SPO模式下的人機交互技術

彭俊榕 魏麟 譚任翔 何峻毅

關鍵詞：單飛行員駕駛;駕駛艙;人機交互;態勢感知

1引言

科技的發展有力推動了民航客機駕駛艙機組人員數量的減少，從最初的多人制機組到如今的雙人配置，隨著自然進程演變，駕駛模式也會從雙人轉變為單人?？紤]到運營成本和飛行員短缺的問題，國內外民航界正在積極探索研發民航客機單飛行員駕駛（Single Pilot Operations，SPO）模式[1]，將在駕駛艙中僅配置一名飛行員，承擔原本需要兩名機組人員承擔的工作負荷，必將應用一些新興的科技和設計理念，以實現不低于目前雙人駕駛模式的飛行安全水平[2]。

實現SPO模式不僅需要重新設計駕駛艙布局，還要對駕駛艙的人機交互技術進行革新，以增強飛行員對飛機狀態和周圍環境的感知能力?！榜{駛艙飛行員+機載自動化設備+地面站操作員”的組織架構是目前實現SPO模式較為認可的方案，隨著飛機自動化技術的發展，飛行員向“自動化系統管理員”角色的轉變更加明顯。SPO模式下的人機協同操作，不僅要考慮操控決策和權限分配，如何在技術層面將其融為一體也是值得深入研究的課題。SPO模式下的人機交互設計將采取“以人為中心”的設計理念，全面考慮飛行員的操作習慣、心理壓力和生理反應等，將機載自動化設備作為虛擬的人工智能副駕駛，對飛行各階段執行的任務進行優化、輔助和監控，確保飛行員時刻擁有足夠的態勢感知能力和最高控制權[5]。

2駕駛艙人機交互技術發展現狀

2.1顯示領域

LCD顯示器在飛機上開始應用后，與CRT顯示器相比，期不僅體積小、能耗低，并且可靠性更高，很快取代了CRT顯示器在駕駛艙中的顯示應用，目前主流的電子飛行儀表系統（ EFIS）均采用LCD顯示器，其在駕駛艙中的應用范圍還在不斷增加。

進入21世紀后，飛機制造商已經為民機加入了平視顯示器（HUD）等先進電子技術。HUD作為機載光學顯示系統，通過透視鏡將導航信息、姿態信息等重要飛行參數以符號形式與擋風玻璃前的真實視景疊加[6]。飛行員通過使用HUD大幅減少了在各飛行階段頻繁俯視儀表的動作，視線僅保持水平就能獲取關鍵的飛行數據，能避免中斷外部視景、丟失情景意識。HUD已經開始大規模裝備于民航客機，客機制造商也在新機型上將其作為標準配置或是可選安裝項目。與此同時，一些新興技術也在迅速與HUD技術進行融合。視景增強系統（EVS）通過安裝在航空器前部的紅外傳感器，能夠顯示飛機外部的紅外熱輻射形成的真實圖像，提供外部環境特征。合成視景系統（SVS）則以飛機的位置和姿態為基準，以環境數據庫為基礎，在HUD中用SVS圖像覆蓋真實環境，同樣可以提高飛行員在能見度不良情況下的態勢感知能力[7]。

2.2控制領域

現代民航客機大部分仍采用以旋鈕開關、物理鍵盤和半球形軌跡球為主的機械式人機交互方式，這種方式雖然功能穩定，但是控制效率很低，功能相對獨立，操作流程復雜，占用了大面積的駕駛艙空間。隨著觸控技術等電子式人機交互方式開始在駕駛艙中出現，飛機駕駛艙控制領域的技術變革正在迅速進行。

觸控技術適合年輕一代飛行員的交互習慣，可提高飛行員的手眼協調能力，縮減操作時間[8]。泰雷茲和霍尼韋爾等設備供應商對于觸控屏的技術已有大量研究，盡管出于安全考慮，實現的功能十分簡單，但隨著未來駕駛艙顯示控制功能的集成化，這些觸控技術會逐漸替代現存的機械式人機交互技術，從而進一步釋放駕駛艙空間，是實現新一代駕駛艙設計理念的基礎。

霍尼韋爾公司的Anthem駕駛艙系統和泰雷茲公司的集成式Odicis駕駛艙，均采用多塊觸控屏代替了原有的顯示控制設備。目前，空客和波音在其新機型上都引入了這項技術。觸控屏在大規模應用前，需要進一步優化人機工效，從根本上降低誤操作的可能性，進而縮短操作時間，確保飛行員操作的有效性和舒適性。

3SPO模式下的人機交互技術

民航客機的人機交互技術正在更新迭代，更加適用于人使用習慣的科技能夠被實現及應用。未來，SPO模式下的人機交互設計將“以人為中心”，結合SPO組織架構之間的交互條件，把一些新興技術應用在駕駛艙內，如圖1所示：一是態勢感知技術（白色方框）;二是綜合控制技術（黑色方框）。對飛行員的態勢感知能力進行增強，要讓信息獲取的方式變得更為高效，確保飛機上的飛行員能夠獨自～人全面地感知飛機和環境信息，迅速建立情景意識，對形勢做出準確判斷：SPO模式下的飛行員的操縱任務會有所增加，應在控制方式上進行革新，從飛行員的角度出發進行設計，采用自然高效的控制方式，并通過技術融合手段進一步提高人機工效，簡化操作流程，降低飛行員的心理壓力。

3.1態勢感知技術

3.1.1顯示屏技術

如今，民航客機駕駛艙的顯示屏絕大多數都采用LCD技術，LCD顯示屏有漏光、色彩對比度低、可視角度差等缺點。近年來，消費電子領域快速發展，多種顯示技術得到成熟應用，如MicroLED和OLED技術。綜合考慮畫質和設計性等因素，未來單飛行員駕駛艙最理想的顯示技術是OLED，能夠用它來取代如今主流的LCD技術。

OLED顯示屏采用自發光技術，不僅亮度高，發光效率高，還能顯示純黑色，鑒于其優異的廣視角性能，飛行員即使不直視屏幕也能夠清晰地看到屏幕上顯示的內容。采用OLED技術的顯示屏面板輕薄，能夠與現有的觸控技術完美融合，并且能夠彎曲，支持定制復雜的形狀，這種特性極大地增加了SPO數字化駕駛艙布局設計的自由度。

3.1.2HMD技術

具備AR功能的頭戴式顯示器（HMD）近年來發展迅速，其功能全面，不僅可以替代HUD，還能作為檢查清單輔助設備、合成視覺設備、生物特征監視器和通信導航交互器。

以微軟HoloLens 2為例，其集成有頭部追蹤、眼動追蹤、慣性測量等多類傳感器，擁有混合現實捕獲、即時定位與地圖構建（ SLAM）等技術，通過衍射光波導將圖像信息傳人人眼。它擁有兩個3D體感攝影機：一個正對前方，用于深度感應，構建深度地圖，智能識別物體;另一個向下傾斜，用于識別手勢，其精度更高，幀數也更高。此外，鼻梁部位的兩個相機分別負責虹膜識別和眼動追蹤。語音麥克風隱藏在設備底端，強大的降噪功能使得在高達90分貝的嘈雜環境中，用戶依然能使用語音操作設備。

駕駛艙中定制化的HMD通過與機載自動化設備交聯后，不僅能夠實現與AR-HUD相同的外部感知功能，解決HUD只有在平視時才能讀取信息的問題，還能讓飛行員與駕駛艙內部環境進行交互，如引導飛行員執行和遵守檢查清單：根據飛行任務，引導飛行員至面板相關區域，并協助檢查該區域按鍵開關的位置或者菜單條目的選擇情況。

隨著科技的快速進步，HMD在技術上不斷成熟，產品重量和體積也不斷減小，一些品牌的產品在外觀上與眼鏡、護目鏡看起來別無二致，能讓飛行員很快地熟練操作。HMD能夠將語音、眼位、手勢等方式作為交互手段，與機載自動化設備交聯，極大地增強了SPO模式下飛行員對環境的感知能力和對飛機的控制能力。

3.2綜合控制技術

3.2.1語音控制技術

語音控制系統通過對飛行員的語音指令進行識別，轉換為控制信號，實現與機載設備的交互。該技術能讓飛行員在手不脫離駕駛桿或視線不發生偏移的情況下，完成駕駛艙內的一部分控制、輸入和查詢任務。語音指令能夠用在非關鍵的且對實時性要求不高的控制功能上，如畫面切換和模式選擇，可以有效提高操作效率，減少物理按鍵、開關的數量，特別是在數字信息的輸入上能更為方便快捷，從而大幅減少操作時間。

語種的識別、標準喊話語音庫的建立等都是形成語音控制能力的基礎。語音控制系統必須經過大量的駕駛艙語音數據學習，確保識別語音信息的速度和準確度，在重要指令的識別與執行程序上，需要有二次確認程序，防止飛行員口誤造成飛機失控。語音控制技術使飛行員通過類似與“虛擬副駕駛”對話的方式，在與機載自動化設備互動的同時，能緩解長時間單人駕駛帶來的心理壓力，有效提高執行任務時的專注力。

3.2.2眼動控制技術

飛行員在獲取信息時，有80%-90%的信息來源于視覺，視覺與眼球運動存在密切聯系，眼動控制系統通過追蹤飛行員的眼動信息，可根據一系列眼動追蹤指標，自動對駕駛艙顯示系統進行反饋調整，使飛行員通過視覺獲取信息的能力增強，從而增加操作績效。例如，通過低頻率的眨眼動作，增加注視區域詳細的附加信息顯示：通過長時間的視線停留，放大或高亮顯示注視的區域或選項條目。飛行員利用視線選中目標后，再結合使用語音、手勢等控制方式進行確認，能夠有效避免誤選，縮短操作時間。

眼動控制技術還能夠在SPO模式下對飛行員的生理、心理狀態進行監控?？刂葡到y通過追蹤飛行員眨眼頻率、瞳孔直徑等信息，聯合駕駛艙語音系統對飛行員可能出現的疲勞駕駛狀況進行聲音警告，并在顯示屏上進行提示。

3.2.3手勢控制技術

手是飛行員駕駛飛機時使用最多的身體部分，手勢控制是符合使用者控制習慣的人機交互方式。按手勢識別方式進行劃分，除了已經較為成熟的觸摸屏手勢控制技術之外，還有基于數據手套和基于計算機視覺的手勢控制技術。

基于數據手套的手勢控制技術是通過穿戴含有傳感器的數據手套，檢測追蹤飛行員手在駕駛艙空間中的三維信息，對選定目標進行控制調整。數據手套的使用不會受光線的影響，手部活動的空間也不會受到限制，數據采集相對視覺識別能更加迅速，在未來駕駛艙采用AR技術的情況下，數據手套能起到有效的輔助作用?；谟嬎銠C視覺的手勢控制技術是通過視覺采集設備捕捉手勢圖像，利用圖像處理算法對手勢進行分析，按識別結果進行分類和模板匹配，形成相應的控制指令。

4結束語

民航客機駕駛艙中的人機交互技術雖然在不斷發展，人機功效也在不斷提高，但是在態勢感知方式和控制方式上相對獨立。為了實現SPO模式，需要將多種態勢感知技術和綜合控制技術相互融合，將飛行員作為設計理念的中心，進行人機交互方式的革新，只有用新技術去適應他們的操作習慣和使用需求，才能有效提高人機協同能力，確保飛行員有能力勝任該模式下的全部飛行任務。