民用飞机驾驶舱显示仪表发展历程
今天刊登来自翼知堂网友的一篇文章，以飨读者。
飞机驾驶舱显示仪表是飞行员与飞机进行交互的主要界面，承担着为飞行员提供飞行参数、导航信息、系统信息等数据的重要职责，因此显示仪表提供的信息必须具有准确、可靠、实时、清晰、形象、直观和容易判读等特点，并符合人机工效学的要求。显示仪表的合理性和先进性，也成为决定飞机整体性能的重要指标之一。
机械式显示仪表时代
在早期的飞机上，驾驶舱内只有地平仪和罗盘两个飞行仪表, 反映三维飞行态势需要在两个二维平面上表达出来，地平仪相当于一个立在飞机前远方迎面上表达天地线的视景平面, 罗盘则相当于俯视地面仅能指出磁北的位置关系。随着航空技术的不断进步，飞机变得越来越复杂，在驾驶舱内显示的信息也越来越多，不但有飞机的速度、高度、俯仰、侧滑、坡度、导航等信息，还显示发动机、燃油、液压、电气、引气、空调、增压等众多子系统信息，这样设计的初衷是为了让飞行员能充分了解飞机的飞行状态和自身系统状态，但也同时带来了很大的问题。
在20世纪70年代以前，飞机驾驶舱显示仪表多采用机械式、磁电式、机电伺服式组合仪表，这些仪表（通常统称为机械式仪表）大都利用显示部件间的相对运动来显示被测参数值，如指针-刻度盘、指标-刻度带、标记、图形显示、机械式计数器等。这些显示仪表占用固定空间, 属于按空间分配(简称空分制)显示的专用仪表，它们的优点是结构相对简单，显示清晰，但存在很多缺点，如部件间存在摩擦影响显示精度，寿命短，易受振动、冲击的影响，噪音大，在低亮度环境下需要照明，不易实现综合显示等。
图1 典型的机械式显示仪表驾驶舱——B747-300
由于需要显示的信息众多，显示仪表的数量是相当可观的，例如在B747-300客机驾驶舱内装有多达132个显示仪表，这使得座舱显得非常拥挤（见图1）；更重要的是，飞行员要在玲琅满目的众多仪表中找出需要的仪表并读出相应的数据，是一件令人非常头疼的事，特别是在起飞、着陆这种非常繁忙的阶段显得尤为突出。
电子显示仪表时代
随着电子技术、计算机技术等科学技术的飞速发展，20世纪70年代后期飞机上出现了电子式显示器，它把电信号转换成电子显示器的光信号以显示所需的信息内容，显示信号可以是数字、符号、图形以及其他组合形式，电子显示仪表的问世为实现航空仪表的综合化提供了技术基础。电子显示仪表可根据特定的飞行任务和飞行阶段, 分成若干典型的工作状态，每一种状态在显示屏上同时显示不同字符, 按一定位置和活动范围合理编排组合或综合在一起, 构成一个完整的显示格式，所以电子显示仪表属于时分制（按时间分配）仪表。
与机械式显示仪表相比, 电子显示仪表的优点非常明显:能够一表多用,大大减少仪表数量和占用空间；能按需显示,特别是能够显示经过计算机加工的复杂指引信息, 便于观察, 减少了造成人为差错的机会；光学字符形式灵活多样, 从传统的指针、刻度到复杂的符号, 形象的图形到抽象的文字, 将各种信息综合化, 有效地提高了飞行员的判读功效；另外还具有显示精度高、寿命长、可靠性高等优点。电子显示仪表以及图形显示方式的介入，一方面减轻了飞机座舱的拥挤，另一方面也使得一些复杂飞行状况变得一目了然，更为灵活、方便、直观。
电子显示仪表到目前为止已经发展了三代：
第一代——开创了电子显示仪表新时代
1981年，装有6个彩色阴极射线管（CRT）显示器的B767首飞成功，标志着第一代电子显示仪表时代的开始，随后这种显示器也很快安装在B757/767、B737－300/400/500、A310等机型上。CRT显示器是一种可以显示包括字符、图形、图像等复杂图形的显示仪表，其基本工作原理是靠高速电子束流冲击荧光屏而发光，并利用电场和磁场对电子束进行控制或偏转，使荧光屏上的光电位置和亮暗程度按照预定规律变化，而显示出要求的图形或图像。
CRT应用于飞机驾驶舱的最大贡献就是信息综合化程度大大提高,原先需要有很多仪表才能完成的显示功能在为数不多的几个CRT显示屏上就可以实现，这大大提高了飞行员的判读功效。例如，波音系列飞机的电子显示器由电子飞行仪表系统（EFIS）和发动机指示和机组告警系统（ EICAS）组成，前者包括两个电子姿态指引仪（EADI）和两个电子水平状态指示器（ EHSI）；后者包括主、辅显示器各两个。空客系列飞机座舱也装备了具有类似功能的电子显示器，即由包括主飞行显示器（PFD）和导航显示器（ND）的电子飞行仪表系统（EFIS）和包括发动机指示/警告显示器（E/WD）和系统显示器（SD）的电子中央飞机监视系统（ECAM）组成。其中，EADI（PFD）是主飞行仪表，由原来的地平仪发展而来，除具有指引地平仪的功能外，还增加了显示自动飞行系统工作状态、无线电高度、地速、指令选择等信息的功能；EHSI（ND）是导航显示器，按照不同的需求可有多种显示模式，在显示内容和形式上都比常规航道罗盘有了重大突破；EICAS能显示包括发动机在内的各个子系统的主要参数以及大量警告、提示等信息，相当于一个“电子空中机械师”，完全取代了空中机械师的工作；ECAM 能显示飞机各系统信息和警告信息，相当于一本“电子飞行手册”。
图2 第一代电子显示仪表驾驶舱——B767
第一代电子显示仪表开创了驾驶舱显示系统的新时代，它大大减少了驾驶舱内显示仪表的数量，例如，上文中提到的装备机械式显示仪表的B747-300拥有132个仪表，而采用了电子显示器的B747-400只有13个显示仪表。另外，第一代电子显示仪表普遍采用了“暗驾驶舱”设计原则，正常情况下只显示少量必要信息，在出现异常情况时才会将相关系统信息显示；综合化、自动化程度大大提高，减轻了驾驶员负担，使得机组人员可以减少到2人。
当然，第一代电子显示仪表也存在很多缺点，其中CRT显示器自身存在一些固有的弊端，如图像失真、体积庞大、重量大、功耗大、辐射强等，这些缺陷限制了它的进一步发展；另外，元器件多是分立器件，集成度不高，信息的综合化程度也有待加强；结构设计方面，EFIS 和EICAS（或ECAM）互相独立，相互没有交联、没有互换性，因此系统余度不够高；人机工效方面不够好，例如，B757/767 EADI没有大气数据和航向信息，不便于驾驶员观察、比较纵横向飞行状态的变化；主发动机指示器的发动机参数在右边，告警信息在左边，不便于机长观察发动机工作情况；A310 ECAM 的两个显示器分列在中央仪表板两边，不利于两位驾驶员交叉观察。
第二代——实现了“玻璃驾驶舱”
1987年2月，装有第二代电子显示仪表的A320 飞机首飞，这标志着民航飞机电子显示仪表进入了成熟期，实现了“玻璃驾驶舱”，随后在A330、A340、B737－600/700/800、B747－400、MD－11等飞机上得到广泛应用。
第二代电子显示系统虽仍然采用CRT显示器，但尺寸更大、更加先进，如A320显示器的显示尺寸为184㎜×184㎜，B747－400则采用了更大的203㎜×203㎜显示器；采用了更先进的集成化电子器件，运用了表面贴装器件（SMD）、大规模集成电路、门阵列、全数字电路、高密度包装技术等新技术；提高了综合化程度，增大了信息量，取代了全部飞行仪表和发动机仪表，例如PFD 增加了速度、高度、垂直速度和航向等信息的显示，形成了现代化的标准“T”形仪表板布局；采用了新的系统结构，具有更大余度和可靠性，第二代EFIS 和ECAM（或EICAS）是一个有机整体，显示器结构大多相同，每台显示管理计算机（DMC）都具有全部显示管理功能，彼此具有互换性，互为余度，在出现故障时可以按优先权高低自动转换或人工转换；更注重人机工程学原理，仪表显示更安全、有效，以避免人为错误，显示仪表的安装位置、符号形状、颜色编码、组合方式等都更科学和合理,例如速度、高度、航向采用移动刻度带和数字显示两种方式表示，既便于准确读数，又能反映参数变化趋势，发动机显示器的发动机参数改在左侧，告警信息改在右侧，和正、副驾驶员的分工协调一致；系统显示器采用示意图形式显示飞机各系统，可以清楚地显示出阀门位置、实时状态等信息。
图3 第二代电子显示仪表驾驶舱——A320
第三代——液晶显示器时代的到来
1995年6月交付的B777采用了有源矩阵液晶显示器（LCD）取代CRT显示器，标志着电子显示仪表系统进入了一个崭新时代。继B777 以后，B737－600/700/800、B767－400ER、A380等飞机相继安装了LCD。
图4 第三代电子仪表显示仪表驾驶舱——B777
有源矩阵液晶显示器（LCD）显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源投射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影响显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。与CRT相比，LCD体积小、重量轻，厚度减少80%，重量减少70%；节省功耗，B777 的LCD 总功耗为60～70W，而同等尺寸的CRT为150W，减少60％，因而不需强制通风，可以自然冷却；可靠性高，LCD 所需电子器件少，平均无故障间隔时间长，系统可靠性比CRT 高10～20 倍，从而大大提高了系统维护性和经济性；除此之外，LCD还具有更好的安全性、耐振性和耐冲击性，更高的对比度和色度分辨力。鉴于LCD具有的不可比拟的优势，它正逐步取代CRT，成为民用飞机驾驶舱显示系统的主流配置，我国正在研制中ARJ21-700支线客机即安装了5块LCD综合显示器。
B777电子显示仪表系统还首次采用了电子检查单，继EICAS的“电子空中机械师”和ECAM 的“电子飞行手册”后，又向“无纸化驾驶舱”前进了一步。B777电子显示仪表综合化程度已达到一个很高的水平，人机交互界面非常友好，整个驾驶舱布局非常简洁、方便（图4），使得驾驶员已从单纯的操纵者转变成了驾驶舱资源管理者，大大提高了操作效率和安全性。
未来发展趋势
随着航空电子技术的不断发展，民用飞机驾驶舱显示仪表正朝着综合化、智能化、人性化方向发展，近些年来出现的一些新理念、新技术正逐步走向成熟，有望在不久的将来应用于航线飞机，这些技术主要有：
(1)类Windows的人性化操作界面
微软公司的Windows操作系统之所以在全球范围内收到欢迎，主要是因为它有着非常人性化的操作界面。如今，这种类似于Windows系统的操作界面已经运在了民用飞机上。例如在A380上，飞行员可以用一个光标改变显示屏幕上的性能和导航目标，光标控制通过一个定在基座上的无线跟踪球来进行。这种类似于鼠标的跟踪球知识控制装置（Charge Couple Devices, CCD），其上有指尖可触击的按键（用于显示转换及菜单选择），飞行员可以借助CCD和屏幕上的下拉/弹出菜单，方便地选择所需的信息显示，如飞机周围的状态感知信息、飞机系统的信息显示等。法国达索公司率先在EASy驾驶舱内采用CCD代替以往的操纵杆或侧杆控制器。正副驾驶各自配备一个CCD，借助CCD旁边的键盘，飞行员可以随时将飞机操纵模式切换到人工模式。
这种类Windows操作界面的出现，改善了以往的按键式的人机交互界面，克服了机械式按键数量越来越多从而挤占空间的状况，使得操作更加直观简便，大大减轻了飞行员的操作负担。随着超大屏幕液晶显示器及综合显示处理技术在民用飞机中的应用，这种类Windows操作界面将在以后的驾驶舱显示系统中占据统治地位。
（2）触敏显示/控制技术和语音控制技术
目前飞机上采用的大都是传统的开关和按键，为了能准确地进行操作，开关和按键必须做得足够大，并留有足够的间隔和清晰的标志，所以座舱中的开关和按键控制板占用的面积就会很大。为了解决这个问题，出现了触敏显示/控制器，它是在显示屏上根据需要显示系统的简化图形和控制开关，只要触摸相应的开关就可以进行控制，从而实现了显示与控制的一体化。事实上，这种技术在民用电子类产品中已广泛应用，如大家常见的安装了触摸显示屏的手机、ATM自动取款机都使用了这种技术。正在研制中的美国F-35战斗机就率先在飞机上运用了这项技术，F-35驾驶舱内安装了一个20厘米×50.8厘米的大型触摸式液晶多功能显示器，飞行员只需要用他的手指触碰显示器上的相应区域，就可以随意调整各种信息的显示方式和显示顺序，或者重新启动显示系统，以前老式战斗机座舱内部各种让人眼花缭乱的开关和按钮的功能大部份已经转移到F-35先进的触摸式平板显示器上，因此F-35座舱的整体布置给人一种非常简约的感觉。到目前为止，在航线运营的民用飞机上还没有安装这种触摸式显示器，但可以预见，它必将会很快出现在新型民用飞机上。
图5 具有划时代意义的F-35驾驶舱
另外，F-35战斗机上还运用了另一种代表未来发展趋势的新技术——语音控制技术。严格来说，语音控制应该算是一种控制技术而非显示技术，之所以在此提及，是因为它跟仪表显示的关联过于密切，很多关于显示仪表的文献都将它列入其中。F-35的语音控制系统主要用来完成那些不需要飞行员瞬间做出决断的任务，例如加载导航坐标、变换无线电频率以及计量剩余油量等琐碎任务。研究表明，合理地利用语音控制系统可以大幅度减轻飞行员的工作负担，并达到大幅度减少座舱内按钮和开关的数量的目的。普遍认为，语音控制技术更加适合应用于不需要进行空中格斗的民用飞机和军用运输机，因此未来发展前景非常广阔。
（3）平视显示器和头盔显示器
在飞机起飞、着陆阶段，驾驶员需要不断观察驾驶舱外景物，同时又必须注意舱内仪表，不得不在平视和下视之间频繁转换视线，驾驶员最繁忙也最容易出事故。于是平视显示器应运而生，它可以使驾驶员在平视前方景物的同时，在透明玻璃显示器上看到各种飞行、导航和战术信息，很好地解决了平视和下视之间的矛盾，所以很快成为战斗机的标准仪表，得到广泛应用。
在民用飞机领域，早在20世纪70年代初，一种称为目视进场监视器的机电式平视仪就安装在B727、“三叉戟”等飞机上使用了；1980年，MD－80率先安装了电子平视显示器；以后，B727、B737、A320、航天飞机等也相继选装了平视显示器。民机平视显示器也早已取得了FAA在Ⅲa类气象条件下进行人工操纵进场的适航证。现代民航机平视显示器具有起飞/复飞、巡航、进场和仪表着陆等4种工作状态；能够显示各个飞行阶段所需要的主要飞行参数和指引信号；能够显示风切变等警告信号；既可以作为Ⅱ、Ⅲa 类自动着陆系统的监视器，也可以实现Ⅲa类气象条件下人工操纵进场着陆。现代民航机平视显示器采用激光全息显示屏，视场达到30°（水平）×26°（垂直），外景透光率达到90％，字符反光率也达到90％，无论白天还是晚上都有足够的亮度和对比度。民航机平视显示器采用可折叠结构，不用时可以收起，不妨碍驾驶员正常视线。
目前，安装平视显示器的民用飞机不多，大都是列为选装设备，原因首先是价格高昂，其次是除起飞着陆外基本上多大用处，因此需求不大。但是，随着技术的愈益发展和价格愈益降低，以及民航界对驾驶舱人机效能要求的日益提高，平视显示器有望在民用飞机上得到广泛应用。
近些年，头盔显示器技术日益成熟，它是把仪表显示信息送到飞行员头盔显示器的屏幕上，飞行员向任何方向转动头部，这些信息都能显示在飞行员眼睛前方的视线中。目前，头盔显示器已经在F-22、“阵风”、F-35等新一代战斗机上广泛使用，甚至F-35战斗机已用头盔显示器完全替代了平视显示器。虽然目前在民用飞机上还没有应用头盔显示器的先例，但是未来的发展动向值得关注。
（4）高清晰大屏幕全景显示/控制系统
高清晰大屏幕全景显示/控制系统的应用是民用飞机的又一重要发展方向。为了大范围、全方位了解飞机周围情况，提高安全性和营运效率，就需要大面积显示器。美国正进行的全景驾驶舱控制显示系统（PCCADS）计划提出了一个设想，即整个仪表板是一个高分辨率大屏幕，采用触敏与语音控制，采用标准菜单式结构和交互式界面；大屏幕不仅可以显示平面视图，也可以显示三维视图；不仅可以显示全屏图像，也可以分屏或镶嵌插图。它运用数据融合、透视，重构、分屏、插入、立体声等先进技术，显示整个飞行过程所需的数字地图、全景图像或系统状态，如能在实际飞机上应用，这必将是飞机驾驶舱显示和控制的又一次革命。
（5）等离子平板显示器（PDP）与有机发光二极管显示器（OLED）
随着显示技术的发展，一些新型显示器展现出强大的生命力和诱人的发展前景，最有代表性的是等离子平板显示器（PDP）和有机发光二极管显示器（OLED）。PDP、OLED与LCD都属于平板显示器，但是前两者都是自发光显示器，而LCD需要依靠背光源。
PDP是指所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。与LCD相比，PDP显示具有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对迅速变化的画面响应速度快、可在高亮度环境下使用等优点，另外，PDP视野开阔，视角宽广（高达160度），能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有更大观赏角度。PDP的缺点是，显示屏玻璃极薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受重压；PDP的每一个像素都独立的自行发光，因而耗电量大，由此也引起发热量大，因此需要在其背板上安装风扇或进行通风用于散热。
OLED是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件，它由夹在一个透明阳极和金属阴极之间的有机层组成层状结构，并以普通的沉淀方法沉积在玻璃基片上；当器件工作在正偏置时，由于有机异质结构的电子和空穴发生注入与迁移现象，形成电子-空穴对，重新组合，通过透明的电极发光。与LCD相比，OLED厚度薄，重量轻，核心层厚度可小于1毫米，约为LCD的三分之一；全固态结构，抗震性好，可以适应巨大加速度、振动等恶劣环境；主动发光，视角宽，一般可达到160度；响应速度快,比LCD快1000倍；功耗低，2.4英寸OLED模块功耗仅为440mW，而2.4英寸LCD模块的功耗为605mW；能在不同材料的基板上制作成可以弯曲的柔软显示器。据RockwellCollins公司预测，OLED将是下一代大型显示器的发展方向，未来有可能将OLED设计成弯曲的综合数据的全景仪表板，跨立于飞机驾驶舱内，而超薄的手持显示器也可以显示电子进近图表、检查单、载重与平衡表格及其他飞行有关信息。当然这不是眼下的事，目前主要的仍然是进一步普及LCD在民用飞机驾驶舱的应用。
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