飞机驾驶舱指示灯亮度指标研究

黄顺云，李浩然，林燕丹

(1.航空工业上海航空电器有限公司，上海 201101；2.复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，上海 200433)

引言

飞行员从周围环境中获取信息的最主要途径是视觉，大约占所获信息总和的80%，且视觉主导了其在飞机驾驶舱中75%～90%的行为活动[1]，视觉功能的充分发挥对于飞行员至关重要。影响飞行员视觉功能的主要因素是驾驶舱内外的光照环境，舱外从漆黑的夜间到夏天正午的阳光直射，跨度可达10～12个数量级；舱内由于结构原因，不同部位照度会相差数百倍。眼睛适应如此的光照变化需要几分钟或更长时间，严重影响飞行员的及时判断与准确操作。因此，合理的舱内照明与显示设计是完成飞机任务的必要条件。驾驶舱指示灯为飞行员提供飞机各系统的信息，在任何可能的照明条件下，指示灯信息都必须能够被飞行员迅速识别且不会产生不必要的干扰。因此，指示灯的亮度指标是设计的重点之一。

本文针对飞机驾驶舱指示灯的亮度，调研了国内外行业标准和在研、运营的机型定义，从人眼视觉特性出发分析影响视觉工效的因素，并由人机工效试验得出相应的结论，以期为飞行员提供合理、舒适的驾驶舱光环境，进一步保障飞行安全。

1 国内外现状

1.1 飞机驾驶舱指示灯

在驾驶舱人机界面的设计中，告警系统保障飞行员工作效率与飞行安全。其中，用于视觉告警的指示灯大部分位于控制板组件上，以圆点或字符形式显示飞机驾驶状态、航行状况、机体信息等，示例如图1所示。根据不同机型的不同功能，各类指示灯基于状态信息和反馈需求显示不同颜色的字符、对应不同的应用，一般分为警告、注意与提示信息三个等级。随着外部光环境的改变，指示灯的亮度需随之改变以适应人眼生理要求从而被飞行员迅速识别且不会出现眩光等干扰，为此指示灯的亮度调节一般分为用于白天阳光直射的亮模式和夜间低照度的暗模式。

1.2 国外标准

从20世纪50年代开始，美、英等国在飞机告警领域进行了比较深入、系统的研究，制定了一系列关于飞机驾驶舱告警的标准，常用的由美国汽车工程师学会(Society of Automotive Engineers，SAE)和美国军用规范(Military Specification，MIL)制定。其中，与飞机驾驶舱指示灯亮度指标相关的标准如表1所示。

图1 飞机驾驶舱指示灯示例

表1 与驾驶舱指示灯亮度指标相关的MIL标准

MIL-PRF-22885/108定义了阳光下可读(亮模式)的亮度指标如表2所示，不同的颜色有不同的下限要求。MIL-STD-411相关指标定义如表3所示，不同的颜色定义了相同的BRT(亮模式)亮度下限要求。对于注意类和提示类信号，如果有夜视兼容要求，则DIM(暗模式)的亮度应能调至0.1fL(0.34 cd/m2)。

表2 MIL-PRF-22885/108相关亮度指标要求

表3 MIL-STD-411相关亮度指标要求

1.3 国内标准

国内的航空制造业起步较晚，相关标准多是参考国外标准，涉及飞机驾驶舱指示灯亮度指标的主要有GJB 1006《飞机座舱告警基本要求》[4]、GJB 2020A《飞机内部和外部照明通用规范》[5]、GJB 1394《与夜视成象系统兼容的飞机内部照明》[6]，具体信息如表4、表5所示。

表4 GJB 2020A相关亮度指标要求

表5 GJB 1006相关亮度指标要求

与MIL-STD-411相似，GJB 1006和GJB 2020A对不同告警等级的指示灯以颜色区分，为警告类红色、注意类黄色、指示类绿色，同一标准中不同颜色的指示灯昼间(亮模式)的亮度指标一致，GJB 2020A设定了上下限制，而GJB 1006仅定义下限。对于夜间(暗模式)的亮度，两份标准的要求相同，为不同的告警等级定义不同的亮度，告警等级高的亮度更高。GJB 2020A对于夜间(暗模式)的亮度还有连续调光的要求：在整个控制范围内，随着亮度调节机构的线性转动，各类信号灯应按亮度的对数增大或减小。虽然描述不佳但明确了设计应符合人眼生理特征。GJB 1394除注意灯和提示灯增加了“应能暗至0.34 cd/m2”，其他要求均引用GJB 1006。

1.4 现有机型指标

针对在研及运营的机型，选择2款国内民用机型、2款国内军用机型与波音系列机型进行对比，它们的驾驶舱指示灯亮度指标如表6所示。亮模式主要为阳光下的可读性服务，综合各机型亮度范围在514.5～1 715 cd/m2。暗模式主要为照度较低或黑暗环境服务，综合各机型亮度范围在15～82.3 cd/m2。各机型的设计基于标准有小幅调整，国内民用机型会参考已有机型的经验。出于区分告警等级的考虑，波音系列机型中绿色和白色指示灯的亮模式亮度偏低、民用机型1的主警告与主注意暗模式亮度偏高，其他机型的各类颜色无论在亮模式还是暗模式均是统一的亮度。军用机型2在暗模式有调光要求，其他机型无此要求。

表6 各机型指示灯亮度指标对比

2 视觉生理特性

人的眼睛是一个直径约为2～2.5 cm的近似球体，光线射入瞳孔，经过晶状体、玻璃体后到达视网膜，被感光细胞(Photoreceptor)吸收。视网膜上有两种不同的感光细胞，视杆细胞(Rods)与视锥细胞(Cones)。前者分布在视网膜周边、对光非常敏感，负责暗视觉；后者集中在视网膜中心区域，对光敏感度较低、对色彩敏感，负责明视觉。

图2 人眼结构

视锥细胞又分为三种，分别敏感于光谱短波、中波和长波段的部分。如图3所示，S、M、L和R分别对应于短波敏感视锥细胞、中波敏感视锥细胞、长波敏感视锥细胞和视杆细胞的光谱响应曲线[8]。

图3 视锥细胞与视杆细胞光谱响应

为适应自然界高动态的亮度变化，人体的视觉系统处于动态适应的状态，视锥细胞与视杆细胞对于外界光能的响应类似对数关系，即当光源光能上升，视觉对高光能的响应会迟缓，见图4(b)。为此，指示灯的亮度调节需使用类似指数的曲线，以匹配视觉响应的需求，见图4(a)。最终可以得到用于控制指示灯的电压(或电流)输入与视觉响应呈线性关系，见图4(c)。GJB 2020A中“随着亮度调节机构的线性转动，各类信号灯的明度应能按亮度的对数增大或减小”的描述应是表达这个原理，但描述不清晰，各机型对此应用也很少。虽然现行飞机驾驶舱指示灯大多是亮、暗两种模式的分档调光，但如果要增加连续调光功能应将此类视觉特性纳入设计考量。

图4 人眼感受与指示灯光能的关系

3 人机工效试验

依据上述调研的飞机驾驶舱指示灯亮度指标，设计以下人机工效试验以确认符合人眼视觉需求的光学性能。试验以外界光照环境为变量，针对不同颜色的指示灯进行三种情况的评价：a)字符刚好可以被识别，b)字符感觉最舒适，c)字符刚感觉刺眼。试验在模拟驾驶舱中进行，试验条件如下。

被试人员：共12人，男女性别平衡，视力不小于0.8，年龄在20岁以上，学历大专以上，色觉正常，试验前进行培训能够稳定地掌握主观评价标准。

光照条件：指示灯表面照度值分别为0.1 lx 、1 lx、10 lx、100 lx、1 000 lx、1 700 lx、50 000 lx的照度条件，光源色温为5 000±500 K，显色指数大于80。

环境：温度20～25 ℃、相对湿度20%～80%。

指示灯：红、琥珀、绿3种颜色，字符亮背景黑，亮度可调节范围0～3 000 cd/m2。

测试设备：成像亮度计：测量范围0.1～999 900 cd/m2，亮度精度高于±2%，色度精度高于±0.004；色彩照度计：测量范围0.1～99 990 lx，亮度精度高于±2%，色度精度高于±0.002。

图5 试验用模拟舱环境

试验时，被试者坐在指示灯正前方，调整眼位视线与指示灯中心点处于同一水平线。每一次调节照度条件均会让被试者适应3 min。被试者通过亮度调节器按最小变化法从低到高，然后又从高到低缓慢地调节指示灯亮度，在他/她认为指示灯亮度达到各项评定标准时做出口头报告，主试记录对应的亮度值。

试验数据处理时，将所有数据集合排序，保留其排序在5%～95%之间的数据，降低异常数据的影响。对于清理后的数据，在SPSS 中以误差条形图分析其数据分布，通过95%的置信区间分析数据的平均值在整体分布中的位置，从而判断平均值对于数据整体的代表性。本次试验的各组数据均确定平均值具有代表性，以此作为指示灯在不同照度环境下的试验结果进行分析。考虑到坐标系的显示，以照度对数值代替实际值，建立指示灯亮度与照度对数值之间的拟合关系，结果如图6～图8所示。其中，拟合公式中的L=logI，I为指示灯所在平面的平均照度。各拟合公式的拟合度R2均大于0.995，符合拟合的要求。

图6 红光指示灯测试结果及数据拟合

图7 琥珀光指示灯测试结果及数据拟合

图8 绿光指示灯测试结果及数据拟合

根据拟合的公式，昼间阳光直射时指示灯所在平面的平均照度设为100 000 lx、夜间无照明设为1 lx、夜间有照明设为100 lx，计算得到结果见表7。结合前述的各标准、各机型的指标，结果统计见图9～图11。图中左侧为昼间亮度统计、右侧为夜间亮度统计，紫色(上方)虚线为试验模拟曲线计算的刺眼亮度、绿色(中部)虚线为试验所得舒适亮度、蓝色(下方)虚线为试验所得可见亮度。由于驾驶舱夜间的照明环境包含了黑暗与灯具照明不同的情况，因此右侧的夜间模式(暗模式)图中每种颜色均为两条线、为一区间；而昼间(亮模式)只考虑阳光直射的情况，因此左侧图中每种颜色只有一条线。

表7 试验拟合公式计算结果

图9 红光指示灯测试结果与调研数据对比

图10 琥珀光指示灯测试结果与调研数据对比

图11 绿光指示灯测试结果与调研数据对比

对于红光的亮模式，除MIL标准没有上限，各标准与机型值均高于试验可见亮度、低于试验刺眼亮度，但较试验舒适亮度值偏低，特别是军用机型。对于红光的暗模式，各标准与机型值均高于试验可见亮度；民用机型2在1 lx的条件下接近试验刺眼亮度，且较试验舒适亮度偏高，其他机型只在低照度环境下略高于试验舒适亮度，而标准的定义高于试验舒适亮度，应是考虑了告警等级高需增加对人眼的刺激。琥珀光的亮模式与红光情况类似，暗模式中各标准与机型值较试验舒适亮度略高；标准规定的主注意灯亮度偏高，与红光类似，但注意灯亮度偏低、接近试验可见亮度，应是考虑黑暗环境中若常亮，不会对飞行员产生干扰。

对于绿光亮模式，除MIL标准没有上限，各标准与机型值均高于试验可见亮度、低于试验刺眼亮度；国内标准、军用机型与波音系列较试验舒适亮度偏低。对于绿光暗模式，标准定义与琥珀光的注意灯类似、接近试验可见亮度；民用机型2在1 lx的条件下大于刺眼亮度值、10 lx的条件下接近刺眼亮度值；其他机型基本匹配试验舒适亮度区间。

根据试验拟合计算所得的亮模式舒适亮度，三种颜色的指示灯均高于各标准与机型值，特别是军用机型。后续的机型若要优先保障阳光下可读性，在条件允许的情况下应适当提升。基于目前LED的发光效率较过去有大幅提升，国外标准亮度无上限要求可能造成刺眼的情况，设计时应根据设计要求增加亮度的上限定义。根据试验拟合计算所得的暗模式舒适亮度，各机型的定义较为匹配。标准中主警告、警告与主注意需要有刺激作用，亮度定义较高，而注意、提示类需要避免黑暗中常亮状态影响飞行员视觉，亮度定义较低。

4 结束语

结合上述的资料调研与人机工效试验，各民用机型驾驶舱指示灯的昼间亮模式与夜间暗模式的亮度定义与人机工效试验的舒适区间结论较为匹配，后续机型推荐使用民用机型1的亮度指标：昼间857.5～1 715 cd/m2、夜间17.2～34.3 cd/m2。基于警告类和主注意类的告警等级较高、需对人眼有较强的刺激，昼间模式建议结合机型本身的功耗等要求相应提升亮度、夜间模式则建议使用民用机型1主警告的亮度定义41.2～82.3 cd/m2。对于无灯光照明的驾驶舱，根据MIL与GJB标准，常亮的指示灯夜间模式亮度建议降低至1.7～3.4 cd/m2。也可根据GJB标准增加指示灯的调光功能，并应注意使用类指数型的调光曲线以使人眼能够有线性的亮度变化感受。

飞机驾驶舱指示灯的亮度指标还需结合色度、对比度、功耗、成本等因素综合考量，以上的信息为各机型的指示灯亮度指标定义提供参考。