一种民用飞机座舱显示控制设计方法

程静菲 孙军奎

摘  要：座舱显示与控制系统是飞机航空电子系统的重要组成部分。随着航空电子系统的高速发展，座舱显示系统的综合化、模块化和人机交互的要求越来越高，这些人机交互通过多功能显示器上的画面显示和多功能窗口格式调用以及飞行员的控制器输入来实现。对显示画面控制提供了一种有效的设计方法，通过综合模块化航电显示控制和综合显示单元显示控制对多功能显示器的画面的窗口分配，以及飞行员通过多功能控制器对主菜单和快捷菜单的选择，实现不同画面的切换和显示；并对显示内容的手动画面重构和显示器失效时自动画面重构提供相应的显示画面重构方法，以保证重要的显示画面和飞行员需要调用的显示画面始终可以在显示器上正常显示。

关键词：座舱显示与控制系统 人机交互 显示控制 手动显示重构 自动显示重构

中图分类号：V19

A Design Method for the Cockpit Display and Control of Civil Aircraft

CHENG Jingfei  SUN Junkui

（Chinese Aeronautical Radio Electronics Research Institute， Shanghai， 200241 China）

Abstract： The cockpit display and control system is an important component of the avionics system of aircraft. With the rapid development of the avionics system， the requirements for the integration， modularization and human-computer interaction of the cockpit display system are becoming increasingly high， and these human-computer interactions are achieved through screen displays on multifunctional displays， the  format call of multifunctional windows and the controller input of the pilot， which provides an effective design method for display screen control. The display control of integrated modular avionics and the display control of integrated display units are used to allocate the windows of the screens of multifunctional displays， and pilots select the main menu and shortcut menu through the multifunctional controller， so as to achieve the switch and display of different screens. And corresponding display screen reconstruction methods are provided for the manual screen reconstruction of displayed content and automatic screen reconstruction in case of display failure， so as to ensure that important display screens and display screens that pilots need to call can always be displayed normally on the display.

Key Words： Cockpit display and control system; Human-computer interaction; Display control; Manual display reconstruction; Automatic display reconstruction

在现代航空电子系统中，综合座舱显示控制系统承担着航电系统的集中显示和集中控制任务，使得飞行员能够高效地获得所需的信息，有效地减轻飞行员的工作负荷。座舱显示与控制系统是飞机航空电子系统的重要组成部分。它主要为飞行机组人员提供一种可视化的人机接口环境。飞机座舱为机组人员显示各种飞行信息，同时也是飞行员发出各种控制指令的中心。座舱显示与控制系统处理航电系统人机交互任务，是一个综合信息控制、处理与显示、信息感知的回路系统。座舱显示与控制系统采用触敏指令和多功能按键等多通道控制实现飞行员对航电任务系统的控制输入，同时接收当前飞行参数、发动机状态、机组告警信息和全机各系统状态等数据，完成视频及图像、手动控制等信息的处理与综合，生产图形显示画面，并为飞行员提供飞行引导指示及必要的导航信息等[1-4]。

第三代驾驶舱显示控制系统采用5个液晶显示器，主副驾驶一边各有一个主显示器和一个导航显示器，中间有个中央控制台。多功能显示器为飞行员提供飞机航电系统的信息，使驾驶员通过触敏和多功能控制器选择显示画面，使得显示器能够提供驾驶员最为关注的信息[5-8]。如何能够使得驾驶员能够通过显示控制设备选择显示的画面，就需要一个显示系统具有一个有效的显示控制方法。此外，当显示器失效时，失效显示器上之前显示的重要信息需要继续呈现给驾驶员，就涉及到显示画面的重构。飞行员也可以进行手动重构，以期选择自己所需要的显示画面。因此，显示系统有必要进行有效地显示画面控制，以满足这些功能的实现。

1 显示控制功能整体设计

本文介绍的显示控制功能，能够将大量复杂的传感器数据经采集、处理、融合后通过屏幕高分辨率的液晶显示器呈现给飞行员，并通过多功能按键等多通道控制实现飞行员对航电任务系统的控制输入，以实现灵活的人机接口交互的功能[9-10]。在本文的设计中，将显示控制功能分为两个子功能：显示格式分配和显示画面重构。

座舱显示控制功能主要通过以下四个模块：控制设备（包括多功能键盘，光标控制器和显示控制面板）、驻留在综合模块化航电的航电显示控制应用以及驻留在综合显示单元的显示控制应用和A661服务器协同工作实现的。

控制设备将驾驶员的光标及按键操作以相对应的信号（如键码）的形式输入显示单元，显示单元上的显示控制应用会将这些信号处理后发送到A661服务器。当驾驶员的进行切换显示格式的操作时，A661 服务器会将驾驶员操作产生的A661事件发送到航电显示控制应用上，于是航电显示控制应用将新的显示格式的编码发送到驻留在综合显示单元上的显示控制应用，进行显示格式的切换。对于一些由A661用户应用驱动的显示格式，显示控制应用会将显示格式编码发送到服务器，后者激活相关A661 应用的图层，并与该应用建立通信，根据其发送的A661消息更新显示内容。

显示器的每一种显示格式都有一个整数来对应，这个整数称为显示格式编码。航电显示应用会为每个显示器分配一个显示格式编码并发送给各显示器。显示格式编码参数一方面决定了显示的画面是由非A661的驻留功能还是由A661服务器提供向画面储存在缓存区提供数据。多功能窗口中显示的都是A661画面，A661服务器将要显示的内容放到的画面储存在缓存区，使得显示器提供显示内容。对于非A661画面的显示，则是由驱动显示画面的相关显示单元驻留功能向画面储存在缓存区提供数据。另一方面也决定了一个多功能窗口中显示哪个显示画面。

2 显示格式分配功能的设计

目前的民用飞机的显示器都支持多功能窗口，即显示屏上的一个区域可以切换显示多个显示画面。显示格式分配功能为机组成员提供了选择显示器上多功能窗口显示格式的途径。本文设计的显示格式分配功能中，机组成员可通过控制设备上的多功能窗口显示格式选择快捷键或多功能窗口中的多功能窗口显示格式选择菜单来选择一个显示格式。这个菜单由航电显示控制驱动显示。当驾驶员按下控制设备上的主菜单按键时，驾驶员控制的光标所在的多功能窗口会弹出这个选择菜单。

控制设备以多功能键盘为例，当驾驶员按下多功能窗口显示格式选择快捷键，例如飞管系统快捷键，光标控制器会发将该快捷键的信号发送到显示控制应用。每个按键都定义了一个键码值。 显示控制应用收到控制器信号后，转换为键码值发送给A661服务器。当服务器收到快捷键键码，就会发送相应的A661事件到航电显示控制应用。航电显示控制应用根据收到的事件信息，改变显示格式编码并发送给显示控制应用。显示控制应用再将新的显示格式编码发送给A661服务器。服务器根据收到新的编码值后发送A661层激活命令来激活相应应用层。根据A661规范的通信协议，用户应用收到层激活命令后给服务器发送层可见请求并发送设置参数命令，以使得服务器根据用户应用提供的信息更新显示内容。

以光标控制器为例，当驾驶员通过光标控制器上的主菜单键来选择飞管画面时，调用显示格式的通信时序图如图3所示。包括以下步骤。

• 上电后航电显示控制应用与服务器之间建立A661通信；
• 按下光标控制器上的主菜单键，显示控制应用收到控制器信号将相对应的键码值发送给A661服务器 ；
• 服务器收到键码后会发送A661事件给航电显示控制应用来激活代理按键控件；
• 航电显示控制应用收到控件激活命令后，发送请求可见命令给服务器使得主菜单显示可见；
• 控制器通过光标选择来选中飞管显示格式；
• 显示控制应用收到控制信号后，发送相应的的键码值给A661服务器；
• 服务器发送实现主菜单功能的相关A661事件（在不同显示格式菜单项上进行光标选择会产生不同的A661控件事件）给航电显示控制应用；
• 航电显示控制应用根据收到相应A661事件更新显示格式编码给显示控制应用；
• 显示控制应用将收到的显示格式编码值发送给服务器；
• 服务器与相对应的飞管应用进行A661通信，将飞管格式显示在显示器上。

3 显示画面重构功能的设计

显示画面重构功能包含：手动重构功能和自动重构功能。 当已经有2个或3个显示器失效，飞行员需要有更多的多功能窗口显示画面时，可以通过控制器上的重构按钮来进行手动画面重构，显示更多的多功能窗口。而当某个或多个显示器失效时，显示控制系统需要启动自动重构，以保证重要的显示信息（例如主飞行画面）仍然显示在其他正常的显示器上[11-12]。

3.1 手动重构方法

通常来说，当2个显示器失效后，会根据航电显示控制的显示配置自动重构画面。假设当前3台显示器正常，当前的显示画面如图4所示。

当飞行员希望在当前显示器上显示更多的多功能窗口，可以按下控制器上的重构按钮对显示画面进行手动重构，将发动机指示及告警画面和主飞行画面显示在一个压缩主飞行画面上，以获得更多的多功能显示窗口。值得注意的是，仅当2个或3个显示器失效时，手动重构才可行。启动手动重构后，显示器上的显示画面将重新显示为图5中所示的配置。

3.2 自动重构方法

每个显示器中驻留的显示控制应用会周期的给航电显示控制应用发送各自显示器状态信息，以保证航电显示控制应用知道每个显示器的健康状态。当接收到的显示器状态信息表明该显示器未能提供显示或状态不正常，或者在规定周期内未接收到有效显示器的状态信息，航电显示控制应用认为该显示器不再能够显示画面，则需要启动自动重构。航电显示控制应用会重新给剩下的有效显示器发送新的显示格式编码值来自动重构画面。

显示画面重构一般来说需要遵循几个原则。

• 显示系统首先保证始终只显示一个发动机指示及告警画面，两个主飞行画面；
• 如果无法保证原则1，至少要保证显示一个主飞行画面和一个发动机指示及告警画面；
• 如果原则2也无法保证，至少要保证能够显示主飞行画面；
• 显示画面重构需要简单直接，重构画面最好跟原窗口距离最近[12]。

以显示器1失效为例，按照上述原则，在发生故障或关闭的情况导致主飞行画面无法正常显示，显示系统重新在显示器2的左侧配置显示主飞行画面；且不能更改当前显示器的右侧已选择的多功能窗口显示格式。显示控制可配置如图6所示的自动重构显示格式。

图6 显示器失效自动重构显示

同样以单个显示器失效为例， 航电显示控制应用会按照以上原则重新分配新的显示格式编码值发送给剩余四个健康的显示器，重构后的显示画面重新显示在四台工作正常的显示器上。

若显示器1失效，根据显示画面重构的原则，保证始终只显示一个发动机指示和告警画面和两个主飞行显示画面，并且显示画面重构需要简单直接，重构画面最好跟原窗口距离最近两个主飞行显示画面。显示在显示器1上飞行信息和主飞行显示画面，则应就近选择显示器2显示。而显示器2上显示的发动机指示和告警画面可就近选择在显示器3显示或仍然留在显示器2上显示。根据这样的原则航电显示控制应用重新分配显示格式编码值来完成显示画面重构。

4 结语

显示控制功能承担着综合座舱显示控制系统的画面显示和控制任务，它能够为可视化的人机接口环境提供有效的解决方案。显示控制功能能够处理航电系统的人机交互指令，并对指令信息综合处理与综合，生产图形显示画面；也能够完成显示器失效的画面重构，始终为飞行员提供重要的显示信息及必要的多功能窗口选择等。

本文设计的显示控制方法能够实现多功能窗口选择与调用，显示画面重构。这种显示控制方法为驾驶员通过触敏或多功能控制器选择显示画面，提供了有效的控制与分配方式。当飞行员需要进行手动画面重构或显示器失效自动重构时，也可根据本文中的显示重构的方法来实现这方面的需求。

参考文献

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CN201910216283.6[P]. 2019-08-02.

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