飞机人机交互设计的重要原则之一

王黎静+何雪丽

平视飞行的由来

在现代飞机设计中，尤其是战斗机，经常会提到一条非常重要的人机交互设计原则——“双手握杆，平视飞行”。“双手握杆”是指将武器和雷达等重要控制器安装到战斗机的驾驶杆和油门杆上，以保证飞行员在作战飞行时双手不离开操纵杆，也就是所谓的HOTAS（Hands On Throttle and Stick）技术。“平视飞行”则是指飞行员在飞行或作战时保持抬头状态，不需要频繁低头查看仪表，可在观察舱外飞行环境的同时获取各类飞行信息。之所以提出平视飞行，是因为人的眼睛在远景和近景之间切换时会有一定的聚焦适应时间，虽然时间较短，但对于高速飞行或机动作战的飞机来说，其对飞行安全和作战绩效的影响仍是不容忽视的。另外，频繁的抬头和低头还会造成飞行疲劳和对飞行态势感知（SA，Situation Awareness）的下降。平视飞行设计原则可以降低飞行员低头查看仪表的频率，避免出现注意力中断、态势感知丧失、视觉负荷大和眼睛焦距调整产生的延迟等不利现象。

HUD应运而生

如何才能实现平视飞行呢？设计人员设计了一种可将飞行信息与驾驶舱外视景结合的装置，即HUD。其实，HUD的前身可认为是使用在早期战斗机上的光学瞄准器。这种瞄准器最早出现是在第一次世界大战期间，到了第二次世界大战的时候就已经被广泛利用了。光学瞄准器是利用光学反射原理，将环状的瞄准圈光网投射安装于座舱前端的一片玻璃上，或者直接投射到座舱罩的前面，投射的影像对于肉眼的焦距是定在无限远的距离面上，当飞行员瞄准目标的时候就不会妨碍到眼睛对外界的观察。当技术进步可以支持更多的飞行状态信息集合在一起，以文字或数字形式投射在座舱前方的固定装置上时，HUD就出现了。HUD也是利用光学反射的原理，将重要的飞行相关信息投射在一片玻璃上面。这片玻璃位于座舱前端，高度大致与飞行员的眼睛成水平，投射的光线以平行光的形式进入飞行员的眼睛，这样投射的文字和影像就可以调整显示于焦距无限远的距离上面，飞行员透过HUD往前方看的时候，能够轻易地将外界的景象与HUD显示的信息资料融合在一起。HUD的出现基本满足了平视飞行设计原则的要求，具有增强操作情景意识，减少操作技术失误，为非正常操作状况提供识别和改出指引，提高对非正常状况的感知能力，改善操作品质等应用优势。

HUD主要显示与飞行安全和作战绩效有着重要关系的信息，譬如飞行高度、飞行速度、航向、垂直速率变化、飞机倾斜角度等。当使用于战斗环境时，还会加上目标搜索瞄准信息、武器与发射相关信息、预估命中点等。此外，HUD的显示内容还可以根据不同状况而变换，例如巡航模式、空空作战模式、防拥模式等。

HUD的应用及发展

第一架使用HUD的军用战斗机是由北美航空（North American Aviation）为美国海军设计生产的A-5“民团团员”舰载机。民用航空领域的应用是在1975年由法国达索（Dassault）飞机公司首先装配于Mercure（法语“水星”之意）客机上。20世纪70年代晚期，美国麦克唐纳·道格拉斯（McDonnell-Douglas Corporation）飞机公司在生产的MD-80系列飞机上也开始采用HUD。自1970年代中期以后，世界航空界对HUD的认识和使用开始越来越普及。除了美国以外，其他国家也开始陆续购买或者研发相关系统。

随着飞机自动化控制的程度和飞行仪表的整合度越来越高，飞行员不需要像以前那样频繁观察大量仪表，操控众多设备，因此HUD几乎可以涵盖飞行或作战所需的基本信息，从而成为现代飞机的主飞行显示器。目前，世界上几乎所有的战斗机和武装直升机都可安装HUD。鉴于HUD成熟的技术和稳定的性能，新一代的战斗机也大都安装了HUD，如俄罗斯的T-50、美国的F-22以及中国的歼20等，并且从一些新闻图片猜测，应该都是新型的衍射式平视显示器。随着技术的进步，HUD的功能越来越多，其技术也开始向商用飞机和其它民用领域普及。在商用飞机上，HUD主要在能见度不良情况下，如雨、雪、雾天气或夜间，帮助飞行员在着陆时确定机场跑道的位置，以保证飞行安全。根据最新研究结论，在所有民航起飞和着陆事故中，68%的事故可以通过使用HUD避免或降低事故危害程度。中国民航计划到2020年，旗下所有航空公司全面使用HUD。鉴于HUD的方便性以及确实能够提高飞机安全性和操作绩效，“平视飞行”这条人机交互设计原则在现代飞机设计中应用得越来越广泛，HUD已经成了全球主流战斗机和武装直升机，甚至民机不可或缺的设备，并且该人机交互设计原则还有着快速向其它民用领域扩展的趋势。

到目前为止，HUD经历了反射式、衍射式等不同时期的发展，成像技术也逐渐由传统的用阴极射线管（CRT）向硅基液晶（LCOS）图像源、数字微镜装置（DMD）和透射型LCD等新技术发展。由于新技术的使用，新型HUD的视场、清晰度、稳定性都有了大幅度的改进。此外，HUD的发展还体现在了显示内容、使用方式等多个方面。比如，为了提供增强的视觉图像，提高驾驶员夜间和低能见度条件下的情景意识，罗克韦尔柯林斯公司与庞巴迪宇航集团最近进行了一系列飞行测试，将增强视景系统（EVS）和合成视景系统（SVS）等技术融合到HUD之中。初步结果显示，在HUD上显示合成视景时，仪表着陆系统（ILS）的横向精度提高了70%，纵向精度提高了25%。Elbit Systems推出了一款名为Skylens的可穿戴式平视显示器，旨在为飞行员提供更好的视野。该系统易于安装，适合在迷雾或黑暗中进行导航辅助，虽然称之为可穿戴式HUD，但其更类似于下文介绍的头盔显示器。endprint

平视飞行的新宠——头盔显示器

由于HUD的光学原理和安装特点，其在应用过程中存在一定的视界（Field of Regard）范围限制，并且对飞行员飞行时的头部位置有严格要求。当飞行员转动头部的时候，HUD上的飞行信息影像就会暂时离开他的视野范围，因此有人建议将影像直接投射在飞行员头盔的前方，或者说直接将缩小版的HUD安装于飞行员头盔上，这样影像就可以始终呈现于飞行员眼前，随时与飞行员的视野范围重合，达到“随动”的目的。直到20世纪90年代，研究人员才成功研制出可以显示多种战术、导航、飞控信息的头盔显示器（Helmet Mounted Display），以下简称HMD。HMD相对于HUD最大的优点是其可以利用头部的转动扩大视界，无论飞行员朝哪个方向看，都可以掌握完成任务所需的飞行信息，使飞行员的态势感知能力大大加强。

现代作战飞机的机动性、敏捷性等各项性能指标都有了大幅提升，空战环境也日趋恶化， 这些都对飞行员对战场的态势感知能力提出很高要求。与此同时，各种大离轴空空导弹也研制成功和相继列装，如俄制R-73、美制“响尾蛇”空空导弹改进型、法国的魔术、以色列的怪蛇4、英国的流星等，这些能够离轴甚至越肩向后攻击的导弹也需要与之完美配合的瞄准显示设备。此外，具有强超低空机动作战能力的武装直升机也逐渐成为各国陆军航空兵的发展之重。上述因素都迫切需要一种视界大、实时性强、可快速跟踪和截获目标的瞄准显示系统，因此HMD以其出色的离轴捕获和攻击能力、宽大的视界和较强的夜视能力等优势成为平视飞行设计理念的新宠，大有取代HUD的趋势。

平视飞行技术的扩展应用

目前，平视飞行技术在另一个民用领域的普及，主要体现在汽车上。20世纪80年代末，HUD的特性被当时日渐重视安全性的汽车制造商看中。1988年，HUD作为一项安全特性出现在通用旗下的奥兹莫比Cutlass Supreme车型的选装单上，但是市场反响冷淡。随后几年，民航对HUD的普及再次引发了技术热。近期HUD已经成了奔驰、宝马、奥迪等豪华车型的最新卖点。2003年起至今，宝马5系、6系、7系、X3、X5、X6均已装备HUD，宝马公司成为欧洲第一家使用HUD技术的汽车公司。汽车上的HUD主要是在挡风玻璃或者中控台上方的投影屏上投影车速、导航信息等图像，辅助驾驶员驾驶车辆。豪华汽车对HUD的推崇，使“平视飞行”的人机交互设计原则扩展到“平视驾驶”。

随着Google眼镜（Google Glass）的推出，“平视飞行”的人机交互设计原则得到了更大的扩展。Google Glass也是利用与HUD类似的光学反射投影原理，即通过微型投影仪将图像投射到一块反射屏上，而后通过一块凸透镜折射到人的眼球，实现所谓的“一级放大”，从而在人眼前形成一个足够大的虚拟屏幕，可以显示简单的文本信息和各种数据，同时还可通过眼镜观察外部，实现虚拟图像与外部视景的叠加。也可以说，Google Glass的显示系统是将HMD的人机交互设计原则扩展到了一般的大众娱乐系统。

平视飞行技术不仅在目前多个实际领域得到推广利用，还在一些科幻题材的电影中经常有所涉及，成为未来高科技概念飞行器或载人武器的显示模式，给人一种“高大上”的感觉。电影《钢铁侠》中托尼·史塔克的飞行服头盔就具有显示自身状态、预测飞行路径、锁定攻击目标等功能。

人机交互设计的根本目的就是为人机系统中的人提供最为符合其生理或心理特点的交互界面，使其能够安全、高效地完成任务。纵观“平视飞行”人机交互设计原则的出现、发展和兴起，可见只要是符合人机交互特性的设计原则，一经出现，就势必会迅速获得广泛认同，并取得快速发展和推广。对于“平视飞行”这种典型的人机界面的设计原则，只要结合人机交互设计方法及试验研究，建立起完善的人机交互设计原则，一定能够让其“老树开新花”，不断取得新形式的突破，让其被越来越多的领域所接受。endprint