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下一代飛機駕駛艙:未來飛行員都是“鋼鐵俠”

發布時間:2016-04-16 點擊數:4311

       駕駛著飛機在云端漫步是很多人的夢想,但繁多的操縱組件以及復雜的控制方式,使得駕駛飛機只能止于夢想。經過多年的變革和改進,民機駕駛艙已完成機械化向智能化的過渡。

       但隨著機載集成系統越來越多,大型民機飛行員往往需要長期的專業培訓,才有能力駕駛飛機。即便如此,70%的民機事故還是來源于飛行員的操作失誤,其中過于復雜的飛機駕駛艙設計是重要因素之一。因此,簡潔化、便于操控、初具智能是下一代民機駕駛艙設計所追求的方向。也許未來飛行員都能化身電影中的“鋼鐵俠”,駕駛著“戰甲”在空中翱翔。

       “簡潔”: 為飛行員提供更直觀的操作環境 

       如今,大型民機駕駛艙的多屏幕機接口布局多為“4+1”(如波音B787)或“5+1”(如空客A350XWB)形式,屏幕尺寸也都在20英寸以下。過多的顯示屏和過小的顯示面積,一方面會增加功耗和載重,另一方面,飛行員視線及光標需要在多個屏幕間切換,操作性降低,并且顯示屏能提供的信息量也受到限制。

       同時,現代駕駛艙的顯示控制系統異常復雜,僅飛行員起飛前的準備操作步驟就高達135個,不僅如此,典型的模式控制面板上就有24個控件,每個控件的操作方式更不止一種,因此未來駕駛艙亟須做到簡潔。

       簡潔的駕駛艙即通過全觸摸的超大液晶屏幕替代現代駕駛艙的液晶顯示器+機械控制組件的方式,采用全新布局,為飛行員提供更加直觀和諧的操作交互環境。

       通過對多種顯示畫面布局進行了對比分析,權衡了觸摸屏替代中央控制臺和頂板機械組件的方案,并對15寸以上超寬顯示屏、超薄曲面屏在駕駛艙中的應用可行性初步實驗,在綜合考慮目前顯示器制造工業水平等因素的基礎上,提出并實現了“3+1”(前儀表板上3塊21英寸屏幕,中央控制臺上1塊18.5英寸屏幕)的布局方案并取消了光標控制裝置、多功能鍵盤等硬件設備,頂板和中控臺采用全觸摸的方式,側面輔以電子飛行包和監控屏幕組成了全玻璃化的駕駛艙。

       通過以上布局,可以進一步減少飛機的功耗和載重,降低運營成本;另一方面,減少了飛行員在多個屏幕之間切換的頻率,降低操作的復雜度,并且提升了飛行員從飛機屏幕上得到的信息量。 

       “智能”: 讓駕駛艙更“懂”飛行員 

        針對駕駛艙顯控系統中的智能化語音識別及控制技術,是現役大型民機顯控系統的技術空白,語音控制是最自然最和諧的控制模式。在當前人工智能技術高速發展的影響下,語音識別及控制系統憑借其控制穿透性和易交互性的特點,將成為下一代民機駕駛艙首選的智能控制模式。

       大型民機由于傳感器以及其他系統設備較多,其顯示系統所要顯示的信息量非常巨大。不僅如此,隨著航電系統設備的不斷發展,很多新型的駕駛輔助設備也將安裝在寬體客機上,因此駕駛員面對的信息量是非常龐大的,需要對多維的信息進行綜合化顯示處理。不僅如此,在某一時刻,飛機很多信息量表達的是同一個概念和狀態,但是按照目前的飛行顯示方式,將所有信息同時呈現給駕駛員,遇到某些危急時刻,反而會影響駕駛員判斷,因此信息需要通過最為直觀的方式呈現給駕駛員,使得駕駛員可以在第一時間最為準確地了解飛機狀態,做出正確判斷。

       另外,智能化的顯示控制技術也可以把飛行員從繁重的操作中解放出來,通過理解飛行員的語意、識別飛行員的手勢,智能化的駕駛艙可以響應飛行員的控制指令,完成自動化的控制操作,達成飛行員的控制目標。

       智能控制是下一代民機駕駛艙的亮點所在,就像鋼鐵俠身披的超智能鋼鐵戰甲上的聲控方式對其戰斗能力的提升一樣令人印象深刻。目前,該項技術已基本實現以語音命令控制前儀表板顯示畫面的切換并實現了飛行管理系統的全語音輸入,能減少飛行員50%以上的操作。而這僅僅是智能的開始,后續還將進一步加強語意理解的研發工作,進一步提高識別率,開發更加智能的系統,可自動完成一系列的組合操作,理解不同飛行員的不同語言習慣,讓下一代的駕駛艙更“懂”飛行員。 

       “無界”: 仿佛置身空中高速公路 

       現代駕駛艙提供給飛行員的視界還僅僅局限于狹小的風擋,當突然遭遇惡劣天氣或緊急情況時,飛行員往往難以無法判明飛機當前的態勢,因此駕駛艙應為飛行員提供提升態勢感知能力的設備來輔助飛行員進行決策。甚至未來這些設備還有望提高同等機場條件下飛機盲降等級。

       無界的駕駛艙即借助先進的傳感器、逼真的計算機圖形渲染技術,為飛行員提供多種感知周圍環境狀況的手段,飛行員視線穿過云、霧、霾,使自己仿佛置身于全透明的駕駛艙中。平視顯示系統(HUD)、增強現實眼(AR)鏡、合成視景系統(SVS)、增強飛行視景系統(EFVS)、組合視景系統(CVS)通過紅外成像技術、三維圖形成像技術為飛行員提供全方位的飛行態勢感知能力。

       中國商飛北研中心航電技術研究部研發了以上系統的原理樣機,其中SVS原理樣機在傳統的三維地形、機場、飛行數據的顯示和地形、障礙物碰撞預警基礎上、融入了可視飛行管道等功能,并提供了跑道邊線和剩余長度的提示。同時,還實現了多波段和復雜氣象環境下的紅外呈現模擬仿真,完成了EFVS的原理樣機研發,對以上兩種系統的輸出圖像進行校正融合。通過在駕駛艙內的集成和實時飛行仿真驗證,對上述系統提高飛行員態勢感知的有效性進行了評估。未來,飛機除安裝前置紅外攝像機外,還可以安裝多種特殊的攝像機為飛行員提供更廣闊的視線范圍。

       左圖CVS顯示的飛行數據與PFD上顯示的內容基本一致,左側顯示當前速度,右側顯示當前高度,中間區域顯示地平線和飛行姿態,其他輔助數據還包括導航信息、加速度提醒、擦機尾警告、跑道邊線提示和剩余跑道距離等等,CVS圖中綠色線條組成的飛行管道提示飛行員當前的所需導航性能(RNP)和預測航跡,給飛行員帶來仿佛置身于空中高速公路般的感受。

       “互聯”: 實時監控 擴充駕駛艙信息渠道 現代駕駛艙還未能提供飛機之間高效通訊的方式,沒有建立起空中的信息共享平臺。飛機與地面之間的通訊也僅限于無線電的方式,其通信頻道擁擠、人為因素干擾等缺陷日益突出。因此未來駕駛艙應能提供飛機與飛機間、飛機與地面間高效的互聯手段。

        互聯的駕駛艙即利用先進的地空寬帶數據鏈、星基寬帶數據鏈等技術方案,實現與飛機之間多維數據傳輸和共享,空地之間的視頻通信以及大規模數據的實時傳輸。駕駛艙與駕駛艙之間的互聯有助于進一步提高安全性,同時可提高飛行效率,例如航線前方的飛機將路線上的實時天氣狀況傳遞給航線后續的飛機,可使得飛行員盡早重新規劃路線從而規避惡劣天氣。視頻通訊有助于空管員和飛行員之間更優的情景狀態的理解。

       近年以來,國內的一些通信公司緊密跟蹤民用航空通信系統的技術發展,提出了多款基于民用通信技術或專有通信技術的空地互聯通信解決方案,并就部分關鍵技術及產品原型進行了試驗,但尚未達到商用的程度。在衛星通信方面,國內自主設計制造的適合于民航應用的寬帶衛星通信系統的組網建設也尚處于前期研發階段。 

       寬帶數據鏈通信,可以避免使用語音通信手段時,因通信距離、通信質量、通信頻道擁擠造成的通信不暢或誤聽誤解語音含義帶來的安全隱患;同時可以大大降低飛行機組和管制員的工作負荷,增強空域活動的安全裕度,減少飛行間隔;數據鏈設備經型號批準的飛機在經批準運行區域的使用,可以加大運行空域的交通流量,提高運行效益。

  

中國商飛北研中心概念駕駛艙


概念駕駛艙語音控制系統


概念駕駛艙增強飛行視野系統


概念駕駛艙寬帶視頻通訊


概念駕駛艙觸摸控制系統