新一代AOC机载信息交互与显示技术实现❋

王洪涛，严 雯，李 健

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

新一代AOC机载信息交互与显示技术实现❋

王洪涛❋❋，严 雯，李 健

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

为推进新一代驾驶舱显示技术在国产大型客机上的应用，将航空公司运行控制（Airline Operational Control，AOC）应用作为一个独立的用户应用，提出了基于ARINC 661的新一代AOC机载信息交互与显示技术实现方案。通过突破AOC应用的页面设计、基于分层架构的AOCDF文件设计和基于事件的动态页面维护等关键技术，解决了在新一代驾驶舱显示系统上发送AOC下行消息、接收上行消息以及查看上下行消息的难题。实验结果表明本设计可行。

大型客机；机载信息交互与显示；AOC应用；定义文件；用户应用

1 引 言

在20世纪80年代末，航空公司为了减少机组人员的工作负荷，提高数据的完整性，引入了ACARS地空数据链系统用于飞机航行的监视与服务，称之为航空公司运行控制（Airline Operational Control，AOC）。

在飞机上，AOC应用通常使用多功能控制显示组件（Multi-function Control Display Unit，MCDU）为驾驶舱机组人员提供人机交互界面。AOC应用与MCDU之间采用ARINC 739协议交流信息、存在界面不友好、操作繁琐等缺点。随着航空电子技术的发展，基于ARINC 661协议的新一代驾驶舱显示技术成为民航市场的新宠，波音787客机、空客380客机等最新型号的大型客机都采用该驾驶舱显示技术。在新型客机上，驾驶舱机组人员通过液晶飞行显示器（如主飞行显示器（Primary Flight Display，PFD））和鼠标键盘控制类设备（如Keyboard Cursor Control Unit（KC-CU））采用类似于“Windows视窗”的方式来处理AOC数据链应用。

ARINC 661［1］规范采用窗口和分层架构组织用户界面，将信息处理交由相应的航空电子设备完成，巧妙地解决了多种不同功能设备在同一界面上的显示和切换问题，让整个驾驶舱的设计简洁大方。

目前，国外研制基于ARINC 661规范的产品和应用已比较成熟［2－3］，而国内对基于ARINC 661规范的新一代驾驶舱显示技术的研究才刚刚起步，往往集中于规范本身的研究［4－6］。本文针对典型的AOC应用，探讨基于ARINC 661规范的机载信息交互与显示设计及实现。

2 ARINC 661规范简介

ARINC 661规范定义了新一代驾驶舱显示系统（Cockpit Display System，CDS）的标准接口，为不同功能、不同类型的航空电子器件与不同类型CDS之间的互联互通提供一个通用平台。ARINC 661规范具有以下特点。

（1）基于窗口和分层架构的用户界面

ARINC 661协议采用窗口和分层架构组织用户界面，适用于不同功能、不同机型的驾驶舱显示。ARINC 661协议将驾驶舱显示系统自顶向下分为显示单元（Display Unit，DU）、窗口（Window）、层（Layer）和窗口小部件（Widget）等。

1）DU：CDS可根据要求划分成多个显示区域，每个显示区域称为一个DU，DU是CDS中最顶层的实体。

2）Window：为显示界面上的一个矩形区域，由CDS负责控制和管理。多个Window之间互不交叠，每个Window包含一个或多个Layer实体。

3）Layer：是CDS所定义实体中可以被UA知晓的最高层实体。

4）Widget：是ARINC 661规范定义接口的最基本元素。Widget由UA负责指定和管理，对单个Layer来说，每个Widget具有唯一标识。

（2）图形显示和处理逻辑的彻底分离

ARINC 661规范最大的特点是彻底将图形显示和处理逻辑分离，在大大节约机载设备开发和验证时间的同时，降低了开发维护成本。为了彻底将图形显示和处理逻辑分离，ARINC 661规范将实体抽象成为一系列的概念：

1）CDS，又称为ARINC 661 Server，负责提供图形显示，响应鼠标键盘控制类设备的输入；

2）用户应用（User Application，UA），是提供信息和逻辑处理的电子设备，又称为ARINC 661 Client，通过参数更新和Layer更新请求消息让CDS生成所需的系统显示信息；

3）定义文件（Definition File，DF），为驻留在CDS中可加载的标准格式文件，描述了UA和CDS之间通信所需的widgets以及widgets分层结构。DF是UA和CDS之间信息交流的基础，该文件需要在UA和CDS消息交互前定义。

（3）丰富的图形和文字化组件

ARINC 661提供了丰富的图形和文字化组件，供用户构建复杂的图形和文字界面，包括提供标准的Widget库，定义65种不同的Widget类型，划分容器、图形、文字、交互式、地图管理、动态移动等8种不同种类。

3 基于ARINC 661规范的AOC应用设计

AOC是ACARS地空数据链的一种重要应用，用于向航空公司提供飞机航行及时、有效的全阶段监视与服务。ARINC 620规范［7］对基本的ACARS上行和下行消息进行了描述，但是在实际使用过程中，航空公司往往出于费用的考虑，将自定义AOC消息，以求用尽可能少的字符数来表示尽可能多的信息。本文首次尝试采用基于ARINC 661的新一代驾驶舱显示技术来实现AOC机载信息的交互与显示，因此暂不考虑航空公司的定制消息，而是针对ARINC 620规范提出AOC典型应用，以满足大多数航空公司的需求。

在本节中，AOC应用作为一个独立的UA与CDS进行数据交互。在AOC机载信息交互与显示的设计和实现过程中，着重突破了AOC典型应用的页面设计、基于分层架构的AOC DF设计和基于事件的动态页面维护设计等关键技术。

3.1 AOC典型应用的页面设计

AOC应用主要用于向航空公司提供飞机航行及时、有效的全阶段监视与服务，对保障飞行安全、增加航班保障能力和效率、提高旅客服务水平等均具有显著的作用。目前，ACARS地空数据链为国内外70余家航空公司的千余架飞机提供地空数据链通信服务。在飞机的整个航行过程中，飞机与航空公司交互的典型AOC上下行报文如图1所示，其中M表示人工触发的报文，A表示自动触发的报文，箭头向上表示是上行报文，箭头向下表示是下行报文。

AOC应用具备接收上行消息、发送下行消息、显示消息内容和记录消息等功能。AOC应用可以根据飞行当前的飞行状态自动产生AOC下行消息，如飞机进场/离场/起飞/降落（OOOI）报告，可以是周期性的自动报告，如机组发起位置报告，也可以是机组人员手工选择AOC菜单，发送所需的AOC下行消息，如延误报告、气象请求报告、估计到达时间请求报告、改航报告、自由文本报告、话音连接请求报告等。

图1 AOC应用的航路剖面图

根据AOC应用的功能，本节共设计了9个操作页面，分别为AOC主页面、延误报告页面、气象请求报告页面、估计到达时间请求报告页面、改航报告页面、自由文本报告页面、话音连接请求报告页面、AOCOOOI状态页面和MESSAGE LOG页面。其中，AOC主页面为初始页面，用户可通过AOC主页面上的按键，分别进入到其他各个页面；延误报告页面、气象请求报告页面、估计到达时间请求报告页面、改航报告页面、自由文本报告页面、话音连接请求报告页面分别为驾驶舱机组人员提供手动发送相应消息的页面；AOC OOOI状态页面则提供飞行状态信息的显示；MESSAGE LOG页面负责上下行消息及其状态的显示。

3.2 基于分层架构的AOC DF设计

本节采用分层架构设计AOC应用与CDS之间的AOC DF文件，定义AOC Layer及其上的widgets。如图2所示，DF文件包含一个AOC Layer，AOC Layer根据操作页面划分为9个Panel，每个操作页面为一个单独的Panel，各个Panel相互独立，各自负责本操作页面上的所有文字、按键和信息输入框对应的Widget。Panel是一种Widget，在这里起类似于容器的作用，将所属的Widget，包括Label、PushButton、RadioBox、GpRectangle、EditBoxTex等，打包为一个整体。对某个Panel进行操作，就会对该Panel下所有的Widget产生影响。RadioBox也是一种容器，但是它只能包含CheckButton或ToggleButton类型的子Widget，所能支持的子Widget种类要比Panel少得多，用于构建一组单选的选项。DF文件除了定义widgets的名称、类型和层次关系外，还会定义每个widget的唯一标识、属性和参数。Widget的定义必须满足ARINC 661中Widget库的要求。

图2 AOC应用分层架构图

AOC DF文件为AOC Layer中的每一个Widget定义了唯一标识——Widget ID，将AOC应用人机交互界面上一个个抽象的图像转化为数字代号，极大方便了AOC应用和CDS之间信息的交互——只需要告诉对方Widget ID及其参数的变化，对方就能“翻译”成具体的图像，并进行及时的处理。

3.3 基于事件的动态页面维护

当AOC应用和CDS建立连接、CDS成功加载AOCDF文件后，就进入运行阶段。在运行阶段，AOC应用和CDS之间信息的交互采用事件驱动的方式进行，在CDS确认AOC Layer激活的情况下，由AOC应用负责管理和维护AOC Layer及其上的所有Widget，如图3所示。

图3 动态页面维护示意图

具体过程如下所述。

（1）驾驶舱机组人员使用KCCU等设备操作CDS，进行AOC应用消息的发送、接收、查看等操作。CDS实时监视用户的界面操作：将与Widget相关的有效操作，如单击按钮、输入数据等，抽象为一个个独立事件，这些事件会进一步触发CDS发送相应的消息给AOC应用；其余无效操作，如移动鼠标等，CDS直接屏蔽掉不告诉AOC应用。根据操作对象和作用的不同，用户操作事件可分为基于Widget的事件、基于Layer的事件和基于错误的事件。ARINC 661为不同的Widget事件、Layer事件和错误事件定义了唯一的事件ID，方便CDS通过Widget ID、事件ID及其状态的方式来描述不同的用户操作。

（2）AOC应用根据自身运行状态，管理和维护CDS当前页面上的所有Widget。对于需要周期更新的信息，如时间等，AOC应用会周期性地发送Widget参数更新消息，来保证信息的实时性。当收到CDS发送的事件通知后，AOC应用会立即进行逻辑判断和处理，如果界面有更新，则发送相应消息给CDS，具体为：当需要更新页面显示或进入新的操作页面时，AOC应用向CDS发送Widget参数更新消息；当需要让键盘光标或鼠标指向某个Widget时，则发送Layer更新请求消息。

（3）CDS接收并解析AOC应用发送的Widget参数更新消息和Layer更新请求消息，完成界面显示的更新。

在运行阶段，AOC应用和CDS之间的消息交互列表如表1所示。

表1 运行阶段消息列表Table 1 Run-time commands

续表1

4 实验室实例

目前，除了航空电子专业生产厂商外，互联网上流行三款ARINC 661编辑软件，分别为加拿大Presagis公司推出的VAPSXT 661工具、美国Disti公司研制的GL Studio工具以及Dassault Aviation团队维护的j661工具，这三款软件均可提供仿真CDS的功能。其中，j661工具是一款基于Java语言的开源软件，由Dassault Aviation团队于2010年公开源码代码，展示了ARINC 661中描述的CDS和UA之间的标准接口。

本文在实验室环境下搭建小型网络，实现基于ARINC 661规范的AOC应用，实验环境包括AOC应用激励器、CDS模拟器和AOC应用模拟器三大部分，如图4所示。其中，在CDS模拟器上运行j661工具中的j661Server软件，仿真标准的CDS设备；在AOC应用模拟器运行基于Windows操作系统C＋＋语言开发AOC应用软件；在AOC应用激励器运行机载互联设备接口模拟软件和航空公司地面中心软件，提供标准的机载互联设备接口（ARINC 429/619/620）和提供航空公司地面端的人机界面。

图4 AOC应用演示环境组成

AOC应用演示系统运行时，CDS上的j661Server软件需先加载AOCDF文件以提供初始页面，如图5中的页面5。当CDS与AOC应用模拟器上的AOC应用软件建立连接后，CDS会以事件通知的方式将用户操作告知AOC应用软件，并根据AOC应用软件发送的消息更新当前的界面显示。根据3.1节的设计，基于ARINC 661的AOC应用显示共包括9个页面，如图5所示。图中，页面5为AOC主页面，通过点击主页面上的按钮，便可进入其他8个页面，进行消息的发送和查看等操作，图中的虚线表示按钮和页面之间的对应关系。

图5 基于ARINC 661的AOC应用界面

实验结果表明，AOC应用软件能够与航空公司地面中心软件正常交互AOC上下行消息，支持OOOI消息、延误报告、气象请求报告、估计到达时间请求报告、改航报告、自由文本报告、话音连接请求报告等下行消息的发送，支持AOC上行消息的接收，并支持AOC上下行消息的查看。经过测试，该系统能够及时响应用户的操作，响应时间在100ms以内。

5 结束语

本文深入探讨了基于ARINC 661规范提供民航ACARS数据链AOC应用人机交互界面这一课题，在国内首次尝试将新一代驾驶舱显示技术应用于民航机载ACARS数据链应用领域，为国内大型客机的自主研制奠定技术基础。在新一代AOC机载信息交互与显示技术的实现过程中，深刻感受到ARINC 661规范提出的将图形显示和处理逻辑彻底分离这种设计理念为系统开发带来的灵活性，具有可借鉴意义，可推广到更多的交互式应用中使用。下一步将紧跟大型客机采用新一代驾驶舱显示技术提供CNS/ATM服务的发展趋势，探索使用新一代驾驶舱显示技术提供机载CNS功能的人机交互界面。

［1］ARINC Specification 661－3，Cockpit Display System Interfaces To User Systems［S］.

［2］Eric B，Stéphane C，David N，et al.Model-Based Engineering ofWidgets，User Applications and Servers Compliantwith ARINC 661 Specification［M］//Proceedings of 13th International Conference on Interactive Systems Design，Specification，and Verification.Dublin，Ireland：Springer，2006：25－38.

［3］Barboni E，Navarre D，Palanque P，et al.A Formal Description Technique for Interactive Cockpit Applications Compliant with ARINC Specification 661［C］//Proceedings of 2007 International Symposium on Industrial Embedded Systems.［S.l.］：IEEE，2007：250－257.

［4］刘建，刘勤，孙永荣，等.ARINC 661规范及其应用开发研究［J］.计算机与现代化，2010（4）：188－192.LIU Jian，LIUQin，SUNYong-rong，etal.Research on ARINC 661 Specification and Its Application Development［J］.Computer and Modernization，2010（4）：188－192.（in Chinese）

［5］高中杰，康介祥，谬万胜.基于Arinc 661的显控系统设计与实现［J］.航空电子技术，2011，42（4）：12－15.GAO Zhong-jie，KANG Jie-xiang，MIAOWan-sheng.A DevelopmentMethod for Display and Control System Based on Arinc 661［J］.Avionics Technology，2011，42（4）：12－15.（in Chinese）

［6］涂友武，王立松，康介祥.基于Arinc 661的CDS标准部件库的设计与实现［J］.航空电子技术，2011，42（4）：38－40.TU You-wu，WANG Li-song，KANG Jie-xiang.Design and Development of Standard Widget Library for Cockpit Display System Based on Arinc661［J］.Avionics Technology，2011，42（4）：38－40.（in Chinese）

［7］ARINC Specification 620－6，Datalink Ground System And Interface Specification［S］.

王洪涛（1979—），男，陕西人，2001年于兰州大学获学士学位，现为工程师，主要研究方向为航空通信系统总体设计；

WANG Hong-tao was born in Shaanxi Province，in 1979.He received the B.S.degree from Lanzhou University in 2001.He isnow an engineer.His research concerns avionic communication system design.

Email：camou001＠yahoo.com.cn

严雯（1983—），女，四川高县人，2009于电子科技大学获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为航空通信系统总体设计；

YANWen was born in Gaoxian，Sichuan Province，in 1983.She received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2009.She is now an engineer.Her research concerns avionics system and communication system design.

Email：yanwen9＠126.com

李健（1973—），男，四川德阳人，1997年于沈阳航空工业学院获学士学位，现为工程师，主要研究方向为航空通信系统软件设计。

LIJian was born in Deyang，Sichuan Province，in 1973.He received the B.S.degree from Shenyang Aerospace University in 1997.He is now an engineer.His research concerns avionic software design.

Implementation of Advanced Cockpit Information Exchange and Display Technology for AOC Application

WANG Hong-tao，YANWen，LIJian
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

With the requirement of advanced cockpit display system to be used in domestic airplanes，a design scheme of the advanced cockpit information exchange and display technology is proposed for Airline Operational Control（AOC）applications based on the ARINC 661 Standard.This design specifies the AOC as one independent user application to contactwith cockpit display system（CDS）.Key technologies are presented to address problems of how to send AOC downlinkmessages，to receive AOC uplinkmessages and to displaymessageswith CDS，including the typical display of AOC applications，the AOC definition file（DF）based on hierarchical structuresat definition time，and the dynamic page maintenance between AOC applications and CDS at runtime.Experimental network is built and the results show that this design is feasible.

large airplane；cockpit information exchange and display；AOC applications；definition file；user application

V243.1

A

1001－893X（2013）03－0341－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.022

2012－11－05；

2013－02－06 Received date：2012－11－05；Revised date：2013－02－06

❋❋通讯作者：camou001＠yahoo.com.cn Corresponding author：camou001＠yahoo.com.cn