程靜菲 孫軍奎

摘??要：座艙顯示與控制系統(tǒng)是飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分。隨著航空電子系統(tǒng)的高速發(fā)展，座艙顯示系統(tǒng)的綜合化、模塊化和人機交互的要求越來越高，這些人機交互通過多功能顯示器上的畫面顯示和多功能窗口格式調用以及飛行員的控制器輸入來實現(xiàn)。對顯示畫面控制提供了一種有效的設計方法，通過綜合模塊化航電顯示控制和綜合顯示單元顯示控制對多功能顯示器的畫面的窗口分配，以及飛行員通過多功能控制器對主菜單和快捷菜單的選擇，實現(xiàn)不同畫面的切換和顯示；并對顯示內容的手動畫面重構和顯示器失效時自動畫面重構提供相應的顯示畫面重構方法，以保證重要的顯示畫面和飛行員需要調用的顯示畫面始終可以在顯示器上正常顯示。

關鍵詞：座艙顯示與控制系統(tǒng)?人機交互?顯示控制?手動顯示重構?自動顯示重構

中圖分類號：V19

A?Design?Method?for?the?Cockpit?Display?and?Control?of?Civil?Aircraft

CHENG?Jingfei??SUN?Junkui

（Chinese?Aeronautical?Radio?Electronics?Research?Institute，?Shanghai，?200241?China）

Abstract：?The?cockpit?display?and?control?system?is?an?important?component?of?the?avionics?system?of?aircraft.?With?the?rapid?development?of?the?avionics?system，?the?requirements?for?the?integration，?modularization?and?human-computer?interaction?of?the?cockpit?display?system?are?becoming?increasingly?high，?and?these?human-computer?interactions?are?achieved?through?screen?displays?on?multifunctional?displays，?the??format?call?of?multifunctional?windows?and?the?controller?input?of?the?pilot，?which?provides?an?effective?design?method?for?display?screen?control.?The?display?control?of?integrated?modular?avionics?and?the?display?control?of?integrated?display?units?are?used?to?allocate?the?windows?of?the?screens?of?multifunctional?displays，?and?pilots?select?the?main?menu?and?shortcut?menu?through?the?multifunctional?controller，?so?as?to?achieve?the?switch?and?display?of?different?screens.?And?corresponding?display?screen?reconstruction?methods?are?provided?for?the?manual?screen?reconstruction?of?displayed?content?and?automatic?screen?reconstruction?in?case?of?display?failure，?so?as?to?ensure?that?important?display?screens?and?display?screens?that?pilots?need?to?call?can?always?be?displayed?normally?on?the?display.

Key?Words：?Cockpit?display?and?control?system;?Human-computer?interaction;?Display?control;?Manual?display?reconstruction;?Automatic?display?reconstruction

在現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)中，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)承擔著航電系統(tǒng)的集中顯示和集中控制任務，使得飛行員能夠高效地獲得所需的信息，有效地減輕飛行員的工作負荷。座艙顯示與控制系統(tǒng)是飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分。它主要為飛行機組人員提供一種可視化的人機接口環(huán)境。飛機座艙為機組人員顯示各種飛行信息，同時也是飛行員發(fā)出各種控制指令的中心。座艙顯示與控制系統(tǒng)處理航電系統(tǒng)人機交互任務，是一個綜合信息控制、處理與顯示、信息感知的回路系統(tǒng)。座艙顯示與控制系統(tǒng)采用觸敏指令和多功能按鍵等多通道控制實現(xiàn)飛行員對航電任務系統(tǒng)的控制輸入，同時接收當前飛行參數(shù)、發(fā)動機狀態(tài)、機組告警信息和全機各系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，完成視頻及圖像、手動控制等信息的處理與綜合，生產(chǎn)圖形顯示畫面，并為飛行員提供飛行引導指示及必要的導航信息等[1-4]。

第三代駕駛艙顯示控制系統(tǒng)采用5個液晶顯示器，主副駕駛一邊各有一個主顯示器和一個導航顯示器，中間有個中央控制臺。多功能顯示器為飛行員提供飛機航電系統(tǒng)的信息，使駕駛員通過觸敏和多功能控制器選擇顯示畫面，使得顯示器能夠提供駕駛員最為關注的信息[5-8]。如何能夠使得駕駛員能夠通過顯示控制設備選擇顯示的畫面，就需要一個顯示系統(tǒng)具有一個有效的顯示控制方法。此外，當顯示器失效時，失效顯示器上之前顯示的重要信息需要繼續(xù)呈現(xiàn)給駕駛員，就涉及到顯示畫面的重構。飛行員也可以進行手動重構，以期選擇自己所需要的顯示畫面。因此，顯示系統(tǒng)有必要進行有效地顯示畫面控制，以滿足這些功能的實現(xiàn)。

1?顯示控制功能整體設計

本文介紹的顯示控制功能，能夠將大量復雜的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)采集、處理、融合后通過屏幕高分辨率的液晶顯示器呈現(xiàn)給飛行員，并通過多功能按鍵等多通道控制實現(xiàn)飛行員對航電任務系統(tǒng)的控制輸入，以實現(xiàn)靈活的人機接口交互的功能[9-10]。在本文的設計中，將顯示控制功能分為兩個子功能：顯示格式分配和顯示畫面重構。

座艙顯示控制功能主要通過以下四個模塊：控制設備（包括多功能鍵盤，光標控制器和顯示控制面板）、駐留在綜合模塊化航電的航電顯示控制應用以及駐留在綜合顯示單元的顯示控制應用和A661服務器協(xié)同工作實現(xiàn)的。

控制設備將駕駛員的光標及按鍵操作以相對應的信號（如鍵碼）的形式輸入顯示單元，顯示單元上的顯示控制應用會將這些信號處理后發(fā)送到A661服務器。當駕駛員的進行切換顯示格式的操作時，A661?服務器會將駕駛員操作產(chǎn)生的A661事件發(fā)送到航電顯示控制應用上，于是航電顯示控制應用將新的顯示格式的編碼發(fā)送到駐留在綜合顯示單元上的顯示控制應用，進行顯示格式的切換。對于一些由A661用戶應用驅動的顯示格式，顯示控制應用會將顯示格式編碼發(fā)送到服務器，后者激活相關A661?應用的圖層，并與該應用建立通信，根據(jù)其發(fā)送的A661消息更新顯示內容。

顯示器的每一種顯示格式都有一個整數(shù)來對應，這個整數(shù)稱為顯示格式編碼。航電顯示應用會為每個顯示器分配一個顯示格式編碼并發(fā)送給各顯示器。顯示格式編碼參數(shù)一方面決定了顯示的畫面是由非A661的駐留功能還是由A661服務器提供向畫面儲存在緩存區(qū)提供數(shù)據(jù)。多功能窗口中顯示的都是A661畫面，A661服務器將要顯示的內容放到的畫面儲存在緩存區(qū)，使得顯示器提供顯示內容。對于非A661畫面的顯示，則是由驅動顯示畫面的相關顯示單元駐留功能向畫面儲存在緩存區(qū)提供數(shù)據(jù)。另一方面也決定了一個多功能窗口中顯示哪個顯示畫面。

2?顯示格式分配功能的設計

目前的民用飛機的顯示器都支持多功能窗口，即顯示屏上的一個區(qū)域可以切換顯示多個顯示畫面。顯示格式分配功能為機組成員提供了選擇顯示器上多功能窗口顯示格式的途徑。本文設計的顯示格式分配功能中，機組成員可通過控制設備上的多功能窗口顯示格式選擇快捷鍵或多功能窗口中的多功能窗口顯示格式選擇菜單來選擇一個顯示格式。這個菜單由航電顯示控制驅動顯示。當駕駛員按下控制設備上的主菜單按鍵時，駕駛員控制的光標所在的多功能窗口會彈出這個選擇菜單。

控制設備以多功能鍵盤為例，當駕駛員按下多功能窗口顯示格式選擇快捷鍵，例如飛管系統(tǒng)快捷鍵，光標控制器會發(fā)將該快捷鍵的信號發(fā)送到顯示控制應用。每個按鍵都定義了一個鍵碼值。?顯示控制應用收到控制器信號后，轉換為鍵碼值發(fā)送給A661服務器。當服務器收到快捷鍵鍵碼，就會發(fā)送相應的A661事件到航電顯示控制應用。航電顯示控制應用根據(jù)收到的事件信息，改變顯示格式編碼并發(fā)送給顯示控制應用。顯示控制應用再將新的顯示格式編碼發(fā)送給A661服務器。服務器根據(jù)收到新的編碼值后發(fā)送A661層激活命令來激活相應應用層。根據(jù)A661規(guī)范的通信協(xié)議，用戶應用收到層激活命令后給服務器發(fā)送層可見請求并發(fā)送設置參數(shù)命令，以使得服務器根據(jù)用戶應用提供的信息更新顯示內容。

以光標控制器為例，當駕駛員通過光標控制器上的主菜單鍵來選擇飛管畫面時，調用顯示格式的通信時序圖如圖3所示。包括以下步驟。

• 上電后航電顯示控制應用與服務器之間建立A661通信；
• 按下光標控制器上的主菜單鍵，顯示控制應用收到控制器信號將相對應的鍵碼值發(fā)送給A661服務器?；
• 服務器收到鍵碼后會發(fā)送A661事件給航電顯示控制應用來激活代理按鍵控件；
• 航電顯示控制應用收到控件激活命令后，發(fā)送請求可見命令給服務器使得主菜單顯示可見；
• 控制器通過光標選擇來選中飛管顯示格式；
• 顯示控制應用收到控制信號后，發(fā)送相應的的鍵碼值給A661服務器；
• 服務器發(fā)送實現(xiàn)主菜單功能的相關A661事件（在不同顯示格式菜單項上進行光標選擇會產(chǎn)生不同的A661控件事件）給航電顯示控制應用；
• 航電顯示控制應用根據(jù)收到相應A661事件更新顯示格式編碼給顯示控制應用；
• 顯示控制應用將收到的顯示格式編碼值發(fā)送給服務器；
• 服務器與相對應的飛管應用進行A661通信，將飛管格式顯示在顯示器上。

3?顯示畫面重構功能的設計

顯示畫面重構功能包含：手動重構功能和自動重構功能。?當已經(jīng)有2個或3個顯示器失效，飛行員需要有更多的多功能窗口顯示畫面時，可以通過控制器上的重構按鈕來進行手動畫面重構，顯示更多的多功能窗口。而當某個或多個顯示器失效時，顯示控制系統(tǒng)需要啟動自動重構，以保證重要的顯示信息（例如主飛行畫面）仍然顯示在其他正常的顯示器上[11-12]。

3.1?手動重構方法

通常來說，當2個顯示器失效后，會根據(jù)航電顯示控制的顯示配置自動重構畫面。假設當前3臺顯示器正常，當前的顯示畫面如圖4所示。

當飛行員希望在當前顯示器上顯示更多的多功能窗口，可以按下控制器上的重構按鈕對顯示畫面進行手動重構，將發(fā)動機指示及告警畫面和主飛行畫面顯示在一個壓縮主飛行畫面上，以獲得更多的多功能顯示窗口。值得注意的是，僅當2個或3個顯示器失效時，手動重構才可行。啟動手動重構后，顯示器上的顯示畫面將重新顯示為圖5中所示的配置。

3.2?自動重構方法

每個顯示器中駐留的顯示控制應用會周期的給航電顯示控制應用發(fā)送各自顯示器狀態(tài)信息，以保證航電顯示控制應用知道每個顯示器的健康狀態(tài)。當接收到的顯示器狀態(tài)信息表明該顯示器未能提供顯示或狀態(tài)不正常，或者在規(guī)定周期內未接收到有效顯示器的狀態(tài)信息，航電顯示控制應用認為該顯示器不再能夠顯示畫面，則需要啟動自動重構。航電顯示控制應用會重新給剩下的有效顯示器發(fā)送新的顯示格式編碼值來自動重構畫面。

顯示畫面重構一般來說需要遵循幾個原則。

• 顯示系統(tǒng)首先保證始終只顯示一個發(fā)動機指示及告警畫面，兩個主飛行畫面；
• 如果無法保證原則1，至少要保證顯示一個主飛行畫面和一個發(fā)動機指示及告警畫面；
• 如果原則2也無法保證，至少要保證能夠顯示主飛行畫面；
• 顯示畫面重構需要簡單直接，重構畫面最好跟原窗口距離最近[12]。

以顯示器1失效為例，按照上述原則，在發(fā)生故障或關閉的情況導致主飛行畫面無法正常顯示，顯示系統(tǒng)重新在顯示器2的左側配置顯示主飛行畫面；且不能更改當前顯示器的右側已選擇的多功能窗口顯示格式。顯示控制可配置如圖6所示的自動重構顯示格式。

圖6?顯示器失效自動重構顯示

同樣以單個顯示器失效為例，?航電顯示控制應用會按照以上原則重新分配新的顯示格式編碼值發(fā)送給剩余四個健康的顯示器，重構后的顯示畫面重新顯示在四臺工作正常的顯示器上。

若顯示器1失效，根據(jù)顯示畫面重構的原則，保證始終只顯示一個發(fā)動機指示和告警畫面和兩個主飛行顯示畫面，并且顯示畫面重構需要簡單直接，重構畫面最好跟原窗口距離最近兩個主飛行顯示畫面。顯示在顯示器1上飛行信息和主飛行顯示畫面，則應就近選擇顯示器2顯示。而顯示器2上顯示的發(fā)動機指示和告警畫面可就近選擇在顯示器3顯示或仍然留在顯示器2上顯示。根據(jù)這樣的原則航電顯示控制應用重新分配顯示格式編碼值來完成顯示畫面重構。

4?結語

顯示控制功能承擔著綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的畫面顯示和控制任務，它能夠為可視化的人機接口環(huán)境提供有效的解決方案。顯示控制功能能夠處理航電系統(tǒng)的人機交互指令，并對指令信息綜合處理與綜合，生產(chǎn)圖形顯示畫面；也能夠完成顯示器失效的畫面重構，始終為飛行員提供重要的顯示信息及必要的多功能窗口選擇等。

本文設計的顯示控制方法能夠實現(xiàn)多功能窗口選擇與調用，顯示畫面重構。這種顯示控制方法為駕駛員通過觸敏或多功能控制器選擇顯示畫面，提供了有效的控制與分配方式。當飛行員需要進行手動畫面重構或顯示器失效自動重構時，也可根據(jù)本文中的顯示重構的方法來實現(xiàn)這方面的需求。

參考文獻

[1] 馮培德，金德琨，周貴榮，等.?民用飛機駕駛艙顯示系統(tǒng)[M].?上海：上海交通大學出版社，2019.

[2] 蒲小勃.?現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)與綜合[M].?北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[3] 孫歡慶.民用飛機機電綜合管理系統(tǒng)分析?[J].航空制造技術，2014，?57（20）：?51-54.

[4] 周海海，張哲睿，蔡林峰，等.飛機座艙數(shù)字信息界面交互設計與情境意識研究綜述[J]?.包裝工程，2022，43（20）：1-12.

[5] 聶飛，李健.基于ARINC?661規(guī)范的航電分布式顯控研究[J].計算機工程，2020，46（8）：216-222.

[6] 田晨光，鄭濤，周斌.?飛艇座艙顯示系統(tǒng)界面設計研究[J]?.長江信息通信，2022，?35（4）：111-113.

[7] 王瑞球，王敬馳，王偉.?基于ARINC?661的飛機座艙顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子技術與軟件工程，2018（15）：82-84.

[8] 李穎潔，王軍，李柏瑞.?座艙顯示控制界面組件化設計方法研究[J].電光與控制，2022，29（3）：105-109.

[9] 陳斌.ARINC?661標準在直升機座艙顯示系統(tǒng)設計的應用研究[J].新型工業(yè)化，2021，11（2）：194-197.

[10] 吳家秀，張之江，易子淳，等.?基于ARINC?661的Web端飛機座艙顯示畫面設計[J]?.航空計算技術，2022，52（4）：103-107.

[11] 中國航空無線電電子研究所.?一種多CDS實例集成的高性能座艙顯示系統(tǒng)：

CN201910216283.6[P].?2019-08-02.

[12] 谷青范，馮培德，金德琨，等.?航空電子系統(tǒng)安全性設計與分析技術[M]?.?上海：上海交通大學出版社，2019.