許 為
(浙江大學(xué)心理科學(xué)研究中心,杭州 310058)
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。
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)
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)。
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。
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。
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)。
3.2.1 “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。
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。
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)。
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。
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。
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)。
(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。