(tǒng)是協(xié)作伙伴的關(guān)系。EASA 發(fā)布的《AI 路線圖》的副標(biāo)題（“以人為中心的航空AI 途徑”）就明確了智能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的理念（EASA，2020）。中國(guó)商飛強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)智能系統(tǒng)要以人（飛行員）為核心，一切智能化功能均應(yīng)該圍繞飛行員操作和決策需求開(kāi)發(fā)（楊志剛等，2021）。歐洲人因和工效研究院（CIEHF）（2020）在《未來(lái)駕駛艙技術(shù)的以用戶為中心的設(shè)計(jì)和評(píng)估》的白皮書(shū)中強(qiáng)調(diào)，隨著AI 技術(shù)的實(shí)施，未來(lái)30 年航空領(lǐng)域?qū)l(fā)生許多變化，但是人類(lèi)在系統(tǒng)控制和決策中仍將發(fā)揮關(guān)鍵作用；機(jī)載智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該“以飛行員為中心”；機(jī)載智能系統(tǒng)是提高飛行員情景意識(shí)、規(guī)劃和決策能力的“智能助手”，但不是完全取代人類(lèi)操作員。

3.2.2 基于智能技術(shù)的初步探索

針對(duì)智能駕駛艙的探索研究多年前就已經(jīng)展開(kāi)，盡管當(dāng)時(shí)的智能技術(shù)還不成熟，但是人因工程專(zhuān)業(yè)人士與其他學(xué)科合作提出了一些概念，并且取得了一些初步結(jié)果。例如，飛行員助理（Smith & Broadwell，1986）、旋翼機(jī)飛行員助理（Miller & Hannen，1999）和CAMA（Onken，1999）。其中，Gerlach&Onken（1995）基于專(zhuān)家知識(shí)開(kāi)發(fā)了民航駕駛艙智能決策輔系統(tǒng)（CASSY），該系統(tǒng)包括飛行員模型、目標(biāo)沖突評(píng)估、飛行員意圖和差錯(cuò)識(shí)別等功能，在各種飛行場(chǎng)景中通過(guò)對(duì)飛行狀等評(píng)估和規(guī)劃來(lái)協(xié)助飛行員，初步測(cè)試證明該系統(tǒng)是有效的。近幾年AI 技術(shù)的快速發(fā)展也進(jìn)一步推動(dòng)了這方面的研究。例如，Vemuru 等（2019）的研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)代理技術(shù)的智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)在模擬器中感應(yīng)飛行員的心理反應(yīng)和飛行路徑來(lái)學(xué)習(xí)飛行技能，并且與飛行員形成一種協(xié)同合作關(guān)系，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的智能代理可以在飛行的各個(gè)階段協(xié)助飛行員作業(yè)。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)商飛開(kāi)展了針對(duì)智能化駕駛艙的初步研究（大漠，2016）。該研究對(duì)未來(lái)智能化駕駛艙提出了簡(jiǎn)潔、智能、互聯(lián)、安全四大理念，將智能決策、主動(dòng)優(yōu)化、虛擬現(xiàn)實(shí)、觸摸控制、機(jī)載互聯(lián)、語(yǔ)音控制等技術(shù)引入民機(jī)駕駛艙中，提出了全玻璃化駕駛艙概念，并且設(shè)計(jì)了擁有全新人機(jī)顯控界面布局的展示模擬駕駛艙。國(guó)外一些公司和研究機(jī)構(gòu)也正在開(kāi)發(fā)機(jī)載智能系統(tǒng)等（郭建奇，2020），例如，泰雷茲（Thales）（2019）公布了正在研發(fā)的一些技術(shù)，其中包括作為下一代FlytX 航空電子設(shè)備套件之一的一個(gè)虛擬助手，該助手可為飛行員提供語(yǔ)音人機(jī)交互和實(shí)現(xiàn)初步的飛行員意圖識(shí)別；Daedalean 在開(kāi)發(fā)首個(gè)航空自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)中采用了深卷積前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI 技術(shù)。

3.2.3 智能自主化水平

如何根據(jù)智能技術(shù)的自主化特征來(lái)有效定義智能系統(tǒng)的自主化水平（autonomous level）是一個(gè)重要的人因工程研究問(wèn)題。它不僅涉及如何區(qū)分自動(dòng)化與自主化之間的特征，并且也涉及如何有效地劃分智能自主化的等級(jí)水平，從而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中達(dá)到人與智能系統(tǒng)的最佳匹配和協(xié)同合作。在自動(dòng)化領(lǐng)域，自動(dòng)化水平的定義直接影響到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功能和控制權(quán)在人與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的有效分配。Parasuraman 等人（2000）從人類(lèi)信息加工角度提出了自動(dòng)化的“4 階段理論”（信息獲取、選擇和過(guò)濾，信息整合，行動(dòng)選擇，控制和行動(dòng)執(zhí)行），Sheridan & Verplank（1978）將自動(dòng)化劃分為10 個(gè)水平。已有研究者認(rèn)為傳統(tǒng)的自動(dòng)化水平劃分并沒(méi)有充分考慮到智能自主化技術(shù)特征，因?yàn)檫@些自動(dòng)化水平劃分主要是從人機(jī)功能分配的角度出發(fā)，并沒(méi)有考慮到智能技術(shù)的自主化特征，例如在特定場(chǎng)景下所具有的一些認(rèn)知學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自治（self-governance）、自主執(zhí)行等自主化能力（Kaber，2018；Bradshaw et al.，2013；Kistan et al.，2018；許為，2020）。因此這些傳統(tǒng)自動(dòng)化水平定義不適合于智能自主化技術(shù)。

航空領(lǐng)域目前還沒(méi)有被廣泛接受的智能自主化等級(jí)劃分方法。有研究者強(qiáng)調(diào)人的參與程度和人類(lèi)與智能自主系統(tǒng)之間的合作伙伴關(guān)系，將自主劃分為人操作、人授權(quán)、人監(jiān)督和完全自主4 個(gè)等級(jí)（盧新來(lái)等，2021）。經(jīng)過(guò)二十多年的研究，雖然目前依然沒(méi)有建立起具有實(shí)際操作意義的自主化等級(jí)劃分方法，但是人們對(duì)智能自主化以及自主化等級(jí)等概念的認(rèn)知正在不斷深化。例如，EASE（2020）在AI 路線圖中提出了對(duì)應(yīng)于智能自主化層次上的三種主要場(chǎng)景：人在回路中（HITL）、人在回路上（HOTL）和人在控制（HIC）。在1 級(jí)（人在回路中）中，駕駛艙機(jī)載智能系統(tǒng)扮演“助理“角色，協(xié)助機(jī)組人員操作，人類(lèi)飛行員起著主控作用；在2 級(jí)（人在回路上）中，機(jī)載智能系統(tǒng)開(kāi)展與飛行員之間的協(xié)作合作，機(jī)組人員仍然全權(quán)負(fù)責(zé)飛行和監(jiān)控；在3級(jí)（人在控制）中，機(jī)載智能系統(tǒng)擁有更高的自主化層次，在正常操作運(yùn)行中，智能自主系統(tǒng)將不要求人的操作，但人負(fù)責(zé)監(jiān)督并且擁有最終的決控權(quán)。由此可見(jiàn)，對(duì)智能自主化程度的劃分正越來(lái)越多地考慮“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念。

3.2.4 人-智能系統(tǒng)的協(xié)同合作

人與智能系統(tǒng)的協(xié)同合作是另一個(gè)重要的人因工程研究課題。不同于作為“輔助工具”的自動(dòng)化系統(tǒng)，智能自主系統(tǒng)可以成為與人類(lèi)合作的“隊(duì)友”，分享任務(wù)和操控權(quán)，形成“人機(jī)組隊(duì)”（human-machine teaming）式合作的新型人機(jī)關(guān)系，或者稱(chēng)為“人- 自主化組隊(duì)”（human-autonomy teaming）式合作（Kaber，2018；許為，葛列眾，高在峰，2021）。在民航領(lǐng)域，研究者已經(jīng)開(kāi)展了針對(duì)“人-自主化組隊(duì)”的一系列人因工程研究。初步研究表明，通過(guò)培養(yǎng)適當(dāng)人-自主化組隊(duì)合作，人機(jī)之間會(huì)增加互信，提高人機(jī)系統(tǒng)的績(jī)效（Ho et al.，2017；Tokadli et al.，2021）。

在針對(duì)大型商用飛機(jī)單人飛行操作（single pilot operations，SPO）的研究中，研究者采用“人-自主化組隊(duì)”式合作的概念希望在飛機(jī)駕駛艙引進(jìn)一個(gè)“智能副駕駛”來(lái)承擔(dān)起與飛行員合作的隊(duì)友角色，形成類(lèi)似于雙乘員駕駛艙的機(jī)組合作關(guān)系。例如，Tokadli 等人（2021）采用一個(gè)“劇本委托界面”（PDI）來(lái)評(píng)估SPO 駕駛艙中的“人- 自主化組隊(duì)”式合作。該系統(tǒng)是一個(gè)基于領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)和決策- 行為架構(gòu)的智能自主系統(tǒng)，在一些設(shè)計(jì)無(wú)法預(yù)料的操作場(chǎng)景中可以輔助操作員。初步實(shí)驗(yàn)表明PDI 有助于飛行員與該自主系統(tǒng)的合作。Lim 等人（2017） 提出的SPO“虛擬飛行員助理”（VPA）系統(tǒng)架構(gòu)包括推理模型、不確定性分析模型、認(rèn)知知識(shí)模型等，目的是通過(guò)SPO 飛行員與智能系統(tǒng)之間的協(xié)作來(lái)降低工作負(fù)荷。Brandt et al.（2017）采用“人-自主化組隊(duì)”式合作理念開(kāi)展了針對(duì)地面站操作員執(zhí)行SPO 飛行跟蹤任務(wù)的評(píng)估，該研究采用了基于自動(dòng)推薦系統(tǒng)的自主約束飛行計(jì)劃器（ACFP）系統(tǒng)，目的是通過(guò)該系統(tǒng)與地面站操作員的協(xié)作關(guān)系來(lái)支持地面站操作員在非正常場(chǎng)景中的快速?zèng)Q策。初步模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與沒(méi)有ACFP 的地面站相比，參與者認(rèn)為ACFP 提供了足夠的情景意識(shí)，降低了工作負(fù)荷。

3.3 人因工程研究展望

展望航空智能技術(shù)應(yīng)用的前景，EASA（2020）的AI 路線圖基于“以人為中心”理念提出了三階段目標(biāo)：第一階段（2019—2024）利用智能技術(shù)協(xié)助人類(lèi)操作和增強(qiáng)人類(lèi)能力；第二階段（2024—2028）開(kāi)發(fā)基于人機(jī)協(xié)同合作的智能系統(tǒng)；第三階段（2029—2035）開(kāi)發(fā)高水平自主化的智能系統(tǒng)，同時(shí)確保人是最終決控者。CIHFE（2020）從人因工程的角度提出了一份航空領(lǐng)域AI 發(fā)展路線圖，中期目標(biāo)（2025—2035）強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)智能數(shù)字助理和可解釋AI技術(shù)，保證智能系統(tǒng)能夠?yàn)闄C(jī)組人員提供有效的決策建議；長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)（2035—2050）是建立智能化空中交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化空中交通。NASA（2019）《航空戰(zhàn)略實(shí)施規(guī)劃》中定義了近遠(yuǎn)期目標(biāo)。近期目標(biāo)（2015—2025 年）是引入具有有限的自主化、執(zhí)行功能級(jí)目標(biāo)的航空系統(tǒng)；中期目標(biāo)（2025—2035 年）是引入具有靈活的自主化、可信任、可實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)目標(biāo)的航空系統(tǒng)，并且人和系統(tǒng)合作完成任務(wù)目標(biāo)；遠(yuǎn)期目標(biāo)（2035 年后）是引入具有自主性、可實(shí)現(xiàn)政策層面目標(biāo)的分布式協(xié)作航空系統(tǒng)。NASA規(guī)劃還強(qiáng)調(diào)開(kāi)展針對(duì)人與智能系統(tǒng)合作、人-自主化組隊(duì)合作的研究?？梢?jiàn)，以上這些發(fā)展路線圖都強(qiáng)調(diào)了人在系統(tǒng)中的作用以及人與智能系統(tǒng)的協(xié)同合作。

針對(duì)智能駕駛艙人因工程的研究目前處于起步階段，本文針對(duì)今后人因工程研究和設(shè)計(jì)總體工作思路提出以下一些初步建議。

首先，采納“以人為中心”的理念來(lái)研發(fā)智能系統(tǒng)，將人放在系統(tǒng)研發(fā)的中心位置考慮，發(fā)揮人類(lèi)與機(jī)器智能間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)“人在環(huán)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證人擁有對(duì)飛機(jī)的最終操控權(quán)。人因工程要保證智能系統(tǒng)中有效的人機(jī)功能分配，即人類(lèi)從事戰(zhàn)略、規(guī)劃和決策性任務(wù)，而系統(tǒng)則負(fù)責(zé)操作性任務(wù)，保證人與智能系統(tǒng)之間的最佳人機(jī)匹配和協(xié)同合作。

其次，開(kāi)展機(jī)載人-智能系統(tǒng)交互、協(xié)同合作的基礎(chǔ)研究。針對(duì)人機(jī)協(xié)同合作計(jì)算模型和定量評(píng)估，構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于“人-自主化組隊(duì)”合作的人機(jī)交互和決策模式及設(shè)計(jì)概念。采用多學(xué)科方法開(kāi)展“人- 自主化組隊(duì)”研究，例如，采用協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)理論（Hollnagel & Woods，2005），探索如何利用人類(lèi)生物智能和機(jī)器智能在不同程度上的深度組合以及互補(bǔ)來(lái)支持基于人機(jī)組隊(duì)合作的自主化創(chuàng)新設(shè)計(jì)；開(kāi)展人與智能系統(tǒng)之間人機(jī)互信、情景意識(shí)分享、決策分享、控制分享的認(rèn)知和計(jì)算建模研究，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供人因工程解決方案。

再次，從航空安全和智能技術(shù)成熟度看，目前大型商用飛機(jī)駕駛艙機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備升級(jí)不可能全部采用智能自主化系統(tǒng)，應(yīng)該是一種智能化與自動(dòng)化的組合系統(tǒng)。人因工程應(yīng)該根據(jù)人機(jī)功能分配、技術(shù)的各自特點(diǎn)，發(fā)揮自動(dòng)化和自主化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在人、自動(dòng)化以及自主化三者之間找到最佳的“以人為中心”的人因工程解決方案。例如，飛行員在尖峰工作負(fù)荷階段的飛行任務(wù)可以是一個(gè)智能飛行技術(shù)融合的合適切入點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前航空技術(shù)的發(fā)展具有實(shí)際意義，也不會(huì)對(duì)目前的航空技術(shù)體系和駕駛模式產(chǎn)生大影響，有利于通過(guò)技術(shù)迭代來(lái)積累智能化技術(shù)融合的經(jīng)驗(yàn)（楊志剛等，2021）。

最后，在人與智能系統(tǒng)交互和人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面，要吸取自動(dòng)化駕駛艙人因問(wèn)題的教訓(xùn)，優(yōu)化人機(jī)界面設(shè)計(jì)，考慮采用創(chuàng)新方法來(lái)設(shè)計(jì)人-智能自主化交互的人機(jī)界面，比如基于“人- 自主化組隊(duì)”式合作的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)駕駛艙智能化人機(jī)交互界面。另外，智能飛行技術(shù)的引進(jìn)將飛行員的角色從直接飛行操縱員轉(zhuǎn)向飛機(jī)資源管理者，人機(jī)界面設(shè)計(jì)必須保證飛行員有足夠的情景意識(shí)，在智能技術(shù)失效時(shí)駕駛員具備時(shí)刻接管飛機(jī)的能力。

4 個(gè)案分析：大型商用飛機(jī)單人飛行操作

4.1 基本概念及“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念

過(guò)去50 多年中，技術(shù)發(fā)展推動(dòng)了大型商用飛機(jī)駕駛艙機(jī)組人員逐步遞減（de-crewing）的趨勢(shì)，從最初5 名機(jī)組人員到目前機(jī)長(zhǎng)和副駕駛2 人配置，這種遞減情況在不久的將來(lái)還會(huì)持續(xù)下去。作為新一代商用飛機(jī)發(fā)展核心技術(shù)之一，目前國(guó)內(nèi)外民航界正在積極探索和研發(fā)大型商用飛機(jī)“單一飛行員駕駛”（SPO）模式。SPO 指在大型民機(jī)駕駛艙中僅配置一名飛行員，借助提升的機(jī)載設(shè)備或者遠(yuǎn)程地面站操作員的支持（或者兩者組合），能夠在各種飛行場(chǎng)景中安全有效地完成航線飛行任務(wù)，并且達(dá)到不低于目前雙乘員駕駛模式的飛行安全水平（Comerford et al.，2013）。SPO 會(huì)導(dǎo)致一場(chǎng)航空運(yùn)輸革命，在滿足安全性條件下，SPO 可以帶來(lái)減少飛行員數(shù)量、提升經(jīng)濟(jì)性、減少駕駛艙資源配置、縮小駕駛艙空間和減輕飛機(jī)重量等方面的好處。

美國(guó)、歐盟、Boeing、Airbus 等飛機(jī)制造商正在開(kāi)展SPO 研發(fā)（Comerford et al.，2013），國(guó)內(nèi)針對(duì)SPO 技術(shù)方案和系統(tǒng)架構(gòu)的一些研究工作也開(kāi)始起步（王淼等，2020）。初期的SPO 研究主要涉及兩種SPO總體方案（Matessa et al.，2017）。一種是駕駛艙機(jī)載設(shè)備更新方案（簡(jiǎn)稱(chēng)駕駛艙方案），主要通過(guò)提升現(xiàn)有駕駛艙機(jī)載自動(dòng)化系統(tǒng)或引進(jìn)機(jī)載智能自主化系統(tǒng)來(lái)替代現(xiàn)有人類(lèi)副駕駛的部分職責(zé)，SPO 飛行操作基本上不依賴于地面支持；另一種是遠(yuǎn)程地面站飛行支持方案（簡(jiǎn)稱(chēng)地面站方案），該方案具有分布式機(jī)組的設(shè)計(jì)概念，即將現(xiàn)有副駕駛的部分職責(zé)從空中移到了地面。隨著研究的展開(kāi)，研究者開(kāi)始考慮第三種方案：“SPO 駕駛艙飛行員+駕駛艙機(jī)載設(shè)備提升+地面站飛行支持”協(xié)同實(shí)現(xiàn)的SPO 組合式模式（見(jiàn)圖3）。

圖3 “駕駛艙+地面站”SPO 組合方案演示和驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)（王淼等，2020）

人因工程預(yù)備研究在飛機(jī)型號(hào)研發(fā)中起著無(wú)可替代的重要作用（許為，陳勇，2012），SPO 研發(fā)也不例外。在美國(guó)以NASA為主開(kāi)展了一系列SPO 人因工程研究，歐洲和澳大利亞等地的科研院校也開(kāi)展了SPO 人因工程研究，國(guó)內(nèi)這方面的工作尚未正式啟動(dòng)。人因工程界強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)SPO 的最大障礙不是技術(shù)本身，而是如何遵循“以人為中心設(shè)計(jì)”的理念，合理利用技術(shù)，研發(fā)出一個(gè)有效支持SPO 飛行安全的人因工程解決方案（Harris，2007；許為，陳勇，董文俊等，2021）。

4.2 人因工程初步研究

2012 年的NASA SPO 技術(shù)交流會(huì)確定了人因工程研究的5 個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域：SPO 設(shè)計(jì)方案、設(shè)備系統(tǒng)更新、人員交流與溝通、飛行員失能、適航認(rèn)證。目前的人因工程研究主要集中在前三個(gè)方面，并取得了一些階段性成果（詳見(jiàn)許為，陳勇，董文俊等，2022）。實(shí)現(xiàn)SPO 的必要條件之一是更新現(xiàn)有駕駛艙機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)，爭(zhēng)議的焦點(diǎn)之一是提升現(xiàn)有駕駛艙機(jī)載自動(dòng)化系統(tǒng)還是引進(jìn)機(jī)載智能自主化系統(tǒng)。

許多研究者出于對(duì)SPO 整體設(shè)計(jì)復(fù)雜性的擔(dān)憂，只是在一個(gè)“舒適區(qū)”內(nèi)提出一些針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)局部改進(jìn)的方案，雖然這種“演變”式路徑對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和適航認(rèn)證成本很低，但是很難從根本上解決人-自動(dòng)化交互中的人因問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種方法可能帶來(lái)飛行安全、人因工程、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等方面的問(wèn)題。Sprengart 等人（2018）認(rèn)為，離開(kāi)“舒適區(qū)”是尋找SPO 系統(tǒng)方案的必要條件，只有這樣才能將SPO 飛行員與機(jī)載系統(tǒng)（自動(dòng)化或智能自主化）在人-機(jī)、空-地的飛行協(xié)同操控和決策等方面達(dá)到最佳的匹配。Neis 等人（2018）建議，SPO 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)該回到原點(diǎn)，將人放回中心，讓技術(shù)適應(yīng)人，最終達(dá)到人機(jī)關(guān)系的最佳匹配。因此，SPO 應(yīng)該是優(yōu)化駕駛艙人機(jī)交互設(shè)計(jì)的一個(gè)新機(jī)遇，有利于解決“歷史遺留”的人-自動(dòng)化交互的人因問(wèn)題。

研究者希望在SPO 駕駛艙引進(jìn)一個(gè)“智能副駕駛”來(lái)承擔(dān)起與SPO 飛行員合作的隊(duì)友角色，形成類(lèi)似于雙乘員駕駛艙的機(jī)組合作關(guān)系來(lái)解決SPO 的一些挑戰(zhàn)。例如，Lim 等人（2017）提出的SPO“虛擬飛行員助理”等概念。在NASA、FAA 和Rockwell 早期合作的一項(xiàng)SPO 模擬艙實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告中，該報(bào)告建議SPO 的技術(shù)干預(yù)方案不應(yīng)該僅僅是提升現(xiàn)有駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)，還要考慮引進(jìn)新的智能自主化系統(tǒng)（Bailey et al.，2017）。盡管這方面的整體技術(shù)和人因工程研究尚不成熟，但是在民機(jī)機(jī)載設(shè)備領(lǐng)域已有一些正在研發(fā)的智能子系統(tǒng)（詳見(jiàn)許為，陳勇，董文俊等，2022）。例如，智能化推薦檢查表及狀態(tài)傳感系統(tǒng)，機(jī)載人機(jī)語(yǔ)音交互，智能化空中交通防撞系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)故障模式的智能飛行系統(tǒng)，可穿戴智能設(shè)備。這些研發(fā)有助于為SPO 機(jī)載智能自主系統(tǒng)和SPO 地面支持站的研發(fā)提供支持。

根據(jù)人因工程研究、機(jī)載自動(dòng)化技術(shù)和智能技術(shù)可行性，許為，陳勇，董文俊等人（2022）建議SPO 駕駛艙機(jī)載系統(tǒng)的提升需要采用“自動(dòng)化+自主化”的組合式方案，即根據(jù)場(chǎng)景復(fù)雜性選用技術(shù)，利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)獲取最大的安全保證。SPO 研發(fā)需要采納“以人為中心設(shè)計(jì)”的理念，將人放在系統(tǒng)研發(fā)的中心位置考慮，發(fā)揮人類(lèi)與機(jī)器智能間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)“人在環(huán)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證人擁有對(duì)SPO 飛機(jī)的最終操控權(quán)。針對(duì)駕駛艙設(shè)備升級(jí)，需要開(kāi)展人機(jī)交互、協(xié)作和決策的人因工程研究，為SPO 空地人-人與人-機(jī)交互、協(xié)同和決策的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)提供方案。例如，基于智能技術(shù)，構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于“人-自主化組隊(duì)”合作的人-自主化之間的人機(jī)交互和決策模式及設(shè)計(jì)概念；在以往研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證SPO 飛行員與自動(dòng)化之間的人機(jī)交互決策模式和設(shè)計(jì)方案。

4.3 智能SPO 系統(tǒng)的人因工程分析

本文采用上一篇系列文章《六論以用戶為中心的設(shè)計(jì)：智能人機(jī)交互的人因工程途徑》中作者所提出的智能人機(jī)交互（i-HCI）人因工程模型來(lái)分析SPO 模式（許為；2022a）。iHCI 人因工程模型將人類(lèi)操作員和智能系統(tǒng)（智能代理，intelligent agent）均視作為能夠完成一定認(rèn)知信息加工任務(wù)的認(rèn)知體，從而一個(gè)iHCI 系統(tǒng)可以被視為一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)（Hollnagel & Woods，2005）。iHCI 人因工程框架強(qiáng)調(diào)人機(jī)協(xié)同合作、人機(jī)雙向主動(dòng)式狀態(tài)識(shí)別、人類(lèi)智能與機(jī)器智能的互補(bǔ)性以及人機(jī)合作式認(rèn)知界面等特征。基于iHCI 人因工程模型，SPO駕駛艙飛行員與機(jī)載智能系統(tǒng)之間的交互就是一種智能人機(jī)交互，SPO 駕駛艙機(jī)載人機(jī)智能系統(tǒng)就是兩個(gè)認(rèn)知體（SPO 飛行員，機(jī)載智能系統(tǒng)）協(xié)同合作的一個(gè)認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，“SPO 駕駛艙飛行員+駕駛艙機(jī)載智能系統(tǒng)+地面站飛行支持”組合SPO 方案強(qiáng)調(diào)人-機(jī)與空-地的飛行協(xié)同合作，該SPO 模式整體系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)不僅僅取決于單機(jī)中的“SPO 駕駛艙飛行員+機(jī)載智能系統(tǒng)”認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)，還取決于來(lái)自“地面站飛行支持”“智能空中交通系統(tǒng)架構(gòu)”“智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)”認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)的支持。所有這些認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)形成了一個(gè)大型商用飛機(jī)智能SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。我們采用協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的框架來(lái)進(jìn)一步分析SPO 的人因工程解決方案。

協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)多層次的系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)可以是整體協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)中的某一層次。圖4 示意了智能化SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的多層次架構(gòu)，表1 概括了該協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)各層次的系統(tǒng)組成部分。其中，認(rèn)知協(xié)同系統(tǒng)的范圍和邊界條件是相對(duì)的，取決于分析目的。

圖4 基于“駕駛艙飛行員+駕駛艙機(jī)載智能系統(tǒng)+地面站飛行支持”的智能SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)

表1 智能SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)中各層次的主要組成部分

構(gòu)建一個(gè)“SPO 駕駛艙飛行員+機(jī)載智能系統(tǒng)+ 地面站飛行支持”SPO 模式涉及人- 機(jī)（機(jī)載系統(tǒng)）之間以及人- 人（地面站）空地之間的協(xié)同操控和決策、人-自動(dòng)化/自主化交互等一系列問(wèn)題，對(duì)安全飛行操作提出了許多新的要求，需要人因工程的支持。該SPO 模式的實(shí)現(xiàn)需要優(yōu)化人-機(jī)、空-地人員之間的功能分配，嚴(yán)格評(píng)估在正常以及應(yīng)急SPO 飛行場(chǎng)景中各類(lèi)人員的工作負(fù)荷、人機(jī)交互決策模式、空-地協(xié)同的飛行操控和決策等因素。例如，一方面，SPO 改變了駕駛艙飛行員的認(rèn)知決策模式，SPO 避免了現(xiàn)有雙乘員駕駛艙中雙人飛行員之間潛在的認(rèn)知決策沖突，有助于提升決策效率；另一方面，SPO 駕駛艙飛行員將更多地依賴于個(gè)人知識(shí)、人-機(jī)之間以及人-人空地之間的溝通和協(xié)同操控，因此SPO 的飛行操控和決策模式可能變得更為復(fù)雜。另外，SPO 飛行操控權(quán)的授權(quán)管理和權(quán)限分配可發(fā)生在人-機(jī)（機(jī)載、地面站系統(tǒng)）或者人-人（駕駛艙與地面站）之間，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)飛行操控決策和權(quán)限分配方面的沖突。

相對(duì)傳統(tǒng)的人因工程研究思路，協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)框架表現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的人因工程研究思路一般注重于單機(jī)人機(jī)系統(tǒng)（“SPO 駕駛艙飛行員+ 機(jī)載智能系統(tǒng)”）的問(wèn)題，但這只是整個(gè)智能SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)協(xié)同認(rèn)知子系統(tǒng)，影響該子系統(tǒng)績(jī)效和安全的因素不僅僅是SPO 駕駛艙中兩個(gè)認(rèn)知體之間的協(xié)同合作，還包括整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中其他層次上協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)中各種認(rèn)知體之間的協(xié)同合作。如圖4 和表1 所示，如果將SPO 解決方案的分析邊界逐步擴(kuò)展到地面站飛行支持、智能空中交通系統(tǒng)架構(gòu)以及智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SPO 整體系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)則取決于各種認(rèn)知體之間的協(xié)同合作，其中包括地面站支持人員的協(xié)同合作、智能空中交通指揮系統(tǒng)操作員的協(xié)同合作、公眾對(duì)SPO 的認(rèn)知和接受度、SPO 適航認(rèn)證規(guī)范、航空公司運(yùn)營(yíng)等。因此，只有從協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)化角度出發(fā)，綜合考慮整個(gè)SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各種認(rèn)知體之間的協(xié)同合作，才能為SPO 系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一個(gè)完整的人因工程解決方案。

4.4 智能SPO 系統(tǒng)的人因工程初步解決方案

基于以上分析和討論，本文對(duì)今后“SPO 駕駛艙飛行員+ 駕駛艙機(jī)載智能系統(tǒng)+ 地面站飛行支持”SPO 模式的研究提出以下初步的建議。

4.4.1 “以人為中心AI”的設(shè)計(jì)理念

強(qiáng)調(diào)“以人為中心AI”的設(shè)計(jì)理念。SPO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮人的需要、能力、潛力和極限，利用人已有的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和技能。例如，機(jī)載智能系統(tǒng)不應(yīng)該完全取代飛行員，應(yīng)該有針對(duì)性地發(fā)揮和增強(qiáng)飛行員的潛能（處理異常情況等）以及技能（基本飛行技能等）?，F(xiàn)有雙乘員駕駛艙的自動(dòng)化人機(jī)交互設(shè)計(jì)主要是基于“以技術(shù)為中心”理念，這種設(shè)計(jì)將一些飛行操作任務(wù)整體地分配給了自動(dòng)化系統(tǒng)，沒(méi)有充分考慮飛行員潛能和技能，不能有效地利用飛行員的潛能（處理異常狀況等），也浪費(fèi)了飛行員的基本飛行技能（Billings，1997）。SPO 設(shè)計(jì)必須采用“以人為中心”的理念來(lái)指導(dǎo)SPO 人機(jī)功能和任務(wù)分配，要制定出完整的SPO 人機(jī)功能和任務(wù)分配方案。SPO 駕駛艙自動(dòng)化的提升或者智能化技術(shù)的引進(jìn)會(huì)進(jìn)一步減少手動(dòng)操控，要考慮如何既能夠發(fā)揮飛行員潛能和技能，又能保證飛行員“人在環(huán)內(nèi)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

同時(shí)，通過(guò)有效的余度化設(shè)計(jì)和操控權(quán)權(quán)限管理，保證人擁有對(duì)SPO 飛機(jī)的最終操控權(quán)。例如，除非發(fā)生意外狀況（飛行員失能等），SPO 駕駛艙飛行員擁有對(duì)飛機(jī)的最終操控權(quán)；在應(yīng)急狀態(tài)下，如果飛行員失能發(fā)生，機(jī)載（自動(dòng)化研究智能自主化）系統(tǒng)及時(shí)找到合適機(jī)場(chǎng)，啟動(dòng)應(yīng)急著陸系統(tǒng)，控操飛機(jī)自動(dòng)著陸；在這過(guò)程中，地面站操作員全程實(shí)時(shí)監(jiān)控；若綜合相關(guān)信息和充分證據(jù)表明，地面站操作員的介入是必要的，地面站操作員擁有飛機(jī)的最終操控權(quán)，可隨時(shí)接管SPO 飛機(jī)安全著陸。

4.4.2 人機(jī)協(xié)同合作的設(shè)計(jì)新范式

SPO 智能駕駛艙是由兩個(gè)認(rèn)知體（SPO駕駛艙飛行員，機(jī)器認(rèn)知體/“機(jī)器副駕駛”）組成的一個(gè)協(xié)同認(rèn)知系統(tǒng)，機(jī)載智能系統(tǒng)不僅是支持飛行員的一個(gè)輔助工具，而且也是一名與飛行員合作的團(tuán)隊(duì)成員（Hollnagel&Woods，2005；許為，葛列眾，2020）。例如，采用“智能副駕駛”系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)人類(lèi)副駕駛的一些職責(zé)，人機(jī)之間可以分享情景意識(shí)、任務(wù)、目標(biāo)和飛行操控權(quán)等。

人機(jī)協(xié)同合作的設(shè)計(jì)新范式要求重新考慮人和機(jī)器在人機(jī)系統(tǒng)中各自的最佳角色，要嚴(yán)格定義飛行員與智能自主化系統(tǒng)在飛行操作中應(yīng)該分別扮演什么角色。例如，未來(lái)SPO 駕駛艙飛行員的角色是否會(huì)從具體航線飛行操作過(guò)渡到承擔(dān)航線規(guī)劃等“任務(wù)管理”的角色；如何根據(jù)智能化等級(jí)和飛行操作場(chǎng)景來(lái)確定人機(jī)之間的協(xié)同分工合作；研究如何保證在應(yīng)急狀態(tài)下飛機(jī)操控權(quán)在人機(jī)之間的快速有效切換，確保人擁有最終控制權(quán)。今后的研究要制定飛機(jī)操控決策權(quán)管理和權(quán)限分配，例如，基于定義的分配原則，智能自主技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)SPO 飛行操控權(quán)限的動(dòng)態(tài)分配，當(dāng)智能化空中交通防撞系統(tǒng)（ITCAS）在檢測(cè)到即將發(fā)生碰撞時(shí)，同時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到飛行員失能或無(wú)法及時(shí)做出反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)可以自適應(yīng)調(diào)整擁有的權(quán)限級(jí)別來(lái)接管飛行操控（ATI，2019）。

4.4.3 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)視野

SPO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要從宏觀的協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，任何局限于“SPO 駕駛艙飛行員+智能機(jī)載系統(tǒng)”單機(jī)層面的設(shè)計(jì)方案都無(wú)法保證整個(gè)協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行。因此，必須開(kāi)展對(duì)整個(gè)SPO 協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，其中包括駕駛艙飛行員、機(jī)載智能和自動(dòng)化系統(tǒng)、地面飛行支持站、智能空中交通系統(tǒng)架構(gòu)以及智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)（許為，2022b）。

從地面站飛行支持和智能空中交通系統(tǒng)架構(gòu)看，需要研究不同空間上人-人、設(shè)備（地面站與駕駛艙）、人機(jī)之間的溝通以及在操控權(quán)分享和轉(zhuǎn)移過(guò)程中潛在的沖突，要考慮地面站操作員、空中交通管制員和駕駛艙的一體化協(xié)同模式（王淼等，2020；Comerford et al.，2013）。

從智能化社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)角度看，研究要考慮如何獲取公眾對(duì)SPO 的認(rèn)知和信任、飛機(jī)制造商與適航當(dāng)局在SPO 飛機(jī)適航論證方面的合作、航空公司對(duì)SPO 研發(fā)的參與和支持（地面戰(zhàn)飛行支持設(shè)備，運(yùn)營(yíng)、人力資源等）（許為，陳勇，2013）。

4.4.4 基于智能自主化特征的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)人因工程研究、機(jī)載自動(dòng)化和智能自主化技術(shù)的特點(diǎn)，建議SPO 駕駛艙設(shè)備系統(tǒng)升級(jí)考慮采用“自動(dòng)化+自主化”的組合式方案，并且根據(jù)場(chǎng)景復(fù)雜性選用技術(shù)，利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)獲取最大的安全保證。例如，提升現(xiàn)有機(jī)載自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化面向一般飛行場(chǎng)景的自動(dòng)飛行模式，引進(jìn)智能系統(tǒng)來(lái)支持面向復(fù)雜飛行場(chǎng)景的自主飛行模式（即可獨(dú)立執(zhí)行一些設(shè)計(jì)無(wú)法預(yù)期的非正常飛行場(chǎng)景）。人因工程要從人機(jī)功能分配、工作負(fù)荷、人機(jī)交互和協(xié)同合作等方面出發(fā)，優(yōu)化人-自動(dòng)化-智能自主化系統(tǒng)三者之間的整合設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最終的技術(shù)方案。

針對(duì)駕駛艙機(jī)載自動(dòng)化升級(jí)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要避免“自動(dòng)化諷刺”現(xiàn)象，解決目前雙乘員駕駛艙中的人因問(wèn)題（簡(jiǎn)化自動(dòng)駕駛模式，避免“人在環(huán)外”等），在人與自動(dòng)化（自動(dòng)化水平、人機(jī)功能分配、工作負(fù)荷等）之間找到一個(gè)最佳設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，保證只有通過(guò)嚴(yán)格人因工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的自動(dòng)化升級(jí)方案才能在SPO 方案中被考慮。

4.4.5 飛行員失能監(jiān)控和人機(jī)協(xié)同控制

針對(duì)SPO 駕駛艙飛行員失能對(duì)飛行安全的影響，作為協(xié)同合作的智能機(jī)器認(rèn)知體，SPO 駕駛艙必須裝備機(jī)載感知智能系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確監(jiān)控飛行員狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)飛行員進(jìn)入失能狀態(tài)，機(jī)載系統(tǒng)或者地面站操作員必須快速接管SPO 飛機(jī)安全著陸。人因工程架構(gòu)強(qiáng)調(diào)人機(jī)兩個(gè)認(rèn)知體之間雙向主動(dòng)的狀態(tài)識(shí)別，一方面要加強(qiáng)機(jī)器認(rèn)知體對(duì)飛行員生理、認(rèn)知、情感、行為和意圖的監(jiān)測(cè)識(shí)別和理解；另一方面，加強(qiáng)飛行員對(duì)智能系統(tǒng)和環(huán)境的情景意識(shí)，從而保證人機(jī)之間有效的情景意識(shí)分享、人機(jī)互信、任務(wù)和目標(biāo)分享、決策和控制分享等。

開(kāi)展針對(duì)SPO 飛行員失能監(jiān)測(cè)指標(biāo)的人因工程研究，利用人因工程實(shí)驗(yàn)研究來(lái)篩選最佳監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及觸發(fā)告警的最佳閾限值。另外，開(kāi)展針對(duì)SPO 飛行員失能的機(jī)載監(jiān)測(cè)手段的人因工程研究。例如，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互，系統(tǒng)舒服性等（非侵入式測(cè)量，遠(yuǎn)程監(jiān)控等），監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性（臉部識(shí)別，腦電測(cè)量等）。

針對(duì)從飛行員失能事件發(fā)生至SPO 飛機(jī)安全著陸期間的安全問(wèn)題（類(lèi)似一大型無(wú)人飛機(jī)），人因工程要提供解決方案，其中包括飛行員失能監(jiān)控、機(jī)載系統(tǒng)（自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)）的自動(dòng)接管、地面站緊急飛行支持、地面站操作員情景意識(shí)和角色轉(zhuǎn)換等。

4.4.6 協(xié)同合作式人機(jī)界面設(shè)計(jì)

研究協(xié)同合作式人機(jī)界面設(shè)計(jì)新范式來(lái)有效支持人機(jī)協(xié)同合作、人機(jī)互信、情景意識(shí)共享、人機(jī)狀態(tài)識(shí)別、控制共享等需求?，F(xiàn)有雙乘員駕駛艙自動(dòng)化人機(jī)交互設(shè)計(jì)造成了將飛行員置于“人在環(huán)外”的狀況，容易降低情景意識(shí)，無(wú)法迅速有效地處理復(fù)雜的意外情況。SPO 為新型駕駛艙人機(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的機(jī)遇，SPO 駕駛艙人機(jī)交互設(shè)計(jì)要基于“以飛行員為中心”的理念，解決現(xiàn)有雙乘員駕駛艙人機(jī)交互存在的問(wèn)題。

例如，基于飛行員任務(wù)和工作負(fù)荷的4 人機(jī)界面動(dòng)態(tài)優(yōu)化顯示方式，簡(jiǎn)化駕駛艙自動(dòng)化控制和顯示方式；采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法（比如基于“人- 自主化組隊(duì)”式合作的交互設(shè)計(jì)）；采用基于自適應(yīng)機(jī)制的智能人機(jī)交互，根據(jù)飛行員狀態(tài)以及場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)整人機(jī)功能分配。在低負(fù)荷操作中鼓勵(lì)手動(dòng)操控，保持“人在環(huán)”的狀態(tài)；在高負(fù)荷操作中，系統(tǒng)控制飛機(jī)，人機(jī)界面要突出當(dāng)前飛行目標(biāo)參數(shù)的顯示，使飛行員能夠有效執(zhí)行航線規(guī)劃或者應(yīng)急任務(wù)。

5 總 結(jié)

（1）大型商用飛機(jī)駕駛艙自動(dòng)化系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)基于“以技術(shù)為中心”的理念，導(dǎo)致一些人因問(wèn)題的產(chǎn)生，也給后期改進(jìn)帶來(lái)了困難。航空界一直在努力采用“以人為中心的自動(dòng)化”的設(shè)計(jì)理念不斷改進(jìn)機(jī)載人-自動(dòng)化交互設(shè)計(jì)，人因工程還面臨挑戰(zhàn)和還有許多工作要進(jìn)一步開(kāi)展。

（2）智能技術(shù)為進(jìn)一步提升大型商用飛機(jī)駕駛艙人機(jī)交互設(shè)計(jì)和飛行安全提供了新的機(jī)遇?；凇耙匀藶橹行牡腁I”理念的人因工程研究已經(jīng)初步展開(kāi)。為進(jìn)一步提升機(jī)載人機(jī)交互設(shè)計(jì)和飛行安全，航空界對(duì)駕駛艙機(jī)載智能系統(tǒng)研究和應(yīng)用寄予希望。

（3）根據(jù)我們提出的針對(duì)智能人機(jī)交互的人因工程模型以及協(xié)同認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)框架，本文分析了大型商用飛機(jī)單人飛行操作模式的人因問(wèn)題和研究，并且提出了人因工程的初步解決方案。