教練機人機界面分析

王慶偉，田穎華

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

教練機是戰斗機飛行員培養體系中的重要一環。飛行員的飛行習慣在訓練階段逐步確定成型，如果在這一階段無法向飛行員提供一個良好的人機界面，飛行員很可能養成一些不良的操縱和觀察習慣，為后續作戰階段飛行埋下較大隱患。

隨著航空電子技術的發展，已經很難再看到一款新研飛機座艙里布滿了密密麻麻的各種類型儀表和獨立控制開關，各種開關按鈕散亂的布置在儀表板和操縱臺的各個位置；代之以整潔、高效、綜合化程度高的玻璃座艙，儀表板上布置有光電類型顯示器，采用圖形、數字等綜合顯示方式顯示各類導航、通信、攻擊、狀態信息；各種開關按鈕進行整合，按功能分區整齊的布置在座艙內。作戰飛機對飛行員的觀察能力、操縱要求已經與以往二代戰機完全不同，飛行員必須在整個訓練階段盡早熟悉新的顯示和操作方式，如果仍拘泥于傳統儀表方式人機界面，培養出的飛行員將難以適應新時期訓練科目的要求，難以駕馭新一代作戰飛機。因此需要根據技術發展與訓練需求的變化，對教練機的人機界面進行深入研究，確保在未來較長的一個時間段，教練機的人機界面能夠滿足訓練的需求，同時與新一代的作戰飛機具有良好的銜接性，便于飛行員養成良好的操作習慣。

1 國外教練機人機界面

1.1 PC-21教練機

PC-21是瑞士皮拉蒂斯公司研制的一款新型教練機。前艙裝有平視顯示器，作為飛行時的主顯示器；前后艙儀表板各安裝有3臺152×203mm的液晶顯示器（見圖1），中央的液晶顯示器為主顯示器，飛行員可以通過顯示器周邊按鍵和正前方控制板按鍵控制兩個液晶顯示器，分別顯示導航、任務、系統以及戰術數據；兩臺輔助備份顯示器分別顯示備份導航和發動機數據。

1.2 EMB-314“超級巨嘴鳥”

EMB-314是巴西航空工業公司研制的一種基礎教練/輕型攻擊機。

該機前座艙安裝有平視顯示器，前后艙各裝有兩臺液晶顯示器（見圖2），采用常規備份儀表。

1.3 KT-1教練機

KT-1教練機是韓國宇航公司研制的基礎教練機。

前艙安裝有一臺平視顯示器，前后艙儀表板上各裝有3臺多功能液晶顯示器（見圖3）。中間顯示器為主顯示器，顯示飛機的主導航信息，左顯示器主要顯示飛機狀態信息，右顯示器主要顯示發動機數據。備份顯示為一臺3英寸液晶顯示器，無常規備份儀表。

圖1 PC-21教練機座艙布局

圖2 EMB-314教練機座艙

圖3 KT-1教練機座艙

1.4 T-6A“德克薩斯人Ⅱ”教練機

T-6A“德克薩斯人Ⅱ”教練機是美國比奇飛機公司在瑞士皮拉蒂斯公司PC-9教練機基礎上發展的全特技初級教練和導航員教練機。

每個座艙安裝有兩臺5英寸的有源矩陣液晶顯示器（見圖4），上方的顯示器為垂直畫面顯示器，顯示飛機的姿態、角速度和定位/下滑信標偏移，下方顯示器為水平畫面顯示器，顯示航向、定位/下滑信標偏移、遠距地圖；另裝有小型多功能顯示器，提供發動機和輔助儀表顯示；備份儀表包括姿態、空速、轉彎側滑儀和應急磁羅盤。

圖4 T-6A教練機座艙

1.5 T-6B“德克薩斯人Ⅱ”教練機

T-6B教練機是在T-6A教練機基礎上換裝先進版綜合航電的型號，與T-6A的主要區別如下：

1)增加平視顯示器；

2)增加正前方控制板；

3)增加綜合備份顯示器；

4)換裝3臺6×8英寸液晶顯示器（見圖5）；

5)取消綜合告警顯示器；

6)取消常規備份儀表。

圖5 T-6B教練機座艙

2 教練機人機界面需求分析

2.1 飛行員的人機界面需求

飛行員是飛機控制的決策者和操作者，控制顯示設備是飛機控制的輸入端和執行者，對于飛行操縱，這兩者的關系是緊密結合在一起的。因此，首先需要對兩者的需求關聯性進行分析。

飛行員首先是作為一個有機生命體存在，其獲得外界信息絕大部分是通過眼睛實現，眼睛識別出各種顏色、文字、數字，這些信息經過大腦的分析，轉換成飛行員對這些信息的判斷，從而幫助飛行員作出決策；飛行員的決策主要通過座艙內的控制設備實現，通過對各種控制設備上的按鍵、旋鈕、開關的操作，將飛行員的意圖傳遞給飛機的各個系統。

飛行員對人機界面的主要需求見表1。

表1 飛行員對人機界面的需求

2.2 顯示界面的需求

飛行信息顯示的發展已經歷五代，分別為簡單的機械電氣儀表、機電伺服儀表、綜合指引儀表、電子顯示儀表和綜合電子顯示系統。按儀表的指示方式可劃分為儀表指示、綜合顯示，相應的飛行員飛行方式可劃分為目視飛行、儀表飛行、平顯飛行和頭顯飛行。

早期飛機主要采用獨立式的機械電氣儀表、機電伺服儀表、綜合指引儀表，這些顯示設備密密麻麻的分布在飛機座艙內儀表板、操縱臺上，飛行員在飛行過程中需要經常通過轉移視線或轉動頭部，將注意力從觀察外界轉移到觀察座艙顯示，以獲取飛機狀態信息和態勢信息，這對于需要高度保持警覺性的飛行員來說是一件痛苦的事情。飛行員需要不斷的轉移注意力和轉動頭部，在實際作戰時很可能在瞬間沒有注意到重要的外界信息，而且必須有良好的記憶能力，在4至5秒內觀察、判讀、記憶大量的飛行信息，同時根據這些飛行信息作出必要的判斷。

飛行員的正前方視野是最好的顯示區域，受不同年代航空電子技術的限制，這塊區域長期被瞄準具占據，只能在攻擊時提供有限的瞄準信息，無法在整個飛行過程中向飛行員提供綜合性的顯示信息。平顯的出現，開始充分利用這一區域提供綜合顯示信息，把飛行員的主要注意力從座艙內轉移到座艙外，初步解決了飛行員內外視矛盾和信息綜合顯示問題。以平顯為分界線，前后形成兩種飛行習慣，即“數據保持”習慣和“情景意識”習慣。

數據保持：在飛行過程中，保持某一個數據在一定范圍或在某一個飛行時間內保持速度、高度或航向等參數的某一個值不變，易使飛行員的注意力集中在座艙內，不利于形成情景意識（即不利于作戰）。

情景意識：通過對當前飛行狀態的認知，對未來飛機運動趨勢進行預判，以及對期望達到狀態的驅使，降低了飛行員對座艙內各指示信息的注意力，有利于形成情景意識（即利于作戰）。

平顯顯示區域下方是一個特殊的區域，這個區域由于拆裝平顯等需要，不屬于儀表板的范圍，同時又處于飛行員最佳的觀察視場區域內，二代機往往在此安裝有瞄準具的控制開關、按鈕，在整個飛機使用壽命中用到這些開關、按鈕的時間極少，存在較大的空間資源浪費。三代戰機開始在這一區域安裝有正前方控制板，這是一種同時兼具顯示和控制的設備，飛行員可以在這一設備上選擇航線、控制無線電波道、調節場壓等等，使飛行員在操作航空電子系統時既可以觀察到數據信息，又可以方便快捷的進行控制操作。

平顯的視場比較有限，為了能夠同時觀察外界，顯示信息也不能排列的過于密集，這就造成不可能將所有的信息都放置到平顯上進行顯示。同時，目前使用的平顯主要是單色平顯，無法實現多種顏色顯示，雷達信息、態勢信息、告警信息、應急處置信息、飛機各系統狀態參數難以完整的實時顯示在平顯上。因此，必須在飛行員可觀察視場內提供其他的顯示設備，提供大量的輔助信息。在早期的二代飛機上，這一工作主要由各種儀表、雷達顯示器、告警燈盒、全向告警顯示器等完成，飛行員必須在4至5秒內觀察完各種顯示儀表設備的數據和信息，受限于座艙空間限制，這些信息內容十分有限，顯示也比較分散，難以幫助飛行員獲得形象、直觀、完整的信息，必須提供另外一種輔助顯示器，采用綜合顯示方式，能夠完整的顯示各種在平視顯示器上不能實時顯示的信息，在三代飛機上，這一工作主要由各種尺寸的多功能顯示器完成。

新一代作戰飛機均配置有平顯、多功能顯示器和正前方控制板，從人機界面的銜接性來說，如果教練機仍然采用二代機的座艙設計理念，配置大量的常規儀表，采用儀表顯示和分散控制方式，飛行員從訓練階段進入作戰階段后，將面臨一個完全陌生的座艙人機界面，需要從零開始熟悉各種顯示和操作，花費較多的時間通過飛行重新熟悉綜合化的顯示方式，這些僅僅通過地面模擬器訓練是很難完成的。這種由于人機界面不銜接所導致的飛行訓練，增加了訓練階段飛行架次，延長了飛行訓練的時間，增加了訓練階段所需費用。因此，為了保證教練機與作戰飛機在人機界面的銜接性，教練機也需要采用綜合化的信息顯示方式，配置有平視顯示器、正前方控制板、多功能顯示器等綜合顯示設備。

2.3 控制界面需求分析

二代飛機控制界面比較雜亂無章，主要表現在：

1)主要采用大量獨立的開關、按鈕，缺少綜合性的控制面板

進入早期飛機的座艙，吸引人眼球的除了儀表板上密密麻麻的儀表外，就是無數分散布置在儀表板、操縱臺，甚至結構口框上的大量開關、按鈕了，這些開關往往有上百個之多，控制著飛機上的各個系統或設備。人們往往會發出這樣的感嘆：“飛行員的記憶力真好！”但是，這些開關實際上給飛行員帶來的更多是痛苦，飛行員也不是超人，他們沒有比其他人更好的記憶力，所以他們只能一遍一遍的熟悉這些開關、按鈕，牢牢記住每個開關按鈕的位置、功能，清楚每個開關或者按鈕應該在何時打開，何時關閉，哪些是有關聯性的，需要先開哪個后開哪個，導致錯誤操作的概率增高，訓練難度很大。

2)開關的方向布置較隨意

飛機上的開關都是兩位或者三位開關，在飛行各種階段，經常出現集中放置在一起的開關有的需要打開，有的卻需要處于關閉狀態。飛行員往往根據座艙開關的位置自己編制大量的口訣幫助記憶，比如“XX狀態左前開關板前二后三”表示左前的開關板上開關在某個飛行狀態需要保持兩個開關打開、三個開關關閉。這些口訣是飛行員無奈采取的一種措施，因為座艙開關設計時只考慮了能夠布置下，而沒有考慮到飛行員快捷操作的需求。飛行員希望的是與某種狀態相關的開關布置在一起，用一只手即可全部打開，而不需要一個一個去確認這個開關是否需要打開。在實際使用中，如果口訣記憶錯誤或者忘記，很可能引起誤操縱，嚴重的還會導致發生重大飛行事故。

3)武器控制操作較多

“戰機稍縱即逝。”這是每一個飛行員都牢牢記住的一句話，武器的攻擊區域是十分狹窄的，飛行員必須在這有限的時間內完成目標的捕獲、目標的確認和面對目標的攻擊。但是座艙內相關的武器控制卻使這一有限的時間再次被壓縮，如果需要進行一次對地攻擊，飛行員可能需要首先打開武器電源的開關，在武器控制盒上選擇武器類型，選擇攻擊方式，選擇投放的數量，設定好攻擊數據，完成這些繁瑣的步驟后目標可能早已丟失，影響整個任務的完成，甚至可能反而被敵方戰機搶占有利攻擊位置，導致本機存在較大被擊中風險。

隨著國內對人機工效的研究，新一代作戰飛機已經摒棄了傳統的控制界面思路，向以下方向發展：

1)座艙內控制由各種雜亂無章的機電式控制開關，變成了大量的可編程按鍵、多檔位控制開關，節省了寶貴的座艙空間。例如航空電子系統的大部分控制都可以在正前方控制板、多功能顯示器上通過顯示窗口和周邊按鍵的組合顯示控制完成。這些控制開關根據系統狀態和模式，在各種畫面下的含義是不同的，這樣就避免為單一功能設置開關，使控制開關可以復用，降低了對座艙空間的需求，同時也方便了飛行員的操作。

2)很多控制由計算機根據飛機和航電綜合控制，比如航空電子系統啟動板，這個設備上的一個控制按鍵可根據事先設定的控制邏輯，在不同狀態下控制多個設備的工作狀態，而非像老式飛機的控制開關，需要飛行員根據飛機或航電的狀態去一個一個的開關設備。

3)各種獨立控制開關按照功能分區進行設置，例如發動機控制區、機電設備控制區、照明控制區等，同時在各區域的導光板上用清晰的線條標明各種開關之間的關系，方便飛行員的操作。

4)雙桿控制

雙桿控制可以說是現役作戰飛機的基本要求，簡單說就是飛行員通過油門桿和駕駛桿上的控制開關，快速的實現模式切換、目標瞄準和跟蹤、武器快速選擇和發射；配合座艙的綜合顯示，可以使飛行員在訓練飛行和作戰中直觀、快速的完成航電控制和武器攻擊，縮短了飛行員的反應和操作時間。

3 結語

作為飛行員培養體系中的重要一環，教練機與作戰飛機必須具有良好的銜接性，而人機界面是銜接性的重要一環，研究作戰飛機的人機界面，結合教練機的任務使命，細致分析教練機人機界面的需求，才能研制出高效的教練機，幫助飛行員順利完成飛行訓練任務。