飛機駕駛艙指示燈亮度指標研究

黃順云，李浩然，林燕丹

(1.航空工業(yè)上海航空電器有限公司，上海 201101；2.復旦大學信息科學與工程學院光源與照明工程系，上海 200433)

引言

飛行員從周圍環(huán)境中獲取信息的最主要途徑是視覺，大約占所獲信息總和的80%，且視覺主導了其在飛機駕駛艙中75%～90%的行為活動[1]，視覺功能的充分發(fā)揮對于飛行員至關重要。影響飛行員視覺功能的主要因素是駕駛艙內外的光照環(huán)境，艙外從漆黑的夜間到夏天正午的陽光直射，跨度可達10～12個數量級；艙內由于結構原因，不同部位照度會相差數百倍。眼睛適應如此的光照變化需要幾分鐘或更長時間，嚴重影響飛行員的及時判斷與準確操作。因此，合理的艙內照明與顯示設計是完成飛機任務的必要條件。駕駛艙指示燈為飛行員提供飛機各系統(tǒng)的信息，在任何可能的照明條件下，指示燈信息都必須能夠被飛行員迅速識別且不會產生不必要的干擾。因此，指示燈的亮度指標是設計的重點之一。

本文針對飛機駕駛艙指示燈的亮度，調研了國內外行業(yè)標準和在研、運營的機型定義，從人眼視覺特性出發(fā)分析影響視覺工效的因素，并由人機工效試驗得出相應的結論，以期為飛行員提供合理、舒適的駕駛艙光環(huán)境，進一步保障飛行安全。

1 國內外現狀

1.1 飛機駕駛艙指示燈

在駕駛艙人機界面的設計中，告警系統(tǒng)保障飛行員工作效率與飛行安全。其中，用于視覺告警的指示燈大部分位于控制板組件上，以圓點或字符形式顯示飛機駕駛狀態(tài)、航行狀況、機體信息等，示例如圖1所示。根據不同機型的不同功能，各類指示燈基于狀態(tài)信息和反饋需求顯示不同顏色的字符、對應不同的應用，一般分為警告、注意與提示信息三個等級。隨著外部光環(huán)境的改變，指示燈的亮度需隨之改變以適應人眼生理要求從而被飛行員迅速識別且不會出現眩光等干擾，為此指示燈的亮度調節(jié)一般分為用于白天陽光直射的亮模式和夜間低照度的暗模式。

1.2 國外標準

從20世紀50年代開始，美、英等國在飛機告警領域進行了比較深入、系統(tǒng)的研究，制定了一系列關于飛機駕駛艙告警的標準，常用的由美國汽車工程師學會(Society of Automotive Engineers，SAE)和美國軍用規(guī)范(Military Specification，MIL)制定。其中，與飛機駕駛艙指示燈亮度指標相關的標準如表1所示。

圖1 飛機駕駛艙指示燈示例

表1 與駕駛艙指示燈亮度指標相關的MIL標準

MIL-PRF-22885/108定義了陽光下可讀(亮模式)的亮度指標如表2所示，不同的顏色有不同的下限要求。MIL-STD-411相關指標定義如表3所示，不同的顏色定義了相同的BRT(亮模式)亮度下限要求。對于注意類和提示類信號，如果有夜視兼容要求，則DIM(暗模式)的亮度應能調至0.1fL(0.34 cd/m2)。

表2 MIL-PRF-22885/108相關亮度指標要求

表3 MIL-STD-411相關亮度指標要求

1.3 國內標準

國內的航空制造業(yè)起步較晚，相關標準多是參考國外標準，涉及飛機駕駛艙指示燈亮度指標的主要有GJB 1006《飛機座艙告警基本要求》[4]、GJB 2020A《飛機內部和外部照明通用規(guī)范》[5]、GJB 1394《與夜視成象系統(tǒng)兼容的飛機內部照明》[6]，具體信息如表4、表5所示。

表4 GJB 2020A相關亮度指標要求

表5 GJB 1006相關亮度指標要求

與MIL-STD-411相似，GJB 1006和GJB 2020A對不同告警等級的指示燈以顏色區(qū)分，為警告類紅色、注意類黃色、指示類綠色，同一標準中不同顏色的指示燈晝間(亮模式)的亮度指標一致，GJB 2020A設定了上下限制，而GJB 1006僅定義下限。對于夜間(暗模式)的亮度，兩份標準的要求相同，為不同的告警等級定義不同的亮度，告警等級高的亮度更高。GJB 2020A對于夜間(暗模式)的亮度還有連續(xù)調光的要求：在整個控制范圍內，隨著亮度調節(jié)機構的線性轉動，各類信號燈應按亮度的對數增大或減小。雖然描述不佳但明確了設計應符合人眼生理特征。GJB 1394除注意燈和提示燈增加了“應能暗至0.34 cd/m2”，其他要求均引用GJB 1006。

1.4 現有機型指標

針對在研及運營的機型，選擇2款國內民用機型、2款國內軍用機型與波音系列機型進行對比，它們的駕駛艙指示燈亮度指標如表6所示。亮模式主要為陽光下的可讀性服務，綜合各機型亮度范圍在514.5～1 715 cd/m2。暗模式主要為照度較低或黑暗環(huán)境服務，綜合各機型亮度范圍在15～82.3 cd/m2。各機型的設計基于標準有小幅調整，國內民用機型會參考已有機型的經驗。出于區(qū)分告警等級的考慮，波音系列機型中綠色和白色指示燈的亮模式亮度偏低、民用機型1的主警告與主注意暗模式亮度偏高，其他機型的各類顏色無論在亮模式還是暗模式均是統(tǒng)一的亮度。軍用機型2在暗模式有調光要求，其他機型無此要求。

表6 各機型指示燈亮度指標對比

2 視覺生理特性

人的眼睛是一個直徑約為2～2.5 cm的近似球體，光線射入瞳孔，經過晶狀體、玻璃體后到達視網膜，被感光細胞(Photoreceptor)吸收。視網膜上有兩種不同的感光細胞，視桿細胞(Rods)與視錐細胞(Cones)。前者分布在視網膜周邊、對光非常敏感，負責暗視覺；后者集中在視網膜中心區(qū)域，對光敏感度較低、對色彩敏感，負責明視覺。

圖2 人眼結構

視錐細胞又分為三種，分別敏感于光譜短波、中波和長波段的部分。如圖3所示，S、M、L和R分別對應于短波敏感視錐細胞、中波敏感視錐細胞、長波敏感視錐細胞和視桿細胞的光譜響應曲線[8]。

圖3 視錐細胞與視桿細胞光譜響應

為適應自然界高動態(tài)的亮度變化，人體的視覺系統(tǒng)處于動態(tài)適應的狀態(tài)，視錐細胞與視桿細胞對于外界光能的響應類似對數關系，即當光源光能上升，視覺對高光能的響應會遲緩，見圖4(b)。為此，指示燈的亮度調節(jié)需使用類似指數的曲線，以匹配視覺響應的需求，見圖4(a)。最終可以得到用于控制指示燈的電壓(或電流)輸入與視覺響應呈線性關系，見圖4(c)。GJB 2020A中“隨著亮度調節(jié)機構的線性轉動，各類信號燈的明度應能按亮度的對數增大或減小”的描述應是表達這個原理，但描述不清晰，各機型對此應用也很少。雖然現行飛機駕駛艙指示燈大多是亮、暗兩種模式的分檔調光，但如果要增加連續(xù)調光功能應將此類視覺特性納入設計考量。

圖4 人眼感受與指示燈光能的關系

3 人機工效試驗

依據上述調研的飛機駕駛艙指示燈亮度指標，設計以下人機工效試驗以確認符合人眼視覺需求的光學性能。試驗以外界光照環(huán)境為變量，針對不同顏色的指示燈進行三種情況的評價：a)字符剛好可以被識別，b)字符感覺最舒適，c)字符剛感覺刺眼。試驗在模擬駕駛艙中進行，試驗條件如下。

被試人員：共12人，男女性別平衡，視力不小于0.8，年齡在20歲以上，學歷大專以上，色覺正常，試驗前進行培訓能夠穩(wěn)定地掌握主觀評價標準。

光照條件：指示燈表面照度值分別為0.1 lx 、1 lx、10 lx、100 lx、1 000 lx、1 700 lx、50 000 lx的照度條件，光源色溫為5 000±500 K，顯色指數大于80。

環(huán)境：溫度20～25 ℃、相對濕度20%～80%。

指示燈：紅、琥珀、綠3種顏色，字符亮背景黑，亮度可調節(jié)范圍0～3 000 cd/m2。

測試設備：成像亮度計：測量范圍0.1～999 900 cd/m2，亮度精度高于±2%，色度精度高于±0.004；色彩照度計：測量范圍0.1～99 990 lx，亮度精度高于±2%，色度精度高于±0.002。

圖5 試驗用模擬艙環(huán)境

試驗時，被試者坐在指示燈正前方，調整眼位視線與指示燈中心點處于同一水平線。每一次調節(jié)照度條件均會讓被試者適應3 min。被試者通過亮度調節(jié)器按最小變化法從低到高，然后又從高到低緩慢地調節(jié)指示燈亮度，在他/她認為指示燈亮度達到各項評定標準時做出口頭報告，主試記錄對應的亮度值。

試驗數據處理時，將所有數據集合排序，保留其排序在5%～95%之間的數據，降低異常數據的影響。對于清理后的數據，在SPSS 中以誤差條形圖分析其數據分布，通過95%的置信區(qū)間分析數據的平均值在整體分布中的位置，從而判斷平均值對于數據整體的代表性。本次試驗的各組數據均確定平均值具有代表性，以此作為指示燈在不同照度環(huán)境下的試驗結果進行分析。考慮到坐標系的顯示，以照度對數值代替實際值，建立指示燈亮度與照度對數值之間的擬合關系，結果如圖6～圖8所示。其中，擬合公式中的L=logI，I為指示燈所在平面的平均照度。各擬合公式的擬合度R2均大于0.995，符合擬合的要求。

圖6 紅光指示燈測試結果及數據擬合

圖7 琥珀光指示燈測試結果及數據擬合

圖8 綠光指示燈測試結果及數據擬合

根據擬合的公式，晝間陽光直射時指示燈所在平面的平均照度設為100 000 lx、夜間無照明設為1 lx、夜間有照明設為100 lx，計算得到結果見表7。結合前述的各標準、各機型的指標，結果統(tǒng)計見圖9～圖11。圖中左側為晝間亮度統(tǒng)計、右側為夜間亮度統(tǒng)計，紫色(上方)虛線為試驗模擬曲線計算的刺眼亮度、綠色(中部)虛線為試驗所得舒適亮度、藍色(下方)虛線為試驗所得可見亮度。由于駕駛艙夜間的照明環(huán)境包含了黑暗與燈具照明不同的情況，因此右側的夜間模式(暗模式)圖中每種顏色均為兩條線、為一區(qū)間；而晝間(亮模式)只考慮陽光直射的情況，因此左側圖中每種顏色只有一條線。

表7 試驗擬合公式計算結果

圖9 紅光指示燈測試結果與調研數據對比

圖10 琥珀光指示燈測試結果與調研數據對比

圖11 綠光指示燈測試結果與調研數據對比

對于紅光的亮模式，除MIL標準沒有上限，各標準與機型值均高于試驗可見亮度、低于試驗刺眼亮度，但較試驗舒適亮度值偏低，特別是軍用機型。對于紅光的暗模式，各標準與機型值均高于試驗可見亮度；民用機型2在1 lx的條件下接近試驗刺眼亮度，且較試驗舒適亮度偏高，其他機型只在低照度環(huán)境下略高于試驗舒適亮度，而標準的定義高于試驗舒適亮度，應是考慮了告警等級高需增加對人眼的刺激。琥珀光的亮模式與紅光情況類似，暗模式中各標準與機型值較試驗舒適亮度略高；標準規(guī)定的主注意燈亮度偏高，與紅光類似，但注意燈亮度偏低、接近試驗可見亮度，應是考慮黑暗環(huán)境中若常亮，不會對飛行員產生干擾。

對于綠光亮模式，除MIL標準沒有上限，各標準與機型值均高于試驗可見亮度、低于試驗刺眼亮度；國內標準、軍用機型與波音系列較試驗舒適亮度偏低。對于綠光暗模式，標準定義與琥珀光的注意燈類似、接近試驗可見亮度；民用機型2在1 lx的條件下大于刺眼亮度值、10 lx的條件下接近刺眼亮度值；其他機型基本匹配試驗舒適亮度區(qū)間。

根據試驗擬合計算所得的亮模式舒適亮度，三種顏色的指示燈均高于各標準與機型值，特別是軍用機型。后續(xù)的機型若要優(yōu)先保障陽光下可讀性，在條件允許的情況下應適當提升。基于目前LED的發(fā)光效率較過去有大幅提升，國外標準亮度無上限要求可能造成刺眼的情況，設計時應根據設計要求增加亮度的上限定義。根據試驗擬合計算所得的暗模式舒適亮度，各機型的定義較為匹配。標準中主警告、警告與主注意需要有刺激作用，亮度定義較高，而注意、提示類需要避免黑暗中常亮狀態(tài)影響飛行員視覺，亮度定義較低。

4 結束語

結合上述的資料調研與人機工效試驗，各民用機型駕駛艙指示燈的晝間亮模式與夜間暗模式的亮度定義與人機工效試驗的舒適區(qū)間結論較為匹配，后續(xù)機型推薦使用民用機型1的亮度指標：晝間857.5～1 715 cd/m2、夜間17.2～34.3 cd/m2。基于警告類和主注意類的告警等級較高、需對人眼有較強的刺激，晝間模式建議結合機型本身的功耗等要求相應提升亮度、夜間模式則建議使用民用機型1主警告的亮度定義41.2～82.3 cd/m2。對于無燈光照明的駕駛艙，根據MIL與GJB標準，常亮的指示燈夜間模式亮度建議降低至1.7～3.4 cd/m2。也可根據GJB標準增加指示燈的調光功能，并應注意使用類指數型的調光曲線以使人眼能夠有線性的亮度變化感受。

飛機駕駛艙指示燈的亮度指標還需結合色度、對比度、功耗、成本等因素綜合考量，以上的信息為各機型的指示燈亮度指標定義提供參考。