駕駛艙人機(jī)界面演變與發(fā)展趨勢

段 林 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

駕駛艙人機(jī)界面演變與發(fā)展趨勢

段 林 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

描述了駕駛艙在飛機(jī)中的作用，回顧了駕駛艙人機(jī)界面演變歷程，說明了改善人機(jī)界面的必要性以及人機(jī)界面改進(jìn)設(shè)計(jì)對飛機(jī)發(fā)展的促進(jìn)作用；通過對駕駛艙人機(jī)界面內(nèi)涵與外延的分析，進(jìn)一步探討了人機(jī)界面發(fā)展趨勢，為今后飛機(jī)駕駛艙人機(jī)界面改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

飛機(jī)駕駛艙；人機(jī)界面；演變與發(fā)展

0 引言

飛機(jī)駕駛艙為飛行員駕駛飛機(jī)提供一個(gè)環(huán)境、是飛行員與飛機(jī)之間信息交互的場所、是飛行員在飛行或交戰(zhàn)中了解飛機(jī)姿態(tài)、航路、飛機(jī)狀態(tài)、飛行環(huán)境、氣象狀況、戰(zhàn)場態(tài)勢等信息的唯一途徑。人機(jī)界面設(shè)計(jì)是人與飛機(jī)緊密結(jié)合的集中體現(xiàn)，界面設(shè)計(jì)是否合理，會對飛行員操作與觀察帶來一定影響；在飛行過程中各種信號與提示是否及時(shí)、準(zhǔn)確，將給飛行員在故障處理中正確判斷、決策、采取措施、甚至生命安全帶來巨大影響。

駕駛艙設(shè)計(jì)不僅反映出一架飛機(jī)的綜合技術(shù)水平，而且在一定程度上反映了它的作戰(zhàn)能力和先進(jìn)程度。駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)不僅受到飛機(jī)設(shè)計(jì)人員的重視而且受到使用者的密切關(guān)注，在飛機(jī)型號研制中，人機(jī)界面的一點(diǎn)點(diǎn)改善或改進(jìn)都會給飛行員帶來極大的欣慰。

對于軍用飛機(jī)來說，良好的人機(jī)界面可以減輕飛行員工作負(fù)荷和工作壓力，提高飛機(jī)作戰(zhàn)效能和生存力，還可通過信息共享完成單機(jī)作戰(zhàn)無法完成的任務(wù)；對于民用飛機(jī)來說，除了減輕飛行員工作負(fù)荷外，還可大大提升飛行舒適性和安全性。

1 人機(jī)界面演變

自從飛機(jī)問世以來，伴隨著飛機(jī)發(fā)展和各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，人機(jī)界面也發(fā)生著相應(yīng)的變化。對于早期飛機(jī)來說，由于飛行高度低、速度慢，以目視方式即可完成飛行任務(wù)。人機(jī)界面很簡單，除操縱桿、腳蹬外，僅有羅盤、高度、速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速四塊表，例如上世紀(jì)初期Fokker Dr.I飛機(jī)駕駛艙[1]，如圖1[2]所示。

隨著飛機(jī)速度等性能的提高，需掌握的飛行參數(shù)越來越多，目視飛行已不能滿足要求，各種指示設(shè)備隨即出現(xiàn)，先期以機(jī)械式儀器儀表為主，如圖2[2]所示的二十世紀(jì)50年代出現(xiàn)的MiG15飛機(jī)駕駛艙界面。

隨著機(jī)電技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，駕駛艙人機(jī)界面逐步出現(xiàn)了機(jī)電伺服儀表、綜合指引儀表、電子顯示儀表和綜合電子顯示系統(tǒng)[3]，如米格29飛機(jī)和F16戰(zhàn)斗機(jī)，如圖3[2]、圖4[2]所示。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和綜合顯示技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人機(jī)界面又發(fā)生了顯著改變，實(shí)現(xiàn)了“玻璃駕駛艙”、“平視雙桿操縱”等，圖5[2]所示為F22飛機(jī)駕駛艙人機(jī)界面[4]。

飛機(jī)駕駛艙人機(jī)界面改善，不僅對軍用飛機(jī)重要，對于民用飛機(jī)來說同樣重要，如圖6[2]、圖7[2]所示的二十世紀(jì)50年代的DC9和我國70年代的Y10飛機(jī)駕駛艙，人機(jī)界面是以機(jī)械式儀器儀表為主，采用多人機(jī)組飛行。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、綜合顯示技術(shù)及其他先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了駕駛艙人機(jī)界面的進(jìn)一步改善，出現(xiàn)了以A320和A380為代表的駕駛艙人機(jī)界面。如圖8[2]和圖9[2]所示，信息畫面以液晶彩色顯示器為主，采用兩人機(jī)組飛行，飛機(jī)提供給飛行員的信息量又遠(yuǎn)超DC9和Y10飛機(jī)。駕駛A320飛機(jī)的舒適性和安全性是DC9和Y10飛機(jī)所無法比擬的。

2 人機(jī)界面演變的內(nèi)因和外因

對軍用飛機(jī)來說，飛行員操縱飛機(jī)作戰(zhàn)，大部分信息仍是依賴于視覺，依靠觀察各種儀表、顯示器或飛機(jī)外部環(huán)境獲取。選擇開關(guān)或搬動(dòng)旋鈕仍是飛行員操縱飛機(jī)和控制機(jī)載設(shè)備的重要手段。伴隨著飛機(jī)性能的不斷提高、作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜化，飛機(jī)提供給飛行員的信息以及飛行員需要了解的信息急劇增加，有人稱之為“信息爆炸”性增加。飛行員駕駛飛機(jī)時(shí)必須對蜂擁而來的信息快速掃描、確認(rèn)、判斷并進(jìn)行正確操作。稍有遲疑，就會失去戰(zhàn)機(jī)甚至生命，因此盡快改善人機(jī)界面，發(fā)展綜合顯示與控制技術(shù)，設(shè)法減輕飛行員工作負(fù)擔(dān)，提高生存力與作戰(zhàn)效能，最大限度地發(fā)揮人與飛機(jī)的潛能即成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題。

飛機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)加大，系統(tǒng)綜合化程度提高，作戰(zhàn)環(huán)境惡化，進(jìn)一步加大了人機(jī)界面設(shè)計(jì)難度?，F(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)，大多需要具有全天候，高速、大機(jī)動(dòng)、大過載飛行能力，使用環(huán)境對飛機(jī)構(gòu)成的威脅也在不斷升級，譬如電磁干擾、電子對抗、地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈、預(yù)警搜索等，而飛機(jī)本身裝備的雷達(dá)與探測設(shè)備功能的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理與顯控技術(shù)的提高，又使飛機(jī)提供給飛行員的信息量急劇增加。尤其是軍機(jī)在高速飛行作戰(zhàn)時(shí)，飛機(jī)留給飛行員的從觀察、判斷、決策到采取措施的可用時(shí)間又進(jìn)一步縮短，飛機(jī)雖然從“儀器儀表”飛行，發(fā)展到了目前的“平視雙桿”飛行，即“HOTAS”飛行。但在某些操作上，飛行員的手有時(shí)不得不暫時(shí)離開操縱桿去操作周邊鍵和其他按鈕。人機(jī)界面設(shè)計(jì)除與作戰(zhàn)密切相關(guān)外，還涉及到心理學(xué)、生理學(xué)、人體參數(shù)、圖象學(xué)、環(huán)境工程學(xué)、顯示控制理論等學(xué)科。

綜合顯示技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，成為推動(dòng)駕駛艙人機(jī)界面進(jìn)一步改善的又一外在因素。

3 人機(jī)界面涉及的研究內(nèi)容

據(jù)俄羅斯和美國有關(guān)機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明，對作戰(zhàn)飛機(jī)來說，完成同一任務(wù)，良好的駕駛艙人機(jī)界面，可減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)。而要獲取良好的人機(jī)界面，尤其是作戰(zhàn)飛機(jī)，不但要綜合考慮飛機(jī)機(jī)體本身結(jié)構(gòu)，如雷達(dá)、導(dǎo)航、顯控、飛控、通信、環(huán)控、救生等，還要保證有良好的駕駛艙環(huán)境，如燈光、色彩、符號、告警、設(shè)備形狀與定位、畫面布局與畫面格式、使用空間、溫度、噪音等；還要兼顧飛機(jī)的使用環(huán)境，如戰(zhàn)場態(tài)勢、各種威脅、各類信息綜合與顯示時(shí)機(jī)，既要保證足夠的信息又要防止“擁堵”；更重要的是必須考慮到人的因素，如人的視界、肢體活動(dòng)范圍、操作姿態(tài)、聽覺、抗過載能力等。

要獲得良好的人機(jī)界面，除了將最先進(jìn)的顯示、信息技術(shù)應(yīng)用到駕駛艙設(shè)計(jì)中去，還應(yīng)在以下幾方面做相應(yīng)研究。

1) 人體心理、生理研究

該項(xiàng)研究要探究人體在眼球運(yùn)動(dòng)、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)以及眼球和頭部同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)等各種情況下人的最佳視區(qū)和最大視區(qū)；探究人對外界各種刺激的反應(yīng)能力，包括色彩、燈光等；探究人體肌肉的忍耐力、力度及人體抗過載能力等。

2) 人體參數(shù)及肢體活動(dòng)區(qū)域研究

該項(xiàng)研究探究的是人體尺寸參數(shù)，各肢體的活動(dòng)范圍、最佳用力范圍及承受力，手指的靈活度及力度等。

3) 顯示畫面研究

該項(xiàng)研究是人機(jī)界面研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，包括各顯示器的畫面形式、符號大小、顯示亮度、色彩、信息表達(dá)方式、顯示器外觀、操作桿形狀、按鈕的數(shù)量與定位、操作信息反饋、操作提示及各種聲效等。

4) 駕駛艙環(huán)境研究

該項(xiàng)研究主要是從作戰(zhàn)需求及人體承受與感應(yīng)方面考慮，如何為飛行員創(chuàng)造一個(gè)舒適地工作環(huán)境，包括照明、告警、溫度、噪音、震動(dòng)等，主要是減輕飛行員疲勞與心理壓力，使飛行員使用時(shí)感到方便、輕松、舒適、準(zhǔn)確和便捷。

5) 飛行員作戰(zhàn)操作實(shí)時(shí)性研究

該項(xiàng)研究就是要探明飛行員飛行和作戰(zhàn)過程中需要完成哪些動(dòng)作，完成每一個(gè)動(dòng)作或一項(xiàng)操作需要多少時(shí)間。探明飛行員從觀察、反應(yīng)、判斷到發(fā)出指令需要耗費(fèi)的時(shí)間與戰(zhàn)場環(huán)境下允許使用的極限時(shí)間和它們之間的內(nèi)在聯(lián)系等。

6) 人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫建立

綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、測量測試、計(jì)算機(jī)、控制理論、仿真模擬等各方面的知識，針對人體和飛機(jī)、使用環(huán)境等分別建立各自的數(shù)學(xué)模型，按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律，給出不同狀態(tài)下人體、飛機(jī)、使用環(huán)境各自最佳取值范圍或推薦取值范圍，包括視界范圍、反應(yīng)靈敏度、承受力、時(shí)間效應(yīng)、空間尺寸、溫度、允許過載、燈光亮度、聲效、噪音等。

以上僅為人機(jī)界面研究應(yīng)包含的主要內(nèi)容，隨著形勢發(fā)展，人機(jī)界面研究涵蓋的內(nèi)容還將進(jìn)一步擴(kuò)大?？傊?，人機(jī)界面改進(jìn)的目標(biāo)就是要探明人與飛機(jī)之間的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)法使人和飛機(jī)很協(xié)調(diào)地融合在一起，發(fā)揮更大潛能。

4 人機(jī)界面發(fā)展趨勢

人機(jī)界面改進(jìn)設(shè)計(jì)與飛機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)密切相關(guān)，良好的人機(jī)界面可促進(jìn)任務(wù)圓滿完成，而飛機(jī)所承擔(dān)任務(wù)的復(fù)雜化，又對人機(jī)界面改善提出新的要求。對于軍用飛機(jī)來說，隨著作戰(zhàn)方式和戰(zhàn)場態(tài)勢轉(zhuǎn)變，現(xiàn)行的“一平三下”顯示界面已不能滿足作戰(zhàn)需求，空、天、地一體化，將成為未來主要的作戰(zhàn)模式，如圖10[2]所示。

飛機(jī)在戰(zhàn)場上也不再是一個(gè)獨(dú)立的作戰(zhàn)體，而是立體作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這種模式下飛機(jī)僅靠自身數(shù)據(jù)顯然是不夠的，必須與友軍配合、協(xié)同作戰(zhàn)，這樣數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)將成為關(guān)鍵，圖像傳輸技術(shù)和遙控技術(shù)將發(fā)揮巨大作用。

在新的作戰(zhàn)模式和信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，飛行員不僅可以控制自己的戰(zhàn)機(jī)完成本機(jī)任務(wù)，還可以經(jīng)橫向信息傳遞協(xié)調(diào)友軍、建議友軍戰(zhàn)術(shù)或者可以指示友機(jī)攻擊戰(zhàn)術(shù)、分配目標(biāo)，甚至還能指揮、協(xié)調(diào)友軍的戰(zhàn)艦、導(dǎo)彈參與作戰(zhàn)。

飛行員角色轉(zhuǎn)變和戰(zhàn)場態(tài)勢變化，使得飛行員的工作負(fù)荷進(jìn)一步加大，降低飛行員工作壓力、改善人機(jī)界面又成為當(dāng)務(wù)之急，圖11[2]為JSF駕駛艙顯示畫面示意圖。

在JSF項(xiàng)目研制中，顯示界面采用可分屏又可全屏顯示的更大尺寸有源陣液晶顯示器，替代了傳統(tǒng)的“一平三下”界面模式，實(shí)現(xiàn)全景顯示。不僅顯示本機(jī)信息，整個(gè)戰(zhàn)場態(tài)勢、戰(zhàn)場環(huán)境全面呈現(xiàn)在飛行員面前，如此一來飛行員也不限于充當(dāng)操作員的角色，不限于完成飛行、目標(biāo)捕獲、鎖定、跟蹤、攻擊等簡單而繁瑣的事務(wù)性工作，而可以從中解脫出來、統(tǒng)攬全局、參與更大范圍的戰(zhàn)術(shù)決策，成為一個(gè)真正的戰(zhàn)場管理者和決策者，要完成這樣的任務(wù)，傳統(tǒng)的顯示界面顯然不能滿足要求[7]。

目前，我國航空電子領(lǐng)域的專家們也正在致力于領(lǐng)先國際先進(jìn)水平的頭盔顯示器和觸摸式大屏幕高分辨率多功能液晶顯示器的研制，這些設(shè)備的研制成功，不但能夠使我國下一代主戰(zhàn)飛機(jī)在未來的作戰(zhàn)中占盡先機(jī)，而且先進(jìn)的座艙界面設(shè)計(jì)理念更會成為未來世界各國借鑒的一個(gè)典范，頭盔瞄準(zhǔn)顯示、大屏幕全景顯示、語音控制等智能化綜合顯控技術(shù)將成為未來駕駛艙人機(jī)界面發(fā)展趨勢。

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The Evolution and Development of the Flight Deck Human-machine Interface

DUAN Lin

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This paper reviews the evolution of the flight deck human-machine interface, and demonstrates the necessity of improving the human machine interface and a positive role for the aircraft development. By analyzing the connotation and extension of the flight deck human-machine interface, the trend of human-machine interface development is further discussed, and the paper provides references to improving the future flight deck human-machine interface.

flight deck；human-machine interface；evolution and development

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.002

V223+.1

A

段 林 男，本科，研究員。主要研究方向：航空布置技術(shù)；E-mail：duanlin@comac.cc