牟曉偉，李治權(quán)，何振亞

(中國航空研究院，北京 100129)

0 引言

飛行器作為一個融合多系統(tǒng)的復(fù)雜機電產(chǎn)品，其最初的設(shè)計想法很簡單，就是在安全飛行的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確高效地完成飛行任務(wù)。此時的駕駛艙通過儀表為駕駛員提供空速、高度等數(shù)據(jù)，駕駛員需要根據(jù)儀表數(shù)據(jù)駕駛飛行器，并完成飛行任務(wù)。此時的駕駛員飛行負(fù)荷重，需要多名機組人員共同完成一次飛行任務(wù)。

隨著航空電子技術(shù)的大發(fā)展，飛行器上出現(xiàn)了多種多樣的電子儀表和設(shè)備，相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計也更加復(fù)雜。先進的儀表將采集到的大量的信息輸出并顯示，給駕駛員提供多樣的飛行信息以保證飛行安全，但同時也增加了駕駛員的工作負(fù)荷，對駕駛員的素質(zhì)提出了更高的要求。

20世紀(jì)70年代以后，隨著電子化技術(shù)和綜合信息技術(shù)的發(fā)展，航空電子產(chǎn)品集成化程度的不斷提高，原來的分立式儀表駕駛艙設(shè)計逐漸被綜合化顯示系統(tǒng)所取代。飛行器安裝更加先進、更加直觀的電子化數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、數(shù)字式自動駕駛儀以及飛行管理系統(tǒng)等，形成了今天我們常見的玻璃座艙設(shè)計。此時的飛行器僅需要兩名駕駛員就可以完成所有的常規(guī)飛行任務(wù)。直升機同樣經(jīng)歷了這樣的一個變革，現(xiàn)代直升機駕駛艙的設(shè)計正是朝著更加先進、便捷、高效的方向發(fā)展。

1 駕駛艙信息顯示設(shè)計原則

駕駛艙作為一個人機交互的平臺，需要向駕駛員顯示有關(guān)飛行任務(wù)和飛行安全的所有有效且必要的信息(如圖1)。從這個概念上來分析，需要對信息進行劃分:飛行任務(wù)信息、飛行安全信息、必要信息。飛行任務(wù)信息與飛行安全沒有直接的關(guān)聯(lián)，此類故障信息都屬于警戒或一般信息，本文不做著重說明。飛行安全信息分為3個等級，可以定義為紅色警告信息、琥珀色警戒信息和綠色一般信息，這樣的定義方式與直升機飛行手冊中的信息顯示是一致的。所有的有效信息中，必要信息是需要駕駛員知曉并采取措施的，或者在其它的正常操作或故障處置操作中會使用到的信息；非必要信息則不需要駕駛員知道，不需要顯示給駕駛員，這類信息一般為地面維護人員提供維護信息。

圖1 典型直升機駕駛艙布局圖

直升機的信息系統(tǒng)包含了各個系統(tǒng)的信息。直升機的主要系統(tǒng)包括旋翼尾槳、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)以及航電系統(tǒng)。所有這些系統(tǒng)都有其必要的需要駕駛員時時關(guān)注的信息，這些信息通過傳感器和采集器，傳輸給顯示系統(tǒng)并在終端上顯示給駕駛員?，F(xiàn)代直升機所顯示給駕駛員的最主要的警告級別的系統(tǒng)信息見表1。各個系統(tǒng)用于探測系統(tǒng)狀態(tài)和對系統(tǒng)進行預(yù)警的信息，大部分都以琥珀色信息顯示。由于各個機型的系統(tǒng)設(shè)計理念不同，其琥珀色信息有所區(qū)別且數(shù)量龐大，用一個表格很難將所有內(nèi)容考慮周全，并且這部分信息的安全等級低于紅色信息，因此本文不對該部分內(nèi)容進行深入討論。通過對信息的簡單劃分，可以大致明確什么樣的信息需要給駕駛員顯示，顯示的等級也可以通過表格來定義。

表1 直升機紅色警告信息列表

2 幾型直升機駕駛艙信息顯示分析

現(xiàn)代直升機的信息都是通過駕駛艙顯示器來顯示，顯示器的大小又直接決定了其可以顯示的紅色信息的數(shù)量。對于顯示范圍較小的顯示器，設(shè)計人員不得不對顯示信息進行合理的裁剪或者合并，或者將幾個相關(guān)的顯示信息通過一個換算后的參數(shù)來顯示其是否超限。類如AW139所采用的PI參數(shù)就是通過對發(fā)動機溫度、扭矩和轉(zhuǎn)速進行換算得到的一個計算值(見圖2)。

圖2 AW139直升機發(fā)動機參數(shù)信息顯示

除了上述故障信息外，其它的系統(tǒng)警戒級別的琥珀色信息都在顯示系統(tǒng)上統(tǒng)一顯示，因其緊急程度相對較低，不需要額外的告警提示?，F(xiàn)代信息化手段使得系統(tǒng)設(shè)計可以將系統(tǒng)原理圖加載到顯示系統(tǒng)中，在系統(tǒng)故障時通過顯示系統(tǒng)可以查詢到具體的故障情況，增強駕駛員對故障的理解，便于故障得到正確的處置。圖3就是AW139直升機2號液壓油泵失效后顯示器給出的失效示意圖。

圖3 AW139直升機液壓系統(tǒng)信息顯示

EC175直升機也采用了這樣的設(shè)計理念并將這一設(shè)計理念貫徹在各個系統(tǒng)中。在系統(tǒng)故障的時候，通過顯示器上的按鍵可以查看系統(tǒng)故障原理圖(圖4)，讓駕駛員有更加直觀的認(rèn)識，為增強飛行安全提供了進一步的保障。

圖4 EC175直升機液壓系統(tǒng)信息顯示

盡管有了現(xiàn)代化的顯示手段，顯示系統(tǒng)也必須滿足適航規(guī)章對冗余度的要求，為了節(jié)約成本，部分直升機上仍然會選擇安裝獨立的顯示設(shè)備對一些特殊的參數(shù)進行顯示，其中包括空速表、高度表、旋翼轉(zhuǎn)速表、備用的磁羅盤和備用地平儀。這些設(shè)備布置在正副駕駛員都方便觀察的位置，但更靠近正駕駛員，這主要是從雙駕駛直升機的駕駛員分工考慮的。

雖然有了上述先進的航電設(shè)備，可以把所有的直升機可探測到的信息顯示給駕駛員，但是現(xiàn)代直升機仍然沒有完全丟棄故障指示燈的顯示方式，如圖5所示EC175儀表板上布置的故障指示燈。

圖5 EC175直升機故障指示信息顯示

故障指示燈作為故障提示的一種手段，其布置位置很關(guān)鍵。根據(jù)GJB 1471A相關(guān)要求，經(jīng)過分析可知，人眼活動的最大視線范圍為水平視線±35°，垂直視線25°～-35°。通過對AC312E型機正駕駛在標(biāo)準(zhǔn)眼位點的最大視線范圍的分析，可以得到如圖6所示的視界區(qū)域。

圖6 AC312E直升機正駕駛標(biāo)準(zhǔn)眼位點視界

駕駛員在正常飛行中，其視界范圍集中在儀表板的上半部分靠近己方一側(cè)，而直升機綜顯的設(shè)計是讓系統(tǒng)的故障信息顯示在顯示器的右下角。這樣的設(shè)計理念勢必會影響駕駛員正常操控直升機，至少也會增加駕駛員負(fù)擔(dān)，不利于飛行安全。因此，在儀表板上部駕駛員視界范圍內(nèi)增加告警燈板還是很有必要的，它可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候通過告警燈的方式通知駕駛員。這種告警方式是可行且高效的，故而這種駕駛艙設(shè)計方式一直沿用至今。

但是并不是所有的故障信息都需要在告警面板上顯示，僅對于告警級別高的紅色警告信息采用這種附加的顯示方式。歐直系列直升機在采用了玻璃座艙的設(shè)計理念之后，仍然會采用中央告警面板的設(shè)計方法。其中，EC175直升機將其主要的紅色警告信息(表2)在綜合顯示器上顯示以外，還給出音響告警，同時在中央告警面板上顯示，其中ENG1(2)觸發(fā)條件是ENG1(2) FAIL(發(fā)動機失效)或ENG1(2) OIL LOW PRESS (發(fā)動機滑油壓力低)。

表2 EC175直升機紅色警告信息列表

對于部分比較重要的系統(tǒng)，其控制面板上同樣也保留了指示燈的設(shè)計。如EC175直升機的發(fā)動機滅火系統(tǒng)(圖7)，在發(fā)動機著火時，綜合顯示器上有ENG FIRE的警告信息，同時在FIRE EXTING控制面板上顯示FIRE信息；在執(zhí)行滅火程序觸發(fā)1個滅火瓶時，F(xiàn)IRE EXTING面板上顯示琥珀色1信息；再次按壓顯示琥珀色2信息，以告知駕駛員相應(yīng)的滅火瓶已經(jīng)排空。

圖7 EC175直升機發(fā)動機滅火系統(tǒng)信息顯示

類似這樣的設(shè)備的設(shè)計，更多的是考慮駕駛員的操作方便。通過對AC312E直升機駕駛艙的人機功效分析可知，駕駛員頭部活動的最大范圍為水平方向±60°，垂直方向±50°(如圖8)。EC175直升機的FIRE EXTING控制板布置在中央操縱臺前部，這樣的設(shè)計更便于駕駛員觀察和操作。AW139直升機同樣采取了這種設(shè)計方法，將發(fā)動機控制板、滅火控制板、起落架控制板等帶有顯示狀態(tài)的控制單元都布置在中央操縱臺前端靠近正駕駛員一側(cè)。這種設(shè)計思路仍然是出于人機功效的考量，能夠更好地服務(wù)于駕駛員，提高飛行效率，降低駕駛員負(fù)擔(dān)，簡化操作程序，從而保證飛行安全。

圖8 AC312E直升機正駕駛員頭部活動視線范圍

對于一些噸位較小的直升機如EC135，其設(shè)計思路同樣是將具有顯示功能的控制面板布置在駕駛員最佳視界范圍內(nèi)，包括儀表板上的告警指示燈，發(fā)動機滅火控制指示燈盒以及中央操縱臺上的發(fā)動機控制板等。而發(fā)動機的模式選擇開關(guān)，因沒有需要顯示給駕駛員的信息，布置在駕駛艙頂部開關(guān)板上，以達到合理的空間布置的目的。從EC135的布置來看，直升機的設(shè)計人員將與直升機應(yīng)急和故障處置程序相關(guān)的系統(tǒng)和控制開關(guān)巧妙地設(shè)計在一起，很大程度地方便了駕駛員的操作，對本就屬于故障程序的執(zhí)行變得更加便捷，對駕駛員的處置效率和處置成功率都會產(chǎn)生積極的影響。例如發(fā)動機滅火程序，前文所說的機型都有顯示系統(tǒng)對駕駛員進行告警，同時儀表板上有FIRE的紅色指示燈告訴駕駛員這是一個警告級別很高的告警程序，需要立即處置。而后的操作程序，包括對發(fā)動機、燃油和滅火系統(tǒng)的操作，因機型不同會稍有區(qū)別。但是這三個系統(tǒng)基本都在一個區(qū)域，系統(tǒng)之間的操作時間間隔被大大地縮短，這對及時地?fù)錅绨l(fā)動機著火是非常有利的。

3 總結(jié)

總結(jié)上述機型駕駛艙的布置，再回看直升機駕駛艙布置的歷史演變，可以從中得到一些啟發(fā)。駕駛艙的設(shè)計理念是為駕駛員提供及時準(zhǔn)確的信息，尤其是故障信息顯示，以便駕駛員能夠第一時間掌握最直接最有價值的告警內(nèi)容，并對故障進行最有效的處置。這就需要直升機在設(shè)計之初就對系統(tǒng)的告警信息進行分析總結(jié)并分類，將能夠直接影響飛行安全的信息采用紅色及多重警告的形式告知駕駛員。一直以來，直升機的設(shè)計都是遵循這一設(shè)計理念。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展，直升機各個系統(tǒng)的信息顯示更加全面且復(fù)雜。如此繁雜的系統(tǒng)信息，需要進行篩選，篩選的依據(jù)就是各個系統(tǒng)對其故障模式和故障安全等級的確定。根據(jù)現(xiàn)代直升機界的普遍做法，將紅色警告級別信息中的火警、發(fā)動機失效、蓄電池過熱、主減滑油和燃油油量等信息通過紅色告警指示燈板在儀表板上進行顯示。對于琥珀色警戒信息，可以通過綜合顯示系統(tǒng)將故障原理圖顯示給駕駛員，以幫助駕駛員理解故障并做出正確的判斷。

借助現(xiàn)代化的手段，直升機設(shè)計得以做到由簡至繁，將所有信息采集并顯示。但是直升機的設(shè)計必須由繁至簡，應(yīng)將信息進行分類并將必要的信息顯示給駕駛員；同時可以采取多重顯示方式以減少對重要故障的誤判；而其它的故障信息則采用相對單一的故障模式對駕駛員進行提醒，以減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，從而提高效率，保證飛行安全。至于系統(tǒng)采集到的用于地面維護的信息，沒有必要顯示給駕駛員，僅需要設(shè)計一個用于地面維護的模塊便于地面數(shù)據(jù)下載和處理。直升機的發(fā)展歷程讓直升機的駕駛艙發(fā)生了很大的變化，但是人們對于人機交互界面的界定和處理的原則一直沒有變，那就是讓駕駛員在第一時間掌握最直接最有效的數(shù)據(jù)，對直升機實施完全可控的飛行操作。駕駛艙的設(shè)計目的就是要建立安全高效的人機交互界面。