CN111026148B - 操控经图形接口控制的系统的命令的系统和相关操控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操控经由图形接口控制的系统的命令的系统和相关操控方法。该操控系统(10)包括第一操控子系统(21)，其包括第一计算模块(31)，所述第一计算模块(31)能够采集描述操作者的交互的交互数据，将命令关联至这些交互数据并生成对应于该命令的控制信号。该系统(10)还包括第二操控子系统(22)，其包括第一计算模块(41)，第一计算模块(41)能够采集控制信号，验证对应于控制信号的命令与操作情境的兼容性，并在命令与操作情境兼容时生成确认信号；以及第三操控子系统(23)，其能够采集控制信号和确认信号并合并这些信号以控制受控系统(12)。

Description

操控经图形接口控制的系统的命令的系统和相关操控方法
【技术领域】
本发明涉及用于操控经由图形接口控制的系统的命令的系统。
本发明还涉及与该操控系统相关联的操控方法。
本发明适用于需要经由图形人机接口来制定命令同时保证高运转安全性目标的任何技术领域。因此，本发明尤其适用于航空电子、航天、医疗或核能领域。
【背景技术】
在现有技术中，已知各种命令制定方法，其使得能够在关键环境中操控系统的运转，同时保证这些命令的较高的整体水平。
因此，例如，在航空电子领域中，在飞机或直升机类型的载体中，航空电子系统的命令通常通过如例如按钮、旋转器、开关等的物理操控装置来实现。
这种操控装置的优点在于，它们中的每个在物理上都彼此独立。因此，其中之一的故障对载体的运转安全性仅具有很小的影响，并且保持限制于受控子系统的一部分内。
然而，基于物理操控装置的解决方案在人体工程学、演进、尺寸和成本方面存在其局限性。
特别地，就人体工程学而言，例如在飞行器中要控制的大量系统使得驾驶舱的顶板特别满，从而产生复杂性。在有压力的时候，这种复杂性可能导致这些装置的使用错误并因此导致命令错误。此外，这些操控装置通常不在飞行员的正常视觉区域内，这在工作负荷方面以及工作感知方面都不是最佳的。
就演进而言，物理操控装置限制了另一系统的自动化或命令执行。
因此，用于简化对各种系统的操控的解决方案包括用例如在航空电子屏幕上显示的人机接口来代替物理操控装置。将物理操控装置转换为屏幕上可见的各种类型的图形交互器的这种操作称为虚拟化。
操控装置虚拟化的难点在于它们必须满足的运转安全性水平(英文术语为“safety”)。可能向操控系统发送错误命令(例如在飞行器起飞时关闭所有的供油阀)的设备将对飞行安全产生不利影响。因此，必须考虑生成命令的系统，以防止故障并限制可能发生的故障的后果。
因此，当前，对这样的操控装置执行虚拟化：这些操控装置的出错命令、命令丢失或不当命令不会对受控系统运转的环境造成严重影响。
因此，例如，在航空电子领域中，虚拟化用于这样的操控装置：其出错命令、命令丢失或不当命令导致至多CS 25.1309条例的范围内的“MAJOR(重大)”(法语“majeur”)类型的事件。特别地，根据该条例，“重大”类型的事件不应导致机组人员的额外工作量和乘客的不适感之外的后果。
【发明内容】
本发明的目的是提出一种操控装置，该操控装置使得能够保留系统的图形控制接口的优点，同时保证较高的运转安全性水平。
尤其是，对于航空电子领域，根据本发明的操控系统使得能够保证所生成的命令的“HAZARDOUS(危险)”(法语为“dangereux”)以及必要时“CATASTROPHIC(灾难性”(法语为“catastrophique”)的整体水平。
为此，本发明的主题是一种用于操控由操作者经由图形接口控制的系统的命令的系统，受控系统在关键环境中运转，所述操控系统包括：
-第一操控子系统，其包括第一计算模块，所述第一计算模块能够采集描述所述操作者对于所述图形接口的交互的交互数据，将命令关联至这些交互数据并生成对应于该命令的控制信号；
-第二操控子系统，其包括第一计算模块，所述第一计算模块能够采集所述控制信号，验证对应于所述控制信号的命令与定义所述关键环境的运转的操作情境的兼容性，并在所述命令与所述操作情境兼容时生成对应于该命令的确认信号；以及
-第三操控子系统，其能够采集所述控制信号和所述确认信号，并合并这些信号以生成用于控制所述受控系统的合成控制信号。
根据本发明的其他有利方面，所述操控系统包括以下特征中的一个或多个，所述一个或多个特征是单独地或根据所有可能的技术组合而采用的：
-第一操控子系统还包括一个或多个第二计算模块，所述第二计算模块或每个第二计算模块能够采集所述交互数据，将命令关联至这些交互数据，并生成对应于该命令的另一控制信号；
-第二操控子系统的第一计算模块能够采集第一操控子系统生成的所有控制信号，并且当这些控制信号对应于同一命令时验证该命令与所述操作情境的兼容性；
-第二操控子系统还包括第二计算模块，所述第二计算模块独立于第一计算模块，并且能够执行与该第二操控子系统的第一计算模块相同的任务，第二操控子系统的第二计算模块于是能够生成另一确认信号；
-第三操控子系统能够采集来自于第二操控子系统的所有确认信号，并选择这些确认信号之一以将其与所述控制信号合并；
-当所述控制信号和待合并的确认信号对应于同一命令时，第三操控子系统能够生成所述合成控制信号；
-在第二操控子系统发生故障的情况下，第三操控子系统能够在不与确认信号合并的情况下基于所采集的控制信号来生成所述合成控制信号；
-第一操控子系统的第一计算模块集成在实现所述图形接口的运转的计算机中；
-第三操控子系统集成在所述受控系统中；
-所述操作者对于所述图形接口的至少一个交互是在显示该图形接口的屏幕上实现的；
-所述受控系统是飞行器上机载的系统；以及
-所述操作情境是根据所述飞行器的飞行阶段和所述机载系统的运转状态来定义的。
本发明的主题还有一种用于操控由操作者经由图形接口控制的系统的命令的方法，受控系统在关键环境中运转。所述操控方法包括：采集描述所述操作者与所述图形接口的每次交互的交互数据，将命令关联至这些交互数据，以及生成对应于该命令的控制信号；验证对应于所述控制信号的命令与定义所述关键环境的运转的操作情境的兼容性；当所述命令与所述操作情境兼容时，生成对应于该命令的确认信号；以及合并所述控制信号和所述确认信号，以生成用于控制所述受控系统的合成控制信号。
【附图说明】
通过阅读下面的描述，本发明的这些特征和优点将愈发显现，该描述仅作为非限制性示例给出，并且是参考附图进行的，在附图中：
-图1是示出根据本发明的实施例的操控系统的示意性视图；
-图2是示出图1的操控系统的运转的示意性视图；
-图3是根据本发明的操控方法的流程图，该操控方法由图1的操控系统来实现；以及
-图4是通过由图1的操控系统操控的命令进行控制的系统的示意性视图。
【具体实施方式】
图1的操控系统10使得能够操控旨在用于受控系统12的命令。
在以下描述的示例中，受控系统12是飞行器上的机载系统，并且具有例如用于向飞行器的发动机馈送燃料的系统。该系统本身是已知的，并且尤其包括使燃料循环到发动机的多个泵。
飞行器可由飞行员从设置在飞行器内部的驾驶舱进行操纵(尤其是飞机和直升机的情况)，也可从远程驾驶舱进行操纵(尤其是无人机的情况)。
然而，在一般情况下，应该理解，操控系统10使得能够操控旨在用于任何其他受控系统的命令，以保证较高的运转安全性目标并在任何其他关键环境中运转。
因此，例如，根据本发明的其他实施例，关键环境包括宇宙飞行器、陆地车辆(尤其是铁路车辆)、医疗装置、核设施等。
另外，在下面描述的示例中，出于简化的原因，操控系统10使得能够操控旨在用于单个受控系统的命令。然而，在一般情况下，应当理解，操控系统10可以操控旨在用于多个受控系统的命令。
如图1中示出的，受控系统12由飞行员经由图形接口14来控制。因此，旨在用于受控系统12的命令被至少部分地虚拟化。
图形接口14例如显示在设置在飞行器驾驶舱中的显示屏16上。该屏幕16对应于驾驶舱中已经存在的屏幕之一，或者对应于专门设计用于控制一个或多个机载系统的屏幕。
飞行员借助于一个或多个交互装置与图形接口14进行交互。
在所描述的示例中，这些交互装置被呈现为鼠标(或任何其他定点装置)和用于检测屏幕16上的触摸移动的装置。换句话说，在所描述的示例中，屏幕16是触摸屏。
交互装置能够根据飞行员对于图形接口14施加的每个交互生成交互数据。这些交互数据于是描述飞行员所施加的交互。
参考图1，根据本发明的操控系统10包括第一操控子系统21、第二操控子系统22和第三操控子系统23。
第一操控子系统21包括第一计算模块31，第一计算模块31能够采集由交互装置生成的交互数据，将命令关联至这些交互数据并生成对应于该命令的控制信号。
第一计算模块31例如集成在实现图形接口14的运转的图形计算机中。因此，第一计算模块31至少部分地采用由该计算机实现的软件和/或FPGA(英语为“field-programmable gate array”，现场可编程门阵列)型的可编程逻辑电路的形式。
在图1的示例中，第一操控子系统21还包括第二计算模块32，第二计算模块32使得能够基于相同的交互数据来制定另一控制信号以用于在第二操控子系统中与由第一计算模块31制定的信号进行比较的目的。
特别地，就像第一计算模块31一样，第二计算模块32能够采集由交互装置生成和发出的交互数据，将命令关联至这些交互数据，并生成对应于该交互的控制信号。
第二计算模块32集成在独立于第一计算模块31的计算机的计算机中。如在前面的情况中，该第二计算模块32至少部分地采用软件和/或FPGA型的可编程逻辑电路的形式。
参考图1，第二操控子系统22包括第一计算模块41，第一计算模块41能够采集来自第一操控子系统21的所有控制信号，分析这些信号，并且在这些信号对应于同一命令时验证该命令与飞行器的操作情境的兼容性。
第一计算模块41被集成在独立于第一操控子系统21可用的每台计算机的计算机中，并且例如采用软件或/和FPGA型的可编程逻辑电路的形式。
飞行器的操作情境由代表飞行器的当前飞行阶段和飞行器中机载的所有系统的运转状态的多个参数来定义。每个状态可以例如对应于正常运转状态、降级运转状态或故障状态。
可以通过影响飞行器的部件和/或其操纵的任何其他参数来进一步定义飞行器的操作情境。
因此，例如，这些参数可以与以下内容相关：飞行器周围的当前和/或未来的天气状况、剩余燃料、目的地、到达目的地的飞行时间、进近程序等。
例如通过使用存储在集成有第一计算模块41的计算机中的数据库来执行对应命令与飞行器的操作情境的验证。
例如，该数据库包含根据值以及构成飞行器操作情境的每个参数的可能组合的授权的(或未授权的)命令列表。
因此，当对应命令在(或不在)这样的列表中时，第一计算模块41能够授权该命令并生成与该命令相对应的命令确认信号。否则，其能够通过禁止信号来禁止该命令。
一般而言，对于航空电子应用来说，第一计算模块41能够禁止在飞行器的当前操作情境中导致“HAZARDOUS”或“CATASTROPHIC”型事件的任何命令或一组命令。
有利地，并且如图1所示，第二操控子系统22还包括第二计算模块42。
该第二计算模块42对于第一计算模块41是冗余的，并且因此能够并行地或者在第一计算模块41发生故障的情况下执行与该第一计算模块41相同的任务。
第二计算模块42被集成在与第一计算模块41的计算机独立的计算机中，并且如在先前的情况中一样，采用软件和/或FPGA型的可编程逻辑电路的形式。
如在先前的情况中一样，第二计算模块42尤其能够在一命令与飞行器的操作情境兼容时生成对应命令的确认信号。
第三操控子系统23能够采集来自第二操控子系统22的第一和第二计算模块41、42的确认信号并选择这些信号中的一个。
根据实施例，第三操控子系统23能够根据逻辑“或”来选择确认信号，即来自第二操控子系统22的命令确认信号中的一个或另一个。
第三操控子系统23还能够采集例如来自第一操控子系统21的第一计算模块31的控制信号，并合并该控制信号与所选择的确认信号。
例如根据逻辑“与”来执行该合并，也就是说，当控制信号和所选择的确认信号对应于同一命令时执行合并，并且第三操控子系统23能够生成合成控制信号。
然后，该合成控制信号被用于受控系统12。
此外，当第二操控子系统22出故障时，也就是说，当系统10处于降级运转模式时，第三操控子系统23能够在不进行合并、即在不是用确认信号的情况下执行对应于控制信号的命令。
第三操控子系统23例如集成在实现受控系统12的运转的计算机中。因此，其采用可由该计算机执行的软件和/或FPGA型的可编程逻辑电路的形式。
现在将参考示意性地示出操控系统10的运转的图2和示出该方法的流程图的图3来解释受控系统12的命令的操控方法。
最初，飞行员与图形接口14交互以控制系统12。
然后，对应的交互装置生成与此交互有关的交互数据。
此外，例如由对应的监视系统来确定航空器的当前操作情境，并且所述情境由第二操控子系统22采集。
在操控方法的初始步骤110中，计算模块31和32采集来自对应的交互装置的交互数据。此外，当第一计算模块31被集成在实现图形接口14的运转的图形计算机中时，第二模块32从模块31采集图形接口14的显示情境以解译所采集的交互数据。在相反的情况下，两个模块从实现图形接口14的运转的外部模块来采集该情境。
然后，两个模块31、32并行地且彼此独立地实现下面描述的第一和第二子步骤。
在第一子步骤中，模块31、32将命令关联至交互数据。
因此，当这些数据描述屏幕16上的触摸移动时，模块31、32分析符合图形接口14的该移动。例如，当图形接口14具有显示在预定位置中的多个开关时，模块31、32分析触摸移动的位置并将其关联至这些开关之一。
此外，例如，为了将“OFF(关)”或“ON(开)”类型的命令关联至该开关，模块分析触觉移动的轨迹。
根据实施例，为了使对应的命令关联至该移动，其轨迹应具有特定的形状，如例如在文献WO 2017/167698A1中描述的形状。
如果命令能够被关联至对应的交互数据，则模块31、32转为执行第二子步骤。
在第二子步骤中，每个计算模块31、32生成对应于所关联的命令的控制信号，并将其发送到第二操控子系统22。
在接下来的步骤120中，第二操控子系统22的每个计算模块41、42采集由第一操控子系统21生成的两个控制信号。
然后，每个计算模块41、42分析这些信号，并且当这些信号对应于同一命令时转为执行接下来的步骤130。否则，在步骤135中生成禁止该命令的信号并拒绝该命令。
在步骤130中，每个计算模块41、42验证该命令与如上所述的飞行器的操作情境的兼容性。
当该命令兼容时，模块41、42转为接下来的步骤140。否则，在步骤135中拒绝该命令。
在步骤140中，每个模块41、42生成于是对应于与操作情境兼容的该命令的确认信号。
然后，每个模块41、42将确认信号发送到第三操控子系统23。
应当注意，在执行步骤120至140时，如果计算模块41、42之一由于例如故障而不可用，则将单个确认信号发送到第三操控子系统23。
还应该注意的是，当第二操控子系统22的计算模块41、42均不可用时，操控系统10转为降级运转模式，并且由第三操控子系统23在不与确认信号合并的情况下执行对应于控制信号的命令。
在接下来的步骤150中，第三操控子系统23采集确认信号中的至少一个。
当该子系统23采集两个确认信号时，它选择两个信号中的一个，例如来自第一计算模块41的信号。
然后，第三操控子系统23采集来自例如第一操控子系统21的第一计算模块31的操控信号。
如果第一计算模块31不可用，则第三操控子系统23采集来自第一操控子系统21的第二计算模块或所述第二计算模块之一的操控信号。
在步骤160中，第三操控子系统23例如通过执行如前文解释的逻辑“与”来合并控制信号和所选择的确认信号。
因此，当两个信号对应于同一命令时，第三操控子系统在步骤170中将该命令发送至系统12以便执行。
否则，在步骤135中拒绝该命令。
图4示出了用于操控由飞行员对系统12给出的命令的方法的实施例，系统12对应于向飞行器的发动机馈送燃料的系统。
因此，如本身已知的，对于双发动机飞行器，这样的系统12包括例如四个泵，一对泵关联至每个引擎。在图4中，发动机由附图标记“ENG1”和“ENG2”表示，并且泵由附图标记“PUMP1”至“PUMP4”表示。
每个泵“PUMP1”到“PUMP4”都能够在“AUTO(自动)”模式下或在“OFF(关闭)”模式下运转，在“AUTO”模式下，它从油箱R1或R2之一向对应的发动机进行馈送，在“OFF”模式下，它关闭。
在图4所示的示例中，飞行器起飞中，而发动机ENG1故障或起火。泵“PUMP1”和“PUMP2”因此处于OFF模式。这定义了飞行器的操作情境。
还假设由第一操控子系统21根据飞行员与图形接口14的交互而关联的命令是要关闭泵PUMP3和PUMP4，也就是将其置于“OFF”模式。
当在步骤130中验证了该命令与飞行器的操作情境的兼容性之后，将在上述方法的步骤135中拒绝此命令。
实际上，泵PUMP3和PUMP4的关闭将导致起飞时失去剩余的发动机“ENG2”，这将导致飞行器失速，即导致“CATASTROPHIC”型事件。因此，该命令与当前的操作情境不兼容，并且被拒绝。
于是可以想到，本发明具有一些优点。
首先，本发明使得能够经由图形接口来控制系统，同时保证非常高的运转安全性水平。
因此，对于航空电子领域来说，当借助于交互媒介实现的命令具有“HAZARDOUS”或“CATASTROPHIC”整体水平时，本发明使得能够在处理该命令期间保持该水平直到该命令所旨在用于的系统。
这样就使得能够使用图形接口来控制每个机载系统，并且使得能够以适当的形式虚拟化这些命令。
另外，通过调整用于实现第一和第二操控子系统的运转的计算机的数量，可以实现根据本发明的操控系统的高可用性。

Claims (11)

1.用于由操作者经由图形接口(14)控制的系统(12)的命令的操控系统(10)，受控系统(12)在关键环境中运转，所述操控系统(10)包括：
-第一操控子系统(21)，其包括第一计算模块(31)，所述第一计算模块(31)能够采集描述所述操作者对于所述图形接口(14)的交互的交互数据，将命令关联至这些交互数据并生成对应于该命令的控制信号；
-第二操控子系统(22)，其包括第一计算模块(41)，所述第一计算模块(41)能够采集所述控制信号，验证对应于所述控制信号的命令与定义所述关键环境的运转的操作情境的兼容性，并在所述命令与所述操作情境兼容时生成对应于该命令的确认信号；以及
-第三操控子系统(23)，其能够采集所述控制信号和所述确认信号，并合并这些信号以生成用于控制所述受控系统(12)的合成控制信号，
其中，第一操控子系统(21)还包括一个或多个第二计算模块(32)，所述第二计算模块(32)或每个第二计算模块(32)能够采集所述交互数据，将命令关联至这些交互数据，并生成对应于该命令的另一控制信号，
其中，第二操控子系统(22)的第一计算模块(41)能够采集第一操控子系统(21)生成的所有控制信号，并且当这些控制信号对应于同一命令时验证该命令与所述操作情境的兼容性。
2.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，第二操控子系统(22)还包括第二计算模块(42)，所述第二计算模块(42)独立于第一计算模块(41)，并且能够执行与该第二操控子系统(22)的第一计算模块(41)相同的任务，第二操控子系统(22)的第二计算模块(42)于是能够生成另一确认信号。
3.根据权利要求2所述的操控系统(10)，其中，第三操控子系统(23)能够采集来自于第二操控子系统(22)的所有确认信号，并选择这些确认信号之一以将其与所述控制信号合并。
4.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，当所述控制信号和待合并的确认信号对应于同一命令时，第三操控子系统(23)能够生成所述合成控制信号。
5.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，在第二操控子系统(22)发生故障的情况下，第三操控子系统(23)能够在不与确认信号合并的情况下基于所采集的控制信号来生成所述合成控制信号。
6.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，第一操控子系统(21)的第一计算模块(31)集成在实现所述图形接口(14)的运转的计算机中。
7.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，第三操控子系统(23)集成在所述受控系统(12)中。
8.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，所述操作者对于所述图形接口(14)的至少一个交互是在显示该图形接口(14)的屏幕(16)上实现的。
9.根据权利要求1所述的操控系统(10)，其中，所述受控系统(12)是飞行器上机载的系统。
10.根据权利要求9所述的操控系统(10)，其中，所述操作情境是根据所述飞行器的飞行阶段和所述机载系统的运转状态来定义的。
11.用于由操作者经由图形接口(14)控制的系统(12)的命令的操控方法，受控系统在关键环境中运转，所述操控方法由根据权利要求1所述的操控系统(10)执行，包括：
-采集(110)描述所述操作者与所述图形接口(14)的每次交互的交互数据，将命令关联至这些交互数据，以及生成对应于该命令的控制信号；
-验证(130)对应于所述控制信号的命令与定义所述关键环境的运转的操作情境的兼容性；
-当所述命令与所述操作情境兼容时，生成(140)对应于该命令的确认信号；以及
-合并(160)所述控制信号和所述确认信号，以生成用于控制所述受控系统的合成控制信号。
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