自 50 多年前推出第一架渦輪直升機(jī) Ka-225 和改進(jìn)型海軍 HTK-1 以來，直升機(jī)人機(jī)界面 （HMI） 發(fā)生了巨大變化。最初由機(jī)械燃油表和高度計(jì)組成的系統(tǒng)已被計(jì)算機(jī)和多功能顯示器的集成飛行數(shù)據(jù)系統(tǒng)所取代，該系統(tǒng)為飛行員提供關(guān)鍵的導(dǎo)航、天氣和其他關(guān)鍵飛行信息。今天，直升機(jī)航空電子設(shè)備繼續(xù)快速發(fā)展，增加了其發(fā)展的復(fù)雜性。

將下一代顯示器和新信息源集成到飛行員友好的HMI中并不是當(dāng)今航空電子設(shè)備開發(fā)人員面臨的唯一挑戰(zhàn)。開發(fā)人員還必須管理項(xiàng)目并考慮開發(fā)成本。當(dāng)渦輪直升機(jī)被引入時(shí)，只有5%的成本用于航空電子設(shè)備。如今，航空電子設(shè)備約占飛機(jī)成本的60%。

現(xiàn)在，HMI 開發(fā)更加復(fù)雜和昂貴，編碼錯(cuò)誤、項(xiàng)目超支和設(shè)計(jì)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)更大。但是，通過一些先進(jìn)的規(guī)劃和正確的工具，直升機(jī)開發(fā)人員可以保持領(lǐng)先地位，并為客戶提供最用戶友好、最復(fù)雜的HMI，而不會(huì)產(chǎn)生巨大的開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。COTS軟件的進(jìn)步為航空電子設(shè)備開發(fā)人員提供了利用軟件工具的機(jī)會(huì)，這些工具可以自動(dòng)化流程，支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并提供一個(gè)平臺(tái)，以便在設(shè)計(jì)部署到駕駛艙之前對(duì)其進(jìn)行有效測(cè)試。

通過自動(dòng)生成代碼降低風(fēng)險(xiǎn)

為了節(jié)省時(shí)間并降低項(xiàng)目超支的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)密切關(guān)注他們?nèi)绾翁幚淼图?jí)需求，這些需求指示如何在編碼級(jí)別編寫軟件，而無需任何進(jìn)一步的指導(dǎo)。低級(jí)測(cè)試的示例包括對(duì)象和邏輯的編碼。雖然這些功能可以手動(dòng)開發(fā)，但手動(dòng)編碼需要手動(dòng)修復(fù)和優(yōu)化錯(cuò)誤，這在項(xiàng)目開始時(shí)可能會(huì)消耗大量時(shí)間。通過使用具有自動(dòng)代碼生成的軟件，可以在軟件模型中捕獲低級(jí)需求，并且?guī)缀跸说图?jí)測(cè)試。雖然仍然需要高級(jí)測(cè)試，但通常會(huì)減少，因?yàn)榇a是自動(dòng)生成的，并且很少或不需要低級(jí)測(cè)試。由于使用建模工具創(chuàng)建顯示器，因此在早期原型中捕獲需求并盡早完成審查。這可以進(jìn)一步減少對(duì)高級(jí)測(cè)試的需求。

隨著HMI從原型設(shè)計(jì)進(jìn)入生產(chǎn)，開發(fā)人員必須格外小心，以減少編碼錯(cuò)誤。手動(dòng)編碼本質(zhì)上可能是不可預(yù)測(cè)的，并且可能會(huì)在每次迭代時(shí)產(chǎn)生意外的結(jié)果和錯(cuò)誤。自動(dòng)代碼生成有助于避免在對(duì)顯示器進(jìn)行更改時(shí)修訂數(shù)百萬行代碼 - 即使在項(xiàng)目后期或測(cè)試階段 - 通過提供具有可預(yù)測(cè)結(jié)果的可重復(fù)過程。例如，使用手動(dòng)編碼創(chuàng)建具有特定大小的簡(jiǎn)單藍(lán)色框可以通過數(shù)百甚至數(shù)千種不同的方式完成。這增加了整個(gè)項(xiàng)目中使用的代碼變體數(shù)量出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，自動(dòng)代碼生成器將始終以完全相同的方式為藍(lán)框生成相同的代碼，無論重復(fù)多少次。

選擇在項(xiàng)目開始時(shí)使用具有自動(dòng)代碼生成的工具至關(guān)重要，最終將在開發(fā)過程中提高生產(chǎn)力。隨著強(qiáng)制性的安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)（如DO-178B）在航空電子認(rèn)證中占據(jù)中心位置，跟蹤和記錄HMI開發(fā)的能力至關(guān)重要。FAA 要求開發(fā)人員提供冗長(zhǎng)的文檔跟蹤軟件開發(fā)，作為認(rèn)證申請(qǐng)流程的一部分。該文檔可以手動(dòng)創(chuàng)建，但符合DO-178B的代碼生成器附帶許多認(rèn)證文檔和測(cè)試用例，以表明HMI已經(jīng)過FAA要求水平的重大測(cè)試。當(dāng)客戶使用符合DO-178B的自動(dòng)代碼生成器時(shí)，他們可以將已經(jīng)完成的大部分測(cè)試和文檔歸功于他們，并減少認(rèn)證的時(shí)間和成本。

通過標(biāo)準(zhǔn)化降低成本

新的航空電子系統(tǒng)、顯示功能和小部件與直升機(jī)生命周期內(nèi)的硬件過時(shí)管理相結(jié)合，可能會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目開銷飆升。為了管理這些成本，開發(fā)人員可以選擇遵循ARINC 661。ARINC 661 允許開發(fā)人員訪問一組標(biāo)準(zhǔn)的小部件，這些小部件是符號(hào)、圖片、面板和按鈕等對(duì)象。這些是將在HMI中顯示的定義文件（DF）的基本構(gòu)建塊。DF包含頁面或“圖層”，由將在駕駛艙顯示系統(tǒng)（CDS）上顯示的不同小部件組成。使用標(biāo)準(zhǔn)化小部件可以減少項(xiàng)目啟動(dòng)所需的時(shí)間，因?yàn)樗归_發(fā)人員很容易了解如何開發(fā)新顯示器。如果沒有適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，每當(dāng)選擇不同的供應(yīng)商組合以滿足各種文件格式要求時(shí)，開發(fā)人員都必須重新設(shè)計(jì)編碼。這組標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)先批準(zhǔn)的構(gòu)建塊使開發(fā)人員能夠靈活地使用來自多個(gè)供應(yīng)商的系統(tǒng)：文件遵循標(biāo)準(zhǔn)格式，不需要數(shù)據(jù)復(fù)制或其他編碼。最后，還可以通過修改小部件的視覺外觀，在新項(xiàng)目中重用DF的大部分內(nèi)容，而無需每次從頭開始。

雖然這不是強(qiáng)制性的，但直升機(jī)制造商AgustaWestland等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在受益于ARINC 661的指導(dǎo)方針。AgustaWestland選擇了Presagis的VAPS XT ARINC 661模塊，因?yàn)樗构灸軌蚩焖匍_發(fā)HMI概念，并通過為DO-178B認(rèn)證提供未來途徑來降低風(fēng)險(xiǎn)。

支持 ARINC 661 開發(fā)的工具可用于開發(fā)完整小部件庫的外觀和感覺，而無需在實(shí)際硬件上工作。這些小部件可以使用工具提供的低級(jí)構(gòu)建塊以圖形方式創(chuàng)建，也可以通過編程創(chuàng)建。通過編程創(chuàng)建的對(duì)象需要使用傳統(tǒng)的軟件編碼工具從頭開始編碼，但是當(dāng)使用建模工具以圖形方式創(chuàng)建它們時(shí)，不涉及編碼。開發(fā)人員使用建模工具從用戶界面中選擇線條、顏色和文本等方面，該工具會(huì)自動(dòng)生成已完成對(duì)象的代碼。這支持在迭代開發(fā)過程中快速更改其外觀，而無需修改或創(chuàng)建任何代碼。為了定義對(duì)象的行為，開發(fā)人員隨后將使用狀態(tài)圖來選擇設(shè)計(jì)元素，以在應(yīng)用程序邏輯中創(chuàng)建觸發(fā)器和操作。通過使用 ARINC 661 支持的軟件，無需在多個(gè)小部件上重復(fù)手動(dòng)代碼行為。相反，狀態(tài)圖邏輯可以應(yīng)用于客戶對(duì)象的每個(gè)實(shí)例，從而節(jié)省時(shí)間并消除人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

在模擬環(huán)境中對(duì) HMI 進(jìn)行測(cè)試

在將HMI部署到駕駛艙之前，測(cè)試其功能至關(guān)重要。沒有人希望在飛行員培訓(xùn)期間發(fā)現(xiàn)，以特定順序激活顯示功能的組合會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)故障。沒有人愿意被迫回到繪圖板，也不得不重復(fù)整個(gè)開發(fā)過程。因此，HMI根據(jù)許多標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。例如，HMI是否允許飛行員直觀地采取行動(dòng)，幫助他們快速做出和執(zhí)行正確的決策？為了正確進(jìn)行此評(píng)估，設(shè)計(jì)人員需要在模擬環(huán)境中測(cè)試HMI。

為了確保新的HMI能夠按預(yù)期運(yùn)行，它們必須在各種條件下進(jìn)行測(cè)試，例如當(dāng)空氣中的灰塵或沙子降低飛行能見度時(shí)發(fā)生的掉電。通過模擬豐富的沉浸式環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以在逼真的3D場(chǎng)景中測(cè)試HMI，測(cè)試HMI處理和呈現(xiàn)飛行信息的能力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，創(chuàng)建模擬測(cè)試環(huán)境有助于節(jié)省資金，允許開發(fā)人員在將HMI嵌入駕駛艙之前了解HMI的功能。如果發(fā)現(xiàn)對(duì)齊、可用性和性能問題等異常情況，自動(dòng)代碼生成器將變得特別方便，因?yàn)樗试S開發(fā)人員輕松進(jìn)行更改并重復(fù)該過程。

使用 COTS 工具進(jìn)行仿真和測(cè)試的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該軟件可以開箱即用地在多個(gè)平臺(tái)上使用。航空電子設(shè)備開發(fā)人員可以利用 COTS 工具來設(shè)計(jì) HMI 并為 HMI 測(cè)試創(chuàng)建模擬環(huán)境。在開發(fā)的最初階段使用仿真來測(cè)試原型概念并接收最終用戶的早期反饋，航空電子設(shè)備開發(fā)人員可以消除創(chuàng)建飛行員認(rèn)為不直觀的HMI的風(fēng)險(xiǎn)。通過利用模擬環(huán)境，他們還可以測(cè)試最終的HMI并測(cè)試其最大閾值。借助 COTS 仿真軟件，開發(fā)人員可以在飛行員在模擬虛擬環(huán)境中執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)測(cè)試 HMI。

最終結(jié)果：復(fù)雜、易于駕駛的人機(jī)界面

直升機(jī)駕駛艙已經(jīng)從電子飛行儀表系統(tǒng)演變?yōu)榧娠w行數(shù)據(jù)系統(tǒng)。因此，HMI開發(fā)項(xiàng)目的復(fù)雜性增加，帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，例如編碼錯(cuò)誤，項(xiàng)目超限和設(shè)計(jì)缺陷。為了降低這些風(fēng)險(xiǎn)，航空電子設(shè)備開發(fā)人員可以利用有用的功能，例如自動(dòng)代碼生成、支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和仿真，這些功能由具有廣泛市場(chǎng)訪問權(quán)限的 COTS 供應(yīng)商整合。這使得航空電子開發(fā)人員能夠利用已經(jīng)在大量系統(tǒng)中得到驗(yàn)證的工具，這意味著他們可以最大限度地減少開發(fā)工具所花費(fèi)的時(shí)間，并專注于他們最擅長(zhǎng)的事情：開發(fā)有效的、飛行員友好的 HMI。

審核編輯：郭婷