基于動態模型的駕駛艙人機界面設計及仿真

向天龍

（航空工業第一飛機設計研究院 陜西省西安市 710089）

得益于電子技術的發展，現代飛機駕駛艙的顯示控制系統已經由傳統的機械式組合儀表發展為一體化綜合顯示系統。新的顯示控制系統為飛行員提供了更加強大的人機界面。與此同時，設計人員也面臨著新的挑戰：

（1）數量龐大且復雜的需求輸入意味著需要實現復雜的功能，設計人員缺乏快速高效的設計手段和工具；

（2）傳統設計流程需要在整個畫面軟件開發完畢，并加載至目標機后才能看到設計結果的真實形式，在大規模開發完成后進行評估和更改，會消耗較大的時間和人力資源；

（3）傳統文檔傳遞設計的流程，尤其對于人機界面顯示元素的繪制，純文檔傳遞會導致最終效果與設計意圖的偏離。

為了解決以上問題，本文提出一種新的駕駛艙人機界面設計方法。該方法使用新的設計工具，以“所見即所得”的形式搭建動態人機界面模型作為設計載體，并進行設計仿真。將設計階段迭代優化過的人機界面模型結合文檔共同作為設計輸出。這樣能夠在更早的階段呈現最終實現效果，將人機界面設計方案的評估和迭代優化集中在設計階段，提供更高質量的設計輸出，減少大規模軟件開發后的更改，節約研發資源。

1 方法概述

本文使用SCADE 系列工具建立動態模型并實現設計仿真。其中，SCADE Display 用于搭建人機界面模型；SCADE Suit 用于實現模型的動態邏輯；使用定制的數據控制臺作為數據驅動源驅動模型動態運行進行仿真。系統框架如圖1所示。

工作分為三個部分：

（1）模型元素繪制；

（2）動態邏輯實現；

（3）數據驅動源實現。

以下針對這三部分工作進行詳細介紹。

2 實現方式

2.1 模型元素繪制

模型的元素分為靜態元素和動態元素。靜態元素是指畫面上固定顯示的元素，它們在畫面上特定的位置始終顯示。例如：坡度刻度帶、速度、高度、航向窗口等。動態元素是指畫面上需要定義動態行為的元素。例如：滾動的速度帶、轉動的羅盤刻度、跳動的數值等。首先要按照靜態元素的繪制方式繪制其形狀、線寬、顏色和字體，然后定義其運動形式（滾動、轉動、數字跳動等），最后針對每種運動方式定義對應的動態變量。該動態變量接受處理邏輯的輸出數據以驅動模型元素運動。動態模型設計開發視角如圖2所示。

圖1：系統框架

圖2：動態模型設計開發視角

圖3對于動態元素，以速度矢量符（FPV）為例。速度矢量符有兩種動態行為：位置、可見性。在完成速度矢量符圖形的繪制后，針對其動態行為定義對應的動態變量：X 坐標、Y 坐標、可見性。模型動態元素如圖3所示。

圖3：模型動態元素

圖4：動態邏輯

圖5：數據驅動源

圖6：動態模型設計仿真視角

2.2 動態邏輯實現

為了確保模型動態元素運動行為正確，需要添加處理邏輯。處理邏輯用于約束動態元素的運動邊界、數據有效性、顯示條件等。設計階段動態仿真的處理邏輯側重點在于確保呈現人機界面的基本方案、形式的完整性，用于設計階段評估人機界面設計方案，而不同于軟件代碼開發時側重的完備性。

接上文例子，建立速度矢量符的處理邏輯。處理邏輯以：偏流角、航跡傾角、姿態、航向、自動飛行控制板指令等參數作為輸入，解算得到速度矢量符正確的位置和可見性以驅動速度矢量符正確的指示。如圖4所示。

2.3 數據驅動源實現

數據驅動源提供連續的數據驅動模型連續動態運行。數據驅動源有多種實現方式：定制開發的數據控制臺、Rhapsody 模型、設備的仿真激勵器等。如圖5所示。

本文中使用定制開發的數據控制臺作為例。為了便于動態仿真，該控制臺提供了三個主要的功能：

2.3.1 需求的樹形分類

畫面仿真參數的數量非常龐大，如果不進行有效的分級分組管理，實際操作需要花大量時間查找所需查看參數。因此該控制臺提供了定義不同系統、分系統及分區的樹形結構功能，將同類同組數據放在一起，便于使用和管理。

2.3.2 仿真參數配置

顯控畫面中不同類型的參數有不同的數據類型和指示范圍。因此該控制臺提供了仿真參數配置功能。能夠提供浮點型、整型、布爾型等參數類型，針對數值類參數，提供設定仿真上/下限、仿真步長、仿真波形（鋸齒波、三角波）等功能，極大的增加了仿真的靈活性。

2.3.3 仿真場景的保存和加載

在設計仿真階段，經常需要多次重復運行某個場景反復評估，由于畫面動態參數數量龐大，如果每次使用時需要手動逐個配置各個參數的動態范圍、波形等樹形，將極大降低工作效率。因此該控制臺提供了仿真場景的保存和加載功能，將需要多次使用的典型場景保存、加載以往多個不同的場景，避免花大量時間重復配置參數。

3 設計仿真

在完成了模型動態元素、處理邏輯及數據驅動源這三個關鍵部分后，就能夠在設計端的PC 機上進行仿真了。這種仿真方式能夠在設計階段就將最終開發完成之后的結果直接展示出來，對模型進行全尺寸連續動態仿真，由本專業專家和資深用戶對設計做直觀的評估。收集整理評估意見作為本輪迭代修改的輸入。這種評估方法能夠在設計階段發現問題，提前更改，并且始終站在用戶角度進行設計，提高了設計質量和效率。如圖6所示。

4 總結

本文討論了在新的技術環境下，一種基于動態模型的駕駛艙人機界面設計方法。該方法具有“所見即所得”的設計效果，支持在設計階段進行仿真評估，能夠提供精確的設計傳遞，提高了設計的質量和效率。