彭俊榕 魏麟 譚任翔 何峻毅
關(guān)鍵詞:?jiǎn)物w行員駕駛;駕駛艙;人機(jī)交互;態(tài)勢(shì)感知
1引言
科技的發(fā)展有力推動(dòng)了民航客機(jī)駕駛艙機(jī)組人員數(shù)量的減少,從最初的多人制機(jī)組到如今的雙人配置,隨著自然進(jìn)程演變,駕駛模式也會(huì)從雙人轉(zhuǎn)變?yōu)閱稳???紤]到運(yùn)營(yíng)成本和飛行員短缺的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外民航界正在積極探索研發(fā)民航客機(jī)單飛行員駕駛(Single Pilot Operations,SPO)模式[1],將在駕駛艙中僅配置一名飛行員,承擔(dān)原本需要兩名機(jī)組人員承擔(dān)的工作負(fù)荷,必將應(yīng)用一些新興的科技和設(shè)計(jì)理念,以實(shí)現(xiàn)不低于目前雙人駕駛模式的飛行安全水平[2]。
實(shí)現(xiàn)SPO模式不僅需要重新設(shè)計(jì)駕駛艙布局,還要對(duì)駕駛艙的人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行革新,以增強(qiáng)飛行員對(duì)飛機(jī)狀態(tài)和周?chē)h(huán)境的感知能力?!榜{駛艙飛行員+機(jī)載自動(dòng)化設(shè)備+地面站操作員”的組織架構(gòu)是目前實(shí)現(xiàn)SPO模式較為認(rèn)可的方案,隨著飛機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,飛行員向“自動(dòng)化系統(tǒng)管理員”角色的轉(zhuǎn)變更加明顯。SPO模式下的人機(jī)協(xié)同操作,不僅要考慮操控決策和權(quán)限分配,如何在技術(shù)層面將其融為一體也是值得深入研究的課題。SPO模式下的人機(jī)交互設(shè)計(jì)將采取“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念,全面考慮飛行員的操作習(xí)慣、心理壓力和生理反應(yīng)等,將機(jī)載自動(dòng)化設(shè)備作為虛擬的人工智能副駕駛,對(duì)飛行各階段執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化、輔助和監(jiān)控,確保飛行員時(shí)刻擁有足夠的態(tài)勢(shì)感知能力和最高控制權(quán)[5]。
2駕駛艙人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
2.1顯示領(lǐng)域
LCD顯示器在飛機(jī)上開(kāi)始應(yīng)用后,與CRT顯示器相比,期不僅體積小、能耗低,并且可靠性更高,很快取代了CRT顯示器在駕駛艙中的顯示應(yīng)用,目前主流的電子飛行儀表系統(tǒng)( EFIS)均采用LCD顯示器,其在駕駛艙中的應(yīng)用范圍還在不斷增加。
進(jìn)入21世紀(jì)后,飛機(jī)制造商已經(jīng)為民機(jī)加入了平視顯示器(HUD)等先進(jìn)電子技術(shù)。HUD作為機(jī)載光學(xué)顯示系統(tǒng),通過(guò)透視鏡將導(dǎo)航信息、姿態(tài)信息等重要飛行參數(shù)以符號(hào)形式與擋風(fēng)玻璃前的真實(shí)視景疊加[6]。飛行員通過(guò)使用HUD大幅減少了在各飛行階段頻繁俯視儀表的動(dòng)作,視線(xiàn)僅保持水平就能獲取關(guān)鍵的飛行數(shù)據(jù),能避免中斷外部視景、丟失情景意識(shí)。HUD已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模裝備于民航客機(jī),客機(jī)制造商也在新機(jī)型上將其作為標(biāo)準(zhǔn)配置或是可選安裝項(xiàng)目。與此同時(shí),一些新興技術(shù)也在迅速與HUD技術(shù)進(jìn)行融合。視景增強(qiáng)系統(tǒng)(EVS)通過(guò)安裝在航空器前部的紅外傳感器,能夠顯示飛機(jī)外部的紅外熱輻射形成的真實(shí)圖像,提供外部環(huán)境特征。合成視景系統(tǒng)(SVS)則以飛機(jī)的位置和姿態(tài)為基準(zhǔn),以環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),在HUD中用SVS圖像覆蓋真實(shí)環(huán)境,同樣可以提高飛行員在能見(jiàn)度不良情況下的態(tài)勢(shì)感知能力[7]。
2.2控制領(lǐng)域
現(xiàn)代民航客機(jī)大部分仍采用以旋鈕開(kāi)關(guān)、物理鍵盤(pán)和半球形軌跡球?yàn)橹鞯臋C(jī)械式人機(jī)交互方式,這種方式雖然功能穩(wěn)定,但是控制效率很低,功能相對(duì)獨(dú)立,操作流程復(fù)雜,占用了大面積的駕駛艙空間。隨著觸控技術(shù)等電子式人機(jī)交互方式開(kāi)始在駕駛艙中出現(xiàn),飛機(jī)駕駛艙控制領(lǐng)域的技術(shù)變革正在迅速進(jìn)行。
觸控技術(shù)適合年輕一代飛行員的交互習(xí)慣,可提高飛行員的手眼協(xié)調(diào)能力,縮減操作時(shí)間[8]。泰雷茲和霍尼韋爾等設(shè)備供應(yīng)商對(duì)于觸控屏的技術(shù)已有大量研究,盡管出于安全考慮,實(shí)現(xiàn)的功能十分簡(jiǎn)單,但隨著未來(lái)駕駛艙顯示控制功能的集成化,這些觸控技術(shù)會(huì)逐漸替代現(xiàn)存的機(jī)械式人機(jī)交互技術(shù),從而進(jìn)一步釋放駕駛艙空間,是實(shí)現(xiàn)新一代駕駛艙設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)。
霍尼韋爾公司的Anthem駕駛艙系統(tǒng)和泰雷茲公司的集成式Odicis駕駛艙,均采用多塊觸控屏代替了原有的顯示控制設(shè)備。目前,空客和波音在其新機(jī)型上都引入了這項(xiàng)技術(shù)。觸控屏在大規(guī)模應(yīng)用前,需要進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)工效,從根本上降低誤操作的可能性,進(jìn)而縮短操作時(shí)間,確保飛行員操作的有效性和舒適性。
3SPO模式下的人機(jī)交互技術(shù)
民航客機(jī)的人機(jī)交互技術(shù)正在更新迭代,更加適用于人使用習(xí)慣的科技能夠被實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。未來(lái),SPO模式下的人機(jī)交互設(shè)計(jì)將“以人為中心”,結(jié)合SPO組織架構(gòu)之間的交互條件,把一些新興技術(shù)應(yīng)用在駕駛艙內(nèi),如圖1所示:一是態(tài)勢(shì)感知技術(shù)(白色方框);二是綜合控制技術(shù)(黑色方框)。對(duì)飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力進(jìn)行增強(qiáng),要讓信息獲取的方式變得更為高效,確保飛機(jī)上的飛行員能夠獨(dú)自~人全面地感知飛機(jī)和環(huán)境信息,迅速建立情景意識(shí),對(duì)形勢(shì)做出準(zhǔn)確判斷:SPO模式下的飛行員的操縱任務(wù)會(huì)有所增加,應(yīng)在控制方式上進(jìn)行革新,從飛行員的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),采用自然高效的控制方式,并通過(guò)技術(shù)融合手段進(jìn)一步提高人機(jī)工效,簡(jiǎn)化操作流程,降低飛行員的心理壓力。
3.1態(tài)勢(shì)感知技術(shù)
3.1.1顯示屏技術(shù)
如今,民航客機(jī)駕駛艙的顯示屏絕大多數(shù)都采用LCD技術(shù),LCD顯示屏有漏光、色彩對(duì)比度低、可視角度差等缺點(diǎn)。近年來(lái),消費(fèi)電子領(lǐng)域快速發(fā)展,多種顯示技術(shù)得到成熟應(yīng)用,如MicroLED和OLED技術(shù)。綜合考慮畫(huà)質(zhì)和設(shè)計(jì)性等因素,未來(lái)單飛行員駕駛艙最理想的顯示技術(shù)是OLED,能夠用它來(lái)取代如今主流的LCD技術(shù)。
OLED顯示屏采用自發(fā)光技術(shù),不僅亮度高,發(fā)光效率高,還能顯示純黑色,鑒于其優(yōu)異的廣視角性能,飛行員即使不直視屏幕也能夠清晰地看到屏幕上顯示的內(nèi)容。采用OLED技術(shù)的顯示屏面板輕薄,能夠與現(xiàn)有的觸控技術(shù)完美融合,并且能夠彎曲,支持定制復(fù)雜的形狀,這種特性極大地增加了SPO數(shù)字化駕駛艙布局設(shè)計(jì)的自由度。
3.1.2HMD技術(shù)
具備AR功能的頭戴式顯示器(HMD)近年來(lái)發(fā)展迅速,其功能全面,不僅可以替代HUD,還能作為檢查清單輔助設(shè)備、合成視覺(jué)設(shè)備、生物特征監(jiān)視器和通信導(dǎo)航交互器。
以微軟HoloLens 2為例,其集成有頭部追蹤、眼動(dòng)追蹤、慣性測(cè)量等多類(lèi)傳感器,擁有混合現(xiàn)實(shí)捕獲、即時(shí)定位與地圖構(gòu)建( SLAM)等技術(shù),通過(guò)衍射光波導(dǎo)將圖像信息傳人人眼。它擁有兩個(gè)3D體感攝影機(jī):一個(gè)正對(duì)前方,用于深度感應(yīng),構(gòu)建深度地圖,智能識(shí)別物體;另一個(gè)向下傾斜,用于識(shí)別手勢(shì),其精度更高,幀數(shù)也更高。此外,鼻梁部位的兩個(gè)相機(jī)分別負(fù)責(zé)虹膜識(shí)別和眼動(dòng)追蹤。語(yǔ)音麥克風(fēng)隱藏在設(shè)備底端,強(qiáng)大的降噪功能使得在高達(dá)90分貝的嘈雜環(huán)境中,用戶(hù)依然能使用語(yǔ)音操作設(shè)備。
駕駛艙中定制化的HMD通過(guò)與機(jī)載自動(dòng)化設(shè)備交聯(lián)后,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與AR-HUD相同的外部感知功能,解決HUD只有在平視時(shí)才能讀取信息的問(wèn)題,還能讓飛行員與駕駛艙內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行交互,如引導(dǎo)飛行員執(zhí)行和遵守檢查清單:根據(jù)飛行任務(wù),引導(dǎo)飛行員至面板相關(guān)區(qū)域,并協(xié)助檢查該區(qū)域按鍵開(kāi)關(guān)的位置或者菜單條目的選擇情況。
隨著科技的快速進(jìn)步,HMD在技術(shù)上不斷成熟,產(chǎn)品重量和體積也不斷減小,一些品牌的產(chǎn)品在外觀(guān)上與眼鏡、護(hù)目鏡看起來(lái)別無(wú)二致,能讓飛行員很快地熟練操作。HMD能夠?qū)⒄Z(yǔ)音、眼位、手勢(shì)等方式作為交互手段,與機(jī)載自動(dòng)化設(shè)備交聯(lián),極大地增強(qiáng)了SPO模式下飛行員對(duì)環(huán)境的感知能力和對(duì)飛機(jī)的控制能力。
3.2綜合控制技術(shù)
3.2.1語(yǔ)音控制技術(shù)
語(yǔ)音控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)飛行員的語(yǔ)音指令進(jìn)行識(shí)別,轉(zhuǎn)換為控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)與機(jī)載設(shè)備的交互。該技術(shù)能讓飛行員在手不脫離駕駛桿或視線(xiàn)不發(fā)生偏移的情況下,完成駕駛艙內(nèi)的一部分控制、輸入和查詢(xún)?nèi)蝿?wù)。語(yǔ)音指令能夠用在非關(guān)鍵的且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的控制功能上,如畫(huà)面切換和模式選擇,可以有效提高操作效率,減少物理按鍵、開(kāi)關(guān)的數(shù)量,特別是在數(shù)字信息的輸入上能更為方便快捷,從而大幅減少操作時(shí)間。
語(yǔ)種的識(shí)別、標(biāo)準(zhǔn)喊話(huà)語(yǔ)音庫(kù)的建立等都是形成語(yǔ)音控制能力的基礎(chǔ)。語(yǔ)音控制系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)大量的駕駛艙語(yǔ)音數(shù)據(jù)學(xué)習(xí),確保識(shí)別語(yǔ)音信息的速度和準(zhǔn)確度,在重要指令的識(shí)別與執(zhí)行程序上,需要有二次確認(rèn)程序,防止飛行員口誤造成飛機(jī)失控。語(yǔ)音控制技術(shù)使飛行員通過(guò)類(lèi)似與“虛擬副駕駛”對(duì)話(huà)的方式,在與機(jī)載自動(dòng)化設(shè)備互動(dòng)的同時(shí),能緩解長(zhǎng)時(shí)間單人駕駛帶來(lái)的心理壓力,有效提高執(zhí)行任務(wù)時(shí)的專(zhuān)注力。
3.2.2眼動(dòng)控制技術(shù)
飛行員在獲取信息時(shí),有80%-90%的信息來(lái)源于視覺(jué),視覺(jué)與眼球運(yùn)動(dòng)存在密切聯(lián)系,眼動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)追蹤飛行員的眼動(dòng)信息,可根據(jù)一系列眼動(dòng)追蹤指標(biāo),自動(dòng)對(duì)駕駛艙顯示系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)整,使飛行員通過(guò)視覺(jué)獲取信息的能力增強(qiáng),從而增加操作績(jī)效。例如,通過(guò)低頻率的眨眼動(dòng)作,增加注視區(qū)域詳細(xì)的附加信息顯示:通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的視線(xiàn)停留,放大或高亮顯示注視的區(qū)域或選項(xiàng)條目。飛行員利用視線(xiàn)選中目標(biāo)后,再結(jié)合使用語(yǔ)音、手勢(shì)等控制方式進(jìn)行確認(rèn),能夠有效避免誤選,縮短操作時(shí)間。
眼動(dòng)控制技術(shù)還能夠在SPO模式下對(duì)飛行員的生理、心理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控??刂葡到y(tǒng)通過(guò)追蹤飛行員眨眼頻率、瞳孔直徑等信息,聯(lián)合駕駛艙語(yǔ)音系統(tǒng)對(duì)飛行員可能出現(xiàn)的疲勞駕駛狀況進(jìn)行聲音警告,并在顯示屏上進(jìn)行提示。
3.2.3手勢(shì)控制技術(shù)
手是飛行員駕駛飛機(jī)時(shí)使用最多的身體部分,手勢(shì)控制是符合使用者控制習(xí)慣的人機(jī)交互方式。按手勢(shì)識(shí)別方式進(jìn)行劃分,除了已經(jīng)較為成熟的觸摸屏手勢(shì)控制技術(shù)之外,還有基于數(shù)據(jù)手套和基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的手勢(shì)控制技術(shù)。
基于數(shù)據(jù)手套的手勢(shì)控制技術(shù)是通過(guò)穿戴含有傳感器的數(shù)據(jù)手套,檢測(cè)追蹤飛行員手在駕駛艙空間中的三維信息,對(duì)選定目標(biāo)進(jìn)行控制調(diào)整。數(shù)據(jù)手套的使用不會(huì)受光線(xiàn)的影響,手部活動(dòng)的空間也不會(huì)受到限制,數(shù)據(jù)采集相對(duì)視覺(jué)識(shí)別能更加迅速,在未來(lái)駕駛艙采用AR技術(shù)的情況下,數(shù)據(jù)手套能起到有效的輔助作用?;谟?jì)算機(jī)視覺(jué)的手勢(shì)控制技術(shù)是通過(guò)視覺(jué)采集設(shè)備捕捉手勢(shì)圖像,利用圖像處理算法對(duì)手勢(shì)進(jìn)行分析,按識(shí)別結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)和模板匹配,形成相應(yīng)的控制指令。
4結(jié)束語(yǔ)
民航客機(jī)駕駛艙中的人機(jī)交互技術(shù)雖然在不斷發(fā)展,人機(jī)功效也在不斷提高,但是在態(tài)勢(shì)感知方式和控制方式上相對(duì)獨(dú)立。為了實(shí)現(xiàn)SPO模式,需要將多種態(tài)勢(shì)感知技術(shù)和綜合控制技術(shù)相互融合,將飛行員作為設(shè)計(jì)理念的中心,進(jìn)行人機(jī)交互方式的革新,只有用新技術(shù)去適應(yīng)他們的操作習(xí)慣和使用需求,才能有效提高人機(jī)協(xié)同能力,確保飛行員有能力勝任該模式下的全部飛行任務(wù)。