噴氣公務機駕駛艙交互設計分析

陳韻竹 鄧建邦 / CHEN Yunzhu DENG Jianbang

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司，成都 610092)

0 引言

近幾年我國在通用航空領域的發展可圈可點，但是與國外航空發達國家相比，無論是機型數量還是機隊規模都存在明顯差距，特別是在大、中型公務機領域，還有很長的路要走。駕駛艙的交互設計是公務機研制過程中的重難點，學習與借鑒當代先進機型是未來一段時間自主噴氣公務機研制必須要走的路。

公務機作為民用航空重要的細分市場，享有很大的市場份額和豐厚的回報。近年來擁有高出勤率和洲際飛行能力的機型受到市場的追捧，而隨著飛行架次和飛行時間的增加，機組的工作負荷也顯著增長。因此，如何通過交互設計的方法改善駕駛艙人機交互環境、提升機組舒適度是公務機駕駛艙設計中重點考慮的問題。

本文通過研究相關文獻資料，論述了交互設計的發展概況和基本原則，探討了公務機駕駛艙交互設計的基本框架和相關約束，并以某型公務機駕駛艙為案例，分析了交互設計的理念如何在公務機駕駛艙中具體體現和運用。

1 交互設計概述

1.1 交互設計的發展

從遠古先民制作石質工具開始，交互設計一直伴隨著人類的勞動與生產。工業革命后，批量生產的人造物件以前所未有的速度出現，人與物交互的問題越來越突出，于是交互設計的前身——工效學(ergonomics)誕生了；隨著計算機的普及，傳統上人與機器(硬件)的交互已經延伸到人與虛擬對象(軟件)的交互。撇開交互對象的區分，這種研究并確立主體與客體互動關系的活動就成為了交互設計。

交互設計關注人(主體)與外界事物(客體)的互動。目標是增強理解“可以做什么”“正在發生什么”，以及“已經發生了什么”。交互設計借鑒了心理學、設計學和藝術學等基本原則來確保用戶得到積極、愉悅的體驗[1]6。

優秀的交互設計能在使用過程中為操作者帶來愉快的體驗，而早期的交互設計(或者叫人機交互)注重物理環境中，人與實體產品之間的互動，對用戶心理層面的整體感受關注較少，其結果可能是產品只是以設計者自身期望的方式進行交互，而不是用戶真正想要的方式。當代交互設計的范圍已不再只局限于物理層面，人與產品互動的質量與產品的形態等方面都要求得到滿足。

1.2 交互設計的基本原則

在交互設計過程中，產品的易懂性和易用性是重點關注的兩個方面。如果產品(或系統)的運作規則不透明或者過于復雜，用戶在使用中就會產生困擾和差錯。在重大事故分析報告中，“人為差錯”往往是直接的事故分析結果，然而從交互設計的角度出發，許多原因可以進一步歸結為“設計缺陷”——由于機器與人的交互規則設計得很糟糕，讓使用中的差錯不可避免。

因此，當與人造事物互動時，我們希望它帶有明顯的易懂/易用屬性。諾曼(Donald A. Norman)在探討交互設計時，將易懂/易用性分解為六個方面，作為交互設計的基本原則，即示能(affordance)、意符(signifiers)、約束(constraint)、映射(mapping)、反饋(feedback)和概念模型(conceptual models)[1]11-26。

示能與意符經常伴隨使用，前者指物品的特性與物品本身能力的關系，但這種關系有時是不可見的，所以還需要意符來提示使用者做什么以及怎樣做。比如墻上的一塊矩形平面暗示我們這是一扇門，可以開啟和通過(示能)，而門上的球形把手提示我們可以旋轉它打開門(意符)。約束對于駕駛艙這樣特定的環境來說很好理解，即將可能發生的操作限定在安全的范圍內。映射表示兩組事物之間的空間對應關系，它在設計顯示和控制布局時是一個重要原則。反饋是行動的結果，要求及時、準確。需要特別指出的是不恰當的反饋可能比沒有反饋更糟，比如正常飛行中如果面板上某個指示燈不停的閃爍，反而會分散機組的注意力并引發焦慮感。交互設計活動中適當地運用這些原則就能創造出極佳的交互體驗。

最后也可能是最重要的基本原則就是概念模型[1]27-33。在與客體事物交互的過程中，概念模型幫助我們理解自己的經驗，預測自己行為的結果。交互設計中關注的概念模型偏向于“潛意識層次”，通常它只是架構于零碎的事實基礎上，很少關心實際操作中每個步驟具體是怎樣的；這是以人類本能和心理學規律來推斷外界事物的機制和因果關系，即通常所說的“經驗模式”。譬如，人們在操作家用電氣時，往往會將電流想象成水流一樣從插座中流出，經過電線流進電器內部；實際上電線中并沒有液體在流動，電流還會以每秒好幾十次的頻率來回反轉，但是對于一般電器和普通用戶而言，這樣的“概念模型”已經足夠。事實證明，經由“潛意識層次”建立的概念模型經常是錯誤或不完全正確的。對于公務機駕駛艙這樣復雜的交互系統，設計師在引導用戶建立概念模型的時候一定要謹慎推敲，一旦機組對系統運行的概念模型存在誤解或偏差，可能會誘導機組做出不當的操作，進而導致災難性事故。

擁有優秀交互設計的產品，其功能、使用方式、使用約束可以從產品本身推斷出來，因為設計師遵循以上原則為產品賦予了清晰的、可被感知的特征，這些特征成為用戶認知、使用產品的主要線索。追尋這些線索建立起恰當的概念模型后，用戶就能對自己的操作做出預測，如果操作的反饋和預期一致，就會對用戶心理產生積極的影響，進而提升交互設計體驗。

1.3 公務機駕駛艙的交互設計

20世紀60年代，蓬勃發展的全球經濟開啟了公務機的黃金時代。今天的航空工業相比五十年前早已發生了翻天覆地的變化，公務機多年的研發生產經驗和多代用戶的使用反饋奠定了當代公務機駕駛艙交互設計的基礎骨架。

公務機駕駛艙作為一個高度集成、操作頻繁的人機交互場所，其交互設計的優劣直接影響到飛行員的工作效率和飛行安全。國內外有許多適航法規和標準文件從各個角度對其進行了規范。譬如國外的FAA規章、ATA規范、SAE標準體系，國內的CCAR規章、HB標準等。這些文件通過對機載顯示器、儀表、控制器、告警信息等方面做出明確的要求，從而劃定了駕駛艙內人機交互的基本要求。因此，當代公務機駕駛艙無論是硬件布局還是軟件架構都擁有相似的配置。

在此基礎上，各大廠商還會根據自身設計理念做出更加詳細的要求。所以盡管采用相同的標準，由于供應商的選擇、操作方式(概念模型)的繼承、運營環境的差異等方面原因，在實際產品中，不同系列公務機的交互設計仍然有很多差別。譬如灣流、賽斯納等公司的機型多采用中置操縱桿、雙手操作的交互形式，而空客、達索等公司一般選擇側邊操縱桿、單手操作的形式。

2 案例分析

如圖1所示是一款遠程噴氣式公務機駕駛艙的總體布置圖，該公務機采用全電傳操縱和全數字飛控系統，符合當代先進公務機的主流配置，其駕駛艙的布局和交互設計有較強的代表性。

圖1 駕駛艙示意

以交互設計基本原則為輸入，結合駕駛艙交互設計的具體情況，研發團隊確立了三個頂層設計理念指導該機駕駛艙的交互設計，即操作安全性、系統可用性、機組舒適性。

2.1 操作安全性

飛機操作的安全性建立在機組對飛機當前各個系統狀態正確、及時感知的基礎上。為此，姿態指向儀(attitude director indictor,簡稱ADI)集成了傳統加速度計、地平儀、姿態指示器等多個儀表的功能，為飛行員之于飛行狀態的“感知鴻溝”搭建起一座感知的橋梁。在姿態指向儀中，使用了多個高度抽象但表意清晰的意符來表達當前飛機的軌跡和能量狀態，如圖2所示，譬如綠色的航跡符號提供飛行軌跡指示；“V”形加速度標記用于指示當前的加速度(包括正負加速度)；姿態參考符(attitude reference)給出飛機俯仰和滾轉的狀態……通過視覺收集同一塊屏幕上意符提供的線索，飛行員即刻就能搭建當前飛行狀態的概念模型，為下一步行動提供依據，如圖3所示。

圖2 姿態指向儀典型界面示意

圖3 姿態指向儀交互模型

為了將機組對全機資源管理能力最大化，在駕駛艙的布局中，設計師首先將飛機大多數系統集中到兩名機組頭頂上的公共區域，即頂置面板(overhead panel)來完成對雜亂信息的集中；然后以彩色線條(遵循統一色彩編碼)分割、排序以增強各個子系統的可視性，如圖4所示。在電氣、燃油、引氣等系統的排布上特別強調按鍵與對應系統空間位置的自然映射，以提高易用性且避免誤操作；如圖5所示，對于三狀態按鍵，由于存在不同的操作順序，在按鍵附近設置了高對比度的意符作為提示，為當前的操作給予直接反饋。在正常飛行過程中，頂置面板總體保持暗色調，使整個面板保持在飛行員“注意力邊緣”避免過度專注對正常飛行產生干擾。

圖4 頂置面板示意

圖5 舷窗加熱控制鍵交互示意

2.2 系統可用性

駕駛艙采用交互設計的理念提高系統使用效率(易用性)并保證運行的有效性(有用性)。

如圖6所示，兩個基礎顯示單元是兩名機組各自的“私有”區域，包含姿態指向儀、水平狀態指示器、發動機參數等基礎飛行信息，且窗口固定，防止飛行過程中窗口被意外移動而影響飛行安全。兩個多功能顯示單元是公共區域，其中大部分界面可由機組自定，飛行員可以根據個人偏好安排個性化布局，從而提高工作效率；一旦界面布局產生誤操作，可在重置面板中一鍵重置界面。駕駛艙的交互使用多余度設計來保證運行的有效性。多功能顯示單元的視窗設計采用高度自由的架構，即使某個顯示單元故障，也不會引起操作功能的缺失，故障部分的內容可以在其他顯示單元上找回。在極端情況下(基礎顯示單元故障或斷電)，機長可通過備份飛行顯示器(secondary flight display)獲得安全飛行必需的基礎信息。

圖6 顯示單元布置示意

2.3 機組舒適性

機組舒適性取決于多方面，既要將重要操控和監視項目布置在機組直接視場之內，又要避免人機功效方面的不當安排，還要減輕操作負荷提高操作的舒適性。

譬如，在起飛抬前輪階段，飛行員拉桿后，飛機前輪抬起，但飛機暫時還在地面滑跑，所以航徑圖標依然停留在水平參考線處。為了在此時給飛行員提供姿態參照，降低缺乏直接反饋引起的焦慮，姿態指向儀中加入了抬輪符號(rotation symbol)。通過抬輪符號可以在該階段提供簡單、直觀的俯仰參考，避免視覺焦點在俯仰符號(指示器上端)和航跡符號(指示器中部)來回切換而產生的不適感；讓飛行員的目光隨著抬輪符號自下而上自然的過渡到航徑符號，如圖7所示。通過抬輪符號在從滑跑過渡到飛行的過程中，飛行員只需專注一個交互對象就能安全、舒適地操控飛機達到合適的迎角，完成起飛動作。

圖7 起飛階段抬輪符號與航跡符號的過渡示意

3 結論

公務機駕駛艙的交互設計是以設計理念和原則為輸入，以易懂和易用性為核心，以適航規章和相關標準為約束，以飛行安全和高效操控為目標進行的設計活動。

本文通過分析、研究，得出以下結論：

1) 公務機駕駛艙交互設計的首要目標是確保飛行安全，避免人為因素引起的事故。

2) 非航空領域產品的交互設計所采用的方法和規律在公務機駕駛艙中同樣適用，可作借鑒、參考。

3) 公務機駕駛艙正常工況下的交互活動，應引導用戶使用理性思維去認知，避免感性認知引起的誤操作；而異常/緊急工況下的交互活動，應符合感性認知規律。

4) 在交互設計的事中和事后還需要添加驗證評估環節，以驗證交互方案的正確性并作出進一步優化。