民用飛機信息重構技術性能分析

許健，吳磊，褚江萍，何珂

中國商飛上海飛機設計研究院，上海 201210

在飛機運行相關的適航規章和咨詢通告[1]中，特別規定和強調了機組資源管理(Crew Resource Management, CRM)的重要性。著眼于如何有效地利用人員、設備、信息來保證飛行安全，其本質是強調人員之間的合理分工和有序協作。

民用飛機系統，尤其是顯示系統的信息組織方式應充分考慮飛行機組之間的職責分工與協調配合的問題。

為了給駕駛艙顯示信息的組織方式提供理論數據，Roger等[2]采集并量化分析了各飛行階段上飛行員對顯示信息的需求程度，并提出了一些信息布局和顯示分配的建議。Paul和Anna[3]討論了不同的任務管理策略組合方法對機組工作負荷以及監控和應對系統故障能力的影響。Loukia等[4]討論了合理的任務操作流向設計能夠幫助飛行機組有效地管理操作任務。Edwin[5]還討論了信息流向的設計對交互行為的幫助，并展望了以自動化信息組織方式來輔助飛行員決策的設計理念。基于人因學和機組任務知識數據集，Ken和Rolf[6]設計的任務代理系統在實現任務優先級排序的同時還能通告與任務目標相沖突的操作，其實驗結果表明了具備一定智能水平的自動化系統對飛行安全和效率的幫助，還證明了任務需求才是系統設計的根本。

顯示系統是飛行機組獲取信息的首要來源。在新一代機型中廣泛使用的大尺寸顯示器為人機交互系統的設計帶來了諸多便利。① 進一步提高了信息集成度，有利于減輕工作負荷。② 信息的管理更簡單、靈活，有利于優化信息的組織和任務流向。③ 方便應用虛擬控制技術，在顯示與控制功能融為一體后，使得交互過程更加直觀。

但是，大尺寸顯示器的應用首先需要解決好以下3個問題，才能體現其技術優勢：

1) 如何根據操作任務的特性合理組織信息。

2) 在CRM理念的指導下，如何根據飛行機組的職責分配和人機工程學要求，選擇合適的顯示器尺寸、布局。

3) 由于系統集成度高，在發生顯示器故障時更容易誘發顯示信息的共模失效。如何選擇顯示管理策略，使得重構后的信息組織形式仍滿足機組任務的需要。

以上3個問題相互關聯，并影響信息重構性能。

1 民用飛機飛行機組的職責與職責分配

在當前的適航規章框架內，商用飛機為了完成一次航班任務，離不開飛行員的主動參與。在人機交互的層面，包括飛行機組在內，適航規章要求每架飛機應具備兩套獨立工作能力的系統[7-9]。因此，除了機載設備之間的余度備份關系外，還應考慮雙人制飛行機組成員之間的分工和協作關系。

總體上，飛行機組職責包括飛行、導航、通信與協調、系統管理4個方面[10]。

在航前和航后階段，飛行機組的角色分為機長與副駕駛，但在飛行期間則轉換為把桿飛行員(Pilot Flying, PF)和監控飛行員(Pilot Monitoring, PM)，且可相互交換，但機長具有最終決策權和執行權。每位飛行機組成員都要負責各自區域內的操作任務，且在職責互換前，飛行機組各自都應清楚了解重新分配后的責任。相應一側的系統工作方式還需與機組的職責分工相匹配。

PF的職責包括：① 控制滑行與飛行；② 導航。PM的職責包括：① 系統管理；② 通信與協調；③ 執行PF交辦的任務；④ 監控滑行與飛行。其中，系統管理包括機載系統工作構型的控制、狀態監控與故障處置、閱讀檢查單。

2 綜合顯示信息及其任務場景分析

實際運行場景下的操作任務需求是系統設計的基礎。因此，在航電系統研制的初始階段，包括人機接口、功能邏輯、總體構架在內的各個方面都應該圍繞飛行機組操作任務需要及其相應的職責分配關系。

現代民用飛機已經普遍采用高度集成化的駕駛艙顯示系統(Cockpit Display System, CDS)作為實現航電系統人機交互的平臺。

顯示分配是CDS設計的出發點也是重點之一，包括空間和時間2個維度，反映的信息流向對人管理操作任務的性能有著重要影響。根據各種任務場景下的人機工程學要求(尤其是交互頻度與實時性)，既需要確定顯示信息的空間范圍，還需要確定持續時長(分時或者常顯示)。這兩者往往密不可分，即需要常顯示的信息一般應分配到人機工程學所定義的最優空間上，分時顯示的信息則次之。

服務于飛行機組4大職責的最主要信息一般包括以下3個集合：

1) 主飛行顯示(Primary Flight Display, PFD)主要服務于飛行職責。

2) 導航地圖顯示(Navigation map Display, ND)主要服務于導航職責。

3) 發動機與駕駛艙告警顯示(Engine and flight deck alerting Display, ED)的系統監控與告警功能主要服務于系統管理職責。此外，發動機推力和氣動構型信息，相關的操作警告及其解釋則服務于飛行職責。

除了調諧通信頻率和數據鏈的上下行消息管理的操作，通信和協調職責當前主要體現在語音通話上，且通信系統的產品相對經典和獨立。因此，其不一定需要依賴CDS實現人機交互。

PFD一般集成了眾多短周期、動態性強的飛行信息(例如，空速、姿態、自動飛行模式通告、交通與地形規避導引等)，這些信息在起飛、進近、著陸等高任務負荷的飛行階段上直接影響飛機的操縱安全性。因此，應方便飛行機組能以最快捷的方式獲取。典型的如，Basic T信息布置在飛行員主視場(Primary Field of View, PFOV)內的要求[11-17]。

ED中的發動機推力和氣動構型與飛行密切相關。在起飛和爬升等需要快速獲得凈空和捕獲高度層的飛行階段上，推力以及維系推力的發動機工作狀態是決定飛行安全的重要信息[18]。此外，集中化的機組告警信息與系統管理相關，在機載系統發生故障或操作行為激活邊界條件時，觸發的告警信息需要飛行機組立即知曉。從飛行和系統管理職責所對應的任務要求上講，ED中的信息既有實時性要求，又需要方便飛行機組成員們同時觀察和討論，促進他們對系統狀態理解的一致性，從而也有利于機長做出合理決策。

ND一般集成了飛行計劃、導航數據庫、空中交通態勢、氣象和地形等與飛行軌跡相關的信息[19]。雖然可根據目標相對飛機本體距離的遠近區分任務實時性，但民用飛機尤其是商用飛機須在空管體制下按照既定的飛行計劃運行，除了在終端區上操作任務的實時性要求較高以外，本質上，導航任務是一個計劃性很強的連續穩定過程，相對于PFD和ED在動態實時性和飛行安全方面的嚴格程度，ND具備分時顯示的條件。尤其在采用大尺寸顯示器將小范圍的導航信息與PFD集成的情況下更是如此。

隨著以ARINC661規范為基礎的圖形化用戶接口(Graphical User Interface, GUI)虛擬控制技術在新機型上的廣泛應用，CDS已經具備融合顯示與控制兩大人機交互元素的基礎，從而在實現平臺化、模塊化系統構架的同時，朝著航電人機交互平臺的方向不斷發展。目前，飛行管理系統(Flight Management System, FMS)、綜合監視系統(Integrated Surveillance System, ISS)、數據鏈(Data LinK，DLK)、無線電調諧、電子檢查單(Electronic CheckList, ECL)、電子斷路器(Electronic Circuit Breaker, ECB)等眾多功能已經實現了與CDS的集成。由于這些功能并不直接關系到飛行安全，雖然使用頻度有所差別，但在任務實時性和安全性要求上處于同等水平，因此，也具備分時顯示的條件。

綜合CRM的理念、任務需求與職責分配以及相關工業標準[4]中的人機工程學要求，現代民用飛機的顯示分配和飛行機組工作區的對應關系如圖1所示。

3 顯示布局設計分析

3.1 駕駛艙空間幾何與視場分析

基于適航規章對駕駛艙空間的可達性要求，以及工業標準[20]和人體測量學的數據分析[21]，當考慮到左右座飛行機組都能方便地操作中央操縱臺上油門桿的整個行程時，兩者的最優設計眼位(DEP)距離在40～42 inch(1 inch=2.54 cm)之間。以該設計眼位距離為基準，同時考慮以下方面的幾何關系：① 駕駛艙外視界要求[22]；② 儀表板上操縱器件的可達性要求對儀表板與設計眼位之間的距離約束[23]；③ 坐姿下人體大腿上表面對儀表板下沿的空間需求；④ 每位成員的PFOV在儀表板上的投影區域。PFOV在儀表板上的投影如圖2 所示。

圖1 顯示分配與飛行機組工作區的對應關系Fig.1 Display allocation in flight crew operation zone

當綜合以上因素，并選取設計眼位到主儀表板的距離約為27 inch時，從圖2上可以得出以下結果：

1) 每側最優PFOV的覆蓋范圍大約為寬14 inch， 高11 inch。

2) 兩者次優PFOV的覆蓋范圍大約為寬9.5 inch， 高11 inch。

3) 由于考慮儀表板上操縱器件可達性的要求(例如起落架收放手柄，備用儀表控制，觸摸屏控制等)，在公共操作區內，兩者的次優PFOV無重疊。

圖2 PFOV在儀表板上的投影Fig.2 Spatial projection of PFOV on instrument panel

3.2 顯示器布局權衡

為了降低型號研制的技術和經濟風險，控制研制周期，在系統總體設計、系統平臺開發等核心業務之外，民用飛機機載設備普遍采用技術成熟、性能可靠的商用貨架產品。在民用飛機大尺寸顯示器市場上，產品規格主要集中在對角線長度為14～15 inch的寬屏(寬高比為16：10)和正屏(寬高比為4：3)。

由于PFD的顯示格式有著嚴格要求[12]，其姿態區的中心線與設計眼位又近乎重合[24]，因此，從整體上，PFD的格式接近于一個鏡像對稱的布局關系。與此同時，如果考慮充分利用儀表板的面積，以采用同一規格的15 inch顯示器為例，一般有如圖3所示的3種顯示器布局方案。

圖3(a)的布局方案對飛行機組PFOV的利用率最低。而如圖3(b)所示，受PFD格式所要求的幾何關系影響，最外側的兩塊顯示器將不得不在各自的外側劃分出一塊較窄的區域。除執行五邊進近程序時使用的計時信息外，在緊鄰PFD的區域上并不適合布置實時性和安全性要求都低于PFD的信息，尤其是動態變化的信息，否則將明顯分散飛行員觀察PFD時的注意力。

如圖3(c)所示，最外側的兩塊顯示器幾乎被設計眼位線平分，在容易滿足PFD布局要求的同時，飛行機組最優PFOV的利用率也是最高。

圖3 3種顯示器布局方案的對比Fig.3 Comparison of three schemes of display layouts

綜合以上分析，儀表板上采用4塊正屏大尺寸顯示器的布局相對更合理一些。CAD的仿真結果也佐證和解釋了目前市場上最新一代大型飛機更傾向采用該布局的技術原理。

4 顯示分配及其顯示管理策略分析

4.1 駕駛艙顯示分配方案

儀表板上安裝4塊顯示器的方案明顯能為飛行機組提供更多分時顯示窗口。與此同時，多數飛機會在中央操縱臺前安裝一塊同樣尺寸的顯示器，其目的是為飛行機組在公共區擴充顯示資源，方便飛行機組共享和討論。它可供任務實時性較低，但使用頻度高的系統使用，例如FMS和ECL。

顯示器數量的增加不僅能提高CDS整體的可用性，提高簽派率，也有利于提升信息重構的靈活性。

在根據職責分配，信息綜合，操作任務需求，以及顯示布局的分析結果，基本顯示分配方案及飛行機組的操作流向如圖4所示。

圖4 基本的顯示分配方案及操作流向(機長為PF角色時)Fig.4 Primary display allocation scheme and operational flow (Caption is PF)

從主要信息的布局上看，PFD在左右兩側，ED居中并偏向PF一側，其他位置為分時顯示窗口。每一側飛行員的操作流向均為由外向內，由上到下的順序。

4.2 顯示管理策略分析

由于在安全性方面的高標準，民用飛機系統設計具有高冗余度的特征，這不僅體現在設備冗余數量上，更體現在構架和功能重構邏輯的設計上。

以ARINC661規范為基礎，CDS具備提供更為靈活的窗口管理能力[25]，即安裝在駕駛艙內的每個顯示器具備同樣的軟硬件構型，顯示的信息由顯示器以外的顯示管理模塊負責調度。當有顯示器失效時，顯示管理模塊可以根據剩余可用顯示器的布局關系，以既定的重構策略為飛行機組提供繼續完成飛行任務所必需的信息。

顯示管理策略不僅要以前述顯示分配的原則為基礎，其重構后的顯示信息布局應有利于維持既有或交換后的職責分配，且仍應保持正常的任務流向，以降低失效所帶來的額外工作負荷。因此，當發生顯示器失效時，顯示管理策略應考慮以下方面：

1) 應盡量保持正常顯示格式，維持飛行機組的信息觀察流向。這里包括窗口尺寸，窗口內的信息布局，以及PFD和ED這些重要信息的相對位置關系。

2) 根據操作任務在空間和時間上的優先級確定對應信息的重構優先級。

3) PFD應盡量靠近兩側的獨占區，并盡可能靠近飛行員的PFOV。

4) ED應盡可能靠近中間的公共區，并盡可能靠近飛行機組的PFOV，尤其是PF一側的PFOV。

5) 在具備穩定飛行的條件下，才可以考慮壓縮PFD和ED窗口，為分時顯示的信息釋放窗口資源。

5 信息重構方案對比與性能分析

5.1 信息重構性能評價要素

總體上，信息重構的性能具體與以下幾方面的要素有關：① 正常操作流向的保持；② 壓縮格式；③ 重構操作；④ 職責分配的一致性。其中，壓縮格式是一種非常見的信息布局關系，由于空間和尺寸的變化，容易導致認知負荷的增加；如果需要手動操作重構邏輯，也會增加工作負荷；當故障導致需要轉換機組職責時，重構后的顯示布局與職責是否保持一致也將顯著影響機組之間的協調和配合。

5.2 信息重構性能評價

根據前述的重構策略，討論PFD重構性能時主要考慮外側2塊顯示器失效的情況，而ED則主要考慮內側處于公共區的2塊顯示器失效的情況。

基于評價要素，通過對比現役某新型飛機的重構方案，有以下分析結果。其中，本文提出的為方案A，對比機型的重構方案為方案B。

當單塊外側顯示器失效時，重構方案對比如圖5所示，重構性能評價如表1所示。

2種方案均為自動重構，但由于單塊顯示器失效的概率相對較高，方案B出現的壓縮格式不得不需要飛行員經常接受培訓。而方案A盡可能地保持了正常PFD格式，且一側的PFD脫離最優PFOV屬于相對不利于PF操作的情況，此時，一般由對側飛行員接管PF職責，方案A的ED也隨之自動交換到另一側，此時右側的PFD和ED布局完全滿足其執行PF職責。

當外側2塊顯示器失效時，重構方案對比如圖6所示，重構性能評價如表2所示。

圖5 單塊外側顯示器失效時重構方案對比Fig.5 Comparison of reconfiguration scheme under single outboard display failure表1 單塊顯示器失效時重構性能評價Table 1 Performance evaluation on reconfiguration under single outboard display failure

評價要素方案A方案B正常操作流向的保持是是未出現壓縮格式是否無需重構操作是是與職責分配一致是否

圖6 外側2塊顯示器失效時重構方案對比Fig.6 Comparison of reconfiguration scheme under two outboard display failures表2 外側2塊顯示器失效時重構性能評價Table 2 Performance evaluation on reconfiguration under two outboard display failures

評價要素方案A方案B正常操作流向的保持是是未出現壓縮格式是否無需重構操作是是與職責分配一致是是

以上2種方案都將ED重構在了公共區，而方案A通過下移ED而不壓縮PFD格式的考慮是2塊顯示器失效來源于單塊顯示器失效的狀態，在飛行過程中如果發生以上情況，飛機一般已離開了起飛階段，此時，相對于起飛階段，保持發動機工作狀態的情景意識對維系飛行安全的重要性相對較低。否則，在地面上如果有主儀表板上的顯示器失效，飛機一般不能保留該故障狀態而被放行，也就沒有了后續飛行場景。在單塊顯示器故障的情況下，為繼續達到簽派的目的，維護人員一般會將中央操縱臺上的顯示器與故障顯示器交換，保持主儀表板4塊顯示器的信息布局與正常情況無異，即使在起飛期間再次發生顯示器失效，類似單顯示器失效的重構方法仍能保證一側的PFD和ED都在PFOV內。

當內側2塊顯示器失效時，重構方案對比如圖7所示，重構性能評價如表3所示。

圖7 內側2塊顯示器失效時重構方案對比Fig.7 Comparison of reconfiguration scheme under two inboard display failures表3 內側2塊顯示器失效時重構性能評價Table 3 Performance evaluation on reconfiguration under two inboard display failures

方案B在自動重構時通過隱藏ED的方式，保持了正常格式的PFD，以突出飛行職責。但該重構邏輯與圖6中的方案B突出系統管理職責的理念并不一致。此外，隱藏ED后導致無法保持正常的操作流向，為解決這種問題又需增加各自一側的手動操作來壓縮PFD并恢復ED到內側。由于外側顯示器相距較遠，單個ED無法落在機組公共視場范圍內，因此還額外需要左右座機組各自分別配置ED。

6 結 論

1) 在CRM理念的指導下，根據飛行機組的職責分配和駕駛艙空間的人機工程學要求，在主儀表板上采用4塊15 inch正屏顯示器可使PFD與最優PFOV的重合度更高，布局更合理。

2) 在結論1)的前提下，基于正常操作流向的保持、壓縮格式、重構操作、以及職責分配一致性這4個評價信息重構性能的要素，通過對比分析現役某先進機型的重構性能，本文所提方案的信息重構性能更具優勢，更利于貫徹CRM理念。