直升机HMI：通过自动代码生成、标准和仿真管理风险

自 50 多年前推出第一架涡轮直升机 Ka-225 和改进型海军 HTK-1 以来，直升机人机界面 （HMI） 发生了巨大变化。最初由机械燃油表和高度计组成的系统已被计算机和多功能显示器的集成飞行数据系统所取代，该系统为飞行员提供关键的导航、天气和其他关键飞行信息。今天，直升机航空电子设备继续快速发展，增加了其发展的复杂性。

将下一代显示器和新信息源集成到飞行员友好的HMI中并不是当今航空电子设备开发人员面临的唯一挑战。开发人员还必须管理项目并考虑开发成本。当涡轮直升机被引入时，只有5%的成本用于航空电子设备。如今，航空电子设备约占飞机成本的60%。

现在，HMI 开发更加复杂和昂贵，编码错误、项目超支和设计缺陷的风险更大。但是，通过一些先进的规划和正确的工具，直升机开发人员可以保持领先地位，并为客户提供最用户友好、最复杂的HMI，而不会产生巨大的开发成本和风险。COTS软件的进步为航空电子设备开发人员提供了利用软件工具的机会，这些工具可以自动化流程，支持行业标准，并提供一个平台，以便在设计部署到驾驶舱之前对其进行有效测试。

通过自动生成代码降低风险

为了节省时间并降低项目超支的风险，设计人员应密切关注他们如何处理低级需求，这些需求指示如何在编码级别编写软件，而无需任何进一步的指导。低级测试的示例包括对象和逻辑的编码。虽然这些功能可以手动开发，但手动编码需要手动修复和优化错误，这在项目开始时可能会消耗大量时间。通过使用具有自动代码生成的软件，可以在软件模型中捕获低级需求，并且几乎消除了低级测试。虽然仍然需要高级测试，但通常会减少，因为代码是自动生成的，并且很少或不需要低级测试。由于使用建模工具创建显示器，因此在早期原型中捕获需求并尽早完成审查。这可以进一步减少对高级测试的需求。

随着HMI从原型设计进入生产，开发人员必须格外小心，以减少编码错误。手动编码本质上可能是不可预测的，并且可能会在每次迭代时产生意外的结果和错误。自动代码生成有助于避免在对显示器进行更改时修订数百万行代码 - 即使在项目后期或测试阶段 - 通过提供具有可预测结果的可重复过程。例如，使用手动编码创建具有特定大小的简单蓝色框可以通过数百甚至数千种不同的方式完成。这增加了整个项目中使用的代码变体数量出错的风险。为了降低这种风险，自动代码生成器将始终以完全相同的方式为蓝框生成相同的代码，无论重复多少次。

选择在项目开始时使用具有自动代码生成的工具至关重要，最终将在开发过程中提高生产力。随着强制性的安全关键标准（如DO-178B）在航空电子认证中占据中心位置，跟踪和记录HMI开发的能力至关重要。FAA 要求开发人员提供冗长的文档跟踪软件开发，作为认证申请流程的一部分。该文档可以手动创建，但符合DO-178B的代码生成器附带许多认证文档和测试用例，以表明HMI已经过FAA要求水平的重大测试。当客户使用符合DO-178B的自动代码生成器时，他们可以将已经完成的大部分测试和文档归功于他们，并减少认证的时间和成本。

通过标准化降低成本

新的航空电子系统、显示功能和小部件与直升机生命周期内的硬件过时管理相结合，可能会导致项目开销飙升。为了管理这些成本，开发人员可以选择遵循ARINC 661。ARINC 661 允许开发人员访问一组标准的小部件，这些小部件是符号、图片、面板和按钮等对象。这些是将在HMI中显示的定义文件（DF）的基本构建块。DF包含页面或“图层”，由将在驾驶舱显示系统（CDS）上显示的不同小部件组成。使用标准化小部件可以减少项目启动所需的时间，因为它使开发人员很容易了解如何开发新显示器。如果没有适当的标准，每当选择不同的供应商组合以满足各种文件格式要求时，开发人员都必须重新设计编码。这组标准的预先批准的构建块使开发人员能够灵活地使用来自多个供应商的系统：文件遵循标准格式，不需要数据复制或其他编码。最后，还可以通过修改小部件的视觉外观，在新项目中重用DF的大部分内容，而无需每次从头开始。

虽然这不是强制性的，但直升机制造商AgustaWestland等行业领导者正在受益于ARINC 661的指导方针。AgustaWestland选择了Presagis的VAPS XT ARINC 661模块，因为它使公司能够快速开发HMI概念，并通过为DO-178B认证提供未来途径来降低风险。

支持 ARINC 661 开发的工具可用于开发完整小部件库的外观和感觉，而无需在实际硬件上工作。这些小部件可以使用工具提供的低级构建块以图形方式创建，也可以通过编程创建。通过编程创建的对象需要使用传统的软件编码工具从头开始编码，但是当使用建模工具以图形方式创建它们时，不涉及编码。开发人员使用建模工具从用户界面中选择线条、颜色和文本等方面，该工具会自动生成已完成对象的代码。这支持在迭代开发过程中快速更改其外观，而无需修改或创建任何代码。为了定义对象的行为，开发人员随后将使用状态图来选择设计元素，以在应用程序逻辑中创建触发器和操作。通过使用 ARINC 661 支持的软件，无需在多个小部件上重复手动代码行为。相反，状态图逻辑可以应用于客户对象的每个实例，从而节省时间并消除人为错误的风险。

在模拟环境中对 HMI 进行测试

在将HMI部署到驾驶舱之前，测试其功能至关重要。没有人希望在飞行员培训期间发现，以特定顺序激活显示功能的组合会导致严重的系统故障。没有人愿意被迫回到绘图板，也不得不重复整个开发过程。因此，HMI根据许多标准进行评估。例如，HMI是否允许飞行员直观地采取行动，帮助他们快速做出和执行正确的决策？为了正确进行此评估，设计人员需要在模拟环境中测试HMI。

为了确保新的HMI能够按预期运行，它们必须在各种条件下进行测试，例如当空气中的灰尘或沙子降低飞行能见度时发生的掉电。通过模拟丰富的沉浸式环境，设计人员可以在逼真的3D场景中测试HMI，测试HMI处理和呈现飞行信息的能力。从长远来看，创建模拟测试环境有助于节省资金，允许开发人员在将HMI嵌入驾驶舱之前了解HMI的功能。如果发现对齐、可用性和性能问题等异常情况，自动代码生成器将变得特别方便，因为它允许开发人员轻松进行更改并重复该过程。

使用 COTS 工具进行仿真和测试的一个优点是，该软件可以开箱即用地在多个平台上使用。航空电子设备开发人员可以利用 COTS 工具来设计 HMI 并为 HMI 测试创建模拟环境。在开发的最初阶段使用仿真来测试原型概念并接收最终用户的早期反馈，航空电子设备开发人员可以消除创建飞行员认为不直观的HMI的风险。通过利用模拟环境，他们还可以测试最终的HMI并测试其最大阈值。借助 COTS 仿真软件，开发人员可以在飞行员在模拟虚拟环境中执行不同任务时测试 HMI。

最终结果：复杂、易于驾驶的人机界面

直升机驾驶舱已经从电子飞行仪表系统演变为集成飞行数据系统。因此，HMI开发项目的复杂性增加，带来了独特的挑战和风险，例如编码错误，项目超限和设计缺陷。为了降低这些风险，航空电子设备开发人员可以利用有用的功能，例如自动代码生成、支持行业标准和仿真，这些功能由具有广泛市场访问权限的 COTS 供应商整合。这使得航空电子开发人员能够利用已经在大量系统中得到验证的工具，这意味着他们可以最大限度地减少开发工具所花费的时间，并专注于他们最擅长的事情：开发有效的、飞行员友好的 HMI。

审核编辑：郭婷