浅谈驾驶舱人机界面设计的基本原则

    本文作者以一个试飞员的亲身体会和独特视角，从几个方面讨论了人机界面设计中应遵循的原则，并提出安全、高效、舒适的要求是相辅相成的观点。

    驾驶舱人机界面对飞行 的影响不仅是指其对飞行员体力、心理和意识活动的影响，而且将直接影响飞行员的工作效率和飞行安全。人机界面设计的复杂性在于，使用界面的是人，界面合适与否要通过人的使用来证明。
　　
    安全是人机界面设计的第一原则
　　
    飞行的安全性要求是飞行的第一要求。决定安全的因素极为复杂，有外界环境的因素，有飞机及各系统的因素，也有人的因素等等，其中人的因素最为复杂。评估人机界面的安全性主要从以下几个方面来进行。
　　
    ● 是否对飞行员有直接的生理伤害
    飞行员的整个飞行过程包括进出驾驶舱、起飞、机动飞行、仪表飞行、武器发射、着陆、迫降、跳伞等，在这些过程中，人机界面可能会给飞行员的生理造成伤害，这是设计人员在驾驶舱的设计过程中要尽力避免的。例如：驾驶舱的裸露表面是否有尖锐表面，可能造成飞行员的肉体划伤；飞行员约束系统能否在高过载情况下（如冲击、撞击等）免除或尽量减轻飞行员遭受的过载和撞击损伤；在弹射跳伞时，驾驶舱系统是否会对飞行员造成直接或间接地伤害，如勒伤、划伤、碰伤，吹伤等；飞机设备是否易于破损而造成对飞行员的伤害，如舱盖破损、系统漏电、着火、减压、低温冻伤、缺氧等。
　　
    ● 是否易于造成飞行员的错误
    飞行员是人而不是机器，判断和使用上的错误在所难免，因此驾驶舱设计应具有一定的容错和防错性。例如：设备的功能模块化布局，使人机界面更加合理，具有逻辑性，避免飞行员的误动；危险开关的特别提示，提醒飞行员防止误动，位置也应放在特殊位置，尽量远离常用电门，并设置防错台阶，防止飞行员操纵其他电门时碰挂；在逻辑设计上下工夫，使飞行员的某些误动无效，如地面收起落架，空中放伞等；仪表、显示器的合理设计，避免飞行员的错误判读；危险状态和错误操纵的提示，使飞行员及时发现故障和错误，尽快改正。
　　
    ● 能克服复杂环境带来的危险
    环境对飞行的安全影响很大，要使飞机具有在复杂环境中飞行的能力，对于人机界面来说，最重要的是能够克服低能见度和云对飞行的影响。这就要求飞机的导航界面能够在低气象条件下准确地引导飞机飞向着陆机场，并安全着陆；驾驶舱的姿态画面良好，便于飞行员判明飞机姿态，不易造成飞行员错觉。
　　
    ● 故障下的安全飞行
    飞机的各个系统的故障在飞行中是不可避免的，从设计和工艺的角度，我们要尽可能地提高系统的可靠性，减少设备的故障率。同时从人机界面设计的角度，我们应该实现余度设计，对于重点的系统、显示器、仪表，要采用多余度设计，例如姿态显示有平显、电子飞行仪表、备份仪表等；起落架系统有正常放、应急放；弹射系统有正常弹射、应急弹射等。
　　
    高效是现代战争对军机的基本要求
　　
    从人机界面设计的角度讲，高效的要求应体现在以下几个方面。
　　
    ● 显示系统应显示飞行员最关心的信息
    传统飞机的驾驶舱显示系统提供的信息是非常有限的，飞行员的工作负荷普遍较高。现代航空电子系统和综合火控系统大大增加了驾驶舱显示系统的信息量，使得飞行员的工作负荷明显降低。如"一平三下"的多功能显示系统，声、光、文字信息一体化的综合告警系统等等。
　　
    如何有效地利用有限的驾驶舱空间，为飞行员提供更多有用的信息，也是设计人员和飞行员共同的课题。要根据不同的飞行阶段，为飞行员提供他们最需要的信息。例如在整个飞行过程中，姿态信息是飞行员最关心的，在巡航阶段飞行员最关心的是飞机的位置和飞机气动参数，因此在巡航阶段显示画面主要提供的应是姿态、气动和位置信息。在攻击作战阶段，飞行员最关心的是目标和武器方面的信息，因此显示画面除了必要的姿态和飞行参数外，主要应显示与攻击有关的信息。在飞机出现故障时，飞行员最关心的是故障信息。可见，显示系统要根据飞行员的需要，提供给他们最关心的信息。
　　
    ● 提供一个友好的显示界面
    驾驶舱的显示系统要提供给飞行员最直观、最形象的信息，目的是使飞行员迅速而准确地获取信息。如平显图像的标准化，导航画面的地图化，数字信息的模拟化，文字信息的汉化等等。从优化设计的角度，还要考虑显示画面的清晰度和逻辑性，各个画面的位置的合理安排，画面字符的可读性等。另外画面的切换和调整要方便快捷。为了真正实现人机界面的优化设计，飞行员应当参与驾驶舱的设计和评估。而且飞行员本身在评价人机界面时要客观全面，不能受传统飞机驾驶舱布局和以往的飞行习惯的局限。为了获得客观合理的评估意见，应请多名飞行员参与试验，以获得统计的数据。
　　
    ● 飞行员要能够迅速有效地控制各个系统
    驾驶舱内的电门、开关、把手数量较多、功能不一，使用也非常频繁。为了使飞行员能够迅速而正确地使用，在设计上应考虑根据功能的不同合理布置：操纵部件要有较好的可达性；采用HOTAS设计，飞行员手不离杆就能实现各个系统的开关和功能的转换； 常用的电门把手要安排在方便飞行员使用的位置； 操纵部件的使用要方便灵活；操纵部件的扳动或移动方向要符合飞行员的生理习惯。
　　
    舒适度是一个不可忽视的因素
　　
    现代科技以人为本，在现代军机的设计中也越来越多地考虑人的因素。人机界面的舒适与否不仅仅是感觉的问题，它也影响到人的心理和生理状况，直接关系到飞行员能力的发挥，甚至关系的飞行的安全，我们决不可小视。飞行员对舒适度的感知有理性的一面，更有感性的一面，这个问题非常复杂又不可回避。
　　
    视觉因素--和谐愉悦的驾驶舱外观
    我们有这样的感受：和谐的色彩和形象给人一种平静愉悦的感觉，而灰暗杂乱的环境给人一种焦灼不安的感觉。飞行员对驾驶舱外观的感受也是同样的。在驾驶舱外观设计上应注意：界面外表要圆滑平整，显示器、仪表、设备的布置要和谐而有规律，驾驶舱内的色彩要和谐统一，飞行员的视野要开阔，驾驶舱内灯光要柔和。
　　
    听觉因素 -- 安静的驾驶舱
    强烈的噪音会使人急躁并易于疲劳。驾驶舱的噪音是不可避免的，问题是怎样减小飞行员所承受的噪音。要分清噪音的来源，分别对待，即：提高通信系统的性能和质量，减小无线电噪音；调整发动机，减小发动机的噪音； 改进头盔提高头盔降噪功能；增加飞机的结构强度，避免飞机振动的嗡鸣声。
　　
    触觉因素 --座椅和飞行装备的舒适性
    座椅和飞行装备的舒适性是人机界面舒适性的重要环节。它包括座椅的外形要与飞行员的身体相适宜，无挤压妨碍；伞带的松紧要适中，穿伞无不适感；头盔的大小、形状适宜，面罩柔软舒适； 抗荷服、代偿服穿着舒适，抗荷系统、代偿系统功能良好。
　　
    空间因素 -- 宽阔的驾驶舱
    狭小的空间会给人一种压抑的感觉，飞行员对环境空间的感觉是非常灵敏的。给飞行员一个稍宽阔一点的环境，使他们有活动身体的空间是非常重要的，稍高一些的坐姿，使飞行员有一个开阔的视野，也会使飞行员产生一种空间开阔的感觉。这些都将利于改善飞行员的舒适感。
　　
    安全高效舒适之间的关系
    在人机界面的设计中设计人员首先考虑的是功能和性能，也就是高效的原则，对安全和舒适的问题往往容易忽略，或不够重视。其实这三个方面是互相关联互相影响的，在设计过程中应该通盘考虑。
　　
    首先，一个安全的驾驶舱环境，能够减少飞行员的顾虑，使其把大部分精力用在飞行上，工作的效率必然会提高。否则，飞行员要考虑动作不要失误，不要看错数据，还要花很大的精力去飞行，工作负荷增加，效率也就必然很低。在一种不安的状态下飞行，飞行员的心理压力很大，工作负荷不可能减轻，在这种不良心态下飞行员很难有舒适的感觉。
　　
    反之，一个友好而高效的驾驶舱界面，使飞行员的飞行工作得心应手，高信息量的显示，使飞行员能够全面地监控飞机的各个系统。这样飞行员出现错误的概率就会降低，一旦出现故障也能及时发现正确处置。高效的驾驶舱界面使飞行员的工作负荷降低，减少疲劳，心理压力也较小，在一种愉悦的状态下飞行，飞行员自然有一种舒适的感觉。
　　
    舒适的驾驶舱环境能使飞行员精力旺盛，动作协调，发现问题迅速，头脑冷静，处理问题准确，这样，必然减少出现错误的机会。
　　
    因此，在驾驶舱人机界面的设计中要三者兼顾，突出重点。同时应该加大科研投入，设计出飞行员喜欢的驾驶舱界面。