飛機(jī)油耗分析工具設(shè)計(jì)

陳靜杰，肖冠平

（中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

0 引 言

當(dāng)前，利用飛機(jī)快速存儲(chǔ)記錄裝置QAR 數(shù)據(jù)重建飛機(jī)油耗模型、分析和估計(jì)燃油效率得到眾多學(xué)者的關(guān)注。QAR 數(shù)據(jù)包含了大量與飛機(jī)油耗密切相關(guān)的高度、速度、起飛重量、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等參數(shù)，每個(gè)參數(shù)又有大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為飛機(jī)油耗模型分析提供了良好的基礎(chǔ)［1－3］。

現(xiàn)有QAR 數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)主要用于飛機(jī)故障預(yù)測(cè)［4］、超限事件評(píng)估［5］和發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控［6］方面，在飛機(jī)油耗分析方面的應(yīng)用相對(duì)較少。針對(duì)這種需求，經(jīng)過(guò)深入分析和優(yōu)選，本文提出利用QAR 數(shù)據(jù)基于Matlab GUI設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)飛機(jī)油耗分析工具。該工具可以為飛機(jī)油耗分析提供人機(jī)交互的操作環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)QAR 數(shù)據(jù)的保存和管理。文章最后通過(guò)實(shí)例概要闡明了分析工具的使用步驟。

1 分析工具總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

在利用QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)油耗分析時(shí)往往要對(duì)一定規(guī)模的QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此有必要設(shè)計(jì)與建立QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。只有建立了QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，才能方便的根據(jù)分析需求對(duì)QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行不同條件的查詢(xún)和篩選，以便對(duì)不同條件下的飛行油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析以及為建立油耗模型提供數(shù)據(jù)來(lái)源的樣本篩選。

在進(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)前，首先要根據(jù)分析需求考慮油耗分析中用到的各項(xiàng)參數(shù)，以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)對(duì)以后分析工具功能擴(kuò)展是否方便等因素，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建模。

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)來(lái)源于QAR 文件 （以CSV 格式存儲(chǔ)）。文件的讀取應(yīng)能實(shí)現(xiàn)單個(gè)或批量讀取。QAR 文件讀取后根據(jù)分析需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，比如從QAR 文件中提取航段信息、起飛重量、起飛日期、起飛時(shí)間等參數(shù)，以及對(duì)飛行階段劃分為上升、巡航和下降3個(gè)階段，然后分別計(jì)算3個(gè)階段的飛行距離和油耗，并且計(jì)算全程的飛行距離和油耗等。

考慮到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性和可靠性，還必須進(jìn)行用戶(hù)權(quán)限設(shè)計(jì)，賦予不同用戶(hù)類(lèi)型不同的使用權(quán)限。同時(shí)，工具設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。

因此，系統(tǒng)功能主要包括：①文件的讀取和處理；②QAR 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理；③油耗分析和油耗建模樣本篩選。此外還包括用戶(hù)權(quán)限管理和遠(yuǎn)程訪問(wèn)機(jī)制。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)飛機(jī)油耗分析工具的功能需求，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)可以分為：數(shù)據(jù)管理模塊、輸入／輸出模塊、油耗分析模塊和權(quán)限管理模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)管理模塊用于QAR 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、數(shù)據(jù)的查詢(xún)和篩選。輸入模塊主要完成QAR 文件的讀取，讀取過(guò)程中自動(dòng)校驗(yàn)文件的完整性，剔除錯(cuò)誤文件，讀取完成后進(jìn)行飛行階段劃分、油耗和距離計(jì)算等數(shù)據(jù)預(yù)處理。油耗分析模塊用于計(jì)算并估計(jì)在某個(gè)顯著水平條件下固定機(jī)型固定航段油耗標(biāo)準(zhǔn)、置信區(qū)間和其它統(tǒng)計(jì)回歸分析，進(jìn)行多航班的參數(shù)曲線(xiàn)對(duì)比。

輸出模塊主要用于展示各類(lèi)飛行參數(shù)曲線(xiàn)，顯示數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以及分析報(bào)告和油耗建模所需樣本參數(shù)的導(dǎo)出。權(quán)限管理模塊通過(guò)不同的用戶(hù)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊功能的使用限制，保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。

2 分析工具實(shí)現(xiàn)

飛機(jī)油耗分析工具在Matlab GUI開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。QAR 數(shù)據(jù)中油耗和距離等參數(shù)的處理分析需要運(yùn)用大量的矩陣運(yùn)算，借鑒Matlab內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)大大加快了工具的開(kāi)發(fā)速度［7］。此外，Matlab GUI開(kāi)發(fā)環(huán)境可以便捷地創(chuàng)建各種圖形句柄對(duì)象，建立分析工具友好的用戶(hù)界面。

2.1 飛行階段劃分算法設(shè)計(jì)

在進(jìn)行飛機(jī)油耗建模分析時(shí)需要對(duì)飛行階段進(jìn)行上升段、巡航段和下降段3個(gè)階段的識(shí)別，以便有針對(duì)性的計(jì)算各個(gè)飛行階段的距離和燃油消耗以及對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行油耗模型分析。為此，對(duì)飛行階段的劃分進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)，利用QAR 數(shù)據(jù)中飛行高度參數(shù)alt、馬赫數(shù)mach 和垂直速度ivv 這3個(gè)參數(shù)的相關(guān)判斷對(duì)飛行中的3個(gè)階段進(jìn)行識(shí)別：

侗族，1985年生于廣西三江侗族自治縣。2009年畢業(yè)于廣西藝術(shù)學(xué)院油畫(huà)第一工作室。結(jié)業(yè)于中國(guó)美術(shù)家協(xié)會(huì)、中央民族大學(xué)第四屆西部少數(shù)民族青年美術(shù)家創(chuàng)作高研班，第五屆西部少數(shù)民族青年美術(shù)家創(chuàng)作精品班，第六屆全國(guó)青年美展創(chuàng)作班。中國(guó)美術(shù)家協(xié)會(huì)會(huì)員、廣西美術(shù)家協(xié)會(huì)會(huì)員。2015年受聘為國(guó)家民族畫(huà)院畫(huà)家。獲2016年國(guó)家藝術(shù)基金資助青年藝術(shù)人才、2018年國(guó)家藝術(shù)基金優(yōu)秀項(xiàng)目滾動(dòng)資助作品。多次參加省級(jí)、國(guó)家級(jí)展覽并獲獎(jiǎng)，作品被中國(guó)美術(shù)館、國(guó)家藝術(shù)基金、廣西壯族自治區(qū)政府、吳冠中藝術(shù)館、江蘇美術(shù)館、蘇州美術(shù)館、陜西美術(shù)博物館、武狄天成藝術(shù)館、中國(guó)—東盟榜樣美術(shù)館等機(jī)構(gòu)收藏。

步驟1 從飛行高度參數(shù)alt 中尋找最大高度數(shù)值altmax，再?gòu)腶lt中選取超過(guò)（altmax－h(huán)）數(shù)值的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)altsel（h根據(jù)altmax的不同視情選取，通常取2000～3000英尺），同時(shí)依據(jù)altsel的起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)從馬赫數(shù)mach 參數(shù)和垂直速度ivv 參數(shù)中選取machsel、ivvsel。

步驟2 由于飛機(jī)在巡航階段飛行馬赫數(shù)會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)范圍內(nèi)，從machsel中選取超過(guò)MACH 的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)machsel1（MACH 根據(jù)不同的altmax和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取），同時(shí)依據(jù)machsel1的起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)從垂直速度ivvsel中選取ivvsel1。

步驟3 飛機(jī)在巡航階段垂直速度ivv 參數(shù)將在ivvl～ivvh范圍內(nèi)波動(dòng) （通常為 ［－100，＋100］英尺／分鐘），依據(jù)這個(gè)從垂直速度ivvsel1數(shù)據(jù)點(diǎn)中確定進(jìn)入巡航段的起點(diǎn)begin＿point和離開(kāi)巡航段的終點(diǎn)end＿point。

2.2 油耗和距離算法設(shè)計(jì)

飛機(jī)油耗計(jì)算利用QAR 數(shù)據(jù)中發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量參數(shù)ff（fuel flow），單位為PPH （磅／小時(shí)）。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量采樣以秒為間隔，對(duì)燃油流量按時(shí)間t進(jìn)行積分運(yùn)算，即可算出航段油耗［8］。計(jì)算公式為

式中：tf——發(fā)動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到關(guān)機(jī)的時(shí)間，ff1、ff2——雙發(fā)飛機(jī)左右發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量。利用飛行階段劃分算法中求出的巡航段起點(diǎn)和終點(diǎn)分別對(duì)各個(gè)飛行階段進(jìn)行燃油流量積分運(yùn)算，從而求出上升段、巡航段和下降段3個(gè)飛行階段的油耗。

飛行距離的計(jì)算是通過(guò)WGS－84坐標(biāo)系下的大圓距離算法實(shí)現(xiàn)的。地面上任意兩點(diǎn)與地球球心確定唯一的大圓，這個(gè)大圓上連接這兩點(diǎn)的劣弧長(zhǎng)度就是大圓距離。計(jì)算大圓距離的方式是利用地面上任意兩點(diǎn)的經(jīng)緯度，將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)系坐標(biāo)，求出兩點(diǎn)間的直線(xiàn)距離，然后利用地球半徑求出兩點(diǎn)連接地球球心的夾角，進(jìn)而求出劣弧長(zhǎng)度即大圓距離。

實(shí)際飛行距離的計(jì)算則是利用QAR 數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度參數(shù)，求出每秒間大圓距離，然后進(jìn)行累加。各個(gè)階段的飛行距離利用飛行階段劃分算法中求出的巡航段起點(diǎn)和終點(diǎn)分別計(jì)算得到。

2.3 用戶(hù)權(quán)限模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路是通過(guò)用戶(hù)登錄界面進(jìn)行分析工具的登錄操作，將用戶(hù)輸入的用戶(hù)名、密碼與用戶(hù)表中存儲(chǔ)的用戶(hù)信息進(jìn)行比較，輸入的用戶(hù)名和密碼檢驗(yàn)一致后，根據(jù)用戶(hù)的類(lèi)型對(duì)工具中涉及到數(shù)據(jù)管理的某些功能進(jìn)行開(kāi)放或屏蔽，這樣就保證了數(shù)據(jù)的安全和完整。

用戶(hù)信息的比對(duì)是通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的用戶(hù)信息實(shí)現(xiàn)的，但遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)有可能因網(wǎng)絡(luò)故障無(wú)法連接數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，這時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)本地賬號(hào)用于登錄分析工具。本地賬號(hào)只能在網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連接的情況下使用。本地賬號(hào)所能使用的軟件功能是最受限的。

2.4 用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)

分析工具的用戶(hù)界面通過(guò)Matlab GUI界面編輯器設(shè)計(jì)，利用界面編輯器可以快速、便捷地繪制所見(jiàn)即所得的用戶(hù)界面［9］。通過(guò)在界面編輯器上點(diǎn)擊面板、按鈕、坐標(biāo)軸、文本框、滑動(dòng)條等基本控件并將這些控件拖拽到布局區(qū)域，界面布局完成后運(yùn)行界面編輯器，將會(huì)自動(dòng)生成包含MATLAB函數(shù)用于控制界面運(yùn)行的可編程m 文件。該m 文件提供界面初始化所需的代碼以及控件回調(diào)函數(shù)callbacks框架，通過(guò)在控件的回調(diào)函數(shù)中編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)界面所要執(zhí)行的功能。

3 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建模

QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建模是構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的重要組成部分，是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)造開(kāi)始的第一步［10］。通過(guò)深入分析QAR 數(shù)據(jù)特點(diǎn)，根據(jù)飛機(jī)油耗分析方面所關(guān)心的問(wèn)題，考慮到提高查詢(xún)性能以及便于實(shí)現(xiàn)不同條件的查詢(xún)，來(lái)進(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建模。

一個(gè)航段對(duì)應(yīng)多個(gè)QAR 文件，對(duì)于QAR 文件，其記錄的飛機(jī)注冊(cè)號(hào)可能不同，飛行日期可能不同，但航段信息都是一致的，因此航段信息應(yīng)單獨(dú)建立一個(gè)表，設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 航段信息

距離信息表和油耗信息表用于存儲(chǔ)QAR 數(shù)據(jù)預(yù)處理后的距離和油耗信息，距離信息表和油耗信息表的唯一標(biāo)識(shí)碼是文件名，設(shè)計(jì)見(jiàn)表2、表3。

表2 距離信息

表3 油耗信息

除此之外建立航班信息表用于存儲(chǔ)起飛日期、起飛重量等信息，設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 航班信息

QAR 文件有多個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都有數(shù)千到數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)將數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)表拆分為多個(gè)，能提高數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的訪問(wèn)效率，設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 QAR 文件信息

為了進(jìn)行用戶(hù)權(quán)限管理，存儲(chǔ)用戶(hù)信息，還要建立用戶(hù)表。

4 實(shí)例介紹

分析人員使用管理員提供的帳號(hào)登錄飛機(jī)油耗分析工具軟件，用戶(hù)登錄界面如圖2所示。

登錄后看到的是QAR 文件處理界面，如圖3所示，該界面處理的是QAR 文件。此界面主要功能區(qū)域有菜單區(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)、信息顯示區(qū)、距離計(jì)算區(qū)、油耗計(jì)算區(qū)和繪制曲線(xiàn)區(qū)。用戶(hù)通過(guò) “導(dǎo)入QAR 文件”按鈕導(dǎo)入QAR 文件，導(dǎo)入完成后會(huì)在各功能區(qū)域上顯示文件名、飛機(jī)注冊(cè)號(hào)、航段、起飛機(jī)場(chǎng)、到達(dá)機(jī)場(chǎng)、飛行距離以及燃油消耗等信息，還可進(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)部分參數(shù)曲線(xiàn)圖形繪制。點(diǎn)擊“保存計(jì)算結(jié)果”按鈕可以將計(jì)算結(jié)果保存到文件或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。

圖2 用戶(hù)登錄界面

圖3 QAR 文件處理界面

圖4 油耗分析界面

點(diǎn)擊菜單區(qū)的 “工作方式”菜單選擇 “油耗分析”菜單項(xiàng)，進(jìn)入油耗分析界面，如圖4所示，該界面處理的是來(lái)自QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)。此界面的主要功能區(qū)域有菜單區(qū)、數(shù)據(jù)查詢(xún)區(qū)、文件列表區(qū)、信息查看區(qū)、繪圖分析區(qū)、統(tǒng)計(jì)特性區(qū)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出區(qū)以及航段管理和用戶(hù)管理功能區(qū)域。在此界面下可進(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)的查詢(xún)和管理，參數(shù)曲線(xiàn)分析、油耗統(tǒng)計(jì)回歸分析、油耗建模樣本參數(shù)導(dǎo)出、航段管理和用戶(hù)管理等操作。

航段管理界面如圖5所示，分析人員可以查看QAR 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的所有航段信息。

圖5 航段管理界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)利用QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)油耗分析的工具軟件。本文首先分析了該工具軟件的功能需求并根據(jù)功能需求闡述了其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文中著重介紹了飛行階段劃分算法設(shè)計(jì)、飛行油耗和距離算法設(shè)計(jì)、用戶(hù)權(quán)限管理設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)思路。該工具軟件具有良好的實(shí)用性和交互性，在課題項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，為利用QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)油耗分析提供了有力的幫助。在今后的工作中，將進(jìn)一步增強(qiáng)分析工具油耗模型的構(gòu)建能力，并通過(guò)分析自動(dòng)給出相關(guān)節(jié)油策略。

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