向天龍

（航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 陜西省西安市 710089）

得益于電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)駕駛艙的顯示控制系統(tǒng)已經(jīng)由傳統(tǒng)的機(jī)械式組合儀表發(fā)展為一體化綜合顯示系統(tǒng)。新的顯示控制系統(tǒng)為飛行員提供了更加強(qiáng)大的人機(jī)界面。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也面臨著新的挑戰(zhàn)：

（1）數(shù)量龐大且復(fù)雜的需求輸入意味著需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，設(shè)計(jì)人員缺乏快速高效的設(shè)計(jì)手段和工具；

（2）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程需要在整個(gè)畫面軟件開發(fā)完畢，并加載至目標(biāo)機(jī)后才能看到設(shè)計(jì)結(jié)果的真實(shí)形式，在大規(guī)模開發(fā)完成后進(jìn)行評(píng)估和更改，會(huì)消耗較大的時(shí)間和人力資源；

（3）傳統(tǒng)文檔傳遞設(shè)計(jì)的流程，尤其對(duì)于人機(jī)界面顯示元素的繪制，純文檔傳遞會(huì)導(dǎo)致最終效果與設(shè)計(jì)意圖的偏離。

為了解決以上問題，本文提出一種新的駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)方法。該方法使用新的設(shè)計(jì)工具，以“所見即所得”的形式搭建動(dòng)態(tài)人機(jī)界面模型作為設(shè)計(jì)載體，并進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。將設(shè)計(jì)階段迭代優(yōu)化過的人機(jī)界面模型結(jié)合文檔共同作為設(shè)計(jì)輸出。這樣能夠在更早的階段呈現(xiàn)最終實(shí)現(xiàn)效果，將人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案的評(píng)估和迭代優(yōu)化集中在設(shè)計(jì)階段，提供更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)輸出，減少大規(guī)模軟件開發(fā)后的更改，節(jié)約研發(fā)資源。

1 方法概述

本文使用SCADE 系列工具建立動(dòng)態(tài)模型并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真。其中，SCADE Display 用于搭建人機(jī)界面模型；SCADE Suit 用于實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)邏輯；使用定制的數(shù)據(jù)控制臺(tái)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行仿真。系統(tǒng)框架如圖1所示。

工作分為三個(gè)部分：

（1）模型元素繪制；

（2）動(dòng)態(tài)邏輯實(shí)現(xiàn)；

（3）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源實(shí)現(xiàn)。

以下針對(duì)這三部分工作進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 實(shí)現(xiàn)方式

2.1 模型元素繪制

模型的元素分為靜態(tài)元素和動(dòng)態(tài)元素。靜態(tài)元素是指畫面上固定顯示的元素，它們?cè)诋嬅嫔咸囟ǖ奈恢檬冀K顯示。例如：坡度刻度帶、速度、高度、航向窗口等。動(dòng)態(tài)元素是指畫面上需要定義動(dòng)態(tài)行為的元素。例如：滾動(dòng)的速度帶、轉(zhuǎn)動(dòng)的羅盤刻度、跳動(dòng)的數(shù)值等。首先要按照靜態(tài)元素的繪制方式繪制其形狀、線寬、顏色和字體，然后定義其運(yùn)動(dòng)形式（滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)字跳動(dòng)等），最后針對(duì)每種運(yùn)動(dòng)方式定義對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)變量。該動(dòng)態(tài)變量接受處理邏輯的輸出數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)模型元素運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)開發(fā)視角如圖2所示。

圖1：系統(tǒng)框架

圖2：動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)開發(fā)視角

圖3對(duì)于動(dòng)態(tài)元素，以速度矢量符（FPV）為例。速度矢量符有兩種動(dòng)態(tài)行為：位置、可見性。在完成速度矢量符圖形的繪制后，針對(duì)其動(dòng)態(tài)行為定義對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)變量：X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)、可見性。模型動(dòng)態(tài)元素如圖3所示。

圖3：模型動(dòng)態(tài)元素

圖4：動(dòng)態(tài)邏輯

圖5：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源

圖6：動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)仿真視角

2.2 動(dòng)態(tài)邏輯實(shí)現(xiàn)

為了確保模型動(dòng)態(tài)元素運(yùn)動(dòng)行為正確，需要添加處理邏輯。處理邏輯用于約束動(dòng)態(tài)元素的運(yùn)動(dòng)邊界、數(shù)據(jù)有效性、顯示條件等。設(shè)計(jì)階段動(dòng)態(tài)仿真的處理邏輯側(cè)重點(diǎn)在于確保呈現(xiàn)人機(jī)界面的基本方案、形式的完整性，用于設(shè)計(jì)階段評(píng)估人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案，而不同于軟件代碼開發(fā)時(shí)側(cè)重的完備性。

接上文例子，建立速度矢量符的處理邏輯。處理邏輯以：偏流角、航跡傾角、姿態(tài)、航向、自動(dòng)飛行控制板指令等參數(shù)作為輸入，解算得到速度矢量符正確的位置和可見性以驅(qū)動(dòng)速度矢量符正確的指示。如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源提供連續(xù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型連續(xù)動(dòng)態(tài)運(yùn)行。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源有多種實(shí)現(xiàn)方式：定制開發(fā)的數(shù)據(jù)控制臺(tái)、Rhapsody 模型、設(shè)備的仿真激勵(lì)器等。如圖5所示。

本文中使用定制開發(fā)的數(shù)據(jù)控制臺(tái)作為例。為了便于動(dòng)態(tài)仿真，該控制臺(tái)提供了三個(gè)主要的功能：

2.3.1 需求的樹形分類

畫面仿真參數(shù)的數(shù)量非常龐大，如果不進(jìn)行有效的分級(jí)分組管理，實(shí)際操作需要花大量時(shí)間查找所需查看參數(shù)。因此該控制臺(tái)提供了定義不同系統(tǒng)、分系統(tǒng)及分區(qū)的樹形結(jié)構(gòu)功能，將同類同組數(shù)據(jù)放在一起，便于使用和管理。

2.3.2 仿真參數(shù)配置

顯控畫面中不同類型的參數(shù)有不同的數(shù)據(jù)類型和指示范圍。因此該控制臺(tái)提供了仿真參數(shù)配置功能。能夠提供浮點(diǎn)型、整型、布爾型等參數(shù)類型，針對(duì)數(shù)值類參數(shù)，提供設(shè)定仿真上/下限、仿真步長、仿真波形（鋸齒波、三角波）等功能，極大的增加了仿真的靈活性。

2.3.3 仿真場(chǎng)景的保存和加載

在設(shè)計(jì)仿真階段，經(jīng)常需要多次重復(fù)運(yùn)行某個(gè)場(chǎng)景反復(fù)評(píng)估，由于畫面動(dòng)態(tài)參數(shù)數(shù)量龐大，如果每次使用時(shí)需要手動(dòng)逐個(gè)配置各個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍、波形等樹形，將極大降低工作效率。因此該控制臺(tái)提供了仿真場(chǎng)景的保存和加載功能，將需要多次使用的典型場(chǎng)景保存、加載以往多個(gè)不同的場(chǎng)景，避免花大量時(shí)間重復(fù)配置參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)仿真

在完成了模型動(dòng)態(tài)元素、處理邏輯及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源這三個(gè)關(guān)鍵部分后，就能夠在設(shè)計(jì)端的PC 機(jī)上進(jìn)行仿真了。這種仿真方式能夠在設(shè)計(jì)階段就將最終開發(fā)完成之后的結(jié)果直接展示出來，對(duì)模型進(jìn)行全尺寸連續(xù)動(dòng)態(tài)仿真，由本專業(yè)專家和資深用戶對(duì)設(shè)計(jì)做直觀的評(píng)估。收集整理評(píng)估意見作為本輪迭代修改的輸入。這種評(píng)估方法能夠在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題，提前更改，并且始終站在用戶角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。如圖6所示。

4 總結(jié)

本文討論了在新的技術(shù)環(huán)境下，一種基于動(dòng)態(tài)模型的駕駛艙人機(jī)界面設(shè)計(jì)方法。該方法具有“所見即所得”的設(shè)計(jì)效果，支持在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真評(píng)估，能夠提供精確的設(shè)計(jì)傳遞，提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。