座艙顯示控制界面組件化設計方法研究

李穎潔，王 軍，李柏瑞

(航空工業(yè)第一飛機設計研究院，西安 710000)

0 引言

現(xiàn)代機載顯示界面已經(jīng)從傳統(tǒng)的模擬控制發(fā)展到全數(shù)字化顯示控制的信息界面[1]，近年來，全觸控的大屏幕顯示也逐步應用于飛機駕駛艙，屏幕尺寸和控制方式的變化使得飛行員的操作效率大幅提升，隨之也帶來了界面顯示信息量增大、人機交互模式復雜等問題，加劇了顯示界面開發(fā)的難度。并且隨著航電系統(tǒng)的任務需求和功能需求復雜度不斷增加，座艙顯示系統(tǒng)的設計周期和維護成本大幅增加[2]。

為了解決上述問題，ARINC公司提出了ARINC661[3]，定義了座艙顯示系統(tǒng)的接口要求，提出將CDS端圖形顯示與UA端的處理邏輯相隔離的設計方式，為提高座艙顯示系統(tǒng)的通用性和開放性水平提供了解決方案，但為了保證其適用范圍，一定程度上降低了整體性能。

因而，本文針對機載顯示控制界面提出基于功能接口的界面組件設計方法，考慮到顯示界面核心業(yè)務的穩(wěn)定性，根據(jù)業(yè)務需求完成功能接口定義，建立可復用的顯示控制組件,以提高顯示界面的研發(fā)效率。

1 ARINC661規(guī)范的應用特點

ARINC661是針對顯示控制應用系統(tǒng)研制制定的應用接口規(guī)范，該規(guī)范定義了用戶應用座艙顯示系統(tǒng)(User Application Cockpit Display System，UA-CDS)顯示控制邏輯框架，將界面控制系統(tǒng)劃分為UA和CDS兩部分，CDS提供基本的界面生成功能，UA為CDS提供界面生成的數(shù)據(jù)和用戶交互操作的邏輯處理[4]。此外，該規(guī)范定義了基本顯示界面符號庫(Widget Library)，提出了標準的Widgets接口規(guī)范。CDS供應商開發(fā)標準符號庫，UA端通過組件控制協(xié)議完成界面顯示功能的設計及開發(fā)，實現(xiàn)界面應用顯示與控制的業(yè)務分離。該規(guī)范是界面應用系統(tǒng)行業(yè)較為通用的應用參考標準。

基于ARINC661進行座艙顯控系統(tǒng)設計，能夠?qū)崿F(xiàn)畫面設計和邏輯設計相互獨立，減少界面應用中由于非標準化接口設計引入的升級維護風險，一定程度上降低了界面系統(tǒng)的研制成本。在工程應用中，對于邏輯功能復雜的界面應用系統(tǒng)，UA將承擔大量與CDS相關(guān)的顯示控制業(yè)務，UA-CDS的協(xié)同開發(fā)將面臨復雜的控制協(xié)議處理，實際上增加了UA的業(yè)務復雜度和開發(fā)成本。除此之外，UA-CDS的系統(tǒng)性能還依賴以下關(guān)鍵技術(shù)的應用水平。

1) Widget Library+Widget Server。Widget Library和Widget Server決定了CDS的功能水平，由于標準僅定義了基本W(wǎng)idget符號，在實際的顯示界面開發(fā)過程中，還需依據(jù)功能需求開展相關(guān)Widget的定制化設計。國內(nèi)雖然已在一些項目上開展了相關(guān)的技術(shù)研究和開發(fā)活動，但在實踐中，Widgets設計通常需要龐大的工作量，與之匹配的Widget Server研制也需要開展定制的開發(fā)和驗證，項目投入人力、物力資源巨大，并且在復雜交互系統(tǒng)的開發(fā)中已經(jīng)面臨性能瓶頸難以突破的嚴峻挑戰(zhàn)。

2) 通信協(xié)議。ARINC661中通信協(xié)議是實現(xiàn)UA-CDS間的交互顯示和控制的數(shù)據(jù)通信規(guī)范，如圖1所示[5]。以交互類組件的交互過程為例，CDS端交互組件的控制響應完全依賴UA端通信協(xié)議的完成，所有交互控制需要建立“識別-控制-響應”回路。雖然發(fā)揮了標準交互組件的普適通用特點，但給交互組件的定制化應用開發(fā)引入了龐大的參數(shù)處理、傳輸業(yè)務。在該交互機制框架下，對交互控制的實時響應性能提升帶來了限制和影響。并且UA與CDS異步通信可能造成數(shù)據(jù)丟失。

圖1 Button類Widget交互過程Fig.1 The process of Button Widget interaction

ARINC661給出了一種UA-CDS顯示控制架構(gòu)及應用規(guī)范，可降低UA-CDS的功能耦合性和CDS開發(fā)成本，促進了CDS的產(chǎn)品化水平。但隨著系統(tǒng)界面功能的復雜度增加，UA的顯示控制業(yè)務也隨之增多，導致UA與CDS之間控制數(shù)據(jù)傳輸量增大，同時對Server的控制響應性能要求更高。因此，對新型復雜界面系統(tǒng)的開發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。

2 界面組件化設計方法

結(jié)合ARINC661規(guī)范中的邏輯與畫面設計相分離的設計思想與機載顯控軟件設計特點，提出貼合工程實踐的基于業(yè)務劃分的界面設計方法，對于UA與CDS的業(yè)務進行重新劃分：UA端為與業(yè)務功能相關(guān)的處理邏輯，CDS端為面向用戶的顯示界面，基于功能接口建立UA業(yè)務與CDS顯示界面的關(guān)聯(lián)，提供UA所需的界面功能。圖2所示為基于功能接口的界面設計開發(fā)過程，對顯示界面的需求進行分析，劃分成獨立的功能單元。根據(jù)標準化的功能接口，開展CDS端界面組件設計。CDS端的界面設計利用可視化建模工具進行，通過對組件庫中組件進行定制(組件的實例化)、組合以及自定義符號的設計，得到座艙顯示界面。UA端對接收到的外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及界面交互的反饋數(shù)據(jù)進行處理，輸出數(shù)據(jù)通過功能接口驅(qū)動CDS端畫面顯示,完成CDS端顯示界面的動態(tài)更新。

圖2 開發(fā)過程圖Fig.2 Development process

在上述方法中，通過業(yè)務功能統(tǒng)一UA功能組件和CDS界面組件的接口設計，在滿足UA業(yè)務功能的前提下，提高CDS界面功能的開放性和定制化水平。UA端關(guān)注其核心業(yè)務功能的設計，輸出與業(yè)務功能相關(guān)標準化數(shù)據(jù)接口，進而促進UA業(yè)務功能開發(fā)的標準化水平。在顯控系統(tǒng)的研制過程中，所需的界面顯示功能已趨于穩(wěn)定和成熟(即界面組件功能接口需求已確定)，界面系統(tǒng)的設計主要集中在各顯示控制功能的組合和界面表現(xiàn)形式的定制化，因此，通過界面組件功能接口的規(guī)范化設計，實現(xiàn)了UA業(yè)務接口與CDS顯示控制接口的功能關(guān)聯(lián)設計，既保證了UA端核心業(yè)務的穩(wěn)定性，也提升了CDS端界面的定制化設計能力(支持具有相同功能接口、多種定制化樣式設計的界面組件開發(fā))。UA與CDS端遵循統(tǒng)一的業(yè)務功能接口設計規(guī)范，能夠?qū)崿F(xiàn)UA和CDS同步獨立設計，UA的核心業(yè)務更加內(nèi)聚，CDS端的組件化設計更加靈活、有效和易用。對于未來新型顯控系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)⑺鑅A與定制化CDS界面通過業(yè)務功能接口快速集成，從而更好地發(fā)揮復用UA核心業(yè)務帶來的成本收益，促進CDS界面組件的設計更好地面向界面定制化、多樣化發(fā)展的需求。

提出的基于功能接口的界面組件設計方法主要圍繞以下兩個方面：功能接口設計和界面組件設計。

2.1 功能接口設計

顯示界面通常按照信息用途和功能進行區(qū)域劃分，并根據(jù)使用需求對信息進行布局和呈現(xiàn)。顯示界面按照功能劃分過程如圖3所示，組成界面的顯示符號可以劃分為通用符號類、飛機狀態(tài)監(jiān)控類、作戰(zhàn)指示類以及交互類，每類符號顯示在固定的畫面區(qū)域。通用符號類提供飛行必要的指示信息，涵蓋主要飛行信息顯示和導航信息顯示；飛機狀態(tài)監(jiān)控類提供飛機各系統(tǒng)運行狀態(tài)、參數(shù)信息等顯示；作戰(zhàn)指示類符號提供攻擊、防御相關(guān)的指示信息以及態(tài)勢符號顯示；交互類符號提供人機交互功能，采集用戶界面輸入信息。顯示符號均提供可見性以及位置參數(shù)接口，用以提供基本的顯示布局控制。按照顯示界面需求，逐層分解即可獲得各界面顯示功能需求。

圖3 功能劃分Fig.3 Functional partitioning

依據(jù)界面功能需求，識別正常顯示、異常顯示、顯示邏輯等顯示需求，設計并定義相關(guān)圖形符號的功能接口。對于交互型組件，還要根據(jù)交互符號的控制特性和控制事件，設計并定義交互控制接口。由于各型號的界面顯示功能需求相對固定，可以針對顯示控制接口開展標準化設計，建立統(tǒng)一設計原則和接口定義規(guī)范，在該接口規(guī)范的支持下，CDS端即可開展具有標準接口功能的界面組件庫開發(fā)，UA端依據(jù)該接口設計要求完成對應接口功能的關(guān)聯(lián)業(yè)務開發(fā)，兩者之間通過接口名稱的匹配建立數(shù)據(jù)接口互聯(lián)，實現(xiàn)CDS和UA端并行設計和開發(fā)，進而能夠高效地完成顯示控制界面系統(tǒng)的集成。

座艙顯示界面為飛行機組提供綜合的顯示控制信息，顯示畫面內(nèi)容復雜，所定義的功能接口繁多，本文僅以指示空速為例表明功能接口的提取過程。指示空速要求速度帶組件中具有刻度帶和表盤兩種顯示樣式，刻度隨著當前速度值的變化上下滾動或者旋轉(zhuǎn)，并疊加預置速度的指針和數(shù)字顯示，當數(shù)據(jù)無效時顯示琥珀色故障旗，從中提取出功能接口，接口定義如表1所示。

表1 功能接口定義Table 1 Definition of functional interfaces

2.2 界面組件設計

根據(jù)組件是否具有人機交互功能，將符號組件分為交互型組件和非交互型組件兩種。

2.2.1 交互型組件

交互型組件提供界面操作控制，并根據(jù)操作提供相應的交互響應顯示，承擔了功能切換、命令執(zhí)行、系統(tǒng)控制等工作，如按鈕和菜單。常見的交互操作形式包括光標和觸屏。以觸屏操作為例，人機交互操作包括觸碰屏幕和未觸碰屏幕。

通常在顯示界面上涉及的交互型組件反饋類型有兩種[6]，如表2所示。一類是觸碰反饋樣式，通過增加響應顯示樣式指示組件反饋操作，如高亮顯示；另一類是點擊反饋樣式，點擊操作后改變交互組件顯示樣式，用于表示組件的控制狀態(tài)，如按鈕“按下”、“彈起”。

表2 反饋類型Table 2 The types of feedback

與ARINC661中由UA通過控制協(xié)議完成交互組件反饋顯示控制不同，本文方法在交互類組件設計中，將反饋樣式設計在組件內(nèi)部，縮短界面交互的反饋時間，使用戶獲得操作的即時反饋，在界面設計階段即可開展界面交互樣式的設計，加快了設計效率，從而盡早獲得用戶對界面交互設計的評估和反饋。

在工程應用中，用戶對交互組件操作后，也會引起界面顯示變化，用戶在CDS端進行操作后，交互組件向UA發(fā)送控制指令，并更新組件顯示樣式，UA通過接收交互組件采集的界面操作指令，完成相關(guān)的指令處理，向非交互組件發(fā)送顯示參數(shù)，非交互組件更改顯示樣式，交互過程如圖4所示。

圖4 交互過程Fig.4 Interactive process

2.2.2 非交互型組件

非交互型組件是指無交互操作的圖形組件，主要以數(shù)字、文本和圖符設計組合指示飛行參考信息和系統(tǒng)信息。非交互型組件可劃分為基本顯示符號組件和功能符號組件?；撅@示符號是零件級的界面顯示符號集合；功能符號組件則是使用基本顯示符號組合和集成得到的部件級顯示組件，具有特定的界面顯示功能，是構(gòu)建界面系統(tǒng)的主要組成單元。

基本顯示符號組件是零件級顯示符號，主要包括用于界面顯示和指示的基本要素符號，如文本、數(shù)值、飛行矢量、飛機符號、指針、表盤、刻度帶、航路點、機場、目標點、參考點等。

功能符號組件根據(jù)功能符號的顯示需求，將相關(guān)的零件級符號進行組合和集成，并定義對應的顯示功能接口，形成具有獨立顯示功能的顯示功能組件。如速度帶(數(shù)值+刻度帶)、飛行計劃(文本+航路點+機場)、羅盤(表盤+指針)等。

根據(jù)具體的功能需求，將已定義的功能接口與組件的屬性相關(guān)聯(lián)，驅(qū)動基本符號完成組件顯示，利用條件容器將多種顯示樣式封裝為一個顯示組件，并添加樣式接口進行顯示樣式選擇，可實現(xiàn)顯示符號的多樣式組件庫設計。

結(jié)合項目實際界面需求開展基本符號組件和功能符號組件的設計，通過不同項目的功能組件設計活動，可以得到具有相同功能接口、多種顯示樣式的功能符號組件，既符合組件接口的規(guī)范要求，也促進了多樣式功能組件庫的建立，為界面功能組件的設計和優(yōu)化提供了方法和支持。

3 應用建模

顯示控制界面組件化設計方法，是將對ARINC661規(guī)范研究與項目開發(fā)工程實踐相結(jié)合進行總結(jié)整理而提出的，該方法在項目實踐中有效指導了界面組件的標準化設計和多樣式開發(fā)，本文從項目中選取導航頁面的羅盤顯示用以說明本文方法的應用情況。

羅盤具有3種顯示模式：擴展模式、全羅盤模式以及計劃模式。其中，擴展羅盤、全羅盤模式在大多數(shù)飛行階段中使用，顯示基本的飛行參數(shù)和所選的導航源提供的導航參數(shù)，計劃模式顯示編輯好的飛行計劃。羅盤上的疊加信息包括TACAN指示、ADF指示、航跡航向指針等，其顯示邏輯都是以羅盤圓心為原點，根據(jù)輸入的指示方位值在羅盤上旋轉(zhuǎn)，箭頭指示方位角。組件設計過程如圖5所示。

圖5 組件設計過程Fig.5 Component design process

復用基本符號元素中的指針元素，按照TACAN指針、ADF指針的具體功能顯示要求進行實例化設計，根據(jù)功能接口關(guān)聯(lián)相關(guān)屬性，并將其與羅盤樣式相關(guān)聯(lián)，最終完成3種羅盤樣式的水平導航顯示組件的設計。該組件設計過程充分體現(xiàn)了本文提出的組件設計技術(shù)優(yōu)勢，完成了基本符號到功能符號的組裝、集成及復用的開發(fā)實踐。

設計交互按鈕實現(xiàn)羅盤顯示樣式的切換控制，根據(jù)3種羅盤組件設計樣式選擇接口，按鈕組件提供的界面操作指令的采集，由相關(guān)的控制邏輯完成羅盤樣式的選擇，并更新按鈕對應的外觀和反饋樣式。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

基于對ARINC661交互控制過程的分析，本例中分別使用ARINC661交互組件技術(shù)和本文提出的交互組件技術(shù)完成羅盤切換功能的開發(fā)，并測量采集了交互響應時間數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示,其中，運行調(diào)度周期為50 ms。

表3 結(jié)果對比Table 3 Comparison of results ms

可以看出在基于ARINC661的模式中，由于交互機制上增加了控制確認回路，從控制發(fā)出到響應反饋經(jīng)過了UA和CDS交互確認的2個周期的處理，導致按鈕的響應反饋時間增大1倍，頁面切換控制在兩種交互機制下均執(zhí)行了完整的UA-CDS處理回路，因此響應時間一致。以上測量結(jié)果說明:采用本文提出的交互組件設計技術(shù)將有效提升交互組件的控制反饋速度，有助于提高控制界面的操作性能和工效。

4 總結(jié)

本文研究分析了ARINC661規(guī)范的應用開發(fā)特點，該規(guī)范作為面向顯示界面系統(tǒng)的通用規(guī)范具有很強的通用性，適用于資源充足、適航要求高的系統(tǒng)。但規(guī)范未定義航空通用顯示符號，在具體的使用過程中需要定制化開發(fā)，對于復雜的系統(tǒng)，增加了UA端交互控制業(yè)務的開發(fā)成本，在這個層面上規(guī)范的通用性沒有得到顯著收益。因而，針對ARINC661應用過程中存在的交互組件響應回路復雜以及界面功能符號非標準化設計的問題，提出了基于功能接口的界面組件設計技術(shù)。該技術(shù)以UA核心業(yè)務功能接口為牽引，在CDS端構(gòu)造多樣式功能組件庫，規(guī)范了UA端和CDS端的設計開發(fā)活動，適用于資源緊張、實時性要求高的系統(tǒng)。在新項目研制中，對已有的界面模型組件進行適當修改，即可完成新的界面設計，發(fā)揮了界面模型的復用能力，支持界面需求快速建模，高效捕獲界面顯示控制需求，提升了顯示界面的設計及開發(fā)效率。