以智能化為目標導向的直升機駕駛艙光環境現狀調查

高元鵬，吳雨婷，王立雄，于 娟，黃博超

(天津大學，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

引言

直升機駕駛艙一般分為并列式(正、副駕駛員同艙)和縱列式(正駕駛員在前艙、副駕駛員在后艙)兩種形式。雖然兩種形式駕駛艙的儀表板、座椅、操縱臺、操縱器件等布置位置不同，但具有相同的高度集成化布置特點，如圖1所示，艙內設備精密復雜、承載大量重要信息，因此，駕駛員駕駛過程中，僅來自艙內的視看信息負荷已極其繁重。同時，艙外天氣條件多樣，如白天、夜晚、雷暴、云霧等，光環境變化范圍大，且毫無規律，這給飛行員作出準確及時的視覺判斷和操作帶來更大的挑戰。

圖1 某駕駛艙操縱臺布置圖[1]Fig.1 A cockpit console layout

目前直升機的發展正處于深度綜合化向智能化的過渡階段[2]。所謂智能化，一是具有“感知和解析外部信息”的能力，二是具備“通過與環境的相互作用適應環境變化”的技術，三是形成“對外界的刺激作出反應并傳達相應信息”的決策。目前直升機駕駛艙光環境的智能化：導光板、顯示器已有較成熟的自動調光技術[3,4],某型直升機上已應用自動調光系統，可實現對顯示器亮度和導光板亮度進行自動調節[5]，但對應的調控策略(決策)處于相對簡單化狀態，缺乏基于人-機-環境系統理論的、“以人為本”的從使用者需求出發的智能化調控策略基礎理論研究。本文即是通過問卷訪談和機上測量，量化駕駛員對直升機駕駛艙光環境的使用需求，以期挖掘目前駕駛艙光環境現狀存在的源頭問題，旨在有的放矢地開展智能化調控策略的針對性研究。

1 直升機駕駛艙光環境調查

如圖2所示，駕駛艙內部的光學設備包括：顯示屏、導光板、儀表等自發光的視看設備；提供環境照明的泛光燈；提供局部照明的聚光燈。對應的視覺影響因素：自發光設備顯示內容的色度、亮度及目標背景比；照明設備光源顯色性、色溫和光譜分布(兼容要求)；工作面照度和照度均勻度。

1.1 駕駛員對駕駛艙光環境的主觀評價

所調查3類機型中，A、B機型為縱列式直升機，C機型為并列式運輸直升機。總計調查36名男性駕駛員(12名×3機型)，其中30名駕駛員(10名×3機型)只填寫問卷，6名駕駛員(2名×3機型，駕齡≥10年)填寫問卷后，現場對答案進行解釋。問卷題目針對4項內容設置：

(1)艙內光環境滿意度評價；

(2)艙外日眩光評價；

(3)顯示和照明色度偏好；

(4)控制界面形式偏好。

調查情況詳述如下：

1.1.1 艙內光環境滿意度評價

本部分調查問卷采用李克特量表形式，共計7級量表：-3分為非常不滿意，3分為非常滿意。問卷題目包括：

圖2 駕駛艙內部的自發光設備與照明設備Fig.2 Self-illuminating equipment and lighting inside the cockpit

(1)光環境整體滿意度；

(2)顯示屏、導光板、儀表、指示燈在晴天/黃昏/陰雨天/夜間工況下的識別滿意度；

(3)內部光環境在晴天/黃昏/陰雨天/夜間工況下明亮與辨識滿意度；

(4)內部飾面色彩、照明控制界面、燈具形式的滿意度。

問卷統計結果如表1所示，總得分：A機型為51.0分、B機型為51.4分、C機型為57.0分；駕駛員滿意度評價低于2分(比較滿意)的總項數：A機型為7項、B機型為5項、C機型為3項。即：駕駛員對C機型并列式駕駛艙光環境的滿意度高于A/B機型縱列式駕駛艙。依據駕駛員的問卷填寫內容與現場解釋，對評價結果解析如表1所示。

表1 駕駛員對駕駛艙光環境的滿意度評價數據統計

1)對A/B機型光環境整體滿意度評價較低的主要原因是駕駛員認為“座艙燈過暗”和“艙內存在日眩光和夜間反光問題”，其次是“照明存在遮擋”、“按鈕未設置照明，因此看不清/找不到按鈕位置”、“亮度調節不靈敏”；

2)對B機型夜間顯示屏識別滿意度和A機型黃昏、陰雨天、夜間的指示燈識別滿意度評價較低的主要原因均是駕駛員認為“過亮”和“玻璃反光”；

4)對C機型晴天儀表和指示燈識別滿意度評價較低的主要原因是駕駛員認為“過暗”且“晴天艙外陽光或天空的高亮度產生眩光問題，因此導致識別受到影響”；

5)對3類機型照明控制界面滿意度評價較低的原因包括：“按鈕位置看不清/找不到”、“操控不方便，缺乏單獨和整體聯動的調整開關”、“亮度調節不一致、不靈敏”；

6)對A/B機型燈具形式滿意度評價較低的主要原因是駕駛員認為“座艙燈不柔和，存在遮擋情況”、“閱讀燈使用不方便、過亮”。

1.1.2 艙外日眩光評價

本部分包括“日眩光發生概率”和“日眩光刺眼程度”2項評價題目，統計結果如表2所示：A/B機型半數以上、C機型33.3%的駕駛員認為“晴天日光刺眼情況經常發生”(評分為-2)；A機型只有8.3%、B/C機型33.3%的駕駛員認為“晴天日光刺眼情況不可忍受”(評分≤-3)。因此可認為，駕駛員可以忍受所發生的日眩光的刺眼程度。但上述滿意度評價結論可知，日眩光的存在影響了駕駛員對艙內設備的識別滿意度。

表2 駕駛員對駕駛艙艙外日眩光評價數據統計

1.1.3 顯示和照明色度偏好

本部分調查問卷題目包括：

雖然更貼近城市生活定位的路虎發現在誕生伊始曾遭到來自各方的質疑，但其出色的公路行駛性能和這個品牌一貫優秀的全地形能力卻并存于這輛中型SUV上。路虎發現甚至以參賽車輛的身份代替了路虎衛士，出現在了以惡劣路況而著稱的“駱駝杯挑戰賽”的現場。事實證明，它仍舊是一輛血統純正的路虎，只不過因為它的多用途特點，讓它顯得更具親和力。

(1)按緊急程度排序的告警色偏好；

(2)設備顯示內容的配色偏好；

(3)照明系統的色溫偏好。

數據統計結果顯示：36名駕駛員按緊急程度排序的告警色偏好與直升機現狀一致，均為紅、黃、綠；關于設備顯示內容的配色，36名駕駛員均無明確的配色偏好，均表示目前的配色現狀較好；關于照明系統的色溫偏好(圖3)，絕大部分駕駛員偏好白光泛光燈和黃光閱讀燈，36名駕駛員均認同靜暗環境的綠光照明的必要性，但大部分駕駛員提及“頭盔”存在不舒適問題。結果表明，駕駛員對目前駕駛艙內的色度現狀較為滿意。

1.1.4 控制界面形式偏好

本部分調查問卷題目包括：

(1)對4類開關形式(按壓、扳動、旋轉、觸碰)操作方便性和準確性的評價；

(2)是否認同觸碰式開關代替機械式開關；

(3)是否了解LCD、OLED、Mini/Micro LED等新型顯示界面的智能化控制技術(若不了解，則簡單介紹)，是否認同新型智能調控技術應用于直升機；

(4)關于應用新型光環境智能調控技術的建議和意見。

數據統計結果顯示：駕駛員認為觸碰式開關比機械式開關操作方便、但不夠準確(圖4)；大部分駕駛員質疑觸碰式開關的穩定性和準確性，因此不認同觸碰式開關完全代替機械式開關，同樣因為對穩定性和準確性的質疑，大部分駕駛員不認同新型智能調控技術應用于直升機(圖5)；給出的建議和意見也多是針對智能調控技術的可靠性。

圖3 照明系統色溫偏好數據統計Fig.3 Data statistics of lighting system color temperature preference

圖4 開關形式評價數據統計Fig.4 Data statistics of switching form evaluation

圖5 控制界面智能化偏好數據統計Fig.5 Intelligent preference statistics for the control interface

1.2 直升機駕駛艙自發光設備光參數測試

選取A機型縱列式和C機型并列式2類型駕駛艙開展光參數測試，測量晝間全陰天和夜間全暗室2種工況。駕駛艙內照度大于200 lx時，導光板上的字符和刻度可清晰識別[1]，因此實際晝間基本不開啟導光板背光和艙內照明，本測試為獲取自發光設備最全面的晝夜亮度及亮度比值范圍，也同期測試了晝間全陰天工況下開啟導光板背光時的亮度值。

尺寸細小的字符和刻度是主要測試對象，因此對測量儀器的測量精度、圖像分辨率、最小可測測點面積提出要求，本次測量選取測量儀器如圖6所示，滿足測試要求。

圖6 CL-500A分光輻射照度計和LumiCam 1300圖像亮度和色度測量儀( LC-312鏡頭)Fig.6 CL-500A spectroradiometer and LumiCam 1300 image brightness and chromaticity meter (LC-312 lens)

共計測得541個測點數據，統計測試對象的色相、亮度和目標背景比(表3)，數據分析詳述如下。

表3 測試數據統計

1.2.1 色相

541個測點包括了4類自發光設備顯示內容的所有肉眼可識別出的色相，以色坐標誤差≤3%為標準，共計統計出13種典型色相。數據還表明，夜間以偏綠色光為主，無紅色波段范圍的色光，滿足兼容要求。

1.2.2 亮度

如表3和圖7所示：

1)晝間字符、刻度的亮度范圍在100～600 cd/m2之間，信號燈和儀表的青色光亮度較高，平行對比3類顯示設備均具有的綠色色光亮度，亮度均值差值較小，且數值范圍具有共同的區間；

圖7 亮度測試數據統計Fig.7 Brightness test data statistics

2)夜間字符、刻度的亮度范圍在1～25 cd/m2之間，最高值來自顯示屏的青色，顯示屏的亮度顯著高于儀表和導光板；

3)晝間背景的亮度范圍在10～80 cd/m2之間，顯示屏的背景亮度略高于操作臺臺面亮度，顯示屏的4色相背景亮度均值差值較小；

4)夜間背景的亮度范圍在0～5 cd/m2之間，顯示屏的黑色背景亮度與操作臺臺面亮度均值近似相同，藍色和土色背景亮度顯著高于黑色背景亮度。

為進一步明確測試對象亮度的晝夜變化，統計了晝夜亮度比：顯示屏除黑色填充底圖之外，差值在50之內，導光板和儀表分別為128、293。數值表明，導光板和儀表的晝夜亮度變化幅度相對高于顯示屏。

1.2.3 目標背景比

顯示屏的目標背景比是指所有測試對象與黑色填充底圖的亮度比；儀表、導光板、信號燈的目標背景比是指測試對象與操縱臺臺面的亮度比。目標背景比為2時目標可見，舒適的目標背景比在3～10之間。為直觀比值量級，目標背景比計算值僅保留小數點前一位數值。

晝間測試對象的目標背景比：顯示屏字符刻度在3～9之間、顯示屏填充底圖均為1、導光板字符刻度為9、儀表字符刻度為11～18、信號燈為17。數值表明：晝間顯示屏充當背景的填充底圖亮度為同等級別；導光板和顯示屏顯示內容的目標背景比為同等級別；儀表和信號燈顯示內容的目標背景比偏高，這與駕駛員主觀評價意見中所反映的“過亮”一致。

夜間測試對象的目標背景比：顯示屏青色字符刻度為82，其它在13～22之間；導光板字符刻度為8、儀表字符刻度為5。數值表明：夜間顯示屏顯示內容的目標背景比顯著高于導光板和儀表，這與駕駛員主觀評價意見中所反映的“過亮”和“玻璃反光”一致。

1.3 直升機駕駛艙照明光參數測試

提供環境整體照明的泛光燈和提供局部照明的聚光燈(閱讀燈)均有兩種開啟模式：正常的白光和滿足兼容要求的綠光。

開啟白光泛光燈時，工作面照度最大值為30 lx，白光模式的光源色溫在2 429～2 999 K之間，Ra在97～99之間，光譜為斜直線全光譜(白熾燈光譜)；開啟綠光泛光燈時，工作面照度最大值為10 lx，綠光模式的光源色溫、Ra和光譜分布圖不可測得，主波長在540.5～542.2 nm之間。數據顯示，直升機駕駛艙照度遠低于目前建筑空間照度標準值要求(精細操作視覺任務要求300～500 lx[6])

圖8 以智能化為目標導向的直升機駕駛艙光環境實驗需求Fig.8 Intelligent goal-oriented experimental requirements for helicopter cockpit light environment

2 現狀問題及對應研發需求解析

綜上，駕駛艙光環境現狀問題來源于艙外光環境工況、艙內自發光設備和照明三方面：

1)來源于艙外光環境的問題主要是指日眩光問題，雖駕駛員能夠忍受和適應日眩光，但日眩光會減低駕駛員對艙內設備信息的識別；

2)來源于艙內自發光設備的問題主要是亮度及其目標背景比不合理而產生的眩光和玻璃反射眩光、設備亮度調控的方便性和精準度問題；

3)來源于艙內環境照明的問題是座艙燈存在照度不足和遮擋問題。

因此，晴天與夜晚均是駕駛艙光環境的重點研究工況,應基于改善晴天和夜間工況下自發光設備的識別度和夜間艙內環境照明舒適度需求，研發具有高度精準度且調控方便的智能化光學系統，對應的研發任務需求，也是實驗需求。如圖8所示，梳理艙外光環境工況，構建反映典型艙外光環境工況的參數指標閾值范圍，然后開展對應的識別功效與舒適度評價實驗，獲取全天候的滿足自發光設備識別要求的亮度范圍和亮度自調節控制曲線；獲取夜間工況下，滿足視覺舒適和視覺功效要求的環境照明照度和照度均勻度。旨在通過實驗研究為駕駛艙光環境的智能化提供夯實的理論與數據基礎。

3 結語

新一代直升機的發展更加注重高速度、高集成度、多功能化、通用化等性能的提高，總體發展脈絡是數字化、綜合化、智能化、虛擬化。構建艙內光環境“對外界的刺激作出反應并傳達相應信息”的決策能力，是直升機由深度綜合化向智能化過渡的關鍵。因此，基于人-機-環境系統理論，基于“以人為本”原則，從使用者需求出發，以智能化為目標導向的駕駛艙光環境調查極具必要性。據此提出的研發任務需求為后續智能化調控策略的針對性研究明確了研究方向與任務。