飛機座艙顯示控制系統設計淺析論文
飛機座艙顯示/控制系統作為人機接口，其設計的好壞直接關(guān)系到飛行員能否作出正確的判斷和決策，能否合理地控制飛機，能否保障自身安全，能否順利完成飛行任務(wù)。隨著(zhù)飛機性能要求的不斷提高，飛行員的工作負荷和操作難度日益增大，對飛機座艙顯示/控制系統的設計工效要求也越來(lái)越高。握桿操縱技術(shù)雖然增強了飛行員的控制能力和控制的實(shí)時(shí)性，但也提升了飛行員手指控制的復雜性，使得飛行員的操作失誤率提高。盡管綜合控制在現代飛機上已有所應用，比如正前方控制板（UFCP）、航空電子啟動(dòng)板（AAP）和多功能顯示器（MFD）周邊鍵等都具有一定的綜合控制功能，但其只占很小一部分，就整體而言，仍是分散控制。盡管飛機座艙自動(dòng)化在某種程度上減輕了飛行員的的體力負荷，但同時(shí)增加了非常規操作的負荷，從而引發(fā)諸多與飛行安全相關(guān)的問(wèn)題，比如飛行員情境意識喪失、心理負荷加重、自動(dòng)化系統故障或失效時(shí)難以有效恢復等。目前，我國飛機座艙自動(dòng)化控制技術(shù)尚處于初級階段，對飛機的整體自動(dòng)控制能力有限，自動(dòng)化程度不高。
1設計面臨的問(wèn)題
1.1信息量和控制裝置增多
隨著(zhù)戰斗機性能的不斷提高、作戰任務(wù)的日趨復雜和機載電子設備數量的增加，提供給飛行員的信息呈爆炸式增長(cháng)，使得飛行員陷入大量的數據當中�！靶畔⒈ā北厝皇剐畔@示需求增長(cháng)，主要信息輸入裝置的數量也急劇增加。如何設計出高效的座艙顯示/控制系統，以解決信息猛增與信息顯示空間有限的矛盾，提高人-機信息的交換效率，減輕駕駛員的操縱負擔，是現代飛機座艙顯示/控制系統設計面臨的難題之一。
1.2工作負荷過(guò)大
從本質(zhì)上講，座艙人機接口的主要目標是最大限度地增強飛行員的情景意識。當進(jìn)入“攻擊”狀態(tài)時(shí)，飛行員必須保持全局情境意識（相對地理位置及其相對于友機的位置）和瞬間情境意識（飛機相對于地面、附近其他飛機的位置）。除此以外，飛行員不得不在考慮剩余燃油量、飛行高度和當前燃油使用率的同時(shí)，保持相對于返航所要恢復空域位置的意識。這是一種高度動(dòng)態(tài)的腦力勞動(dòng)。在“空對空”和“空對地”作戰環(huán)境下，一方面，超視距情境意識要求飛行員將注意力集中于儀表上；另一方面，近視距情境意識則要求飛行員目視搜索目標。如何兼顧飛行員的情景意識，又不至于混淆模式，是座艙設計者必須考慮的問(wèn)題。如何有效地處理各種問(wèn)題，最大限度地增強飛行員的情境意識，減輕飛行員的工作負擔，是座艙設計者面臨的難題。
2設計與研究?jì)热?/strong>
2.1信息顯示界面優(yōu)化
信息顯示界面的優(yōu)劣直接決定著(zhù)飛行員的判斷和決策是否正確，尤其是在高度緊張和高負荷狀況下，為了增強飛行員的情境意識，降低工作負荷，加強整體把控，必須優(yōu)化信息顯示界面。
2.1.1信息內容優(yōu)化
目前，由于缺乏設計標準，越來(lái)越多的信息被引入到顯示器上，從而出現信息過(guò)多、混亂的情況，增加了飛行員的工作負荷，延遲了認知和判斷的時(shí)間；但是，如果信息量不足，又會(huì )使飛行員情境意識下降。因此，信息內容的優(yōu)化至關(guān)重要�，F代航空電子系統和綜合火控系統的應用大大增加了座艙顯示系統的信息量，使得飛行員的工作負荷明顯增加，因此，提供一個(gè)友好的界面十分重要。從優(yōu)化設計的角度來(lái)看，要考慮顯示畫(huà)面的清晰度和邏輯性、各個(gè)畫(huà)面位置的合理安排、畫(huà)面字符的可讀性等；要針對不同的飛行階段，為飛行員提供他們所需要的信息。另外，顯示系統要根據任務(wù)的需要，提供給飛行員最關(guān)心的信息，確保任何一條顯示信息都是飛行員需要的。
2.1.2顯示方式優(yōu)化
為了加強飛行員在復雜情境中對自身狀態(tài)、飛機狀況和周邊事態(tài)的充分了解和整體把握，我國目前正在尋求新的信息顯示方式或途徑，研制、開(kāi)發(fā)新型信息顯示界面。研究集中于平視儀、下視儀、多功能顯示器和頭盔顯示器等信息顯示優(yōu)化方面，比如在平視儀俯、仰角梯線(xiàn)符號變化的情況下對飛行性能的評估，采用色彩編碼水平情況顯示儀來(lái)增強戰術(shù)情境意識，自動(dòng)駕駛飛行座艙情況顯示器的研制等。目前，頭盔顯示器日趨成熟，因視場(chǎng)大、靈活，能夠滿(mǎn)足大離軸角搜索、跟蹤、瞄準和發(fā)射大離軸角制導武器的需求而備受青睞。
2.1.3顯示器、操縱器的布局優(yōu)化
2.1.3.1顯示器的布局與排列
顯示器的布局與排列是否合理，直接關(guān)系著(zhù)認知效果、巡檢時(shí)間和工作效率。顯示器、操縱器（包括顯示設備）的布局與排列應考慮人的視覺(jué)特性和使用頻率。與顯示有關(guān)的視覺(jué)特性主要包括以下幾點(diǎn)：①飛行員作業(yè)時(shí)，雙眼的視覺(jué)作業(yè)域在中心視軸左右95°，水平視線(xiàn)上90°、水平視線(xiàn)下35°的范圍內，最佳視區如圖1所示。根據觀(guān)察任務(wù)的不同，可將雙眼總視區分為若干子區，其中－95°～95°為視軸轉動(dòng)最佳區，－62°～62°為顏色識別區，－（30°～60°）～（30°～60°）為標注、標記識別區，－（5°～30°）～（5°～30°）為最大視敏區，－（5°～10°）～（5°～10°）為符號識別區，－1°～1°為精細視覺(jué)區。②人眼的調節能力是顯示器、操縱器裝置配置設計時(shí)要考慮的附加因素。視線(xiàn)在不同距離上的聚焦能力不同。設置顯示器儀表板的安裝距離時(shí)，要保證視覺(jué)系統不過(guò)分緊張，一般要求的距離為400～700mm。儀表板的板面與飛行員的觀(guān)察視線(xiàn)應盡可能接近90°。為此，在理論上，板面需前傾15°，并翻開(kāi)兩側板。同時(shí)，水平操縱板的縱向傾斜度不低于5°，垂直板傾離垂直方向的角度不低于10°，這樣可保證最佳工作條件。③與垂直式顯示儀相比，水平式顯示儀的認知效率較高，認知差錯率較低。④人的視線(xiàn)運動(dòng)順序為從左到右或從上到下。⑤在偏離視覺(jué)中心相同距離的情況下，人眼對左上角的觀(guān)察效率高于右上角，其次為左下角，右下角的觀(guān)察效率最低。⑥人對視野最佳范圍內的目標認讀迅速而準確，且觀(guān)察視野有效范圍內的目標不易引起視覺(jué)疲勞。因此，重要的顯示儀表應布置在最佳視野范圍內，而在視野最大范圍外，不應布置顯示儀。⑦在特殊條件下，人的視覺(jué)特性會(huì )發(fā)生變化。比如在過(guò)分搖晃或振動(dòng)嚴重的情況下，人的視覺(jué)會(huì )受到損害，從而影響視覺(jué)顯示信號的認讀。代戰斗機座艙普遍采用“一平三下”的Y形布局。這種布局的制約性因素為平視顯示器占據儀表板中上部最佳視區，因而，難以在儀表板中央再設置大型顯示器。用頭盔顯示器或大屏幕高分辨率顯示器代替平視顯示器，可彌補以上不足，且為座艙顯示/控制系統發(fā)展的必然趨勢。
2.1.3.2顯示設備的選擇
顯示設備的選擇應考慮顯示清晰圖像的能力、顯示彩色圖像的能力、是否符合座艙視野要求、飛行員的接受程度和能否使飛行員高效地獲得所需信息等。大屏幕顯示器可以從各個(gè)機載傳感器、聯(lián)合戰術(shù)信息分配系統和機載數據庫獲取全部信息。經(jīng)計算機處理，將特定飛行時(shí)刻需要的信息全部顯示在大屏幕顯示器上，從而可以解決駕駛員對情況了解不夠、控制顯示和融合理解數據負擔過(guò)重的問(wèn)題。
2.1.3.3顯示畫(huà)面的背景和光照
由于背景、光照會(huì )直接影響認知效果，因此在顯示畫(huà)面和設計字體時(shí)，必須充分考慮背景和光照因素。一般情況下，不應采用強反射背景。這是因為強反射背景會(huì )產(chǎn)生眩光現象，從而影響認知效果。眩光強度越大，對視覺(jué)作業(yè)績(jì)效的影響越大；反射眩光離判讀者視線(xiàn)越近，視覺(jué)作業(yè)績(jì)效越差。根據相關(guān)試驗數據，當視標亮度為1.5cd/m2時(shí)，反射眩光的亮度為30cd/m2，不同反射眩光面積對被試視覺(jué)作業(yè)績(jì)效有顯著(zhù)影響，并且反射眩光面積越大，視覺(jué)作業(yè)績(jì)效越差。目前，大屏幕顯示器研發(fā)的難點(diǎn)之一是開(kāi)發(fā)一種能在高空或陽(yáng)光下具有足夠亮度、不影響判讀，且能為駕駛員提供所需信息的顯示屏。
2.2控制界面優(yōu)化
控制界面優(yōu)化包括控制方式、控制反饋、控制編碼、控制器結構和尺寸、控制器阻力等的優(yōu)化，以防控制器偶發(fā)啟動(dòng)。目前，綜合控制因其更為自然、易用等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。綜合控制器一般包括顯示器周邊控制軟鍵、正前方控制板、航空電子啟動(dòng)板和握桿操縱控制（HOTAS）部分。顯示器周邊控制軟鍵是可以通過(guò)計算機軟件設定其控制功能的'按鍵式開(kāi)關(guān)，裝配在多功能顯示器的四周，控制軟鍵的功能隨著(zhù)顯示畫(huà)面的改變而改變。正前方控制板位于飛行員前方，是一塊可平視操縱的顯示板，用于系統模式的改變和系統參數的更改、設置。航空電子啟動(dòng)板是一個(gè)獨立單元。只要直流電源有電，就能啟動(dòng)工作，具有啟動(dòng)和關(guān)閉航空電子系統、控制座艙電視攝像機和視頻磁帶記錄器等功能。HOTAS部分用于將重要的控制器（開(kāi)關(guān)、按鈕等），特別是作戰中必須操作的開(kāi)關(guān)集中于駕駛桿或油門(mén)桿上。在關(guān)鍵的作戰飛行階段，飛行員的手不必離開(kāi)駕駛桿或油門(mén)桿就能操縱這些控制器，統一控制主要的傳感器、武器和顯示器；在時(shí)間緊迫的作戰階段，飛行員兩眼平視、兩手握桿即可完成戰斗任務(wù)。綜合控制設計將座艙重要的控制器小型化、集中化和多功能化，方便飛行員兼顧顯示觀(guān)察和操作控制。
2.3測試內容和評價(jià)方法
任何一個(gè)系統的評價(jià)都必須建立在試驗的基礎上，其測試內容和方法是否客觀(guān)、全面，直接影響到評價(jià)是否具有客觀(guān)性、全面性和有效性。飛行員作為使用的主體，其主觀(guān)評價(jià)對整體評價(jià)起著(zhù)不可替代的作用。隨著(zhù)不斷更新的顯示技術(shù)和控制技術(shù)的出現，顯示/控制評價(jià)的測試變得越來(lái)越復雜。在使用電子顯示器時(shí)，需考慮顯示器的光照影響、模式轉換和數據的延遲性。如果有頭盔顯示器，還需考慮頭部動(dòng)態(tài)運動(dòng)的影響。因此，測試時(shí)必須要考慮評價(jià)任務(wù)、外部視覺(jué)條件和頭部運動(dòng)，并對振動(dòng)、噪聲等進(jìn)行評價(jià)。
3座艙綜合顯示/控制系統
綜合上述分析，可將座艙顯示/控制系統綜合為兩臺大屏幕綜合顯示器和多功能控制面板，采用高度綜合的集成一體化設計，將機載數據處理、航電任務(wù)管理和圖形圖像顯示綜合在飛行顯示器內部，無(wú)單獨的顯示/控制任務(wù)計算機，使整個(gè)顯示/控制系統組成合理，減輕系統質(zhì)量，簡(jiǎn)化座艙儀表板布置。飛機上各路傳感器數據先經(jīng)綜合顯示器的數據采集處理單元處理、組織成網(wǎng)絡(luò )數據幀，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據幀傳送至綜合顯示器的顯示處理單元；顯示處理單元接收到數據幀后進(jìn)行數據融合和圖像處理，最終完成圖像顯示。采用模塊化的設計方法，按照功能劃分為顯示處理單元、數據處理單元和多功能控制面板。功能單元內部由通用現場(chǎng)可更換模塊組成，標準化程度較高，提高了系統的可維護性。功能單元之間通過(guò)數據網(wǎng)絡(luò )連接。這種松耦合方式不僅可以提供靈活的可擴展性和測試性，還可以提高系統的容錯能力。大屏幕綜合顯示器間通過(guò)顯示同步數據網(wǎng)絡(luò )和交叉互比數據網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現雙機間的任務(wù)周期同步、飛行顯示器間的數據交叉傳輸，使每個(gè)綜合顯示器均接收到另一綜合顯示器采集的載機信息，在此基礎上可實(shí)現對飛行參數的監控。當差異超出一定范圍時(shí)，系統給出報警提示，這不僅有利于及早發(fā)現故障、確定故障源、防止故障蔓延，還能提高系統任務(wù)可靠性。座艙綜合顯示/控制系統將大量復雜的傳感器數據經(jīng)采集、處理、融合后通過(guò)大屏幕高分辨率的液晶顯示器呈現給飛行員，使得飛行員能夠高效地獲得所需信息，減輕飛行員的工作負擔。
4結束語(yǔ)
本文從座艙顯示/控制系統設計面臨的問(wèn)題出發(fā)，從信息顯示界面優(yōu)化、控制界面優(yōu)化等方面進(jìn)行了分析，提出了“兩臺大屏幕綜合顯示器和多功能控制面板組成綜合顯示/控制系統”的設計理念，符合座艙顯示/控制系統高度綜合化的發(fā)展趨勢，具有較好的應用前景。
參考文獻
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