0 引言

综合航电显示系统采用大屏智能液晶显示器，用户可根据需要进行显示窗口切换; 支持菜单、光标、快捷图标、快捷键、触控等多种操作模式的人机交互，为驾驶员提供飞行信息、发动机信息、导航信息及告警信息等信息的显示，还可提示各系统的状态信息及维护信息。航电系统的显示控制界面是飞行员的主要人机交互界面，优化便捷的显控界面可以显著提高飞行员的操作效率，降低飞行员的工作负荷。航电飞行员操作程序^[1-5]（pilot operational procedures，简称POP）定义了航电系统的显控界面及操作逻辑，是航电系统设计重要的顶层设计文件。因此对POP进行深入的研究，对未来飞机的优化和改进具有重大意义。搭建的试验台架体积过大，在与一线飞行员交流、优化和对空勤地勤人员进行培训时就变的比较困难。因此本文提出了便携式飞行员操作程序仿真。

1 POP组成及飞行员任务分析

1.1 POP组成

综合航电系统采用综合模块化，为多个功能模块和功能软件提供了驻留平台，同时预留了足够的可扩展性，采用4块14 in高分辨率、宽屏智能显示器，可以进行分屏显示，同时显示多种信息，驾驶员查看不同信息时不需进行频繁的切换操作，操作负担较小; 系统提供了足够的、多种类的、标准的接口与其他飞机系统交联，集中采集其他飞机系统的数据进行处理。其结构图如图1所示。

飞行员通过控制综合航电系统来完成对飞机的操纵。首先，综合航电系统为飞机各系统分配相应的显示位置，之后飞机各系统将各自的工作状态及飞机各项参数上报给综合航电系统并通过显示器展示给飞行员，飞行员根据飞机状态及所处阶段，通过各控制按键及触屏操作对综合航电系统进行操作^[6-9]。相应的操作信息会经由计算机和综合航电核心处理模块处理并传递给各子系统，各子系统执行相应指令后再将飞机状态反馈给飞行员，形成闭环。

1.2 飞行员任务分析

不同飞行阶段^[10]有相对应的不同的飞行操作程序^[11]，飞行操作伴随飞行阶段的始终，是机组工作量产生的主要原因。飞行员在不同的飞行阶段的任务主要有五方面:控制、监视、导航、通信和管理。每项任务都可以向下细分，最终与具体的飞行任务相对应，如图2所示。

为方便研究，将飞行阶段简单划分为地面、起飞、飞行中、着陆、复飞五个阶段。

地面阶段可统称为起飞前阶段，飞行员在此阶段主要执行起飞前检查单，初始化飞行计划等。

起飞阶段分为起飞前操作和起飞后操作，起飞前飞行员主要关注主显示器的速度、高度和发动机显示和机组警告系统（engine indication and crew alerting system，简称EICAS）信息，起飞前需从空中交通管制人员（air traffic controller，简称ATC）处得到放行通知。飞行员使用操纵机构将机头对准跑道，松刹车，推动推力手柄。起飞后阶段飞行员从跑道头松刹车开始，加速滑跑到离地35 ft并达到起飞安全飞行速度（v₂）的过程; 离地35 ft时，应由主驾驶收起起落架，保持v₂（等表速）。

飞行中包括爬升、巡航、下降准备、进近和复飞等阶段，飞行员需要通过航电系统监控飞机姿态、空速、高度、垂直速度等飞机主要信息。

着陆阶段包括着陆前操作、接地时、着陆后操作、停机操作、离机操作。飞行员需要关注主显示器和多功能显示器的电子检查单页面。

2 POP仿真建立

解读相关标准首先明确POP设计准则^[12-13]，包括一般准则（交叉检验准则、信息访问均等准则、可视性原则、任务映射原则、简介原则、一致性准则、对应性准则、重要性与频率准则、视觉编码准则等），主要和次要参数显示原则，显示布局设计原则及显示控制设计原则等。

基于以上的POP设计准则，提出飞机各个参数页面的设计要求，内容主要涉及:页面布局要求、显示功能要求、图形化接口要求、窗口、按键、菜单、滚动条、显示元素要求等。包括:机组告警系统（crew alerting system，简称CAS）页面设计要求; 发动机指示系统（engine indication system，简称EIS）页面设计要求; 主飞行显示（primary flight display，简称PFD）页面设计要求; 电子检查单页面设计要求; 机上维护系统（onboard maintenance system，简称OMS）设计要求; 飞行管理系统（flight management system，简称FMS）显示操作设要求; 电子检查单（electronic checklist，简称ECL）页面设计要求; 无线电调谐页面设计要求; 控制板设计要求; 飞行管理系统页面设计要求等。

明确之后的设计准则和页面设计要求被作为POP仿真的设计输入。

3 POP仿真实现

根据POP设计准则和页面设计要求，基于商用计算机平台（personal computer，简称PC），利用建模工具开展关键显示页面的POP建模与仿真工作，能够准确、直观地反映POP设计原则和内容，能采用静态或动态方式展现系统主要工作模式、操作逻辑和画面显示元素和特征，从而支持系统设计人员、系统供应商和飞行员确认显示操作需求和设计。

POP仿真实现平台包括:显示系统仿真主显示器:由4台微软Surface平板笔记本组成; 显示系统控制板仿真:由1台微软Surface平板笔记本组成; 硬件布局如图3所示。

POP仿真软件实现主要包括:控制器仿真原型设计、逻辑设计和UDP通信。

仿真原型设计:仿真原型主要分为仿真页面原型和控制板仿真原型。仿真页面原型包括:PFD、FMS、EIS、OMS、ECL等界面。控制板仿真原型包括:显示控制板（display control panel，简称DCP）、飞行控制板（flight control panel，简称FCP）、转换控制板（reversion switch panel，简称RSP）、多功能键盘（multi-function key panel，简称MKP）、音频控制板（audio control panel，简称ACP）和鼠标控制板（cursor control panel，简称CCP）。仿真模型使用WPF（Windows Presentation Foundation）的用户控件进行控件开发。控件比较通用，通过预留的样式接口属性可以直接调整样式，样式可进入编辑，修改后存为dll，支持多样式快速切换，开发完毕后可以直接利用鼠标滚动进行动态显示测试。控件库设计图如图4所示。

逻辑设计:利用Stateflow有限状态机通过Simulink建立逻辑关系模块，对外部激励环境提供的初始数据进行逻辑处理，将处理后的数据发送给界面，让数据正确的显示在界面上。数据流整体流程如图5所示。

Simulink飞行仿真包含四个数据模块，姿态指示（attitude director indicator，简称ADI）数据处理、航向指示（heading select indicator，简称HSI）数据处理、导航显示（navigation display，简称ND）数据处理、飞行管理系统（flight management system，简称FMS）数据处理。包含26条数据线，其中ADI仿真模块具有五条数据链路，一条从控制台获取数据，其余四条将转化过的数据发送给四台不同设备的PFD程序。HSI数据处理模块包含七条数据链路，其中两条是接收左右两侧HSI界面设置数据，其中一条为将对应数据发送给控制台设置控制台数据，其余四条将控制台设置的数据分发给各台不同设备的HSI。在上面获取HSI数据的基础上，结合控制台的部分数据来源，选择部分需要同ND同步的数据赋值在ND对应数据上，通过对应数据端口发送给ND。关于ND的数据链路有九条，给ND发送数据的链路共有八条，分别包含左右各四条，还有接收ND航线数据的一条。FMS和Simulink的交互总共有五条，接收FMS界面设置的参考速度数据以及同步好的航线数据，向各台FMS发送当前数据。Simulink建模如图6所示。

通信设计:显示页面与Simulink之间的通信通过UDP协议完成，即用户数据报协议（User Datagram Protocol，简称UDP）完成。UDP为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的IP数据包的方法。通信流程如图7所示。

通讯程序完成以下功能开发:在界面中完成UDP发送接收程序、在Simulink中完成UDP数据发送程序、完成界面与Simulink通信。Simulink飞行仿真系统需要接收控制台的输入数据，完成飞行仿真的计算后发送给PFD显示界面系统，需要完成的仿真逻辑包括数据转换和超差失效告警数据等。

4 仿真结果分析

仿真平台拥有五个PC机，四台显控机和一台中操台，中操台可以通过设定参数对四个显控机的显示画面进行控制。其具有与实际飞机驾驶舱相同的页面，因此可用于支持系统设计过程中的显控界面设计。仿真效果示例如图8~图11所示。

5 结论

本文对民用飞机某机型综合航电系统的顶层任务场景、显示操作、画面设计等进行了技术研究，之后进行了POP仿真建模，得出了以下几点结论:

1）便携式仿真平台具有便于移动，方便携带的特点。

2）仿真平台具有与实际飞机驾驶舱相同的页面，因此可用于支持系统设计过程中的显控界面设计。便携式平台可以支持与飞行员交流过程中高效快捷地获取评估意见用于界面优化迭代设计。并最终应用于实际的驾驶舱显示。

3）在进行空地勤人员的培训过程中，也可以具象化的展示操作系统。

参考文献