劉　娟　張信民　劉寶善

1903年，萊特兄弟將人類帶入動力航空時代。自那時起，提升飛機的性能成為了航空先驅(qū)們的第一要務。他們希望飛機的每一克重量都能夠產(chǎn)生升力，而飛行員要做的就是如何適應，更確切的說是如何遷就這些冷冰冰的飛行機器。這樣的情形一直發(fā)展到了第二次世界大戰(zhàn)。此時的飛機以遠非當年用59秒飛行260米的“飛行者”可比。它們的航程更遠、速度更快，從偵察、運輸?shù)浇負?、轟炸，高性能的飛機已然滲入到了戰(zhàn)場的各個角落。也就是在此時，設計師們逐漸發(fā)現(xiàn)，讓飛機性能更進一步的已不僅是飛機本身。

如果說，當年的奧維爾·萊特以一種極度興奮的狀態(tài)趴在飛機上飛行59秒算是一種享受，那讓美國的B-29機組人員以這樣的狀態(tài)飛行幾個小時，跨越半個太平洋完成轟炸日本本土的任務簡直就是異想天開。二戰(zhàn)時，飛機的性能達到了一個全新的境界，更高的飛行高度和速度以及更長的飛行時間已經(jīng)開始挑戰(zhàn)人體生理和心理承受能力的極限?？蒲腥藛T們必須針對飛行員的生理和心理特點做點什么了，否則飛機的性能發(fā)揮會因人的因素而大大受限。20世紀40年代，一門志在解決人與機器發(fā)生相互作用時減少差錯、提高效率的學科——人類工效學開始興起。二戰(zhàn)時，各航空強國將人類工效學的研究方法應用于航空制造業(yè)。于是，人類工效學的一個重要分支——航空工效學誕生了。

與航空工業(yè)的脈搏一齊跳動

簡單的說，航空工效學是研究如何讓飛行員與飛機良好匹配的學科，或者說，飛機要如何設計才能“以人為本”，進而避免飛行員為克服那些“不人性化”的設置而帶來體能和精力上的損失，全心全力的投入到作戰(zhàn)任務中去。作為人機交互的橋梁，飛行座艙是航空工效學研究的重點部分。英國劍橋大學心理實驗室在試驗研究后就曾得出結(jié)論：飛行員的飛行技能與工效很大程度上依賴于座艙中顯示與操控系統(tǒng)的設計、布局以及可理解程度。這樣的結(jié)論看似簡單，實則不然。航空工效學的研究絕非把飛行儀表盤做得大一點，或者把座椅調(diào)整得舒適一點那么容易。自二戰(zhàn)以來，航空工效學一直伴隨著航空技術(shù)的進步而發(fā)展，換句話說，航空工效學需要堅實的航空工業(yè)實力為基礎。解放前，中國幾乎沒有航空工業(yè)，因此也談不上什么航空工效學的研究了。1950年，朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)，我國引進了大批蘇制米格戰(zhàn)機趕赴朝鮮參戰(zhàn)。由于蘇制飛機都是按照蘇聯(lián)人的工效學標準設計的，所以很多設計并不適合中國飛行員的身體特征。此外，蘇聯(lián)在航空工效學的發(fā)展上也落后于西方。按照當時工效學的標準，米格-15在操縱性和舒適性上并不及美國的F-86，飛行員也沒有配備抗荷服。面對飛機設置的不適，志愿軍飛行員們只能被動地克服。1953年，航空工業(yè)被列入第一個五年計劃的國家重點項目，新中國進入了航空裝備引進生產(chǎn)和發(fā)展的新階段。我們要造適合中國人駕駛的飛機，航空工效學的發(fā)展迫在眉睫。

1954年空軍航空醫(yī)學研究所建立，標志著我國正式開始了航空工效學的研究。在研究所建立初期，經(jīng)周恩來總理批準，把心理學家陳祖榮教授從浙江大學調(diào)到該所，開創(chuàng)了新中國航空心理學、飛行錯覺和航空工效學的研究工作。50多年來，空軍航空醫(yī)學研究所科研人員全面開展了視覺、聽覺、控制和負荷等方面的工效學研究以及人體測量學研究，并開展了工效學國家軍用標準的制定工作，直接參與了航空工業(yè)各種新型號工程飛機的研制工作，取得了豐碩的科研成果。

顯示系統(tǒng)的人性化進步

作為人機信息交換的最直接平臺，機載顯示系統(tǒng)的設計頗為講究。從字面上看，顯示系統(tǒng)似乎只與眼睛有關。應該說，這樣的認識最多只能算是對了80％。飛行員在空中飛行時，80％的信息依賴于視覺獲取，而聽覺則是視覺的重要補充。因此，機載顯示系統(tǒng)，應當分為視覺顯示系統(tǒng)和聽覺顯示系統(tǒng)。

各種飛行儀表應該是較為原始的視覺顯示系統(tǒng)。隨著飛機性能的提高，后來的飛行員已經(jīng)不能像早期的飛行前輩那樣，僅僅依靠感覺來駕駛飛機，他們越來越依靠判讀各種飛行儀表以隨時了解飛機的飛行參數(shù)。油量表、速度表、水平儀、高度表……目前無法考證飛機上的這些儀表的“登機”時間誰先誰后，但可以肯定的是，隨著飛機性能的提高，飛行員必須掌握的參數(shù)也越來越多，與之相輔相成的是機上的儀表數(shù)量也越來越多。到了朝鮮戰(zhàn)爭時期，米格-15和F-86的儀表數(shù)量都接近20塊左右。就感官來說，中國人和外國人相比在判讀儀表上也沒有什么太大的差別，就像一個在莫斯科買的時鐘回到中國照樣適用一樣。

儀表的數(shù)量的增加看似可以為飛行員提供更為豐富的飛行參數(shù)，但這種設計只考慮了顯示信息的全面性而沒有顧及界面的友好性和交互性。在某種程度上，數(shù)量過多的儀表反而幫了“倒忙”。道理很簡單，飛行員在某一時刻只接收針對當前操作關系最為密切的信息，這樣一來，其它大部分信息在此刻相對飛行員來說都是無效甚至是干擾的。數(shù)量過多的儀表導致飛行員每次都要花上一定的時間對重要數(shù)據(jù)進行選擇性的讀取。在非緊急狀況下，這點時間似乎無關緊要。但在飛機進場、武器瞄準或者地形跟蹤這些緊急飛行狀態(tài)下，飛行員反復尋找相關儀表讀取參數(shù)無疑會分散飛行員的注意力。

矛盾源于儀表的空分制顯示方式(占據(jù)固定空間位置始終顯示同一信息)上，解決這一矛盾的唯一方法就是將空分制改為時分制——即按飛行任務的需要在同一位置顯示不同的信息。

上世紀50年代以后，陰極射線管技術(shù)(CRT)逐漸完善。隨后，以CRT技術(shù)為核心的電視逐漸普及到每個家庭。CRT的特點是能夠根據(jù)傳八信號的不同，在同一塊熒光屏上顯示不同的畫面，這正是航空工效學科研人員們夢寐以求的時分制顯示特點。另外，CRT還可以顯示更為便于識別的圖像符號。三十年前，CRT用圖形顯示的方式開始取代某些機電儀表。圖形顯示方式直觀、方便、靈活，復雜的飛行狀況變得一目了然。由于CRT技術(shù)較為成熟，曾一度成為座艙顯示器的標準配備。但隨著新技術(shù)的發(fā)展，CRT顯得越來越不適應。因為它體積大、重量大、能耗高不說，其為成像所產(chǎn)生的高壓電也容易引起麻煩。取而代之的是具有體積小、重量輕的有源矩陣彩色液晶顯示器(AMLCD)。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機還配有平視顯示器(簡稱平顯)，加上彩色液晶的多功能顯示器(簡稱下顯)，即形成所謂“一平二下”或者“一平三下”的飛行座艙視覺顯示布局。由于采用這種顯示布局的座艙給飛行員顯示的信息清晰明了，因此被稱為“玻璃座艙”。為了對機載武器更為便捷的操作，少數(shù)高性能戰(zhàn)斗機還配有頭盔顯示系統(tǒng)，便于戰(zhàn)斗機進行近距格斗。

我國戰(zhàn)斗機的座艙視覺顯示系統(tǒng)的研制總體上和世界上三代機的水平相當，這一點從2009年巴黎航展上亮相的L-15教練機座艙模擬器上就可以看得出來。相對

于傳統(tǒng)的飛行儀表，時分制的多功能視覺顯示系統(tǒng)有著更多針對中國飛行員的工效學要求。比如，漢字如何排列才最易被飛行員判讀、字體使用什么顏色、亮度為多少、字號是多大、液晶顯示器的背景照度為多少才合適等等。這些看似無關痛癢的小問題，都直接關系到飛行員對于飛行參數(shù)的讀取。相關參數(shù)的定義需要航空工效學科研人員們通過大量試驗得出的數(shù)據(jù)作為支撐。

作為視覺顯示系統(tǒng)的重要補充，座艙聽覺顯示系統(tǒng)主要向飛行員提供告警、通信、指揮引導和情報互換等功能。其中，話音告警系統(tǒng)是當前航空工效學研究的重點。而工效學的主要研究方向就是如何以更好的告警方式對飛行員進行提醒，也可以理解成如何才能讓飛行員更容易地注意到告警信息。

聲音一般都含有若干要素——音調(diào)、響度、發(fā)生方位以及話音內(nèi)容。按照我們平時的理解，響度越大的聲音應該更能引起人的注意。應該說這樣的認識并沒錯，但在實際使用中，聲音的響度絕非越大越好。我們小時候大都有這樣的惡作劇經(jīng)驗，一個小朋友趁另一個小朋友不注意，突然在其耳邊大喊一聲。那個小朋友往往會因為沒有思想準備而會被突如其來的響聲嚇哭。同樣道理，突然響起一個高分貝的報警聲帶給飛行員的不僅是告警信息，可能還有更大的干擾和驚恐。在突發(fā)緊急情況時，這樣的報警無異于火上澆油。

在實際應用當中，工效學科研人員往往是通過對告警內(nèi)容的編輯達到提醒飛行員注意的目的。試驗證明，人對自己的名字非常敏感。警察在逮捕嫌疑犯前往往會先喊一下嫌疑犯的名字用以確定其身份，而嫌疑犯也大都會不由自主的“配合”。警察可以利用人的這個特點執(zhí)行任務，工效學專家們則用它來設計針對每個飛行員的個性化告警信息。實踐證明，在所要告警的內(nèi)容前面加上飛行員的名字后，即使不是很高的音量，也能迅速提醒飛行員的注意。

另外，飛行員在完成某項動作時，也會對關于這個操作的信息有很強的傾向性。即使不提飛行員的名字，也能很好的提醒飛行員注意。比如，在飛機著陸時，有關著陸操作的語音提示就不必用太大的聲音響度。除此，第四代戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)裝配有三維話音告警裝置，不僅能顯示告警信息，還能告知方位信息，如某一方位的“敵導彈”信息。

人性化的操縱控制

如果顯示系統(tǒng)是讓飛行員接收飛機的狀態(tài)信息，那么控制系統(tǒng)則是向飛機傳遞飛行員對信息的反應?？梢哉f，顯示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工效學研究是航空工效學的兩個核心內(nèi)容。和國外的飛行員不同，中國的固有傳統(tǒng)或者生活習慣可能在飛行員操縱習慣的養(yǎng)成中形成某種特性。航空工效學科研人員們就是要對這些特性進行針對性的研究和分析，設計出更為符合中國飛行員的飛行控制系統(tǒng)。

眾所周知，飛機的自動化是現(xiàn)代航空技術(shù)的一大趨勢。在新型飛機的研制以及老飛機的改進升級中，對控制系統(tǒng)的自動化改進也是一個重要的工作。然而，飛行員并不會覺得飛機變得越自動化越好。在有關飛行安全或者武器使用方面，飛行員更希望能夠自己把握。試驗結(jié)果表明，飛行員認定為高需求的人工控制環(huán)節(jié)有6個：即駕駛桿、發(fā)動機“戰(zhàn)斗-訓練”選擇開關、發(fā)動機油門桿、起落架收放開關、供氧抗荷系統(tǒng)氧氣調(diào)節(jié)器供氧成分選擇(純氧、混合氧、空氣)開關和停車卡銷。這些設置全部涉及到飛機的滑出／起飛階段，在控制系統(tǒng)設計時，這一階段必須讓飛行員人工介入飛機操縱，完成必不可少的控制動作。

除了自動化以外，小型化、集中化和多功能化也是新型高性能戰(zhàn)斗機人工控制設計的重要趨勢。典型的設計就是油門桿和駕駛桿中握桿操縱技術(shù)的應用。將飛機操作的功能鍵集成在駕駛桿或者油門桿上，飛行員便可以在進行飛行控制的同時完成雷達搜索、目標鎖定、武器選擇和投放等操作。握桿操縱技術(shù)增強了飛行員對飛機的控制能力，是新式戰(zhàn)斗機的標準配備。但在實際使用中，工效學科研人員也發(fā)現(xiàn)握桿技術(shù)大大增加了手指控制的復雜性，增大了誤操作的概率。目前，一些更為直接、自然且不易出錯的控制方法正在研究當中。歐洲的“臺風”戰(zhàn)斗機就率先采用了語音控制技術(shù)。但實現(xiàn)這一功能的聲碼器目前能夠識別話音的頻譜有限，這使該技術(shù)的廣泛推廣受到限制。

負荷工效學研究

飛行員工作負荷工效學研究是航空工效學研究的重要方向，它對于保障飛行安全、保證軍事作業(yè)績效方面都具有重要意義。50多年來，中國在負荷方面的工效學研究經(jīng)歷了從無到有，從發(fā)展到完善的過程。在航空工效學領域，負荷研究有兩個主要方向：其一，研究人適應機，即根據(jù)飛行勞動負荷的特點，研究如何提高飛行員的飛行耐力；其二，研究機適應人，即依據(jù)飛行員生理心理特征研究如何研制和改進飛機的駕駛性能。具體地說，就是設計一個好的系統(tǒng)，績效不是唯一的，考慮某項任務對操作者的能力有什么樣的要求也同樣重要，既不能讓沒有“金剛鉆”的人去干“瓷器活”，也不能“用高射炮打蚊子”。

工作負荷絕非越低越好，在許多情境下，過低的工作負荷水平會對人的活動產(chǎn)生消極的影響，就像在曾經(jīng)的一個求職網(wǎng)站廣告中，那個隨著翻動一頁一頁的文件蓋章而漸漸變老的人一樣。一般來說，工作負荷的提高并不一定導致“差”的結(jié)果。但是，過高的負荷，尤其當這種過高負荷持續(xù)存在時，就會適得其反可導致應激。應激會使人們信息加工的能力發(fā)生改變，最突出的是速度，準確性互換特性發(fā)生改變。此時人們更傾向于放棄準確性而追求速度，從而影響績效。

因此應當為飛行員提供某種程度的靈活性，讓他們學會自我探索——即在工作負荷較低時尋找任務，而在工作負荷過度時擺脫某些次要任務，最后讓自己逐漸達到工作負荷的“最佳水平”?？梢?，適當強度的工作負荷是設計者們追求的理想目標，而適應性的反復訓練是航空任務中一個必不可少的科目。

與時俱進的人體測量學研究

要設計出適合中國飛行員的航空裝備，人體測量學必不可少。飛行員人體測量數(shù)據(jù)是飛機座艙和飛行員個體防護救生裝備設計研制的最基本依據(jù)。首先，飛行員的人體測量數(shù)據(jù)是飛機座艙設計的關鍵，如坐姿眼高決定儀表板的位置，手臂可及范圍決定控制按鍵的位置，膝高決定座椅的高度等。飛機座艙是飛行員工作的特定空間，座艙空間的設計應使顯示和控制器件、操縱臺、儀表板、救生裝備的設計與配置等適應飛行員的人體特征。根據(jù)飛行員人體測量數(shù)據(jù)并借助統(tǒng)計學定出設計標準，保證飛行員在正常情況下能夠采取正確、舒適的姿勢飛行，在應急情況下又能實現(xiàn)安全逃生。其次，飛行員的人體參數(shù)是其個體防護救生裝備的主要設計依據(jù)，飛行員使用的裝備(包括服裝、頭盔面罩、座椅等)必須適合我國飛行員的體型特征，才能保障他們正常、安全、高效地駕駛和操縱

飛機。

在新中國建立之初，我國個體防護救生裝備沿襲蘇聯(lián)款式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)根據(jù)蘇聯(lián)制式設計的服裝適體性很差。出現(xiàn)這一問題的原因在于俄羅斯人屬于短軀干、亞長腿型人種，而中國人則屬于長軀干、亞短腿型人種。不同體態(tài)特征的人穿著同樣制式的服裝必然會出現(xiàn)不適應的現(xiàn)象，比如上衣短、褲子長。另外，頭盔、面罩也由于人種體態(tài)差異的原因而存在頭盔壓頭和面罩壓鼻子、漏氣的問題。不適體的飛行裝備不僅使用不便、影響對飛機的操縱，在某些時候還會影響飛行員的生命安全。

為解決這一問題，航空醫(yī)學研究所于1958年進行了我國第一次飛行員人體測量工作。依據(jù)測量結(jié)果對我國飛行員頭型、面型和體形進行了劃分，提出了加壓供氧盔、加壓供氧面罩以及高空代償服的型號劃分、基本參數(shù)、生產(chǎn)規(guī)格和比例。此外還提出了座艙的寬度、高度、座椅的規(guī)格等基本數(shù)據(jù)。研究結(jié)果及時滿足了我國設計研究飛機救生裝備的需要，對空軍部隊的建設和保障飛行員的安全起到了關鍵作用。

理論和試驗結(jié)果都證明，飛行員的人體數(shù)據(jù)在不斷發(fā)生變化，按照人類學的發(fā)展規(guī)律，人體測量數(shù)據(jù)每隔10年左右就應當更新。20世紀50年代的飛行員數(shù)據(jù)已不能達到后續(xù)飛機研發(fā)的要求。因此，空軍航空醫(yī)學研究所分別于1974年和2000年又進行了兩次大規(guī)模的人體測量工作。每次測量不僅要更新過去的人體數(shù)據(jù)，還要根據(jù)當時的技術(shù)發(fā)展方向，針對性的進行相關人體參數(shù)的數(shù)據(jù)儲備。比如在1986年，就根據(jù)戰(zhàn)斗機握桿操縱技術(shù)的發(fā)展方向有針對性地進行了飛行員的手部尺寸測量，并用自行研制的“手指功能評定器”在靜、動兩種狀態(tài)下實測了飛行員雙手十指的反應時間和正確率，對手指運動功能做出了評測。該成果已制定出國家軍用標準，是我國設計和研制各種軍用飛機中央桿式駕駛桿和手扶式油門桿的技術(shù)依據(jù)。

尾聲

細節(jié)決定成敗，這句話用在工效學上最恰當不過。如果說發(fā)動機為飛機提供的是動力、機翼為飛機提供的是升力，那航空工效學的作用便是在人與飛機之間提供的潤滑劑。只有人機之間更好的磨合，才能得出“1+1>2”的結(jié)論。與其他航空技術(shù)的發(fā)展一樣，航空工效學的發(fā)展同樣需要與時俱進，空軍航空醫(yī)學研究將義無反顧的承擔推進學科發(fā)展的重任。

責任編輯：新浜