随着飞机性能的不断提高，飞行员的工作负荷及操作难度不断增大，经常导致误判和误操作。因此从工效学的角度开展座舱设计的工效学综合评价对提高飞行员工效、减少人为失误影响甚大。   

座舱布局涉及到工效问题很多，如人体测量、应急反应、视觉、照明、健康、安全、显示器、控制器的设计与布局、以及显示屏信息布局方面的问题等。

1、座舱工效综合评价指标体系的构建

综合评价是指对被评价对象进行客观、公正、合理的全面评价。如果把评价对象视为系统的话，上述问题可抽象地表述为：在若干个（同类）系统中，如何确认哪个系统的运行（或发展）状况好，哪个系统的运行（或发展）状况差。对于有限个多个方案的决策问题来说，综合评价是决策的前提，而正确的决策源于科学的综合评价。

对工效评价指标体系进行研究，首要任务就是要明确人机界面中的人机环因素和相应的作业。评价因素的选择实质上是研究人机环因素相互作用的过程以及在此过程中表现出的人机界面性质。通过人机交互过程分析，可使确定研究对象的过程严密，合理。对人机交互作业进行分析，可使人机环因素相互作业的过程清晰明了，体现人机界面性质的过程符合人的认知习惯。工效评价指标体系建立方法首先是对人机交互过程进行分析，确定研究对象，也即确定人机交互过程中所涉及到的人机环因素和相应的作业；其次对交互过程中所涉及到的作业进行分析，研究人机环因素各自特性在交互过程中的体现，选定评价因素；最后对评价因素进行分析，确定评价指标，建立评价指标体系。指标体系建立的方法有专家主观评定和比较判定法及数据统计分析法。第1类方法适用于资料有限，主要依据专家经验知识来确定指标的被评价对象。第2 类方法适用于具有定量指标的被评价对象。如英国防务鉴定研究所I. R. Craig and G. L . Burrett 针对大型运输机C2130J座舱的工效学评价因素进行过研究，并根据英国的相关标准和规范提出了120个定性形式的因素。

评价指标选择对于座舱工效综合评价至关重要。评价指标确定过程中应遵循以下原则：①系统性原则。全面反映评价对象的本质特性和整体性能。②可行性原则。③独立性原则。所选取的因素要求具有相对独立性，即同层次上的因素不具有包含关系或者是因素之间的关联性较小。也就是说所选择的因素，一方面是构成评价指标体系必不可少的，另一方面彼此要相对独立。飞机座舱工效评价指标体系的构建主要包括以下几个方面：①驾驶舱内显示装置的评价指标。具体包括：驾驶员视角、视距、显示对象的大小、颜色、呈现方式、显示装置排列等。②驾驶舱内操纵器的评价指标。具体包括:操纵器是否按功能分组; 是否考虑人的反应时间; 操纵力的大小、位置是否符合人体尺寸要求和肢体用力范围、操作中是否方便等。③座椅的评价指标。主要考虑舒适性和安全性。座椅的尺寸是否适合人体的测量值;是否能保证人体具有良好的作业姿势;座椅角度是否符合防护救生。④驾驶舱作业空间的评价指标。主要包括是否满足驾驶员手脚操作时所需空间范围及工效的可达范围。⑤ 驾驶舱作业环境评价指标。具体包括振动、噪声、温热条件、照明与色彩等。这些因素对安全操作工效均有显著影响。

工效评价指标体系建立的具体步骤包括以下几点。①进行人机交互过程分析。以典型任务为过程分析对象，研究任务内容，列出交互过程中所有相关的人机环因素和相应的作业并进行统计与分类。②进行人机交互作业分析。以步骤①得到的作业为分析对象，用三维矩阵分析人的特性、设备属性和环境条件三者之间的交互过程，交互点上所体现的所有因素就是人机交互过程中需要分析的评价因素。同时这些因素能够反映人机环境之间的相互作业和各自的特性。③应用取消、合并、重排和简化四大技巧，分析比较评价因素间的关系，确定评价因素和评价指标。④确定指标间的层次和结构，构建评价指标体系。

飞行座舱工效综合评价一般步骤主要包括：①建立评价指标体系。每个评价指标都是从不同的侧面刻画系统所具有某种特征的度量。②评价指标的测评值。③评价模型的选择。所谓多指标综合评价就是指通过一定的数学模型将多个评价指标合成一个整体性的综合评价值。常用的综合评价模型包括加权平均型、几何平均型、单因素决定型和主因素突出型。④权重系数的确定。从一定意义上讲，当指标的测评值取定后，被评价对象或系统的排序结果直接取决于权重系数的正确与否。即权重系数确定的合理与否，关系到综合评价结果的可信程度。确定权重系统的方法主要有基于“功能驱动”原理生成的赋权法、基于“差异驱动”原理生成的赋权法、综合集成赋权法这三种。③各系统的排序或分类。当计算出各系统的综合评价值时，即可按综合评价值由大到小（或由小到大）进行排序，或者按各综合评价值的离散或聚类情况而分成若干个类别，从而达到对各系统进行排序或分类的目的。

2、飞机座舱人机工效综合评价方法

传统的飞机座舱工效学评价主要依据飞行员的主观叙述来进行，很难对座舱的工效学设计做出完善的评价。由于没有一套综合评价指标体系和评价标准，常导致设计出的座舱存在不少工效学问题，进而影响设计周期、增加设计成本。国外对飞机座舱的工效学评价问题研究起步较早，对所有提出的改进方案或新方案都有其评价报告，。美国从20世纪60年代就开始了对适合于飞机座舱工效学综合评价的标准方法进行研究，但在公开报道的文献中，一直未见到其确定的综合评价方法。国内目前还缺少较系统科学的评价技术。因此，对相关评价技术的研究是促进设计部门工效评价工作规范化的有力途径。目前，国内外在飞机座舱人机工效评价领域主要有以下几个研究方向。

（1）主观评价方法

a、问卷调查表

该方法适用于各种类型的评价，可用来评价许多种定性变量，如可接受性、使用方便性等，是使用最频繁的一项主观评价方法。如图形显示信息的可接受性评价、 显示器不同显示格式的可接受性评价、新型控制方式的可接受性评价、以及平视显示器飞行符号的可接受性评价等。问卷调查表是获得主观评价资料的最基本的方法，但也是最难设计的一项主观评价方法，设计一份问卷调查表需要设计者对被评价系统有足够的背景知识。

美国兰德（RAND）公司的Olaf Helmer和Norman Dalkey于20世纪50年代提出了德尔菲法，后来又产生了几种派生的方法。这些方法在许多领域的评价工作和指标体系建立中得到了应用，但国内的应用还非常有限。该方法的基本原理是以调查征询的形式向选定的专家提出一系列问题，并汇总整理专家意见。每完成一次提问和问答的过程称为一轮。将上轮咨询所得意见的一致程度和各位专家的不同观点等信息，匿名反馈给每一位专家，再次征询意见。如此反复多次（一般情况下，经典德尔菲法为3-4轮，改进德尔菲法为2-3轮），使意见趋于一致。由最有一轮征询得到的专家意见，组合成专家群体的集体意见。德尔菲法有匿名、循环和有控制反馈、统计团体响应这3个主要特点，使其成为征求和提炼专家群体意见的一种有效方法。

b、库珀-哈珀评定量表(Cooper-Harper Ratings， 简称CH量表)

CH 量表是评价飞机驾驶难易程度的一种主观方法，该方法把飞机驾驶的难易程度分为10个等级，飞机驾驶员在驾驶飞机之后，根据自己的感觉，对照各种困难程度的定义(见表1) ，给出自己对该种飞机的评价。在20世纪60年代后期，美国空军用CH量表评价新式飞机操作的难易程度取得了很大的成功，这极大地促进了该方法在飞机设计阶段中的应用。如电子系统、显示系统、操纵系统、人机界面等的开发设计中，均可使用该等级或其变化了的形式进行评定。Newman采用CH量表评价显示器的可读性和可控性， Craig等人采用CH量表评价显示器的一致性、信息可读性、屏幕信息布局、信息明确性、以及控制器设计的合适性等。CH量表是一种比较常用的主观评价方法，它具有主观评价法固有的缺点，即评价者的评价结果个体差异较大。

表1　库珀-哈珀评定量表

c、主观工作负荷评价法

飞行员在驾驶飞机飞行的过程中，其工作负荷主要是脑力负荷。但由于人们对脑力负荷本质的模糊认识，更加上在脑力负荷维度分类认识上的分歧，一些研究者往往基于自己的理论体系确定脑力负荷的维度组成， 因此，出现了多种评价脑力负荷的方法。例如，主观评价法、主任务评价法、次任务评价法、生理评价法和综合评价法。在实际应用中，最常见的是主观评价法，该类方法中最典型的方法有以下3种。

① SWAT量表。SWAT量表是主观性工作负荷评价技术( Subjective Workload Analysis Technique)的简称。该方法提出了一个包含3个维度的工作负荷多维模型，这3个维度是时间负荷( time load)、脑力努力负荷(mental effort load)和心理紧张负荷(psychological stress load)。每个维度均分为三个等级，量表中对每个维度的各个等级都有详细的文字说明。调查对象先根据自己的实际情况选择每个维度的相应等级，然后对这3个维度的重要性进行排序。评价时，研究者先根据排序情况将调查对象归入6个组别，再换算为0 ～100分，分值越大，负荷越重。

② MCH量表。MCH量表是修正的库珀- 哈珀量表(Modified Cooper-Harper Ratings)的简称。该方法是在CH量表的基础上开发出的一种主观工作负荷评价方法。MCH量表在确定最低负荷(即取值为1)和最高负荷(即取值为10)之间的分级时，采用决策树作辅助手段。MCH量表主要用于评价具有认识任务的工作负荷，而不用于那些出于本能或精神原动力方面的问题，前者也正是CH量表难以做到的。

③ NASA - TLX量表。NASA - TLX量表是美国航空与航天管理局任务负荷指数(National aeronautics and space ad2ministration - task load index)的简称。该量表有6个维度组成， 即脑力需求(mental demand) 、体力需求( physical demand) 、时间需求( temporal demand)、业绩水平( performance )、努力程度( effort)、以及受挫程度( frustration level) ，量表中对每一因子具有详细的文字说明，并用一条分为10等分的直线表示，调查对象在直线上与其实际水平相符处划一记号，然后再将6个因子对总负荷的贡献进行排序(即予以权重) ，此6个因子的加权平均值乘以10即为该调查对象的总负荷得分。

主观工作负荷评价法综合了人、机、任务因素，可提供如主观感受、满意程度、努力水平等其它方法不能提供的信息，且具有使用简易、敏感性高、适用性强、对完成任务无干扰等优点。因此，近三十多年来，在人机系统的理论研究和实际测评中已得到广泛的应用。如Redden等人采用SWAT量表评价采用先进技术和未采用先进技术的显示界面的优劣， Aust采用MCH 量表评价不同控制方式的优劣， Newman等人用NASA-TLX方法评价平显飞行符号的工效学问题。主观工作负荷评价法缺点在于评分的主观性和标准不易统一。

（2）客观实验法

客观实验法多在专业实验室内针对研究目标，抽取研究对象，建立模拟环境，设定实验因素，控制非实验因素。利用专业的仪器设备，测量和观测被试对某个或某几个变量的认知判断，揭示人的心理活动与外界刺激间的固有关系或规律。

在客观实验法中，基于操作任务的反应时与飞行绩效评价法是一种有效的客观评价法。反应时与正确率是飞机人机界面设计最为关注的参数之一。反应时反映的是知觉过程所需要的时间，如目标从显示界面出现、到飞行员对其辨认并做出反应的时间为反应时。反应时在显控系统工效学评价中的应用比较广泛，如用反应时评价不同控制方式的优劣和不同显示格式的优劣。错误率/正确率法和飞行绩效(pilot performance)法也是比较常用的方法。正确率则是被试对不同信息显示格式的正确辨识次数占该信息显示格式出现总次数的百分比。如中科院心理所采用反应时对显示器周边按键尺寸、方位和间隔进行了研究；西北工业大学航空学院采用反应时和正确率对状态信息不同显示方式进行了研究， 北京航空航天大学以正确反应率和反应时间作为绩效评价指标，分析和讨论不同脑力负荷水平下文字和颜色编码方式对信息辨识的影响。最后得出较宜于辨识的信息编码方式，并在对飞机攻击过程的目标拾取的研究中，得出了飞行员对二维环境中目标拾取时间及其准确度的基本关系等。

（3）生理信息测量评价法

驾驶员的生理信息，如心血管功能、心肺功能、脑功能等，与显示与控制界面的适人性之间存在一定的关系，通过选取典型的生理参数作为指标，可用于飞机座舱的人机界面评价。典型的生理参数指标包括心率、眨眼、眼动、眼动电图(EOG)、瞳孔直径、脑电活动( EEG)、呼吸、事件相关脑( P300) 电位等。这些数据可用于分析研究作业人员的扫视规律、注意力分配情况、脑力负荷水平以及疲劳状态等。对这些指标的监控由生理测量系统（包括眼动仪、脑电仪、心电仪、生理多导仪、行为分析仪等）完成。由于目前的生理测量技术普遍具有专门的设备和技术要求，因此对主任务有较小的侵入性。随着近年来软件技术和硬件技术的发展，测量设备尺寸也逐渐向轻薄化甚至非接触式方向发展，从而进一步弱化了侵入性问题。实验时，成套的测量设备可以方便地安置在实验台或作业人员身上，测量系统既可以离线独立地进行数据处理，也能在线对数据处理，连续采集作业人员的生理反应信息。

（4）基于数学模型的评价方法

a、模糊综合评价法

模糊综合评法主要是利用与评价对象有关的单因素评价结果， 构成相应的评价矩阵， 并利用决定各因素重要性程度的权重因子作模糊变换， 最终得到对评价对象的评价结果。飞机座舱工效评价是一个多层次、多因素的综合评价问题， 其评价方法可采用多级模糊评价法。根据座舱工效评价项目的属性，将其分成不同的评价方面、要素及因素，形成不同的评价层次，在每个层次中，根据其对座舱工效的影响，合理的区分其重要程度，以突出重要的评价方面、要素及因素。飞机座舱工效多级模糊综合评价方法的基本思想是:先按最低级层次的各个因素进行综合评价，一层层依次往上评，直到最高层，得出最终的评价结果。即模糊综合评价的方法是由末端开始逐级向上的评价方式。如采用改进德尔菲法，G₁法和模糊综合评价法集成的综合评价方法可建立综合评价指标体系，该方法的基本原理是首先采用改进德尔菲法建立评价指标体系，然后应用G₁法确定各指标权重系数，最后，对各指标的特征值进行量化处理，再用模糊加权平均算子作为综合评价的数学模型算出评价结果。

座舱工效的多级模糊评价方法的研究还处于探索阶段，要开发实用的系统还应解决许多问题。这些问题归纳起来有以下几点。① 对该评价方法中的评价因素集、评价矩阵和因素权重值的确定，还需要做进一步的探讨。② 由于座舱工效因素很多，而且既有定性因素又有定量因素，其评价等级分级基准的确定还有待进一步研究。③ 鉴于飞机座舱工效评价本身的复杂性、信息的大量性，较好的解决途径是引入专家系统， 建立一个有关专家对多种座舱工效进行评价的知识库。因此，知识库的知识的描述、表达、获取均是尚待进一步研究的课题。

b、灰色关联评价方法

灰色关联评价方法的基本思想是：根据参考数列（评价标准）曲线和被比较数列（设计方案）曲线间的相似程度来判断关联程度。相似程度越大，关联程度越大，即设计方案与评价标准越接近。灰色关联评价方法包括以下几个关键步骤：①确定参考数列。评价标准应选取所有设计方案中各项指标的最优者。当指标属于“效益型”时，选取所有方案中该项指标的最大值；当指标属于“成本型”时，选取所有方案中该项指标的最小值。对于初值不同的数列作关联度分析时，一般要先进行无量纲化处理，生成新的数列。②计算关联系数。关联系数是各被比较数列曲线和参考数列曲线在各点的相对差值。③计算关联度。关联系数给出的信息过于分散，不便于比较，可采用求加权平均的方法对信息进行集中处理，从而计算出关联度。被比较数列（设计方案）曲线和参考数列（评价标准）曲线越接近，即相应的人机界面设计方案越优。

c、生物力学模型评价法

生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组成部分之间的关系。在生物力学模型中，肌肉骨骼系统被看作机械系统中的联结，骨骼和肌肉是一系列功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力，从而对操作者的工作状态进行评价。 如通过建立人体生物力学模型，计算第50百分位驾驶员在操纵中立位置时腰椎L4/L5受力情况，以用于评价飞行员的坐姿疲劳。

d、虚拟评价技术

驾驶舱工效布局评价对安全驾驶和飞行员身体健康意义重大。传统方法是真人现场评价样机，效率低费用高近年来，基于数字模型的工效评价逐渐成为飞机设计的趋势，在虚拟设计阶段可利用虚拟样机和计算机人体模型进行初步的工效评价，尽早发现设计不足，可缩短设计周期和降低设计费用， 使驾驶舱更加人性化。进行虚拟工效评价包括两个主要内容， 一是建立飞机数字模型，二是建立精确的飞行员人体模型。如苏润娥等人将某型民机驾驶舱数字模型导入并进行优化并利用人体模型创建模块，建立了民机驾驶工效评价用的1%、50%和99%我国飞行员人体模型， 确定了关节舒适角范围和最舒适驾驶姿势，进行了座椅、仪表板、遮光罩、方向舵踏板、操纵杆盘、中央控制台、顶部仪表板等驾驶舱内主要设备的布局评价发现了布局设计中若干不符合工效特性的地方， 并提出了改进建议。

美国 DiSTI（Distributed Simulation Technology Inc.）公司开发的GL Studio视景仿真软件为构造虚拟评价环境提供了手段。它可以用来创建三维、实时互动、照片级真实感的虚拟仪表图形界面，并能与HLA/DIS (High Level Architecture／Distributed Interactive Simulation)仿真应用相连，生成的C++和OpenGL 源代码既可以单独运行，也可以嵌入其它应用软件中。该软件能仿真各种仪表的指示，实时模拟仪表之间的动态关联，并可以通过鼠标或触摸屏对虚拟仪表进行操纵，效果逼真。

SPEOS光学模拟和视觉仿真系统利用数字化虚拟技术研究在飞机座舱设计中视觉功效仿真的应用方法。SPEOS整合了CATIA系统的光学设计和人体真实模拟效果的光学软件，通过国际视觉研究领域的专家的合作开发出基于生理效应的人类视觉模型，依照视网膜的空间响应处理眼睛对明亮等级、颜色、对比度和周围环境的发光度的响应，根据有关的标准规范给出结果，可用于评定飞机内饰和显示界面设计中的不同布局、亮度、色彩、材质等因素，如评价天空和阳光对舱内视觉效果的影响、散射光对信息显示的影响、显示器角度特性对观察效果的影响等。