1.概述
1.1机组告警系统的发展历史
机组告警系统是为实现安全飞行而设计的具有及时、清楚地向机组告知飞机系统状态和飞行状态并提供应对措施提示等功能的软、硬件的总和。
在早期民用飞机上，飞机上各个系统告警信息的处理和显示都是相互独立的，不仅使机组难以及时发现、理解问题，过多的独立仪表还造成驾驶舱空间的拥堵，降低了机组人员处理紧急情况的能力。并且，相关告警设备的安全性和可靠性也相对较低。
但自20世纪70年代中后期以来，随着计算机技术的发展以及其在航空领域的应用，综合了显示、音响和触觉的告警系统得到了广泛的应用。其典型代表有波音的发动机指示与机告警系统（EngineIndicationandCrewAlertingSystem,EICAS）和空客的飞机电子中央监控系统（ElectronicCentralizedAircraftMonitoring,ECAM）。这类告警系统综合化程度高，布局简洁，人机交互性能好，自动化程度高，并且相关告警设备的技术水平也得到了很大的提升，安全性和可靠性高。
1.2告警系统一致性设计分析
驾驶舱的人机交互页面十分的复杂，虽然随着技术的发展，驾驶舱的自动化水平在不断地提高，自动化驾驶技术越来越成熟，但在现有技术条件下，飞行员在整个飞机控制环路中仍然处于中心地位。自动化和自动驾驶功能旨在减轻飞行员的工作负担，并不能完全取代飞行员。告警系统能否给飞行机组提供更加直观、清晰、高效的提示，这将直接影响到飞行机组能否安全、有效地执行任务。为了提高飞行机组与飞机之间信息交互的准确性，遵循一致性的驾驶舱告警理念是其中的一个关键点，主要体现在以下几个方面：
（1）一致性设计能够消除迷惑。例如在告警元素的表达上，当某个系统的部件故障出现红色的告警信息时，相应简图页上的故障位置却呈现绿色，而绿色通常被用来指示“正常的”状态，就会让机组迷惑，分散机组的注意力。
（2）一致性设计能够增强机组对告警系统的可信度。告警相关元素的差异性不仅会使得机组对飞机真实状态的感知产生偏差，无法把握当前状态的危险程度，进而还会使机组对告警系统怀疑，对飞机安全带来重大的影响。
（3）一致性设计能够减轻机组的工作负担。一致性设计能够使机组更好地对应和联系机上的信息，便于机组理解、操作。减轻机组的工作负担，减少机组记忆项。
2．一致性设计原则与实例
2.1一致性设计原则
告警系统设计过程中的一致性包括两方面：一是告警信息本身在显示过程中的一致性；二是告警信息和驾驶舱其他指示之间的一致性。告警信息本身的一致性主要体现在告警元素表达的一致性，主要告警元素有主警告灯/主戒备灯，视觉告警信息，音响告警，故障旗等。其一致性具体体现在以下几点：
（1）告警信息格式和内容的一致性，以清楚地表明告警的含义及其反映的状况。一般来说，采用基于英语的表述习惯的方式来定义机组告警消息（缩略语应符合SAEARP4105），便于机组阅读和理解，并且告警消息的用词应符合业界的使用习惯，还要通过飞行员评估确定。
（2）告警显示颜色的一致性，以区分告警类别。AC25.1322规定，Warning级别的告警消息使用红色，Caution级别的告警消息使用琥珀色或者黄色，Advisory级别的告警信息使用除红色和绿色以外的任何颜色。
（3）视觉和音响告警信息的一致性。视觉告警元素主要包括EICAS/ECAM页面上的告警信息、主警告/戒备灯和故障旗等显示元素，音响告警元素包括音调和语音，语音信息的内容应尽量与任何相关的视觉信息显示的内容保持一致，音响告警的触发时机也应与对应的视觉告警信息保持一致。
告警信息和驾驶舱其他指示之间的一致性主要指的是告警信息和其相关显示元素（控制面板及其他显示页面上的信息）的一致性，以保证告警消息中的字符、颜色和音响告警等与驾驶舱使用的其指示（控制板指示灯、简图页和构型指示等）保持一致，具体有以下几点：
（1）告警状态和其他显示状态的一致性。针对异常情况，除了告警信息以外，有时在其他显示页面也有一些非正常范围的标记，比如仪表盘上的超限符号、配平指示上的绿带和读数等等，这些显示元素如果关联了其他的告警消息，那么它们所指示的状态则必须和告警保持一致。
（2）告警颜色和其他指示颜色的一致性。在航空设计领域，白色、绿色、黄色、红色是使用最多的颜色，针对常用颜色的使用习惯和定义，其指示状态应一致。如前所述，红、黄色分别用来表示Warning和Caution级别的告警，所以这两种颜色的使用要尤为注意。从告警级别上来说，如果显示元素关联了其他告警信息，则在表征系统参数异常范围和状态的时候，采用红、黄色显示的数字、流量线和超限符等符号，与相关告警信息的颜色保持一致。
在进行驾驶舱告警系统设计的时候，告警元素的一致性往往被考虑得比较充分，而告警信息和驾驶舱其他指示之间的一致性却容易被忽视，很多可能到设计后期甚至运营后才会发现存在问题，严重影响研制成本和飞行安全。下面以起飞构型告警（水平安定面）为例说明如何保持告警信息和驾驶舱其他指示之间的一致性。
2.2水平安定面告警的一致性研究
针对水平安定面的起飞构型告警，需要保证告警信息（视觉+听觉）与配平指示页面的读数及颜色的一致性。在某机型的设计中，水平安定面起飞构型告警和配平指示页面显示逻辑分别在告警系统和显示系统中进行运算，其数据输入都来自于飞控总线，数据精度很高。考虑到人机界面（HumanMachineInterface，HMI）和飞行机组感知，为了使数据能够稳定显示，显示系统在显示配平读数时有一定的分辨率和迟滞，而告警触发逻辑和配平读数颜色显示逻辑都是根据来自飞控总线的高精度数值进行计算的，这就导致了配平读数、颜色和告警之间往往很难达到一致。
当水平安定面在起飞构型时，其位置在绿带范围内（5°~11°），如果不在绿带范围内，则会触发起飞构型告警。因此，如果考虑显示器的迟滞为70%，当水平安定面由4.96°到5.07°变化时，告警情况和配平读数及颜色随总线数值的变化如图1所示（显示器的显示精度为0.1）。可以看出，当水平安定面位置从4.97°到5.00°变化时，显示值都为5.0，处于绿带范围内，但对应数值的颜色和告警状态有两种。显然，配平读数、颜色和告警三者之间存在不一致情况。当水平安定面位置从5.06°到4.97°变化时，与图1的情况类似，配平读数相同，但对应的读数颜色由绿色变为了红色，告警也从无到有。
图1 飞控总线配平数值增加
在部分机型的设计中，告警信息显示和配平指示是在同一块显示屏上，如果这两者之间存在不一致，机组将会很容易发现，并产生困惑进而影响下一步的操作，甚至危及到飞机安全。因此，水平安定面的起飞构型告警、配平读数和颜色应使用相同的分辨率和迟滞处理。
为了保证告警的精度，一种可行的处理方式为：提高数据处理的精度到0.01，即在计算配平读数、颜色和告警逻辑时，计算精度为0.01，但配平读数仍然以0.1的精度来进行显示。在这种处理下，虽然一定程度上降低了告警的精度（在可接受范围内），但保持了告警信息与驾驶舱其他指示之间的一致性，极大地提高了飞行机组与飞机之间信息交互的准确性。
3．结语
先进的驾驶舱告警系统能够有效地提升民用飞机的安全性，本文主要研究了现代驾驶舱告警系统中的一致性设计理念，梳理了告警信息本身在显示过程中的一致性和告警信息与驾驶舱其他指示之间的一致性原则，并就第二点展开了具体的案例来说明如何进行一致性设计。总而言之，一致性设计是站在飞机操作运营的角度，来考虑人机交互的安全性、舒适性和高效性。随着技术的发展，驾驶舱告警技术也在不断地完善，但是告警更多地关注可探测到的故障，还有很多不可预知的情况需要根据历史经验来规避。这是当今告警系统存在的问题，也是今后发展的方向。
作者：杨 睿 许凌志
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第21期
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