一種民用飛機(jī)座艙顯示控制設(shè)計(jì)方法

程靜菲 孫軍奎

摘??要：座艙顯示與控制系統(tǒng)是飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要組成部分。隨著航空電子系統(tǒng)的高速發(fā)展，座艙顯示系統(tǒng)的綜合化、模塊化和人機(jī)交互的要求越來越高，這些人機(jī)交互通過多功能顯示器上的畫面顯示和多功能窗口格式調(diào)用以及飛行員的控制器輸入來實(shí)現(xiàn)。對(duì)顯示畫面控制提供了一種有效的設(shè)計(jì)方法，通過綜合模塊化航電顯示控制和綜合顯示單元顯示控制對(duì)多功能顯示器的畫面的窗口分配，以及飛行員通過多功能控制器對(duì)主菜單和快捷菜單的選擇，實(shí)現(xiàn)不同畫面的切換和顯示；并對(duì)顯示內(nèi)容的手動(dòng)畫面重構(gòu)和顯示器失效時(shí)自動(dòng)畫面重構(gòu)提供相應(yīng)的顯示畫面重構(gòu)方法，以保證重要的顯示畫面和飛行員需要調(diào)用的顯示畫面始終可以在顯示器上正常顯示。

關(guān)鍵詞：座艙顯示與控制系統(tǒng)?人機(jī)交互?顯示控制?手動(dòng)顯示重構(gòu)?自動(dòng)顯示重構(gòu)

中圖分類號(hào)：V19

A?Design?Method?for?the?Cockpit?Display?and?Control?of?Civil?Aircraft

CHENG?Jingfei??SUN?Junkui

（Chinese?Aeronautical?Radio?Electronics?Research?Institute，?Shanghai，?200241?China）

Abstract：?The?cockpit?display?and?control?system?is?an?important?component?of?the?avionics?system?of?aircraft.?With?the?rapid?development?of?the?avionics?system，?the?requirements?for?the?integration，?modularization?and?human-computer?interaction?of?the?cockpit?display?system?are?becoming?increasingly?high，?and?these?human-computer?interactions?are?achieved?through?screen?displays?on?multifunctional?displays，?the??format?call?of?multifunctional?windows?and?the?controller?input?of?the?pilot，?which?provides?an?effective?design?method?for?display?screen?control.?The?display?control?of?integrated?modular?avionics?and?the?display?control?of?integrated?display?units?are?used?to?allocate?the?windows?of?the?screens?of?multifunctional?displays，?and?pilots?select?the?main?menu?and?shortcut?menu?through?the?multifunctional?controller，?so?as?to?achieve?the?switch?and?display?of?different?screens.?And?corresponding?display?screen?reconstruction?methods?are?provided?for?the?manual?screen?reconstruction?of?displayed?content?and?automatic?screen?reconstruction?in?case?of?display?failure，?so?as?to?ensure?that?important?display?screens?and?display?screens?that?pilots?need?to?call?can?always?be?displayed?normally?on?the?display.

Key?Words：?Cockpit?display?and?control?system;?Human-computer?interaction;?Display?control;?Manual?display?reconstruction;?Automatic?display?reconstruction

在現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)中，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)承擔(dān)著航電系統(tǒng)的集中顯示和集中控制任務(wù)，使得飛行員能夠高效地獲得所需的信息，有效地減輕飛行員的工作負(fù)荷。座艙顯示與控制系統(tǒng)是飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要組成部分。它主要為飛行機(jī)組人員提供一種可視化的人機(jī)接口環(huán)境。飛機(jī)座艙為機(jī)組人員顯示各種飛行信息，同時(shí)也是飛行員發(fā)出各種控制指令的中心。座艙顯示與控制系統(tǒng)處理航電系統(tǒng)人機(jī)交互任務(wù)，是一個(gè)綜合信息控制、處理與顯示、信息感知的回路系統(tǒng)。座艙顯示與控制系統(tǒng)采用觸敏指令和多功能按鍵等多通道控制實(shí)現(xiàn)飛行員對(duì)航電任務(wù)系統(tǒng)的控制輸入，同時(shí)接收當(dāng)前飛行參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、機(jī)組告警信息和全機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，完成視頻及圖像、手動(dòng)控制等信息的處理與綜合，生產(chǎn)圖形顯示畫面，并為飛行員提供飛行引導(dǎo)指示及必要的導(dǎo)航信息等[1-4]。

第三代駕駛艙顯示控制系統(tǒng)采用5個(gè)液晶顯示器，主副駕駛一邊各有一個(gè)主顯示器和一個(gè)導(dǎo)航顯示器，中間有個(gè)中央控制臺(tái)。多功能顯示器為飛行員提供飛機(jī)航電系統(tǒng)的信息，使駕駛員通過觸敏和多功能控制器選擇顯示畫面，使得顯示器能夠提供駕駛員最為關(guān)注的信息[5-8]。如何能夠使得駕駛員能夠通過顯示控制設(shè)備選擇顯示的畫面，就需要一個(gè)顯示系統(tǒng)具有一個(gè)有效的顯示控制方法。此外，當(dāng)顯示器失效時(shí)，失效顯示器上之前顯示的重要信息需要繼續(xù)呈現(xiàn)給駕駛員，就涉及到顯示畫面的重構(gòu)。飛行員也可以進(jìn)行手動(dòng)重構(gòu)，以期選擇自己所需要的顯示畫面。因此，顯示系統(tǒng)有必要進(jìn)行有效地顯示畫面控制，以滿足這些功能的實(shí)現(xiàn)。

1?顯示控制功能整體設(shè)計(jì)

本文介紹的顯示控制功能，能夠?qū)⒋罅繌?fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)采集、處理、融合后通過屏幕高分辨率的液晶顯示器呈現(xiàn)給飛行員，并通過多功能按鍵等多通道控制實(shí)現(xiàn)飛行員對(duì)航電任務(wù)系統(tǒng)的控制輸入，以實(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)接口交互的功能[9-10]。在本文的設(shè)計(jì)中，將顯示控制功能分為兩個(gè)子功能：顯示格式分配和顯示畫面重構(gòu)。

座艙顯示控制功能主要通過以下四個(gè)模塊：控制設(shè)備（包括多功能鍵盤，光標(biāo)控制器和顯示控制面板）、駐留在綜合模塊化航電的航電顯示控制應(yīng)用以及駐留在綜合顯示單元的顯示控制應(yīng)用和A661服務(wù)器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)的。

控制設(shè)備將駕駛員的光標(biāo)及按鍵操作以相對(duì)應(yīng)的信號(hào)（如鍵碼）的形式輸入顯示單元，顯示單元上的顯示控制應(yīng)用會(huì)將這些信號(hào)處理后發(fā)送到A661服務(wù)器。當(dāng)駕駛員的進(jìn)行切換顯示格式的操作時(shí)，A661?服務(wù)器會(huì)將駕駛員操作產(chǎn)生的A661事件發(fā)送到航電顯示控制應(yīng)用上，于是航電顯示控制應(yīng)用將新的顯示格式的編碼發(fā)送到駐留在綜合顯示單元上的顯示控制應(yīng)用，進(jìn)行顯示格式的切換。對(duì)于一些由A661用戶應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的顯示格式，顯示控制應(yīng)用會(huì)將顯示格式編碼發(fā)送到服務(wù)器，后者激活相關(guān)A661?應(yīng)用的圖層，并與該應(yīng)用建立通信，根據(jù)其發(fā)送的A661消息更新顯示內(nèi)容。

顯示器的每一種顯示格式都有一個(gè)整數(shù)來對(duì)應(yīng)，這個(gè)整數(shù)稱為顯示格式編碼。航電顯示應(yīng)用會(huì)為每個(gè)顯示器分配一個(gè)顯示格式編碼并發(fā)送給各顯示器。顯示格式編碼參數(shù)一方面決定了顯示的畫面是由非A661的駐留功能還是由A661服務(wù)器提供向畫面儲(chǔ)存在緩存區(qū)提供數(shù)據(jù)。多功能窗口中顯示的都是A661畫面，A661服務(wù)器將要顯示的內(nèi)容放到的畫面儲(chǔ)存在緩存區(qū)，使得顯示器提供顯示內(nèi)容。對(duì)于非A661畫面的顯示，則是由驅(qū)動(dòng)顯示畫面的相關(guān)顯示單元駐留功能向畫面儲(chǔ)存在緩存區(qū)提供數(shù)據(jù)。另一方面也決定了一個(gè)多功能窗口中顯示哪個(gè)顯示畫面。

2?顯示格式分配功能的設(shè)計(jì)

目前的民用飛機(jī)的顯示器都支持多功能窗口，即顯示屏上的一個(gè)區(qū)域可以切換顯示多個(gè)顯示畫面。顯示格式分配功能為機(jī)組成員提供了選擇顯示器上多功能窗口顯示格式的途徑。本文設(shè)計(jì)的顯示格式分配功能中，機(jī)組成員可通過控制設(shè)備上的多功能窗口顯示格式選擇快捷鍵或多功能窗口中的多功能窗口顯示格式選擇菜單來選擇一個(gè)顯示格式。這個(gè)菜單由航電顯示控制驅(qū)動(dòng)顯示。當(dāng)駕駛員按下控制設(shè)備上的主菜單按鍵時(shí)，駕駛員控制的光標(biāo)所在的多功能窗口會(huì)彈出這個(gè)選擇菜單。

控制設(shè)備以多功能鍵盤為例，當(dāng)駕駛員按下多功能窗口顯示格式選擇快捷鍵，例如飛管系統(tǒng)快捷鍵，光標(biāo)控制器會(huì)發(fā)將該快捷鍵的信號(hào)發(fā)送到顯示控制應(yīng)用。每個(gè)按鍵都定義了一個(gè)鍵碼值。?顯示控制應(yīng)用收到控制器信號(hào)后，轉(zhuǎn)換為鍵碼值發(fā)送給A661服務(wù)器。當(dāng)服務(wù)器收到快捷鍵鍵碼，就會(huì)發(fā)送相應(yīng)的A661事件到航電顯示控制應(yīng)用。航電顯示控制應(yīng)用根據(jù)收到的事件信息，改變顯示格式編碼并發(fā)送給顯示控制應(yīng)用。顯示控制應(yīng)用再將新的顯示格式編碼發(fā)送給A661服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)收到新的編碼值后發(fā)送A661層激活命令來激活相應(yīng)應(yīng)用層。根據(jù)A661規(guī)范的通信協(xié)議，用戶應(yīng)用收到層激活命令后給服務(wù)器發(fā)送層可見請(qǐng)求并發(fā)送設(shè)置參數(shù)命令，以使得服務(wù)器根據(jù)用戶應(yīng)用提供的信息更新顯示內(nèi)容。

以光標(biāo)控制器為例，當(dāng)駕駛員通過光標(biāo)控制器上的主菜單鍵來選擇飛管畫面時(shí)，調(diào)用顯示格式的通信時(shí)序圖如圖3所示。包括以下步驟。

• 上電后航電顯示控制應(yīng)用與服務(wù)器之間建立A661通信；
• 按下光標(biāo)控制器上的主菜單鍵，顯示控制應(yīng)用收到控制器信號(hào)將相對(duì)應(yīng)的鍵碼值發(fā)送給A661服務(wù)器?；
• 服務(wù)器收到鍵碼后會(huì)發(fā)送A661事件給航電顯示控制應(yīng)用來激活代理按鍵控件；
• 航電顯示控制應(yīng)用收到控件激活命令后，發(fā)送請(qǐng)求可見命令給服務(wù)器使得主菜單顯示可見；
• 控制器通過光標(biāo)選擇來選中飛管顯示格式；
• 顯示控制應(yīng)用收到控制信號(hào)后，發(fā)送相應(yīng)的的鍵碼值給A661服務(wù)器；
• 服務(wù)器發(fā)送實(shí)現(xiàn)主菜單功能的相關(guān)A661事件（在不同顯示格式菜單項(xiàng)上進(jìn)行光標(biāo)選擇會(huì)產(chǎn)生不同的A661控件事件）給航電顯示控制應(yīng)用；
• 航電顯示控制應(yīng)用根據(jù)收到相應(yīng)A661事件更新顯示格式編碼給顯示控制應(yīng)用；
• 顯示控制應(yīng)用將收到的顯示格式編碼值發(fā)送給服務(wù)器；
• 服務(wù)器與相對(duì)應(yīng)的飛管應(yīng)用進(jìn)行A661通信，將飛管格式顯示在顯示器上。

3?顯示畫面重構(gòu)功能的設(shè)計(jì)

顯示畫面重構(gòu)功能包含：手動(dòng)重構(gòu)功能和自動(dòng)重構(gòu)功能。?當(dāng)已經(jīng)有2個(gè)或3個(gè)顯示器失效，飛行員需要有更多的多功能窗口顯示畫面時(shí)，可以通過控制器上的重構(gòu)按鈕來進(jìn)行手動(dòng)畫面重構(gòu)，顯示更多的多功能窗口。而當(dāng)某個(gè)或多個(gè)顯示器失效時(shí)，顯示控制系統(tǒng)需要啟動(dòng)自動(dòng)重構(gòu)，以保證重要的顯示信息（例如主飛行畫面）仍然顯示在其他正常的顯示器上[11-12]。

3.1?手動(dòng)重構(gòu)方法

通常來說，當(dāng)2個(gè)顯示器失效后，會(huì)根據(jù)航電顯示控制的顯示配置自動(dòng)重構(gòu)畫面。假設(shè)當(dāng)前3臺(tái)顯示器正常，當(dāng)前的顯示畫面如圖4所示。

當(dāng)飛行員希望在當(dāng)前顯示器上顯示更多的多功能窗口，可以按下控制器上的重構(gòu)按鈕對(duì)顯示畫面進(jìn)行手動(dòng)重構(gòu)，將發(fā)動(dòng)機(jī)指示及告警畫面和主飛行畫面顯示在一個(gè)壓縮主飛行畫面上，以獲得更多的多功能顯示窗口。值得注意的是，僅當(dāng)2個(gè)或3個(gè)顯示器失效時(shí)，手動(dòng)重構(gòu)才可行。啟動(dòng)手動(dòng)重構(gòu)后，顯示器上的顯示畫面將重新顯示為圖5中所示的配置。

3.2?自動(dòng)重構(gòu)方法

每個(gè)顯示器中駐留的顯示控制應(yīng)用會(huì)周期的給航電顯示控制應(yīng)用發(fā)送各自顯示器狀態(tài)信息，以保證航電顯示控制應(yīng)用知道每個(gè)顯示器的健康狀態(tài)。當(dāng)接收到的顯示器狀態(tài)信息表明該顯示器未能提供顯示或狀態(tài)不正常，或者在規(guī)定周期內(nèi)未接收到有效顯示器的狀態(tài)信息，航電顯示控制應(yīng)用認(rèn)為該顯示器不再能夠顯示畫面，則需要啟動(dòng)自動(dòng)重構(gòu)。航電顯示控制應(yīng)用會(huì)重新給剩下的有效顯示器發(fā)送新的顯示格式編碼值來自動(dòng)重構(gòu)畫面。

顯示畫面重構(gòu)一般來說需要遵循幾個(gè)原則。

• 顯示系統(tǒng)首先保證始終只顯示一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)指示及告警畫面，兩個(gè)主飛行畫面；
• 如果無法保證原則1，至少要保證顯示一個(gè)主飛行畫面和一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)指示及告警畫面；
• 如果原則2也無法保證，至少要保證能夠顯示主飛行畫面；
• 顯示畫面重構(gòu)需要簡(jiǎn)單直接，重構(gòu)畫面最好跟原窗口距離最近[12]。

以顯示器1失效為例，按照上述原則，在發(fā)生故障或關(guān)閉的情況導(dǎo)致主飛行畫面無法正常顯示，顯示系統(tǒng)重新在顯示器2的左側(cè)配置顯示主飛行畫面；且不能更改當(dāng)前顯示器的右側(cè)已選擇的多功能窗口顯示格式。顯示控制可配置如圖6所示的自動(dòng)重構(gòu)顯示格式。

圖6?顯示器失效自動(dòng)重構(gòu)顯示

同樣以單個(gè)顯示器失效為例，?航電顯示控制應(yīng)用會(huì)按照以上原則重新分配新的顯示格式編碼值發(fā)送給剩余四個(gè)健康的顯示器，重構(gòu)后的顯示畫面重新顯示在四臺(tái)工作正常的顯示器上。

若顯示器1失效，根據(jù)顯示畫面重構(gòu)的原則，保證始終只顯示一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)指示和告警畫面和兩個(gè)主飛行顯示畫面，并且顯示畫面重構(gòu)需要簡(jiǎn)單直接，重構(gòu)畫面最好跟原窗口距離最近兩個(gè)主飛行顯示畫面。顯示在顯示器1上飛行信息和主飛行顯示畫面，則應(yīng)就近選擇顯示器2顯示。而顯示器2上顯示的發(fā)動(dòng)機(jī)指示和告警畫面可就近選擇在顯示器3顯示或仍然留在顯示器2上顯示。根據(jù)這樣的原則航電顯示控制應(yīng)用重新分配顯示格式編碼值來完成顯示畫面重構(gòu)。

4?結(jié)語(yǔ)

顯示控制功能承擔(dān)著綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的畫面顯示和控制任務(wù)，它能夠?yàn)榭梢暬娜藱C(jī)接口環(huán)境提供有效的解決方案。顯示控制功能能夠處理航電系統(tǒng)的人機(jī)交互指令，并對(duì)指令信息綜合處理與綜合，生產(chǎn)圖形顯示畫面；也能夠完成顯示器失效的畫面重構(gòu)，始終為飛行員提供重要的顯示信息及必要的多功能窗口選擇等。

本文設(shè)計(jì)的顯示控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)多功能窗口選擇與調(diào)用，顯示畫面重構(gòu)。這種顯示控制方法為駕駛員通過觸敏或多功能控制器選擇顯示畫面，提供了有效的控制與分配方式。當(dāng)飛行員需要進(jìn)行手動(dòng)畫面重構(gòu)或顯示器失效自動(dòng)重構(gòu)時(shí)，也可根據(jù)本文中的顯示重構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)這方面的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮培德，金德琨，周貴榮，等.?民用飛機(jī)駕駛艙顯示系統(tǒng)[M].?上海：上海交通大學(xué)出版社，2019.

[2] 蒲小勃.?現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)與綜合[M].?北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[3] 孫歡慶.民用飛機(jī)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)分析?[J].航空制造技術(shù)，2014，?57（20）：?51-54.

[4] 周海海，張哲睿，蔡林峰，等.飛機(jī)座艙數(shù)字信息界面交互設(shè)計(jì)與情境意識(shí)研究綜述[J]?.包裝工程，2022，43（20）：1-12.

[5] 聶飛，李健.基于ARINC?661規(guī)范的航電分布式顯控研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2020，46（8）：216-222.

[6] 田晨光，鄭濤，周斌.?飛艇座艙顯示系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)研究[J]?.長(zhǎng)江信息通信，2022，?35（4）：111-113.

[7] 王瑞球，王敬馳，王偉.?基于ARINC?661的飛機(jī)座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（15）：82-84.

[8] 李穎潔，王軍，李柏瑞.?座艙顯示控制界面組件化設(shè)計(jì)方法研究[J].電光與控制，2022，29（3）：105-109.

[9] 陳斌.ARINC?661標(biāo)準(zhǔn)在直升機(jī)座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究[J].新型工業(yè)化，2021，11（2）：194-197.

[10] 吳家秀，張之江，易子淳，等.?基于ARINC?661的Web端飛機(jī)座艙顯示畫面設(shè)計(jì)[J]?.航空計(jì)算技術(shù)，2022，52（4）：103-107.

[11] 中國(guó)航空無線電電子研究所.?一種多CDS實(shí)例集成的高性能座艙顯示系統(tǒng)：

CN201910216283.6[P].?2019-08-02.

[12] 谷青范，馮培德，金德琨，等.?航空電子系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)[M]?.?上海：上海交通大學(xué)出版社，2019.