基于動態(tài)模型的駕駛艙人機界面設計及仿真

向天龍

（航空工業(yè)第一飛機設計研究院 陜西省西安市 710089）

得益于電子技術的發(fā)展，現(xiàn)代飛機駕駛艙的顯示控制系統(tǒng)已經(jīng)由傳統(tǒng)的機械式組合儀表發(fā)展為一體化綜合顯示系統(tǒng)。新的顯示控制系統(tǒng)為飛行員提供了更加強大的人機界面。與此同時，設計人員也面臨著新的挑戰(zhàn)：

（1）數(shù)量龐大且復雜的需求輸入意味著需要實現(xiàn)復雜的功能，設計人員缺乏快速高效的設計手段和工具；

（2）傳統(tǒng)設計流程需要在整個畫面軟件開發(fā)完畢，并加載至目標機后才能看到設計結(jié)果的真實形式，在大規(guī)模開發(fā)完成后進行評估和更改，會消耗較大的時間和人力資源；

（3）傳統(tǒng)文檔傳遞設計的流程，尤其對于人機界面顯示元素的繪制，純文檔傳遞會導致最終效果與設計意圖的偏離。

為了解決以上問題，本文提出一種新的駕駛艙人機界面設計方法。該方法使用新的設計工具，以“所見即所得”的形式搭建動態(tài)人機界面模型作為設計載體，并進行設計仿真。將設計階段迭代優(yōu)化過的人機界面模型結(jié)合文檔共同作為設計輸出。這樣能夠在更早的階段呈現(xiàn)最終實現(xiàn)效果，將人機界面設計方案的評估和迭代優(yōu)化集中在設計階段，提供更高質(zhì)量的設計輸出，減少大規(guī)模軟件開發(fā)后的更改，節(jié)約研發(fā)資源。

1 方法概述

本文使用SCADE 系列工具建立動態(tài)模型并實現(xiàn)設計仿真。其中，SCADE Display 用于搭建人機界面模型；SCADE Suit 用于實現(xiàn)模型的動態(tài)邏輯；使用定制的數(shù)據(jù)控制臺作為數(shù)據(jù)驅(qū)動源驅(qū)動模型動態(tài)運行進行仿真。系統(tǒng)框架如圖1所示。

工作分為三個部分：

（1）模型元素繪制；

（2）動態(tài)邏輯實現(xiàn)；

（3）數(shù)據(jù)驅(qū)動源實現(xiàn)。

以下針對這三部分工作進行詳細介紹。

2 實現(xiàn)方式

2.1 模型元素繪制

模型的元素分為靜態(tài)元素和動態(tài)元素。靜態(tài)元素是指畫面上固定顯示的元素，它們在畫面上特定的位置始終顯示。例如：坡度刻度帶、速度、高度、航向窗口等。動態(tài)元素是指畫面上需要定義動態(tài)行為的元素。例如：滾動的速度帶、轉(zhuǎn)動的羅盤刻度、跳動的數(shù)值等。首先要按照靜態(tài)元素的繪制方式繪制其形狀、線寬、顏色和字體，然后定義其運動形式（滾動、轉(zhuǎn)動、數(shù)字跳動等），最后針對每種運動方式定義對應的動態(tài)變量。該動態(tài)變量接受處理邏輯的輸出數(shù)據(jù)以驅(qū)動模型元素運動。動態(tài)模型設計開發(fā)視角如圖2所示。

圖1：系統(tǒng)框架

圖2：動態(tài)模型設計開發(fā)視角

圖3對于動態(tài)元素，以速度矢量符（FPV）為例。速度矢量符有兩種動態(tài)行為：位置、可見性。在完成速度矢量符圖形的繪制后，針對其動態(tài)行為定義對應的動態(tài)變量：X 坐標、Y 坐標、可見性。模型動態(tài)元素如圖3所示。

圖3：模型動態(tài)元素

圖4：動態(tài)邏輯

圖5：數(shù)據(jù)驅(qū)動源

圖6：動態(tài)模型設計仿真視角

2.2 動態(tài)邏輯實現(xiàn)

為了確保模型動態(tài)元素運動行為正確，需要添加處理邏輯。處理邏輯用于約束動態(tài)元素的運動邊界、數(shù)據(jù)有效性、顯示條件等。設計階段動態(tài)仿真的處理邏輯側(cè)重點在于確保呈現(xiàn)人機界面的基本方案、形式的完整性，用于設計階段評估人機界面設計方案，而不同于軟件代碼開發(fā)時側(cè)重的完備性。

接上文例子，建立速度矢量符的處理邏輯。處理邏輯以：偏流角、航跡傾角、姿態(tài)、航向、自動飛行控制板指令等參數(shù)作為輸入，解算得到速度矢量符正確的位置和可見性以驅(qū)動速度矢量符正確的指示。如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動源實現(xiàn)

數(shù)據(jù)驅(qū)動源提供連續(xù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型連續(xù)動態(tài)運行。數(shù)據(jù)驅(qū)動源有多種實現(xiàn)方式：定制開發(fā)的數(shù)據(jù)控制臺、Rhapsody 模型、設備的仿真激勵器等。如圖5所示。

本文中使用定制開發(fā)的數(shù)據(jù)控制臺作為例。為了便于動態(tài)仿真，該控制臺提供了三個主要的功能：

2.3.1 需求的樹形分類

畫面仿真參數(shù)的數(shù)量非常龐大，如果不進行有效的分級分組管理，實際操作需要花大量時間查找所需查看參數(shù)。因此該控制臺提供了定義不同系統(tǒng)、分系統(tǒng)及分區(qū)的樹形結(jié)構(gòu)功能，將同類同組數(shù)據(jù)放在一起，便于使用和管理。

2.3.2 仿真參數(shù)配置

顯控畫面中不同類型的參數(shù)有不同的數(shù)據(jù)類型和指示范圍。因此該控制臺提供了仿真參數(shù)配置功能。能夠提供浮點型、整型、布爾型等參數(shù)類型，針對數(shù)值類參數(shù)，提供設定仿真上/下限、仿真步長、仿真波形（鋸齒波、三角波）等功能，極大的增加了仿真的靈活性。

2.3.3 仿真場景的保存和加載

在設計仿真階段，經(jīng)常需要多次重復運行某個場景反復評估，由于畫面動態(tài)參數(shù)數(shù)量龐大，如果每次使用時需要手動逐個配置各個參數(shù)的動態(tài)范圍、波形等樹形，將極大降低工作效率。因此該控制臺提供了仿真場景的保存和加載功能，將需要多次使用的典型場景保存、加載以往多個不同的場景，避免花大量時間重復配置參數(shù)。

3 設計仿真

在完成了模型動態(tài)元素、處理邏輯及數(shù)據(jù)驅(qū)動源這三個關鍵部分后，就能夠在設計端的PC 機上進行仿真了。這種仿真方式能夠在設計階段就將最終開發(fā)完成之后的結(jié)果直接展示出來，對模型進行全尺寸連續(xù)動態(tài)仿真，由本專業(yè)專家和資深用戶對設計做直觀的評估。收集整理評估意見作為本輪迭代修改的輸入。這種評估方法能夠在設計階段發(fā)現(xiàn)問題，提前更改，并且始終站在用戶角度進行設計，提高了設計質(zhì)量和效率。如圖6所示。

4 總結(jié)

本文討論了在新的技術環(huán)境下，一種基于動態(tài)模型的駕駛艙人機界面設計方法。該方法具有“所見即所得”的設計效果，支持在設計階段進行仿真評估，能夠提供精確的設計傳遞，提高了設計的質(zhì)量和效率。