王慶偉，田穎華

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

教練機(jī)是戰(zhàn)斗機(jī)飛行員培養(yǎng)體系中的重要一環(huán)。飛行員的飛行習(xí)慣在訓(xùn)練階段逐步確定成型，如果在這一階段無法向飛行員提供一個良好的人機(jī)界面，飛行員很可能養(yǎng)成一些不良的操縱和觀察習(xí)慣，為后續(xù)作戰(zhàn)階段飛行埋下較大隱患。

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)很難再看到一款新研飛機(jī)座艙里布滿了密密麻麻的各種類型儀表和獨立控制開關(guān)，各種開關(guān)按鈕散亂的布置在儀表板和操縱臺的各個位置；代之以整潔、高效、綜合化程度高的玻璃座艙，儀表板上布置有光電類型顯示器，采用圖形、數(shù)字等綜合顯示方式顯示各類導(dǎo)航、通信、攻擊、狀態(tài)信息；各種開關(guān)按鈕進(jìn)行整合，按功能分區(qū)整齊的布置在座艙內(nèi)。作戰(zhàn)飛機(jī)對飛行員的觀察能力、操縱要求已經(jīng)與以往二代戰(zhàn)機(jī)完全不同，飛行員必須在整個訓(xùn)練階段盡早熟悉新的顯示和操作方式，如果仍拘泥于傳統(tǒng)儀表方式人機(jī)界面，培養(yǎng)出的飛行員將難以適應(yīng)新時期訓(xùn)練科目的要求，難以駕馭新一代作戰(zhàn)飛機(jī)。因此需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展與訓(xùn)練需求的變化，對教練機(jī)的人機(jī)界面進(jìn)行深入研究，確保在未來較長的一個時間段，教練機(jī)的人機(jī)界面能夠滿足訓(xùn)練的需求，同時與新一代的作戰(zhàn)飛機(jī)具有良好的銜接性，便于飛行員養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣。

1 國外教練機(jī)人機(jī)界面

1.1 PC-21教練機(jī)

PC-21是瑞士皮拉蒂斯公司研制的一款新型教練機(jī)。前艙裝有平視顯示器，作為飛行時的主顯示器；前后艙儀表板各安裝有3臺152×203mm的液晶顯示器（見圖1），中央的液晶顯示器為主顯示器，飛行員可以通過顯示器周邊按鍵和正前方控制板按鍵控制兩個液晶顯示器，分別顯示導(dǎo)航、任務(wù)、系統(tǒng)以及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)；兩臺輔助備份顯示器分別顯示備份導(dǎo)航和發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)。

1.2 EMB-314“超級巨嘴鳥”

EMB-314是巴西航空工業(yè)公司研制的一種基礎(chǔ)教練/輕型攻擊機(jī)。

該機(jī)前座艙安裝有平視顯示器，前后艙各裝有兩臺液晶顯示器（見圖2），采用常規(guī)備份儀表。

1.3 KT-1教練機(jī)

KT-1教練機(jī)是韓國宇航公司研制的基礎(chǔ)教練機(jī)。

前艙安裝有一臺平視顯示器，前后艙儀表板上各裝有3臺多功能液晶顯示器（見圖3）。中間顯示器為主顯示器，顯示飛機(jī)的主導(dǎo)航信息，左顯示器主要顯示飛機(jī)狀態(tài)信息，右顯示器主要顯示發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)。備份顯示為一臺3英寸液晶顯示器，無常規(guī)備份儀表。

圖1 PC-21教練機(jī)座艙布局

圖2 EMB-314教練機(jī)座艙

圖3 KT-1教練機(jī)座艙

1.4 T-6A“德克薩斯人Ⅱ”教練機(jī)

T-6A“德克薩斯人Ⅱ”教練機(jī)是美國比奇飛機(jī)公司在瑞士皮拉蒂斯公司PC-9教練機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展的全特技初級教練和導(dǎo)航員教練機(jī)。

每個座艙安裝有兩臺5英寸的有源矩陣液晶顯示器（見圖4），上方的顯示器為垂直畫面顯示器，顯示飛機(jī)的姿態(tài)、角速度和定位/下滑信標(biāo)偏移，下方顯示器為水平畫面顯示器，顯示航向、定位/下滑信標(biāo)偏移、遠(yuǎn)距地圖；另裝有小型多功能顯示器，提供發(fā)動機(jī)和輔助儀表顯示；備份儀表包括姿態(tài)、空速、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀和應(yīng)急磁羅盤。

圖4 T-6A教練機(jī)座艙

1.5 T-6B“德克薩斯人Ⅱ”教練機(jī)

T-6B教練機(jī)是在T-6A教練機(jī)基礎(chǔ)上換裝先進(jìn)版綜合航電的型號，與T-6A的主要區(qū)別如下：

1)增加平視顯示器；

2)增加正前方控制板；

3)增加綜合備份顯示器；

4)換裝3臺6×8英寸液晶顯示器（見圖5）；

5)取消綜合告警顯示器；

6)取消常規(guī)備份儀表。

圖5 T-6B教練機(jī)座艙

2 教練機(jī)人機(jī)界面需求分析

2.1 飛行員的人機(jī)界面需求

飛行員是飛機(jī)控制的決策者和操作者，控制顯示設(shè)備是飛機(jī)控制的輸入端和執(zhí)行者，對于飛行操縱，這兩者的關(guān)系是緊密結(jié)合在一起的。因此，首先需要對兩者的需求關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。

飛行員首先是作為一個有機(jī)生命體存在，其獲得外界信息絕大部分是通過眼睛實現(xiàn)，眼睛識別出各種顏色、文字、數(shù)字，這些信息經(jīng)過大腦的分析，轉(zhuǎn)換成飛行員對這些信息的判斷，從而幫助飛行員作出決策；飛行員的決策主要通過座艙內(nèi)的控制設(shè)備實現(xiàn)，通過對各種控制設(shè)備上的按鍵、旋鈕、開關(guān)的操作，將飛行員的意圖傳遞給飛機(jī)的各個系統(tǒng)。

飛行員對人機(jī)界面的主要需求見表1。

表1 飛行員對人機(jī)界面的需求

2.2 顯示界面的需求

飛行信息顯示的發(fā)展已經(jīng)歷五代，分別為簡單的機(jī)械電氣儀表、機(jī)電伺服儀表、綜合指引儀表、電子顯示儀表和綜合電子顯示系統(tǒng)。按儀表的指示方式可劃分為儀表指示、綜合顯示，相應(yīng)的飛行員飛行方式可劃分為目視飛行、儀表飛行、平顯飛行和頭顯飛行。

早期飛機(jī)主要采用獨立式的機(jī)械電氣儀表、機(jī)電伺服儀表、綜合指引儀表，這些顯示設(shè)備密密麻麻的分布在飛機(jī)座艙內(nèi)儀表板、操縱臺上，飛行員在飛行過程中需要經(jīng)常通過轉(zhuǎn)移視線或轉(zhuǎn)動頭部，將注意力從觀察外界轉(zhuǎn)移到觀察座艙顯示，以獲取飛機(jī)狀態(tài)信息和態(tài)勢信息，這對于需要高度保持警覺性的飛行員來說是一件痛苦的事情。飛行員需要不斷的轉(zhuǎn)移注意力和轉(zhuǎn)動頭部，在實際作戰(zhàn)時很可能在瞬間沒有注意到重要的外界信息，而且必須有良好的記憶能力，在4至5秒內(nèi)觀察、判讀、記憶大量的飛行信息，同時根據(jù)這些飛行信息作出必要的判斷。

飛行員的正前方視野是最好的顯示區(qū)域，受不同年代航空電子技術(shù)的限制，這塊區(qū)域長期被瞄準(zhǔn)具占據(jù)，只能在攻擊時提供有限的瞄準(zhǔn)信息，無法在整個飛行過程中向飛行員提供綜合性的顯示信息。平顯的出現(xiàn)，開始充分利用這一區(qū)域提供綜合顯示信息，把飛行員的主要注意力從座艙內(nèi)轉(zhuǎn)移到座艙外，初步解決了飛行員內(nèi)外視矛盾和信息綜合顯示問題。以平顯為分界線，前后形成兩種飛行習(xí)慣，即“數(shù)據(jù)保持”習(xí)慣和“情景意識”習(xí)慣。

數(shù)據(jù)保持：在飛行過程中，保持某一個數(shù)據(jù)在一定范圍或在某一個飛行時間內(nèi)保持速度、高度或航向等參數(shù)的某一個值不變，易使飛行員的注意力集中在座艙內(nèi)，不利于形成情景意識（即不利于作戰(zhàn)）。

情景意識：通過對當(dāng)前飛行狀態(tài)的認(rèn)知，對未來飛機(jī)運(yùn)動趨勢進(jìn)行預(yù)判，以及對期望達(dá)到狀態(tài)的驅(qū)使，降低了飛行員對座艙內(nèi)各指示信息的注意力，有利于形成情景意識（即利于作戰(zhàn)）。

平顯顯示區(qū)域下方是一個特殊的區(qū)域，這個區(qū)域由于拆裝平顯等需要，不屬于儀表板的范圍，同時又處于飛行員最佳的觀察視場區(qū)域內(nèi)，二代機(jī)往往在此安裝有瞄準(zhǔn)具的控制開關(guān)、按鈕，在整個飛機(jī)使用壽命中用到這些開關(guān)、按鈕的時間極少，存在較大的空間資源浪費。三代戰(zhàn)機(jī)開始在這一區(qū)域安裝有正前方控制板，這是一種同時兼具顯示和控制的設(shè)備，飛行員可以在這一設(shè)備上選擇航線、控制無線電波道、調(diào)節(jié)場壓等等，使飛行員在操作航空電子系統(tǒng)時既可以觀察到數(shù)據(jù)信息，又可以方便快捷的進(jìn)行控制操作。

平顯的視場比較有限，為了能夠同時觀察外界，顯示信息也不能排列的過于密集，這就造成不可能將所有的信息都放置到平顯上進(jìn)行顯示。同時，目前使用的平顯主要是單色平顯，無法實現(xiàn)多種顏色顯示，雷達(dá)信息、態(tài)勢信息、告警信息、應(yīng)急處置信息、飛機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)難以完整的實時顯示在平顯上。因此，必須在飛行員可觀察視場內(nèi)提供其他的顯示設(shè)備，提供大量的輔助信息。在早期的二代飛機(jī)上，這一工作主要由各種儀表、雷達(dá)顯示器、告警燈盒、全向告警顯示器等完成，飛行員必須在4至5秒內(nèi)觀察完各種顯示儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)和信息，受限于座艙空間限制，這些信息內(nèi)容十分有限，顯示也比較分散，難以幫助飛行員獲得形象、直觀、完整的信息，必須提供另外一種輔助顯示器，采用綜合顯示方式，能夠完整的顯示各種在平視顯示器上不能實時顯示的信息，在三代飛機(jī)上，這一工作主要由各種尺寸的多功能顯示器完成。

新一代作戰(zhàn)飛機(jī)均配置有平顯、多功能顯示器和正前方控制板，從人機(jī)界面的銜接性來說，如果教練機(jī)仍然采用二代機(jī)的座艙設(shè)計理念，配置大量的常規(guī)儀表，采用儀表顯示和分散控制方式，飛行員從訓(xùn)練階段進(jìn)入作戰(zhàn)階段后，將面臨一個完全陌生的座艙人機(jī)界面，需要從零開始熟悉各種顯示和操作，花費較多的時間通過飛行重新熟悉綜合化的顯示方式，這些僅僅通過地面模擬器訓(xùn)練是很難完成的。這種由于人機(jī)界面不銜接所導(dǎo)致的飛行訓(xùn)練，增加了訓(xùn)練階段飛行架次，延長了飛行訓(xùn)練的時間，增加了訓(xùn)練階段所需費用。因此，為了保證教練機(jī)與作戰(zhàn)飛機(jī)在人機(jī)界面的銜接性，教練機(jī)也需要采用綜合化的信息顯示方式，配置有平視顯示器、正前方控制板、多功能顯示器等綜合顯示設(shè)備。

2.3 控制界面需求分析

二代飛機(jī)控制界面比較雜亂無章，主要表現(xiàn)在：

1)主要采用大量獨立的開關(guān)、按鈕，缺少綜合性的控制面板

進(jìn)入早期飛機(jī)的座艙，吸引人眼球的除了儀表板上密密麻麻的儀表外，就是無數(shù)分散布置在儀表板、操縱臺，甚至結(jié)構(gòu)口框上的大量開關(guān)、按鈕了，這些開關(guān)往往有上百個之多，控制著飛機(jī)上的各個系統(tǒng)或設(shè)備。人們往往會發(fā)出這樣的感嘆：“飛行員的記憶力真好！”但是，這些開關(guān)實際上給飛行員帶來的更多是痛苦，飛行員也不是超人，他們沒有比其他人更好的記憶力，所以他們只能一遍一遍的熟悉這些開關(guān)、按鈕，牢牢記住每個開關(guān)按鈕的位置、功能，清楚每個開關(guān)或者按鈕應(yīng)該在何時打開，何時關(guān)閉，哪些是有關(guān)聯(lián)性的，需要先開哪個后開哪個，導(dǎo)致錯誤操作的概率增高，訓(xùn)練難度很大。

2)開關(guān)的方向布置較隨意

飛機(jī)上的開關(guān)都是兩位或者三位開關(guān)，在飛行各種階段，經(jīng)常出現(xiàn)集中放置在一起的開關(guān)有的需要打開，有的卻需要處于關(guān)閉狀態(tài)。飛行員往往根據(jù)座艙開關(guān)的位置自己編制大量的口訣幫助記憶，比如“XX狀態(tài)左前開關(guān)板前二后三”表示左前的開關(guān)板上開關(guān)在某個飛行狀態(tài)需要保持兩個開關(guān)打開、三個開關(guān)關(guān)閉。這些口訣是飛行員無奈采取的一種措施，因為座艙開關(guān)設(shè)計時只考慮了能夠布置下，而沒有考慮到飛行員快捷操作的需求。飛行員希望的是與某種狀態(tài)相關(guān)的開關(guān)布置在一起，用一只手即可全部打開，而不需要一個一個去確認(rèn)這個開關(guān)是否需要打開。在實際使用中，如果口訣記憶錯誤或者忘記，很可能引起誤操縱，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致發(fā)生重大飛行事故。

3)武器控制操作較多

“戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝?！边@是每一個飛行員都牢牢記住的一句話，武器的攻擊區(qū)域是十分狹窄的，飛行員必須在這有限的時間內(nèi)完成目標(biāo)的捕獲、目標(biāo)的確認(rèn)和面對目標(biāo)的攻擊。但是座艙內(nèi)相關(guān)的武器控制卻使這一有限的時間再次被壓縮，如果需要進(jìn)行一次對地攻擊，飛行員可能需要首先打開武器電源的開關(guān)，在武器控制盒上選擇武器類型，選擇攻擊方式，選擇投放的數(shù)量，設(shè)定好攻擊數(shù)據(jù)，完成這些繁瑣的步驟后目標(biāo)可能早已丟失，影響整個任務(wù)的完成，甚至可能反而被敵方戰(zhàn)機(jī)搶占有利攻擊位置，導(dǎo)致本機(jī)存在較大被擊中風(fēng)險。

隨著國內(nèi)對人機(jī)工效的研究，新一代作戰(zhàn)飛機(jī)已經(jīng)摒棄了傳統(tǒng)的控制界面思路，向以下方向發(fā)展：

1)座艙內(nèi)控制由各種雜亂無章的機(jī)電式控制開關(guān)，變成了大量的可編程按鍵、多檔位控制開關(guān)，節(jié)省了寶貴的座艙空間。例如航空電子系統(tǒng)的大部分控制都可以在正前方控制板、多功能顯示器上通過顯示窗口和周邊按鍵的組合顯示控制完成。這些控制開關(guān)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和模式，在各種畫面下的含義是不同的，這樣就避免為單一功能設(shè)置開關(guān)，使控制開關(guān)可以復(fù)用，降低了對座艙空間的需求，同時也方便了飛行員的操作。

2)很多控制由計算機(jī)根據(jù)飛機(jī)和航電綜合控制，比如航空電子系統(tǒng)啟動板，這個設(shè)備上的一個控制按鍵可根據(jù)事先設(shè)定的控制邏輯，在不同狀態(tài)下控制多個設(shè)備的工作狀態(tài)，而非像老式飛機(jī)的控制開關(guān)，需要飛行員根據(jù)飛機(jī)或航電的狀態(tài)去一個一個的開關(guān)設(shè)備。

3)各種獨立控制開關(guān)按照功能分區(qū)進(jìn)行設(shè)置，例如發(fā)動機(jī)控制區(qū)、機(jī)電設(shè)備控制區(qū)、照明控制區(qū)等，同時在各區(qū)域的導(dǎo)光板上用清晰的線條標(biāo)明各種開關(guān)之間的關(guān)系，方便飛行員的操作。

4)雙桿控制

雙桿控制可以說是現(xiàn)役作戰(zhàn)飛機(jī)的基本要求，簡單說就是飛行員通過油門桿和駕駛桿上的控制開關(guān)，快速的實現(xiàn)模式切換、目標(biāo)瞄準(zhǔn)和跟蹤、武器快速選擇和發(fā)射；配合座艙的綜合顯示，可以使飛行員在訓(xùn)練飛行和作戰(zhàn)中直觀、快速的完成航電控制和武器攻擊，縮短了飛行員的反應(yīng)和操作時間。

3 結(jié)語

作為飛行員培養(yǎng)體系中的重要一環(huán)，教練機(jī)與作戰(zhàn)飛機(jī)必須具有良好的銜接性，而人機(jī)界面是銜接性的重要一環(huán)，研究作戰(zhàn)飛機(jī)的人機(jī)界面，結(jié)合教練機(jī)的任務(wù)使命，細(xì)致分析教練機(jī)人機(jī)界面的需求，才能研制出高效的教練機(jī)，幫助飛行員順利完成飛行訓(xùn)練任務(wù)。