XIAOZHONGMING

摘要：现代航空航天技术的发展日新月异，综合化、集成化、智能化已经成为多电/全电飞行器的典型特征。如何以能动的态度深刻理解并运用这些新技术是进一步发挥武器效能的重要研究课题。从感官、肢体到意志研究了多电飞机“人机交互”的运用脉络，从被动认知到主动追踪阐述了多电飞机“人机交互”的关键技术，以期为飞行人员搭建一条认识技术、使用技术、超越技术的崭新思路。研究表明，通过“人机交互”这一紧密联系装备以及装备操作者的无形纽带，能促进飞行人员及相关组训人员将学习技术与锤炼战斗本领紧密结合到一起。


    关键词：人机交互；多电/全电飞机；航空航天；新技术


    一、引言


    当今世界，航空航天技术发展异常迅猛，新技术新装备层出不穷，随之带来的是部队装备的更新换代速度也明显加快。 目前，以多电化、全电化为重要发展方向，以系统综合化、集成化为典型设计理念，以“电传/光传操纵”、“功率电传”、“飞行器综合管理系统” 为显著运用特色的飞行平台发展新体系已经获得深入的论证，并陆续在有人驾驶飞行器与无人驾驶飞行器上进行了广泛的研究、验证与应用[1]。


    多电体系下的装备发展与飞行操纵的显著特点是进一步突出了设计与运用层面上的 “人机交互”功能。这里所谓的“人机交互”，其概念最早起源于计算机应用领域的用户界面设计，即通过人机交互界面在达到最大限度利用机器的同时，亦能充分发挥人的积极因素。人机交互界面在“被动性的机器”与“主动性的人”之间建立了直接进行对话的通道，对于提高系统的资源利用率与系统可靠性以及最大限度的发挥人的主观能动性，均具有十分重要的意义[2]。而“人机交互”这一概念与思想在现代航空航天武器平台上运用得更为突出与明显：飞行员置身于复杂的三维立体空间以及复杂的电磁环境下，如何能够做到人与武器的最佳结合，从而确保顺利遂行作战任务，这对特定环境下的人机交互提出了极为客观与现实的需要。由此可见，在军事飞行人才的早期学历教育过程中以及部队日常飞行训练和理论改装中，结合航空航天技术发展的最新成果和武器装备的实际情况，系统厘清“人机交互”的概念、体系和层次，对于武器装备实际使用人员深刻领悟飞行平台的特性，进而充分发挥技战术水平不无裨益。


    二、从感官、肢体到意志——多电飞机“人机交互”的运用脉络


    从某种意义上说，飞行器平台上的任何一个系统与部件都是飞行人员感官、肢体甚或思维意志的延伸，且这种延伸较之其他陆基、海基等武器平台更为直观与深刻。事实上，从飞机诞生并用于军事目的之日起，“人机交互” 的设计与运用理念一直伴随着飞行器突破速度、 高度限制以及向着高机动性发展的整个历史发展进程之中。一个较为明显的例子就是飞行器向高速化发展过程当中，在飞行主操纵面的助力操纵系统中引入“载荷感觉器”（即图 1 中的“感知器”）[3]，通过载荷感觉器建立飞行员肢体操纵与助力装置之间的闭环力反馈交互通道。现代飞行器中的“电传操纵”和“光传操纵” 则更为直接地体现出人的肢体操纵向机舵面操纵的延伸，而这种延伸不仅仅是力的延伸，通过飞行员与飞行控制系统的人机交互，同时体现出飞行员战斗意志的延伸，使得飞行员实现了从简单驾驶人员向指挥控制人员的深刻转变。


    多电飞机与全电飞机的发展使得这种“人机交互”从最为基本的感官、肢体交互日益向着更为高级复杂的思维意志交互方向发展，其背后既是飞行器发展的客观规律使然，同时也有层出不穷的各种先进技术作为根本的支撑。这些先进技术包括多电发动机技术（More Electric Engine，MEE）、综合飞行与推进控制技术（IntegratedFlight/Propulsion Control，IFPC）、飞行器综合管理技术（Vehicle Management System， VMS）、多电作动技术 （Electro-Mechanical Actuator， EMA）、数据总线综合技术、综合显示技术、故障预测与健康管理技术（Prognostics and Health Management，PHM）等等，不胜枚举。

图 1 典型助力操纵系统中的人机交互示意图

    图 2 为融合发动机控制、飞行控制、功率管理以及其他各系统控制的 “通用飞行器管理系统（VMS）”构成示意图[1]。这些控制装置彼此之间通过 VMS 数据总线联结到一起，同时还与相关的传感器以及作动器紧密的联结在一起。其中一些计算机专门负责 VMS 整体与航空电子系统和飞行员的人机接口，从而构成一个有机的人机交互系统。这种紧密耦合的人机交互控制可使一些复杂的工作模式得以实现，例如，可以通过 VMS 系统实现巡航控制与战斗控制工作模式的转换，在这一过程中，飞行员的意志与决定通过适当的人机交互传递给飞机管理系统，飞机管理系统做出分析与计算后，在“飞行控制”和“通用控制”之间找到最佳的控制点并发出相应的指令。
  
    再以“综合显示技术”为例，座舱综合显示系统主要由电子飞行仪表系统（Electronic Flight In-strument System，EFIS）、发动机指示和空勤告警系统 （Engine Indication and Crew Alerting Sys-tem， EICAS）、集中告警系统等组成[4]。电子飞行仪表系统能综合显示姿态、航向、导航数据、大气参数、自动驾驶仪、塔康、无线电罗盘、多模式组合接收机、无线电高度表、气象雷达、EICAS、近地告警系统参数等信息，通过显示控制器完成信号源选择和控制，以及显示画面控制；发动机指示和空勤告警系统采集并显示发动机参数、环控系统参数、液压系统参数、操纵系统参数、燃油系统参数、电源系统参数等数据；集中告警系统接收来自飞机航电系统、发动机系统及其它系统的故障和告警信号，对这些信号按已规定的危险级进行判断、排序，并将这些信号按优先级逻辑发送给各个告警灯盒和语音控制器，使其按级别控制相应告警灯的燃亮、闪烁和熄灭，同时按要求将语音告警信号通过耳机传递给飞行员。不难看出，综合显示技术通过对人机界面的切换，实现了飞行人员与飞行平台各系统之间的全方位信息沟通， 并且这种沟通是能动的、双向的，一方面“人”要根据获得的信息进行必要的判断与操纵，另一方面“机”（即飞机或一般意义上的飞行器）要根据反馈的信息主动的施加管理与记录。这些都体现出了“人机交互”的基本要素。

图 2 通用飞行器管理系统（VMS）结构示意图

    三、从被动认知到主动追踪——多电飞机“人机交互”的技术解读


    技术的发展是永无止境的，在这样的时代背景下，飞行人员作为各种飞行平台（包括无人机）的最终操纵者和使用者，如何以一种能动的态度认识新技术的发展、追踪新技术的发展，从而在武器装备的不断升级换代过程中始终保持主动性、能动性、预见性，就成为飞行学员院校学历教育的实践者以及部队飞行人员关注军事飞行人才培养、关注部队作战训练实践、关注飞行器理论与技术的发展所必须首先要解决的思想观念问题。基于上述理念与认识，从多电体系下“人机交互” 的新视角解读现代飞行器发展过程中呈现出的纷繁复杂的新理论与新技术， 能够引领飞行人员以“人机交互人机合一”的能动态度敏锐捕捉应用到现代飞行器的各种新技术、新装备之间的差异与联系，将对前沿知识的普及以及对实际问题的思考和解决融合到飞行人员自觉主动学习的意识当中，从而为飞行学员和部队飞行员搭建一条认识技术、使用技术、超越技术的崭新通道与思路，从根本上解决武器装备升级换代过程中人的思想认识滞后于技术发展速度的突出问题，达到切实加快新装备战斗力生成模式转变过程的目的。


    当前，诸多新理论与新技术在飞行器中的运用，深刻体现在现代飞行器向多电化、综合化、系统化、集成化的总体发展趋势。在这一总体趋势下，立足于国内外先进现役飞机的实际发展状况，放眼多电/全电飞行器发展的最新研究成果，从广义的“人机交互”的崭新角度诠释现代飞行器各系统已经和即将应用到的关键技术，实现从被动认知到主动追踪的深刻转变。这些关键技术及对其新的解读主要包括以下几个方面：


    （一） 多电/全电飞机发展的技术概要——从“独立”到“综合”


    多电/全电飞机的发展深刻改变了飞行器对能源的利用形式，更为重要的是，电能技术以及微电子技术的发展使飞行器的主要系统与关键设备正朝着综合集成的方向发展，而这一发展趋势将彻底打破以往飞行器各个系统独立分割的态势，使得现代飞行器在人机交互的形式、广度以及深度等方面发生前所未有的变化。因此，以认识多电/全电飞机的基本概念以及相应的关键技术为先导，同时融入对“人机交互”基本理念与技术特点的理解，可以迅速把握现代飞行器技术发展的基本脉络，并引发飞行人员思考手中现役武器装备的基本技术体系，进而引申思考多电体系下将会使人机交互发生怎样深刻的变化。


    （二）“功率电传”——让能量按照你的意志安全可靠的流动


    功率电传（Power-By-Wire，PBW）是现代飞行器广泛采用的设计理念，也是现代飞行器对能源利用的高级形式[5]。从广义的“人机交互”概念上去解读，其实质就是现代飞机高级人机交互赖以存在的能量流的传输与控制问题。这里所谓“能量流的传输与控制”，实际上就是电能双向变换的智能控制。 多电体系下电能的产生、变换、分配、控制、保护等发生了极为深刻的变化，电能将逐渐取代机械能、液压能以及气压能成为最主要的二次能源，而电能作为现代飞机人机交互的能量载体，如何以一种新的视角看待诸如起动/发电一体机技术、电气负载自动管理技术、固态功率控制器技术、集成电力管理技术、机电作动器技术等等新兴的电气技术，就成为飞行人员掌握和驾驭手中武器装备所必须解决好的重大问题。基于这一思路，从人机交互能量载体的角度对现代飞机电气系统的发展及其关键技术进行理解，明确采用智能化的电能传输技术，本质是在电能的利用环节上增加了人为的可控因素，从而在多电/全电飞机的底层支撑性技术上建立了可对话机制，这就可以激发装备的实际驾驭者去领悟多电/全电飞机发展的实质性问题。


    （三）综合飞行和推进控制——依靠光电信息的无形交互


    发动机控制的本质问题是燃油控制与进气控制，其控制技术历经“飞行员在环”直接控制技术、有限权限控制技术、全权限自监控控制技术；飞行控制的本质问题是由空气动力学决定的舵面控制，其控制技术同样经历了由机械控制到电子控制的历程[6]。发动机控制提供基本的动力，飞行控制提供基本的机动性，因此两者在飞控操纵的本质问题上是相通的，这也是现代飞行器大力发展综合飞行和推进控制技术的根本初衷，而这其中一个显而易见而又极易被忽视的问题就是：人对二者的控制权限到底是增加了还是减少了？这个问题实质上还是人机交互的形式与程度问题。 从表面上看，综合飞行和推进控制技术弱化了人在控制中的比例成分，但从深层次上看，正是因为诸如电子控制技术、电传操纵技术、机电作动器技术等大量新技术在发动机控制和飞行控制中的采用，使得人与飞机的交互从刚性的直接交互转变为依靠电信号（或光信号） 传递的无形的间接交互，人机交互的形式虽然发生了变化，但人机交互的深度与广度却大大增加。基于上述理念，飞行学员和部队飞行员则可以用一种全新的视角去理解并追踪与飞行安全息息相关的飞行操控新技术，其目的自然而言也就脱离了使飞行人员深入到各种新理论和新技术具体细节当中的传统学习方式，而是以点带面的引发飞行人员捕捉新理论新技术运用的动机与敏锐性，使飞行人员能够以一种“人机合一”的理念去了解装备、熟悉装备、运用装备，从而在未来的空战中得以克敌制胜。


    （四）数据总线综合——“真实世界”与“数字世界”的接口


    在飞行器硬件系统向综合化、集成化发展的大背景下，该如何认知与解读飞行器的软件系统——即采用数字式数据总线和微电子处理器技术的“数据总线综合系统”？现代飞行器向多电化、全电化发展的一个显著特点是大量应用电子技术，这既包含大功率电子技术，也包含微功率电子技术，前者实际就是前述“功率电传”的概念，而后者则是在微电子器件（集成电路）技术的基础上发展起来的微处理器、存储器器件以及各种类型的数据总线。正是因为蓬勃发展的微功率电子技术以及软件技术，使得模拟性质的“真实世界”与离散性质的“数字世界”有了真正意义上的接口，这就为建立高级人机交互提供了最为基本的信息交互载体。当高速运转的微机系统参与到由人主导的飞行器控制的整个过程中时，这不仅使系统之间的互联互通成为可能，也赋予了飞行器“能够思考”的基因。正是基于这样的理念，飞行人员能够透过现代飞行器艰深复杂的技术表面，深刻领会到微电子技术与软件技术运用的独特魅力。


    （五）飞行器管理系统——让感官、肢体、意志充分延伸


    现代飞行器发展的一个显著特点是系统的综合集成，综合集成的结果是提高了整个飞行器系统的复杂性，这自然而然的就诞生了飞行器管理系统技术。将飞行器的发动机控制系统飞行控制系统、电气及其相关系统（包括燃油系统、环控系统、照明系统、应急系统等）、数据总线综合系统、综合显示系统等通过数字式计算机 （或高性能微处理器）和数据总线进行更高一级的系统综合，其综合的前提是微电子技术和作动技术的快速发展，综合的目的则是进一步改进飞机的性能和操纵性。从高级人机交互的角度来看待“飞行器管理系统” 的出现及发展，这种系统的全面综合将传感、控制、作动及飞行人员等各个关乎飞行的要素紧密联系在一起，构成一个“人—机”密切耦合的闭环系统，从而使得诸多复杂的工作模式或操纵模式得以实现，其背后蕴含的更深层次涵义则是，这一更高级别的系统综合充分展示了人的感官、肢体甚至意志在飞行器各系统与部件的延伸，将多电飞机的发展推向了一个全新的高度。


    四、结语


    本文从广义的“人机交互”视角对现代多电/全电飞行器涉及到的诸多前沿理论与技术进行全新的解读，这些先进的技术主要集中在飞行控制系统、推进控制系统、电功率管理系统以及综合航空电子系统等方面。从我国现役航空航天飞行器（包括无人机）发展的总体情况来看，这些关键技术均是装备科研及部队飞行训练密切关注的热点与难点问题，也是国际航空航天领域密切跟踪、重点发展的高新技术。 因此，在面向飞行学员和部队飞行员普及这些前沿知识时，寻找合适的切入点以及组织线索是至关重要的。这里针对特定的飞行人员群体，从独特的视角解读相关的知识内容，不是泛泛的就技术而论技术，而是结合特定人群的职业特点，通过“人机交互”这一紧密联系装备以及装备操作者的无形纽带，相信会促进飞行人员及相关组训人员能够结合自身兴趣和特点，围绕这些关键技术展开探究的欲望和动力，进而提升自身的知识素养；激发飞行人员对超越技术更深层次的思考和认识，将学习技术与锤炼战斗本领紧密结合到一起。