民機(jī)顯示系統(tǒng)架構(gòu)與控制邏輯的設(shè)計(jì)研究

朱兗植 /

(中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所，上海 200241)

0 引言

伴隨著民用航空電子新技術(shù)的迅猛發(fā)展，加之FAA(Federal Aviation Administration，美國(guó)聯(lián)邦航空局)、歐盟相繼發(fā)布NEXTGEN和SESAR等下一代航空運(yùn)營(yíng)體系的規(guī)劃[1]，在強(qiáng)烈的需求牽引下，民機(jī)顯示系統(tǒng)面向更大的顯示單元、更開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)以及高安全性設(shè)計(jì)等方面發(fā)展[2]，給機(jī)載設(shè)備制造商、航空公司以及飛行員帶來(lái)前所未有的全新體驗(yàn)。在此背景下，民用飛機(jī)顯示系統(tǒng)的控制邏輯也跟隨系統(tǒng)架構(gòu)的更新而不斷發(fā)生變革，顯示系統(tǒng)控制邏輯逐步從單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，往綜合化、智能化、多種交互控制模式結(jié)合的方向發(fā)展。

駕駛艙顯示系統(tǒng)的控制邏輯主要指顯示系統(tǒng)對(duì)顯示單元、輔助控制裝置、視景系統(tǒng)等外場(chǎng)可更換單元能夠正常工作的綜合調(diào)度、數(shù)據(jù)處理控制，以及對(duì)顯示畫(huà)面的切換控制、內(nèi)外交聯(lián)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置等相關(guān)的一系列控制操作的集合。顯示系統(tǒng)的控制邏輯關(guān)系到飛行員能否對(duì)當(dāng)前復(fù)雜而多樣的飛行環(huán)境作出及時(shí)判斷并給出有效飛行控制操作，這將起到十分重要的作用，良好的顯示控制邏輯能夠大幅提升飛行員獲取態(tài)勢(shì)感知的能力。

1 顯示系統(tǒng)架構(gòu)與控制邏輯的演變

駕駛艙顯示系統(tǒng)控制邏輯的變革往往跟隨航空電子系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)的升級(jí)換代。模塊化航空電子系統(tǒng)主要由三種發(fā)展形式，在不同的模塊化航空電子系統(tǒng)架構(gòu)體系下，產(chǎn)生不同形式的顯示控制邏輯[3]。

第一種架構(gòu)是主要采用了模塊化綜合航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，由機(jī)架集成商提供功能軟件，將傳統(tǒng)的外場(chǎng)可更換單元(line replaceable unit，縮寫(xiě)為L(zhǎng)RU)通過(guò)小型化設(shè)計(jì)使其成為外場(chǎng)可更換模塊(line replaceable module，縮寫(xiě)為L(zhǎng)RM)，在同一機(jī)柜內(nèi)實(shí)現(xiàn)模塊間的綜合，采用專(zhuān)用的底板總線，封閉的機(jī)架和機(jī)箱結(jié)構(gòu)[4]。國(guó)外產(chǎn)品中的典型代表為波音777飛機(jī)的綜合航空電子系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中，AC313系列直升機(jī)以及AG600飛機(jī)均采用這種模塊化航空電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。在這種架構(gòu)下，顯示系統(tǒng)的控制能力較為集中，往往采取封閉的處理機(jī)或者具備進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)、顯示調(diào)度等相關(guān)控制能力的機(jī)柜結(jié)構(gòu)，而根據(jù)顯示內(nèi)容的差異以及顯示內(nèi)容多少等因素，輔助以顯示器單元周邊鍵、旋鈕或者功能相對(duì)單一的顯示控制裝置的形式實(shí)現(xiàn)信息畫(huà)面的調(diào)度切換、信息輸入源的切換等操作控制。

該架構(gòu)下，有兩種典型的顯示系統(tǒng)控制邏輯模式，一種為“硬菜單控制模式”，顯著特點(diǎn)為顯示畫(huà)面調(diào)度依靠顯示器的周邊鍵，而顯示系統(tǒng)沒(méi)有控制板的相關(guān)裝置；另一種為“常規(guī)控制板控制模式”，主要特征為顯示系統(tǒng)具備各類(lèi)功能的控制裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示畫(huà)面調(diào)度。

第二種架構(gòu)主要采用模塊化綜合航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由機(jī)架集成商和專(zhuān)業(yè)模塊供應(yīng)商提供功能軟件，并進(jìn)行部分功能綜合，采用專(zhuān)用底板總線和部分開(kāi)放式機(jī)架或者機(jī)箱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了物理綜合和部分功能綜合，具有企業(yè)專(zhuān)利保護(hù)的“封閉性”[4]。國(guó)外產(chǎn)品中典型代表有霍尼韋爾的Primus Epic系統(tǒng)，柯林斯公司的Proline21系列等[5]。在國(guó)內(nèi)相關(guān)飛機(jī)中，西飛公司研制的MA600型機(jī)中采用Proline21綜合航空電子系統(tǒng)。在這種架構(gòu)下，顯示系統(tǒng)的控制邏輯較前一種架構(gòu)具有幾個(gè)典型的特點(diǎn)：(1)通過(guò)單一地增加顯示器單元周邊鍵的形式已無(wú)法滿足越來(lái)越多的顯示信息以及復(fù)雜畫(huà)面的調(diào)度操作需求，因此Proline21顯示系統(tǒng)中加入了軟菜單的形式，摒除了顯示器單元的周邊鍵操控模式；(2)保留多種常規(guī)控制面板，對(duì)控制面板裝置的功能進(jìn)行了部分綜合，減少控制面板裝置的種類(lèi)和數(shù)量。因此，在該類(lèi)型架構(gòu)下的顯示系統(tǒng)控制邏輯叫做“軟菜單+常規(guī)控制板控制模式”。

第三種架構(gòu)航空電子系統(tǒng)采用開(kāi)放式體系架構(gòu)以及統(tǒng)一的機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，具有“開(kāi)放式”的特點(diǎn)，I/O統(tǒng)一布局以及信息進(jìn)行綜合管理，系統(tǒng)資源得到高度共享，實(shí)現(xiàn)物理綜合和功能的高度綜合[5]。典型代表有GE公司為波音787研發(fā)的IMA平臺(tái)以及泰雷茲公司為A380研發(fā)的IMA綜合模塊化航空電子系統(tǒng)[6]。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中，西飛公司研制的新舟700飛機(jī)引進(jìn)柯林斯公司Proline Fusion產(chǎn)品也屬于IMA架構(gòu)的航空電子系統(tǒng)產(chǎn)品[7]。目前中國(guó)商飛公司承擔(dān)研發(fā)的國(guó)產(chǎn)民用客機(jī)C919飛機(jī)上也配備IMA架構(gòu)的綜合模塊化航空電子系統(tǒng)。在這種架構(gòu)下，顯示系統(tǒng)采用顯示軟菜單為主，輔助多種綜合顯示控制裝置為輔的控制模式，來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互與處理，顯示控制裝置功能進(jìn)一步綜合與優(yōu)化，充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，極大促進(jìn)數(shù)據(jù)交互的及時(shí)性和可靠性。具備上述架構(gòu)特點(diǎn)的顯示系統(tǒng)控制邏輯叫做“軟菜單+綜合控制板控制模式”。

目前，觸摸屏控制已在電子設(shè)備行業(yè)得到長(zhǎng)足的實(shí)踐與運(yùn)用，在公務(wù)機(jī)和高端機(jī)型顯示系統(tǒng)中，國(guó)外先進(jìn)航電系統(tǒng)設(shè)備制造商已開(kāi)展了初步嘗試，柯林斯公司的Proline Fusion換代升級(jí)產(chǎn)品和佳明公司G5000H產(chǎn)品都已成功上線了觸屏控制功能[8]，具備觸摸控制功能將成為民機(jī)顯示系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的方向，將這種控制邏輯叫做“觸摸控制模式”。

2 顯示系統(tǒng)主流控制邏輯分析

2.1 硬菜單控制模式

“硬菜單控制模式”，即以顯示器單元周邊鍵和功能相對(duì)簡(jiǎn)單的綜合控制單元為主，具備單獨(dú)的顯示控制處理單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)集中采集和處理、顯示畫(huà)面調(diào)度等操作的控制模式。該類(lèi)型顯示系統(tǒng)的控制模式主要應(yīng)用于早期小型民用飛機(jī)、小型通用飛機(jī)、民用直升機(jī)等機(jī)型上，由于需要實(shí)現(xiàn)的功能單一，將輔助控制的控制板進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

如圖1所示的“硬菜單控制模式”的控制邏輯圖，顯示器單元非SMART顯示器，只接收繪圖數(shù)據(jù)或者視頻圖像，具備顯示周邊鍵，用于顯示畫(huà)面切換選擇；顯示控制單元的操作控制主要針對(duì)飛行計(jì)劃相關(guān)的操作輸入，包括飛行計(jì)劃制定、航路點(diǎn)修改、增加刪除航線、直飛等操作的快捷控制。顯示處理單元作為“硬菜單控制模式”架構(gòu)下的中樞和大腦，一方面負(fù)責(zé)顯示畫(huà)面數(shù)據(jù)的采集和加工處理，另一方面負(fù)責(zé)顯示器單元畫(huà)面和顯示控制單元畫(huà)面的調(diào)度和管理，顯示處理單元與顯示器單元以及顯示控制單元之間常采用“一對(duì)一”的數(shù)字總線，如ARINC429或者RS422總線交聯(lián)。

圖1 “硬菜單控制模式”邏輯示意圖

2.2 常規(guī)控制板控制模式

如圖2所示，“常規(guī)控制板控制模式”，即以多種常規(guī)控制板和多功能顯示控制單元等裝置為主，同樣具備單獨(dú)的顯示控制處理單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，通過(guò)控制板和多功能顯示控制單元的操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、參數(shù)設(shè)置、顯示畫(huà)面切換等功能的控制模式。該類(lèi)型顯示系統(tǒng)的控制模式主要應(yīng)用于中大型民用、通用飛機(jī)上，是典型的聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)為主的控制邏輯。

“常規(guī)控制板控制模式”下的顯示器單元為非SMART顯示器，同樣只接收繪圖數(shù)據(jù)信息或者視頻圖像，通過(guò)各個(gè)功能的控制板裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示畫(huà)面的切換以及對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置等操作，“常規(guī)控制板控制模式”可以認(rèn)為是“硬菜單控制模式”的一種升級(jí)實(shí)現(xiàn)，利用多種控制板來(lái)替代顯示器周邊鍵的控制，有效提升顯示畫(huà)面的切換效率和便捷性，多功能顯示單元集成更豐富的功能，具備獨(dú)立的快捷按鈕區(qū)、字母鍵區(qū)、數(shù)字鍵區(qū)等，操作上更加清晰，從而改進(jìn)操控效率。

圖2 “常規(guī)控制板控制模式”邏輯示意圖

2.3 軟菜單+常規(guī)控制板控制模式

如圖3所示，“軟菜單+常規(guī)控制板的控制模式”以常規(guī)控制板控制結(jié)合顯示畫(huà)面軟菜單形式，結(jié)合多功能顯示控制單元，替換顯示器周邊鍵控制的控制模式。該種控制模式下顯示畫(huà)面信息更加豐富，同時(shí)具備集成的綜合顯示處理單元，物理架構(gòu)上進(jìn)一步綜合，是模塊化綜合航空電子架構(gòu)的一種典型體現(xiàn)。

圖3 “軟菜單+常規(guī)控制板控制模式”邏輯示意圖

“軟菜單+常規(guī)控制板的控制模式”下的顯示器單元通常為SMART顯示器，具備一定的數(shù)據(jù)處理和畫(huà)面調(diào)度的功能，接收控制板的控制消息、菜單響應(yīng)指令，以及綜合顯示處理單元的外系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行畫(huà)面顯示。顯示控制單元具備更強(qiáng)大的功能、控制板快捷鍵的設(shè)置更加符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，能接收和處理的外系統(tǒng)數(shù)據(jù)也進(jìn)一步豐富。

2.4 軟菜單+綜合控制板控制模式

“軟菜單+綜合控制板的控制模式”，該控制模式是目前開(kāi)放式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)體系下的主要模式，利用成熟的顯示單元和機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)總線，將多功能顯示控制單元與常規(guī)控制板進(jìn)行部分功能綜合，同時(shí)利用大屏顯示單元的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合多種形式的軟菜單，利用開(kāi)放式的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)，數(shù)據(jù)的交互和共享能力大大增強(qiáng)，滿足多應(yīng)用、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合顯示需求，促進(jìn)飛行員人機(jī)工效水平的改善。該類(lèi)型控制邏輯目前在大型民用客機(jī)、通用飛機(jī)上得到普遍使用。

如圖4所示，“軟菜單+綜合控制板的控制模式”下顯示器單元通常為SAMRT智能顯示器，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收發(fā)和處理能力，運(yùn)用開(kāi)放式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，信息交互量大大提升。基于大屏幕顯示控制，控制板功能更加集中，使用新型游標(biāo)以及多功能鍵盤(pán)的形式替換常規(guī)控制板以及顯示控制單元，飛行員操控效率進(jìn)一步提升。

圖4 “軟菜單+綜合控制板控制模式”邏輯示意圖

2.5 觸摸控制模式

“觸摸控制模式”是一種以顯示單元的觸摸控制為主，基于顯示軟菜單的控制模式，觸摸控制可以應(yīng)用在顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)和顯示、飛行計(jì)劃制定、參數(shù)設(shè)置、顯示頁(yè)面切換等多重操作，觸摸控制技術(shù)已在公務(wù)機(jī)上進(jìn)行了成功的實(shí)踐[9]，以觸摸控制為主的控制邏輯將逐步取代以傳統(tǒng)的控制裝置為主的控制邏輯。

如圖5所示，“觸摸控制+備份控制裝置的控制模式”是未來(lái)民用飛機(jī)顯示系統(tǒng)控制模式發(fā)展的趨勢(shì)。通常具備高度智能化的顯示器單元，基于更加開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，顯示系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力進(jìn)一步提升和強(qiáng)化，使飛行員的人機(jī)工效水平得到質(zhì)的飛躍[10]。這種模式下常配備若干功能的綜合控制裝置，以提升顯示器整體的安全性和可靠性。

圖5 “觸摸控制+備份控制裝置控制模式”邏輯示意圖

2.6 人機(jī)工效分析

從上述五種控制邏輯的實(shí)現(xiàn)原理出發(fā)，可以歸納為三大類(lèi)，分別是硬菜單模式(模式1)、軟菜單模式(模式2)和觸摸控制模式(模式3)。從顯示信息量、操控復(fù)雜度、技術(shù)成熟度、安全性以及人機(jī)工效水平等方面對(duì)三種控制模式的進(jìn)行評(píng)分和比較，見(jiàn)表1所示。

表1 三大類(lèi)控制模式綜合評(píng)價(jià)表

注：每一項(xiàng)目評(píng)分從1～5,5分為最優(yōu)。

表2中梳理了三大類(lèi)控制模式的典型特征和主要優(yōu)缺點(diǎn)，以新增具有A點(diǎn)(121.48，31.22)、B點(diǎn)(118.73，32.04)2個(gè)航路點(diǎn)的飛行計(jì)劃為例，比較三種控制模式之間的操作負(fù)荷，如表3所示。

表2 三大類(lèi)控制模式對(duì)比表

表3 飛行計(jì)劃輸入示例對(duì)照表

通常意義上，從效率和工效角度來(lái)評(píng)判：按鍵<旋鈕<觸屏；從表3可看到，從操作量和復(fù)雜程度來(lái)評(píng)判：模式3<模式2<模式1；與此同時(shí)，操作工序的減少能進(jìn)一步簡(jiǎn)化操作流程，顯著降低飛行員的操作負(fù)荷，降低出錯(cuò)的幾率，因此，運(yùn)用觸摸控制模式的顯示系統(tǒng)能有效提升用戶體驗(yàn)和人機(jī)工效水平。

3 下一代顯示系統(tǒng)架構(gòu)和控制邏輯設(shè)計(jì)

面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，在等效目視運(yùn)行、場(chǎng)面引導(dǎo)、座艙交通信息顯示等新應(yīng)用以及大量信息的顯示需求牽引下，下一代大型客機(jī)將采用更大顯示面積的顯示器(譬如20 in以上)，以及更高效實(shí)用的控制模式。

結(jié)合這些需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)下一代顯示系統(tǒng)提出了如圖6所示的架構(gòu)和控制邏輯。下一代顯示系統(tǒng)以三個(gè)大屏幕顯示器作為主要顯示介質(zhì)，負(fù)責(zé)飛行信息和其他復(fù)雜信息的顯示功能，以ARINC664總線作為數(shù)據(jù)傳輸和交換的載體，承擔(dān)與外系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，并結(jié)合ARINC818總線作為視景圖像的主要傳輸載體。而且隨著觸摸應(yīng)用可靠性的提升，顯示系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)控制裝置功能的依賴(lài)度將逐步降低，最終將實(shí)現(xiàn)完全的觸摸控制，手勢(shì)識(shí)別、多點(diǎn)觸控、顯示應(yīng)用自主選擇等操作將逐步實(shí)現(xiàn)。

圖6 下一代顯示系統(tǒng)架構(gòu)與控制邏輯示意圖

3.1 可行性分析

觸屏操控已在消費(fèi)電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在目前航空電子系統(tǒng)領(lǐng)域，觸摸控制已在公務(wù)機(jī)以及先進(jìn)民用客機(jī)上得到成功實(shí)踐。柯林斯公司的Proline Fusion航電產(chǎn)品也已升級(jí)觸摸功能，佳明公司的G5000航電系統(tǒng)給先進(jìn)的民用直升機(jī)提供可選擇的觸摸配置。優(yōu)異的操控體驗(yàn)，更加豐富和直觀的視覺(jué)感受，使大屏觸摸的控制方式將在下一代顯示系統(tǒng)中逐步獲得青睞。

3.2 安全性設(shè)計(jì)

相比下一代顯示系統(tǒng)提供更豐富的顯示信息和全新的控制形式，在顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮大屏觸摸形式的安全性相關(guān)措施。出于增加系統(tǒng)安全性的考慮，對(duì)下一代顯示系統(tǒng)架構(gòu)和控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，主要有以下兩個(gè)方面：

其一，三臺(tái)大屏幕顯示器均采用分屏顯示技術(shù)，大屏幕顯示器具備分屏顯示處理的能力，可根據(jù)顯示區(qū)域和信息的重要程度，對(duì)顯示器進(jìn)行分屏顯示操作，如圖7顯示。左/右顯示器顯示PFD(Primary Flight Display，主飛行顯示)和兩個(gè)MFW窗口(或一個(gè)MFW和一個(gè)EI窗口；多功能窗口，multi-function window，縮寫(xiě)為MFW；發(fā)參和機(jī)組告警信息，engine indication and crew alerting，縮寫(xiě)為EI/EICAS)，EI可以在左顯示器最右側(cè)窗口和右顯示器最左側(cè)窗口中切換顯示；中央顯示器顯示三個(gè)MFW窗口。MFW窗口可以顯示導(dǎo)航頁(yè)面ND(navigation display，導(dǎo)航信息)、機(jī)場(chǎng)移動(dòng)地圖頁(yè)面AMMD(airport moving map display)、簡(jiǎn)圖頁(yè)SYN(synoptic page)、電子檢查單ECL(electronic check list)和飛行員數(shù)據(jù)鏈通訊CPDLC(controller pilot data link communications)。

圖7 下一代顯示系統(tǒng)分屏顯示示意圖

其二，預(yù)留綜合控制板作為觸摸控制輸入的備份。下一代大型客機(jī)的顯示系統(tǒng)仍將傳統(tǒng)控制裝置作為觸摸控制模式的備份，備份控制裝置的功能將根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定義。

4 結(jié)論

隨著顯示器智能化程度的增加，結(jié)合軟菜單的使用，使顯示畫(huà)面的數(shù)據(jù)量得到大幅提升；跟隨航空電子系統(tǒng)架構(gòu)的升級(jí)腳步，運(yùn)用開(kāi)放式架構(gòu)、統(tǒng)一的機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)以及SMART顯示器成為當(dāng)下以及未來(lái)主流；面對(duì)未來(lái)航空運(yùn)營(yíng)體系提出的新要求，智能化的駕駛艙顯示系統(tǒng)逐漸進(jìn)入大眾視野，觸摸控制、語(yǔ)音識(shí)別控制等新型控制模式得到不斷實(shí)踐，智能化的駕駛艙顯示系統(tǒng)將顛覆傳統(tǒng)的顯示控制邏輯。

本文從顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，深入分析了目前主流的顯示控制邏輯方式，對(duì)主流的顯示控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，對(duì)面向下一代航空運(yùn)營(yíng)體系的智能化顯示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了展望，提出了面向下一代大型客機(jī)顯示系統(tǒng)的架構(gòu)和控制邏輯。與此同時(shí)，在不斷關(guān)注新顯示控制模式應(yīng)用下，更應(yīng)該對(duì)新顯示控制模式在HMI布局、安全性設(shè)計(jì)、顯示重構(gòu)處理、防誤操作等方面設(shè)計(jì)得到更多的關(guān)注。