民用飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)變革

馮志祥 白 畇

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

民用飛機(jī)駕駛艙的發(fā)展變革濃縮了人類科技文明的進(jìn)程，從萊特兄弟的“飛行者一號(hào)”[1]到現(xiàn)今商用噴氣式客機(jī)科技感十足的駕駛艙，飛機(jī)駕駛艙經(jīng)歷了從簡(jiǎn)到繁，又化繁為簡(jiǎn)的變化歷程，一個(gè)世紀(jì)的蛻變宛如一幅壯麗的畫卷。早期的飛機(jī)駕駛艙只安裝有基本的空速表、高度表等儀表，“飛行者一號(hào)”事實(shí)上沒(méi)有獨(dú)立的駕駛艙，飛行員頭朝前趴在下機(jī)翼上操縱飛機(jī)。飛行員完全暴露在空氣之中，完全靠其直覺(jué)和感官進(jìn)行對(duì)飛機(jī)的操縱和信息的獲取。就是如此簡(jiǎn)陋的駕駛艙，開啟了人類航空史的征程。

到了現(xiàn)代航空發(fā)展階段，飛機(jī)駕駛艙開始了從原始簡(jiǎn)單到復(fù)雜集成的跨越，進(jìn)入了機(jī)電駕駛艙的時(shí)代。飛機(jī)的各種參數(shù)信息通過(guò)傳感器以電子信號(hào)的形式傳到駕駛艙的各種儀表上，駕駛艙集成的功能也越來(lái)越多，艙內(nèi)布置的各種器件、儀表繁雜無(wú)比，飛行員從靠直覺(jué)感官飛行變成需精準(zhǔn)及時(shí)獲取各種儀表信息并作出準(zhǔn)確判斷，對(duì)飛行員的要求也從在實(shí)時(shí)環(huán)境下快速反應(yīng)操縱飛機(jī)變成對(duì)各種信息的準(zhǔn)確判斷。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)引入航空業(yè)，駕駛艙的變革邁入了新階段，衍變成了現(xiàn)今主流的玻璃化座艙。電子儀表取代了傳統(tǒng)的機(jī)械儀表，飛機(jī)的各種參數(shù)信息電子化，一塊屏幕可以集成顯示多重信息，各種設(shè)備的功能相互集成，艙內(nèi)的儀表設(shè)備數(shù)量大為精簡(jiǎn)，飛行員從多人制機(jī)組變成了當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)的二人制機(jī)組，駕駛艙的設(shè)計(jì)也不再僅僅考慮系統(tǒng)功能的集成，環(huán)境的舒適性，還要考慮艙內(nèi)的布置布局的合理性以及系統(tǒng)功能與人的匹配性等。

1 “以人為中心”的駕駛艙設(shè)計(jì)理念發(fā)展

風(fēng)格各異的駕駛艙背后，都無(wú)外乎駕駛艙的5個(gè)功能：操縱飛機(jī)、信息獲取、指令輸入、裝載以及保護(hù)飛行員。傳統(tǒng)的駕駛艙設(shè)計(jì)是“以功能為中心”的設(shè)計(jì)理念[2]，即圍繞駕駛艙需要實(shí)現(xiàn)的某個(gè)功能，開展系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)為既定功能的實(shí)現(xiàn)。而長(zhǎng)久以來(lái)的航線經(jīng)驗(yàn)和事故表明，圍繞功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出來(lái)的駕駛艙存在諸多系統(tǒng)集成和人機(jī)工效的缺陷，使得飛機(jī)在一些非典型場(chǎng)景下存在人機(jī)交互不友好、機(jī)組負(fù)荷重的問(wèn)題，甚至存在安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，駕駛艙設(shè)計(jì)理念逐漸衍變?yōu)椤耙匀藶橹行摹钡脑O(shè)計(jì)理念[3]，一款簡(jiǎn)約而智能的駕駛艙產(chǎn)品成為眾主機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，翻開了民用飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)的新篇章?！耙匀藶橹行摹钡脑O(shè)計(jì)理念并非對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的全盤否定，而是開創(chuàng)和繼承。新設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)飛機(jī)駕駛艙的5個(gè)功能均是圍繞“使用者”的功能，在原有設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用場(chǎng)景，以人的使用需求為出發(fā)點(diǎn)，打破功能與功能之間的界限，優(yōu)化功能邏輯和人機(jī)交互界面。

對(duì)于“人”這個(gè)使用者，不同主制造商對(duì)其角色的定位差異明顯?！叭恕笔秋w機(jī)功能的執(zhí)行者，也是飛機(jī)功能的監(jiān)控者，對(duì)其界限的劃分將影響飛機(jī)的自動(dòng)化程度，并最終引伸出使用者的最高決策權(quán)問(wèn)題?？湛蛷?qiáng)調(diào)在足夠信息和手段的前提下，賦予飛行員最終權(quán)力，強(qiáng)調(diào)飛機(jī)和人對(duì)信息的反饋是同樣重要的；波音則無(wú)條件地強(qiáng)調(diào)飛行員的終極權(quán)限，直接強(qiáng)調(diào)人的主觀決定和無(wú)可替代性[4]。兩家主制造商在對(duì)飛機(jī)駕駛艙的改進(jìn)歷程中，目的均是減輕飛行員的工作負(fù)荷，深層次的差別在于是為了輔助使用者做出更佳的決策還是取代飛行員進(jìn)行決策。

“以人為中心”理念的基本觀點(diǎn)是設(shè)計(jì)去適應(yīng)人，而以功能為中心的設(shè)計(jì)理念是讓人去適應(yīng)設(shè)計(jì)。如何做好以人為中心的設(shè)計(jì)理念，我們提出的方法是基于駕駛艙運(yùn)行場(chǎng)景的正向設(shè)計(jì)方法。

駕駛艙運(yùn)行場(chǎng)景是指飛機(jī)在機(jī)組、外部環(huán)境以及飛機(jī)狀態(tài)的組合中的預(yù)期行為和狀態(tài)。駕駛艙運(yùn)行場(chǎng)景可以分為飛機(jī)級(jí)場(chǎng)景、系統(tǒng)級(jí)場(chǎng)景。飛機(jī)級(jí)場(chǎng)景以飛機(jī)整機(jī)為對(duì)象，考慮飛機(jī)在運(yùn)營(yíng)、維護(hù)過(guò)程中，飛行員、乘務(wù)員以及機(jī)務(wù)維修人員，乃至空管、乘客等所有的干系人對(duì)產(chǎn)品的使用，以及飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)環(huán)境情況。系統(tǒng)級(jí)場(chǎng)景則以系統(tǒng)為研究對(duì)象，考慮系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)環(huán)境。與飛機(jī)級(jí)場(chǎng)景不同，系統(tǒng)級(jí)場(chǎng)景還需要考慮全機(jī)眾系統(tǒng)之中交聯(lián)系統(tǒng)的相互影響，即與對(duì)象系統(tǒng)有電氣接口、機(jī)械接口等其他的系統(tǒng)的狀態(tài)。在充分識(shí)別駕駛艙運(yùn)行場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，提取駕駛艙設(shè)計(jì)的需求，繼而將需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的功能定義，就可以設(shè)計(jì)出功能完善且與場(chǎng)景較好匹配的駕駛艙產(chǎn)品。

2 未來(lái)駕駛艙展望

展望未來(lái)的飛機(jī)駕駛艙，以5G技術(shù)、人工智能[5]、新型顯示控制技術(shù)等為引領(lǐng)的新一代技術(shù)革命正在爆發(fā)，由此帶來(lái)的駕駛艙變革也極富想象空間，應(yīng)用新技術(shù)后的未來(lái)駕駛艙概念圖如圖1所示。5G技術(shù)具有無(wú)線連接、大容量、低功耗和低延時(shí)四大顯著優(yōu)勢(shì)，當(dāng)5G技術(shù)與人工智能、新型顯控技術(shù)相融合，將使未來(lái)駕駛艙更加智能化，設(shè)備和功能更加集成化，空間更加寬敞舒適，以下分別介紹變革的幾個(gè)方面。

圖1 未來(lái)駕駛艙概念圖

2.1 人機(jī)交互方式的變革

未來(lái)駕駛艙將廣泛采用新一代顯示技術(shù)、觸屏控制技術(shù)[6]和語(yǔ)音控制技術(shù)[7]等，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互方式的變革。OLED作為新興的顯示方式，具有柔韌易彎曲、重量小、超薄超輕、無(wú)視角限制、工作溫度范圍廣等特性[8]，相比于傳統(tǒng)光源有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。基于OLED的顯示技術(shù)將不再受限于駕駛艙的布置位置，任意形狀的內(nèi)飾表面都可以成為顯示界面，結(jié)合觸屏控制技術(shù)和飛機(jī)系統(tǒng)控制界面的圖形化顯示，則可實(shí)現(xiàn)全面的顯示控制一體化。傳統(tǒng)的固定式控制終端主要包括頂部區(qū)域控制板、遮光罩區(qū)域儀表控制板和中央操縱臺(tái)區(qū)域控制板，操縱器件繁多、分散，而顯控一體化終端則可以將諸多功能集成在一個(gè)類似平板電腦的顯控設(shè)備中，駕駛艙內(nèi)的控制器件數(shù)量將大大減少。此外，智能語(yǔ)音控制技術(shù)的應(yīng)用將極大提升人機(jī)交互的效率，一定程度上解放飛行員的雙手，減輕飛行員的工作負(fù)荷。

2.2 駕駛艙布置和布局的變革

駕駛艙的設(shè)備布置和空間布局是影響駕駛艙安全性和舒適性的直接因素，傳統(tǒng)的駕駛艙布置和布局受限于駕駛艙有限的空間和繁雜的設(shè)備，存在諸多類似可達(dá)性、可視性、操縱器件的操縱便利性、環(huán)境眩光等物理工效問(wèn)題。5G技術(shù)[9]具有無(wú)線連接、大容量、低功耗和低延時(shí)等顯著優(yōu)勢(shì)，基于5G技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)固定式終端向便攜移動(dòng)式終端的轉(zhuǎn)變，飛行員操作便攜式控制終端，不再受空間布置的約束而一定要保持特定的姿勢(shì)，也可以任意移動(dòng)便攜式終端以規(guī)避眩光區(qū)域，極大改善駕駛艙的物理工效。

基于便攜式控制的顯控一體終端，在精簡(jiǎn)了駕駛艙中大部分操縱器件后，可釋放出大量駕駛艙空間，駕駛艙內(nèi)可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的布局優(yōu)化，提升駕駛艙安全性和舒適性。譬如傳統(tǒng)駕駛艙布置下的氧氣面罩位于側(cè)操縱臺(tái)區(qū)域，而使用側(cè)桿操縱的飛機(jī)在駕駛艙失壓的場(chǎng)景下，飛行員需一手操作側(cè)桿，一手握住氧氣面罩，左右手交叉，人機(jī)工效不合理；而新型駕駛艙的中央操縱臺(tái)區(qū)域有空間布置氧氣面罩，符合失壓場(chǎng)景下的使用需求。

2.3 駕駛艙視景的變革

顯示技術(shù)近年來(lái)進(jìn)步顯著，基于5G技術(shù)的OLED全景顯示系統(tǒng)，將取代傳統(tǒng)的駕駛艙玻璃風(fēng)擋，通過(guò)布置在機(jī)身外部的光學(xué)傳感器，將外部信息傳遞到全景顯示系統(tǒng)。基于此全景顯示系統(tǒng)，飛機(jī)的外視界將不存在任何遮蔽，極大提升飛機(jī)的外視界性能；傳統(tǒng)的駕駛艙風(fēng)擋系統(tǒng)在面臨極端的自然條件，如自然結(jié)冰、高溫高濕、暴雨等情況下，外視界極易受損；在面臨鳥撞、冰雹等場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的駕駛艙風(fēng)擋受到物理?yè)p傷后，對(duì)飛機(jī)的飛行安全都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重威脅?；谛滦鸵暰跋到y(tǒng)的駕駛艙將能適應(yīng)各種極端工況的考驗(yàn)，飛機(jī)安全性將顯著提升。

2.4 駕駛艙綜合環(huán)境的提升

新技術(shù)的集中應(yīng)用、系統(tǒng)化集成化的新特征，將帶來(lái)更寬敞的座艙空間，也給座艙的綜合環(huán)境設(shè)計(jì)帶來(lái)更靈活的設(shè)計(jì)空間。未來(lái)駕駛艙將從艙內(nèi)氣流組織、溫度、濕度、壓力、冷熱輻射、噪聲、振動(dòng)、照明、幾何布局等多方面提升座艙綜合環(huán)境，給飛行員營(yíng)造更舒適的工作空間。座艙空間變得更寬敞靈活，可以更多地使用柔性照明或背景照明，營(yíng)造豐富的空間層次感，也可使用情景照明[10]給飛行員營(yíng)造不同的氛圍，抑制心理焦慮和疲勞感，主動(dòng)降噪技術(shù)可以抑制掉駕駛艙中的背景噪音，給飛行員帶來(lái)良好的感官體驗(yàn)，繼而可以更集中精力于飛行相關(guān)的任務(wù)。綜合環(huán)境顯著提升的駕駛艙座艙在給飛行員帶來(lái)更好的舒適性的同時(shí)，也會(huì)改善飛行員的工作狀態(tài)，繼而提升飛行安全性。

3 結(jié)論

民用飛機(jī)駕駛艙的設(shè)計(jì)從“以功能為中心”的理念衍變成了“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念，在新科技革命爆發(fā)的今天，將給民機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)帶來(lái)寬廣的想象空間，在充分考慮飛行員的特性和使用需求后，引入新技術(shù)的駕駛艙將實(shí)現(xiàn)跨代的發(fā)展。