《无人机系统中的人类系统集成指南》加拿大国防研究和发展部64页报告

2022 年 8 月 11 日 专知

第1章简介

1.3 背景情况

1.人是任何防御系统的关键组成部分--对于无人驾驶飞机系统（UAS）来说也是如此，尽管有 "无人驾驶 "的说法，但为了达到预期的任务效果，还是需要很多人的参与。无人驾驶飞机领域显然是航空业中一个新兴的、高增长的部门。与任何新的创新领域一样，无人驾驶航空领域最初的焦点集中在推进使能技术和开发其操作程序，以获得竞争优势。

2.在过去的十年中，随着各种组织开发和使用越来越复杂的无人驾驶飞机，人们越来越理解无人驾驶飞机是复杂的、分布式的系统，而不是简单的飞机--也就是说，意识到有问题的远不止是飞机。这种认识正式体现在美国无人驾驶飞机系统发展和标准化指南（美国国防部[DoD]，2012年，2016年），以及其他支持性文件。从整体系统的角度来看，我们应该认识到，无人机系统是由无人机、地面组件和其他架构元素组成的，每个元素都有自己的属性，它们共同互动，表现出对各种系统利益相关者有价值的突发系统级属性。

3.这一系统观点中隐含的理解是，包括人类机组成员在内的地面控制站（GCS）在确定无人机系统的整体系统级属性，包括系统安全方面起着重要作用。在这种系统观点中，还承认无人机系统的发展需要通过系统工程过程来协调。然而，即使采用了系统工程的方法，其范围也常常被限制在技术系统上。这种看法是一个重要的问题，因为与流行的观点相反，无人机系统并没有从系统中去除人的因素。相反，无人机系统提供了一种选择，使人不再一定要与系统中的物理动态部件同处一地。同样，高度自动化的系统允许修改而不是消除人的作用，例如通过减少必要的技能和能力或允许增加控制范围。

4.与载人系统一样，人在无人机系统中的基本作用是为系统提供上下文反应的指挥和控制（C2），并对情况进行总体了解。为了完成这些功能，人必须在系统运行的某个时刻与系统互动，并使用某种形式的人机接口（HMI）。因此，对于任务的有效性和安全性来说，从系统构思开始就将人完全融入到无人机系统中是至关重要的。这就要求在开发、获取和操作无人机系统时，关注人类系统集成（HSI）的所有要素。图1-1代表了一个综合系统的HSI的主要元素：人、技术和工作环境。

图1-1：一个集成系统的主要内容

5.值得在此明确定义什么是HSI，因为许多人把它狭隘地看作是人和机器的接口，是人因工程和传统驾驶舱设计的同义词。这种观点实际上只包含了HSI的一个要素。广义上讲，HSI是基于这样一种理解，即人是系统内的关键要素，采用以人为本和以交互为中心的设计（Hou等人，2014）的系统视角可以提高生产力和安全性，同时降低成本。根据美国国防部采购指南，HSI被定义为 "一个强有力的过程，通过它来设计和开发系统，有效且经济地整合人类的能力和限制。HSI应该作为武器系统开发和采购的整体系统方法的一个组成部分....，整体系统不仅包括主要的任务设备，还包括操作、维护和支持该系统的人员；训练和培训设备；以及操作和支持基础设施"。

6.HSI涉及识别和权衡可能严重影响系统性能的人类相关问题。为了确保所有的问题都得到考虑，这些与人相关的问题被分为五个主要领域，即人力/人事、培训、人因工程（HFE）、安全和健康以及组织和社会特征。HSI的一个核心原则是那些开发、获取和操作系统的人必须对这些领域保持一个整体的观点。没有一个领域应该被孤立地考虑，相反，它们需要相互关联。其中一个领域的任何决定几乎肯定会影响到另一个领域。

7.对于在世界范围内的空域结构中以非隔离方式运行无人机系统的支持者，如北约联合能力小组无人机系统（JCGUAS），一个重要的关注领域是系统安全。随着对无人机系统事故调查和分析的日益重视，人为错误（即人的表现失败）已被证明是导致无人机系统安全相关事件的重要因素。基于上文提出的HSI概念，任何解决UAS系统安全的努力都必须涉及对其他HSI领域的整体考虑，如人为因素工程、人力/人事和培训。这一论断并不新鲜，在传统的载人航空中同样适用。然而，在载人航空中，人员和培训是由现有的法规和标准严格规定的，因此允许对人机界面的人因工程采取相对规范的方法，以达到预期的系统安全水平。相比之下，目前在人员和培训方面存在明显更大的可变性，因为它们适用于UAS，使得对GCS设计的规定性方法远不可行。相反，人因工程的决策需要根据人因工程、人力/人事和培训等领域之间存在的整体性能、安全和成本效益交易空间来考虑。因此，明确考虑到这种交易空间的GCS设计的可重复的过程解决方案是最好的，这样潜在的理想创新就不会受到不必要的限制。

8.为了提供指导，改善对无人机系统中人的因素的考虑，减少与人的表现有关的事故和事件，提高安全性，从而促进无人机系统在非隔离空域的常规飞行，本标准建议（STANREC）由人因专家小组（HFST）为无人机系统在非隔离空域飞行（FINAS）工作组（WG）、JCGUAS编写。它是FINAS第4685号研究的产物，从英国国防部标准00-250《系统设计者的人为因素》（2008）中提取了适用于设计和采购无人机系统的通用系统工程框架的高级过程相关要素。这份文件代表了HFST成员的辛勤工作和奉献精神，他们的服务和努力使这项工作成为可能。这些人包括：

Patrick Le Blaye（法国），Daniel Hauret（法国），Piet Hoogeboom（荷兰），Ming Hou（加拿大），Joe Geeseman（美国），Edgar Reuber（德国），Ian Ross（英国），Roland Runge（德国），Anja Schwab（德国），Anthony Tvaryanas（美国）和 Eric Vorm（美国）。

1.4 目的和范围

1.本STANREC描述了

a. HSI对UAS在非隔离空域飞行的重要性。
b. 有助于确定人类对无人机系统性能和安全的关键贡献可能发生在何处的活动。
c. 如何将HSI的投入融入到UAS的发展中；以及
d. 可用于应用HIS的技术。

2.STANREC中规定的过程既是基于目标也是基于风险。在每个UAS项目中必须满足的总体HSI目标已经确定。只要这些目标得以实现，实现这些目标的手段就可以根据各个无人机系统项目的情况进行调整。因此，HSI活动的范围和深度应根据与人类相关的考虑因素所带来的项目风险程度进行调整。通过这种方式，该过程支持开发具有成本效益的无人机系统，使其更加安全，并提高任务的有效性和可靠性，从而满足整合到非隔离空域的要求。

1.5 目标受众

本STANREC针对的是需要解决无人机系统的设计、实施、采购、评估和运行中的人为问题/风险并为其提供资源的北约和工业界人员。本STANREC的主要用户是由所有利益相关者组成的综合项目组（IPT），包括设计、开发和/或采购UAS的项目经理、设计师和开发人员。本STANREC涉及与人有关的考虑和HSI活动，以使IPT成员了解它们与整个系统工程过程的相关性和重要性。尽管如此，参与无人机系统开发的所有各方，包括无人机系统的终端用户，都应该发现本STANREC的相关性。

专知便捷查看