許健，吳磊，褚江萍，何珂

中國商飛上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210

在飛機運行相關(guān)的適航規(guī)章和咨詢通告[1]中，特別規(guī)定和強調(diào)了機組資源管理(Crew Resource Management, CRM)的重要性。著眼于如何有效地利用人員、設(shè)備、信息來保證飛行安全，其本質(zhì)是強調(diào)人員之間的合理分工和有序協(xié)作。

民用飛機系統(tǒng)，尤其是顯示系統(tǒng)的信息組織方式應(yīng)充分考慮飛行機組之間的職責(zé)分工與協(xié)調(diào)配合的問題。

為了給駕駛艙顯示信息的組織方式提供理論數(shù)據(jù)，Roger等[2]采集并量化分析了各飛行階段上飛行員對顯示信息的需求程度，并提出了一些信息布局和顯示分配的建議。Paul和Anna[3]討論了不同的任務(wù)管理策略組合方法對機組工作負(fù)荷以及監(jiān)控和應(yīng)對系統(tǒng)故障能力的影響。Loukia等[4]討論了合理的任務(wù)操作流向設(shè)計能夠幫助飛行機組有效地管理操作任務(wù)。Edwin[5]還討論了信息流向的設(shè)計對交互行為的幫助，并展望了以自動化信息組織方式來輔助飛行員決策的設(shè)計理念?；谌艘?qū)W和機組任務(wù)知識數(shù)據(jù)集，Ken和Rolf[6]設(shè)計的任務(wù)代理系統(tǒng)在實現(xiàn)任務(wù)優(yōu)先級排序的同時還能通告與任務(wù)目標(biāo)相沖突的操作，其實驗結(jié)果表明了具備一定智能水平的自動化系統(tǒng)對飛行安全和效率的幫助，還證明了任務(wù)需求才是系統(tǒng)設(shè)計的根本。

顯示系統(tǒng)是飛行機組獲取信息的首要來源。在新一代機型中廣泛使用的大尺寸顯示器為人機交互系統(tǒng)的設(shè)計帶來了諸多便利。① 進一步提高了信息集成度，有利于減輕工作負(fù)荷。② 信息的管理更簡單、靈活，有利于優(yōu)化信息的組織和任務(wù)流向。③ 方便應(yīng)用虛擬控制技術(shù)，在顯示與控制功能融為一體后，使得交互過程更加直觀。

但是，大尺寸顯示器的應(yīng)用首先需要解決好以下3個問題，才能體現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢：

1) 如何根據(jù)操作任務(wù)的特性合理組織信息。

2) 在CRM理念的指導(dǎo)下，如何根據(jù)飛行機組的職責(zé)分配和人機工程學(xué)要求，選擇合適的顯示器尺寸、布局。

3) 由于系統(tǒng)集成度高，在發(fā)生顯示器故障時更容易誘發(fā)顯示信息的共模失效。如何選擇顯示管理策略，使得重構(gòu)后的信息組織形式仍滿足機組任務(wù)的需要。

以上3個問題相互關(guān)聯(lián)，并影響信息重構(gòu)性能。

1 民用飛機飛行機組的職責(zé)與職責(zé)分配

在當(dāng)前的適航規(guī)章框架內(nèi)，商用飛機為了完成一次航班任務(wù)，離不開飛行員的主動參與。在人機交互的層面，包括飛行機組在內(nèi)，適航規(guī)章要求每架飛機應(yīng)具備兩套獨立工作能力的系統(tǒng)[7-9]。因此，除了機載設(shè)備之間的余度備份關(guān)系外，還應(yīng)考慮雙人制飛行機組成員之間的分工和協(xié)作關(guān)系。

總體上，飛行機組職責(zé)包括飛行、導(dǎo)航、通信與協(xié)調(diào)、系統(tǒng)管理4個方面[10]。

在航前和航后階段，飛行機組的角色分為機長與副駕駛，但在飛行期間則轉(zhuǎn)換為把桿飛行員(Pilot Flying, PF)和監(jiān)控飛行員(Pilot Monitoring, PM)，且可相互交換，但機長具有最終決策權(quán)和執(zhí)行權(quán)。每位飛行機組成員都要負(fù)責(zé)各自區(qū)域內(nèi)的操作任務(wù)，且在職責(zé)互換前，飛行機組各自都應(yīng)清楚了解重新分配后的責(zé)任。相應(yīng)一側(cè)的系統(tǒng)工作方式還需與機組的職責(zé)分工相匹配。

PF的職責(zé)包括：① 控制滑行與飛行；② 導(dǎo)航。PM的職責(zé)包括：① 系統(tǒng)管理；② 通信與協(xié)調(diào)；③ 執(zhí)行PF交辦的任務(wù)；④ 監(jiān)控滑行與飛行。其中，系統(tǒng)管理包括機載系統(tǒng)工作構(gòu)型的控制、狀態(tài)監(jiān)控與故障處置、閱讀檢查單。

2 綜合顯示信息及其任務(wù)場景分析

實際運行場景下的操作任務(wù)需求是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，在航電系統(tǒng)研制的初始階段，包括人機接口、功能邏輯、總體構(gòu)架在內(nèi)的各個方面都應(yīng)該圍繞飛行機組操作任務(wù)需要及其相應(yīng)的職責(zé)分配關(guān)系。

現(xiàn)代民用飛機已經(jīng)普遍采用高度集成化的駕駛艙顯示系統(tǒng)(Cockpit Display System, CDS)作為實現(xiàn)航電系統(tǒng)人機交互的平臺。

顯示分配是CDS設(shè)計的出發(fā)點也是重點之一，包括空間和時間2個維度，反映的信息流向?qū)θ斯芾聿僮魅蝿?wù)的性能有著重要影響。根據(jù)各種任務(wù)場景下的人機工程學(xué)要求(尤其是交互頻度與實時性)，既需要確定顯示信息的空間范圍，還需要確定持續(xù)時長(分時或者常顯示)。這兩者往往密不可分，即需要常顯示的信息一般應(yīng)分配到人機工程學(xué)所定義的最優(yōu)空間上，分時顯示的信息則次之。

服務(wù)于飛行機組4大職責(zé)的最主要信息一般包括以下3個集合：

1) 主飛行顯示(Primary Flight Display, PFD)主要服務(wù)于飛行職責(zé)。

2) 導(dǎo)航地圖顯示(Navigation map Display, ND)主要服務(wù)于導(dǎo)航職責(zé)。

3) 發(fā)動機與駕駛艙告警顯示(Engine and flight deck alerting Display, ED)的系統(tǒng)監(jiān)控與告警功能主要服務(wù)于系統(tǒng)管理職責(zé)。此外，發(fā)動機推力和氣動構(gòu)型信息，相關(guān)的操作警告及其解釋則服務(wù)于飛行職責(zé)。

除了調(diào)諧通信頻率和數(shù)據(jù)鏈的上下行消息管理的操作，通信和協(xié)調(diào)職責(zé)當(dāng)前主要體現(xiàn)在語音通話上，且通信系統(tǒng)的產(chǎn)品相對經(jīng)典和獨立。因此，其不一定需要依賴CDS實現(xiàn)人機交互。

PFD一般集成了眾多短周期、動態(tài)性強的飛行信息(例如，空速、姿態(tài)、自動飛行模式通告、交通與地形規(guī)避導(dǎo)引等)，這些信息在起飛、進近、著陸等高任務(wù)負(fù)荷的飛行階段上直接影響飛機的操縱安全性。因此，應(yīng)方便飛行機組能以最快捷的方式獲取。典型的如，Basic T信息布置在飛行員主視場(Primary Field of View, PFOV)內(nèi)的要求[11-17]。

ED中的發(fā)動機推力和氣動構(gòu)型與飛行密切相關(guān)。在起飛和爬升等需要快速獲得凈空和捕獲高度層的飛行階段上，推力以及維系推力的發(fā)動機工作狀態(tài)是決定飛行安全的重要信息[18]。此外，集中化的機組告警信息與系統(tǒng)管理相關(guān)，在機載系統(tǒng)發(fā)生故障或操作行為激活邊界條件時，觸發(fā)的告警信息需要飛行機組立即知曉。從飛行和系統(tǒng)管理職責(zé)所對應(yīng)的任務(wù)要求上講，ED中的信息既有實時性要求，又需要方便飛行機組成員們同時觀察和討論，促進他們對系統(tǒng)狀態(tài)理解的一致性，從而也有利于機長做出合理決策。

ND一般集成了飛行計劃、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫、空中交通態(tài)勢、氣象和地形等與飛行軌跡相關(guān)的信息[19]。雖然可根據(jù)目標(biāo)相對飛機本體距離的遠近區(qū)分任務(wù)實時性，但民用飛機尤其是商用飛機須在空管體制下按照既定的飛行計劃運行，除了在終端區(qū)上操作任務(wù)的實時性要求較高以外，本質(zhì)上，導(dǎo)航任務(wù)是一個計劃性很強的連續(xù)穩(wěn)定過程，相對于PFD和ED在動態(tài)實時性和飛行安全方面的嚴(yán)格程度，ND具備分時顯示的條件。尤其在采用大尺寸顯示器將小范圍的導(dǎo)航信息與PFD集成的情況下更是如此。

隨著以ARINC661規(guī)范為基礎(chǔ)的圖形化用戶接口(Graphical User Interface, GUI)虛擬控制技術(shù)在新機型上的廣泛應(yīng)用，CDS已經(jīng)具備融合顯示與控制兩大人機交互元素的基礎(chǔ)，從而在實現(xiàn)平臺化、模塊化系統(tǒng)構(gòu)架的同時，朝著航電人機交互平臺的方向不斷發(fā)展。目前，飛行管理系統(tǒng)(Flight Management System, FMS)、綜合監(jiān)視系統(tǒng)(Integrated Surveillance System, ISS)、數(shù)據(jù)鏈(Data LinK，DLK)、無線電調(diào)諧、電子檢查單(Electronic CheckList, ECL)、電子斷路器(Electronic Circuit Breaker, ECB)等眾多功能已經(jīng)實現(xiàn)了與CDS的集成。由于這些功能并不直接關(guān)系到飛行安全，雖然使用頻度有所差別，但在任務(wù)實時性和安全性要求上處于同等水平，因此，也具備分時顯示的條件。

綜合CRM的理念、任務(wù)需求與職責(zé)分配以及相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]中的人機工程學(xué)要求，現(xiàn)代民用飛機的顯示分配和飛行機組工作區(qū)的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

3 顯示布局設(shè)計分析

3.1 駕駛艙空間幾何與視場分析

基于適航規(guī)章對駕駛艙空間的可達性要求，以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[20]和人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)分析[21]，當(dāng)考慮到左右座飛行機組都能方便地操作中央操縱臺上油門桿的整個行程時，兩者的最優(yōu)設(shè)計眼位(DEP)距離在40～42 inch(1 inch=2.54 cm)之間。以該設(shè)計眼位距離為基準(zhǔn)，同時考慮以下方面的幾何關(guān)系：① 駕駛艙外視界要求[22]；② 儀表板上操縱器件的可達性要求對儀表板與設(shè)計眼位之間的距離約束[23]；③ 坐姿下人體大腿上表面對儀表板下沿的空間需求；④ 每位成員的PFOV在儀表板上的投影區(qū)域。PFOV在儀表板上的投影如圖2 所示。

圖1 顯示分配與飛行機組工作區(qū)的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Display allocation in flight crew operation zone

當(dāng)綜合以上因素，并選取設(shè)計眼位到主儀表板的距離約為27 inch時，從圖2上可以得出以下結(jié)果：

1) 每側(cè)最優(yōu)PFOV的覆蓋范圍大約為寬14 inch， 高11 inch。

2) 兩者次優(yōu)PFOV的覆蓋范圍大約為寬9.5 inch， 高11 inch。

3) 由于考慮儀表板上操縱器件可達性的要求(例如起落架收放手柄，備用儀表控制，觸摸屏控制等)，在公共操作區(qū)內(nèi)，兩者的次優(yōu)PFOV無重疊。

圖2 PFOV在儀表板上的投影Fig.2 Spatial projection of PFOV on instrument panel

3.2 顯示器布局權(quán)衡

為了降低型號研制的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險，控制研制周期，在系統(tǒng)總體設(shè)計、系統(tǒng)平臺開發(fā)等核心業(yè)務(wù)之外，民用飛機機載設(shè)備普遍采用技術(shù)成熟、性能可靠的商用貨架產(chǎn)品。在民用飛機大尺寸顯示器市場上，產(chǎn)品規(guī)格主要集中在對角線長度為14～15 inch的寬屏(寬高比為16：10)和正屏(寬高比為4：3)。

由于PFD的顯示格式有著嚴(yán)格要求[12]，其姿態(tài)區(qū)的中心線與設(shè)計眼位又近乎重合[24]，因此，從整體上，PFD的格式接近于一個鏡像對稱的布局關(guān)系。與此同時，如果考慮充分利用儀表板的面積，以采用同一規(guī)格的15 inch顯示器為例，一般有如圖3所示的3種顯示器布局方案。

圖3(a)的布局方案對飛行機組PFOV的利用率最低。而如圖3(b)所示，受PFD格式所要求的幾何關(guān)系影響，最外側(cè)的兩塊顯示器將不得不在各自的外側(cè)劃分出一塊較窄的區(qū)域。除執(zhí)行五邊進近程序時使用的計時信息外，在緊鄰PFD的區(qū)域上并不適合布置實時性和安全性要求都低于PFD的信息，尤其是動態(tài)變化的信息，否則將明顯分散飛行員觀察PFD時的注意力。

如圖3(c)所示，最外側(cè)的兩塊顯示器幾乎被設(shè)計眼位線平分，在容易滿足PFD布局要求的同時，飛行機組最優(yōu)PFOV的利用率也是最高。

圖3 3種顯示器布局方案的對比Fig.3 Comparison of three schemes of display layouts

綜合以上分析，儀表板上采用4塊正屏大尺寸顯示器的布局相對更合理一些。CAD的仿真結(jié)果也佐證和解釋了目前市場上最新一代大型飛機更傾向采用該布局的技術(shù)原理。

4 顯示分配及其顯示管理策略分析

4.1 駕駛艙顯示分配方案

儀表板上安裝4塊顯示器的方案明顯能為飛行機組提供更多分時顯示窗口。與此同時，多數(shù)飛機會在中央操縱臺前安裝一塊同樣尺寸的顯示器，其目的是為飛行機組在公共區(qū)擴充顯示資源，方便飛行機組共享和討論。它可供任務(wù)實時性較低，但使用頻度高的系統(tǒng)使用，例如FMS和ECL。

顯示器數(shù)量的增加不僅能提高CDS整體的可用性，提高簽派率，也有利于提升信息重構(gòu)的靈活性。

在根據(jù)職責(zé)分配，信息綜合，操作任務(wù)需求，以及顯示布局的分析結(jié)果，基本顯示分配方案及飛行機組的操作流向如圖4所示。

圖4 基本的顯示分配方案及操作流向(機長為PF角色時)Fig.4 Primary display allocation scheme and operational flow (Caption is PF)

從主要信息的布局上看，PFD在左右兩側(cè)，ED居中并偏向PF一側(cè)，其他位置為分時顯示窗口。每一側(cè)飛行員的操作流向均為由外向內(nèi)，由上到下的順序。

4.2 顯示管理策略分析

由于在安全性方面的高標(biāo)準(zhǔn)，民用飛機系統(tǒng)設(shè)計具有高冗余度的特征，這不僅體現(xiàn)在設(shè)備冗余數(shù)量上，更體現(xiàn)在構(gòu)架和功能重構(gòu)邏輯的設(shè)計上。

以ARINC661規(guī)范為基礎(chǔ)，CDS具備提供更為靈活的窗口管理能力[25]，即安裝在駕駛艙內(nèi)的每個顯示器具備同樣的軟硬件構(gòu)型，顯示的信息由顯示器以外的顯示管理模塊負(fù)責(zé)調(diào)度。當(dāng)有顯示器失效時，顯示管理模塊可以根據(jù)剩余可用顯示器的布局關(guān)系，以既定的重構(gòu)策略為飛行機組提供繼續(xù)完成飛行任務(wù)所必需的信息。

顯示管理策略不僅要以前述顯示分配的原則為基礎(chǔ)，其重構(gòu)后的顯示信息布局應(yīng)有利于維持既有或交換后的職責(zé)分配，且仍應(yīng)保持正常的任務(wù)流向，以降低失效所帶來的額外工作負(fù)荷。因此，當(dāng)發(fā)生顯示器失效時，顯示管理策略應(yīng)考慮以下方面：

1) 應(yīng)盡量保持正常顯示格式，維持飛行機組的信息觀察流向。這里包括窗口尺寸，窗口內(nèi)的信息布局，以及PFD和ED這些重要信息的相對位置關(guān)系。

2) 根據(jù)操作任務(wù)在空間和時間上的優(yōu)先級確定對應(yīng)信息的重構(gòu)優(yōu)先級。

3) PFD應(yīng)盡量靠近兩側(cè)的獨占區(qū)，并盡可能靠近飛行員的PFOV。

4) ED應(yīng)盡可能靠近中間的公共區(qū)，并盡可能靠近飛行機組的PFOV，尤其是PF一側(cè)的PFOV。

5) 在具備穩(wěn)定飛行的條件下，才可以考慮壓縮PFD和ED窗口，為分時顯示的信息釋放窗口資源。

5 信息重構(gòu)方案對比與性能分析

5.1 信息重構(gòu)性能評價要素

總體上，信息重構(gòu)的性能具體與以下幾方面的要素有關(guān)：① 正常操作流向的保持；② 壓縮格式；③ 重構(gòu)操作；④ 職責(zé)分配的一致性。其中，壓縮格式是一種非常見的信息布局關(guān)系，由于空間和尺寸的變化，容易導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷的增加；如果需要手動操作重構(gòu)邏輯，也會增加工作負(fù)荷；當(dāng)故障導(dǎo)致需要轉(zhuǎn)換機組職責(zé)時，重構(gòu)后的顯示布局與職責(zé)是否保持一致也將顯著影響機組之間的協(xié)調(diào)和配合。

5.2 信息重構(gòu)性能評價

根據(jù)前述的重構(gòu)策略，討論PFD重構(gòu)性能時主要考慮外側(cè)2塊顯示器失效的情況，而ED則主要考慮內(nèi)側(cè)處于公共區(qū)的2塊顯示器失效的情況。

基于評價要素，通過對比現(xiàn)役某新型飛機的重構(gòu)方案，有以下分析結(jié)果。其中，本文提出的為方案A，對比機型的重構(gòu)方案為方案B。

當(dāng)單塊外側(cè)顯示器失效時，重構(gòu)方案對比如圖5所示，重構(gòu)性能評價如表1所示。

2種方案均為自動重構(gòu)，但由于單塊顯示器失效的概率相對較高，方案B出現(xiàn)的壓縮格式不得不需要飛行員經(jīng)常接受培訓(xùn)。而方案A盡可能地保持了正常PFD格式，且一側(cè)的PFD脫離最優(yōu)PFOV屬于相對不利于PF操作的情況，此時，一般由對側(cè)飛行員接管PF職責(zé)，方案A的ED也隨之自動交換到另一側(cè)，此時右側(cè)的PFD和ED布局完全滿足其執(zhí)行PF職責(zé)。

當(dāng)外側(cè)2塊顯示器失效時，重構(gòu)方案對比如圖6所示，重構(gòu)性能評價如表2所示。

圖5 單塊外側(cè)顯示器失效時重構(gòu)方案對比Fig.5 Comparison of reconfiguration scheme under single outboard display failure表1 單塊顯示器失效時重構(gòu)性能評價Table 1 Performance evaluation on reconfiguration under single outboard display failure

評價要素方案A方案B正常操作流向的保持是是未出現(xiàn)壓縮格式是否無需重構(gòu)操作是是與職責(zé)分配一致是否

圖6 外側(cè)2塊顯示器失效時重構(gòu)方案對比Fig.6 Comparison of reconfiguration scheme under two outboard display failures表2 外側(cè)2塊顯示器失效時重構(gòu)性能評價Table 2 Performance evaluation on reconfiguration under two outboard display failures

評價要素方案A方案B正常操作流向的保持是是未出現(xiàn)壓縮格式是否無需重構(gòu)操作是是與職責(zé)分配一致是是

以上2種方案都將ED重構(gòu)在了公共區(qū)，而方案A通過下移ED而不壓縮PFD格式的考慮是2塊顯示器失效來源于單塊顯示器失效的狀態(tài)，在飛行過程中如果發(fā)生以上情況，飛機一般已離開了起飛階段，此時，相對于起飛階段，保持發(fā)動機工作狀態(tài)的情景意識對維系飛行安全的重要性相對較低。否則，在地面上如果有主儀表板上的顯示器失效，飛機一般不能保留該故障狀態(tài)而被放行，也就沒有了后續(xù)飛行場景。在單塊顯示器故障的情況下，為繼續(xù)達到簽派的目的，維護人員一般會將中央操縱臺上的顯示器與故障顯示器交換，保持主儀表板4塊顯示器的信息布局與正常情況無異，即使在起飛期間再次發(fā)生顯示器失效，類似單顯示器失效的重構(gòu)方法仍能保證一側(cè)的PFD和ED都在PFOV內(nèi)。

當(dāng)內(nèi)側(cè)2塊顯示器失效時，重構(gòu)方案對比如圖7所示，重構(gòu)性能評價如表3所示。

圖7 內(nèi)側(cè)2塊顯示器失效時重構(gòu)方案對比Fig.7 Comparison of reconfiguration scheme under two inboard display failures表3 內(nèi)側(cè)2塊顯示器失效時重構(gòu)性能評價Table 3 Performance evaluation on reconfiguration under two inboard display failures

方案B在自動重構(gòu)時通過隱藏ED的方式，保持了正常格式的PFD，以突出飛行職責(zé)。但該重構(gòu)邏輯與圖6中的方案B突出系統(tǒng)管理職責(zé)的理念并不一致。此外，隱藏ED后導(dǎo)致無法保持正常的操作流向，為解決這種問題又需增加各自一側(cè)的手動操作來壓縮PFD并恢復(fù)ED到內(nèi)側(cè)。由于外側(cè)顯示器相距較遠，單個ED無法落在機組公共視場范圍內(nèi)，因此還額外需要左右座機組各自分別配置ED。

6 結(jié) 論

1) 在CRM理念的指導(dǎo)下，根據(jù)飛行機組的職責(zé)分配和駕駛艙空間的人機工程學(xué)要求，在主儀表板上采用4塊15 inch正屏顯示器可使PFD與最優(yōu)PFOV的重合度更高，布局更合理。

2) 在結(jié)論1)的前提下，基于正常操作流向的保持、壓縮格式、重構(gòu)操作、以及職責(zé)分配一致性這4個評價信息重構(gòu)性能的要素，通過對比分析現(xiàn)役某先進機型的重構(gòu)性能，本文所提方案的信息重構(gòu)性能更具優(yōu)勢，更利于貫徹CRM理念。