从座舱显控系统的发展看座舱人机工效的发展

        飞机座舱是飞行员执行飞行任务时的主要活动场所。飞行员必须依靠目视搜索舱外、舱内信息显示和自身本体感觉等获取各类飞行信息，通过座舱内的各类控制器操纵和控制飞机。因此，飞机座舱显示-控制人机界面一直都是航空工效学关注的重点，其显控系统一直以来也是各航空大国战斗机研制水平的重要标志之一。座舱显控系统的发展主要可以分为以下几个阶段：
       1.简单机械式仪表阶段
        飞机在引入仪表之前，仅仅是在白天进行目视飞行，后来引入了简单了机械膜盒式仪表，高度、速度仪表为飞行提供了一定的安全保障，机械膜盒式仪表利用膜盒感受外界的气压，将压力值转化为高度、速度数值再通过机械连杆带动仪表指针在刻度盘上显示数值。它具有感受、传送和指示环节，作为最早期的仪表开始应用，同时这种仪表是最简单耐用的仪表，虽然误差较大，但很少出现故障，甚至在部分第三代战机上仍然作为备分仪表存在。早期因为仪表种类少，仅需在座舱上显示高度、速度等简单的参数，不需要复杂的显示系统，容错性和放错性功能很小，这时还没有提出显控系统的概念。此时座舱人机工效的研究比较少，主要强调“人适应机”。
       2.机电式仪表阶段
        在20世纪20～30年代在简单机械膜盒式仪表后，其它机载仪表设备相继出现，特别是以经典力学为基础的航空陀螺仪表的应用在飞机上，飞行员开始根据地平仪等机电式仪表飞行。这是航空仪表发展具有里程碑式的第一次变革，标志着飞机的机电仪表时代。机电仪表和简单仪表指示一样既利用显示元件的相对位移来显示信息。这是第二代飞机仪表的主要形式。
此时的航空仪表往往很单一，自身完全是独立的系统，机载仪表具有单独的传感器和传送机构，在机身占有一定的体积，在仪表板上拥有自己的独立显示控制的空间，对某种单一的航空参数进行显示控制，例如姿态仪表地平仪、航向仪表陀螺航向位置指示器、油量表等都独立存在。因而在座舱设计中往往把座舱划分为若千个区域，来显示不同的信息，此种座舱布局称为“空分制”。“空分制”的座舱仪表分布的优点是：便于飞行员同时掌握多种信息，简单明了；缺点是信息显示分散、数量种类繁多，整个座舱显示复杂，仪表排布很拥挤，飞行中要求飞行员要合理分配注意力，对飞行员身体和心理都有很大的压力。随着飞机科研水平的提高，飞行信息量的极大增加，仪表的拥挤、杂乱的现象更加突出了，后来设计人员根据仪表的重要性和使用频率以及相互之间的联系重新排布，对仪表重新合理的排列，形成了“T”行排列等布局，广泛应用在第二代战斗机上。
        这个阶段人机工效的研究主要集中在表盘指针式仪表和开关、按钮、操纵杆等控制器设计中的人的因素，特别是研究如何使表盘指针式仪表和开关、按钮、操纵杆等控制器的设计与人的感知觉特性及手足运动器官的反应特性相适应；研究如何提高机电仪表显示的易读性和可理解性，具体涉及显示字符的大小、形式、颜色编码、显示方式等。随着对仪表易读性和可理解性的研究的深入，研究范围从局部的显示内容和方式扩大到仪表盘的整体设计，开始强调按照心理物理学的原理设计显示装置。如二战时，为了保证飞行员能准确迅速地理解对讲机中传递的言语信息，在（5000-35000）英尺的高空使用B-17轰炸机上的对讲机进行了一系列语音测试，确定了最佳的元音及辅音音调。因此，20世纪50年代也被称为人机工效的“开关-表盘”时代。后来，随着科技的迅速发展和计算机技术的广泛应用，人机系统的硬件及软件设施不断更新，对显示-控制系统的人机工效研究也不断丰富起来。人机工效的研究思想逐渐从“人适应机—机宜人”。
       3.电子仪表阶段
        60～70年代飞机性能大幅的提供，飞机要求在高空、高速、作战环境复杂的条件下工作，原有的航空仪表处于离散控制的空分制座舱，使飞行员的工作压力日益繁重，即原来的仪表形式已经难以满足当时的工作需要，这时产生了以平视显示器和多功能下视显示器等为代表的电子飞行仪表。它采用电子发光来显示信息，它通过执行不同的控制指令就可以改变显示的参数和数值格式。这种电子仪表具有分别测量、传送、集中处理，整体显示，通过电子仪表的周边按键控制仪表的指示，使其在同一显示区间，在不同时间显示不同的信息。仪表的形式己经变革为屏显的形式，这是航空仪表发展具有里程碑式的第二次变革，仪表的显示进入“时分制”时代。电子仪表开始应用是第三代战斗机的航空仪表的主要形式，而此时机电仪表则被取代消失或者某些重要的机电仪表作为备分系统存在。电子仪表主要有以下几种优点：1.电子仪表可以一表多用；2.电子仪表由计算机控制可以实现按需显示；3.电子仪表显示的形式多种多样。电子显示仪表既减少了仪表数量，提高了仪表利用率，也有助于实现按需显示信息，减轻了操作人员的工作负荷。
        这个时期，在信息论、控制论和认知心理学的影响下，研究者开始重视信息显示与人的认知加工过程之间的匹配性，研究开始集中于信息表征，比较典型的问题有显示符号的选择与评估、各种显示形式之间的优势比较、复杂显示情景中单一显示形式与多重显示形式之间的优势比较等。
        4.现代座舱显控系统
         随着显示技术的进一步发展，电子综合显示仪逐渐向平板显示器方向发展。平板显示器主要有液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、有机电致发光显示器（OLED）等。目前飞机上已经逐步采用液晶显示器代替CRT显示器。国外飞机座舱已经进入液晶显示器时代，F-22战斗机采用了液晶综合电子显示系统，首次实现了“纯玻璃座舱”；国内某些飞机上安装了液晶显示器，液晶显示器的应用也越来越广泛。
         随着航空电子技术的不断发展，飞机上各种子系统所接收、产生的信息种类和数量不断增加，对系统整体的信息处理能力要求更高，同时也造成飞行员的认知负荷越来越大，因而对显示设备的要求也越来越高，未来显示器将向高清晰大屏幕全景显示系统方向发展。大屏幕全景显示器，采用触敏与语音控制，使用标准菜单式结构和交互式界面。大屏幕不仅可以显示平面视图，也可以显示三维视图；不仅可以显示全屏图像，也可以分屏或镶嵌插图。它运用数据融合、透视、重构、分屏、插入、立体声等先进技术，显示整个飞行过程所需的数字地图、全景图像或系统状态。目前，美国第五代战斗机F-35采用了全景显示系统，其座舱显示系统由触敏控制屏背投影下视彩色显示器、头盔显示器和三维声频系统以及备用飞行显示器组成；它们具有全屏和分屏“开窗”的灵活显示格式，能够通过语音、触敏控制屏或握杆控制器的游标存取；全屏“大窗口”显示雷达、红外视像，分屏“小窗口”显示发动机、武器数据。
        总的来说，随着新军事变革思想的提出和发展，现代战斗机即将面临复杂甚至极端恶劣的战场环境，在多维立体化条件下执行多平台多任务的高度信息化作战方式。为了掌握作战主动权，飞行员必须获得清晰、真实和全面战场态势感知，致使座舱显示“信息爆炸”。传统的座舱布局和座舱显示控制系统，己经无法满足综合信息显示与控制的需求。随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展，座舱显控系统将朝着数字化、综合化、人性化方向发展，高人性化的座舱显控系统具有较高的人机工效水平，能够提高飞行员作业的安全和高效性，使飞行员能够更好的操纵飞机，适应复杂的现代战争。
（撰稿人：冲）更多精彩内容请扫描头型二维码关注。        飞机座舱是飞行员执行飞行任务时的主要活动场所。飞行员必须依靠目视搜索舱外、舱内信息显示和自身本体感觉等获取各类飞行信息，通过座舱内的各类控制器操纵和控制飞机。因此，飞机座舱显示-控制人机界面一直都是航空工效学关注的重点，其显控系统一直以来也是各航空大国战斗机研制水平的重要标志之一。座舱显控系统的发展主要可以分为以下几个阶段：
       1.简单机械式仪表阶段
        飞机在引入仪表之前，仅仅是在白天进行目视飞行，后来引入了简单了机械膜盒式仪表，高度、速度仪表为飞行提供了一定的安全保障，机械膜盒式仪表利用膜盒感受外界的气压，将压力值转化为高度、速度数值再通过机械连杆带动仪表指针在刻度盘上显示数值。它具有感受、传送和指示环节，作为最早期的仪表开始应用，同时这种仪表是最简单耐用的仪表，虽然误差较大，但很少出现故障，甚至在部分第三代战机上仍然作为备分仪表存在。早期因为仪表种类少，仅需在座舱上显示高度、速度等简单的参数，不需要复杂的显示系统，容错性和放错性功能很小，这时还没有提出显控系统的概念。此时座舱人机工效的研究比较少，主要强调“人适应机”。
       2.机电式仪表阶段
        在20世纪20～30年代在简单机械膜盒式仪表后，其它机载仪表设备相继出现，特别是以经典力学为基础的航空陀螺仪表的应用在飞机上，飞行员开始根据地平仪等机电式仪表飞行。这是航空仪表发展具有里程碑式的第一次变革，标志着飞机的机电仪表时代。机电仪表和简单仪表指示一样既利用显示元件的相对位移来显示信息。这是第二代飞机仪表的主要形式。
此时的航空仪表往往很单一，自身完全是独立的系统，机载仪表具有单独的传感器和传送机构，在机身占有一定的体积，在仪表板上拥有自己的独立显示控制的空间，对某种单一的航空参数进行显示控制，例如姿态仪表地平仪、航向仪表陀螺航向位置指示器、油量表等都独立存在。因而在座舱设计中往往把座舱划分为若千个区域，来显示不同的信息，此种座舱布局称为“空分制”。“空分制”的座舱仪表分布的优点是：便于飞行员同时掌握多种信息，简单明了；缺点是信息显示分散、数量种类繁多，整个座舱显示复杂，仪表排布很拥挤，飞行中要求飞行员要合理分配注意力，对飞行员身体和心理都有很大的压力。随着飞机科研水平的提高，飞行信息量的极大增加，仪表的拥挤、杂乱的现象更加突出了，后来设计人员根据仪表的重要性和使用频率以及相互之间的联系重新排布，对仪表重新合理的排列，形成了“T”行排列等布局，广泛应用在第二代战斗机上。
        这个阶段人机工效的研究主要集中在表盘指针式仪表和开关、按钮、操纵杆等控制器设计中的人的因素，特别是研究如何使表盘指针式仪表和开关、按钮、操纵杆等控制器的设计与人的感知觉特性及手足运动器官的反应特性相适应；研究如何提高机电仪表显示的易读性和可理解性，具体涉及显示字符的大小、形式、颜色编码、显示方式等。随着对仪表易读性和可理解性的研究的深入，研究范围从局部的显示内容和方式扩大到仪表盘的整体设计，开始强调按照心理物理学的原理设计显示装置。如二战时，为了保证飞行员能准确迅速地理解对讲机中传递的言语信息，在（5000-35000）英尺的高空使用B-17轰炸机上的对讲机进行了一系列语音测试，确定了最佳的元音及辅音音调。因此，20世纪50年代也被称为人机工效的“开关-表盘”时代。后来，随着科技的迅速发展和计算机技术的广泛应用，人机系统的硬件及软件设施不断更新，对显示-控制系统的人机工效研究也不断丰富起来。人机工效的研究思想逐渐从“人适应机—机宜人”。
       3.电子仪表阶段
        60～70年代飞机性能大幅的提供，飞机要求在高空、高速、作战环境复杂的条件下工作，原有的航空仪表处于离散控制的空分制座舱，使飞行员的工作压力日益繁重，即原来的仪表形式已经难以满足当时的工作需要，这时产生了以平视显示器和多功能下视显示器等为代表的电子飞行仪表。它采用电子发光来显示信息，它通过执行不同的控制指令就可以改变显示的参数和数值格式。这种电子仪表具有分别测量、传送、集中处理，整体显示，通过电子仪表的周边按键控制仪表的指示，使其在同一显示区间，在不同时间显示不同的信息。仪表的形式己经变革为屏显的形式，这是航空仪表发展具有里程碑式的第二次变革，仪表的显示进入“时分制”时代。电子仪表开始应用是第三代战斗机的航空仪表的主要形式，而此时机电仪表则被取代消失或者某些重要的机电仪表作为备分系统存在。电子仪表主要有以下几种优点：1.电子仪表可以一表多用；2.电子仪表由计算机控制可以实现按需显示；3.电子仪表显示的形式多种多样。电子显示仪表既减少了仪表数量，提高了仪表利用率，也有助于实现按需显示信息，减轻了操作人员的工作负荷。
        这个时期，在信息论、控制论和认知心理学的影响下，研究者开始重视信息显示与人的认知加工过程之间的匹配性，研究开始集中于信息表征，比较典型的问题有显示符号的选择与评估、各种显示形式之间的优势比较、复杂显示情景中单一显示形式与多重显示形式之间的优势比较等。
        4.现代座舱显控系统
         随着显示技术的进一步发展，电子综合显示仪逐渐向平板显示器方向发展。平板显示器主要有液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、有机电致发光显示器（OLED）等。目前飞机上已经逐步采用液晶显示器代替CRT显示器。国外飞机座舱已经进入液晶显示器时代，F-22战斗机采用了液晶综合电子显示系统，首次实现了“纯玻璃座舱”；国内某些飞机上安装了液晶显示器，液晶显示器的应用也越来越广泛。
         随着航空电子技术的不断发展，飞机上各种子系统所接收、产生的信息种类和数量不断增加，对系统整体的信息处理能力要求更高，同时也造成飞行员的认知负荷越来越大，因而对显示设备的要求也越来越高，未来显示器将向高清晰大屏幕全景显示系统方向发展。大屏幕全景显示器，采用触敏与语音控制，使用标准菜单式结构和交互式界面。大屏幕不仅可以显示平面视图，也可以显示三维视图；不仅可以显示全屏图像，也可以分屏或镶嵌插图。它运用数据融合、透视、重构、分屏、插入、立体声等先进技术，显示整个飞行过程所需的数字地图、全景图像或系统状态。目前，美国第五代战斗机F-35采用了全景显示系统，其座舱显示系统由触敏控制屏背投影下视彩色显示器、头盔显示器和三维声频系统以及备用飞行显示器组成；它们具有全屏和分屏“开窗”的灵活显示格式，能够通过语音、触敏控制屏或握杆控制器的游标存取；全屏“大窗口”显示雷达、红外视像，分屏“小窗口”显示发动机、武器数据。
        总的来说，随着新军事变革思想的提出和发展，现代战斗机即将面临复杂甚至极端恶劣的战场环境，在多维立体化条件下执行多平台多任务的高度信息化作战方式。为了掌握作战主动权，飞行员必须获得清晰、真实和全面战场态势感知，致使座舱显示“信息爆炸”。传统的座舱布局和座舱显示控制系统，己经无法满足综合信息显示与控制的需求。随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展，座舱显控系统将朝着数字化、综合化、人性化方向发展，高人性化的座舱显控系统具有较高的人机工效水平，能够提高飞行员作业的安全和高效性，使飞行员能够更好的操纵飞机，适应复杂的现代战争。
（撰稿人：冲）更多精彩内容请扫描头型二维码关注。