黃順云，李浩然，林燕丹

(1.航空工業(yè)上海航空電器有限公司，上海 201101；2.復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光源與照明工程系，上海 200433)

引言

飛行員從周圍環(huán)境中獲取信息的最主要途徑是視覺(jué)，大約占所獲信息總和的80%，且視覺(jué)主導(dǎo)了其在飛機(jī)駕駛艙中75%～90%的行為活動(dòng)[1]，視覺(jué)功能的充分發(fā)揮對(duì)于飛行員至關(guān)重要。影響飛行員視覺(jué)功能的主要因素是駕駛艙內(nèi)外的光照環(huán)境，艙外從漆黑的夜間到夏天正午的陽(yáng)光直射，跨度可達(dá)10～12個(gè)數(shù)量級(jí)；艙內(nèi)由于結(jié)構(gòu)原因，不同部位照度會(huì)相差數(shù)百倍。眼睛適應(yīng)如此的光照變化需要幾分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間，嚴(yán)重影響飛行員的及時(shí)判斷與準(zhǔn)確操作。因此，合理的艙內(nèi)照明與顯示設(shè)計(jì)是完成飛機(jī)任務(wù)的必要條件。駕駛艙指示燈為飛行員提供飛機(jī)各系統(tǒng)的信息，在任何可能的照明條件下，指示燈信息都必須能夠被飛行員迅速識(shí)別且不會(huì)產(chǎn)生不必要的干擾。因此，指示燈的亮度指標(biāo)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

本文針對(duì)飛機(jī)駕駛艙指示燈的亮度，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和在研、運(yùn)營(yíng)的機(jī)型定義，從人眼視覺(jué)特性出發(fā)分析影響視覺(jué)工效的因素，并由人機(jī)工效試驗(yàn)得出相應(yīng)的結(jié)論，以期為飛行員提供合理、舒適的駕駛艙光環(huán)境，進(jìn)一步保障飛行安全。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 飛機(jī)駕駛艙指示燈

在駕駛艙人機(jī)界面的設(shè)計(jì)中，告警系統(tǒng)保障飛行員工作效率與飛行安全。其中，用于視覺(jué)告警的指示燈大部分位于控制板組件上，以圓點(diǎn)或字符形式顯示飛機(jī)駕駛狀態(tài)、航行狀況、機(jī)體信息等，示例如圖1所示。根據(jù)不同機(jī)型的不同功能，各類指示燈基于狀態(tài)信息和反饋需求顯示不同顏色的字符、對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用，一般分為警告、注意與提示信息三個(gè)等級(jí)。隨著外部光環(huán)境的改變，指示燈的亮度需隨之改變以適應(yīng)人眼生理要求從而被飛行員迅速識(shí)別且不會(huì)出現(xiàn)眩光等干擾，為此指示燈的亮度調(diào)節(jié)一般分為用于白天陽(yáng)光直射的亮模式和夜間低照度的暗模式。

1.2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，美、英等國(guó)在飛機(jī)告警領(lǐng)域進(jìn)行了比較深入、系統(tǒng)的研究，制定了一系列關(guān)于飛機(jī)駕駛艙告警的標(biāo)準(zhǔn)，常用的由美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(Society of Automotive Engineers，SAE)和美國(guó)軍用規(guī)范(Military Specification，MIL)制定。其中，與飛機(jī)駕駛艙指示燈亮度指標(biāo)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖1 飛機(jī)駕駛艙指示燈示例

表1 與駕駛艙指示燈亮度指標(biāo)相關(guān)的MIL標(biāo)準(zhǔn)

MIL-PRF-22885/108定義了陽(yáng)光下可讀(亮模式)的亮度指標(biāo)如表2所示，不同的顏色有不同的下限要求。MIL-STD-411相關(guān)指標(biāo)定義如表3所示，不同的顏色定義了相同的BRT(亮模式)亮度下限要求。對(duì)于注意類和提示類信號(hào)，如果有夜視兼容要求，則DIM(暗模式)的亮度應(yīng)能調(diào)至0.1fL(0.34 cd/m2)。

表2 MIL-PRF-22885/108相關(guān)亮度指標(biāo)要求

表3 MIL-STD-411相關(guān)亮度指標(biāo)要求

1.3 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)的航空制造業(yè)起步較晚，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多是參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，涉及飛機(jī)駕駛艙指示燈亮度指標(biāo)的主要有GJB 1006《飛機(jī)座艙告警基本要求》[4]、GJB 2020A《飛機(jī)內(nèi)部和外部照明通用規(guī)范》[5]、GJB 1394《與夜視成象系統(tǒng)兼容的飛機(jī)內(nèi)部照明》[6]，具體信息如表4、表5所示。

表4 GJB 2020A相關(guān)亮度指標(biāo)要求

表5 GJB 1006相關(guān)亮度指標(biāo)要求

與MIL-STD-411相似，GJB 1006和GJB 2020A對(duì)不同告警等級(jí)的指示燈以顏色區(qū)分，為警告類紅色、注意類黃色、指示類綠色，同一標(biāo)準(zhǔn)中不同顏色的指示燈晝間(亮模式)的亮度指標(biāo)一致，GJB 2020A設(shè)定了上下限制，而GJB 1006僅定義下限。對(duì)于夜間(暗模式)的亮度，兩份標(biāo)準(zhǔn)的要求相同，為不同的告警等級(jí)定義不同的亮度，告警等級(jí)高的亮度更高。GJB 2020A對(duì)于夜間(暗模式)的亮度還有連續(xù)調(diào)光的要求：在整個(gè)控制范圍內(nèi)，隨著亮度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的線性轉(zhuǎn)動(dòng)，各類信號(hào)燈應(yīng)按亮度的對(duì)數(shù)增大或減小。雖然描述不佳但明確了設(shè)計(jì)應(yīng)符合人眼生理特征。GJB 1394除注意燈和提示燈增加了“應(yīng)能暗至0.34 cd/m2”，其他要求均引用GJB 1006。

1.4 現(xiàn)有機(jī)型指標(biāo)

針對(duì)在研及運(yùn)營(yíng)的機(jī)型，選擇2款國(guó)內(nèi)民用機(jī)型、2款國(guó)內(nèi)軍用機(jī)型與波音系列機(jī)型進(jìn)行對(duì)比，它們的駕駛艙指示燈亮度指標(biāo)如表6所示。亮模式主要為陽(yáng)光下的可讀性服務(wù)，綜合各機(jī)型亮度范圍在514.5～1 715 cd/m2。暗模式主要為照度較低或黑暗環(huán)境服務(wù)，綜合各機(jī)型亮度范圍在15～82.3 cd/m2。各機(jī)型的設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)有小幅調(diào)整，國(guó)內(nèi)民用機(jī)型會(huì)參考已有機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)。出于區(qū)分告警等級(jí)的考慮，波音系列機(jī)型中綠色和白色指示燈的亮模式亮度偏低、民用機(jī)型1的主警告與主注意暗模式亮度偏高，其他機(jī)型的各類顏色無(wú)論在亮模式還是暗模式均是統(tǒng)一的亮度。軍用機(jī)型2在暗模式有調(diào)光要求，其他機(jī)型無(wú)此要求。

表6 各機(jī)型指示燈亮度指標(biāo)對(duì)比

2 視覺(jué)生理特性

人的眼睛是一個(gè)直徑約為2～2.5 cm的近似球體，光線射入瞳孔，經(jīng)過(guò)晶狀體、玻璃體后到達(dá)視網(wǎng)膜，被感光細(xì)胞(Photoreceptor)吸收。視網(wǎng)膜上有兩種不同的感光細(xì)胞，視桿細(xì)胞(Rods)與視錐細(xì)胞(Cones)。前者分布在視網(wǎng)膜周邊、對(duì)光非常敏感，負(fù)責(zé)暗視覺(jué)；后者集中在視網(wǎng)膜中心區(qū)域，對(duì)光敏感度較低、對(duì)色彩敏感，負(fù)責(zé)明視覺(jué)。

圖2 人眼結(jié)構(gòu)

視錐細(xì)胞又分為三種，分別敏感于光譜短波、中波和長(zhǎng)波段的部分。如圖3所示，S、M、L和R分別對(duì)應(yīng)于短波敏感視錐細(xì)胞、中波敏感視錐細(xì)胞、長(zhǎng)波敏感視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的光譜響應(yīng)曲線[8]。

圖3 視錐細(xì)胞與視桿細(xì)胞光譜響應(yīng)

為適應(yīng)自然界高動(dòng)態(tài)的亮度變化，人體的視覺(jué)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)適應(yīng)的狀態(tài)，視錐細(xì)胞與視桿細(xì)胞對(duì)于外界光能的響應(yīng)類似對(duì)數(shù)關(guān)系，即當(dāng)光源光能上升，視覺(jué)對(duì)高光能的響應(yīng)會(huì)遲緩，見(jiàn)圖4(b)。為此，指示燈的亮度調(diào)節(jié)需使用類似指數(shù)的曲線，以匹配視覺(jué)響應(yīng)的需求，見(jiàn)圖4(a)。最終可以得到用于控制指示燈的電壓(或電流)輸入與視覺(jué)響應(yīng)呈線性關(guān)系，見(jiàn)圖4(c)。GJB 2020A中“隨著亮度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的線性轉(zhuǎn)動(dòng)，各類信號(hào)燈的明度應(yīng)能按亮度的對(duì)數(shù)增大或減小”的描述應(yīng)是表達(dá)這個(gè)原理，但描述不清晰，各機(jī)型對(duì)此應(yīng)用也很少。雖然現(xiàn)行飛機(jī)駕駛艙指示燈大多是亮、暗兩種模式的分檔調(diào)光，但如果要增加連續(xù)調(diào)光功能應(yīng)將此類視覺(jué)特性納入設(shè)計(jì)考量。

圖4 人眼感受與指示燈光能的關(guān)系

3 人機(jī)工效試驗(yàn)

依據(jù)上述調(diào)研的飛機(jī)駕駛艙指示燈亮度指標(biāo)，設(shè)計(jì)以下人機(jī)工效試驗(yàn)以確認(rèn)符合人眼視覺(jué)需求的光學(xué)性能。試驗(yàn)以外界光照環(huán)境為變量，針對(duì)不同顏色的指示燈進(jìn)行三種情況的評(píng)價(jià)：a)字符剛好可以被識(shí)別，b)字符感覺(jué)最舒適，c)字符剛感覺(jué)刺眼。試驗(yàn)在模擬駕駛艙中進(jìn)行，試驗(yàn)條件如下。

被試人員：共12人，男女性別平衡，視力不小于0.8，年齡在20歲以上，學(xué)歷大專以上，色覺(jué)正常，試驗(yàn)前進(jìn)行培訓(xùn)能夠穩(wěn)定地掌握主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

光照條件：指示燈表面照度值分別為0.1 lx 、1 lx、10 lx、100 lx、1 000 lx、1 700 lx、50 000 lx的照度條件，光源色溫為5 000±500 K，顯色指數(shù)大于80。

環(huán)境：溫度20～25 ℃、相對(duì)濕度20%～80%。

指示燈：紅、琥珀、綠3種顏色，字符亮背景黑，亮度可調(diào)節(jié)范圍0～3 000 cd/m2。

測(cè)試設(shè)備：成像亮度計(jì)：測(cè)量范圍0.1～999 900 cd/m2，亮度精度高于±2%，色度精度高于±0.004；色彩照度計(jì)：測(cè)量范圍0.1～99 990 lx，亮度精度高于±2%，色度精度高于±0.002。

圖5 試驗(yàn)用模擬艙環(huán)境

試驗(yàn)時(shí)，被試者坐在指示燈正前方，調(diào)整眼位視線與指示燈中心點(diǎn)處于同一水平線。每一次調(diào)節(jié)照度條件均會(huì)讓被試者適應(yīng)3 min。被試者通過(guò)亮度調(diào)節(jié)器按最小變化法從低到高，然后又從高到低緩慢地調(diào)節(jié)指示燈亮度，在他/她認(rèn)為指示燈亮度達(dá)到各項(xiàng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)做出口頭報(bào)告，主試記錄對(duì)應(yīng)的亮度值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將所有數(shù)據(jù)集合排序，保留其排序在5%～95%之間的數(shù)據(jù)，降低異常數(shù)據(jù)的影響。對(duì)于清理后的數(shù)據(jù)，在SPSS 中以誤差條形圖分析其數(shù)據(jù)分布，通過(guò)95%的置信區(qū)間分析數(shù)據(jù)的平均值在整體分布中的位置，從而判斷平均值對(duì)于數(shù)據(jù)整體的代表性。本次試驗(yàn)的各組數(shù)據(jù)均確定平均值具有代表性，以此作為指示燈在不同照度環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析?？紤]到坐標(biāo)系的顯示，以照度對(duì)數(shù)值代替實(shí)際值，建立指示燈亮度與照度對(duì)數(shù)值之間的擬合關(guān)系，結(jié)果如圖6～圖8所示。其中，擬合公式中的L=logI，I為指示燈所在平面的平均照度。各擬合公式的擬合度R2均大于0.995，符合擬合的要求。

圖6 紅光指示燈測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)擬合

圖7 琥珀光指示燈測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)擬合

圖8 綠光指示燈測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)擬合的公式，晝間陽(yáng)光直射時(shí)指示燈所在平面的平均照度設(shè)為100 000 lx、夜間無(wú)照明設(shè)為1 lx、夜間有照明設(shè)為100 lx，計(jì)算得到結(jié)果見(jiàn)表7。結(jié)合前述的各標(biāo)準(zhǔn)、各機(jī)型的指標(biāo)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖9～圖11。圖中左側(cè)為晝間亮度統(tǒng)計(jì)、右側(cè)為夜間亮度統(tǒng)計(jì)，紫色(上方)虛線為試驗(yàn)?zāi)M曲線計(jì)算的刺眼亮度、綠色(中部)虛線為試驗(yàn)所得舒適亮度、藍(lán)色(下方)虛線為試驗(yàn)所得可見(jiàn)亮度。由于駕駛艙夜間的照明環(huán)境包含了黑暗與燈具照明不同的情況，因此右側(cè)的夜間模式(暗模式)圖中每種顏色均為兩條線、為一區(qū)間；而晝間(亮模式)只考慮陽(yáng)光直射的情況，因此左側(cè)圖中每種顏色只有一條線。

表7 試驗(yàn)擬合公式計(jì)算結(jié)果

圖9 紅光指示燈測(cè)試結(jié)果與調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10 琥珀光指示燈測(cè)試結(jié)果與調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)比

圖11 綠光指示燈測(cè)試結(jié)果與調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)于紅光的亮模式，除MIL標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有上限，各標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型值均高于試驗(yàn)可見(jiàn)亮度、低于試驗(yàn)刺眼亮度，但較試驗(yàn)舒適亮度值偏低，特別是軍用機(jī)型。對(duì)于紅光的暗模式，各標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型值均高于試驗(yàn)可見(jiàn)亮度；民用機(jī)型2在1 lx的條件下接近試驗(yàn)刺眼亮度，且較試驗(yàn)舒適亮度偏高，其他機(jī)型只在低照度環(huán)境下略高于試驗(yàn)舒適亮度，而標(biāo)準(zhǔn)的定義高于試驗(yàn)舒適亮度，應(yīng)是考慮了告警等級(jí)高需增加對(duì)人眼的刺激。琥珀光的亮模式與紅光情況類似，暗模式中各標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型值較試驗(yàn)舒適亮度略高；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主注意燈亮度偏高，與紅光類似，但注意燈亮度偏低、接近試驗(yàn)可見(jiàn)亮度，應(yīng)是考慮黑暗環(huán)境中若常亮，不會(huì)對(duì)飛行員產(chǎn)生干擾。

對(duì)于綠光亮模式，除MIL標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有上限，各標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型值均高于試驗(yàn)可見(jiàn)亮度、低于試驗(yàn)刺眼亮度；國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、軍用機(jī)型與波音系列較試驗(yàn)舒適亮度偏低。對(duì)于綠光暗模式，標(biāo)準(zhǔn)定義與琥珀光的注意燈類似、接近試驗(yàn)可見(jiàn)亮度；民用機(jī)型2在1 lx的條件下大于刺眼亮度值、10 lx的條件下接近刺眼亮度值；其他機(jī)型基本匹配試驗(yàn)舒適亮度區(qū)間。

根據(jù)試驗(yàn)擬合計(jì)算所得的亮模式舒適亮度，三種顏色的指示燈均高于各標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型值，特別是軍用機(jī)型。后續(xù)的機(jī)型若要優(yōu)先保障陽(yáng)光下可讀性，在條件允許的情況下應(yīng)適當(dāng)提升。基于目前LED的發(fā)光效率較過(guò)去有大幅提升，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)亮度無(wú)上限要求可能造成刺眼的情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求增加亮度的上限定義。根據(jù)試驗(yàn)擬合計(jì)算所得的暗模式舒適亮度，各機(jī)型的定義較為匹配。標(biāo)準(zhǔn)中主警告、警告與主注意需要有刺激作用，亮度定義較高，而注意、提示類需要避免黑暗中常亮狀態(tài)影響飛行員視覺(jué)，亮度定義較低。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合上述的資料調(diào)研與人機(jī)工效試驗(yàn)，各民用機(jī)型駕駛艙指示燈的晝間亮模式與夜間暗模式的亮度定義與人機(jī)工效試驗(yàn)的舒適區(qū)間結(jié)論較為匹配，后續(xù)機(jī)型推薦使用民用機(jī)型1的亮度指標(biāo)：晝間857.5～1 715 cd/m2、夜間17.2～34.3 cd/m2。基于警告類和主注意類的告警等級(jí)較高、需對(duì)人眼有較強(qiáng)的刺激，晝間模式建議結(jié)合機(jī)型本身的功耗等要求相應(yīng)提升亮度、夜間模式則建議使用民用機(jī)型1主警告的亮度定義41.2～82.3 cd/m2。對(duì)于無(wú)燈光照明的駕駛艙，根據(jù)MIL與GJB標(biāo)準(zhǔn)，常亮的指示燈夜間模式亮度建議降低至1.7～3.4 cd/m2。也可根據(jù)GJB標(biāo)準(zhǔn)增加指示燈的調(diào)光功能，并應(yīng)注意使用類指數(shù)型的調(diào)光曲線以使人眼能夠有線性的亮度變化感受。

飛機(jī)駕駛艙指示燈的亮度指標(biāo)還需結(jié)合色度、對(duì)比度、功耗、成本等因素綜合考量，以上的信息為各機(jī)型的指示燈亮度指標(biāo)定義提供參考。