民用直升機(jī)駕駛艙信息顯示與設(shè)計(jì)初探

牟曉偉，李治權(quán)，何振亞

(中國(guó)航空研究院，北京 100129)

0 引言

飛行器作為一個(gè)融合多系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，其最初的設(shè)計(jì)想法很簡(jiǎn)單，就是在安全飛行的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確高效地完成飛行任務(wù)。此時(shí)的駕駛艙通過儀表為駕駛員提供空速、高度等數(shù)據(jù)，駕駛員需要根據(jù)儀表數(shù)據(jù)駕駛飛行器，并完成飛行任務(wù)。此時(shí)的駕駛員飛行負(fù)荷重，需要多名機(jī)組人員共同完成一次飛行任務(wù)。

隨著航空電子技術(shù)的大發(fā)展，飛行器上出現(xiàn)了多種多樣的電子儀表和設(shè)備，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。先進(jìn)的儀表將采集到的大量的信息輸出并顯示，給駕駛員提供多樣的飛行信息以保證飛行安全，但同時(shí)也增加了駕駛員的工作負(fù)荷，對(duì)駕駛員的素質(zhì)提出了更高的要求。

20世紀(jì)70年代以后，隨著電子化技術(shù)和綜合信息技術(shù)的發(fā)展，航空電子產(chǎn)品集成化程度的不斷提高，原來的分立式儀表駕駛艙設(shè)計(jì)逐漸被綜合化顯示系統(tǒng)所取代。飛行器安裝更加先進(jìn)、更加直觀的電子化數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀以及飛行管理系統(tǒng)等，形成了今天我們常見的玻璃座艙設(shè)計(jì)。此時(shí)的飛行器僅需要兩名駕駛員就可以完成所有的常規(guī)飛行任務(wù)。直升機(jī)同樣經(jīng)歷了這樣的一個(gè)變革，現(xiàn)代直升機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)正是朝著更加先進(jìn)、便捷、高效的方向發(fā)展。

1 駕駛艙信息顯示設(shè)計(jì)原則

駕駛艙作為一個(gè)人機(jī)交互的平臺(tái)，需要向駕駛員顯示有關(guān)飛行任務(wù)和飛行安全的所有有效且必要的信息(如圖1)。從這個(gè)概念上來分析，需要對(duì)信息進(jìn)行劃分:飛行任務(wù)信息、飛行安全信息、必要信息。飛行任務(wù)信息與飛行安全沒有直接的關(guān)聯(lián)，此類故障信息都屬于警戒或一般信息，本文不做著重說明。飛行安全信息分為3個(gè)等級(jí)，可以定義為紅色警告信息、琥珀色警戒信息和綠色一般信息，這樣的定義方式與直升機(jī)飛行手冊(cè)中的信息顯示是一致的。所有的有效信息中，必要信息是需要駕駛員知曉并采取措施的，或者在其它的正常操作或故障處置操作中會(huì)使用到的信息；非必要信息則不需要駕駛員知道，不需要顯示給駕駛員，這類信息一般為地面維護(hù)人員提供維護(hù)信息。

圖1 典型直升機(jī)駕駛艙布局圖

直升機(jī)的信息系統(tǒng)包含了各個(gè)系統(tǒng)的信息。直升機(jī)的主要系統(tǒng)包括旋翼尾槳、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)以及航電系統(tǒng)。所有這些系統(tǒng)都有其必要的需要駕駛員時(shí)時(shí)關(guān)注的信息，這些信息通過傳感器和采集器，傳輸給顯示系統(tǒng)并在終端上顯示給駕駛員。現(xiàn)代直升機(jī)所顯示給駕駛員的最主要的警告級(jí)別的系統(tǒng)信息見表1。各個(gè)系統(tǒng)用于探測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警的信息，大部分都以琥珀色信息顯示。由于各個(gè)機(jī)型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不同，其琥珀色信息有所區(qū)別且數(shù)量龐大，用一個(gè)表格很難將所有內(nèi)容考慮周全，并且這部分信息的安全等級(jí)低于紅色信息，因此本文不對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行深入討論。通過對(duì)信息的簡(jiǎn)單劃分，可以大致明確什么樣的信息需要給駕駛員顯示，顯示的等級(jí)也可以通過表格來定義。

表1 直升機(jī)紅色警告信息列表

2 幾型直升機(jī)駕駛艙信息顯示分析

現(xiàn)代直升機(jī)的信息都是通過駕駛艙顯示器來顯示，顯示器的大小又直接決定了其可以顯示的紅色信息的數(shù)量。對(duì)于顯示范圍較小的顯示器，設(shè)計(jì)人員不得不對(duì)顯示信息進(jìn)行合理的裁剪或者合并，或者將幾個(gè)相關(guān)的顯示信息通過一個(gè)換算后的參數(shù)來顯示其是否超限。類如AW139所采用的PI參數(shù)就是通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行換算得到的一個(gè)計(jì)算值(見圖2)。

圖2 AW139直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)信息顯示

除了上述故障信息外，其它的系統(tǒng)警戒級(jí)別的琥珀色信息都在顯示系統(tǒng)上統(tǒng)一顯示，因其緊急程度相對(duì)較低，不需要額外的告警提示。現(xiàn)代信息化手段使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以將系統(tǒng)原理圖加載到顯示系統(tǒng)中，在系統(tǒng)故障時(shí)通過顯示系統(tǒng)可以查詢到具體的故障情況，增強(qiáng)駕駛員對(duì)故障的理解，便于故障得到正確的處置。圖3就是AW139直升機(jī)2號(hào)液壓油泵失效后顯示器給出的失效示意圖。

圖3 AW139直升機(jī)液壓系統(tǒng)信息顯示

EC175直升機(jī)也采用了這樣的設(shè)計(jì)理念并將這一設(shè)計(jì)理念貫徹在各個(gè)系統(tǒng)中。在系統(tǒng)故障的時(shí)候，通過顯示器上的按鍵可以查看系統(tǒng)故障原理圖(圖4)，讓駕駛員有更加直觀的認(rèn)識(shí)，為增強(qiáng)飛行安全提供了進(jìn)一步的保障。

圖4 EC175直升機(jī)液壓系統(tǒng)信息顯示

盡管有了現(xiàn)代化的顯示手段，顯示系統(tǒng)也必須滿足適航規(guī)章對(duì)冗余度的要求，為了節(jié)約成本，部分直升機(jī)上仍然會(huì)選擇安裝獨(dú)立的顯示設(shè)備對(duì)一些特殊的參數(shù)進(jìn)行顯示，其中包括空速表、高度表、旋翼轉(zhuǎn)速表、備用的磁羅盤和備用地平儀。這些設(shè)備布置在正副駕駛員都方便觀察的位置，但更靠近正駕駛員，這主要是從雙駕駛直升機(jī)的駕駛員分工考慮的。

雖然有了上述先進(jìn)的航電設(shè)備，可以把所有的直升機(jī)可探測(cè)到的信息顯示給駕駛員，但是現(xiàn)代直升機(jī)仍然沒有完全丟棄故障指示燈的顯示方式，如圖5所示EC175儀表板上布置的故障指示燈。

圖5 EC175直升機(jī)故障指示信息顯示

故障指示燈作為故障提示的一種手段，其布置位置很關(guān)鍵。根據(jù)GJB 1471A相關(guān)要求，經(jīng)過分析可知，人眼活動(dòng)的最大視線范圍為水平視線±35°，垂直視線25°～-35°。通過對(duì)AC312E型機(jī)正駕駛在標(biāo)準(zhǔn)眼位點(diǎn)的最大視線范圍的分析，可以得到如圖6所示的視界區(qū)域。

圖6 AC312E直升機(jī)正駕駛標(biāo)準(zhǔn)眼位點(diǎn)視界

駕駛員在正常飛行中，其視界范圍集中在儀表板的上半部分靠近己方一側(cè)，而直升機(jī)綜顯的設(shè)計(jì)是讓系統(tǒng)的故障信息顯示在顯示器的右下角。這樣的設(shè)計(jì)理念勢(shì)必會(huì)影響駕駛員正常操控直升機(jī)，至少也會(huì)增加駕駛員負(fù)擔(dān)，不利于飛行安全。因此，在儀表板上部駕駛員視界范圍內(nèi)增加告警燈板還是很有必要的，它可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候通過告警燈的方式通知駕駛員。這種告警方式是可行且高效的，故而這種駕駛艙設(shè)計(jì)方式一直沿用至今。

但是并不是所有的故障信息都需要在告警面板上顯示，僅對(duì)于告警級(jí)別高的紅色警告信息采用這種附加的顯示方式。歐直系列直升機(jī)在采用了玻璃座艙的設(shè)計(jì)理念之后，仍然會(huì)采用中央告警面板的設(shè)計(jì)方法。其中，EC175直升機(jī)將其主要的紅色警告信息(表2)在綜合顯示器上顯示以外，還給出音響告警，同時(shí)在中央告警面板上顯示，其中ENG1(2)觸發(fā)條件是ENG1(2) FAIL(發(fā)動(dòng)機(jī)失效)或ENG1(2) OIL LOW PRESS (發(fā)動(dòng)機(jī)滑油壓力低)。

表2 EC175直升機(jī)紅色警告信息列表

對(duì)于部分比較重要的系統(tǒng)，其控制面板上同樣也保留了指示燈的設(shè)計(jì)。如EC175直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)(圖7)，在發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)，綜合顯示器上有ENG FIRE的警告信息，同時(shí)在FIRE EXTING控制面板上顯示FIRE信息；在執(zhí)行滅火程序觸發(fā)1個(gè)滅火瓶時(shí)，F(xiàn)IRE EXTING面板上顯示琥珀色1信息；再次按壓顯示琥珀色2信息，以告知駕駛員相應(yīng)的滅火瓶已經(jīng)排空。

圖7 EC175直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)信息顯示

類似這樣的設(shè)備的設(shè)計(jì)，更多的是考慮駕駛員的操作方便。通過對(duì)AC312E直升機(jī)駕駛艙的人機(jī)功效分析可知，駕駛員頭部活動(dòng)的最大范圍為水平方向±60°，垂直方向±50°(如圖8)。EC175直升機(jī)的FIRE EXTING控制板布置在中央操縱臺(tái)前部，這樣的設(shè)計(jì)更便于駕駛員觀察和操作。AW139直升機(jī)同樣采取了這種設(shè)計(jì)方法，將發(fā)動(dòng)機(jī)控制板、滅火控制板、起落架控制板等帶有顯示狀態(tài)的控制單元都布置在中央操縱臺(tái)前端靠近正駕駛員一側(cè)。這種設(shè)計(jì)思路仍然是出于人機(jī)功效的考量，能夠更好地服務(wù)于駕駛員，提高飛行效率，降低駕駛員負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化操作程序，從而保證飛行安全。

圖8 AC312E直升機(jī)正駕駛員頭部活動(dòng)視線范圍

對(duì)于一些噸位較小的直升機(jī)如EC135，其設(shè)計(jì)思路同樣是將具有顯示功能的控制面板布置在駕駛員最佳視界范圍內(nèi)，包括儀表板上的告警指示燈，發(fā)動(dòng)機(jī)滅火控制指示燈盒以及中央操縱臺(tái)上的發(fā)動(dòng)機(jī)控制板等。而發(fā)動(dòng)機(jī)的模式選擇開關(guān)，因沒有需要顯示給駕駛員的信息，布置在駕駛艙頂部開關(guān)板上，以達(dá)到合理的空間布置的目的。從EC135的布置來看，直升機(jī)的設(shè)計(jì)人員將與直升機(jī)應(yīng)急和故障處置程序相關(guān)的系統(tǒng)和控制開關(guān)巧妙地設(shè)計(jì)在一起，很大程度地方便了駕駛員的操作，對(duì)本就屬于故障程序的執(zhí)行變得更加便捷，對(duì)駕駛員的處置效率和處置成功率都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。例如發(fā)動(dòng)機(jī)滅火程序，前文所說的機(jī)型都有顯示系統(tǒng)對(duì)駕駛員進(jìn)行告警，同時(shí)儀表板上有FIRE的紅色指示燈告訴駕駛員這是一個(gè)警告級(jí)別很高的告警程序，需要立即處置。而后的操作程序，包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油和滅火系統(tǒng)的操作，因機(jī)型不同會(huì)稍有區(qū)別。但是這三個(gè)系統(tǒng)基本都在一個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)之間的操作時(shí)間間隔被大大地縮短，這對(duì)及時(shí)地?fù)錅绨l(fā)動(dòng)機(jī)著火是非常有利的。

3 總結(jié)

總結(jié)上述機(jī)型駕駛艙的布置，再回看直升機(jī)駕駛艙布置的歷史演變，可以從中得到一些啟發(fā)。駕駛艙的設(shè)計(jì)理念是為駕駛員提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息，尤其是故障信息顯示，以便駕駛員能夠第一時(shí)間掌握最直接最有價(jià)值的告警內(nèi)容，并對(duì)故障進(jìn)行最有效的處置。這就需要直升機(jī)在設(shè)計(jì)之初就對(duì)系統(tǒng)的告警信息進(jìn)行分析總結(jié)并分類，將能夠直接影響飛行安全的信息采用紅色及多重警告的形式告知駕駛員。一直以來，直升機(jī)的設(shè)計(jì)都是遵循這一設(shè)計(jì)理念。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的信息顯示更加全面且復(fù)雜。如此繁雜的系統(tǒng)信息，需要進(jìn)行篩選，篩選的依據(jù)就是各個(gè)系統(tǒng)對(duì)其故障模式和故障安全等級(jí)的確定。根據(jù)現(xiàn)代直升機(jī)界的普遍做法，將紅色警告級(jí)別信息中的火警、發(fā)動(dòng)機(jī)失效、蓄電池過熱、主減滑油和燃油油量等信息通過紅色告警指示燈板在儀表板上進(jìn)行顯示。對(duì)于琥珀色警戒信息，可以通過綜合顯示系統(tǒng)將故障原理圖顯示給駕駛員，以幫助駕駛員理解故障并做出正確的判斷。

借助現(xiàn)代化的手段，直升機(jī)設(shè)計(jì)得以做到由簡(jiǎn)至繁，將所有信息采集并顯示。但是直升機(jī)的設(shè)計(jì)必須由繁至簡(jiǎn)，應(yīng)將信息進(jìn)行分類并將必要的信息顯示給駕駛員；同時(shí)可以采取多重顯示方式以減少對(duì)重要故障的誤判；而其它的故障信息則采用相對(duì)單一的故障模式對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒，以減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，從而提高效率，保證飛行安全。至于系統(tǒng)采集到的用于地面維護(hù)的信息，沒有必要顯示給駕駛員，僅需要設(shè)計(jì)一個(gè)用于地面維護(hù)的模塊便于地面數(shù)據(jù)下載和處理。直升機(jī)的發(fā)展歷程讓直升機(jī)的駕駛艙發(fā)生了很大的變化，但是人們對(duì)于人機(jī)交互界面的界定和處理的原則一直沒有變，那就是讓駕駛員在第一時(shí)間掌握最直接最有效的數(shù)據(jù)，對(duì)直升機(jī)實(shí)施完全可控的飛行操作。駕駛艙的設(shè)計(jì)目的就是要建立安全高效的人機(jī)交互界面。