基于动态模型的驾驶舱人机界面设计及仿真

2021-04-20向天龙

电子技术与软件工程 2021年1期

关键词：人机界面设计阶段逻辑

向天龙

（航空工业第一飞机设计研究院陕西省西安市 710089）

得益于电子技术的发展，现代飞机驾驶舱的显示控制系统已经由传统的机械式组合仪表发展为一体化综合显示系统。新的显示控制系统为飞行员提供了更加强大的人机界面。与此同时，设计人员也面临着新的挑战：

（1）数量庞大且复杂的需求输入意味着需要实现复杂的功能，设计人员缺乏快速高效的设计手段和工具；

（2）传统设计流程需要在整个画面软件开发完毕，并加载至目标机后才能看到设计结果的真实形式，在大规模开发完成后进行评估和更改，会消耗较大的时间和人力资源；

（3）传统文档传递设计的流程，尤其对于人机界面显示元素的绘制，纯文档传递会导致最终效果与设计意图的偏离。

为了解决以上问题，本文提出一种新的驾驶舱人机界面设计方法。该方法使用新的设计工具，以“所见即所得”的形式搭建动态人机界面模型作为设计载体，并进行设计仿真。将设计阶段迭代优化过的人机界面模型结合文档共同作为设计输出。这样能够在更早的阶段呈现最终实现效果，将人机界面设计方案的评估和迭代优化集中在设计阶段，提供更高质量的设计输出，减少大规模软件开发后的更改，节约研发资源。

1 方法概述

本文使用SCADE 系列工具建立动态模型并实现设计仿真。其中，SCADE Display 用于搭建人机界面模型；SCADE Suit 用于实现模型的动态逻辑；使用定制的数据控制台作为数据驱动源驱动模型动态运行进行仿真。系统框架如图1所示。

工作分为三个部分：

（1）模型元素绘制；

（2）动态逻辑实现；

（3）数据驱动源实现。

以下针对这三部分工作进行详细介绍。

2 实现方式

2.1 模型元素绘制

模型的元素分为静态元素和动态元素。静态元素是指画面上固定显示的元素，它们在画面上特定的位置始终显示。例如：坡度刻度带、速度、高度、航向窗口等。动态元素是指画面上需要定义动态行为的元素。例如：滚动的速度带、转动的罗盘刻度、跳动的数值等。首先要按照静态元素的绘制方式绘制其形状、线宽、颜色和字体，然后定义其运动形式（滚动、转动、数字跳动等），最后针对每种运动方式定义对应的动态变量。该动态变量接受处理逻辑的输出数据以驱动模型元素运动。动态模型设计开发视角如图2所示。

图1：系统框架

图2：动态模型设计开发视角

图3对于动态元素，以速度矢量符（FPV）为例。速度矢量符有两种动态行为：位置、可见性。在完成速度矢量符图形的绘制后，针对其动态行为定义对应的动态变量：X 坐标、Y 坐标、可见性。模型动态元素如图3所示。

图3：模型动态元素

图4：动态逻辑

图5：数据驱动源

图6：动态模型设计仿真视角

2.2 动态逻辑实现

为了确保模型动态元素运动行为正确，需要添加处理逻辑。处理逻辑用于约束动态元素的运动边界、数据有效性、显示条件等。设计阶段动态仿真的处理逻辑侧重点在于确保呈现人机界面的基本方案、形式的完整性，用于设计阶段评估人机界面设计方案，而不同于软件代码开发时侧重的完备性。

接上文例子，建立速度矢量符的处理逻辑。处理逻辑以：偏流角、航迹倾角、姿态、航向、自动飞行控制板指令等参数作为输入，解算得到速度矢量符正确的位置和可见性以驱动速度矢量符正确的指示。如图4所示。

2.3 数据驱动源实现

数据驱动源提供连续的数据驱动模型连续动态运行。数据驱动源有多种实现方式：定制开发的数据控制台、Rhapsody 模型、设备的仿真激励器等。如图5所示。

本文中使用定制开发的数据控制台作为例。为了便于动态仿真，该控制台提供了三个主要的功能：

2.3.1 需求的树形分类

画面仿真参数的数量非常庞大，如果不进行有效的分级分组管理，实际操作需要花大量时间查找所需查看参数。因此该控制台提供了定义不同系统、分系统及分区的树形结构功能，将同类同组数据放在一起，便于使用和管理。

2.3.2 仿真参数配置

显控画面中不同类型的参数有不同的数据类型和指示范围。因此该控制台提供了仿真参数配置功能。能够提供浮点型、整型、布尔型等参数类型，针对数值类参数，提供设定仿真上/下限、仿真步长、仿真波形（锯齿波、三角波）等功能，极大的增加了仿真的灵活性。

2.3.3 仿真场景的保存和加载

在设计仿真阶段，经常需要多次重复运行某个场景反复评估，由于画面动态参数数量庞大，如果每次使用时需要手动逐个配置各个参数的动态范围、波形等树形，将极大降低工作效率。因此该控制台提供了仿真场景的保存和加载功能，将需要多次使用的典型场景保存、加载以往多个不同的场景，避免花大量时间重复配置参数。

3 设计仿真

在完成了模型动态元素、处理逻辑及数据驱动源这三个关键部分后，就能够在设计端的PC 机上进行仿真了。这种仿真方式能够在设计阶段就将最终开发完成之后的结果直接展示出来，对模型进行全尺寸连续动态仿真，由本专业专家和资深用户对设计做直观的评估。收集整理评估意见作为本轮迭代修改的输入。这种评估方法能够在设计阶段发现问题，提前更改，并且始终站在用户角度进行设计，提高了设计质量和效率。如图6所示。