飛機(jī)座艙顯示/控制系統(tǒng)設(shè)計淺析

楊明怡

摘 要：飛機(jī)座艙顯示/控制系統(tǒng)作為人機(jī)接口，一直是航空工效學(xué)關(guān)注的對象。在閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合自身多年座艙設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對飛機(jī)座艙顯示/控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點從信息顯示界面優(yōu)化、控制界面優(yōu)化、測試內(nèi)容和評價方法等方面對系統(tǒng)的設(shè)計與研究內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了“座艙綜合顯示/控制”的設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)座艙；顯示/控制系統(tǒng)；情境意識；人機(jī)接口

中圖分類號：V241.02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.015

飛機(jī)座艙顯示/控制系統(tǒng)作為人機(jī)接口，其設(shè)計的好壞直接關(guān)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(jī)，能否保障自身安全，能否順利完成飛行任務(wù)。隨著飛機(jī)性能要求的不斷提高，飛行員的工作負(fù)荷和操作難度日益增大，對飛機(jī)座艙顯示/控制系統(tǒng)的設(shè)計工效要求也越來越高。

握桿操縱技術(shù)雖然增強(qiáng)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(fù)雜性，使得飛行員的操作失誤率提高。盡管綜合控制在現(xiàn)代飛機(jī)上已有所應(yīng)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(jī)座艙自動化在某種程度上減輕了飛行員的的體力負(fù)荷，但同時增加了非常規(guī)操作的負(fù)荷，從而引發(fā)諸多與飛行安全相關(guān)的問題，比如飛行員情境意識喪失、心理負(fù)荷加重、自動化系統(tǒng)故障或失效時難以有效恢復(fù)等。目前，我國飛機(jī)座艙自動化控制技術(shù)尚處于初級階段，對飛機(jī)的整體自動控制能力有限，自動化程度不高。

1 設(shè)計面臨的問題

1.1 信息量和控制裝置增多

隨著戰(zhàn)斗機(jī)性能的不斷提高、作戰(zhàn)任務(wù)的日趨復(fù)雜和機(jī)載電子設(shè)備數(shù)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(shù)據(jù)當(dāng)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(shù)量也急劇增加。如何設(shè)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(jī)信息的交換效率，減輕駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，是現(xiàn)代飛機(jī)座艙顯示/控制系統(tǒng)設(shè)計面臨的難題之一。

1.2 工作負(fù)荷過大

從本質(zhì)上講，座艙人機(jī)接口的主要目標(biāo)是最大限度地增強(qiáng)飛行員的情景意識。當(dāng)進(jìn)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(jī)的位置）和瞬間情境意識（飛機(jī)相對于地面、附近其他飛機(jī)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(dāng)前燃油使用率的同時，保持相對于返航所要恢復(fù)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(biāo)。如何兼顧飛行員的情景意識，又不至于混淆模式，是座艙設(shè)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(qiáng)飛行員的情境意識，減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)，是座艙設(shè)計者面臨的難題。

2 設(shè)計與研究內(nèi)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(fù)荷狀況下，為了增強(qiáng)飛行員的情境意識，降低工作負(fù)荷，加強(qiáng)整體把控，必須優(yōu)化信息顯示界面。

2.1.1 信息內(nèi)容優(yōu)化

目前，由于缺乏設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的信息被引入到顯示器上，從而出現(xiàn)信息過多、混亂的情況，增加了飛行員的工作負(fù)荷，延遲了認(rèn)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(nèi)容的優(yōu)化至關(guān)重要。

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)和綜合火控系統(tǒng)的應(yīng)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(fù)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(shè)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(jù)任務(wù)的需要，提供給飛行員最關(guān)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(qiáng)飛行員在復(fù)雜情境中對自身狀態(tài)、飛機(jī)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(qiáng)戰(zhàn)術(shù)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(zhǔn)和發(fā)射大離軸角制導(dǎo)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(guān)系著認(rèn)知效果、巡檢時間和工作效率。顯示器、操縱器（包括顯示設(shè)備）的布局與排列應(yīng)考慮人的視覺特性和使用頻率。與顯示有關(guān)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(nèi)，最佳視區(qū)如圖1所示。根據(jù)觀察任務(wù)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(zhuǎn)動最佳區(qū)，-62°～62°為顏色識別區(qū)，-（30°～60°）～（30°～60°）為標(biāo)注、標(biāo)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(xì)視覺區(qū)。②人眼的調(diào)節(jié)能力是顯示器、操縱器裝置配置設(shè)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(shè)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400～700 mm。儀表板的板面與飛行員的觀察視線應(yīng)盡可能接近90°。為此，在理論上，板面需前傾15°，并翻開兩側(cè)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(rèn)知效率較高，認(rèn)知差錯率較低。④人的視線運(yùn)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(nèi)的目標(biāo)認(rèn)讀迅速而準(zhǔn)確，且觀察視野有效范圍內(nèi)的目標(biāo)不易引起視覺疲勞。因此，重要的顯示儀表應(yīng)布置在最佳視野范圍內(nèi)，而在視野最大范圍外，不應(yīng)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(yán)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(rèn)讀。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)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(jù)儀表板中上部最佳視區(qū)，因而，難以在儀表板中央再設(shè)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(bǔ)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(shè)備的選擇

顯示設(shè)備的選擇應(yīng)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(jī)載傳感器、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)和機(jī)載數(shù)據(jù)庫獲取全部信息。經(jīng)計算機(jī)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(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)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(rèn)知效果，因此在顯示畫面和設(shè)計字體時，必須充分考慮背景和光照因素。一般情況下，不應(yīng)采用強(qiáng)反射背景。這是因為強(qiáng)反射背景會產(chǎn)生眩光現(xiàn)象，從而影響認(rèn)知效果。眩光強(qiáng)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(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，當(dāng)視標(biāo)亮度為1.5 cd/m2時，反射眩光的亮度為30 cd/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(jié)構(gòu)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(jī)軟件設(shè)定其控制功能的按鍵式開關(guān)，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(shù)的更改、設(shè)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(guān)閉航空電子系統(tǒng)、控制座艙電視攝像機(jī)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(guān)、按鈕等），特別是作戰(zhàn)中必須操作的開關(guān)集中于駕駛桿或油門桿上。在關(guān)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(wù)。

綜合控制設(shè)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(nèi)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(chǔ)上，其測試內(nèi)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(shù)和控制技術(shù)的出現(xiàn)，顯示/控制評價的測試變得越來越復(fù)雜。在使用電子顯示器時，需考慮顯示器的光照影響、模式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的延遲性。如果有頭盔顯示器，還需考慮頭部動態(tài)運(yùn)動的影響。因此，測試時必須要考慮評價任務(wù)、外部視覺條件和頭部運(yùn)動，并對振動、噪聲等進(jìn)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(shè)計，將機(jī)載數(shù)據(jù)處理、航電任務(wù)管理和圖形圖像顯示綜合在飛行顯示器內(nèi)部，無單獨的顯示/控制任務(wù)計算機(jī)，使整個顯示/控制系統(tǒng)組成合理，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，簡化座艙儀表板布置。圖2所示為座艙綜合顯示/控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 座艙綜合顯示/控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，飛機(jī)上各路傳感器數(shù)據(jù)先經(jīng)綜合顯示器的數(shù)據(jù)采集處理單元處理、組織成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，再通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和圖像處理，最終完成圖像顯示。采用模塊化的設(shè)計方法，按照功能劃分為顯示處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和多功能控制面板。功能單元內(nèi)部由通用現(xiàn)場可更換模塊組成，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。功能單元之間通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接。這種松耦合方式不僅可以提供靈活的可擴(kuò)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和交叉互比數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)雙機(jī)間的任務(wù)周期同步、飛行顯示器間的數(shù)據(jù)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(jī)信息，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)對飛行參數(shù)的監(jiān)控。當(dāng)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(xiàn)故障、確定故障源、防止故障蔓延，還能提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性。

座艙綜合顯示/控制系統(tǒng)將大量復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)采集、處理、融合后通過大屏幕高分辨率的液晶顯示器呈現(xiàn)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(fù)擔(dān)。

4 結(jié)束語

本文從座艙顯示/控制系統(tǒng)設(shè)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(jìn)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(shè)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(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]孫濱生.現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)座艙布局[M].北京：航空工業(yè)出版社，1988.

[2]范天慈.機(jī)載綜合顯示系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.

〔編輯：劉曉芳〕