綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用

張國(guó)旺 霍朝暉 房 瑾 劉語(yǔ)喬

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

隨著我國(guó)航空事業(yè)的飛速發(fā)展，各種先進(jìn)的新機(jī)型不斷問(wèn)世。傳統(tǒng)的基于飛行試驗(yàn)的簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)越來(lái)越不能滿足各種新機(jī)型復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)需求，實(shí)時(shí)監(jiān)控試飛安全保障受到極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，首次在飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)中引入綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，并分別介紹了3 維建模與仿真技術(shù)、數(shù)字化視頻技術(shù)以及故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用情況。實(shí)際應(yīng)用證明采用綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)使實(shí)時(shí)監(jiān)控的手段和形式多樣化，擴(kuò)大了實(shí)時(shí)監(jiān)控的信息量，提升了實(shí)時(shí)監(jiān)控的質(zhì)量和效率及智能化程度。最后文章提出了綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)未來(lái)在飛行試驗(yàn)工程中的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著我國(guó)航空事業(yè)的不斷發(fā)展，新機(jī)型的高速性、系統(tǒng)復(fù)雜性不斷挑戰(zhàn)飛行試驗(yàn)的安全性。飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)建立在遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，主要利用被試飛機(jī)遙測(cè)下傳的PCM 數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)當(dāng)前時(shí)刻各系統(tǒng)的參數(shù)值以掌握飛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)及安全。在飛行試驗(yàn)工程環(huán)境下，傳統(tǒng)的遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)伴隨試飛測(cè)試技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了從無(wú)到有，從只能實(shí)時(shí)監(jiān)控單PCM 數(shù)據(jù)流和模擬視頻信號(hào)階段逐步發(fā)展到今天包含信息量較大且終端顯示方式多樣化的新一代實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)階段。

隨著通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)開始被打破，取而代之的是高度集成化，信息化，大數(shù)據(jù)的新一代綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的特點(diǎn)：①應(yīng)用當(dāng)前主流且較前沿的技術(shù)；②監(jiān)控所包含的信息量大增，內(nèi)容豐富且直觀；③普遍使用數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)；④人工智能化程度增強(qiáng)。

針對(duì)綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，國(guó)外幾大試飛機(jī)構(gòu)一直在密切關(guān)注新一代綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展并提出了不同的技術(shù)指標(biāo)，主要源自美國(guó)，以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家。目前國(guó)外綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）高度集成化，專業(yè)化；

（2）專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)完善且不斷更新并且行業(yè)通用；

（3）幾乎不需要人為干預(yù)的情況下，對(duì)發(fā)生的簡(jiǎn)單異情進(jìn)行處置；

（4）降低人力成本；

（5）采用多級(jí)響應(yīng)機(jī)制，穩(wěn)定性及可靠性高；

（6）以高可靠性和快速反應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)為發(fā)展方向；

（7）智能監(jiān)控技術(shù)的研究永無(wú)止境。

目前，我國(guó)在綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域才剛剛起步，尚處于“初級(jí)使用”階段，離“高智能化”、“規(guī)?；瘧?yīng)用”階段還有一段距離。

綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

所謂綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，就是對(duì)數(shù)字化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、三維建模與仿真技術(shù)、影像測(cè)量與跟蹤技術(shù)、專家系統(tǒng)等高新技術(shù)綜合應(yīng)用于飛行試驗(yàn)工程實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)。在此技術(shù)應(yīng)用下，飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)、多感官、橫向?qū)Ρ缺O(jiān)控，多途徑故障預(yù)警和告警，對(duì)各種突發(fā)緊急情況，專家系統(tǒng)的自動(dòng)處置機(jī)制及智能化監(jiān)控系統(tǒng)，極大地提升了飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的安全性和高效性。

3 維建模與仿真技術(shù)應(yīng)用

需求分析

3 維建模與仿真技術(shù)在諸多行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。在飛行試驗(yàn)綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)中，3 維建模與仿真技術(shù)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被試飛機(jī)、復(fù)雜系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備等建模與仿真，以達(dá)到在視覺(jué)上與實(shí)際物體一致的效果，凸顯專業(yè)化，以提升實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果及效率。建模與仿真完成后，再以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，就會(huì)讓實(shí)時(shí)監(jiān)控專家既有對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的把握又有身臨其境的監(jiān)控效果。

圖1 3 維建模與仿真系統(tǒng)組成框圖

圖2 ARJ21-700 飛機(jī)的3 維仿真系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在飛行試驗(yàn)中，作為綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的典型應(yīng)用，3 維建模與仿真技術(shù)的系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

結(jié)合圖1，系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：通過(guò)在被測(cè)飛機(jī)內(nèi)安裝機(jī)載采集系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)自身各系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)及自加裝的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)PCM 遙測(cè)鏈路遙測(cè)下傳到地面，由地面遙測(cè)接收系統(tǒng)接收，傳給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器對(duì)原碼值根據(jù)ICD 信息進(jìn)行解算，將解算后的工程物理量通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換機(jī)發(fā)送到所有的實(shí)時(shí)監(jiān)控終端以及3 維建模仿真系統(tǒng)。3 維建模仿真系統(tǒng)在真實(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下實(shí)時(shí)、直觀地顯示飛機(jī)的各種重要狀態(tài)信息如高度、速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。

應(yīng)用舉例

以ARJ21-700 飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)下3 維建模與仿真為例，其實(shí)際應(yīng)用圖如圖2 所示。在飛機(jī)建模時(shí)，充分考慮真實(shí)飛機(jī)所有飛控操縱面，使所有操縱面均設(shè)計(jì)成在真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下可動(dòng)的，但所有操縱面改變量與真實(shí)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以動(dòng)畫方式顯示襟翼、副翼、方向舵以及起落架收放等的變化，再配合3 維地圖使用，使監(jiān)控人員可以直觀地看到飛機(jī)的姿態(tài)變化以及具體參數(shù)值。

數(shù)字化視頻技術(shù)應(yīng)用

需求分析

隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、視頻壓縮與編碼技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化視頻技術(shù)在飛行試驗(yàn)工程領(lǐng)域也逐步開始使用。相比傳統(tǒng)的模擬視頻，數(shù)字視頻有著清晰度高、便于計(jì)算機(jī)處理、顯示方便等顯著優(yōu)勢(shì)。在飛行試驗(yàn)工程中的武器靶試、多目標(biāo)跟蹤、空中加油等科目試飛以及駕駛艙綜合顯示屏信息監(jiān)控等方面開始應(yīng)用。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在飛行試驗(yàn)工程中，數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖與圖1 類似，區(qū)別在于所用的實(shí)時(shí)解析服務(wù)器及相關(guān)軟件不同，由專用的視頻解析板卡及解析軟件組成。機(jī)載數(shù)字視頻主要通過(guò)兩種方式獲得：一種是從飛機(jī)相關(guān)總線上抽引采集數(shù)字視頻信號(hào)，如駕駛艙綜合顯示屏信息數(shù)字視頻，多目標(biāo)雷達(dá)跟蹤數(shù)字視頻等；一種是在飛機(jī)上相應(yīng)部位加裝高清攝像頭獲取，如空中加油輸油管對(duì)接視頻數(shù)據(jù)，靶試科目中彈體從掛架上脫離過(guò)程的數(shù)字視頻等。在獲取到相關(guān)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)并采用一定的壓縮算法進(jìn)行壓縮后再采用PCM 遙測(cè)方式從飛機(jī)上遙測(cè)下傳，經(jīng)地面遙測(cè)接收天線接收，經(jīng)過(guò)一對(duì)視頻光端機(jī)以網(wǎng)絡(luò)方式傳送到一定距離的監(jiān)控大廳，再經(jīng)過(guò)視頻服務(wù)器專用軟件解壓和解析后在監(jiān)控大廳的計(jì)算機(jī)或LED 屏上實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。

圖3 抽引的飛機(jī)座艙綜合顯示器數(shù)字視頻以及加裝的機(jī)翼防結(jié)冰數(shù)字視頻

應(yīng)用舉例

在飛行試驗(yàn)工程中，數(shù)字化視頻技術(shù)的應(yīng)用舉例如圖3 所示。圖3 上圖是對(duì)ARJ21-700 飛機(jī)左座駕駛艙綜合顯示儀表的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行抽引采集，然后在監(jiān)控大廳進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。目的在于將飛行員駕駛艙綜合顯示儀表所顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)所看到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并互為冗余備份，防止飛機(jī)系統(tǒng)突發(fā)故障出現(xiàn)。圖3 下圖是在ARJ21-700 飛機(jī)駕駛艙內(nèi)靠近右機(jī)翼窗戶內(nèi)加裝高清攝像頭，對(duì)飛機(jī)右機(jī)翼縫翼面進(jìn)行高清視頻采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控，目的是在高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的自然結(jié)冰試飛科目中，用于觀察機(jī)翼是否結(jié)冰以及結(jié)冰的狀態(tài)，以確保試飛安全。

故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

需求分析

圖4 故障預(yù)警專家系統(tǒng)組成框圖

專家系統(tǒng)是基于自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)的人工智能系統(tǒng)的一個(gè)分支，它通常由人機(jī)交互界面、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)制、知識(shí)獲取四部分組成。在飛行試驗(yàn)工程中，故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)是專家系統(tǒng)的一種具體應(yīng)用，其最高級(jí)階段，是在完成知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)制相關(guān)軟件或系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)預(yù)警和告警并能夠根據(jù)知識(shí)庫(kù)所提供的數(shù)據(jù)信息同時(shí)分析出故障產(chǎn)生的原因并針對(duì)此故障結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)給出有效的解決方法。在當(dāng)前飛行試驗(yàn)試飛過(guò)程中，面對(duì)復(fù)雜的飛機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)必需在極短時(shí)間內(nèi)找到故障原因并拿出解決措施，否則會(huì)貽誤最佳時(shí)間，后果不堪設(shè)想。所以在實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)中引入故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)，主要用來(lái)對(duì)在飛飛機(jī)各系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)的監(jiān)控，對(duì)各系統(tǒng)故障狀態(tài)及時(shí)預(yù)警與告警。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于飛行試驗(yàn)的故障預(yù)警專家系統(tǒng)建設(shè)分初級(jí)階段和高級(jí)階段，目前處于系統(tǒng)完善的初級(jí)階段只能給出故障預(yù)警與告警的原因，專家知識(shí)庫(kù)目前還不具備提供故障的解決方法。飛行試驗(yàn)故障預(yù)警專家系統(tǒng)的一種系統(tǒng)組成框圖如圖4 所示。

故障預(yù)警專家系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)監(jiān)控的子系統(tǒng)存在，人機(jī)交互界面主要由相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口軟件以及各類實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)的輸入及對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)及故障信息的觀察與知悉；推理機(jī)制主要由各類參數(shù)值的判據(jù)以及對(duì)比算法組成，以人機(jī)界面所看到的數(shù)據(jù)作為輸入，對(duì)數(shù)據(jù)符合性進(jìn)行判斷、對(duì)比，如果不符，觸發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)故障代碼；專家故障庫(kù)是一個(gè)故障數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)飛機(jī)不同系統(tǒng)建立各種故障信息表，以故障代碼、故障現(xiàn)象等作為關(guān)鍵字索引，根據(jù)推理機(jī)制反饋的故障代碼等信息查詢故障庫(kù)，將相應(yīng)的故障信息描述最終反饋到人機(jī)交互界面，以便監(jiān)控人員及時(shí)掌握和知悉故障信息；專家?guī)旄戮S護(hù)部分主要由系統(tǒng)維護(hù)人員定期將故障庫(kù)的更新信息輸入庫(kù)中，但所更新內(nèi)容必須由各專業(yè)專家制定和審核。

圖5 故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)人機(jī)交互界面

應(yīng)用舉例

作為故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)的具體應(yīng)用，以ARJ21-700 飛機(jī)故障預(yù)警與告警系統(tǒng)，人機(jī)交互界面顯示如圖5 所示。

該系統(tǒng)以ARJ21-700 飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入，通過(guò)后臺(tái)的推理機(jī)制及專家故障庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)故障的自動(dòng)預(yù)警與告警，并通過(guò)人機(jī)交互界面上軟件不同顏色閃爍、告警燈或語(yǔ)音提示等告警方式告訴指揮員及實(shí)時(shí)監(jiān)控專家所出現(xiàn)故障的故障代碼及故障信息。該系統(tǒng)的主要作用就是根據(jù)專家知識(shí)庫(kù)中所提供的預(yù)警與告警門限值，在故障癥兆出現(xiàn)時(shí)提前預(yù)警與告警，以便為飛行員處置險(xiǎn)情爭(zhēng)取更多的時(shí)間和將危險(xiǎn)在出現(xiàn)之前就處理掉。該系統(tǒng)在我國(guó)某新型機(jī)試飛過(guò)程中曾兩次提前發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，使飛行員及時(shí)中斷后續(xù)動(dòng)作，防止了更大的危險(xiǎn)出現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用證明，綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在飛行試驗(yàn)工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，它改變了傳統(tǒng)飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的單一模式，使實(shí)時(shí)監(jiān)控的形式多樣化，數(shù)據(jù)多源化，系統(tǒng)智能化，為保障飛行試驗(yàn)的可靠性、安全性引入了新技術(shù)、新手段并極大地提高了飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的質(zhì)量和效率。同時(shí)，我們也看到，綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)是一門綜合性極強(qiáng)的技術(shù)，涉及的專業(yè)面較廣且技術(shù)較新穎，其具體實(shí)現(xiàn)具有很大的難度及復(fù)雜度，飛行試驗(yàn)中當(dāng)前應(yīng)用到的綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)如故障預(yù)警與告警專家系統(tǒng)仍需要不斷完善和改進(jìn)。隨著我國(guó)航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，多目標(biāo)、空地一體化試飛等新需求不斷出現(xiàn)，必將為綜合化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。