直升機HMI：通過自動代碼生成、標準和仿真管理風險

自 50 多年前推出第一架渦輪直升機 Ka-225 和改進型海軍 HTK-1 以來，直升機人機界面 （HMI） 發(fā)生了巨大變化。最初由機械燃油表和高度計組成的系統(tǒng)已被計算機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)為飛行員提供關鍵的導航、天氣和其他關鍵飛行信息。今天，直升機航空電子設備繼續(xù)快速發(fā)展，增加了其發(fā)展的復雜性。

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

現(xiàn)在，HMI 開發(fā)更加復雜和昂貴，編碼錯誤、項目超支和設計缺陷的風險更大。但是，通過一些先進的規(guī)劃和正確的工具，直升機開發(fā)人員可以保持領先地位，并為客戶提供最用戶友好、最復雜的HMI，而不會產(chǎn)生巨大的開發(fā)成本和風險。COTS軟件的進步為航空電子設備開發(fā)人員提供了利用軟件工具的機會，這些工具可以自動化流程，支持行業(yè)標準，并提供一個平臺，以便在設計部署到駕駛艙之前對其進行有效測試。

通過自動生成代碼降低風險

為了節(jié)省時間并降低項目超支的風險，設計人員應密切關注他們?nèi)绾翁幚淼图壭枨?，這些需求指示如何在編碼級別編寫軟件，而無需任何進一步的指導。低級測試的示例包括對象和邏輯的編碼。雖然這些功能可以手動開發(fā)，但手動編碼需要手動修復和優(yōu)化錯誤，這在項目開始時可能會消耗大量時間。通過使用具有自動代碼生成的軟件，可以在軟件模型中捕獲低級需求，并且?guī)缀跸说图墱y試。雖然仍然需要高級測試，但通常會減少，因為代碼是自動生成的，并且很少或不需要低級測試。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。這可以進一步減少對高級測試的需求。

隨著HMI從原型設計進入生產(chǎn)，開發(fā)人員必須格外小心，以減少編碼錯誤。手動編碼本質(zhì)上可能是不可預測的，并且可能會在每次迭代時產(chǎn)生意外的結(jié)果和錯誤。自動代碼生成有助于避免在對顯示器進行更改時修訂數(shù)百萬行代碼 - 即使在項目后期或測試階段 - 通過提供具有可預測結(jié)果的可重復過程。例如，使用手動編碼創(chuàng)建具有特定大小的簡單藍色框可以通過數(shù)百甚至數(shù)千種不同的方式完成。這增加了整個項目中使用的代碼變體數(shù)量出錯的風險。為了降低這種風險，自動代碼生成器將始終以完全相同的方式為藍框生成相同的代碼，無論重復多少次。

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

通過標準化降低成本

新的航空電子系統(tǒng)、顯示功能和小部件與直升機生命周期內(nèi)的硬件過時管理相結(jié)合，可能會導致項目開銷飆升。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)人員訪問一組標準的小部件，這些小部件是符號、圖片、面板和按鈕等對象。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。使用標準化小部件可以減少項目啟動所需的時間，因為它使開發(fā)人員很容易了解如何開發(fā)新顯示器。如果沒有適當?shù)臉藴?，每當選擇不同的供應商組合以滿足各種文件格式要求時，開發(fā)人員都必須重新設計編碼。這組標準的預先批準的構(gòu)建塊使開發(fā)人員能夠靈活地使用來自多個供應商的系統(tǒng)：文件遵循標準格式，不需要數(shù)據(jù)復制或其他編碼。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。

雖然這不是強制性的，但直升機制造商AgustaWestland等行業(yè)領導者正在受益于ARINC 661的指導方針。AgustaWestland選擇了Presagis的VAPS XT ARINC 661模塊，因為它使公司能夠快速開發(fā)HMI概念，并通過為DO-178B認證提供未來途徑來降低風險。

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，而無需在實際硬件上工作。這些小部件可以使用工具提供的低級構(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)建的對象需要使用傳統(tǒng)的軟件編碼工具從頭開始編碼，但是當使用建模工具以圖形方式創(chuàng)建它們時，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，該工具會自動生成已完成對象的代碼。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。為了定義對象的行為，開發(fā)人員隨后將使用狀態(tài)圖來選擇設計元素，以在應用程序邏輯中創(chuàng)建觸發(fā)器和操作。通過使用 ARINC 661 支持的軟件，無需在多個小部件上重復手動代碼行為。相反，狀態(tài)圖邏輯可以應用于客戶對象的每個實例，從而節(jié)省時間并消除人為錯誤的風險。

在模擬環(huán)境中對 HMI 進行測試

在將HMI部署到駕駛艙之前，測試其功能至關重要。沒有人希望在飛行員培訓期間發(fā)現(xiàn)，以特定順序激活顯示功能的組合會導致嚴重的系統(tǒng)故障。沒有人愿意被迫回到繪圖板，也不得不重復整個開發(fā)過程。因此，HMI根據(jù)許多標準進行評估。例如，HMI是否允許飛行員直觀地采取行動，幫助他們快速做出和執(zhí)行正確的決策？為了正確進行此評估，設計人員需要在模擬環(huán)境中測試HMI。

為了確保新的HMI能夠按預期運行，它們必須在各種條件下進行測試，例如當空氣中的灰塵或沙子降低飛行能見度時發(fā)生的掉電。通過模擬豐富的沉浸式環(huán)境，設計人員可以在逼真的3D場景中測試HMI，測試HMI處理和呈現(xiàn)飛行信息的能力。從長遠來看，創(chuàng)建模擬測試環(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)對齊、可用性和性能問題等異常情況，自動代碼生成器將變得特別方便，因為它允許開發(fā)人員輕松進行更改并重復該過程。

使用 COTS 工具進行仿真和測試的一個優(yōu)點是，該軟件可以開箱即用地在多個平臺上使用。航空電子設備開發(fā)人員可以利用 COTS 工具來設計 HMI 并為 HMI 測試創(chuàng)建模擬環(huán)境。在開發(fā)的最初階段使用仿真來測試原型概念并接收最終用戶的早期反饋，航空電子設備開發(fā)人員可以消除創(chuàng)建飛行員認為不直觀的HMI的風險。通過利用模擬環(huán)境，他們還可以測試最終的HMI并測試其最大閾值。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)行不同任務時測試 HMI。

最終結(jié)果：復雜、易于駕駛的人機界面

直升機駕駛艙已經(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)項目的復雜性增加，帶來了獨特的挑戰(zhàn)和風險，例如編碼錯誤，項目超限和設計缺陷。為了降低這些風險，航空電子設備開發(fā)人員可以利用有用的功能，例如自動代碼生成、支持行業(yè)標準和仿真，這些功能由具有廣泛市場訪問權限的 COTS 供應商整合。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)工具所花費的時間，并專注于他們最擅長的事情：開發(fā)有效的、飛行員友好的 HMI。

審核編輯：郭婷