人体测量学在飞机驾驶舱设计中的应用

【摘 要】 人体测量学作为人为因素的一个重要组成部分，在飞机设计尤其是在飞机的驾驶舱设计中应用广泛。本文参考国内外有关文献，分别从人体测量学在驾驶舱可达性设计、舒适性设计和维修性等方面进行讨论和分析，展示了其基本的应用。

【关键词】 人体测量学人为因素驾驶舱可达性

1 引言

人体测量学是指用科学的方法测量和收集人体物理特性，并将其应用到系统、设备、产品和人机环境等的设计中[1]。是人为因素的重要组成部分。

这些物理特性包括身高、体重、可达范围、力量数据以及舒适度评价等。

人体跟产品、系统是不一样的，人体是不能设计的，因此，在类似驾驶舱这样的产品或人机环境设计中，设计人员必须充分考虑人体测量学的要求，使得设计出的飞机系统、环境都能够适应人体的尺寸需求。

2 人体数据的修正与选择

2.1 人体数据的修正

常见的人体测量项目如图1所示（限于篇幅未列全），但是这些测量数据不能直接应用于设计，首先是因为这些数据的测量有其年份，一般这个年份既不同于产品设计时间，也不同于产品使用时间；其次是因为这些数据是用裸身来测量的，所以在设计时必须考虑服装、鞋帽等着装对数据的影响；再次是因为不同人种、不同年龄段、不同性别之间的数据差异也很大，在产品设计时必须予以取舍或兼顾。由于本文所用数据取自GJB 4856-2003《中国男性飞行员人体尺寸》[2]，人种、年龄段与大众的人体数据相比，取样的范围要窄很多，因此这些因素对数据的影响较小，可以不予考虑。

2.1.1 年份对数据的修正

GJB 4856数据的测量时间是2000年7月，根据统计结果，中国人近年来的平均身高增长量为26mm/10年，所以如果设计当下使用的产品，在身高上的修正量就达到39mm，如果像飞机这种长设计周期的产品，就要考虑到飞机投入运行的时间，使之能够符合飞机投入市场时的人体尺寸要求。

2.1.2 着装对数据的修正

按照FAA的标准[1]，着装对于操纵间隙的影响较大，因此，在计算机组人员尺寸时，需要考虑着装的因素。FAA将着装分为轻便着装，中等着装和重装三种类型。表1给出了中等着装对人体尺寸的影响。

2.2 人体数据的选择

按照CCAR 25.777（C）条款规定，“操纵器件相对于驾驶员座椅的位置和布局，必须使任何身高158至190厘米的最小飞行机组成员就座并系紧安全带和肩带（如果装有）时，每个操纵器件可无阻挡地作全行程运动，而不受驾驶舱结构或最小飞行机组成员衣着的干扰。”[3]

因此，驾驶舱设计时，应至少满足最低和最高身高这两个极限值及其所对应的其他身体尺寸。由《中国男性飞行员人体尺寸》[2]可知，人体尺寸的分布基本满足正交分布，可以根据标准差和第50百分比的数据计算出其他百分比的数据。

3 人体测量学在驾驶舱可达性设计中的应用

驾驶舱的可达性不仅包含对各操纵器件的无障碍的可操作，还包括对内外部视界的可达。在进行操纵器件的可达性分析时，需要对可达方式进行定义，因为不同的可达方式其可达包线不同，所需要的可达力也不同。而在对视界的可达性进行分析和设计时，则需要把重点放在对设计眼位的选择上。实际上，这两者又是相互关联，相互影响的。下面分别就两方面进行说明。

3.1 操纵器件的可达性分析

驾驶舱设计中需要用到手的可达方式主要是对按钮的按压、对开关的拨动、对旋钮的转动、对开关等的拉拔提、对油门杆等的推拉和对驾驶盘的推拉与旋转等。需要用到脚的可达方式主要是对脚蹬的踩踏。

3.1.1 手的可达性

手的可达方式主要是通过手指、手指与手指、手指与手掌、手掌等的触碰、抓取、握取、拉拔、推等动作来实现对驾驶舱器件的操纵。

其中，只需要指尖可达的方式可达范围（3.17-3.20）最大为722mm。根据HFDS[1]的统计结果，指尖可达范围比需要指关节操作的方式大70mm，比全手掌操作的方式大125mm，分别为652mm和597mm。

同时，就同一种动作而言，也会因为距离人体上下、左右、前后的距离不同而使可达范围不同。可以在不同的尺寸位置分别对人体做横切和纵切来详细判断手的可达性，如图2所示，（均为第50百分比人体尺寸的抓取动作）。这些曲线都是在对大量人体尺寸精确测量和统计的基础上得到的。如果将剖面进一步增加，则可以形成一只手对可操纵范围的包络体，这也是CATIA人机功效学模块中可达性分析的原理。

操作器件除应在驾驶员的可达包线内，还应保证驾驶员能够以合适的力对其进行操作，以减少驾驶员疲劳负荷，提高安全性水平。例如，按钮的操作力应在2.8至11.3N范围内。用于前轮转弯操纵的手轮，一般是由手腕和手指运动来操作的，由其负荷应小于22N。用于起落架收放操纵的手柄的操作力应在4.5至45N之间。

3.1.2 脚的可达性

脚产生的力的大小与下肢的位置、腿部膝关节的角度等姿势和方向有关。下肢伸直时脚产生的力大于下肢弯曲时产生的力。脚产生的操纵力通常是以压力形式出现的，压力的大小与脚离开人体中心对称线向外偏转的程度有关。

为了达到最佳的可达效果，最好将所有的操作器件放置在第50百分比的人体可达的边界之内，但这显然是无法实现的。所以，必须根据操作器件的操作频率，尽可能将使用频率高的操作器件安排在该可达包络范围之内。

3.2 视界的可达性分析

驾驶舱的清晰视界主要是根据咨询通告AC 25.773-1[4]的要求进行设计得到的锥形区域，并将锥形区域与飞机外形相交得到驾驶舱风挡的最小区域。外部视界与人体测量学关系不大，本文不作详述。而内部视界，则主要是针对操纵器件以及各面板上的仪表的可视性而言。在对内部视界进行分析时，仅仅通过头部的移动来改变视界，要求机组的躯干部分均保持直立，无转动或者弯曲，并由安全带束缚。头部的运动包括如下三种方式：左右转动、上下抬头和低头和左右偏转。

3.2.1 设计眼位的确定

不论是外部视界还是内部视界，与设计眼位的位置都息息相关。因此，在驾驶舱设计中，设计眼位是比较重要的设计基准之一。设计眼位在展向的值有个范围，对于中程运输机，平均值为650mm，对于轻型飞机则为350mm。因此，设计眼位的位置主要集中在航向和高度方向上。设计眼位的确定要在座椅参考点、驾驶舱顶部边界、风挡、仪表板、操纵器件等因素中权衡。

3.2.2 仪表板的布置

运输类飞机仪表板上主要布置有PFD、MFD和EICAS显示器，要求驾驶员能够舒服地看到，即防止驾驶员视觉疲劳，以减少由于人为因素导致的操作失误。防止疲劳的措施包括很多，与人体测量学有关的有：

（1）眼睛与显示器中心的连线应低于水平视线。最佳的视线应在水平视线下15度角至40度角之间。在该角度区域范围内，将增加眼睛的聚光能力，同时能缓解颈部、肩部、前臂和腕部的肌肉紧张程度。

（2）眼睛与显示器中心的连线最好垂直于显示器平面，若不能垂直，则至少大于45度角。

（3）眼睛与显示器之间的距离不应小于330mm（只需短时间观察的可以放宽到250mm）。最远距离取决于显示的内容。当眼睛与显示器之间的距离大于600mm时，需要对显示内容（字体、符号等的大小）及显示亮度进行调节以增加易读性，一般应大于22弧分。

3.3 两者间的相互影响

操纵器件的可达性与视界的可达性是相互联系又相互制约的。例如，为了达到最佳的内部和外部视界，飞行员的眼位最好位于设计眼位上。但是由于人体尺寸的不同，如果设计时，保证身材较高的飞行员在设计眼位时的视界，就可能导致身材较矮的飞行员无法够到脚蹬等飞行控制器件。因此，在驾驶舱设计时，对座椅、脚蹬等设置中立位置和可调节范围就十分必要。需要说明的是，一般情况下，座椅的上下调节范围，脚蹬的前后调节范围都是一样的，但并不是说，中立位置一定对应于第50百分比的人体尺寸，需要根据具体的数据，来选择中立位置和调节范围，否则可能导致有些调节范围是无法使用的。

又如，波音737-800飞机的垫脚板厚度为70mm。其设计眼位距离地板高度在1200mm左右，最小和最大身材的飞行员的坐姿眼高分别为761mm和896mm，小腿加足高的长度分别为374mm和477mm。为了保证达到设计眼位的高度，最佳的状态莫过于座椅参考点中立位置距离地板422mm，上下分别可调节118mm。但是实际设计时，座椅的调节量很难达到118mm，一般情况下在上下各50mm左右。这将使得座椅向上调节至极限位置时，很可能导致腿脚的悬空。在脚下布置一定厚度的垫脚板，则可以增加飞行员的舒适性，降低驾驶疲劳。

4 人体数据在驾驶舱维护性设计中的应用

驾驶舱作为一个各系统的控制中心，各种线束、管路、杆系在驾驶舱地板下汇集，如果没有良好的开敞性，则既不利机的总装，也不利于维护。

增开维护口盖，设置维护通路是增强维护性的常用方法。对机驾驶舱设计而言，在地板结构上设置可以供人进出的开口对于大型运输类飞机是必须的。但是设置多大的开口合适，则是人体测量学的应用领域。图3给出了常用的全身出入通道尺寸[5]，按照轻装和重装、顶面/底面和侧面进行了分类。

5 结语

本文通过对人体测量学在飞机驾驶舱可达性、舒适性和维修性等方面的简要描述，说明了其在驾驶舱设计中的应用。

参考文献

[1]Ahlstrom V，Longo K.Human Factors Design Standard. USA：Washington，2003.

[2]中国人民总装备部.GJB 4856-2003中国男性飞行员人体尺寸，2003.

[3]中国民用航空局.CCAR-25-R4运输类飞机适航标准，2011.

[4]FAA.AC 25.773-1 Pilot Compartment View Design Considerations.USA：Washington，1993.

[5]中国人民总装备部.GJB 2873-1997军事装备和设施的人机工程设计准则，1997.