飞机座舱显示/控制系统设计浅析

评价方法等方面对系统的设计与研究内容进行了详细阐述，提出了“座舱综合显示/控制”的设计理念。

关键词：飞机座舱；显示/控制系统；情境意识；人机接口

中图分类号：V241.02 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.015

飞机座舱显示/控制系统作为人机接口，其设计的好坏直接关系到飞行员能否作出正确的判断和决策，能否合理地控制飞机，能否保障自身安全，能否顺利完成飞行任务。随着飞机性能要求的不断提高，飞行员的工作负荷和操作难度日益增大，对飞机座舱显示/控制系统的设计工效要求也越来越高。

握杆操纵技术虽然增强了飞行员的控制能力和控制的实时性，但也提升了飞行员手指控制的复杂性，使得飞行员的操作失误率提高。尽管综合控制在现代飞机上已有所应用，比如正前方控制板（UFCP）、航空电子启动板（AAP）和多功能显示器（MFD）周边键等都具有一定的综合控制功能，但其只占很小一部分，就整体而言，仍是分散控制。

尽管飞机座舱自动化在某种程度上减轻了飞行员的的体力负荷，但同时增加了非常规操作的负荷，从而引发诸多与飞行安全相关的问题，比如飞行员情境意识丧失、心理负荷加重、自动化系统故障或失效时难以有效恢复等。目前，我国飞机座舱自动化控制技术尚处于初级阶段，对飞机的整体自动控制能力有限，自动化程度不高。

1 设计面临的问题

1.1 信息量和控制装置增多

随着战斗机性能的不断提高、作战任务的日趋复杂和机载电子设备数量的增加，提供给飞行员的信息呈爆炸式增长，使得飞行员陷入大量的数据当中。“信息爆炸”必然使信息显示需求增长，主要信息输入装置的数量也急剧增加。如何设计出高效的座舱显示/控制系统，以解决信息猛增与信息显示空间有限的矛盾，提高人-机信息的交换效率，减轻驾驶员的操纵负担，是现代飞机座舱显示/控制系统设计面临的难题之一。

1.2 工作负荷过大

从本质上讲，座舱人机接口的主要目标是最大限度地增强飞行员的情景意识。当进入“攻击”状态时，飞行员必须保持全局情境意识（相对地理位置及其相对于友机的位置）和瞬间情境意识（飞机相对于地面、附近其他飞机的位置）。除此以外，飞行员不得不在考虑剩余燃油量、飞行高度和当前燃油使用率的同时，保持相对于返航所要恢复空域位置的意识。这是一种高度动态的脑力劳动。在“空对空”和“空对地”作战环境下，一方面，超视距情境意识要求飞行员将注意力集中于仪表上；另一方面，近视距情境意识则要求飞行员目视搜索目标。如何兼顾飞行员的情景意识，又不至于混淆模式，是座舱设计者必须考虑的问题。如何有效地处理各种问题，最大限度地增强飞行员的情境意识，减轻飞行员的工作负担，是座舱设计者面临的难题。

2 设计与研究内容

2.1 信息显示界面优化

信息显示界面的优劣直接决定着飞行员的判断和决策是否正确，尤其是在高度紧张和高负荷状况下，为了增强飞行员的情境意识，降低工作负荷，加强整体把控，必须优化信息显示界面。

2.1.1 信息内容优化

目前，由于缺乏设计标准，越来越多的信息被引入到显示器上，从而出现信息过多、混乱的情况，增加了飞行员的工作负荷，延迟了认知和判断的时间；但是，如果信息量不足，又会使飞行员情境意识下降。因此，信息内容的优化至关重要。

现代航空电子系统和综合火控系统的应用大大增加了座舱显示系统的信息量，使得飞行员的工作负荷明显增加，因此，提供一个友好的界面十分重要。从优化设计的角度来看，要考虑显示画面的清晰度和逻辑性、各个画面位置的合理安排、画面字符的可读性等；要针对不同的飞行阶段，为飞行员提供他们所需要的信息。另外，显示系统要根据任务的需要，提供给飞行员最关心的信息，确保任何一条显示信息都是飞行员需要的。

2.1.2 显示方式优化

为了加强飞行员在复杂情境中对自身状态、飞机状况和周边事态的充分了解和整体把握，我国目前正在寻求新的信息显示方式或途径，研制、开发新型信息显示界面。研究集中于平视仪、下视仪、多功能显示器和头盔显示器等信息显示优化方面，比如在平视仪俯、仰角梯线符号变化的情况下对飞行性能的评估，采用色彩编码水平情况显示仪来增强战术情境意识，自动驾驶飞行座舱情况显示器的研制等。目前，头盔显示器日趋成熟，因视场大、灵活，能够满足大离轴角搜索、跟踪、瞄准和发射大离轴角制导武器的需求而备受青睐。

2.1.3 显示器、操纵器的布局优化

2.1.3.1 显示器的布局与排列

显示器的布局与排列是否合理，直接关系着认知效果、巡检时间和工作效率。显示器、操纵器（包括显示设备）的布局与排列应考虑人的视觉特性和使用频率。与显示有关的视觉特性主要包括以下几点：①飞行员作业时，双眼的视觉作业域在中心视轴左右95°，水平视线上90°、水平视线下35°的范围内，最佳视区如图1所示。根据观察任务的不同，可将双眼总视区分为若干子区，其中-95°～95°为视轴转动最佳区，-62°～62°为颜色识别区，-（30°～60°）～（30°～60°）为标注、标记识别区，-（5°～30°）～（5°～30°）为最大视敏区，-（5°～10°）～（5°～10°）为符号识别区，-1°～1°为精细视觉区。②人眼的调节能力是显示器、操纵器装置配置设计时要考虑的附加因素。视线在不同距离上的聚焦能力不同。设置显示器仪表板的安装距离时，要保证视觉系统不过分紧张，一般要求的距离为400～700 mm。仪表板的板面与飞行员的观察视线应尽可能接近90°。为此，在理论上，板面需前倾15°，并翻开两侧板。同时，水平操纵板的纵向倾斜度不低于5°，垂直板倾离垂直方向的角度不低于10°，这样可保证最佳工作条件。③与垂直式显示仪相比，水平式显示仪的认知效率较高，认知差错率较低。④人的视线运动顺序为从左到右或从上到下。⑤在偏离视觉中心相同距离的情况下，人眼对左上角的观察效率高于右上角，其次为左下角，右下角的观察效率最低。⑥人对视野最佳范围内的目标认读迅速而准确，且观察视野有效范围内的目标不易引起视觉疲劳。因此，重要的显示仪表应布置在最佳视野范围内，而在视野最大范围外，不应布置显示仪。⑦在特殊条件下，人的视觉特性会发生变化。比如在过分摇晃或振动严重的情况下，人的视觉会受到损害，从而影响视觉显示信号的认读。

现代战斗机座舱普遍采用“一平三下”的Y形布局。这种布局的制约性因素为平视显示器占据仪表板中上部最佳视区，因而，难以在仪表板中央再设置大型显示器。用头盔显示器或大屏幕高分辨率显示器代替平视显示器，可弥补以上不足，且为座舱显示/控制系统发展的必然趋势。

2.1.3.2 显示设备的选择

显示设备的选择应考虑显示清晰图像的能力、显示彩色图像的能力、是否符合座舱视野要求、飞行员的接受程度和能否使飞行员高效地获得所需信息等。

大屏幕显示器可以从各个机载传感器、联合战术信息分配系统和机载数据库获取全部信息。经计算机处理，将特定飞行时刻需要的信息全部显示在大屏幕显示器上，从而可以解决驾驶员对情况了解不够、控制显示和融合理解数据负担过重的问题。

2.1.3.3 显示画面的背景和光照

由于背景、光照会直接影响认知效果，因此在显示画面和设计字体时，必须充分考虑背景和光照因素。一般情况下，不应采用强反射背景。这是因为强反射背景会产生眩光现象，从而影响认知效果。眩光强度越大，对视觉作业绩效的影响越大；反射眩光离判读者视线越近，视觉作业绩效越差。根据相关试验数据，当视标亮度为1.5 cd/m2时，反射眩光的亮度为30 cd/m2，不同反射眩光面积对被试视觉作业绩效有显著影响，并且反射眩光面积越大，视觉作业绩效越差。

目前，大屏幕显示器研发的难点之一是开发一种能在高空或阳光下具有足够亮度、不影响判读，且能为驾驶员提供所需信息的显示屏。

2.2 控制界面优化

控制界面优化包括控制方式、控制反馈、控制编码、控制器结构和尺寸、控制器阻力等的优化，以防控制器偶发启动。目前，综合控制因其更为自然、易用等优点而受到青睐。

综合控制器一般包括显示器周边控制软键、正前方控制板、航空电子启动板和握杆操纵控制（HOTAS）部分。显示器周边控制软键是可以通过计算机软件设定其控制功能的按键式开关，装配在多功能显示器的四周，控制软键的功能随着显示画面的改变而改变。正前方控制板位于飞行员前方，是一块可平视操纵的显示板，用于系统模式的改变和系统参数的更改、设置。航空电子启动板是一个独立单元。只要直流电源有电，就能启动工作，具有启动和关闭航空电子系统、控制座舱电视摄像机和视频磁带记录器等功能。HOTAS部分用于将重要的控制器（开关、按钮等），特别是作战中必须操作的开关集中于驾驶杆或油门杆上。在关键的作战飞行阶段，飞行员的手不必离开驾驶杆或油门杆就能操纵这些控制器，统一控制主要的传感器、武器和显示器；在时间紧迫的作战阶段，飞行员两眼平视、两手握杆即可完成战斗任务。

综合控制设计将座舱重要的控制器小型化、集中化和多功能化，方便飞行员兼顾显示观察和操作控制。

2.3 测试内容和评价方法

任何一个系统的评价都必须建立在试验的基础上，其测试内容和方法是否客观、全面，直接影响到评价是否具有客观性、全面性和有效性。飞行员作为使用的主体，其主观评价对整体评价起着不可替代的作用。

随着不断更新的显示技术和控制技术的出现，显示/控制评价的测试变得越来越复杂。在使用电子显示器时，需考虑显示器的光照影响、模式转换和数据的延迟性。如果有头盔显示器，还需考虑头部动态运动的影响。因此，测试时必须要考虑评价任务、外部视觉条件和头部运动，并对振动、噪声等进行评价。

3 座舱综合显示/控制系统

综合上述分析，可将座舱显示/控制系统综合为两台大屏幕综合显示器和多功能控制面板，采用高度综合的集成一体化设计，将机载数据处理、航电任务管理和图形图像显示综合在飞行显示器内部，无单独的显示/控制任务计算机，使整个显示/控制系统组成合理，减轻系统质量，简化座舱仪表板布置。图2所示为座舱综合显示/控制系统结构。

图2 座舱综合显示/控制系统结构

如图2所示，飞机上各路传感器数据先经综合显示器的数据采集处理单元处理、组织成网络数据帧，再通过网络将数据帧传送至综合显示器的显示处理单元；显示处理单元接收到数据帧后进行数据融合和图像处理，最终完成图像显示。采用模块化的设计方法，按照功能划分为显示处理单元、数据处理单元和多功能控制面板。功能单元内部由通用现场可更换模块组成，标准化程度较高，提高了系统的可维护性。功能单元之间通过数据网络连接。这种松耦合方式不仅可以提供灵活的可扩展性和测试性，还可以提高系统的容错能力。

大屏幕综合显示器间通过显示同步数据网络和交叉互比数据网络来实现双机间的任务周期同步、飞行显示器间的数据交叉传输，使每个综合显示器均接收到另一综合显示器采集的载机信息，在此基础上可实现对飞行参数的监控。当差异超出一定范围时，系统给出报警提示，这不仅有利于及早发现故障、确定故障源、防止故障蔓延，还能提高系统任务可靠性。

座舱综合显示/控制系统将大量复杂的传感器数据经采集、处理、融合后通过大屏幕高分辨率的液晶显示器呈现给飞行员，使得飞行员能够高效地获得所需信息，减轻飞行员的工作负担。

4 结束语

本文从座舱显示/控制系统设计面临的问题出发，从信息显示界面优化、控制界面优化等方面进行了分析，提出了“两台大屏幕综合显示器和多功能控制面板组成综合显示/控制系统”的设计理念，符合座舱显示/控制系统高度综合化的发展趋势，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]孙滨生.现代战斗机座舱布局[M].北京：航空工业出版社，1988.

[2]范天慈.机载综合显示系统[M].北京：航空工业出版社，2008.

〔编辑：刘晓芳〕