民機顯示系統架構與控制邏輯的設計研究

朱兗植 /

(中國航空無線電電子研究所，上海 200241)

0 引言

伴隨著民用航空電子新技術的迅猛發展，加之FAA(Federal Aviation Administration，美國聯邦航空局)、歐盟相繼發布NEXTGEN和SESAR等下一代航空運營體系的規劃[1]，在強烈的需求牽引下，民機顯示系統面向更大的顯示單元、更開放的系統架構以及高安全性設計等方面發展[2]，給機載設備制造商、航空公司以及飛行員帶來前所未有的全新體驗。在此背景下，民用飛機顯示系統的控制邏輯也跟隨系統架構的更新而不斷發生變革，顯示系統控制邏輯逐步從單一點對點控制，往綜合化、智能化、多種交互控制模式結合的方向發展。

駕駛艙顯示系統的控制邏輯主要指顯示系統對顯示單元、輔助控制裝置、視景系統等外場可更換單元能夠正常工作的綜合調度、數據處理控制，以及對顯示畫面的切換控制、內外交聯系統的參數設置等相關的一系列控制操作的集合。顯示系統的控制邏輯關系到飛行員能否對當前復雜而多樣的飛行環境作出及時判斷并給出有效飛行控制操作，這將起到十分重要的作用，良好的顯示控制邏輯能夠大幅提升飛行員獲取態勢感知的能力。

1 顯示系統架構與控制邏輯的演變

駕駛艙顯示系統控制邏輯的變革往往跟隨航空電子系統架構技術的升級換代。模塊化航空電子系統主要由三種發展形式，在不同的模塊化航空電子系統架構體系下，產生不同形式的顯示控制邏輯[3]。

第一種架構是主要采用了模塊化綜合航空電子系統設計技術，由機架集成商提供功能軟件，將傳統的外場可更換單元(line replaceable unit，縮寫為LRU)通過小型化設計使其成為外場可更換模塊(line replaceable module，縮寫為LRM)，在同一機柜內實現模塊間的綜合，采用專用的底板總線，封閉的機架和機箱結構[4]。國外產品中的典型代表為波音777飛機的綜合航空電子系統。而國內產品中，AC313系列直升機以及AG600飛機均采用這種模塊化航空電子系統的設計技術。在這種架構下，顯示系統的控制能力較為集中，往往采取封閉的處理機或者具備進行數據收發、顯示調度等相關控制能力的機柜結構，而根據顯示內容的差異以及顯示內容多少等因素，輔助以顯示器單元周邊鍵、旋鈕或者功能相對單一的顯示控制裝置的形式實現信息畫面的調度切換、信息輸入源的切換等操作控制。

該架構下，有兩種典型的顯示系統控制邏輯模式，一種為“硬菜單控制模式”，顯著特點為顯示畫面調度依靠顯示器的周邊鍵，而顯示系統沒有控制板的相關裝置；另一種為“常規控制板控制模式”，主要特征為顯示系統具備各類功能的控制裝置，來實現顯示畫面調度。

第二種架構主要采用模塊化綜合航空電子系統結構，由機架集成商和專業模塊供應商提供功能軟件，并進行部分功能綜合，采用專用底板總線和部分開放式機架或者機箱結構，實現了物理綜合和部分功能綜合，具有企業專利保護的“封閉性”[4]。國外產品中典型代表有霍尼韋爾的Primus Epic系統，柯林斯公司的Proline21系列等[5]。在國內相關飛機中，西飛公司研制的MA600型機中采用Proline21綜合航空電子系統。在這種架構下，顯示系統的控制邏輯較前一種架構具有幾個典型的特點：(1)通過單一地增加顯示器單元周邊鍵的形式已無法滿足越來越多的顯示信息以及復雜畫面的調度操作需求，因此Proline21顯示系統中加入了軟菜單的形式，摒除了顯示器單元的周邊鍵操控模式；(2)保留多種常規控制面板，對控制面板裝置的功能進行了部分綜合，減少控制面板裝置的種類和數量。因此，在該類型架構下的顯示系統控制邏輯叫做“軟菜單+常規控制板控制模式”。

第三種架構航空電子系統采用開放式體系架構以及統一的機載數據網絡交換技術，具有“開放式”的特點，I/O統一布局以及信息進行綜合管理，系統資源得到高度共享，實現物理綜合和功能的高度綜合[5]。典型代表有GE公司為波音787研發的IMA平臺以及泰雷茲公司為A380研發的IMA綜合模塊化航空電子系統[6]。國內產品中，西飛公司研制的新舟700飛機引進柯林斯公司Proline Fusion產品也屬于IMA架構的航空電子系統產品[7]。目前中國商飛公司承擔研發的國產民用客機C919飛機上也配備IMA架構的綜合模塊化航空電子系統。在這種架構下，顯示系統采用顯示軟菜單為主，輔助多種綜合顯示控制裝置為輔的控制模式，來實現顯示系統數據的交互與處理，顯示控制裝置功能進一步綜合與優化，充分實現數據的共享，極大促進數據交互的及時性和可靠性。具備上述架構特點的顯示系統控制邏輯叫做“軟菜單+綜合控制板控制模式”。

目前，觸摸屏控制已在電子設備行業得到長足的實踐與運用，在公務機和高端機型顯示系統中，國外先進航電系統設備制造商已開展了初步嘗試，柯林斯公司的Proline Fusion換代升級產品和佳明公司G5000H產品都已成功上線了觸屏控制功能[8]，具備觸摸控制功能將成為民機顯示系統未來發展的方向，將這種控制邏輯叫做“觸摸控制模式”。

2 顯示系統主流控制邏輯分析

2.1 硬菜單控制模式

“硬菜單控制模式”，即以顯示器單元周邊鍵和功能相對簡單的綜合控制單元為主，具備單獨的顯示控制處理單元，進行數據集中采集和處理、顯示畫面調度等操作的控制模式。該類型顯示系統的控制模式主要應用于早期小型民用飛機、小型通用飛機、民用直升機等機型上，由于需要實現的功能單一，將輔助控制的控制板進行了簡化。

如圖1所示的“硬菜單控制模式”的控制邏輯圖，顯示器單元非SMART顯示器，只接收繪圖數據或者視頻圖像，具備顯示周邊鍵，用于顯示畫面切換選擇；顯示控制單元的操作控制主要針對飛行計劃相關的操作輸入，包括飛行計劃制定、航路點修改、增加刪除航線、直飛等操作的快捷控制。顯示處理單元作為“硬菜單控制模式”架構下的中樞和大腦，一方面負責顯示畫面數據的采集和加工處理，另一方面負責顯示器單元畫面和顯示控制單元畫面的調度和管理，顯示處理單元與顯示器單元以及顯示控制單元之間常采用“一對一”的數字總線，如ARINC429或者RS422總線交聯。

圖1 “硬菜單控制模式”邏輯示意圖

2.2 常規控制板控制模式

如圖2所示，“常規控制板控制模式”，即以多種常規控制板和多功能顯示控制單元等裝置為主，同樣具備單獨的顯示控制處理單元，進行數據采集與處理，通過控制板和多功能顯示控制單元的操作，實現數據交互、參數設置、顯示畫面切換等功能的控制模式。該類型顯示系統的控制模式主要應用于中大型民用、通用飛機上，是典型的聯合式航空電子系統架構為主的控制邏輯。

“常規控制板控制模式”下的顯示器單元為非SMART顯示器，同樣只接收繪圖數據信息或者視頻圖像，通過各個功能的控制板裝置來實現顯示畫面的切換以及對參數進行設置等操作，“常規控制板控制模式”可以認為是“硬菜單控制模式”的一種升級實現，利用多種控制板來替代顯示器周邊鍵的控制，有效提升顯示畫面的切換效率和便捷性，多功能顯示單元集成更豐富的功能，具備獨立的快捷按鈕區、字母鍵區、數字鍵區等，操作上更加清晰，從而改進操控效率。

圖2 “常規控制板控制模式”邏輯示意圖

2.3 軟菜單+常規控制板控制模式

如圖3所示，“軟菜單+常規控制板的控制模式”以常規控制板控制結合顯示畫面軟菜單形式，結合多功能顯示控制單元，替換顯示器周邊鍵控制的控制模式。該種控制模式下顯示畫面信息更加豐富，同時具備集成的綜合顯示處理單元，物理架構上進一步綜合，是模塊化綜合航空電子架構的一種典型體現。

圖3 “軟菜單+常規控制板控制模式”邏輯示意圖

“軟菜單+常規控制板的控制模式”下的顯示器單元通常為SMART顯示器，具備一定的數據處理和畫面調度的功能，接收控制板的控制消息、菜單響應指令，以及綜合顯示處理單元的外系統數據進行畫面顯示。顯示控制單元具備更強大的功能、控制板快捷鍵的設置更加符合標準規范，能接收和處理的外系統數據也進一步豐富。

2.4 軟菜單+綜合控制板控制模式

“軟菜單+綜合控制板的控制模式”，該控制模式是目前開放式航空電子系統架構體系下的主要模式，利用成熟的顯示單元和機載數據網絡總線，將多功能顯示控制單元與常規控制板進行部分功能綜合，同時利用大屏顯示單元的優勢，結合多種形式的軟菜單，利用開放式的數據網絡總線架構，數據的交互和共享能力大大增強，滿足多應用、多系統數據的綜合顯示需求，促進飛行員人機工效水平的改善。該類型控制邏輯目前在大型民用客機、通用飛機上得到普遍使用。

如圖4所示，“軟菜單+綜合控制板的控制模式”下顯示器單元通常為SAMRT智能顯示器，具備強大的數據收發和處理能力，運用開放式數據網絡架構，信息交互量大大提升。基于大屏幕顯示控制，控制板功能更加集中，使用新型游標以及多功能鍵盤的形式替換常規控制板以及顯示控制單元，飛行員操控效率進一步提升。

圖4 “軟菜單+綜合控制板控制模式”邏輯示意圖

2.5 觸摸控制模式

“觸摸控制模式”是一種以顯示單元的觸摸控制為主，基于顯示軟菜單的控制模式，觸摸控制可以應用在顯示系統數據收發和顯示、飛行計劃制定、參數設置、顯示頁面切換等多重操作，觸摸控制技術已在公務機上進行了成功的實踐[9]，以觸摸控制為主的控制邏輯將逐步取代以傳統的控制裝置為主的控制邏輯。

如圖5所示，“觸摸控制+備份控制裝置的控制模式”是未來民用飛機顯示系統控制模式發展的趨勢。通常具備高度智能化的顯示器單元，基于更加開放的網絡數據結構，顯示系統處理數據的能力進一步提升和強化，使飛行員的人機工效水平得到質的飛躍[10]。這種模式下常配備若干功能的綜合控制裝置，以提升顯示器整體的安全性和可靠性。

圖5 “觸摸控制+備份控制裝置控制模式”邏輯示意圖

2.6 人機工效分析

從上述五種控制邏輯的實現原理出發，可以歸納為三大類，分別是硬菜單模式(模式1)、軟菜單模式(模式2)和觸摸控制模式(模式3)。從顯示信息量、操控復雜度、技術成熟度、安全性以及人機工效水平等方面對三種控制模式的進行評分和比較，見表1所示。

表1 三大類控制模式綜合評價表

注：每一項目評分從1～5,5分為最優。

表2中梳理了三大類控制模式的典型特征和主要優缺點，以新增具有A點(121.48，31.22)、B點(118.73，32.04)2個航路點的飛行計劃為例，比較三種控制模式之間的操作負荷，如表3所示。

表2 三大類控制模式對比表

表3 飛行計劃輸入示例對照表

通常意義上，從效率和工效角度來評判：按鍵<旋鈕<觸屏；從表3可看到，從操作量和復雜程度來評判：模式3<模式2<模式1；與此同時，操作工序的減少能進一步簡化操作流程，顯著降低飛行員的操作負荷，降低出錯的幾率，因此，運用觸摸控制模式的顯示系統能有效提升用戶體驗和人機工效水平。

3 下一代顯示系統架構和控制邏輯設計

面對越來越復雜的運營環境，在等效目視運行、場面引導、座艙交通信息顯示等新應用以及大量信息的顯示需求牽引下，下一代大型客機將采用更大顯示面積的顯示器(譬如20 in以上)，以及更高效實用的控制模式。

結合這些需求和技術發展趨勢，針對下一代顯示系統提出了如圖6所示的架構和控制邏輯。下一代顯示系統以三個大屏幕顯示器作為主要顯示介質，負責飛行信息和其他復雜信息的顯示功能，以ARINC664總線作為數據傳輸和交換的載體，承擔與外系統之間的數據交互，并結合ARINC818總線作為視景圖像的主要傳輸載體。而且隨著觸摸應用可靠性的提升，顯示系統對傳統控制裝置功能的依賴度將逐步降低，最終將實現完全的觸摸控制，手勢識別、多點觸控、顯示應用自主選擇等操作將逐步實現。

圖6 下一代顯示系統架構與控制邏輯示意圖

3.1 可行性分析

觸屏操控已在消費電子領域得到了廣泛應用，在目前航空電子系統領域，觸摸控制已在公務機以及先進民用客機上得到成功實踐。柯林斯公司的Proline Fusion航電產品也已升級觸摸功能，佳明公司的G5000航電系統給先進的民用直升機提供可選擇的觸摸配置。優異的操控體驗，更加豐富和直觀的視覺感受，使大屏觸摸的控制方式將在下一代顯示系統中逐步獲得青睞。

3.2 安全性設計

相比下一代顯示系統提供更豐富的顯示信息和全新的控制形式，在顯示系統設計時應充分考慮大屏觸摸形式的安全性相關措施。出于增加系統安全性的考慮，對下一代顯示系統架構和控制邏輯進行了優化，主要有以下兩個方面：

其一，三臺大屏幕顯示器均采用分屏顯示技術，大屏幕顯示器具備分屏顯示處理的能力，可根據顯示區域和信息的重要程度，對顯示器進行分屏顯示操作，如圖7顯示。左/右顯示器顯示PFD(Primary Flight Display，主飛行顯示)和兩個MFW窗口(或一個MFW和一個EI窗口；多功能窗口，multi-function window，縮寫為MFW；發參和機組告警信息，engine indication and crew alerting，縮寫為EI/EICAS)，EI可以在左顯示器最右側窗口和右顯示器最左側窗口中切換顯示；中央顯示器顯示三個MFW窗口。MFW窗口可以顯示導航頁面ND(navigation display，導航信息)、機場移動地圖頁面AMMD(airport moving map display)、簡圖頁SYN(synoptic page)、電子檢查單ECL(electronic check list)和飛行員數據鏈通訊CPDLC(controller pilot data link communications)。

圖7 下一代顯示系統分屏顯示示意圖

其二，預留綜合控制板作為觸摸控制輸入的備份。下一代大型客機的顯示系統仍將傳統控制裝置作為觸摸控制模式的備份，備份控制裝置的功能將根據用戶的需求進行定義。

4 結論

隨著顯示器智能化程度的增加，結合軟菜單的使用，使顯示畫面的數據量得到大幅提升；跟隨航空電子系統架構的升級腳步，運用開放式架構、統一的機載數據網絡交換技術以及SMART顯示器成為當下以及未來主流；面對未來航空運營體系提出的新要求，智能化的駕駛艙顯示系統逐漸進入大眾視野，觸摸控制、語音識別控制等新型控制模式得到不斷實踐，智能化的駕駛艙顯示系統將顛覆傳統的顯示控制邏輯。

本文從顯示系統架構設計的角度出發，深入分析了目前主流的顯示控制邏輯方式，對主流的顯示控制邏輯進行了優缺點分析，對面向下一代航空運營體系的智能化顯示系統架構設計進行了展望，提出了面向下一代大型客機顯示系統的架構和控制邏輯。與此同時，在不斷關注新顯示控制模式應用下，更應該對新顯示控制模式在HMI布局、安全性設計、顯示重構處理、防誤操作等方面設計得到更多的關注。