民用直升机驾驶舱信息显示与设计初探

牟晓伟，李治权，何振亚

(中国航空研究院，北京 100129)

0 引言

飞行器作为一个融合多系统的复杂机电产品，其最初的设计想法很简单，就是在安全飞行的基础上准确高效地完成飞行任务。此时的驾驶舱通过仪表为驾驶员提供空速、高度等数据，驾驶员需要根据仪表数据驾驶飞行器，并完成飞行任务。此时的驾驶员飞行负荷重，需要多名机组人员共同完成一次飞行任务。

随着航空电子技术的大发展，飞行器上出现了多种多样的电子仪表和设备，相关的系统设计也更加复杂。先进的仪表将采集到的大量的信息输出并显示，给驾驶员提供多样的飞行信息以保证飞行安全，但同时也增加了驾驶员的工作负荷，对驾驶员的素质提出了更高的要求。

20世纪70年代以后，随着电子化技术和综合信息技术的发展，航空电子产品集成化程度的不断提高，原来的分立式仪表驾驶舱设计逐渐被综合化显示系统所取代。飞行器安装更加先进、更加直观的电子化数据显示系统、数字式自动驾驶仪以及飞行管理系统等，形成了今天我们常见的玻璃座舱设计。此时的飞行器仅需要两名驾驶员就可以完成所有的常规飞行任务。直升机同样经历了这样的一个变革，现代直升机驾驶舱的设计正是朝着更加先进、便捷、高效的方向发展。

1 驾驶舱信息显示设计原则

驾驶舱作为一个人机交互的平台，需要向驾驶员显示有关飞行任务和飞行安全的所有有效且必要的信息(如图1)。从这个概念上来分析，需要对信息进行划分:飞行任务信息、飞行安全信息、必要信息。飞行任务信息与飞行安全没有直接的关联，此类故障信息都属于警戒或一般信息，本文不做着重说明。飞行安全信息分为3个等级，可以定义为红色警告信息、琥珀色警戒信息和绿色一般信息，这样的定义方式与直升机飞行手册中的信息显示是一致的。所有的有效信息中，必要信息是需要驾驶员知晓并采取措施的，或者在其它的正常操作或故障处置操作中会使用到的信息；非必要信息则不需要驾驶员知道，不需要显示给驾驶员，这类信息一般为地面维护人员提供维护信息。

图1 典型直升机驾驶舱布局图

直升机的信息系统包含了各个系统的信息。直升机的主要系统包括旋翼尾桨、传动系统、动力系统、燃油系统、滑油系统、灭火系统、环控系统、液压系统、起落架系统、操纵系统以及航电系统。所有这些系统都有其必要的需要驾驶员时时关注的信息，这些信息通过传感器和采集器，传输给显示系统并在终端上显示给驾驶员。现代直升机所显示给驾驶员的最主要的警告级别的系统信息见表1。各个系统用于探测系统状态和对系统进行预警的信息，大部分都以琥珀色信息显示。由于各个机型的系统设计理念不同，其琥珀色信息有所区别且数量庞大，用一个表格很难将所有内容考虑周全，并且这部分信息的安全等级低于红色信息，因此本文不对该部分内容进行深入讨论。通过对信息的简单划分，可以大致明确什么样的信息需要给驾驶员显示，显示的等级也可以通过表格来定义。

表1 直升机红色警告信息列表

2 几型直升机驾驶舱信息显示分析

现代直升机的信息都是通过驾驶舱显示器来显示，显示器的大小又直接决定了其可以显示的红色信息的数量。对于显示范围较小的显示器，设计人员不得不对显示信息进行合理的裁剪或者合并，或者将几个相关的显示信息通过一个换算后的参数来显示其是否超限。类如AW139所采用的PI参数就是通过对发动机温度、扭矩和转速进行换算得到的一个计算值(见图2)。

图2 AW139直升机发动机参数信息显示

除了上述故障信息外，其它的系统警戒级别的琥珀色信息都在显示系统上统一显示，因其紧急程度相对较低，不需要额外的告警提示。现代信息化手段使得系统设计可以将系统原理图加载到显示系统中，在系统故障时通过显示系统可以查询到具体的故障情况，增强驾驶员对故障的理解，便于故障得到正确的处置。图3就是AW139直升机2号液压油泵失效后显示器给出的失效示意图。

图3 AW139直升机液压系统信息显示

EC175直升机也采用了这样的设计理念并将这一设计理念贯彻在各个系统中。在系统故障的时候，通过显示器上的按键可以查看系统故障原理图(图4)，让驾驶员有更加直观的认识，为增强飞行安全提供了进一步的保障。

图4 EC175直升机液压系统信息显示

尽管有了现代化的显示手段，显示系统也必须满足适航规章对冗余度的要求，为了节约成本，部分直升机上仍然会选择安装独立的显示设备对一些特殊的参数进行显示，其中包括空速表、高度表、旋翼转速表、备用的磁罗盘和备用地平仪。这些设备布置在正副驾驶员都方便观察的位置，但更靠近正驾驶员，这主要是从双驾驶直升机的驾驶员分工考虑的。

虽然有了上述先进的航电设备，可以把所有的直升机可探测到的信息显示给驾驶员，但是现代直升机仍然没有完全丢弃故障指示灯的显示方式，如图5所示EC175仪表板上布置的故障指示灯。

图5 EC175直升机故障指示信息显示

故障指示灯作为故障提示的一种手段，其布置位置很关键。根据GJB 1471A相关要求，经过分析可知，人眼活动的最大视线范围为水平视线±35°，垂直视线25°～-35°。通过对AC312E型机正驾驶在标准眼位点的最大视线范围的分析，可以得到如图6所示的视界区域。

图6 AC312E直升机正驾驶标准眼位点视界

驾驶员在正常飞行中，其视界范围集中在仪表板的上半部分靠近己方一侧，而直升机综显的设计是让系统的故障信息显示在显示器的右下角。这样的设计理念势必会影响驾驶员正常操控直升机，至少也会增加驾驶员负担，不利于飞行安全。因此，在仪表板上部驾驶员视界范围内增加告警灯板还是很有必要的，它可以在系统出现故障的时候通过告警灯的方式通知驾驶员。这种告警方式是可行且高效的，故而这种驾驶舱设计方式一直沿用至今。

但是并不是所有的故障信息都需要在告警面板上显示，仅对于告警级别高的红色警告信息采用这种附加的显示方式。欧直系列直升机在采用了玻璃座舱的设计理念之后，仍然会采用中央告警面板的设计方法。其中，EC175直升机将其主要的红色警告信息(表2)在综合显示器上显示以外，还给出音响告警，同时在中央告警面板上显示，其中ENG1(2)触发条件是ENG1(2) FAIL(发动机失效)或ENG1(2) OIL LOW PRESS (发动机滑油压力低)。

表2 EC175直升机红色警告信息列表

对于部分比较重要的系统，其控制面板上同样也保留了指示灯的设计。如EC175直升机的发动机灭火系统(图7)，在发动机着火时，综合显示器上有ENG FIRE的警告信息，同时在FIRE EXTING控制面板上显示FIRE信息；在执行灭火程序触发1个灭火瓶时，FIRE EXTING面板上显示琥珀色1信息；再次按压显示琥珀色2信息，以告知驾驶员相应的灭火瓶已经排空。

图7 EC175直升机发动机灭火系统信息显示

类似这样的设备的设计，更多的是考虑驾驶员的操作方便。通过对AC312E直升机驾驶舱的人机功效分析可知，驾驶员头部活动的最大范围为水平方向±60°，垂直方向±50°(如图8)。EC175直升机的FIRE EXTING控制板布置在中央操纵台前部，这样的设计更便于驾驶员观察和操作。AW139直升机同样采取了这种设计方法，将发动机控制板、灭火控制板、起落架控制板等带有显示状态的控制单元都布置在中央操纵台前端靠近正驾驶员一侧。这种设计思路仍然是出于人机功效的考量，能够更好地服务于驾驶员，提高飞行效率，降低驾驶员负担，简化操作程序，从而保证飞行安全。

图8 AC312E直升机正驾驶员头部活动视线范围

对于一些吨位较小的直升机如EC135，其设计思路同样是将具有显示功能的控制面板布置在驾驶员最佳视界范围内，包括仪表板上的告警指示灯，发动机灭火控制指示灯盒以及中央操纵台上的发动机控制板等。而发动机的模式选择开关，因没有需要显示给驾驶员的信息，布置在驾驶舱顶部开关板上，以达到合理的空间布置的目的。从EC135的布置来看，直升机的设计人员将与直升机应急和故障处置程序相关的系统和控制开关巧妙地设计在一起，很大程度地方便了驾驶员的操作，对本就属于故障程序的执行变得更加便捷，对驾驶员的处置效率和处置成功率都会产生积极的影响。例如发动机灭火程序，前文所说的机型都有显示系统对驾驶员进行告警，同时仪表板上有FIRE的红色指示灯告诉驾驶员这是一个警告级别很高的告警程序，需要立即处置。而后的操作程序，包括对发动机、燃油和灭火系统的操作，因机型不同会稍有区别。但是这三个系统基本都在一个区域，系统之间的操作时间间隔被大大地缩短，这对及时地扑灭发动机着火是非常有利的。

3 总结

总结上述机型驾驶舱的布置，再回看直升机驾驶舱布置的历史演变，可以从中得到一些启发。驾驶舱的设计理念是为驾驶员提供及时准确的信息，尤其是故障信息显示，以便驾驶员能够第一时间掌握最直接最有价值的告警内容，并对故障进行最有效的处置。这就需要直升机在设计之初就对系统的告警信息进行分析总结并分类，将能够直接影响飞行安全的信息采用红色及多重警告的形式告知驾驶员。一直以来，直升机的设计都是遵循这一设计理念。随着现代信息化技术的发展，直升机各个系统的信息显示更加全面且复杂。如此繁杂的系统信息，需要进行筛选，筛选的依据就是各个系统对其故障模式和故障安全等级的确定。根据现代直升机界的普遍做法，将红色警告级别信息中的火警、发动机失效、蓄电池过热、主减滑油和燃油油量等信息通过红色告警指示灯板在仪表板上进行显示。对于琥珀色警戒信息，可以通过综合显示系统将故障原理图显示给驾驶员，以帮助驾驶员理解故障并做出正确的判断。

借助现代化的手段，直升机设计得以做到由简至繁，将所有信息采集并显示。但是直升机的设计必须由繁至简，应将信息进行分类并将必要的信息显示给驾驶员；同时可以采取多重显示方式以减少对重要故障的误判；而其它的故障信息则采用相对单一的故障模式对驾驶员进行提醒，以减轻驾驶员负担，从而提高效率，保证飞行安全。至于系统采集到的用于地面维护的信息，没有必要显示给驾驶员，仅需要设计一个用于地面维护的模块便于地面数据下载和处理。直升机的发展历程让直升机的驾驶舱发生了很大的变化，但是人们对于人机交互界面的界定和处理的原则一直没有变，那就是让驾驶员在第一时间掌握最直接最有效的数据，对直升机实施完全可控的飞行操作。驾驶舱的设计目的就是要建立安全高效的人机交互界面。