飛機(jī)人機(jī)交互設(shè)計(jì)的重要原則之一

王黎靜+何雪麗

平視飛行的由來

在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)，經(jīng)常會(huì)提到一條非常重要的人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則——“雙手握桿，平視飛行”。“雙手握桿”是指將武器和雷達(dá)等重要控制器安裝到戰(zhàn)斗機(jī)的駕駛桿和油門桿上，以保證飛行員在作戰(zhàn)飛行時(shí)雙手不離開操縱桿，也就是所謂的HOTAS（Hands On Throttle and Stick）技術(shù)?！捌揭曪w行”則是指飛行員在飛行或作戰(zhàn)時(shí)保持抬頭狀態(tài)，不需要頻繁低頭查看儀表，可在觀察艙外飛行環(huán)境的同時(shí)獲取各類飛行信息。之所以提出平視飛行，是因?yàn)槿说难劬υ谶h(yuǎn)景和近景之間切換時(shí)會(huì)有一定的聚焦適應(yīng)時(shí)間，雖然時(shí)間較短，但對(duì)于高速飛行或機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的飛機(jī)來說，其對(duì)飛行安全和作戰(zhàn)績(jī)效的影響仍是不容忽視的。另外，頻繁的抬頭和低頭還會(huì)造成飛行疲勞和對(duì)飛行態(tài)勢(shì)感知（SA，Situation Awareness）的下降。平視飛行設(shè)計(jì)原則可以降低飛行員低頭查看儀表的頻率，避免出現(xiàn)注意力中斷、態(tài)勢(shì)感知喪失、視覺負(fù)荷大和眼睛焦距調(diào)整產(chǎn)生的延遲等不利現(xiàn)象。

HUD應(yīng)運(yùn)而生

如何才能實(shí)現(xiàn)平視飛行呢？設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了一種可將飛行信息與駕駛艙外視景結(jié)合的裝置，即HUD。其實(shí)，HUD的前身可認(rèn)為是使用在早期戰(zhàn)斗機(jī)上的光學(xué)瞄準(zhǔn)器。這種瞄準(zhǔn)器最早出現(xiàn)是在第一次世界大戰(zhàn)期間，到了第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候就已經(jīng)被廣泛利用了。光學(xué)瞄準(zhǔn)器是利用光學(xué)反射原理，將環(huán)狀的瞄準(zhǔn)圈光網(wǎng)投射安裝于座艙前端的一片玻璃上，或者直接投射到座艙罩的前面，投射的影像對(duì)于肉眼的焦距是定在無限遠(yuǎn)的距離面上，當(dāng)飛行員瞄準(zhǔn)目標(biāo)的時(shí)候就不會(huì)妨礙到眼睛對(duì)外界的觀察。當(dāng)技術(shù)進(jìn)步可以支持更多的飛行狀態(tài)信息集合在一起，以文字或數(shù)字形式投射在座艙前方的固定裝置上時(shí)，HUD就出現(xiàn)了。HUD也是利用光學(xué)反射的原理，將重要的飛行相關(guān)信息投射在一片玻璃上面。這片玻璃位于座艙前端，高度大致與飛行員的眼睛成水平，投射的光線以平行光的形式進(jìn)入飛行員的眼睛，這樣投射的文字和影像就可以調(diào)整顯示于焦距無限遠(yuǎn)的距離上面，飛行員透過HUD往前方看的時(shí)候，能夠輕易地將外界的景象與HUD顯示的信息資料融合在一起。HUD的出現(xiàn)基本滿足了平視飛行設(shè)計(jì)原則的要求，具有增強(qiáng)操作情景意識(shí)，減少操作技術(shù)失誤，為非正常操作狀況提供識(shí)別和改出指引，提高對(duì)非正常狀況的感知能力，改善操作品質(zhì)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

HUD主要顯示與飛行安全和作戰(zhàn)績(jī)效有著重要關(guān)系的信息，譬如飛行高度、飛行速度、航向、垂直速率變化、飛機(jī)傾斜角度等。當(dāng)使用于戰(zhàn)斗環(huán)境時(shí)，還會(huì)加上目標(biāo)搜索瞄準(zhǔn)信息、武器與發(fā)射相關(guān)信息、預(yù)估命中點(diǎn)等。此外，HUD的顯示內(nèi)容還可以根據(jù)不同狀況而變換，例如巡航模式、空空作戰(zhàn)模式、防擁模式等。

HUD的應(yīng)用及發(fā)展

第一架使用HUD的軍用戰(zhàn)斗機(jī)是由北美航空（North American Aviation）為美國(guó)海軍設(shè)計(jì)生產(chǎn)的A-5“民團(tuán)團(tuán)員”艦載機(jī)。民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用是在1975年由法國(guó)達(dá)索（Dassault）飛機(jī)公司首先裝配于Mercure（法語(yǔ)“水星”之意）客機(jī)上。20世紀(jì)70年代晚期，美國(guó)麥克唐納·道格拉斯（McDonnell-Douglas Corporation）飛機(jī)公司在生產(chǎn)的MD-80系列飛機(jī)上也開始采用HUD。自1970年代中期以后，世界航空界對(duì)HUD的認(rèn)識(shí)和使用開始越來越普及。除了美國(guó)以外，其他國(guó)家也開始陸續(xù)購(gòu)買或者研發(fā)相關(guān)系統(tǒng)。

隨著飛機(jī)自動(dòng)化控制的程度和飛行儀表的整合度越來越高，飛行員不需要像以前那樣頻繁觀察大量?jī)x表，操控眾多設(shè)備，因此HUD幾乎可以涵蓋飛行或作戰(zhàn)所需的基本信息，從而成為現(xiàn)代飛機(jī)的主飛行顯示器。目前，世界上幾乎所有的戰(zhàn)斗機(jī)和武裝直升機(jī)都可安裝HUD。鑒于HUD成熟的技術(shù)和穩(wěn)定的性能，新一代的戰(zhàn)斗機(jī)也大都安裝了HUD，如俄羅斯的T-50、美國(guó)的F-22以及中國(guó)的殲20等，并且從一些新聞圖片猜測(cè)，應(yīng)該都是新型的衍射式平視顯示器。隨著技術(shù)的進(jìn)步，HUD的功能越來越多，其技術(shù)也開始向商用飛機(jī)和其它民用領(lǐng)域普及。在商用飛機(jī)上，HUD主要在能見度不良情況下，如雨、雪、霧天氣或夜間，幫助飛行員在著陸時(shí)確定機(jī)場(chǎng)跑道的位置，以保證飛行安全。根據(jù)最新研究結(jié)論，在所有民航起飛和著陸事故中，68%的事故可以通過使用HUD避免或降低事故危害程度。中國(guó)民航計(jì)劃到2020年，旗下所有航空公司全面使用HUD。鑒于HUD的方便性以及確實(shí)能夠提高飛機(jī)安全性和操作績(jī)效，“平視飛行”這條人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用得越來越廣泛，HUD已經(jīng)成了全球主流戰(zhàn)斗機(jī)和武裝直升機(jī)，甚至民機(jī)不可或缺的設(shè)備，并且該人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則還有著快速向其它民用領(lǐng)域擴(kuò)展的趨勢(shì)。

到目前為止，HUD經(jīng)歷了反射式、衍射式等不同時(shí)期的發(fā)展，成像技術(shù)也逐漸由傳統(tǒng)的用陰極射線管（CRT）向硅基液晶（LCOS）圖像源、數(shù)字微鏡裝置（DMD）和透射型LCD等新技術(shù)發(fā)展。由于新技術(shù)的使用，新型HUD的視場(chǎng)、清晰度、穩(wěn)定性都有了大幅度的改進(jìn)。此外，HUD的發(fā)展還體現(xiàn)在了顯示內(nèi)容、使用方式等多個(gè)方面。比如，為了提供增強(qiáng)的視覺圖像，提高駕駛員夜間和低能見度條件下的情景意識(shí)，羅克韋爾柯林斯公司與龐巴迪宇航集團(tuán)最近進(jìn)行了一系列飛行測(cè)試，將增強(qiáng)視景系統(tǒng)（EVS）和合成視景系統(tǒng)（SVS）等技術(shù)融合到HUD之中。初步結(jié)果顯示，在HUD上顯示合成視景時(shí)，儀表著陸系統(tǒng)（ILS）的橫向精度提高了70%，縱向精度提高了25%。Elbit Systems推出了一款名為Skylens的可穿戴式平視顯示器，旨在為飛行員提供更好的視野。該系統(tǒng)易于安裝，適合在迷霧或黑暗中進(jìn)行導(dǎo)航輔助，雖然稱之為可穿戴式HUD，但其更類似于下文介紹的頭盔顯示器。endprint

平視飛行的新寵——頭盔顯示器

由于HUD的光學(xué)原理和安裝特點(diǎn)，其在應(yīng)用過程中存在一定的視界（Field of Regard）范圍限制，并且對(duì)飛行員飛行時(shí)的頭部位置有嚴(yán)格要求。當(dāng)飛行員轉(zhuǎn)動(dòng)頭部的時(shí)候，HUD上的飛行信息影像就會(huì)暫時(shí)離開他的視野范圍，因此有人建議將影像直接投射在飛行員頭盔的前方，或者說直接將縮小版的HUD安裝于飛行員頭盔上，這樣影像就可以始終呈現(xiàn)于飛行員眼前，隨時(shí)與飛行員的視野范圍重合，達(dá)到“隨動(dòng)”的目的。直到20世紀(jì)90年代，研究人員才成功研制出可以顯示多種戰(zhàn)術(shù)、導(dǎo)航、飛控信息的頭盔顯示器（Helmet Mounted Display），以下簡(jiǎn)稱HMD。HMD相對(duì)于HUD最大的優(yōu)點(diǎn)是其可以利用頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)大視界，無論飛行員朝哪個(gè)方向看，都可以掌握完成任務(wù)所需的飛行信息，使飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力大大加強(qiáng)。

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、敏捷性等各項(xiàng)性能指標(biāo)都有了大幅提升，空戰(zhàn)環(huán)境也日趨惡化， 這些都對(duì)飛行員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)感知能力提出很高要求。與此同時(shí)，各種大離軸空空導(dǎo)彈也研制成功和相繼列裝，如俄制R-73、美制“響尾蛇”空空導(dǎo)彈改進(jìn)型、法國(guó)的魔術(shù)、以色列的怪蛇4、英國(guó)的流星等，這些能夠離軸甚至越肩向后攻擊的導(dǎo)彈也需要與之完美配合的瞄準(zhǔn)顯示設(shè)備。此外，具有強(qiáng)超低空機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力的武裝直升機(jī)也逐漸成為各國(guó)陸軍航空兵的發(fā)展之重。上述因素都迫切需要一種視界大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可快速跟蹤和截獲目標(biāo)的瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，因此HMD以其出色的離軸捕獲和攻擊能力、寬大的視界和較強(qiáng)的夜視能力等優(yōu)勢(shì)成為平視飛行設(shè)計(jì)理念的新寵，大有取代HUD的趨勢(shì)。

平視飛行技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用

目前，平視飛行技術(shù)在另一個(gè)民用領(lǐng)域的普及，主要體現(xiàn)在汽車上。20世紀(jì)80年代末，HUD的特性被當(dāng)時(shí)日漸重視安全性的汽車制造商看中。1988年，HUD作為一項(xiàng)安全特性出現(xiàn)在通用旗下的奧茲莫比Cutlass Supreme車型的選裝單上，但是市場(chǎng)反響冷淡。隨后幾年，民航對(duì)HUD的普及再次引發(fā)了技術(shù)熱。近期HUD已經(jīng)成了奔馳、寶馬、奧迪等豪華車型的最新賣點(diǎn)。2003年起至今，寶馬5系、6系、7系、X3、X5、X6均已裝備HUD，寶馬公司成為歐洲第一家使用HUD技術(shù)的汽車公司。汽車上的HUD主要是在擋風(fēng)玻璃或者中控臺(tái)上方的投影屏上投影車速、導(dǎo)航信息等圖像，輔助駕駛員駕駛車輛。豪華汽車對(duì)HUD的推崇，使“平視飛行”的人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則擴(kuò)展到“平視駕駛”。

隨著Google眼鏡（Google Glass）的推出，“平視飛行”的人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則得到了更大的擴(kuò)展。Google Glass也是利用與HUD類似的光學(xué)反射投影原理，即通過微型投影儀將圖像投射到一塊反射屏上，而后通過一塊凸透鏡折射到人的眼球，實(shí)現(xiàn)所謂的“一級(jí)放大”，從而在人眼前形成一個(gè)足夠大的虛擬屏幕，可以顯示簡(jiǎn)單的文本信息和各種數(shù)據(jù)，同時(shí)還可通過眼鏡觀察外部，實(shí)現(xiàn)虛擬圖像與外部視景的疊加。也可以說，Google Glass的顯示系統(tǒng)是將HMD的人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則擴(kuò)展到了一般的大眾娛樂系統(tǒng)。

平視飛行技術(shù)不僅在目前多個(gè)實(shí)際領(lǐng)域得到推廣利用，還在一些科幻題材的電影中經(jīng)常有所涉及，成為未來高科技概念飛行器或載人武器的顯示模式，給人一種“高大上”的感覺。電影《鋼鐵俠》中托尼·史塔克的飛行服頭盔就具有顯示自身狀態(tài)、預(yù)測(cè)飛行路徑、鎖定攻擊目標(biāo)等功能。

人機(jī)交互設(shè)計(jì)的根本目的就是為人機(jī)系統(tǒng)中的人提供最為符合其生理或心理特點(diǎn)的交互界面，使其能夠安全、高效地完成任務(wù)。縱觀“平視飛行”人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則的出現(xiàn)、發(fā)展和興起，可見只要是符合人機(jī)交互特性的設(shè)計(jì)原則，一經(jīng)出現(xiàn)，就勢(shì)必會(huì)迅速獲得廣泛認(rèn)同，并取得快速發(fā)展和推廣。對(duì)于“平視飛行”這種典型的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則，只要結(jié)合人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)研究，建立起完善的人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則，一定能夠讓其“老樹開新花”，不斷取得新形式的突破，讓其被越來越多的領(lǐng)域所接受。endprint