以智能化为目标导向的直升机驾驶舱光环境现状调查

高元鹏，吴雨婷，王立雄，于 娟，黄博超

(天津大学，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

直升机驾驶舱一般分为并列式(正、副驾驶员同舱)和纵列式(正驾驶员在前舱、副驾驶员在后舱)两种形式。虽然两种形式驾驶舱的仪表板、座椅、操纵台、操纵器件等布置位置不同，但具有相同的高度集成化布置特点，如图1所示，舱内设备精密复杂、承载大量重要信息，因此，驾驶员驾驶过程中，仅来自舱内的视看信息负荷已极其繁重。同时，舱外天气条件多样，如白天、夜晚、雷暴、云雾等，光环境变化范围大，且毫无规律，这给飞行员作出准确及时的视觉判断和操作带来更大的挑战。

图1 某驾驶舱操纵台布置图[1]Fig.1 A cockpit console layout

目前直升机的发展正处于深度综合化向智能化的过渡阶段[2]。所谓智能化，一是具有“感知和解析外部信息”的能力，二是具备“通过与环境的相互作用适应环境变化”的技术，三是形成“对外界的刺激作出反应并传达相应信息”的决策。目前直升机驾驶舱光环境的智能化：导光板、显示器已有较成熟的自动调光技术[3,4],某型直升机上已应用自动调光系统，可实现对显示器亮度和导光板亮度进行自动调节[5]，但对应的调控策略(决策)处于相对简单化状态，缺乏基于人-机-环境系统理论的、“以人为本”的从使用者需求出发的智能化调控策略基础理论研究。本文即是通过问卷访谈和机上测量，量化驾驶员对直升机驾驶舱光环境的使用需求，以期挖掘目前驾驶舱光环境现状存在的源头问题，旨在有的放矢地开展智能化调控策略的针对性研究。

1 直升机驾驶舱光环境调查

如图2所示，驾驶舱内部的光学设备包括：显示屏、导光板、仪表等自发光的视看设备；提供环境照明的泛光灯；提供局部照明的聚光灯。对应的视觉影响因素：自发光设备显示内容的色度、亮度及目标背景比；照明设备光源显色性、色温和光谱分布(兼容要求)；工作面照度和照度均匀度。

1.1 驾驶员对驾驶舱光环境的主观评价

所调查3类机型中，A、B机型为纵列式直升机，C机型为并列式运输直升机。总计调查36名男性驾驶员(12名×3机型)，其中30名驾驶员(10名×3机型)只填写问卷，6名驾驶员(2名×3机型，驾龄≥10年)填写问卷后，现场对答案进行解释。问卷题目针对4项内容设置：

(1)舱内光环境满意度评价；

(2)舱外日眩光评价；

(3)显示和照明色度偏好；

(4)控制界面形式偏好。

调查情况详述如下：

1.1.1 舱内光环境满意度评价

本部分调查问卷采用李克特量表形式，共计7级量表：-3分为非常不满意，3分为非常满意。问卷题目包括：

图2 驾驶舱内部的自发光设备与照明设备Fig.2 Self-illuminating equipment and lighting inside the cockpit

(1)光环境整体满意度；

(2)显示屏、导光板、仪表、指示灯在晴天/黄昏/阴雨天/夜间工况下的识别满意度；

(3)内部光环境在晴天/黄昏/阴雨天/夜间工况下明亮与辨识满意度；

(4)内部饰面色彩、照明控制界面、灯具形式的满意度。

问卷统计结果如表1所示，总得分：A机型为51.0分、B机型为51.4分、C机型为57.0分；驾驶员满意度评价低于2分(比较满意)的总项数：A机型为7项、B机型为5项、C机型为3项。即：驾驶员对C机型并列式驾驶舱光环境的满意度高于A/B机型纵列式驾驶舱。依据驾驶员的问卷填写内容与现场解释，对评价结果解析如表1所示。

表1 驾驶员对驾驶舱光环境的满意度评价数据统计

1)对A/B机型光环境整体满意度评价较低的主要原因是驾驶员认为“座舱灯过暗”和“舱内存在日眩光和夜间反光问题”，其次是“照明存在遮挡”、“按钮未设置照明，因此看不清/找不到按钮位置”、“亮度调节不灵敏”；

2)对B机型夜间显示屏识别满意度和A机型黄昏、阴雨天、夜间的指示灯识别满意度评价较低的主要原因均是驾驶员认为“过亮”和“玻璃反光”；

4)对C机型晴天仪表和指示灯识别满意度评价较低的主要原因是驾驶员认为“过暗”且“晴天舱外阳光或天空的高亮度产生眩光问题，因此导致识别受到影响”；

5)对3类机型照明控制界面满意度评价较低的原因包括：“按钮位置看不清/找不到”、“操控不方便，缺乏单独和整体联动的调整开关”、“亮度调节不一致、不灵敏”；

6)对A/B机型灯具形式满意度评价较低的主要原因是驾驶员认为“座舱灯不柔和，存在遮挡情况”、“阅读灯使用不方便、过亮”。

1.1.2 舱外日眩光评价

本部分包括“日眩光发生概率”和“日眩光刺眼程度”2项评价题目，统计结果如表2所示：A/B机型半数以上、C机型33.3%的驾驶员认为“晴天日光刺眼情况经常发生”(评分为-2)；A机型只有8.3%、B/C机型33.3%的驾驶员认为“晴天日光刺眼情况不可忍受”(评分≤-3)。因此可认为，驾驶员可以忍受所发生的日眩光的刺眼程度。但上述满意度评价结论可知，日眩光的存在影响了驾驶员对舱内设备的识别满意度。

表2 驾驶员对驾驶舱舱外日眩光评价数据统计

1.1.3 显示和照明色度偏好

本部分调查问卷题目包括：

虽然更贴近城市生活定位的路虎发现在诞生伊始曾遭到来自各方的质疑，但其出色的公路行驶性能和这个品牌一贯优秀的全地形能力却并存于这辆中型SUV上。路虎发现甚至以参赛车辆的身份代替了路虎卫士，出现在了以恶劣路况而著称的“骆驼杯挑战赛”的现场。事实证明，它仍旧是一辆血统纯正的路虎，只不过因为它的多用途特点，让它显得更具亲和力。

(1)按紧急程度排序的告警色偏好；

(2)设备显示内容的配色偏好；

(3)照明系统的色温偏好。

数据统计结果显示：36名驾驶员按紧急程度排序的告警色偏好与直升机现状一致，均为红、黄、绿；关于设备显示内容的配色，36名驾驶员均无明确的配色偏好，均表示目前的配色现状较好；关于照明系统的色温偏好(图3)，绝大部分驾驶员偏好白光泛光灯和黄光阅读灯，36名驾驶员均认同静暗环境的绿光照明的必要性，但大部分驾驶员提及“头盔”存在不舒适问题。结果表明，驾驶员对目前驾驶舱内的色度现状较为满意。

1.1.4 控制界面形式偏好

本部分调查问卷题目包括：

(1)对4类开关形式(按压、扳动、旋转、触碰)操作方便性和准确性的评价；

(2)是否认同触碰式开关代替机械式开关；

(3)是否了解LCD、OLED、Mini/Micro LED等新型显示界面的智能化控制技术(若不了解，则简单介绍)，是否认同新型智能调控技术应用于直升机；

(4)关于应用新型光环境智能调控技术的建议和意见。

数据统计结果显示：驾驶员认为触碰式开关比机械式开关操作方便、但不够准确(图4)；大部分驾驶员质疑触碰式开关的稳定性和准确性，因此不认同触碰式开关完全代替机械式开关，同样因为对稳定性和准确性的质疑，大部分驾驶员不认同新型智能调控技术应用于直升机(图5)；给出的建议和意见也多是针对智能调控技术的可靠性。

图3 照明系统色温偏好数据统计Fig.3 Data statistics of lighting system color temperature preference

图4 开关形式评价数据统计Fig.4 Data statistics of switching form evaluation

图5 控制界面智能化偏好数据统计Fig.5 Intelligent preference statistics for the control interface

1.2 直升机驾驶舱自发光设备光参数测试

选取A机型纵列式和C机型并列式2类型驾驶舱开展光参数测试，测量昼间全阴天和夜间全暗室2种工况。驾驶舱内照度大于200 lx时，导光板上的字符和刻度可清晰识别[1]，因此实际昼间基本不开启导光板背光和舱内照明，本测试为获取自发光设备最全面的昼夜亮度及亮度比值范围，也同期测试了昼间全阴天工况下开启导光板背光时的亮度值。

尺寸细小的字符和刻度是主要测试对象，因此对测量仪器的测量精度、图像分辨率、最小可测测点面积提出要求，本次测量选取测量仪器如图6所示，满足测试要求。

图6 CL-500A分光辐射照度计和LumiCam 1300图像亮度和色度测量仪( LC-312镜头)Fig.6 CL-500A spectroradiometer and LumiCam 1300 image brightness and chromaticity meter (LC-312 lens)

共计测得541个测点数据，统计测试对象的色相、亮度和目标背景比(表3)，数据分析详述如下。

表3 测试数据统计

1.2.1 色相

541个测点包括了4类自发光设备显示内容的所有肉眼可识别出的色相，以色坐标误差≤3%为标准，共计统计出13种典型色相。数据还表明，夜间以偏绿色光为主，无红色波段范围的色光，满足兼容要求。

1.2.2 亮度

如表3和图7所示：

1)昼间字符、刻度的亮度范围在100～600 cd/m2之间，信号灯和仪表的青色光亮度较高，平行对比3类显示设备均具有的绿色色光亮度，亮度均值差值较小，且数值范围具有共同的区间；

图7 亮度测试数据统计Fig.7 Brightness test data statistics

2)夜间字符、刻度的亮度范围在1～25 cd/m2之间，最高值来自显示屏的青色，显示屏的亮度显著高于仪表和导光板；

3)昼间背景的亮度范围在10～80 cd/m2之间，显示屏的背景亮度略高于操作台台面亮度，显示屏的4色相背景亮度均值差值较小；

4)夜间背景的亮度范围在0～5 cd/m2之间，显示屏的黑色背景亮度与操作台台面亮度均值近似相同，蓝色和土色背景亮度显著高于黑色背景亮度。

为进一步明确测试对象亮度的昼夜变化，统计了昼夜亮度比：显示屏除黑色填充底图之外，差值在50之内，导光板和仪表分别为128、293。数值表明，导光板和仪表的昼夜亮度变化幅度相对高于显示屏。

1.2.3 目标背景比

显示屏的目标背景比是指所有测试对象与黑色填充底图的亮度比；仪表、导光板、信号灯的目标背景比是指测试对象与操纵台台面的亮度比。目标背景比为2时目标可见，舒适的目标背景比在3～10之间。为直观比值量级，目标背景比计算值仅保留小数点前一位数值。

昼间测试对象的目标背景比：显示屏字符刻度在3～9之间、显示屏填充底图均为1、导光板字符刻度为9、仪表字符刻度为11～18、信号灯为17。数值表明：昼间显示屏充当背景的填充底图亮度为同等级别；导光板和显示屏显示内容的目标背景比为同等级别；仪表和信号灯显示内容的目标背景比偏高，这与驾驶员主观评价意见中所反映的“过亮”一致。

夜间测试对象的目标背景比：显示屏青色字符刻度为82，其它在13～22之间；导光板字符刻度为8、仪表字符刻度为5。数值表明：夜间显示屏显示内容的目标背景比显著高于导光板和仪表，这与驾驶员主观评价意见中所反映的“过亮”和“玻璃反光”一致。

1.3 直升机驾驶舱照明光参数测试

提供环境整体照明的泛光灯和提供局部照明的聚光灯(阅读灯)均有两种开启模式：正常的白光和满足兼容要求的绿光。

开启白光泛光灯时，工作面照度最大值为30 lx，白光模式的光源色温在2 429～2 999 K之间，Ra在97～99之间，光谱为斜直线全光谱(白炽灯光谱)；开启绿光泛光灯时，工作面照度最大值为10 lx，绿光模式的光源色温、Ra和光谱分布图不可测得，主波长在540.5～542.2 nm之间。数据显示，直升机驾驶舱照度远低于目前建筑空间照度标准值要求(精细操作视觉任务要求300～500 lx[6])

图8 以智能化为目标导向的直升机驾驶舱光环境实验需求Fig.8 Intelligent goal-oriented experimental requirements for helicopter cockpit light environment

2 现状问题及对应研发需求解析

综上，驾驶舱光环境现状问题来源于舱外光环境工况、舱内自发光设备和照明三方面：

1)来源于舱外光环境的问题主要是指日眩光问题，虽驾驶员能够忍受和适应日眩光，但日眩光会减低驾驶员对舱内设备信息的识别；

2)来源于舱内自发光设备的问题主要是亮度及其目标背景比不合理而产生的眩光和玻璃反射眩光、设备亮度调控的方便性和精准度问题；

3)来源于舱内环境照明的问题是座舱灯存在照度不足和遮挡问题。

因此，晴天与夜晚均是驾驶舱光环境的重点研究工况,应基于改善晴天和夜间工况下自发光设备的识别度和夜间舱内环境照明舒适度需求，研发具有高度精准度且调控方便的智能化光学系统，对应的研发任务需求，也是实验需求。如图8所示，梳理舱外光环境工况，构建反映典型舱外光环境工况的参数指标阈值范围，然后开展对应的识别功效与舒适度评价实验，获取全天候的满足自发光设备识别要求的亮度范围和亮度自调节控制曲线；获取夜间工况下，满足视觉舒适和视觉功效要求的环境照明照度和照度均匀度。旨在通过实验研究为驾驶舱光环境的智能化提供夯实的理论与数据基础。

3 结语

新一代直升机的发展更加注重高速度、高集成度、多功能化、通用化等性能的提高，总体发展脉络是数字化、综合化、智能化、虚拟化。构建舱内光环境“对外界的刺激作出反应并传达相应信息”的决策能力，是直升机由深度综合化向智能化过渡的关键。因此，基于人-机-环境系统理论，基于“以人为本”原则，从使用者需求出发，以智能化为目标导向的驾驶舱光环境调查极具必要性。据此提出的研发任务需求为后续智能化调控策略的针对性研究明确了研究方向与任务。