馮志祥 白 畇

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

民用飛機駕駛艙的發(fā)展變革濃縮了人類科技文明的進程，從萊特兄弟的“飛行者一號”[1]到現(xiàn)今商用噴氣式客機科技感十足的駕駛艙，飛機駕駛艙經(jīng)歷了從簡到繁，又化繁為簡的變化歷程，一個世紀的蛻變宛如一幅壯麗的畫卷。早期的飛機駕駛艙只安裝有基本的空速表、高度表等儀表，“飛行者一號”事實上沒有獨立的駕駛艙，飛行員頭朝前趴在下機翼上操縱飛機。飛行員完全暴露在空氣之中，完全靠其直覺和感官進行對飛機的操縱和信息的獲取。就是如此簡陋的駕駛艙，開啟了人類航空史的征程。

到了現(xiàn)代航空發(fā)展階段，飛機駕駛艙開始了從原始簡單到復雜集成的跨越，進入了機電駕駛艙的時代。飛機的各種參數(shù)信息通過傳感器以電子信號的形式傳到駕駛艙的各種儀表上，駕駛艙集成的功能也越來越多，艙內布置的各種器件、儀表繁雜無比，飛行員從靠直覺感官飛行變成需精準及時獲取各種儀表信息并作出準確判斷，對飛行員的要求也從在實時環(huán)境下快速反應操縱飛機變成對各種信息的準確判斷。

20世紀80年代以來，隨著電子技術引入航空業(yè)，駕駛艙的變革邁入了新階段，衍變成了現(xiàn)今主流的玻璃化座艙。電子儀表取代了傳統(tǒng)的機械儀表，飛機的各種參數(shù)信息電子化，一塊屏幕可以集成顯示多重信息，各種設備的功能相互集成，艙內的儀表設備數(shù)量大為精簡，飛行員從多人制機組變成了當今標準的二人制機組，駕駛艙的設計也不再僅僅考慮系統(tǒng)功能的集成，環(huán)境的舒適性，還要考慮艙內的布置布局的合理性以及系統(tǒng)功能與人的匹配性等。

1 “以人為中心”的駕駛艙設計理念發(fā)展

風格各異的駕駛艙背后，都無外乎駕駛艙的5個功能：操縱飛機、信息獲取、指令輸入、裝載以及保護飛行員。傳統(tǒng)的駕駛艙設計是“以功能為中心”的設計理念[2]，即圍繞駕駛艙需要實現(xiàn)的某個功能，開展系統(tǒng)和產(chǎn)品設計，設計的目標為既定功能的實現(xiàn)。而長久以來的航線經(jīng)驗和事故表明，圍繞功能實現(xiàn)設計出來的駕駛艙存在諸多系統(tǒng)集成和人機工效的缺陷，使得飛機在一些非典型場景下存在人機交互不友好、機組負荷重的問題，甚至存在安全運行的風險。

近年來，駕駛艙設計理念逐漸衍變?yōu)椤耙匀藶橹行摹钡脑O計理念[3]，一款簡約而智能的駕駛艙產(chǎn)品成為眾主機的設計目標，翻開了民用飛機駕駛艙設計的新篇章?！耙匀藶橹行摹钡脑O計理念并非對傳統(tǒng)設計理念的全盤否定，而是開創(chuàng)和繼承。新設計理念強調飛機駕駛艙的5個功能均是圍繞“使用者”的功能，在原有設計理念的基礎上，結合使用場景，以人的使用需求為出發(fā)點，打破功能與功能之間的界限，優(yōu)化功能邏輯和人機交互界面。

對于“人”這個使用者，不同主制造商對其角色的定位差異明顯?！叭恕笔秋w機功能的執(zhí)行者，也是飛機功能的監(jiān)控者，對其界限的劃分將影響飛機的自動化程度，并最終引伸出使用者的最高決策權問題?？湛蛷娬{在足夠信息和手段的前提下，賦予飛行員最終權力，強調飛機和人對信息的反饋是同樣重要的；波音則無條件地強調飛行員的終極權限，直接強調人的主觀決定和無可替代性[4]。兩家主制造商在對飛機駕駛艙的改進歷程中，目的均是減輕飛行員的工作負荷，深層次的差別在于是為了輔助使用者做出更佳的決策還是取代飛行員進行決策。

“以人為中心”理念的基本觀點是設計去適應人，而以功能為中心的設計理念是讓人去適應設計。如何做好以人為中心的設計理念，我們提出的方法是基于駕駛艙運行場景的正向設計方法。

駕駛艙運行場景是指飛機在機組、外部環(huán)境以及飛機狀態(tài)的組合中的預期行為和狀態(tài)。駕駛艙運行場景可以分為飛機級場景、系統(tǒng)級場景。飛機級場景以飛機整機為對象，考慮飛機在運營、維護過程中，飛行員、乘務員以及機務維修人員，乃至空管、乘客等所有的干系人對產(chǎn)品的使用，以及飛機的運營環(huán)境情況。系統(tǒng)級場景則以系統(tǒng)為研究對象，考慮系統(tǒng)的運營、維護環(huán)境。與飛機級場景不同，系統(tǒng)級場景還需要考慮全機眾系統(tǒng)之中交聯(lián)系統(tǒng)的相互影響，即與對象系統(tǒng)有電氣接口、機械接口等其他的系統(tǒng)的狀態(tài)。在充分識別駕駛艙運行場景的基礎上，提取駕駛艙設計的需求，繼而將需求轉化為系統(tǒng)的功能定義，就可以設計出功能完善且與場景較好匹配的駕駛艙產(chǎn)品。

2 未來駕駛艙展望

展望未來的飛機駕駛艙，以5G技術、人工智能[5]、新型顯示控制技術等為引領的新一代技術革命正在爆發(fā)，由此帶來的駕駛艙變革也極富想象空間，應用新技術后的未來駕駛艙概念圖如圖1所示。5G技術具有無線連接、大容量、低功耗和低延時四大顯著優(yōu)勢，當5G技術與人工智能、新型顯控技術相融合，將使未來駕駛艙更加智能化，設備和功能更加集成化，空間更加寬敞舒適，以下分別介紹變革的幾個方面。

圖1 未來駕駛艙概念圖

2.1 人機交互方式的變革

未來駕駛艙將廣泛采用新一代顯示技術、觸屏控制技術[6]和語音控制技術[7]等，從而實現(xiàn)人機交互方式的變革。OLED作為新興的顯示方式，具有柔韌易彎曲、重量小、超薄超輕、無視角限制、工作溫度范圍廣等特性[8]，相比于傳統(tǒng)光源有無可比擬的優(yōu)勢?；贠LED的顯示技術將不再受限于駕駛艙的布置位置，任意形狀的內飾表面都可以成為顯示界面，結合觸屏控制技術和飛機系統(tǒng)控制界面的圖形化顯示，則可實現(xiàn)全面的顯示控制一體化。傳統(tǒng)的固定式控制終端主要包括頂部區(qū)域控制板、遮光罩區(qū)域儀表控制板和中央操縱臺區(qū)域控制板，操縱器件繁多、分散，而顯控一體化終端則可以將諸多功能集成在一個類似平板電腦的顯控設備中，駕駛艙內的控制器件數(shù)量將大大減少。此外，智能語音控制技術的應用將極大提升人機交互的效率，一定程度上解放飛行員的雙手，減輕飛行員的工作負荷。

2.2 駕駛艙布置和布局的變革

駕駛艙的設備布置和空間布局是影響駕駛艙安全性和舒適性的直接因素，傳統(tǒng)的駕駛艙布置和布局受限于駕駛艙有限的空間和繁雜的設備，存在諸多類似可達性、可視性、操縱器件的操縱便利性、環(huán)境眩光等物理工效問題。5G技術[9]具有無線連接、大容量、低功耗和低延時等顯著優(yōu)勢，基于5G技術的應用可實現(xiàn)固定式終端向便攜移動式終端的轉變，飛行員操作便攜式控制終端，不再受空間布置的約束而一定要保持特定的姿勢，也可以任意移動便攜式終端以規(guī)避眩光區(qū)域，極大改善駕駛艙的物理工效。

基于便攜式控制的顯控一體終端，在精簡了駕駛艙中大部分操縱器件后，可釋放出大量駕駛艙空間，駕駛艙內可進行系統(tǒng)設備的布局優(yōu)化，提升駕駛艙安全性和舒適性。譬如傳統(tǒng)駕駛艙布置下的氧氣面罩位于側操縱臺區(qū)域，而使用側桿操縱的飛機在駕駛艙失壓的場景下，飛行員需一手操作側桿，一手握住氧氣面罩，左右手交叉，人機工效不合理；而新型駕駛艙的中央操縱臺區(qū)域有空間布置氧氣面罩，符合失壓場景下的使用需求。

2.3 駕駛艙視景的變革

顯示技術近年來進步顯著，基于5G技術的OLED全景顯示系統(tǒng)，將取代傳統(tǒng)的駕駛艙玻璃風擋，通過布置在機身外部的光學傳感器，將外部信息傳遞到全景顯示系統(tǒng)?；诖巳帮@示系統(tǒng)，飛機的外視界將不存在任何遮蔽，極大提升飛機的外視界性能；傳統(tǒng)的駕駛艙風擋系統(tǒng)在面臨極端的自然條件，如自然結冰、高溫高濕、暴雨等情況下，外視界極易受損；在面臨鳥撞、冰雹等場景下，傳統(tǒng)的駕駛艙風擋受到物理損傷后，對飛機的飛行安全都會帶來嚴重威脅?；谛滦鸵暰跋到y(tǒng)的駕駛艙將能適應各種極端工況的考驗，飛機安全性將顯著提升。

2.4 駕駛艙綜合環(huán)境的提升

新技術的集中應用、系統(tǒng)化集成化的新特征，將帶來更寬敞的座艙空間，也給座艙的綜合環(huán)境設計帶來更靈活的設計空間。未來駕駛艙將從艙內氣流組織、溫度、濕度、壓力、冷熱輻射、噪聲、振動、照明、幾何布局等多方面提升座艙綜合環(huán)境，給飛行員營造更舒適的工作空間。座艙空間變得更寬敞靈活，可以更多地使用柔性照明或背景照明，營造豐富的空間層次感，也可使用情景照明[10]給飛行員營造不同的氛圍，抑制心理焦慮和疲勞感，主動降噪技術可以抑制掉駕駛艙中的背景噪音，給飛行員帶來良好的感官體驗，繼而可以更集中精力于飛行相關的任務。綜合環(huán)境顯著提升的駕駛艙座艙在給飛行員帶來更好的舒適性的同時，也會改善飛行員的工作狀態(tài)，繼而提升飛行安全性。

3 結論

民用飛機駕駛艙的設計從“以功能為中心”的理念衍變成了“以人為中心”的設計理念，在新科技革命爆發(fā)的今天，將給民機駕駛艙設計帶來寬廣的想象空間，在充分考慮飛行員的特性和使用需求后，引入新技術的駕駛艙將實現(xiàn)跨代的發(fā)展。