新一代AOC機載信息交互與顯示技術實現(xiàn)?

王洪濤，嚴 雯，李 健

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

新一代AOC機載信息交互與顯示技術實現(xiàn)?

王洪濤??，嚴 雯，李 健

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

為推進新一代駕駛艙顯示技術在國產(chǎn)大型客機上的應用，將航空公司運行控制（Airline Operational Control，AOC）應用作為一個獨立的用戶應用，提出了基于ARINC 661的新一代AOC機載信息交互與顯示技術實現(xiàn)方案。通過突破AOC應用的頁面設計、基于分層架構(gòu)的AOCDF文件設計和基于事件的動態(tài)頁面維護等關鍵技術，解決了在新一代駕駛艙顯示系統(tǒng)上發(fā)送AOC下行消息、接收上行消息以及查看上下行消息的難題。實驗結(jié)果表明本設計可行。

大型客機；機載信息交互與顯示；AOC應用；定義文件；用戶應用

1 引 言

在20世紀80年代末，航空公司為了減少機組人員的工作負荷，提高數(shù)據(jù)的完整性，引入了ACARS地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)用于飛機航行的監(jiān)視與服務，稱之為航空公司運行控制（Airline Operational Control，AOC）。

在飛機上，AOC應用通常使用多功能控制顯示組件（Multi-function Control Display Unit，MCDU）為駕駛艙機組人員提供人機交互界面。AOC應用與MCDU之間采用ARINC 739協(xié)議交流信息、存在界面不友好、操作繁瑣等缺點。隨著航空電子技術的發(fā)展，基于ARINC 661協(xié)議的新一代駕駛艙顯示技術成為民航市場的新寵，波音787客機、空客380客機等最新型號的大型客機都采用該駕駛艙顯示技術。在新型客機上，駕駛艙機組人員通過液晶飛行顯示器（如主飛行顯示器（Primary Flight Display，PFD））和鼠標鍵盤控制類設備（如Keyboard Cursor Control Unit（KC-CU））采用類似于“Windows視窗”的方式來處理AOC數(shù)據(jù)鏈應用。

ARINC 661［1］規(guī)范采用窗口和分層架構(gòu)組織用戶界面，將信息處理交由相應的航空電子設備完成，巧妙地解決了多種不同功能設備在同一界面上的顯示和切換問題，讓整個駕駛艙的設計簡潔大方。

目前，國外研制基于ARINC 661規(guī)范的產(chǎn)品和應用已比較成熟［2－3］，而國內(nèi)對基于ARINC 661規(guī)范的新一代駕駛艙顯示技術的研究才剛剛起步，往往集中于規(guī)范本身的研究［4－6］。本文針對典型的AOC應用，探討基于ARINC 661規(guī)范的機載信息交互與顯示設計及實現(xiàn)。

2 ARINC 661規(guī)范簡介

ARINC 661規(guī)范定義了新一代駕駛艙顯示系統(tǒng)（Cockpit Display System，CDS）的標準接口，為不同功能、不同類型的航空電子器件與不同類型CDS之間的互聯(lián)互通提供一個通用平臺。ARINC 661規(guī)范具有以下特點。

（1）基于窗口和分層架構(gòu)的用戶界面

ARINC 661協(xié)議采用窗口和分層架構(gòu)組織用戶界面，適用于不同功能、不同機型的駕駛艙顯示。ARINC 661協(xié)議將駕駛艙顯示系統(tǒng)自頂向下分為顯示單元（Display Unit，DU）、窗口（Window）、層（Layer）和窗口小部件（Widget）等。

1）DU：CDS可根據(jù)要求劃分成多個顯示區(qū)域，每個顯示區(qū)域稱為一個DU，DU是CDS中最頂層的實體。

2）Window：為顯示界面上的一個矩形區(qū)域，由CDS負責控制和管理。多個Window之間互不交疊，每個Window包含一個或多個Layer實體。

3）Layer：是CDS所定義實體中可以被UA知曉的最高層實體。

4）Widget：是ARINC 661規(guī)范定義接口的最基本元素。Widget由UA負責指定和管理，對單個Layer來說，每個Widget具有唯一標識。

（2）圖形顯示和處理邏輯的徹底分離

ARINC 661規(guī)范最大的特點是徹底將圖形顯示和處理邏輯分離，在大大節(jié)約機載設備開發(fā)和驗證時間的同時，降低了開發(fā)維護成本。為了徹底將圖形顯示和處理邏輯分離，ARINC 661規(guī)范將實體抽象成為一系列的概念：

1）CDS，又稱為ARINC 661 Server，負責提供圖形顯示，響應鼠標鍵盤控制類設備的輸入；

2）用戶應用（User Application，UA），是提供信息和邏輯處理的電子設備，又稱為ARINC 661 Client，通過參數(shù)更新和Layer更新請求消息讓CDS生成所需的系統(tǒng)顯示信息；

3）定義文件（Definition File，DF），為駐留在CDS中可加載的標準格式文件，描述了UA和CDS之間通信所需的widgets以及widgets分層結(jié)構(gòu)。DF是UA和CDS之間信息交流的基礎，該文件需要在UA和CDS消息交互前定義。

（3）豐富的圖形和文字化組件

ARINC 661提供了豐富的圖形和文字化組件，供用戶構(gòu)建復雜的圖形和文字界面，包括提供標準的Widget庫，定義65種不同的Widget類型，劃分容器、圖形、文字、交互式、地圖管理、動態(tài)移動等8種不同種類。

3 基于ARINC 661規(guī)范的AOC應用設計

AOC是ACARS地空數(shù)據(jù)鏈的一種重要應用，用于向航空公司提供飛機航行及時、有效的全階段監(jiān)視與服務。ARINC 620規(guī)范［7］對基本的ACARS上行和下行消息進行了描述，但是在實際使用過程中，航空公司往往出于費用的考慮，將自定義AOC消息，以求用盡可能少的字符數(shù)來表示盡可能多的信息。本文首次嘗試采用基于ARINC 661的新一代駕駛艙顯示技術來實現(xiàn)AOC機載信息的交互與顯示，因此暫不考慮航空公司的定制消息，而是針對ARINC 620規(guī)范提出AOC典型應用，以滿足大多數(shù)航空公司的需求。

在本節(jié)中，AOC應用作為一個獨立的UA與CDS進行數(shù)據(jù)交互。在AOC機載信息交互與顯示的設計和實現(xiàn)過程中，著重突破了AOC典型應用的頁面設計、基于分層架構(gòu)的AOC DF設計和基于事件的動態(tài)頁面維護設計等關鍵技術。

3.1 AOC典型應用的頁面設計

AOC應用主要用于向航空公司提供飛機航行及時、有效的全階段監(jiān)視與服務，對保障飛行安全、增加航班保障能力和效率、提高旅客服務水平等均具有顯著的作用。目前，ACARS地空數(shù)據(jù)鏈為國內(nèi)外70余家航空公司的千余架飛機提供地空數(shù)據(jù)鏈通信服務。在飛機的整個航行過程中，飛機與航空公司交互的典型AOC上下行報文如圖1所示，其中M表示人工觸發(fā)的報文，A表示自動觸發(fā)的報文，箭頭向上表示是上行報文，箭頭向下表示是下行報文。

AOC應用具備接收上行消息、發(fā)送下行消息、顯示消息內(nèi)容和記錄消息等功能。AOC應用可以根據(jù)飛行當前的飛行狀態(tài)自動產(chǎn)生AOC下行消息，如飛機進場/離場/起飛/降落（OOOI）報告，可以是周期性的自動報告，如機組發(fā)起位置報告，也可以是機組人員手工選擇AOC菜單，發(fā)送所需的AOC下行消息，如延誤報告、氣象請求報告、估計到達時間請求報告、改航報告、自由文本報告、話音連接請求報告等。

圖1 AOC應用的航路剖面圖

根據(jù)AOC應用的功能，本節(jié)共設計了9個操作頁面，分別為AOC主頁面、延誤報告頁面、氣象請求報告頁面、估計到達時間請求報告頁面、改航報告頁面、自由文本報告頁面、話音連接請求報告頁面、AOCOOOI狀態(tài)頁面和MESSAGE LOG頁面。其中，AOC主頁面為初始頁面，用戶可通過AOC主頁面上的按鍵，分別進入到其他各個頁面；延誤報告頁面、氣象請求報告頁面、估計到達時間請求報告頁面、改航報告頁面、自由文本報告頁面、話音連接請求報告頁面分別為駕駛艙機組人員提供手動發(fā)送相應消息的頁面；AOC OOOI狀態(tài)頁面則提供飛行狀態(tài)信息的顯示；MESSAGE LOG頁面負責上下行消息及其狀態(tài)的顯示。

3.2 基于分層架構(gòu)的AOC DF設計

本節(jié)采用分層架構(gòu)設計AOC應用與CDS之間的AOC DF文件，定義AOC Layer及其上的widgets。如圖2所示，DF文件包含一個AOC Layer，AOC Layer根據(jù)操作頁面劃分為9個Panel，每個操作頁面為一個單獨的Panel，各個Panel相互獨立，各自負責本操作頁面上的所有文字、按鍵和信息輸入框?qū)腤idget。Panel是一種Widget，在這里起類似于容器的作用，將所屬的Widget，包括Label、PushButton、RadioBox、GpRectangle、EditBoxTex等，打包為一個整體。對某個Panel進行操作，就會對該Panel下所有的Widget產(chǎn)生影響。RadioBox也是一種容器，但是它只能包含CheckButton或ToggleButton類型的子Widget，所能支持的子Widget種類要比Panel少得多，用于構(gòu)建一組單選的選項。DF文件除了定義widgets的名稱、類型和層次關系外，還會定義每個widget的唯一標識、屬性和參數(shù)。Widget的定義必須滿足ARINC 661中Widget庫的要求。

圖2 AOC應用分層架構(gòu)圖

AOC DF文件為AOC Layer中的每一個Widget定義了唯一標識——Widget ID，將AOC應用人機交互界面上一個個抽象的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字代號，極大方便了AOC應用和CDS之間信息的交互——只需要告訴對方Widget ID及其參數(shù)的變化，對方就能“翻譯”成具體的圖像，并進行及時的處理。

3.3 基于事件的動態(tài)頁面維護

當AOC應用和CDS建立連接、CDS成功加載AOCDF文件后，就進入運行階段。在運行階段，AOC應用和CDS之間信息的交互采用事件驅(qū)動的方式進行，在CDS確認AOC Layer激活的情況下，由AOC應用負責管理和維護AOC Layer及其上的所有Widget，如圖3所示。

圖3 動態(tài)頁面維護示意圖

具體過程如下所述。

（1）駕駛艙機組人員使用KCCU等設備操作CDS，進行AOC應用消息的發(fā)送、接收、查看等操作。CDS實時監(jiān)視用戶的界面操作：將與Widget相關的有效操作，如單擊按鈕、輸入數(shù)據(jù)等，抽象為一個個獨立事件，這些事件會進一步觸發(fā)CDS發(fā)送相應的消息給AOC應用；其余無效操作，如移動鼠標等，CDS直接屏蔽掉不告訴AOC應用。根據(jù)操作對象和作用的不同，用戶操作事件可分為基于Widget的事件、基于Layer的事件和基于錯誤的事件。ARINC 661為不同的Widget事件、Layer事件和錯誤事件定義了唯一的事件ID，方便CDS通過Widget ID、事件ID及其狀態(tài)的方式來描述不同的用戶操作。

（2）AOC應用根據(jù)自身運行狀態(tài)，管理和維護CDS當前頁面上的所有Widget。對于需要周期更新的信息，如時間等，AOC應用會周期性地發(fā)送Widget參數(shù)更新消息，來保證信息的實時性。當收到CDS發(fā)送的事件通知后，AOC應用會立即進行邏輯判斷和處理，如果界面有更新，則發(fā)送相應消息給CDS，具體為：當需要更新頁面顯示或進入新的操作頁面時，AOC應用向CDS發(fā)送Widget參數(shù)更新消息；當需要讓鍵盤光標或鼠標指向某個Widget時，則發(fā)送Layer更新請求消息。

（3）CDS接收并解析AOC應用發(fā)送的Widget參數(shù)更新消息和Layer更新請求消息，完成界面顯示的更新。

在運行階段，AOC應用和CDS之間的消息交互列表如表1所示。

表1 運行階段消息列表Table 1 Run-time commands

續(xù)表1

4 實驗室實例

目前，除了航空電子專業(yè)生產(chǎn)廠商外，互聯(lián)網(wǎng)上流行三款ARINC 661編輯軟件，分別為加拿大Presagis公司推出的VAPSXT 661工具、美國Disti公司研制的GL Studio工具以及Dassault Aviation團隊維護的j661工具，這三款軟件均可提供仿真CDS的功能。其中，j661工具是一款基于Java語言的開源軟件，由Dassault Aviation團隊于2010年公開源碼代碼，展示了ARINC 661中描述的CDS和UA之間的標準接口。

本文在實驗室環(huán)境下搭建小型網(wǎng)絡，實現(xiàn)基于ARINC 661規(guī)范的AOC應用，實驗環(huán)境包括AOC應用激勵器、CDS模擬器和AOC應用模擬器三大部分，如圖4所示。其中，在CDS模擬器上運行j661工具中的j661Server軟件，仿真標準的CDS設備；在AOC應用模擬器運行基于Windows操作系統(tǒng)C＋＋語言開發(fā)AOC應用軟件；在AOC應用激勵器運行機載互聯(lián)設備接口模擬軟件和航空公司地面中心軟件，提供標準的機載互聯(lián)設備接口（ARINC 429/619/620）和提供航空公司地面端的人機界面。

圖4 AOC應用演示環(huán)境組成

AOC應用演示系統(tǒng)運行時，CDS上的j661Server軟件需先加載AOCDF文件以提供初始頁面，如圖5中的頁面5。當CDS與AOC應用模擬器上的AOC應用軟件建立連接后，CDS會以事件通知的方式將用戶操作告知AOC應用軟件，并根據(jù)AOC應用軟件發(fā)送的消息更新當前的界面顯示。根據(jù)3.1節(jié)的設計，基于ARINC 661的AOC應用顯示共包括9個頁面，如圖5所示。圖中，頁面5為AOC主頁面，通過點擊主頁面上的按鈕，便可進入其他8個頁面，進行消息的發(fā)送和查看等操作，圖中的虛線表示按鈕和頁面之間的對應關系。

圖5 基于ARINC 661的AOC應用界面

實驗結(jié)果表明，AOC應用軟件能夠與航空公司地面中心軟件正常交互AOC上下行消息，支持OOOI消息、延誤報告、氣象請求報告、估計到達時間請求報告、改航報告、自由文本報告、話音連接請求報告等下行消息的發(fā)送，支持AOC上行消息的接收，并支持AOC上下行消息的查看。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠及時響應用戶的操作，響應時間在100ms以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文深入探討了基于ARINC 661規(guī)范提供民航ACARS數(shù)據(jù)鏈AOC應用人機交互界面這一課題，在國內(nèi)首次嘗試將新一代駕駛艙顯示技術應用于民航機載ACARS數(shù)據(jù)鏈應用領域，為國內(nèi)大型客機的自主研制奠定技術基礎。在新一代AOC機載信息交互與顯示技術的實現(xiàn)過程中，深刻感受到ARINC 661規(guī)范提出的將圖形顯示和處理邏輯徹底分離這種設計理念為系統(tǒng)開發(fā)帶來的靈活性，具有可借鑒意義，可推廣到更多的交互式應用中使用。下一步將緊跟大型客機采用新一代駕駛艙顯示技術提供CNS/ATM服務的發(fā)展趨勢，探索使用新一代駕駛艙顯示技術提供機載CNS功能的人機交互界面。

［1］ARINC Specification 661－3，Cockpit Display System Interfaces To User Systems［S］.

［2］Eric B，Stéphane C，David N，et al.Model-Based Engineering ofWidgets，User Applications and Servers Compliantwith ARINC 661 Specification［M］//Proceedings of 13th International Conference on Interactive Systems Design，Specification，and Verification.Dublin，Ireland：Springer，2006：25－38.

［3］Barboni E，Navarre D，Palanque P，et al.A Formal Description Technique for Interactive Cockpit Applications Compliant with ARINC Specification 661［C］//Proceedings of 2007 International Symposium on Industrial Embedded Systems.［S.l.］：IEEE，2007：250－257.

［4］劉建，劉勤，孫永榮，等.ARINC 661規(guī)范及其應用開發(fā)研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2010（4）：188－192.LIU Jian，LIUQin，SUNYong-rong，etal.Research on ARINC 661 Specification and Its Application Development［J］.Computer and Modernization，2010（4）：188－192.（in Chinese）

［5］高中杰，康介祥，謬萬勝.基于Arinc 661的顯控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.航空電子技術，2011，42（4）：12－15.GAO Zhong-jie，KANG Jie-xiang，MIAOWan-sheng.A DevelopmentMethod for Display and Control System Based on Arinc 661［J］.Avionics Technology，2011，42（4）：12－15.（in Chinese）

［6］涂友武，王立松，康介祥.基于Arinc 661的CDS標準部件庫的設計與實現(xiàn)［J］.航空電子技術，2011，42（4）：38－40.TU You-wu，WANG Li-song，KANG Jie-xiang.Design and Development of Standard Widget Library for Cockpit Display System Based on Arinc661［J］.Avionics Technology，2011，42（4）：38－40.（in Chinese）

［7］ARINC Specification 620－6，Datalink Ground System And Interface Specification［S］.

王洪濤（1979—），男，陜西人，2001年于蘭州大學獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航空通信系統(tǒng)總體設計；

WANG Hong-tao was born in Shaanxi Province，in 1979.He received the B.S.degree from Lanzhou University in 2001.He isnow an engineer.His research concerns avionic communication system design.

Email：camou001＠yahoo.com.cn

嚴雯（1983—），女，四川高縣人，2009于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航空通信系統(tǒng)總體設計；

YANWen was born in Gaoxian，Sichuan Province，in 1983.She received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.She is now an engineer.Her research concerns avionics system and communication system design.

Email：yanwen9＠126.com

李?。?973—），男，四川德陽人，1997年于沈陽航空工業(yè)學院獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航空通信系統(tǒng)軟件設計。

LIJian was born in Deyang，Sichuan Province，in 1973.He received the B.S.degree from Shenyang Aerospace University in 1997.He is now an engineer.His research concerns avionic software design.

Implementation of Advanced Cockpit Information Exchange and Display Technology for AOC Application

WANG Hong-tao，YANWen，LIJian
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

With the requirement of advanced cockpit display system to be used in domestic airplanes，a design scheme of the advanced cockpit information exchange and display technology is proposed for Airline Operational Control（AOC）applications based on the ARINC 661 Standard.This design specifies the AOC as one independent user application to contactwith cockpit display system（CDS）.Key technologies are presented to address problems of how to send AOC downlinkmessages，to receive AOC uplinkmessages and to displaymessageswith CDS，including the typical display of AOC applications，the AOC definition file（DF）based on hierarchical structuresat definition time，and the dynamic page maintenance between AOC applications and CDS at runtime.Experimental network is built and the results show that this design is feasible.

large airplane；cockpit information exchange and display；AOC applications；definition file；user application

V243.1

A

1001－893X（2013）03－0341－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.022

2012－11－05；

2013－02－06 Received date：2012－11－05；Revised date：2013－02－06

??通訊作者：camou001＠yahoo.com.cn Corresponding author：camou001＠yahoo.com.cn