民用飞机信息重构技术性能分析

2019-03-04许健吴磊褚江萍何珂

航空学报 2019年2期

许健，吴磊，褚江萍，何珂

中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210

在飞机运行相关的适航规章和咨询通告[1]中，特别规定和强调了机组资源管理(Crew Resource Management, CRM)的重要性。着眼于如何有效地利用人员、设备、信息来保证飞行安全，其本质是强调人员之间的合理分工和有序协作。

民用飞机系统，尤其是显示系统的信息组织方式应充分考虑飞行机组之间的职责分工与协调配合的问题。

为了给驾驶舱显示信息的组织方式提供理论数据，Roger等[2]采集并量化分析了各飞行阶段上飞行员对显示信息的需求程度，并提出了一些信息布局和显示分配的建议。Paul和Anna[3]讨论了不同的任务管理策略组合方法对机组工作负荷以及监控和应对系统故障能力的影响。Loukia等[4]讨论了合理的任务操作流向设计能够帮助飞行机组有效地管理操作任务。Edwin[5]还讨论了信息流向的设计对交互行为的帮助，并展望了以自动化信息组织方式来辅助飞行员决策的设计理念。基于人因学和机组任务知识数据集，Ken和Rolf[6]设计的任务代理系统在实现任务优先级排序的同时还能通告与任务目标相冲突的操作，其实验结果表明了具备一定智能水平的自动化系统对飞行安全和效率的帮助，还证明了任务需求才是系统设计的根本。

显示系统是飞行机组获取信息的首要来源。在新一代机型中广泛使用的大尺寸显示器为人机交互系统的设计带来了诸多便利。① 进一步提高了信息集成度，有利于减轻工作负荷。② 信息的管理更简单、灵活，有利于优化信息的组织和任务流向。③ 方便应用虚拟控制技术，在显示与控制功能融为一体后，使得交互过程更加直观。

但是，大尺寸显示器的应用首先需要解决好以下3个问题，才能体现其技术优势：

1) 如何根据操作任务的特性合理组织信息。

2) 在CRM理念的指导下，如何根据飞行机组的职责分配和人机工程学要求，选择合适的显示器尺寸、布局。

3) 由于系统集成度高，在发生显示器故障时更容易诱发显示信息的共模失效。如何选择显示管理策略，使得重构后的信息组织形式仍满足机组任务的需要。

以上3个问题相互关联，并影响信息重构性能。

1 民用飞机飞行机组的职责与职责分配

在当前的适航规章框架内，商用飞机为了完成一次航班任务，离不开飞行员的主动参与。在人机交互的层面，包括飞行机组在内，适航规章要求每架飞机应具备两套独立工作能力的系统[7-9]。因此，除了机载设备之间的余度备份关系外，还应考虑双人制飞行机组成员之间的分工和协作关系。

总体上，飞行机组职责包括飞行、导航、通信与协调、系统管理4个方面[10]。

在航前和航后阶段，飞行机组的角色分为机长与副驾驶，但在飞行期间则转换为把杆飞行员(Pilot Flying, PF)和监控飞行员(Pilot Monitoring, PM)，且可相互交换，但机长具有最终决策权和执行权。每位飞行机组成员都要负责各自区域内的操作任务，且在职责互换前，飞行机组各自都应清楚了解重新分配后的责任。相应一侧的系统工作方式还需与机组的职责分工相匹配。

PF的职责包括：① 控制滑行与飞行；② 导航。PM的职责包括：① 系统管理；② 通信与协调；③ 执行PF交办的任务；④ 监控滑行与飞行。其中，系统管理包括机载系统工作构型的控制、状态监控与故障处置、阅读检查单。

2 综合显示信息及其任务场景分析

实际运行场景下的操作任务需求是系统设计的基础。因此，在航电系统研制的初始阶段，包括人机接口、功能逻辑、总体构架在内的各个方面都应该围绕飞行机组操作任务需要及其相应的职责分配关系。

现代民用飞机已经普遍采用高度集成化的驾驶舱显示系统(Cockpit Display System, CDS)作为实现航电系统人机交互的平台。

显示分配是CDS设计的出发点也是重点之一，包括空间和时间2个维度，反映的信息流向对人管理操作任务的性能有着重要影响。根据各种任务场景下的人机工程学要求(尤其是交互频度与实时性)，既需要确定显示信息的空间范围，还需要确定持续时长(分时或者常显示)。这两者往往密不可分，即需要常显示的信息一般应分配到人机工程学所定义的最优空间上，分时显示的信息则次之。

服务于飞行机组4大职责的最主要信息一般包括以下3个集合：

1) 主飞行显示(Primary Flight Display, PFD)主要服务于飞行职责。

2) 导航地图显示(Navigation map Display, ND)主要服务于导航职责。

3) 发动机与驾驶舱告警显示(Engine and flight deck alerting Display, ED)的系统监控与告警功能主要服务于系统管理职责。此外，发动机推力和气动构型信息，相关的操作警告及其解释则服务于飞行职责。

除了调谐通信频率和数据链的上下行消息管理的操作，通信和协调职责当前主要体现在语音通话上，且通信系统的产品相对经典和独立。因此，其不一定需要依赖CDS实现人机交互。

PFD一般集成了众多短周期、动态性强的飞行信息(例如，空速、姿态、自动飞行模式通告、交通与地形规避导引等)，这些信息在起飞、进近、着陆等高任务负荷的飞行阶段上直接影响飞机的操纵安全性。因此，应方便飞行机组能以最快捷的方式获取。典型的如，Basic T信息布置在飞行员主视场(Primary Field of View, PFOV)内的要求[11-17]。

ED中的发动机推力和气动构型与飞行密切相关。在起飞和爬升等需要快速获得净空和捕获高度层的飞行阶段上，推力以及维系推力的发动机工作状态是决定飞行安全的重要信息[18]。此外，集中化的机组告警信息与系统管理相关，在机载系统发生故障或操作行为激活边界条件时，触发的告警信息需要飞行机组立即知晓。从飞行和系统管理职责所对应的任务要求上讲，ED中的信息既有实时性要求，又需要方便飞行机组成员们同时观察和讨论，促进他们对系统状态理解的一致性，从而也有利于机长做出合理决策。

ND一般集成了飞行计划、导航数据库、空中交通态势、气象和地形等与飞行轨迹相关的信息[19]。虽然可根据目标相对飞机本体距离的远近区分任务实时性，但民用飞机尤其是商用飞机须在空管体制下按照既定的飞行计划运行，除了在终端区上操作任务的实时性要求较高以外，本质上，导航任务是一个计划性很强的连续稳定过程，相对于PFD和ED在动态实时性和飞行安全方面的严格程度，ND具备分时显示的条件。尤其在采用大尺寸显示器将小范围的导航信息与PFD集成的情况下更是如此。

随着以ARINC661规范为基础的图形化用户接口(Graphical User Interface, GUI)虚拟控制技术在新机型上的广泛应用，CDS已经具备融合显示与控制两大人机交互元素的基础，从而在实现平台化、模块化系统构架的同时，朝着航电人机交互平台的方向不断发展。目前，飞行管理系统(Flight Management System, FMS)、综合监视系统(Integrated Surveillance System, ISS)、数据链(Data LinK，DLK)、无线电调谐、电子检查单(Electronic CheckList, ECL)、电子断路器(Electronic Circuit Breaker, ECB)等众多功能已经实现了与CDS的集成。由于这些功能并不直接关系到飞行安全，虽然使用频度有所差别，但在任务实时性和安全性要求上处于同等水平，因此，也具备分时显示的条件。

综合CRM的理念、任务需求与职责分配以及相关工业标准[4]中的人机工程学要求，现代民用飞机的显示分配和飞行机组工作区的对应关系如图1所示。

3 显示布局设计分析

3.1 驾驶舱空间几何与视场分析

基于适航规章对驾驶舱空间的可达性要求，以及工业标准[20]和人体测量学的数据分析[21]，当考虑到左右座飞行机组都能方便地操作中央操纵台上油门杆的整个行程时，两者的最优设计眼位(DEP)距离在40～42 inch(1 inch=2.54 cm)之间。以该设计眼位距离为基准，同时考虑以下方面的几何关系：① 驾驶舱外视界要求[22]；② 仪表板上操纵器件的可达性要求对仪表板与设计眼位之间的距离约束[23]；③ 坐姿下人体大腿上表面对仪表板下沿的空间需求；④ 每位成员的PFOV在仪表板上的投影区域。PFOV在仪表板上的投影如图2 所示。

图1 显示分配与飞行机组工作区的对应关系Fig.1 Display allocation in flight crew operation zone

当综合以上因素，并选取设计眼位到主仪表板的距离约为27 inch时，从图2上可以得出以下结果：

1) 每侧最优PFOV的覆盖范围大约为宽14 inch，高11 inch。

2) 两者次优PFOV的覆盖范围大约为宽9.5 inch，高11 inch。

3) 由于考虑仪表板上操纵器件可达性的要求(例如起落架收放手柄，备用仪表控制，触摸屏控制等)，在公共操作区内，两者的次优PFOV无重叠。

图2 PFOV在仪表板上的投影Fig.2 Spatial projection of PFOV on instrument panel

3.2 显示器布局权衡

为了降低型号研制的技术和经济风险，控制研制周期，在系统总体设计、系统平台开发等核心业务之外，民用飞机机载设备普遍采用技术成熟、性能可靠的商用货架产品。在民用飞机大尺寸显示器市场上，产品规格主要集中在对角线长度为14～15 inch的宽屏(宽高比为16：10)和正屏(宽高比为4：3)。

由于PFD的显示格式有着严格要求[12]，其姿态区的中心线与设计眼位又近乎重合[24]，因此，从整体上，PFD的格式接近于一个镜像对称的布局关系。与此同时，如果考虑充分利用仪表板的面积，以采用同一规格的15 inch显示器为例，一般有如图3所示的3种显示器布局方案。

图3(a)的布局方案对飞行机组PFOV的利用率最低。而如图3(b)所示，受PFD格式所要求的几何关系影响，最外侧的两块显示器将不得不在各自的外侧划分出一块较窄的区域。除执行五边进近程序时使用的计时信息外，在紧邻PFD的区域上并不适合布置实时性和安全性要求都低于PFD的信息，尤其是动态变化的信息，否则将明显分散飞行员观察PFD时的注意力。

如图3(c)所示，最外侧的两块显示器几乎被设计眼位线平分，在容易满足PFD布局要求的同时，飞行机组最优PFOV的利用率也是最高。

图3 3种显示器布局方案的对比Fig.3 Comparison of three schemes of display layouts

综合以上分析，仪表板上采用4块正屏大尺寸显示器的布局相对更合理一些。CAD的仿真结果也佐证和解释了目前市场上最新一代大型飞机更倾向采用该布局的技术原理。

4 显示分配及其显示管理策略分析

4.1 驾驶舱显示分配方案

仪表板上安装4块显示器的方案明显能为飞行机组提供更多分时显示窗口。与此同时，多数飞机会在中央操纵台前安装一块同样尺寸的显示器，其目的是为飞行机组在公共区扩充显示资源，方便飞行机组共享和讨论。它可供任务实时性较低，但使用频度高的系统使用，例如FMS和ECL。

显示器数量的增加不仅能提高CDS整体的可用性，提高签派率，也有利于提升信息重构的灵活性。

在根据职责分配，信息综合，操作任务需求，以及显示布局的分析结果，基本显示分配方案及飞行机组的操作流向如图4所示。

图4 基本的显示分配方案及操作流向(机长为PF角色时)Fig.4 Primary display allocation scheme and operational flow (Caption is PF)

从主要信息的布局上看，PFD在左右两侧，ED居中并偏向PF一侧，其他位置为分时显示窗口。每一侧飞行员的操作流向均为由外向内，由上到下的顺序。

4.2 显示管理策略分析

由于在安全性方面的高标准，民用飞机系统设计具有高冗余度的特征，这不仅体现在设备冗余数量上，更体现在构架和功能重构逻辑的设计上。

以ARINC661规范为基础，CDS具备提供更为灵活的窗口管理能力[25]，即安装在驾驶舱内的每个显示器具备同样的软硬件构型，显示的信息由显示器以外的显示管理模块负责调度。当有显示器失效时，显示管理模块可以根据剩余可用显示器的布局关系，以既定的重构策略为飞行机组提供继续完成飞行任务所必需的信息。

显示管理策略不仅要以前述显示分配的原则为基础，其重构后的显示信息布局应有利于维持既有或交换后的职责分配，且仍应保持正常的任务流向，以降低失效所带来的额外工作负荷。因此，当发生显示器失效时，显示管理策略应考虑以下方面：

1) 应尽量保持正常显示格式，维持飞行机组的信息观察流向。这里包括窗口尺寸，窗口内的信息布局，以及PFD和ED这些重要信息的相对位置关系。

2) 根据操作任务在空间和时间上的优先级确定对应信息的重构优先级。

3) PFD应尽量靠近两侧的独占区，并尽可能靠近飞行员的PFOV。

4) ED应尽可能靠近中间的公共区，并尽可能靠近飞行机组的PFOV，尤其是PF一侧的PFOV。

5) 在具备稳定飞行的条件下，才可以考虑压缩PFD和ED窗口，为分时显示的信息释放窗口资源。

5 信息重构方案对比与性能分析

5.1 信息重构性能评价要素

总体上，信息重构的性能具体与以下几方面的要素有关：① 正常操作流向的保持；② 压缩格式；③ 重构操作；④ 职责分配的一致性。其中，压缩格式是一种非常见的信息布局关系，由于空间和尺寸的变化，容易导致认知负荷的增加；如果需要手动操作重构逻辑，也会增加工作负荷；当故障导致需要转换机组职责时，重构后的显示布局与职责是否保持一致也将显著影响机组之间的协调和配合。

5.2 信息重构性能评价

根据前述的重构策略，讨论PFD重构性能时主要考虑外侧2块显示器失效的情况，而ED则主要考虑内侧处于公共区的2块显示器失效的情况。

基于评价要素，通过对比现役某新型飞机的重构方案，有以下分析结果。其中，本文提出的为方案A，对比机型的重构方案为方案B。

当单块外侧显示器失效时，重构方案对比如图5所示，重构性能评价如表1所示。

2种方案均为自动重构，但由于单块显示器失效的概率相对较高，方案B出现的压缩格式不得不需要飞行员经常接受培训。而方案A尽可能地保持了正常PFD格式，且一侧的PFD脱离最优PFOV属于相对不利于PF操作的情况，此时，一般由对侧飞行员接管PF职责，方案A的ED也随之自动交换到另一侧，此时右侧的PFD和ED布局完全满足其执行PF职责。

当外侧2块显示器失效时，重构方案对比如图6所示，重构性能评价如表2所示。

图5 单块外侧显示器失效时重构方案对比Fig.5 Comparison of reconfiguration scheme under single outboard display failure表1 单块显示器失效时重构性能评价Table 1 Performance evaluation on reconfiguration under single outboard display failure

评价要素方案A方案B正常操作流向的保持是是未出现压缩格式是否无需重构操作是是与职责分配一致是否

图6 外侧2块显示器失效时重构方案对比Fig.6 Comparison of reconfiguration scheme under two outboard display failures表2 外侧2块显示器失效时重构性能评价Table 2 Performance evaluation on reconfiguration under two outboard display failures

评价要素方案A方案B正常操作流向的保持是是未出现压缩格式是否无需重构操作是是与职责分配一致是是

以上2种方案都将ED重构在了公共区，而方案A通过下移ED而不压缩PFD格式的考虑是2块显示器失效来源于单块显示器失效的状态，在飞行过程中如果发生以上情况，飞机一般已离开了起飞阶段，此时，相对于起飞阶段，保持发动机工作状态的情景意识对维系飞行安全的重要性相对较低。否则，在地面上如果有主仪表板上的显示器失效，飞机一般不能保留该故障状态而被放行，也就没有了后续飞行场景。在单块显示器故障的情况下，为继续达到签派的目的，维护人员一般会将中央操纵台上的显示器与故障显示器交换，保持主仪表板4块显示器的信息布局与正常情况无异，即使在起飞期间再次发生显示器失效，类似单显示器失效的重构方法仍能保证一侧的PFD和ED都在PFOV内。

当内侧2块显示器失效时，重构方案对比如图7所示，重构性能评价如表3所示。

图7 内侧2块显示器失效时重构方案对比Fig.7 Comparison of reconfiguration scheme under two inboard display failures表3 内侧2块显示器失效时重构性能评价Table 3 Performance evaluation on reconfiguration under two inboard display failures

方案B在自动重构时通过隐藏ED的方式，保持了正常格式的PFD，以突出飞行职责。但该重构逻辑与图6中的方案B突出系统管理职责的理念并不一致。此外，隐藏ED后导致无法保持正常的操作流向，为解决这种问题又需增加各自一侧的手动操作来压缩PFD并恢复ED到内侧。由于外侧显示器相距较远，单个ED无法落在机组公共视场范围内，因此还额外需要左右座机组各自分别配置ED。