SPO模式下的人機(jī)交互技術(shù)

彭俊榕 魏麟 譚任翔 何峻毅

關(guān)鍵詞：單飛行員駕駛;駕駛艙;人機(jī)交互;態(tài)勢感知

1引言

科技的發(fā)展有力推動了民航客機(jī)駕駛艙機(jī)組人員數(shù)量的減少，從最初的多人制機(jī)組到如今的雙人配置，隨著自然進(jìn)程演變，駕駛模式也會從雙人轉(zhuǎn)變?yōu)閱稳恕？紤]到運(yùn)營成本和飛行員短缺的問題，國內(nèi)外民航界正在積極探索研發(fā)民航客機(jī)單飛行員駕駛（Single Pilot Operations，SPO）模式[1]，將在駕駛艙中僅配置一名飛行員，承擔(dān)原本需要兩名機(jī)組人員承擔(dān)的工作負(fù)荷，必將應(yīng)用一些新興的科技和設(shè)計理念，以實(shí)現(xiàn)不低于目前雙人駕駛模式的飛行安全水平[2]。

實(shí)現(xiàn)SPO模式不僅需要重新設(shè)計駕駛艙布局，還要對駕駛艙的人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行革新，以增強(qiáng)飛行員對飛機(jī)狀態(tài)和周圍環(huán)境的感知能力?！榜{駛艙飛行員+機(jī)載自動化設(shè)備+地面站操作員”的組織架構(gòu)是目前實(shí)現(xiàn)SPO模式較為認(rèn)可的方案，隨著飛機(jī)自動化技術(shù)的發(fā)展，飛行員向“自動化系統(tǒng)管理員”角色的轉(zhuǎn)變更加明顯。SPO模式下的人機(jī)協(xié)同操作，不僅要考慮操控決策和權(quán)限分配，如何在技術(shù)層面將其融為一體也是值得深入研究的課題。SPO模式下的人機(jī)交互設(shè)計將采取“以人為中心”的設(shè)計理念，全面考慮飛行員的操作習(xí)慣、心理壓力和生理反應(yīng)等，將機(jī)載自動化設(shè)備作為虛擬的人工智能副駕駛，對飛行各階段執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化、輔助和監(jiān)控，確保飛行員時刻擁有足夠的態(tài)勢感知能力和最高控制權(quán)[5]。

2駕駛艙人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1顯示領(lǐng)域

LCD顯示器在飛機(jī)上開始應(yīng)用后，與CRT顯示器相比，期不僅體積小、能耗低，并且可靠性更高，很快取代了CRT顯示器在駕駛艙中的顯示應(yīng)用，目前主流的電子飛行儀表系統(tǒng)（ EFIS）均采用LCD顯示器，其在駕駛艙中的應(yīng)用范圍還在不斷增加。

進(jìn)入21世紀(jì)后，飛機(jī)制造商已經(jīng)為民機(jī)加入了平視顯示器（HUD）等先進(jìn)電子技術(shù)。HUD作為機(jī)載光學(xué)顯示系統(tǒng)，通過透視鏡將導(dǎo)航信息、姿態(tài)信息等重要飛行參數(shù)以符號形式與擋風(fēng)玻璃前的真實(shí)視景疊加[6]。飛行員通過使用HUD大幅減少了在各飛行階段頻繁俯視儀表的動作，視線僅保持水平就能獲取關(guān)鍵的飛行數(shù)據(jù)，能避免中斷外部視景、丟失情景意識。HUD已經(jīng)開始大規(guī)模裝備于民航客機(jī)，客機(jī)制造商也在新機(jī)型上將其作為標(biāo)準(zhǔn)配置或是可選安裝項目。與此同時，一些新興技術(shù)也在迅速與HUD技術(shù)進(jìn)行融合。視景增強(qiáng)系統(tǒng)（EVS）通過安裝在航空器前部的紅外傳感器，能夠顯示飛機(jī)外部的紅外熱輻射形成的真實(shí)圖像，提供外部環(huán)境特征。合成視景系統(tǒng)（SVS）則以飛機(jī)的位置和姿態(tài)為基準(zhǔn)，以環(huán)境數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在HUD中用SVS圖像覆蓋真實(shí)環(huán)境，同樣可以提高飛行員在能見度不良情況下的態(tài)勢感知能力[7]。

2.2控制領(lǐng)域

現(xiàn)代民航客機(jī)大部分仍采用以旋鈕開關(guān)、物理鍵盤和半球形軌跡球?yàn)橹鞯臋C(jī)械式人機(jī)交互方式，這種方式雖然功能穩(wěn)定，但是控制效率很低，功能相對獨(dú)立，操作流程復(fù)雜，占用了大面積的駕駛艙空間。隨著觸控技術(shù)等電子式人機(jī)交互方式開始在駕駛艙中出現(xiàn)，飛機(jī)駕駛艙控制領(lǐng)域的技術(shù)變革正在迅速進(jìn)行。

觸控技術(shù)適合年輕一代飛行員的交互習(xí)慣，可提高飛行員的手眼協(xié)調(diào)能力，縮減操作時間[8]。泰雷茲和霍尼韋爾等設(shè)備供應(yīng)商對于觸控屏的技術(shù)已有大量研究，盡管出于安全考慮，實(shí)現(xiàn)的功能十分簡單，但隨著未來駕駛艙顯示控制功能的集成化，這些觸控技術(shù)會逐漸替代現(xiàn)存的機(jī)械式人機(jī)交互技術(shù)，從而進(jìn)一步釋放駕駛艙空間，是實(shí)現(xiàn)新一代駕駛艙設(shè)計理念的基礎(chǔ)。

霍尼韋爾公司的Anthem駕駛艙系統(tǒng)和泰雷茲公司的集成式Odicis駕駛艙，均采用多塊觸控屏代替了原有的顯示控制設(shè)備。目前，空客和波音在其新機(jī)型上都引入了這項技術(shù)。觸控屏在大規(guī)模應(yīng)用前，需要進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)工效，從根本上降低誤操作的可能性，進(jìn)而縮短操作時間，確保飛行員操作的有效性和舒適性。

3SPO模式下的人機(jī)交互技術(shù)

民航客機(jī)的人機(jī)交互技術(shù)正在更新迭代，更加適用于人使用習(xí)慣的科技能夠被實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。未來，SPO模式下的人機(jī)交互設(shè)計將“以人為中心”，結(jié)合SPO組織架構(gòu)之間的交互條件，把一些新興技術(shù)應(yīng)用在駕駛艙內(nèi)，如圖1所示：一是態(tài)勢感知技術(shù)（白色方框）;二是綜合控制技術(shù)（黑色方框）。對飛行員的態(tài)勢感知能力進(jìn)行增強(qiáng)，要讓信息獲取的方式變得更為高效，確保飛機(jī)上的飛行員能夠獨(dú)自～人全面地感知飛機(jī)和環(huán)境信息，迅速建立情景意識，對形勢做出準(zhǔn)確判斷：SPO模式下的飛行員的操縱任務(wù)會有所增加，應(yīng)在控制方式上進(jìn)行革新，從飛行員的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，采用自然高效的控制方式，并通過技術(shù)融合手段進(jìn)一步提高人機(jī)工效，簡化操作流程，降低飛行員的心理壓力。

3.1態(tài)勢感知技術(shù)

3.1.1顯示屏技術(shù)

如今，民航客機(jī)駕駛艙的顯示屏絕大多數(shù)都采用LCD技術(shù)，LCD顯示屏有漏光、色彩對比度低、可視角度差等缺點(diǎn)。近年來，消費(fèi)電子領(lǐng)域快速發(fā)展，多種顯示技術(shù)得到成熟應(yīng)用，如MicroLED和OLED技術(shù)。綜合考慮畫質(zhì)和設(shè)計性等因素，未來單飛行員駕駛艙最理想的顯示技術(shù)是OLED，能夠用它來取代如今主流的LCD技術(shù)。

OLED顯示屏采用自發(fā)光技術(shù)，不僅亮度高，發(fā)光效率高，還能顯示純黑色，鑒于其優(yōu)異的廣視角性能，飛行員即使不直視屏幕也能夠清晰地看到屏幕上顯示的內(nèi)容。采用OLED技術(shù)的顯示屏面板輕薄，能夠與現(xiàn)有的觸控技術(shù)完美融合，并且能夠彎曲，支持定制復(fù)雜的形狀，這種特性極大地增加了SPO數(shù)字化駕駛艙布局設(shè)計的自由度。

3.1.2HMD技術(shù)

具備AR功能的頭戴式顯示器（HMD）近年來發(fā)展迅速，其功能全面，不僅可以替代HUD，還能作為檢查清單輔助設(shè)備、合成視覺設(shè)備、生物特征監(jiān)視器和通信導(dǎo)航交互器。

以微軟HoloLens 2為例，其集成有頭部追蹤、眼動追蹤、慣性測量等多類傳感器，擁有混合現(xiàn)實(shí)捕獲、即時定位與地圖構(gòu)建（ SLAM）等技術(shù)，通過衍射光波導(dǎo)將圖像信息傳人人眼。它擁有兩個3D體感攝影機(jī)：一個正對前方，用于深度感應(yīng)，構(gòu)建深度地圖，智能識別物體;另一個向下傾斜，用于識別手勢，其精度更高，幀數(shù)也更高。此外，鼻梁部位的兩個相機(jī)分別負(fù)責(zé)虹膜識別和眼動追蹤。語音麥克風(fēng)隱藏在設(shè)備底端，強(qiáng)大的降噪功能使得在高達(dá)90分貝的嘈雜環(huán)境中，用戶依然能使用語音操作設(shè)備。

駕駛艙中定制化的HMD通過與機(jī)載自動化設(shè)備交聯(lián)后，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與AR-HUD相同的外部感知功能，解決HUD只有在平視時才能讀取信息的問題，還能讓飛行員與駕駛艙內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行交互，如引導(dǎo)飛行員執(zhí)行和遵守檢查清單：根據(jù)飛行任務(wù)，引導(dǎo)飛行員至面板相關(guān)區(qū)域，并協(xié)助檢查該區(qū)域按鍵開關(guān)的位置或者菜單條目的選擇情況。

隨著科技的快速進(jìn)步，HMD在技術(shù)上不斷成熟，產(chǎn)品重量和體積也不斷減小，一些品牌的產(chǎn)品在外觀上與眼鏡、護(hù)目鏡看起來別無二致，能讓飛行員很快地熟練操作。HMD能夠?qū)⒄Z音、眼位、手勢等方式作為交互手段，與機(jī)載自動化設(shè)備交聯(lián)，極大地增強(qiáng)了SPO模式下飛行員對環(huán)境的感知能力和對飛機(jī)的控制能力。

3.2綜合控制技術(shù)

3.2.1語音控制技術(shù)

語音控制系統(tǒng)通過對飛行員的語音指令進(jìn)行識別，轉(zhuǎn)換為控制信號，實(shí)現(xiàn)與機(jī)載設(shè)備的交互。該技術(shù)能讓飛行員在手不脫離駕駛桿或視線不發(fā)生偏移的情況下，完成駕駛艙內(nèi)的一部分控制、輸入和查詢?nèi)蝿?wù)。語音指令能夠用在非關(guān)鍵的且對實(shí)時性要求不高的控制功能上，如畫面切換和模式選擇，可以有效提高操作效率，減少物理按鍵、開關(guān)的數(shù)量，特別是在數(shù)字信息的輸入上能更為方便快捷，從而大幅減少操作時間。

語種的識別、標(biāo)準(zhǔn)喊話語音庫的建立等都是形成語音控制能力的基礎(chǔ)。語音控制系統(tǒng)必須經(jīng)過大量的駕駛艙語音數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，確保識別語音信息的速度和準(zhǔn)確度，在重要指令的識別與執(zhí)行程序上，需要有二次確認(rèn)程序，防止飛行員口誤造成飛機(jī)失控。語音控制技術(shù)使飛行員通過類似與“虛擬副駕駛”對話的方式，在與機(jī)載自動化設(shè)備互動的同時，能緩解長時間單人駕駛帶來的心理壓力，有效提高執(zhí)行任務(wù)時的專注力。

3.2.2眼動控制技術(shù)

飛行員在獲取信息時，有80%-90%的信息來源于視覺，視覺與眼球運(yùn)動存在密切聯(lián)系，眼動控制系統(tǒng)通過追蹤飛行員的眼動信息，可根據(jù)一系列眼動追蹤指標(biāo)，自動對駕駛艙顯示系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)整，使飛行員通過視覺獲取信息的能力增強(qiáng)，從而增加操作績效。例如，通過低頻率的眨眼動作，增加注視區(qū)域詳細(xì)的附加信息顯示：通過長時間的視線停留，放大或高亮顯示注視的區(qū)域或選項條目。飛行員利用視線選中目標(biāo)后，再結(jié)合使用語音、手勢等控制方式進(jìn)行確認(rèn)，能夠有效避免誤選，縮短操作時間。

眼動控制技術(shù)還能夠在SPO模式下對飛行員的生理、心理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。控制系統(tǒng)通過追蹤飛行員眨眼頻率、瞳孔直徑等信息，聯(lián)合駕駛艙語音系統(tǒng)對飛行員可能出現(xiàn)的疲勞駕駛狀況進(jìn)行聲音警告，并在顯示屏上進(jìn)行提示。

3.2.3手勢控制技術(shù)

手是飛行員駕駛飛機(jī)時使用最多的身體部分，手勢控制是符合使用者控制習(xí)慣的人機(jī)交互方式。按手勢識別方式進(jìn)行劃分，除了已經(jīng)較為成熟的觸摸屏手勢控制技術(shù)之外，還有基于數(shù)據(jù)手套和基于計算機(jī)視覺的手勢控制技術(shù)。

基于數(shù)據(jù)手套的手勢控制技術(shù)是通過穿戴含有傳感器的數(shù)據(jù)手套，檢測追蹤飛行員手在駕駛艙空間中的三維信息，對選定目標(biāo)進(jìn)行控制調(diào)整。數(shù)據(jù)手套的使用不會受光線的影響，手部活動的空間也不會受到限制，數(shù)據(jù)采集相對視覺識別能更加迅速，在未來駕駛艙采用AR技術(shù)的情況下，數(shù)據(jù)手套能起到有效的輔助作用。基于計算機(jī)視覺的手勢控制技術(shù)是通過視覺采集設(shè)備捕捉手勢圖像，利用圖像處理算法對手勢進(jìn)行分析，按識別結(jié)果進(jìn)行分類和模板匹配，形成相應(yīng)的控制指令。

4結(jié)束語

民航客機(jī)駕駛艙中的人機(jī)交互技術(shù)雖然在不斷發(fā)展，人機(jī)功效也在不斷提高，但是在態(tài)勢感知方式和控制方式上相對獨(dú)立。為了實(shí)現(xiàn)SPO模式，需要將多種態(tài)勢感知技術(shù)和綜合控制技術(shù)相互融合，將飛行員作為設(shè)計理念的中心，進(jìn)行人機(jī)交互方式的革新，只有用新技術(shù)去適應(yīng)他們的操作習(xí)慣和使用需求，才能有效提高人機(jī)協(xié)同能力，確保飛行員有能力勝任該模式下的全部飛行任務(wù)。