飛機座艙顯示/控制系統(tǒng)設計淺析
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摘要：飛機座艙顯示/控制系統(tǒng)作為人機接口，一直是航空工效學關注的對象。在閱讀大量國內外相關文獻，并結合自身多年座艙設計經驗的基礎上，對飛機座艙顯示/控制系統(tǒng)設計進行了詳細分析，重點從信息顯示界面優(yōu)化、控制界面優(yōu)化、測試內容和評價方法等方面對系統(tǒng)的設計與研究內容進行了詳細闡述，提出了“座艙綜合顯示/控制”的設計理念。
關鍵詞：飛機座艙；顯示/控制系統(tǒng)；情境意識；人機接口
飛機座艙顯示/控制系統(tǒng)作為人機接口，其設計的好壞直接關系到飛行員能否作出正確的判斷和決策，能否合理地控制飛機，能否保障自身安全，能否順利完成飛行任務。隨著飛機性能要求的不斷提高，飛行員的工作負荷和操作難度日益增大，對飛機座艙顯示/控制系統(tǒng)的設計工效要求也越來越高。握桿操縱技術雖然增強了飛行員的控制能力和控制的實時性，但也提升了飛行員手指控制的復雜性，使得飛行員的操作失誤率提高。盡管綜合控制在現代飛機上已有所應用，比如正前方控制板（UFCP）、航空電子啟動板（AAP）和多功能顯示器（MFD）周邊鍵等都具有一定的綜合控制功能，但其只占很小一部分，就整體而言，仍是分散控制。盡管飛機座艙自動化在某種程度上減輕了飛行員的的體力負荷，但同時增加了非常規(guī)操作的負荷，從而引發(fā)諸多與飛行安全相關的問題，比如飛行員情境意識喪失、心理負荷加重、自動化系統(tǒng)故障或失效時難以有效恢復等。目前，我國飛機座艙自動化控制技術尚處于初級階段，對飛機的整體自動控制能力有限，自動化程度不高。
1設計面臨的問題
1.1信息量和控制裝置增多
隨著戰(zhàn)斗機性能的不斷提高、作戰(zhàn)任務的日趨復雜和機載電子設備數量的增加，提供給飛行員的信息呈爆炸式增長，使得飛行員陷入大量的數據當中。“信息爆炸”必然使信息顯示需求增長，主要信息輸入裝置的數量也急劇增加。如何設計出高效的座艙顯示/控制系統(tǒng)，以解決信息猛增與信息顯示空間有限的矛盾，提高人-機信息的交換效率，減輕駕駛員的操縱負擔，是現代飛機座艙顯示/控制系統(tǒng)設計面臨的難題之一。
1.2工作負荷過大
從本質上講，座艙人機接口的主要目標是最大限度地增強飛行員的情景意識。當進入“攻擊”狀態(tài)時，飛行員必須保持全局情境意識（相對地理位置及其相對于友機的位置）和瞬間情境意識（飛機相對于地面、附近其他飛機的位置）。除此以外，飛行員不得不在考慮剩余燃油量、飛行高度和當前燃油使用率的同時，保持相對于返航所要恢復空域位置的意識。這是一種高度動態(tài)的腦力勞動。在“空對空”和“空對地”作戰(zhàn)環(huán)境下，一方面，超視距情境意識要求飛行員將注意力集中于儀表上；另一方面，近視距情境意識則要求飛行員目視搜索目標。如何兼顧飛行員的情景意識，又不至于混淆模式，是座艙設計者必須考慮的問題。如何有效地處理各種問題，最大限度地增強飛行員的情境意識，減輕飛行員的工作負擔，是座艙設計者面臨的難題。
2設計與研究內容
2.1信息顯示界面優(yōu)化
信息顯示界面的優(yōu)劣直接決定著飛行員的判斷和決策是否正確，尤其是在高度緊張和高負荷狀況下，為了增強飛行員的情境意識，降低工作負荷，加強整體把控，必須優(yōu)化信息顯示界面。
2.1.1信息內容優(yōu)化
目前，由于缺乏設計標準，越來越多的信息被引入到顯示器上，從而出現信息過多、混亂的情況，增加了飛行員的工作負荷，延遲了認知和判斷的時間；但是，如果信息量不足，又會使飛行員情境意識下降。因此，信息內容的優(yōu)化至關重要?，F代航空電子系統(tǒng)和綜合火控系統(tǒng)的應用大大增加了座艙顯示系統(tǒng)的信息量，使得飛行員的工作負荷明顯增加，因此，提供一個友好的界面十分重要。從優(yōu)化設計的角度來看，要考慮顯示畫面的清晰度和邏輯性、各個畫面位置的合理安排、畫面字符的可讀性等；要針對不同的飛行階段，為飛行員提供他們所需要的信息。另外，顯示系統(tǒng)要根據任務的需要，提供給飛行員最關心的信息，確保任何一條顯示信息都是飛行員需要的。
2.1.2顯示方式優(yōu)化
為了加強飛行員在復雜情境中對自身狀態(tài)、飛機狀況和周邊事態(tài)的充分了解和整體把握，我國目前正在尋求新的信息顯示方式或途徑，研制、開發(fā)新型信息顯示界面。研究集中于平視儀、下視儀、多功能顯示器和頭盔顯示器等信息顯示優(yōu)化方面，比如在平視儀俯、仰角梯線符號變化的情況下對飛行性能的評估，采用色彩編碼水平情況顯示儀來增強戰(zhàn)術情境意識，自動駕駛飛行座艙情況顯示器的研制等。目前，頭盔顯示器日趨成熟，因視場大、靈活，能夠滿足大離軸角搜索、跟蹤、瞄準和發(fā)射大離軸角制導武器的需求而備受青睞。
2.1.3顯示器、操縱器的布局優(yōu)化
2.1.3.1顯示器的布局與排列
顯示器的布局與排列是否合理，直接關系著認知效果、巡檢時間和工作效率。顯示器、操縱器（包括顯示設備）的布局與排列應考慮人的視覺特性和使用頻率。與顯示有關的視覺特性主要包括以下幾點：①飛行員作業(yè)時，雙眼的視覺作業(yè)域在中心視軸左右95°，水平視線上90°、水平視線下35°的范圍內，最佳視區(qū)如圖1所示。根據觀察任務的不同，可將雙眼總視區(qū)分為若干子區(qū)，其中－95°～95°為視軸轉動最佳區(qū)，－62°～62°為顏色識別區(qū)，－（30°～60°）～（30°～60°）為標注、標記識別區(qū)，－（5°～30°）～（5°～30°）為最大視敏區(qū)，－（5°～10°）～（5°～10°）為符號識別區(qū)，－1°～1°為精細視覺區(qū)。②人眼的調節(jié)能力是顯示器、操縱器裝置配置設計時要考慮的附加因素。視線在不同距離上的聚焦能力不同。設置顯示器儀表板的安裝距離時，要保證視覺系統(tǒng)不過分緊張，一般要求的距離為400～700mm。儀表板的板面與飛行員的觀察視線應盡可能接近90°。為此，在理論上，板面需前傾15°，并翻開兩側板。同時，水平操縱板的縱向傾斜度不低于5°，垂直板傾離垂直方向的角度不低于10°，這樣可保證最佳工作條件。③與垂直式顯示儀相比，水平式顯示儀的認知效率較高，認知差錯率較低。④人的視線運動順序為從左到右或從上到下。⑤在偏離視覺中心相同距離的情況下，人眼對左上角的觀察效率高于右上角，其次為左下角，右下角的觀察效率最低。⑥人對視野最佳范圍內的目標認讀迅速而準確，且觀察視野有效范圍內的目標不易引起視覺疲勞。因此，重要的顯示儀表應布置在最佳視野范圍內，而在視野最大范圍外，不應布置顯示儀。⑦在特殊條件下，人的視覺特性會發(fā)生變化。比如在過分搖晃或振動嚴重的情況下，人的視覺會受到損害，從而影響視覺顯示信號的認讀。代戰(zhàn)斗機座艙普遍采用“一平三下”的Y形布局。這種布局的制約性因素為平視顯示器占據儀表板中上部最佳視區(qū)，因而，難以在儀表板中央再設置大型顯示器。用頭盔顯示器或大屏幕高分辨率顯示器代替平視顯示器，可彌補以上不足，且為座艙顯示/控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。
2.1.3.2顯示設備的選擇
顯示設備的選擇應考慮顯示清晰圖像的能力、顯示彩色圖像的能力、是否符合座艙視野要求、飛行員的接受程度和能否使飛行員高效地獲得所需信息等。大屏幕顯示器可以從各個機載傳感器、聯合戰(zhàn)術信息分配系統(tǒng)和機載數據庫獲取全部信息。經計算機處理，將特定飛行時刻需要的信息全部顯示在大屏幕顯示器上，從而可以解決駕駛員對情況了解不夠、控制顯示和融合理解數據負擔過重的問題。
2.1.3.3顯示畫面的背景和光照
由于背景、光照會直接影響認知效果，因此在顯示畫面和設計字體時，必須充分考慮背景和光照因素。一般情況下，不應采用強反射背景。這是因為強反射背景會產生眩光現象，從而影響認知效果。眩光強度越大，對視覺作業(yè)績效的影響越大；反射眩光離判讀者視線越近，視覺作業(yè)績效越差。根據相關試驗數據，當視標亮度為1.5cd/m2時，反射眩光的亮度為30cd/m2，不同反射眩光面積對被試視覺作業(yè)績效有顯著影響，并且反射眩光面積越大，視覺作業(yè)績效越差。目前，大屏幕顯示器研發(fā)的難點之一是開發(fā)一種能在高空或陽光下具有足夠亮度、不影響判讀，且能為駕駛員提供所需信息的顯示屏。
2.2控制界面優(yōu)化
控制界面優(yōu)化包括控制方式、控制反饋、控制編碼、控制器結構和尺寸、控制器阻力等的優(yōu)化，以防控制器偶發(fā)啟動。目前，綜合控制因其更為自然、易用等優(yōu)點而受到青睞。綜合控制器一般包括顯示器周邊控制軟鍵、正前方控制板、航空電子啟動板和握桿操縱控制（HOTAS）部分。顯示器周邊控制軟鍵是可以通過計算機軟件設定其控制功能的按鍵式開關，裝配在多功能顯示器的四周，控制軟鍵的功能隨著顯示畫面的改變而改變。正前方控制板位于飛行員前方，是一塊可平視操縱的顯示板，用于系統(tǒng)模式的改變和系統(tǒng)參數的更改、設置。航空電子啟動板是一個獨立單元。只要直流電源有電，就能啟動工作，具有啟動和關閉航空電子系統(tǒng)、控制座艙電視攝像機和視頻磁帶記錄器等功能。HOTAS部分用于將重要的控制器（開關、按鈕等），特別是作戰(zhàn)中必須操作的開關集中于駕駛桿或油門桿上。在關鍵的作戰(zhàn)飛行階段，飛行員的手不必離開駕駛桿或油門桿就能操縱這些控制器，統(tǒng)一控制主要的傳感器、武器和顯示器；在時間緊迫的作戰(zhàn)階段，飛行員兩眼平視、兩手握桿即可完成戰(zhàn)斗任務。綜合控制設計將座艙重要的控制器小型化、集中化和多功能化，方便飛行員兼顧顯示觀察和操作控制。
2.3測試內容和評價方法
任何一個系統(tǒng)的評價都必須建立在試驗的基礎上，其測試內容和方法是否客觀、全面，直接影響到評價是否具有客觀性、全面性和有效性。飛行員作為使用的主體，其主觀評價對整體評價起著不可替代的作用。隨著不斷更新的顯示技術和控制技術的出現，顯示/控制評價的測試變得越來越復雜。在使用電子顯示器時，需考慮顯示器的光照影響、模式轉換和數據的延遲性。如果有頭盔顯示器，還需考慮頭部動態(tài)運動的影響。因此，測試時必須要考慮評價任務、外部視覺條件和頭部運動，并對振動、噪聲等進行評價。
3座艙綜合顯示/控制系統(tǒng)
綜合上述分析，可將座艙顯示/控制系統(tǒng)綜合為兩臺大屏幕綜合顯示器和多功能控制面板，采用高度綜合的集成一體化設計，將機載數據處理、航電任務管理和圖形圖像顯示綜合在飛行顯示器內部，無單獨的顯示/控制任務計算機，使整個顯示/控制系統(tǒng)組成合理，減輕系統(tǒng)質量，簡化座艙儀表板布置。飛機上各路傳感器數據先經綜合顯示器的數據采集處理單元處理、組織成網絡數據幀，再通過網絡將數據幀傳送至綜合顯示器的顯示處理單元；顯示處理單元接收到數據幀后進行數據融合和圖像處理，最終完成圖像顯示。采用模塊化的設計方法，按照功能劃分為顯示處理單元、數據處理單元和多功能控制面板。功能單元內部由通用現場可更換模塊組成，標準化程度較高，提高了系統(tǒng)的可維護性。功能單元之間通過數據網絡連接。這種松耦合方式不僅可以提供靈活的可擴展性和測試性，還可以提高系統(tǒng)的容錯能力。大屏幕綜合顯示器間通過顯示同步數據網絡和交叉互比數據網絡來實現雙機間的任務周期同步、飛行顯示器間的數據交叉?zhèn)鬏?，使每個綜合顯示器均接收到另一綜合顯示器采集的載機信息，在此基礎上可實現對飛行參數的監(jiān)控。當差異超出一定范圍時，系統(tǒng)給出報警提示，這不僅有利于及早發(fā)現故障、確定故障源、防止故障蔓延，還能提高系統(tǒng)任務可靠性。座艙綜合顯示/控制系統(tǒng)將大量復雜的傳感器數據經采集、處理、融合后通過大屏幕高分辨率的液晶顯示器呈現給飛行員，使得飛行員能夠高效地獲得所需信息，減輕飛行員的工作負擔。
4結束語
本文從座艙顯示/控制系統(tǒng)設計面臨的問題出發(fā)，從信息顯示界面優(yōu)化、控制界面優(yōu)化等方面進行了分析，提出了“兩臺大屏幕綜合顯示器和多功能控制面板組成綜合顯示/控制系統(tǒng)”的設計理念，符合座艙顯示/控制系統(tǒng)高度綜合化的發(fā)展趨勢，具有較好的應用前景。
參考文獻
［1］孫濱生.現代戰(zhàn)斗機座艙布局［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1988.
［2］范天慈.機載綜合顯示系統(tǒng)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2008.
作者：楊明怡 單位：中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司
