飛機人機交互設計的重要原則之一

平視飛行的由來

在現代飛機設計中，尤其是戰斗機，經常會提到一條非常重要的人機交互設計原則——“雙手握桿，平視飛行”。“雙手握桿”是指將武器和雷達等重要控制器安裝到戰斗機的駕駛桿和油門桿上，以保證飛行員在作戰飛行時雙手不離開操縱桿，也就是所謂的HOTAS（Hands On Throttle and Stick）技術。“平視飛行”則是指飛行員在飛行或作戰時保持抬頭狀態，不需要頻繁低頭查看儀表，可在觀察艙外飛行環境的同時獲取各類飛行信息。之所以提出平視飛行，是因為人的眼睛在遠景和近景之間切換時會有一定的聚焦適應時間，雖然時間較短，但對于高速飛行或機動作戰的飛機來說，其對飛行安全和作戰績效的影響仍是不容忽視的。另外，頻繁的抬頭和低頭還會造成飛行疲勞和對飛行態勢感知（SA，Situation Awareness）的下降。平視飛行設計原則可以降低飛行員低頭查看儀表的頻率，避免出現注意力中斷、態勢感知喪失、視覺負荷大和眼睛焦距調整產生的延遲等不利現象。

HUD應運而生

如何才能實現平視飛行呢？設計人員設計了一種可將飛行信息與駕駛艙外視景結合的裝置，即HUD。其實，HUD的前身可認為是使用在早期戰斗機上的光學瞄準器。這種瞄準器最早出現是在第一次世界大戰期間，到了第二次世界大戰的時候就已經被廣泛利用了。光學瞄準器是利用光學反射原理，將環狀的瞄準圈光網投射安裝于座艙前端的一片玻璃上，或者直接投射到座艙罩的前面，投射的影像對于肉眼的焦距是定在無限遠的距離面上，當飛行員瞄準目標的時候就不會妨礙到眼睛對外界的觀察。當技術進步可以支持更多的飛行狀態信息集合在一起，以文字或數字形式投射在座艙前方的固定裝置上時，HUD就出現了。HUD也是利用光學反射的原理，將重要的飛行相關信息投射在一片玻璃上面。這片玻璃位于座艙前端，高度大致與飛行員的眼睛成水平，投射的光線以平行光的形式進入飛行員的眼睛，這樣投射的文字和影像就可以調整顯示于焦距無限遠的距離上面，飛行員透過HUD往前方看的時候，能夠輕易地將外界的景象與HUD顯示的信息資料融合在一起。HUD的出現基本滿足了平視飛行設計原則的要求，具有增強操作情景意識，減少操作技術失誤，為非正常操作狀況提供識別和改出指引，提高對非正常狀況的感知能力，改善操作品質等應用優勢。

HUD主要顯示與飛行安全和作戰績效有著重要關系的信息，譬如飛行高度、飛行速度、航向、垂直速率變化、飛機傾斜角度等。當使用于戰斗環境時，還會加上目標搜索瞄準信息、武器與發射相關信息、預估命中點等。此外，HUD的顯示內容還可以根據不同狀況而變換，例如巡航模式、空空作戰模式、防擁模式等。

HUD的應用及發展

第一架使用HUD的軍用戰斗機是由北美航空（North American Aviation）為美國海軍設計生產的A-5“民團團員”艦載機。民用航空領域的應用是在1975年由法國達索（Dassault）飛機公司首先裝配于Mercure（法語“水星”之意）客機上。20世紀70年代晚期，美國麥克唐納·道格拉斯（McDonnell-Douglas Corporation）飛機公司在生產的MD-80系列飛機上也開始采用HUD。自1970年代中期以后，世界航空界對HUD的認識和使用開始越來越普及。除了美國以外，其他國家也開始陸續購買或者研發相關系統。

隨著飛機自動化控制的程度和飛行儀表的整合度越來越高，飛行員不需要像以前那樣頻繁觀察大量儀表，操控眾多設備，因此HUD幾乎可以涵蓋飛行或作戰所需的基本信息，從而成為現代飛機的主飛行顯示器。目前，世界上幾乎所有的戰斗機和武裝直升機都可安裝HUD。鑒于HUD成熟的技術和穩定的性能，新一代的戰斗機也大都安裝了HUD，如俄羅斯的T-50、美國的F-22以及中國的殲20等，并且從一些新聞圖片猜測，應該都是新型的衍射式平視顯示器。隨著技術的進步，HUD的功能越來越多，其技術也開始向商用飛機和其它民用領域普及。在商用飛機上，HUD主要在能見度不良情況下，如雨、雪、霧天氣或夜間，幫助飛行員在著陸時確定機場跑道的位置，以保證飛行安全。根據最新研究結論，在所有民航起飛和著陸事故中，68%的事故可以通過使用HUD避免或降低事故危害程度。中國民航計劃到2020年，旗下所有航空公司全面使用HUD。鑒于HUD的方便性以及確實能夠提高飛機安全性和操作績效，“平視飛行”這條人機交互設計原則在現代飛機設計中應用得越來越廣泛，HUD已經成了全球主流戰斗機和武裝直升機，甚至民機不可或缺的設備，并且該人機交互設計原則還有著快速向其它民用領域擴展的趨勢。

到目前為止，HUD經歷了反射式、衍射式等不同時期的發展，成像技術也逐漸由傳統的用陰極射線管（CRT）向硅基液晶（LCOS）圖像源、數字微鏡裝置（DMD）和透射型LCD等新技術發展。由于新技術的使用，新型HUD的視場、清晰度、穩定性都有了大幅度的改進。此外，HUD的發展還體現在了顯示內容、使用方式等多個方面。比如，為了提供增強的視覺圖像，提高駕駛員夜間和低能見度條件下的情景意識，羅克韋爾柯林斯公司與龐巴迪宇航集團最近進行了一系列飛行測試，將增強視景系統（EVS）和合成視景系統（SVS）等技術融合到HUD之中。初步結果顯示，在HUD上顯示合成視景時，儀表著陸系統（ILS）的橫向精度提高了70%，縱向精度提高了25%。Elbit Systems推出了一款名為Skylens的可穿戴式平視顯示器，旨在為飛行員提供更好的視野。該系統易于安裝，適合在迷霧或黑暗中進行導航輔助，雖然稱之為可穿戴式HUD，但其更類似于下文介紹的頭盔顯示器。

平視飛行的新寵——頭盔顯示器

由于HUD的光學原理和安裝特點，其在應用過程中存在一定的視界（Field of Regard）范圍限制，并且對飛行員飛行時的頭部位置有嚴格要求。當飛行員轉動頭部的時候，HUD上的飛行信息影像就會暫時離開他的視野范圍，因此有人建議將影像直接投射在飛行員頭盔的前方，或者說直接將縮小版的HUD安裝于飛行員頭盔上，這樣影像就可以始終呈現于飛行員眼前，隨時與飛行員的視野范圍重合，達到“隨動”的目的。直到20世紀90年代，研究人員才成功研制出可以顯示多種戰術、導航、飛控信息的頭盔顯示器（Helmet Mounted Display），以下簡稱HMD。HMD相對于HUD最大的優點是其可以利用頭部的轉動擴大視界，無論飛行員朝哪個方向看，都可以掌握完成任務所需的飛行信息，使飛行員的態勢感知能力大大加強。

現代作戰飛機的機動性、敏捷性等各項性能指標都有了大幅提升，空戰環境也日趨惡化， 這些都對飛行員對戰場的態勢感知能力提出很高要求。與此同時，各種大離軸空空導彈也研制成功和相繼列裝，如俄制R-73、美制“響尾蛇”空空導彈改進型、法國的魔術、以色列的怪蛇4、英國的流星等，這些能夠離軸甚至越肩向后攻擊的導彈也需要與之完美配合的瞄準顯示設備。此外，具有強超低空機動作戰能力的武裝直升機也逐漸成為各國陸軍航空兵的發展之重。上述因素都迫切需要一種視界大、實時性強、可快速跟蹤和截獲目標的瞄準顯示系統，因此HMD以其出色的離軸捕獲和攻擊能力、寬大的視界和較強的夜視能力等優勢成為平視飛行設計理念的新寵，大有取代HUD的趨勢。

平視飛行技術的擴展應用

目前，平視飛行技術在另一個民用領域的普及，主要體現在汽車上。20世紀80年代末，HUD的特性被當時日漸重視安全性的汽車制造商看中。1988年，HUD作為一項安全特性出現在通用旗下的奧茲莫比Cutlass Supreme車型的選裝單上，但是市場反響冷淡。隨后幾年，民航對HUD的普及再次引發了技術熱。近期HUD已經成了奔馳、寶馬、奧迪等豪華車型的最新賣點。2003年起至今，寶馬5系、6系、7系、X3、X5、X6均已裝備HUD，寶馬公司成為歐洲第一家使用HUD技術的汽車公司。汽車上的HUD主要是在擋風玻璃或者中控臺上方的投影屏上投影車速、導航信息等圖像，輔助駕駛員駕駛車輛。豪華汽車對HUD的推崇，使“平視飛行”的人機交互設計原則擴展到“平視駕駛”。

隨著Google眼鏡（Google Glass）的推出，“平視飛行”的人機交互設計原則得到了更大的擴展。Google Glass也是利用與HUD類似的光學反射投影原理，即通過微型投影儀將圖像投射到一塊反射屏上，而后通過一塊凸透鏡折射到人的眼球，實現所謂的“一級放大”，從而在人眼前形成一個足夠大的虛擬屏幕，可以顯示簡單的文本信息和各種數據，同時還可通過眼鏡觀察外部，實現虛擬圖像與外部視景的疊加。也可以說，Google Glass的顯示系統是將HMD的人機交互設計原則擴展到了一般的大眾娛樂系統。

平視飛行技術不僅在目前多個實際領域得到推廣利用，還在一些科幻題材的電影中經常有所涉及，成為未來高科技概念飛行器或載人武器的顯示模式，給人一種“高大上”的感覺。電影《鋼鐵俠》中托尼·史塔克的飛行服頭盔就具有顯示自身狀態、預測飛行路徑、鎖定攻擊目標等功能。

人機交互設計的根本目的就是為人機系統中的人提供最為符合其生理或心理特點的交互界面，使其能夠安全、高效地完成任務。縱觀“平視飛行”人機交互設計原則的出現、發展和興起，可見只要是符合人機交互特性的設計原則，一經出現，就勢必會迅速獲得廣泛認同，并取得快速發展和推廣。對于“平視飛行”這種典型的人機界面的設計原則，只要結合人機交互設計方法及試驗研究，建立起完善的人機交互設計原則，一定能夠讓其“老樹開新花”，不斷取得新形式的突破，讓其被越來越多的領域所接受。