吳佳駒 蘇幸君 朱妍

摘要：針對駕駛員難以快速處理海量信息、飛行環(huán)境多變、高強度負擔下心理受限等問題，駕駛員輔助系統(tǒng)應運而生。基于國內(nèi)外學者對駕駛員輔助系統(tǒng)的描述，給出了駕駛員輔助系統(tǒng)的完整概念，詳細闡述了駕駛員輔助系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析了駕駛員輔助系統(tǒng)的原理結構，提出了輔助系統(tǒng)當前研究的不足和未來發(fā)展的展望，并給出了工程應用實例，為后續(xù)國內(nèi)該領域的發(fā)展和型號研制工作提供參考。

關鍵詞：駕駛員輔助系統(tǒng)；原理結構；發(fā)展展望；工程應用

中圖分類號：V249文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.07.002

隨著航空電子技術的發(fā)展，飛機功能日趨豐富，機載系統(tǒng)的復雜性進一步增加，導致駕駛員的操縱和監(jiān)控負擔越來越重。盡管現(xiàn)代飛機的系統(tǒng)設計已經(jīng)進行了改進，使飛行安全性更高，然而面對突發(fā)事件造成的沉重操縱負擔，駕駛員操縱決策的正確性仍會受到很大的限制。

首先，飛機操縱決策的實時性要求決定需要駕駛員處理的數(shù)據(jù)信息不能過多，但是在日趨復雜的作戰(zhàn)環(huán)境和任務場景下，駕駛員所需處理的信息量不斷增加，僅僅依靠駕駛員對任務迅速做出決策將相當困難；其次，駕駛員需要根據(jù)自身掌握的先驗知識，從大量信息中快速準確地提取出與任務目標緊密關聯(lián)的內(nèi)容，并快速正確地做出決策，但是由于環(huán)境的多變性、非預見性，可能會遇到駕駛員無法快速做出正確決策的情況；最后，人的生理和心理承受能力有限，在高強度的負擔下，駕駛員在執(zhí)行任務過程中，決策的正確性將受到限制。因此，駕駛員輔助系統(tǒng)的研究很有必要。

本文詳細梳理了駕駛員輔助系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了駕駛員輔助系統(tǒng)的系統(tǒng)架構，給出了目前駕駛員輔助系統(tǒng)的不足和發(fā)展建議，以期促進國內(nèi)先進飛機的駕駛員輔助系統(tǒng)技術研究和型號研制工作。

1駕駛員輔助系統(tǒng)

自1989年駕駛員輔助系統(tǒng)的概念提出以來，國內(nèi)外學者開展了深入研究，在多篇文章中進行了描述。

Corrigan等[1]描述駕駛員輔助系統(tǒng)是一個基于知識的、可提高駕駛員任務有效性的系統(tǒng)。Leavitt等[2]定義駕駛員輔助系統(tǒng)的目標是利用基于知識的系統(tǒng)和先進的計算技術，幫助先進戰(zhàn)斗機駕駛員提高戰(zhàn)斗效能和飛機生存力。Small等[3]描述駕駛員輔助系統(tǒng)的目標是通過增強駕駛員對態(tài)勢的感知，提高駕駛員的操縱效率，通過獲取和過濾數(shù)據(jù)信息，幫助駕駛員進行重要決策，輔助大量復雜飛機子系統(tǒng)運行，并減輕駕駛員的工作負擔。Vanvollenhoven等[4]將駕駛員輔助系統(tǒng)定義為一個決策幫助系統(tǒng)，通過向駕駛員提供經(jīng)過系統(tǒng)處理的正確信息，決策幫助系統(tǒng)可幫助駕駛員利用所有的機載系統(tǒng)。此外，Banks[5]、Lapuma[6]、McBryan[7]均對駕駛員輔助系統(tǒng)的概念進行了闡述。

國內(nèi)對駕駛員輔助系統(tǒng)的研究與國外有一定差距，于會[8]認為駕駛員輔助系統(tǒng)是一種基于知識支持、幫助駕駛員決策的專家系統(tǒng)，根據(jù)事實信息經(jīng)過推理機制，決策出合理的方案，使駕駛員集中精力于關鍵性決策，減少駕駛員的工作負荷。吳文海等[9]描述為輔助決策系統(tǒng)以任務為核心，充分利用機載設備提供的信息，輔助駕駛員應對各種姿態(tài)，將信息優(yōu)勢轉化為決策優(yōu)勢。呂全喜等[10]認為輔助決策系統(tǒng)是基于知識支持的、旨在幫助駕駛員進行決策的平臺，可幫助駕駛員進行信息管理和飛行控制。此外，金欣[11]、董冬妮等[12]、吳明忠等[13]對駕駛員輔助系統(tǒng)的概念也進行了闡述。

綜上所述，本文給出完整的駕駛員輔助系統(tǒng)概念：通過對飛機傳感器的信息進行分析和融合，將數(shù)據(jù)信息變換為事實信息，經(jīng)過適當?shù)耐评頇C制決策出合理的方案，以語音或圖形方式幫助駕駛員快速完成狀態(tài)認知，并可幫助駕駛員進行信息管理和飛行控制，使駕駛員集中精力于關鍵性的決策，從而顯著提高飛行安全性和任務完成率。

2駕駛員輔助系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1國外研究現(xiàn)狀

當前，美國、英國、俄羅斯及德國等國家均開展了駕駛員輔助系統(tǒng)的研究。

1984年，美國國防預先研究計劃局（DARPA）開展了駕駛助手項目（PA）的研究工作[5]，提出了初步設計理念。1994年，美國在“長弓阿帕奇”（AH-64D）上進行了旋翼機駕駛輔助助手（RPA）的研究工作[7]，輔助駕駛員完成飛行決策，最終評價為“盡管系統(tǒng)的功能并非完全正確，但駕駛員非常青睞”。RPA應用于AH-64D“長弓阿帕奇”改進型和RAH-66“科曼奇”直升機，可以管理綜合信息、減輕工作負擔和增強態(tài)勢感知能力。

RPA的成功研制標志著輔助決策技術開始接近實用階段，并最終在F-22上實現(xiàn)綜合提示/注意/告警系統(tǒng)（ICAW）[14]，將駕駛員從龐大的基礎飛行信息中解放出來，集中于關鍵性決策。ICAW由任務層、決策支持層和信息綜合層組成，對故障信息進行分類和排序，減輕駕駛員負擔。任務層實現(xiàn)任務管理、系統(tǒng)控制、故障診斷管理等功能；決策支持層實現(xiàn)態(tài)勢評估、火控評估、防御/對抗等功能；信息綜合層實現(xiàn)導航功能。

1989年，英國開展認知座艙項目（COGPIT）的研究[15]，系統(tǒng)結構如圖1所示。通過監(jiān)控駕駛員、環(huán)境和飛機狀態(tài)，對當前和隨后的駕駛員操縱指令提出建議與指示。同時，COGPIT完成飛機基本信息的處理，使駕駛員可以集中精力處置關鍵或者緊急的任務事件。

1990年，俄羅斯開展電子飛行員[16]研究，其為一個以人為中心的、基于知識的系統(tǒng)，并應用到蘇-35飛機上，實現(xiàn)了綜合導航、火控系統(tǒng)定位、敵我目標識別、綜合探測、避彈等飛機級綜合功能。

1991年，德國開展單駕駛員儀表飛行操作輔助（ASPIO）[17]系統(tǒng)研究。1995年，德國國防大學研制座艙輔助系統(tǒng)（CASSY）[18]。系統(tǒng)結構如圖2所示，其為一個基于知識的機載駕駛員助手系統(tǒng)，將駕駛員的注意力引導到最緊急的任務或子任務上。2001年，德國完成座艙輔助軍用飛機（CAMA）[19]研究；2008年，德國國防部也啟動了軍用飛機駕駛員輔助（CAMA）[20]系統(tǒng)研究的計劃。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

針對駕駛輔助系統(tǒng)的信息融合、意圖識別、人機交互、態(tài)勢感知等技術領域，國內(nèi)科研院所和高校開展了理論研究。

西北工業(yè)大學于會等[21]分析了駕駛員輔助系統(tǒng)的組織和功能，提出了基于面向對象黑板模型的知識處理解決方案?？哲姽こ檀髮W陳中起等[22]研究了防空戰(zhàn)略作戰(zhàn)的實戰(zhàn)模型，通過建立動力學模型來表示雙方力量的關系。航空工業(yè)自控所呂占喜分析了基于黑板模型的駕駛員輔助方法，以系統(tǒng)狀態(tài)管理為例，將駕駛員的經(jīng)驗轉換成規(guī)則。西北工業(yè)大學武俊兆等[23]研究了駕駛員輔助系統(tǒng)自動化級別的動態(tài)調(diào)整方法，實現(xiàn)了多種決策信息融合的動態(tài)調(diào)整策略。綜上可知，駕駛員輔助系統(tǒng)已成為各國的重點研究方向。在理論研究的基礎上，國外已開展了駕駛員輔助系統(tǒng)的工程化應用。國內(nèi)重點開展了模型建立、數(shù)據(jù)庫設計、規(guī)則轉換等關鍵技術研究，缺少駕駛員輔助系統(tǒng)的體系化研究。此外，駕駛員輔助系統(tǒng)應加強人工智能技術的應用，以增強駕駛員態(tài)勢感知能力、應對非預見性的任務場景和提高駕駛員的決策能力。

3駕駛員輔助系統(tǒng)結構

輔助系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)信息變?yōu)槭聦嵭畔?，?jīng)過適當?shù)耐评頇C制決策出合理的方案，輔助駕駛員操縱，或發(fā)送控制指令至各系統(tǒng)，自動執(zhí)行決策指令。系統(tǒng)結構如圖3所示。駕駛輔助系統(tǒng)包含系統(tǒng)狀態(tài)模塊、態(tài)勢評估模塊、任務規(guī)劃模塊、戰(zhàn)術規(guī)劃模塊和人機接口模塊。各模塊原理如下。

（1）系統(tǒng)狀態(tài)模塊

系統(tǒng)狀態(tài)模塊的原理如圖4所示，評估系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)對飛機的影響程度，提示與當前飛機狀態(tài)不匹配的駕駛員操縱指令，并對故障操縱進行糾正。此外，在狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的基礎上，該模塊還負責監(jiān)控飛機狀態(tài)參數(shù)，同時給出系統(tǒng)故障情況下的操縱方案，通過人機接口模塊提供給駕駛員。

（2）態(tài)勢評估模塊

態(tài)勢評估模塊原理如圖5所示。通過人機接口獲取駕駛員操縱指令，結合飛機狀態(tài)信息和信息流，以及其他模塊的數(shù)據(jù)，如人機接口模塊得到的駕駛員操縱意圖、任務/戰(zhàn)術規(guī)劃模塊得到的規(guī)劃數(shù)據(jù)，對信息進行監(jiān)控管理和信息流管理，并對人機接口、任務/戰(zhàn)術規(guī)劃器的數(shù)據(jù)進行更新。

（3）任務規(guī)劃模塊

任務規(guī)劃模塊原理如圖6所示?；陲w行先驗數(shù)據(jù)構建威脅數(shù)據(jù)庫，當外部環(huán)境改變時，根據(jù)威脅環(huán)境需求更新矩陣，結合最優(yōu)控制器的數(shù)據(jù)，完成路徑重規(guī)劃。在此基礎上，結合飛機系統(tǒng)狀態(tài)信息，完成規(guī)劃評估選擇，綜合威脅數(shù)據(jù)庫信息，完成威脅目標定位、規(guī)劃數(shù)據(jù)監(jiān)控、任務路徑規(guī)劃和戰(zhàn)術路徑規(guī)劃。

（4）戰(zhàn)術規(guī)劃模塊

戰(zhàn)術規(guī)劃模塊原理如圖7所示，由重點關注、戰(zhàn)術選擇、專門化、無沖突規(guī)劃子模塊組成。戰(zhàn)術規(guī)劃綜合平臺為軟件實現(xiàn)模塊，與其他模塊完成軟件交互。重點關注預先設置需要關注的態(tài)勢，經(jīng)戰(zhàn)術選擇子模塊選取當前最優(yōu)的戰(zhàn)術，結合態(tài)勢評估、系統(tǒng)狀態(tài)等信息，完成武器、通信、機動等規(guī)劃，供駕駛員使用。

（5）人機接口模塊

人機接口模塊原理如圖8所示，由意圖推理器、差錯監(jiān)控、自適應輔助決策以及信息管理器構成。意圖推理器基于飛機數(shù)據(jù)和飛行操縱推理駕駛員意圖，識別出無法解釋的操縱，傳送到差錯監(jiān)控模塊。差錯監(jiān)控分析出可能存在的風險，傳送給自適應輔助決策模塊，給出糾正操縱供駕駛員使用。

4發(fā)展展望

4.1當前研究的不足

對比國內(nèi)目前的研究重點，存在以下不足。

（1）針對駕駛員需求的研究不充足

作為飛行操縱的核心環(huán)節(jié)和輔助系統(tǒng)的使用方，駕駛員對于飛行操縱穩(wěn)定性、飛機響應速度、顯示界面清晰度、故障告警優(yōu)先級、駕駛桿/盤反饋力大小，以及駕駛艙操縱指令的靈敏度等提出的飛行體驗和改進意見，將對駕駛輔助系統(tǒng)的完善起到關鍵作用。然而，受到與軍用飛機駕駛員交流途徑的限制，針對駕駛員需求的研究資料非常有限，有接觸途徑的科研院所人員應開展駕駛員需求專項研究。

（2）針對知識庫的研究不充足

知識庫是駕駛輔助系統(tǒng)的技術基礎?，F(xiàn)有資料通常根據(jù)飛行/操縱先驗知識、飛機/環(huán)境模型、飛機狀態(tài)參數(shù)，從單一的設計師角度構建靜態(tài)數(shù)據(jù)庫。然而，由于不同駕駛員的操縱體驗存在差異、飛機飛行場景逐漸增加、飛行參數(shù)逐步完善等因素，需從設計師、駕駛員、觀察員等不同維度建立輔助系統(tǒng)的知識庫，隨著時間的發(fā)展和飛行次數(shù)的增多，知識庫可進行自主完善。

（3）針對操縱權限的研究不充足

在復雜環(huán)境下飛行時，涉及一個重要的問題：駕駛員操縱權限分配。在不同的危險環(huán)境下，輔助系統(tǒng)執(zhí)行哪些操縱，駕駛員完成哪些操縱，將影響系統(tǒng)的軟/硬件設計和駕駛員的體驗感。然而，對飛機類型的劃分、功能場景的分類、駕駛水平的劃分，以及輔助級別的分類，從而完成駕駛員操縱權限的劃分，缺少詳細的研究。

（4）針對系統(tǒng)交聯(lián)的研究不充足

對于國內(nèi)外有人飛機，通常由航空電子系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、機電管理系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)等機載系統(tǒng)組成。經(jīng)過幾十年的航空研究和工程應用，系統(tǒng)間交聯(lián)關系和軟硬件設計界面清晰，飛機安全性和可靠性等滿足設計需求。然而，對于駕駛輔助系統(tǒng)的系統(tǒng)定位和現(xiàn)有機載系統(tǒng)的軟/硬件交聯(lián)關系，缺少詳細的理論研究與地面試驗，將不利于輔助系統(tǒng)的機上應用。

4.2未來研究的展望

在未來的研究中，應重點開展以下工作。

（1）信息融合技術

作為減輕駕駛員負擔和提高飛行安全的系統(tǒng)，駕駛員輔助系統(tǒng)將面向飛機頂層，采集各機載子系統(tǒng)的信息，包括航空電子、飛行控制、機電管理、發(fā)動機控制等系統(tǒng)，以及座艙操縱指令、飛機飛行狀態(tài)、顯控告警信息等，提高飛機的性能。在信息融合數(shù)據(jù)模型的基礎上，對采集的多傳感器信息采用融合算法處理。在一定準則下，加以自動分類、綜合、分析、處理，完成數(shù)據(jù)融合和評估分析，從而獲得較為準確的飛機狀態(tài)、飛機構型、機載系統(tǒng)狀態(tài)和駕駛員操縱意圖等。

以指示空速信息融合為例，航空工業(yè)一飛院開展了大飛機空速異常時重構方法研究，原理如圖9所示。當空速正常時，通過地速和真空速實時計算風速，存入風速數(shù)據(jù)庫。當空速異常時，由于風速傳感器可能出現(xiàn)故障，需要判斷風速傳感器的信號正確性?；诮?jīng)驗選取風速數(shù)據(jù)庫中近八拍的風速平均值，與當前風速傳感器值進行對比，若誤差小于風速平均值的5%，則傳感器正常。由風速和故障時刻的地速計算真空速，結合當前飛行高度、溫度信號，確定真實的指示空速，供駕駛員進行故障狀態(tài)改出。試驗結果表明，指示空速信息融合的算法有效。

（2）意圖識別技術

基于信息融合的事實信息，通過飛行狀態(tài)和環(huán)境信息等建立知識庫，對駕駛員操縱指令進行分析，引入決策層信息融合，識別出操縱意圖。當操縱意圖與當前飛行狀態(tài)不符時，以合適的文字、圖形、語音、燈光提醒駕駛員。

在提示駕駛員誤操縱之后，輔助系統(tǒng)在簡圖頁給出相應的處置措施，包括危險狀態(tài)提示、故障狀態(tài)改出方法、操縱指令建議等，并分析誤操縱的原因。

（3）綜合告警技術

對于正確的操縱指令，與駕駛員交流確認后，以駕駛員青睞的顏色、字體、圖形在主顯和簡圖頁中顯示。對于多種告警信號和故障原因，在有效顯示區(qū)域進行分配，使得所需的信息顯示到指定區(qū)域中，供駕駛員高效率使用。

當多個告警信息發(fā)生時，顯示技術對告警信息的優(yōu)先級進行分類，并按優(yōu)先級高低逐次顯示。當駕駛員按序執(zhí)行故障改出操縱時，光標應跟蹤改變，且區(qū)分已完成步驟和未完成步驟的字體顏色，從而輔助駕駛員快速、清晰、準確地完成飛行操縱。

在大運飛機設計中，由于機載系統(tǒng)告警條目繁雜、多系統(tǒng)并發(fā)報故時駕駛員壓力大等，以傳統(tǒng)機載系統(tǒng)告警設計為依托，開展了基于多系統(tǒng)故障并發(fā)的綜合告警技術，將飛機多系統(tǒng)的多個告警信息進行綜合評估后，建立告警故障樹，對告警信號進行排序、抑制和組合，并給出故障安全危害等級和操作建議，以有效減輕駕駛員的心理壓力，防止駕駛員錯誤操縱影響飛機安全，原理如圖10所示。

（4）人機協(xié)同技術

駕駛員輔助系統(tǒng)需基于不同的設計準則，對輔助功能進行等級判定，制訂人機功能分配方案，從而對駕駛員與系統(tǒng)功能的優(yōu)先權進行合理劃分，極大地提高情感感知的智能化和決策的自動化程度，提高人與系統(tǒng)的協(xié)作能力，提高任務有效性和安全性。將駕駛員操縱能力、飛機性能、戰(zhàn)場態(tài)勢等因素納入評估指標體系，使輔助評估技術更加全面可靠，也為駕駛員的后續(xù)決策提供更加準確的支持。

面對駕駛員成本高昂、成熟駕駛員短缺等問題，中國商飛公司牽頭開展了基于人工智能技術的單一駕駛員研究[25]。通過“單一駕駛員+駕駛艙自動化機組系統(tǒng)+地面操作員”的飛行駕駛協(xié)同模式，實現(xiàn)從起飛機場到目的機場的飛行過程，覆蓋門到門全飛行階段，滿足雙駕駛員決策能力、效率和有效性，如圖11所示。對于傳感器信息采集，通過語音傳感器實現(xiàn)駕駛員與駕駛艙自動化機組系統(tǒng)的信息交互。通過視覺傳感器讀取儀表面板和監(jiān)視儀表的數(shù)值，以及開關控制按鈕的位置。對于功能重分配，按照知識庫存儲的安全性、難易程度、操作時間等評判準則，結合不同屬性特點、飛行駕駛軟件局限，完成飛行程序的分解和歸屬定義。隨著飛行架次的增加，應用智能技術實現(xiàn)評判準則知識庫的自主完善，以實現(xiàn)最優(yōu)人機分配。

（5）工程實現(xiàn)技術

對于駕駛員輔助系統(tǒng)，工程實現(xiàn)是關鍵技術。如果輔助系統(tǒng)由軟件模塊實現(xiàn)，應選擇合適的機載設備進行駐留，并滿足系統(tǒng)的六性指標要求。如果輔助系統(tǒng)由硬件設備實現(xiàn)，應考慮硬件板卡的設計、操作系統(tǒng)的選擇、交聯(lián)系統(tǒng)的通信邏輯等，在現(xiàn)有機載系統(tǒng)上完成輔助系統(tǒng)的擴充。

5結束語

在國內(nèi)外學者的研究基礎上，本文給出了駕駛員輔助系統(tǒng)的完整概念。通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，作為一個智能的、以人為中心的、基于知識的系統(tǒng)，駕駛員輔助系統(tǒng)集成了操縱意圖識別、誤操作監(jiān)控、危險狀態(tài)改出等多種功能，已成為國際航空領域的重點研究方向。隨后，研究了駕駛員輔助系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，包括系統(tǒng)狀態(tài)模塊、態(tài)勢評估模塊、戰(zhàn)術規(guī)劃模塊、任務規(guī)劃模塊和人機接口模塊。最后，分析了當前研究的不足，以及未來研究的展望，將為國內(nèi)先進飛機的駕駛員輔助系統(tǒng)研究和型號研制工作提供技術支持。

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Research Status and Development Prospect of Pilot Assistance System

Wu Jiaju1，Su Xingjun2，Zhu Yan1

1. AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

2. Chinese Flight Test Establishment，Xian 710089，China

Abstract： Aiming at the problems that pilots are difficult to process massive information quickly， the flight environment is changeable， and the psychological limitation under high-intensity burden， the Pilot Assistance System （PAS） emerges as the times require. Based on the description of PAS by scholars at home and abroad， this paper gives a complete concept of pilot assistance system， expounds the research status of PAS in detail， analyzes the principal structure of PAS， puts forward the deficiency of current research and the prospect of future development of PAS， and gives some engineering application examples， which provides a reference for the follow-up domestic development in this field and model development work.

Key Words： PAS； principal structure； development prospect； engineering application