用于航空電子設(shè)計(jì)中HMI開發(fā)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

從事玻璃駕駛艙顯示器工作的工程師和設(shè)計(jì)師繼續(xù)尋找與他們想要控制的無生命物體進(jìn)行交互的有效方法。使用類似于視頻游戲中使用的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，可以創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)部署高級(jí)人機(jī)界面（HMI）應(yīng)用程序以滿足航空電子設(shè)備開發(fā)人員的需求。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和基于模型的設(shè)計(jì)是航空電子工程師和設(shè)計(jì)師以及標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)委員會(huì)討論中更頻繁出現(xiàn)的兩個(gè)術(shù)語。所有這些都集中在人類與他們希望控制的無生命物體互動(dòng)的最有效方式上。HMI可以意味著人類可以用來與設(shè)備交互的任何方法。因此，無軌電車上的制動(dòng)桿是一種HMI設(shè)備。出于討論的目的，HMI的定義將僅限于飛行員或無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）地面站操作員與玻璃顯示器交互以有效控制和監(jiān)控飛行器的定義。

人與飛機(jī)系統(tǒng)之間的交互需要復(fù)雜的行動(dòng)和決策，并在瞬間計(jì)時(shí)。例如，擁有350萬個(gè)零件的航天飛機(jī)過去由四名或更多宇航員控制，具有指揮官，飛行員和任務(wù)專家的等級(jí)。然而，考慮一下F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)/武器系統(tǒng)：它有數(shù)百萬個(gè)零件，被許多人譽(yù)為人類開發(fā)的最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，但它是由一個(gè)人控制的 - 飛行員。需要注意的是，這種復(fù)雜的武器系統(tǒng)具有玻璃多功能顯示器（MFD），可以控制系統(tǒng)的大部分功能。

有許多方法可以創(chuàng)建圖形顯示。軟件開發(fā)人員可以使用應(yīng)用程序編程接口 （API） 的圖形集（如 Open GL）或無數(shù)工具，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建交互式動(dòng)態(tài)圖形，以便通過交互式玻璃顯示器與需要控制系統(tǒng)的用戶進(jìn)行通信。許多工具采用集成開發(fā)環(huán)境 （IDE），該環(huán)境以本機(jī)格式存儲(chǔ)動(dòng)畫控件圖形，然后使用代碼生成器創(chuàng)建可編譯為可執(zhí)行文件的源代碼文件。在某些情況下，使用的代碼生成器將優(yōu)化本機(jī)格式文件。然后，生成的文件被編譯成可執(zhí)行程序，在許多情況下，由優(yōu)化編譯器編譯，該編譯器會(huì)進(jìn)一步更改可執(zhí)行文件。這將是最壞的情況，因?yàn)榇蠖鄶?shù)代碼生成器都有允許用戶控制優(yōu)化程度的設(shè)置，優(yōu)化編譯器也是如此。

這種設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)是，通常很難（如果不是不可能的話）確定后續(xù)代碼文件的基線，并準(zhǔn)確跟蹤這些文件中微小更改的影響。例如，如果在框架中繪制一個(gè)簡(jiǎn)單的形狀，然后向左或向右移動(dòng)幾個(gè)像素，則該操作可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化代碼生成器創(chuàng)建完全不同的輸出文件，從而使該微小更改無法基線或跟蹤。當(dāng)目標(biāo)顯示器發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)問題可能會(huì)進(jìn)一步加劇，這需要改變顯示布局，需要重新開發(fā)以適應(yīng)新目標(biāo)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型方法

長期以來，游戲行業(yè)一直面臨著開發(fā)需要在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的視頻游戲。面對(duì)來來去去的游戲機(jī)數(shù)量，以及許多游戲相對(duì)較短的生命周期，業(yè)界需要開發(fā)一種方法，讓游戲開發(fā)人員專注于游戲玩法和游戲環(huán)境，而不是不斷調(diào)整游戲設(shè)計(jì)以適應(yīng)給定的游戲機(jī)。解決方案是針對(duì)游戲引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如“虛幻4引擎”。根據(jù)定義，任何支持虛幻4引擎的游戲機(jī)都將支持原始游戲設(shè)計(jì)。游戲設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以專注于游戲設(shè)計(jì)和可玩性，而不必?fù)?dān)心目標(biāo)游戲平臺(tái)。

假設(shè)在玻璃HMI顯示器的設(shè)計(jì)中使用相同的方法。圖形引擎將位于目標(biāo)平臺(tái)（嵌入式顯示系統(tǒng)）上，并處理數(shù)據(jù)以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)圖形顯示及其相關(guān)行為。HMI設(shè)計(jì)師將專注于顯示器的外觀和感覺，而不關(guān)心目標(biāo)系統(tǒng)。事實(shí)上，該顯示器可用于嵌入式駕駛艙、飛行模擬器，甚至是用于培訓(xùn)或營銷相關(guān)活動(dòng)的圖形輸入板。圖形引擎會(huì)將下載到目標(biāo)系統(tǒng)的命令流作為文件或數(shù)據(jù)數(shù)組進(jìn)行處理。由于它是純數(shù)據(jù)，因此無需將其編譯或鏈接到目標(biāo)系統(tǒng)上的可執(zhí)行代碼庫中。數(shù)據(jù)不會(huì)因顯示器而異，從而創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定、一致的顯示系統(tǒng)。由于基于目標(biāo)的引擎只是處理數(shù)據(jù)，因此動(dòng)態(tài)地將這些數(shù)據(jù)與新數(shù)據(jù)疊加起來是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

這種方法意味著可以在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)改變顯示器的外觀和感覺，并實(shí)現(xiàn)所謂的人機(jī)界面HMI玻璃顯示器實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)?？梢詫?shí)時(shí)測(cè)量、更改和評(píng)估激勵(lì)和響應(yīng)時(shí)間，從而節(jié)省許多工程設(shè)計(jì)時(shí)間和返工。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的示例

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的一個(gè)很好的例子是 Aeronautical Radio， Inc. （ARINC） 661 規(guī)范，其中 HMI 由數(shù)據(jù)格式或模型表示。此外，該用例與前面描述的游戲案例非常相似，因?yàn)樵S多不同的用戶應(yīng)用程序 （UA） 可以將命令發(fā)送到通用駕駛艙顯示系統(tǒng) （CDS），并讓這些命令驅(qū)動(dòng) CDS 傳達(dá) UA 組件的狀態(tài)，從而有效地向 UA 提供控制輸入。從理論上講，任何按照ARINC 661規(guī)范編寫的UA都可以連接到ARINC 661 CDS，其方式與早期的理論游戲開發(fā)人員將游戲軟件寫入游戲引擎的方式大致相同。

然而，這就是相似之處的結(jié)束。在游戲世界中，軟件游戲被定義為引擎一次，然后生成到許多游戲機(jī)執(zhí)行。ARINC 661 系統(tǒng)的情況正好相反：?jiǎn)蝹€(gè) CDS 與幾乎所有飛機(jī)系統(tǒng)中的許多 UA 通信。這樣看：?jiǎn)蝹€(gè)CDS可以用作飛行員-飛機(jī)接口。由于單個(gè)CDS由許多UA控制，因此通信結(jié)構(gòu)的明確定義是ARINC 661定義的重要組成部分。此外，UA 可以同時(shí)在多個(gè) CDS 上通信和控制其數(shù)據(jù)表示。這種方法正在許多飛機(jī)上部署，最著名的是波音787夢(mèng)想飛機(jī)。

審核編輯：郭婷