CN104053582B - 交通工具操作人员显示和辅助机制 - Google Patents

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Abstract

详述了用于交通工具操作人员的辅助机制,其被设计为降低与退化的降落和其它状况相关联的风险。一些机制可以包括显示器,其具有处于操作人员外围视场之内的视觉指示器。还可以采用听觉警报。提示例如路面减速性能的退化的信息可以警告操作人员执行非常规或异常动作以缓解性能退化所产生的危险。

Description

交通工具操作人员显示和辅助机制

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求⑴于2012年9月5日提交的题为“Vehicle Operator Display and Assistive Mechanisms”的美国专利申请序列号13/6〇3610,(2)于2012年1月18日提交的题 为“Display Mechanism for Communicating Transport Vehicle Related Ground Deceleration Alerts to the Operator of an Aircraft or Vehicle for the Purposes of Failure Sensitive Mitigation Actions”的美国临时专利申请序列号61/ 587802,和⑶于2012年8月6日提交的题为“Vehicle Operator Display and Assistive Mechanisms”的美国临时专利申请号61/679879的优先权,它们全部通过引用全文结合于 此。

技术领域

[0003] 本发明涉及用于(至少)向交通工具操作人员提供信息的系统和方法,更具体地但 并非必要地专门地涉及用于以被设计为在处理其相关联交通工具可能的路面减速性能退 化方面对飞行员进行辅助的方式向人类飞行员提供信息的机制和技术。

背景技术

[0004] 授予Edwards等人的共同所有的美国专利号8224507 (Edward专利),其内容通过引 用全文结合于此,指出了在降落时可能遇到的状况方面改进例如即将降落的航空器的飞行 员可用信息的合理性。可论证地,近来最为著名的由于提供给机组人员的与降落条件相关 的信息不充分而导致丧生的事件是西南航空公司1248号航班于2005年12月8日失事,该航 班在伊利诺伊州芝加哥的Midway国际机场偏离跑道末端并且离开了机场边界。引用USA Today报纸,Edwards专利指出:

[0005] ...飞行员“基于通过空中交通控制器向他们广播的来自其它飞行员的报告而假 设跑道处于“持平”状况”。然而,后续的客观数据分析“显示状况最好也仅是处于‘不良’ ”, 由于跑道“非常湿滑而使得人难以在其上行走,所以在飞行员尝试减速时为飞机轮胎提供 最小的牵引力”。

[0006] 参见Edwards专利第2栏,II • 22-29。

[0007] 报告那些“持平”状况的飞行员无法确认其实际制动系统性能的原因是与那些系 统相关的信息并未被设计为进行测量,也没有被设计为提供至机组人员。在降落期间,飞行 员实质上不可能在作用于航空器上的空气动力学力和基于地面的制动力之间加以区分。结 果,在这样的操纵控制期间,与基于地面的制动系统性能不良相关联的风险无法被正在操 作航空器的动作中的飞行员所看到。

[0008] 因此,Edwards专利中详述了改进或增加(或其二者)在这些和其它情况中可供操 作人员使用的信息的系统和方法。在Edwards专利中所公开的一些系统中,与使用跑道的一 部航空器的性能相关的客观信息被传送至被安排在随后或即将使用该跑道的航空器以供 该航空器的操作人员进行评估。在这些系统的许多优势之中,它们提供了比常规报告(其可 能仅由“良好”、“持平”或“不良”的定性评估所组成)更多的客观信息,该信息可以实时(或 近似实时地)提供,并且该信息可以在不关闭跑道的情况下生成以进行常规机械的、基于地 面的摩擦测试。

[0009] Edwards专利的某些系统预期为交通工具的操作人员提供与㈧航空器降落在跑 道上时由航空器操作人员所命令的制动压力和⑻在该航空器机上执行防滑控制计算机计 算之后输送至航空器制动器的制动压力二者相关的信息。虽然除此之外或可替换地可以提 供其它信息,但是最近获得的所命令和输送的制动压力信息对于即将降落的航空器的操作 人员而言是特别有价值的,因为该信息与操作人员即将经历的直接相关。因此,其可能与例 如以事后跑道状况评估或航空器性能的工程分析作为其任务的工程师或管理机构最为期 望的信息有所不同。

[0010] 实际上,虽然人们并为被看做“机器”,但是他们在处于与机械设备进行交互的过 程之中时在行业所公认的认知限制下进行操作。这种人的表现以及这如何影响机器的表现 之间的关系被称之为“人为因素”研宄的领域。认识到人类的局限性并且在交通工具和操作 人员之间形成交流路径可能克服该局限并且因此是有用且重要的目标。

[0011] (除其它事件之外)如Midway机场的事故所提示的,基于路面的减速系统的意外退 化会严重危及安全性并且在交通工具同时采用空气动力学和基于地面的减速系统在地面 上进行减速的任何时候导致灾难性的后果。对于降落的航空器而言,操作人员必须采用肌 肉记忆技术接合副翼、方向舵、升降舵和油门,同时将其视线指向指定的操作跑道。在朝跑 道表面向下行进并且对航空器的横向移动和纵向移动进行控制的同时,飞行员或操作人员 当前并没有一种(不同于其自己的定性“感觉”的)自动警告方法以当退化的系统性能使得 这样的决策是可取的时将备用动作序列进行排列。

[0012] 更具体地,减速航空器的人类操作人员必须同时对移动的三个维度进行控制。除 了控制航空器的横向和纵向移动之外,在与地面相接触之前,他必须将交通工具的飞行路 径与他要在其上进行减速的表面的方位对准。该动作要求使用双脚和双手来操作航空器的 方向舵、副翼、升降舵和(多个)油门。与此同时,飞行员的视线必须集中于外部而使得其视 觉提示以及其手脚动作之间形成连续且快速的反馈回路。

[0013]所有涉及控制的人工操控的降落都是“视觉”降落,即使自动化和导航仪器可以将 航空器送至能够发生这样的事件的位置。就此而言,所有这样的事件都要求航空器的操作 人员对专门指定用于观看交通工具的机舱或驾驶舱之外的环境的视场加以利用。然而,人 的心智在其以认知的意识水平处理并发信息的能力方面是有限的。注意力是个人选择并处 理重要信息同时过滤并忽略无关信息的认知机制。许多因素都会对注意力造成影响,其范 围从压力的生理作用到所认识到的人类大脑的认知局限。例如,“注意瞬脱”的概念表示在 两个目标以接近的时间连续性或快速顺序出现时无法识别出二者中的第二个。这表示了由 于所识别对象所占据的注意容量的时间长度或者人的意识中所保持的时间长度所导致的 长时间持续的注意力缺陷。在这种情况下,该注意力缺陷会屏蔽重要的实时减速系统性能, 原因在于当前航空器并未被设计为在用于降落的观察视场中显示这种属性的警报或警告。 然而,研究记录了已经找到了在最可能存在注意瞬脱的时间段期间对注意力进行管控有效 的感知、空间和时间提示。这仅是会对与被设计为在降落操纵控制期间产生地面减速的航 空器系统的有效人力整合形成障碍的多种人为因素向题中的一个示例。

[00M]如过程记忆科学所教导的,飞行员的认知局限性将不允许其一次执行多于一种的 分析功能。需要多于一个的动作的功能使用在通过重复和训练所开发的肌肉记忆而得以被 采用。过程记忆是如何做一些事情的记忆。其通常仅存在于人的自觉意识之下并且引导人 们诸如在试鞋、骑车或降落飞机时做执行的过程。过程记忆的使用不需要意识控制或注意 力。对于降落飞机的飞行员而言,对其飞行和地面路线采用什么方向进行连续分析成为了 他仅有的关注点。在人为因素的研究中,认为他是“任务饱和”的,因为控制交通工具的飞行 路线的任务使得其在某个意识水平的感知和分析能力最大化。因此,他必须依赖于程序技 能来实现其可能遇到的任何其它要求。

[0015]为了获取程序技能,必须通过三个阶段。首先是“认知”阶段,这是注意力最为重要 的时候。这是人组织并理解各部分如何共同形成整体的时候。第二个阶段是“关联”阶段,其 涉及重复练习直至模式出现并且学习到技能。重要的刺激被结合且无关的信息被放掉,从 而将二者进行区分的能力对于使得技能完美是非常重要的。第三个阶段是“自治”阶段,其 涉及使得技能完美而使得其看上去是自动进行的。从无关信息中区分重要信息的能力更快 且更为准确,并且需要更少的思考过程。

[0016]其中飞行员集中于使用视觉提示来操作航空器系统的降落环境完全依赖于记忆 的该自治阶段。由于恶化的条件而在没有提示或信号的情况下作出不同行为,飞行员或操 作人员仍然将由于该过程记忆而继续下去而不管结果是不期望看到的。与之相比,提示能 够提供信号以对飞行员的注意力进行警告或修正以实施不同的过程记忆集合。

[0017] 此外,在事件之前对有关哪些动作适宜的决策(例如,“复飞”或“继续”)进行分析, 从而操作人员仅需要被警告以预期提示而对其动作和所继续的技术作出即刻的评估。这种 环境被归类为“任务饱和”的环境,因为要采取许多动作从而几乎没有空间来采用依赖于除 最为简单的认知警告之外的其它任何事情的人为功能。这是由于认知和技术的错误可能性 大幅增加并且人机整合最为重要的区域。这也是飞行员的视线完全专注于航空器外部而远 离其驾驶舱仪器的状态。

[0018] 眼睛方向通常与注意力相符;然而,有关人类信号检测的研宄表明,心智周边地处 理了比被认为可能的更多的信息。随着注意力跨人的视场(中心或周边地)进行定向,落入 被称作“注意力中心”的事物将被优先接收,而无论眼睛的方向如何。换句话说,只要处于所 利用的视场之内,人就会注意到并未直接看向的东西。

[0019] 人为视觉认知在操作人员的外围视线内发生光源变化时特别准确。该变化的光源 例如可能是闪烁的颜色或者交替变化的(多种)颜色,并且可以(但并非必须)结合在相同显 示器中使用的一种颜色或交替变化的两种颜色的交替变化的“摇摆”警告。由于飞行员或操 作人员的视场在地面减速操纵控制期间被局限于仪器防眩目板上方的前方能见度,所以在 该区域中放置提示或警告设备将有利地捕捉到操作人员的外围视线。可替换地或除此之 外,包括听觉警报会是有利的。

[0020] 关于诸如此的高度任务负载环境所进行的研宄表面,对于警报的响应必须是二元 的响应,这意味着构成预先学习的肌肉记忆顺序的可替换技术仅是在该操作阶段中出现的 警报的貌似可信的结果。这样的肌肉记忆响应将包括适当配置交通工具以便最大程度地进 行有效减速和控制所需的控制的必要操控。

[0021] 最后,“安全”的概念实际上是将针对风险的暴露减小至可接受水平的情形。“风 险”可以被定义为与地面减速相关的危害将导致不希望见到的结果的可能性,该结果可能 对财产、人员或者这财产和人员二者造成损害。为了拥有“安全”系统,必须要对构成任何给 定危害的细节进行明确表达。出于航空器在表面上减速的目的,这些危害可能包括(但并不 局限于)(如以上所提到的)由于防滑系统的动作而导致的所命令和所输送的轮制动力之间 的差异,扰流器系统无法对轮制动系统施加以向下的力度,反推力度的不足或缺失,制动性 能明显不同于自动制动系统的选择,充气轮胎故障,诸如液压之类的制动力输送系统故障, 或者防滑系统针对其明显减少所输送的制动力度的轮胎与地面的相互作用。当在交通工具 为了减速的目的而行进于表面上的时候出现这些危害时,当前进行飞行的飞行员在其必须 使用的视场内并没有危害指示以在利用如以上所描述的肌肉记忆技术的同时控制其交通 工具。关于航空器上未被认知的减速板失灵,该问题足够敏感,从而国家运输安全委员会最 近建议在喷气式客机上安装报警器以在减速板停止工作的情况下对飞行员进行警告。

发明内容

[0G22]本发明提供了一种被设计为减少与退化的降落和其它情形相关联的风险的辅助 机制。本发明的一些版本包括显示单元,其具有位于驾驶舱、机舱的防眩板或仪表板上方或 者位于操作人员正常视场之内的其它区域的视觉指示器。本发明还包括特殊听觉警报,其 被设计为轻易地与交通工具用于其它用途的其它听觉警报区分开来。这些警报的功能是采 取从非理论和直接地面减速系统组件(诸如但并不局限于Edwards专利中所讨论的那些)所 提供的测量并且提供己经被确定为小于预定期望水平的系统功能的指示。该警报随后将使 得操作人员能够捕捉到基于人为和机械的退化并且采用操作技术来缓解系统功能的这种 退化所导致的危害。

[0023]警报系统的各个实施例可以包括显示单元,其具有包括多个像素的视觉指示器。 如果需要或适当地,该设备还可以包括安装杆和防眩板。个体像素或像素的连续集合优选 地是红色和琥珀色交替的,但是也可以另外采用其它颜色代替。红色和琥珀色至少部分地 是优选颜因为它们在驾驶舱的人为因素设计中得以使用,其中琥珀色表示警告警报而 红色则表示紧急。指示器可以被配置为例如允许(1)闪烁的琥珀色像素,(2)闪烁的红色像 素,(3)闪烁的琥珀色和红色像素,⑷稳定(无闪烁)的琥珀色像素照明,以及⑸稳定(无闪 烁)的红色像素照明。可替换地或除此之外,指示器可以在设备的不同位置上定义出字母、 单词或f号,或者交替闪烁的颜色。例如,该配置可以是单独指示器,整合为抬头导航设备 上所显示的警报,或者安装到挡风玻璃柱。例如,照明强度可以针对日间或夜间条件进行变 化,或者以其它适当方式进行变化。类似地,闪烁频率可以有所变化。设备向交通工具操作 人员所传递的信息可以辅助操作人员缓解危害。

[0024]因此,本发明的一个可选、非唯一目标是提供一种用于(至少)向交通工具操作人 员提供信息的系统和方法。

[0025]本发明的另一个可选、非唯一目标是提供一种用于以被设计为在处理其相关联交 通工具的地面减速性能的可能退化方面对飞行员进行辅助的方式向人类飞行员提供信息 的机制和技术。

[0026]而且,本发明的一个可选、非唯一目标是提供一种显示单元,其具有被设计为在飞 行员的正常外围视场中进行照明的视觉指示器。

[0027]本发明另外的可选、非唯一目标是向飞行员提供听觉警报。 ^028]此外,本发明的另一个可选、非唯一目标是向交通工具操作人员提供带颜色的提 示,其具有表示不同级别的所需动作的不同颜色。

[0029]本发明另外的可选、非唯一目标是提供显示指示器,其中红色和琥珀色像素的个 体或集合可以根据实际或预期条件进行闪烁或稳定点亮。

[0030]本发明的另一个可选、非唯一目标是为如以上所描述的警报提供选项而信号通知 被设计为缓解降落风险的自动飞行控制响应,其诸如但并不局限于自动采用最大轮制动 力、地面扰流器或反推装置。

[0031]参考本申请的其余文字描述和附图,本发明的其它目标、特征和优势对于本领域 技术人员将是显而易见的。

附图说明

[0032]图1是连同示例性警报设备的交通工具可以沿着其行进的跑道或类似表面的简化 操作人员眼睛视野。

[0033]图2是图1的警报设备的前方视图。

[0034]图3是图2的警报设备的侧方视图。

[0035]图4是标示出对图1-3的(多个)警报设备所进行的信息呈现有所影响的示例性条 件的流程图。

[0036]图5A-B是可以形成图1-3的警报设备的一部分的示例性视觉指示器。

具体实施方式

[0037]图1中描绘了示例性航空器A的驾驶舱C的一部分。图1中可看到的驾驶舱C内为窗 10A-D、仪表面板14A-B、主防眩板16以及一个或多个警报设备18 (还参见图2-3)。图1中还能 够看到驾驶舱C外部为跑道R和地平线H。虽然图1涉及航空器A,但是其可替换地能够示出例 如接近公路的汽车、卡车、巴士或其它基于地面的交通工具的一部分或者接近水域的船只 的一部分。

[0038]如图1所示,航空器A的飞行员(无论其坐在驾驶舱C的中心的左侧还是右侧)的视 场包括用于跑道R的视觉获取的前方观看窗10B-C。窗10B-C是在航空器A处于减速过程之中 时与其操作控制相关的信息的主要视觉来源。因此,警报设备18A-B中的至少一个优选地位 于飞行员的视场之内,位于防眩板16上方,并且以便在接近飞行员眼睛的水平显示信息。如 果存在两个这样的警报设备18A-B,则一个(18A)有利地可以位于驾驶舱C中心的左侧以便 主要由坐在中心左侧的操作人员使用,而另一个(18B)则可以位于驾驶舱C中心的右侧以便 主要由坐在中心右侧的操作人员使用。可替换地或除此之外,一个或多个设备18可以安装 或整合到挡风玻璃柱体P中(例如,参见设备1SC-D)或者整合到抬头显示器D中。

[0039] 图2-3示出了示例性警报设备18的各个方面。设备18可以包括视觉指示或显示器 22、可选安装杆26、外壳3〇和防眩板34。显示器22优选地包括多个像素,而杆体26 (如果存 在)期望足够长以将设备18置于主防眩板I6上方的飞行员视场之中。

[0040] 图4中详细示出了可以针对设备18进行收集、生成、获得或计算的信息的流程路径 示例。与Edwards专利的各方面一致,航空器A的轮制动系统的性能可以由图4中所指示的两 个力FjPF2之间的关系所定义,其中Fi涉及飞行员所命令的制动力度而F2则涉及遵循航空 器防滑控制器的操作所传递的制动力度。例如,如果Fi和F2之间的差异超过预设阈值,则存 在实时的制动系统性能退化状态。系统性能退化的存在进而建议航空器操作人员可能需要 备用的技术来缓解这样的情形所表示的风险,这导致显示器22以及可选的听觉警告生成器 38上的警报活动。如果期望,性能退化的存在还可以被记录以便后续进行分析并且被传送 至其它航空器或其它地方的操作人员以便针对那些操作人员进行接收、处理和显示。

[0041] 图4还描绘了能够在显示器22上导致警报活动的信息的其它示例。任意或所有信 息都可以被输入到控制单元42 (其可以与设备18整合或者与之分离)以便连同确认航空器A 由于已经变为在空中或者曾经已经进行加速的减速过程之中(例如中断起飞)而已经达到 机轮承重(W0W)的信息一起进行评估。该信息可以利用航空器A的飞行数据获取单元而经由 数据流而到达,该飞行数据获取单元如被用来在航空器A进行了配备的情况下向飞行数据 记录仪和或快速访问记录仪传递信息。

[0042] 控制单元42也可以接受来自交通工具操作人员、驾驶舱设备的输入或者以其它方 式接受输入。作为示例,在航空器有时可能尽管在反推器或自动制动器无法操作的情况下 被认为适宜飞行。这种无法操作因此可以向控制单元42进行识别,从而不需要对已知的无 法操作的设备进行监视。

[0043]图5A图示了在显示器22上呈现信息的优选方式。虽然显示器22被示为包括6X6的 像素集合,但是其并非局限于该排列并且可以包括更多或更少的这样的像素。有利地,显示 器22可以包括交替变化的红色和琥珀色像素的集合,这产生如图5A所示的棋盘图案。在这 种情况下,琥珀色像素可以表示警告情形,而红色像素可以表示需要飞行员及时响应的紧 急情形。 t〇〇44] 显示器22优选地被设计为至少提供(1)闪烁的琥珀色像素,(2)闪烁的红色像素, (3)交替闪烁的玻珀色和红色像素,⑷琥珀色像素的稳定照明,以及⑸红色像素的稳定照 明。照明可以以任意适当方式来提供,包括(但并不局限于)发光二极管(LED)、光纤或其它 光源。像素的强度可以配合操作人员针对大多数航空器所共用的一般仪表面板所生成的选 择信号而针对日间和夜间操作进行不同设置。

[0045]图5B中描绘了可替换显示器22,其像素被用来定义出字母、单词、符号等。在图5B 的示例中,示出了字母“SPLR”,这表示单词“SPOILER”。在这种情况下,显示器22可能正在警 告操作人员所操作交通工具的一个或多个扰流器发生故障或性能退化。

[0046]出于说明、解释和描述本发明实施例的目的提供了上述内容。针对这些实施例的 进一步修改和调适对于本领域技术人员将是显而易见的并且可以在不背离本发明的范围 和精神的情况下来进行。

Claims (8)

1. 一种控制具有驾驶舱和至少一个大体向前的窗的飞机形式的交通工具的方法,其中 在降落期间当所述交通工具的操作人员在所述交通工具在跑道表面上行驶时通过所述窗 观看,所述方法包括: a •对来自所述交通工具的防滑控制器的与在降落期间在所述跑道表面上行驶的所述 交通工具的地面减速有关的数据进行电子处理; b •通过所述窗在所述操作人员的正常看向前方的视场中在所述驾驶舱内电子显示经 处理的信息,以便警告所述操作人员基于人为和机械的退化将不会在降落期间导致在所述 跑道表面上行驶的所述交通工具的有效地面减速;并且 c •通过基于所述电子显示的信息进行自动飞行控制响应来控制所述交通工具以便在 降落期间导致在所述跑道表面上行驶的所述交通工具的有效地面减速,所述自动飞行控制 响应包括选自由以下组成的组中的至少一个:(i)采用最大轮制动力,(ii)采用地面扰流 器;和(iii)采用反推。
2.根据权利要求1所述的方法,其中电子显示经处理信息的动作包括点亮包括多个红 色和琥珀色光源的显示器中的至少一个红色或琥珀色光源。
3.根据权利要求2所述的方法,其中电子显示经处理信息的动作包括点亮所述显示器 的多个红色或琥珀色光源。
4. 根据权利要求2所述的方法,其中电子显示经处理信息的动作包括使得所述显示器 的至少一个红色或琥珀色光源进行闪烁。
5. 根据权利要求4所述的方法,其中电子显示经处理信息的动作包括使得至少一个红 色和至少一个琥珀色光源交替闪烁。
6. 根据权利要求1所述的方法,其中电子显示经处理信息的动作包括点亮位于航空器 驾驶舱的主防眩板上方的显示器。
7. 根据权利要求1所述的方法,进一步包括基于经处理信息生成听觉信号。
8. 根据权利要求1所述的方法,其中所述显示器安装在或整合在所述窗的柱中。
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