民用飛機(jī)機(jī)組告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：民用飛機(jī)機(jī)組告警系統(tǒng)的作用是吸引飛行機(jī)組的注意，使其知曉飛機(jī)和飛機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)的失效或故障，或出現(xiàn)的其他非正常條件。現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)組告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也需要對(duì)機(jī)組可能要采取的措施加以提示。本文在總結(jié)相關(guān)指南材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整理不同規(guī)范和指南間的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，以期定義一個(gè)較為合理的機(jī)組告警系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：機(jī)組告警系統(tǒng) 告警系統(tǒng)架構(gòu) AC/ACJ 25.1322 ADA107632 SAE ARP 4102/4 航電架構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（c）-0014-02

普遍公認(rèn)的是，告警系統(tǒng)的復(fù)雜程度與航電系統(tǒng)或飛機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度成正比。在現(xiàn)代民用飛機(jī)上，電氣、機(jī)械或液壓（或任何其他類(lèi)型）等系統(tǒng)數(shù)量遠(yuǎn)大于早期的飛機(jī)，并且飛機(jī)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜和先進(jìn)，故障管理和健康監(jiān)控的需求在不斷增加。由于告警機(jī)制、系統(tǒng)和傳感器數(shù)量增加，設(shè)計(jì)告警系統(tǒng)變得越來(lái)越困難，并且牽涉到飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程。近期某些研究開(kāi)始表明，在不同的告警方式間會(huì)存在沖突，例如兩個(gè)沖突的告警可能同時(shí)顯示或通告，導(dǎo)致機(jī)組反應(yīng)遲滯，并導(dǎo)致重大或?yàn)?zāi)難級(jí)的效應(yīng)。

本文主要關(guān)注3個(gè)工業(yè)界通用的指南文件。第一個(gè)是SAE ARP 4102/4《駕駛艙告警系統(tǒng)》，該文件是目前最通用最著名的機(jī)組告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[1]。第二個(gè)是ADA106732《FAA飛機(jī)告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》[2]。最后一個(gè)是FAA咨詢(xún)公告AC/ACJ25.1322《飛行機(jī)組告警》[3]。

1 機(jī)組告警系統(tǒng)的主要特性

指南文件[1]，[2]和[3]在四個(gè)主要方面總結(jié)了機(jī)組告警系統(tǒng)的主要特性，表1給出了這幾個(gè)方面及其內(nèi)容總結(jié)。這四方面內(nèi)容可以作為機(jī)組告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的四個(gè)主題。

此外，機(jī)組告警系統(tǒng)有多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)源，但大多數(shù)傳感器類(lèi)型都不能由航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者選擇。例如，液壓系統(tǒng)壓力傳感器是由液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者選擇的。所以數(shù)據(jù)源的定義對(duì)于機(jī)組告警系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的且?guī)缀醪豢煽氐囊蛩亍?/p>

2 航電系統(tǒng)架構(gòu)的影響

現(xiàn)代民用飛機(jī)通常包含一個(gè)綜合式或集中式架構(gòu)，大量的飛機(jī)系統(tǒng)和飛行數(shù)據(jù)直接進(jìn)入模塊化綜合航電系統(tǒng)（IMA），且大多數(shù)功能也通過(guò)駐留的應(yīng)用軟件在IMA上執(zhí)行。IMA使用視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示功能，通過(guò)數(shù)字式總線(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部設(shè)備，將集中處理的數(shù)據(jù)分配到相關(guān)系統(tǒng)。這一架構(gòu)使得飛機(jī)生產(chǎn)商或系統(tǒng)集成商有機(jī)會(huì)發(fā)展自己的平臺(tái)應(yīng)用軟件，相應(yīng)的飛機(jī)級(jí)集成能力也得到了增強(qiáng)。而在聯(lián)邦式架構(gòu)中，系統(tǒng)集成商受到了設(shè)備生產(chǎn)商的限制，不能任意通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)自己的需求。

在綜合式或者集中式的架構(gòu)中，告警通告數(shù)據(jù)源通常由IMA采集處理。在此類(lèi)架構(gòu)中，機(jī)組告警顯示通常顯示在LCD顯示器上，而LCD顯示器由IMA通過(guò)視頻信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)。

在兩種架構(gòu)中（綜合式或集中式-聯(lián)邦式），某些特性是類(lèi)似的。參考文獻(xiàn)[2]的研究說(shuō)明在沒(méi)有主告警功能的系統(tǒng)中，告警顯示和駕駛員反應(yīng)間的延遲更高，表明了主告警功能是告警機(jī)制中最為有效的一種。在表1的任務(wù)4中，一種重置或確認(rèn)機(jī)制也被歸類(lèi)為機(jī)組告警系統(tǒng)的最重要的特性之一，參考文獻(xiàn)[1]，[2]和[3]都確認(rèn)了這一點(diǎn)。主告警功能可以用作一種重置方法，并且也是工業(yè)界的通用做法。

在表1中的另一個(gè)重要任務(wù)是任務(wù)2，即關(guān)于顯示告警的特性。在飛機(jī)進(jìn)入云層上方時(shí)，外部亮度較高；而在夜間，外部亮度較低。這些情況都需要調(diào)整駕駛艙亮度等級(jí)，以避免燈光和顯示亮度不會(huì)影響機(jī)組的視覺(jué)，也不會(huì)喪失任何可讀性。而這一條件會(huì)對(duì)機(jī)組告警系統(tǒng)的架構(gòu)產(chǎn)生影響，因?yàn)闄C(jī)組告警顯示和其他駕駛艙照明需要綜合調(diào)整到可接受的程度。

3 主告警裝置視覺(jué)特性

主告警裝置是機(jī)組告警系統(tǒng)的一部分，其主要功能是吸引機(jī)組注意到當(dāng)前發(fā)生的故障或失效。主告警裝置主要有兩種類(lèi)型，警告和警戒。參考文獻(xiàn)[3]定義了時(shí)間關(guān)鍵告警裝置的大小需達(dá)到至少兩個(gè)平方度。當(dāng)使用主告警裝置作為時(shí)間關(guān)鍵告警裝置時(shí)，兩種類(lèi)型的主告警裝置都需要安裝在機(jī)組的主視野區(qū)。對(duì)于一個(gè)顯示器距離設(shè)計(jì)眼位（DEP）距離β英寸的駕駛艙，

（x/2）=β（tanθ/2）， （1）

其中θ代表主告警顯示上下兩端與設(shè)計(jì)眼位（DEP）之間的弧度，X代表主告警顯示上下間距。圖片1標(biāo)注了計(jì)算中使用的角度和尺寸。

由于主告警裝置獨(dú)立于任何其他顯示裝置，主視覺(jué)告警的尺寸或者亮度特性可能更容易分析。在某些特殊的駕駛艙內(nèi)，機(jī)組負(fù)擔(dān)較重，平視顯示（HUD）便綜合了主告警功能。而目前所有平視顯示HUD都是單色顯示，所以在使用HUD作為主告警裝置時(shí)，顏色顯示的視覺(jué)效應(yīng)就喪失了。因此，主告警裝置更多地作為獨(dú)立顯示裝置使用，例如紅色的主警告和黃色的主警戒[1][2]。

主告警裝置的閃爍功能的定義較為模糊。對(duì)于主警告，某些FAA咨詢(xún)公告希望不要使用閃爍燈。作為FAA文件，參考文獻(xiàn)[2]指出閃爍功能的作用并不清晰。而試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)期則顯著依賴(lài)于采取的試驗(yàn)方法。參考資料[2]將兩名學(xué)者Gerathewohl（1953）和Crawford（1962和1963）的工作做對(duì)比，說(shuō)明對(duì)閃爍功能有不同的效果。某些測(cè)量方法表明閃爍功能增加了機(jī)組延遲時(shí)間。工業(yè)界傾向的結(jié)論是是主告警裝置不使用閃爍特性，因?yàn)橹鞲婢b置位于機(jī)組主視野區(qū)最明顯的位置，在亮度較高或頻繁閃爍的情況下可能對(duì)機(jī)組造成干擾并加重機(jī)組的負(fù)擔(dān)。

主告警裝置可能有一個(gè)調(diào)光控制接口以用于調(diào)節(jié)亮度等級(jí)，以與儀表調(diào)光或駕駛艙照明整體協(xié)調(diào)。因此最好的方法是將主警告裝置的所有控制權(quán)限給予中央計(jì)算機(jī)。

4 顯示告警的視覺(jué)特性

顯示告警的視覺(jué)特性這一方面本身就是與主告警裝置的視覺(jué)特性相關(guān)的，十分具有挑戰(zhàn)性的題目。顯示器本身可能是一個(gè)專(zhuān)用的聯(lián)邦式架構(gòu)中的LCD顯示器，也可能是MFD頁(yè)面的一部分用于告警顯示。同樣主飛行顯示器（PFD）也可以用于顯示時(shí)間關(guān)鍵的告警。

對(duì)于LCD顯示人為因素，最常用的指南是SAE AS 8034[4]和SAE ARP 4256A[5]。在參考文獻(xiàn)中，電源轉(zhuǎn)換回復(fù)時(shí)間的具體數(shù)值互不相同。對(duì)于200ms的轉(zhuǎn)換間隔，參考文獻(xiàn)[5]要求恢復(fù)時(shí)間不得高于500ms，而參考文獻(xiàn)[4]要求恢復(fù)時(shí)間不得高于1s。

根據(jù)對(duì)上述解釋的理解，使用LCD顯示作為機(jī)組告警系統(tǒng)顯示裝置可能導(dǎo)致某些沖突，因?yàn)樵诓煌腖CD顯示指南之間存在沖突。參考資料[2]要求允許的顯示告警的最低亮度等級(jí)是15±3ft-L。但大多數(shù)符合參考資料[4]的LCD顯示器都可以調(diào)光，可以達(dá)到完全黑暗的亮度等級(jí)。

大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是調(diào)光信號(hào)（用于調(diào)節(jié)屏幕亮度等級(jí)的信號(hào)）喪失不會(huì)影響屏幕的可見(jiàn)度。例如按照需要將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成，如果調(diào)光信號(hào)喪失，那么顯示器不會(huì)變黑并保持在已調(diào)節(jié)的亮度等級(jí)上。

5 優(yōu)先級(jí)定義

機(jī)組告警的優(yōu)先級(jí)定義可能由于駕駛員操作、危險(xiǎn)情況或條件的級(jí)別、要求的操作緊急程度或者許多類(lèi)似要求的改變而改變。在本文中所引用的所有指南中，都建議根據(jù)告警的緊急和關(guān)鍵程度制定一份告警分級(jí)定義，以決定不同的告警有何種優(yōu)先級(jí)。在早期航空業(yè)中，紅色用于警告、琥珀色或者黃色用于警戒，而綠色或白色用于提示/通知的信息。在民航業(yè)中，有許多機(jī)種使用青色作為提示信息，白色僅用于通知信息。

機(jī)組告警信息的分類(lèi)定義在相關(guān)文獻(xiàn)中有清楚明確的定義。參考文獻(xiàn)[1]給出了四種級(jí)別的明確定義，并考慮了機(jī)組需采取措施的緊急程度和相應(yīng)的顏色。參考文獻(xiàn)[3]建議提示信息的顏色（對(duì)于有三個(gè)告警等級(jí)系統(tǒng)的第三個(gè)級(jí)別）不應(yīng)使用紅色或綠色。所以，對(duì)于使用參考文獻(xiàn)[3]作為主要參考的系統(tǒng)，提示級(jí)信息通常都使用青色信息。

在參考文獻(xiàn)[2]中，包含了對(duì)優(yōu)先級(jí)定義的文字描述，要求告警優(yōu)先級(jí)應(yīng)當(dāng)考慮飛行階段。這一描述強(qiáng)調(diào)了在起飛和降落過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的告警可能并不如在巡航階段中一樣重要。其他例子包括降落，啟動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)），進(jìn)近等。飛行階段的定義需要收集許多信號(hào)以做出判斷，并需要一些系統(tǒng)工程的方法分析飛行階段。

時(shí)間關(guān)鍵的告警定義是高于所有告警級(jí)別的一種方式。類(lèi)似失速、過(guò)速、離地高度低等情況常被定義為時(shí)間關(guān)鍵告警。參考文獻(xiàn)[3]要求時(shí)間關(guān)鍵告警需顯示在每位機(jī)組成員的主視野范圍內(nèi)。

對(duì)于優(yōu)先級(jí)定義，對(duì)于復(fù)雜飛機(jī)的大量告警，應(yīng)設(shè)計(jì)有確認(rèn)機(jī)制使機(jī)組可以意識(shí)到哪些告警是新的，哪些已經(jīng)確認(rèn)。參考文獻(xiàn)[3]建議告警不應(yīng)被抑制，直到告警條件被糾正。對(duì)于每個(gè)具體的項(xiàng)目，最佳的解決辦法是根據(jù)實(shí)際情況而改變，例如，新的警告信息伴隨閃爍顯示，而在機(jī)組確認(rèn)后可以顯示為穩(wěn)定的紅色；對(duì)于警戒信息的辦法可以是新信息顯示為帶有黑色字符的琥珀色方框，確認(rèn)后改變字體顏色。

對(duì)于包含足夠空間顯示所有告警的顯示器，每條告警顯示信息的設(shè)計(jì)必須考慮告警的優(yōu)先級(jí)和告警分類(lèi)，相同類(lèi)型的告警應(yīng)顯示統(tǒng)一區(qū)域。對(duì)于某些型號(hào)，機(jī)組告警系統(tǒng)顯示區(qū)域可能不足以同時(shí)顯示所有告警。在此種情況下，需要非易失存儲(chǔ)裝置以避免失去其他的告警信息。機(jī)組需要某種方法調(diào)出其他未在當(dāng)前顯示的告警信息。參考文獻(xiàn)[3]建議未被機(jī)組確認(rèn)的較低優(yōu)先級(jí)和較早出現(xiàn)的告警應(yīng)可以?xún)?chǔ)存，且應(yīng)保留機(jī)組隨時(shí)調(diào)出已存儲(chǔ)的告警的能力。

6 建議的機(jī)組告警系統(tǒng)架構(gòu)

在圖2中，提出了本文建議的機(jī)組告警系統(tǒng)架構(gòu)。其中機(jī)組告警功能駐留在模塊化綜合航電系統(tǒng)（IMA）中。IMA執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集，顯示告警和主告警功能的驅(qū)動(dòng)。

7 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組告警系統(tǒng)是一個(gè)功能重要且復(fù)雜的系統(tǒng)。在機(jī)組告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮到系統(tǒng)和性能的分配，且系統(tǒng)的架構(gòu)可以有多種方式。依據(jù)本文所列舉的三份主要指南材料，本文試圖建立一個(gè)理想的機(jī)組告警系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)了找出每份材料在設(shè)計(jì)要求上的異同點(diǎn)。本文綜合考慮了上述問(wèn)題，并給出了一種較合理的機(jī)組告警系統(tǒng)架構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] SAE Committee S7，SAE ARP 4102/4， Aerospace Recommended Practice，F(xiàn)light Deck Alerting System SAE Aeros-pace Group，Europe Office，London UK，1988，

2007.

[2] DOT/FAA，ADA 106732 Aircraft Alerting Systems Standardization Study Volume II，Aircraft Alerting Systems Design Guidelines，Springfield，Virginia US，January 1981.

[3] FAA/JAA，AC/ACJ25.1332，F(xiàn)light Deck Alerting，Washington，DC USA，2002.

[4] SAE，SAE AS 8034A，Minimum Per-formance Standard for Airborne Multi-purpose Electronic Displays，March 2003.

[5] SAE，SAE ARP 4256A，Design Objectives for Liquid Crystal Displays for Part 25 （Transport） Aircraft，December 2001.