基于飛行階段主飛行顯示信息的重構(gòu)策略

周德新，田大成，崔海青

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

基于飛行階段主飛行顯示信息的重構(gòu)策略

周德新，田大成，崔海青

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

民用飛機(jī)在飛行過程中如果主顯示器出現(xiàn)故障，則不能顯示信息。為了確保飛機(jī)可靠、安全的飛行，依據(jù)美國聯(lián)邦航空局FAA的咨詢通告AC25-11B提出的壓縮重構(gòu)策略，主顯示器信息將平移壓縮到相鄰顯示器上顯示。針對這種顯示模式，該文基于層次分析法AHP提出了按照飛行階段進(jìn)行主顯示信息的重構(gòu)策略。算例表明了按照飛行階段進(jìn)行主顯示信息重構(gòu)策略的有效性。

重構(gòu)策略；飛行顯示系統(tǒng)；飛行階段；顯示器故障

最初對重構(gòu)飛行控制系統(tǒng)研究的啟發(fā)，來自一些在飛行中飛機(jī)出現(xiàn)故障或損傷的飛行事例，其中的一些因飛機(jī)故障而失事[1]。飛機(jī)顯示器主要用于顯示飛機(jī)各相關(guān)子系統(tǒng)測量的參數(shù)，飛行員通過這些數(shù)據(jù)可實時了解和控制飛機(jī)的飛行狀態(tài)。因此，當(dāng)顯示系統(tǒng)及其相關(guān)的系統(tǒng)或組件出現(xiàn)故障時，為了確保飛機(jī)的安全飛行，顯示系統(tǒng)需重構(gòu)，尤其是在某些緊張的飛行狀態(tài)中，顯示器還必須保證飛行員在極短的時間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取所需要的信息，進(jìn)行及時、安全的操作。顯示重構(gòu)在法國空中客車公司研制的A380客機(jī)和美國波音公司研制的B-787寬體客機(jī)上，均已得到成功應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]提出了按照不同作戰(zhàn)任務(wù)階段，重構(gòu)顯示系統(tǒng)界面布局的策略?？梢哉f，重構(gòu)技術(shù)對于飛行器來說，已經(jīng)成為改善生存性、增強(qiáng)可靠性的重要標(biāo)志之一[3]。

民航客機(jī)對主顯示器故障的重構(gòu)，都是把主顯示信息全部壓縮平移到相鄰的顯示器上顯示，致使單顯示器上顯示過多信息，反而增加了飛行員的工作負(fù)荷，延遲了認(rèn)知和判斷的時間，降低了飛行安全。為此，采用了層次分析法分析主顯示信息各參數(shù)在飛行階段中的權(quán)重比，根據(jù)信息參數(shù)的權(quán)重比，進(jìn)行飛機(jī)主顯示器顯示信息重構(gòu)。

1 主顯示器信息重構(gòu)

1.1 主顯示器信息

主飛行顯示器PFD主要顯示飛機(jī)飛行狀態(tài)的信息，這些信息是完成飛行任務(wù)的必要數(shù)據(jù)，也是保證飛行安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，主要包括空速、高度、姿態(tài)、垂直速度、航向等。這些參數(shù)以T形結(jié)構(gòu)排列在飛機(jī)的主顯示器上，直接顯示在每個飛行機(jī)組成員的面前，如圖1所示。

圖1 PFD信息及布局Fig.1 PFD information and layout

由圖可見，空速（airspeed）以數(shù)字的形式顯示在主顯示器的左側(cè)，指示當(dāng)前飛機(jī)飛行的速度；高度（altitude）以數(shù)字的形式顯示在主顯示器的右側(cè)，指示當(dāng)前飛機(jī)的高度；垂直速度（vertical speed）也以數(shù)字的形式顯示在高度帶的右側(cè)，指示當(dāng)前飛機(jī)在垂直水平面上的飛行速度；姿態(tài)（attitude）顯示在主顯示器的正中間，指示飛機(jī)的俯仰和橫滾角度；航向（heading）顯示在主顯示器小地圖上，指示飛機(jī)當(dāng)前的航向。

1.2 重構(gòu)

重構(gòu)是指系統(tǒng)從一種構(gòu)形向另一種構(gòu)形的轉(zhuǎn)換，是系統(tǒng)生存和發(fā)展的基本手段[4]。咨詢通告AC 25-11B[5]由FAA頒發(fā)，為運輸類飛機(jī)的電子飛行駕駛艙顯示組件和系統(tǒng)的設(shè)計、集成、安裝和認(rèn)證批準(zhǔn)提供指導(dǎo)。咨詢通告AC 25-11B提出了“壓縮格式”（compacted format）重構(gòu)方法?！皦嚎s格式”是指在多顯示配置下，在某一顯示器故障之后，可將其顯示信息壓縮放到相鄰的顯示屏幕上，提供更高優(yōu)先級信息的顯示模式。咨詢通告AC 25-11B雖提出了壓縮重構(gòu)策略，但沒有具體地說明更高優(yōu)先級信息的確定策略。

我國民航法規(guī)規(guī)定，飛機(jī)起飛階段均由人工駕駛，禁止自動駕駛，且需要正、副駕駛員同時把手放在發(fā)動機(jī)油門推桿上，此時如果飛機(jī)主顯示器出現(xiàn)故障，顯示系統(tǒng)必須自動重構(gòu)。在此所涉及的重構(gòu)均是主顯示器出現(xiàn)故障后，飛行員在復(fù)雜環(huán)境下不能手動重構(gòu)控制飛機(jī)所需的實時主飛行信息的自動重構(gòu)。當(dāng)飛機(jī)飛行穩(wěn)定或飛行員在不復(fù)雜的環(huán)境下，可進(jìn)行手動重構(gòu)。

2 主顯示器信息重構(gòu)權(quán)重分配

2.1 建立重構(gòu)信息集

為了全面分析重構(gòu)后的信息對飛機(jī)的安全性和可靠性的重要性，重構(gòu)信息的選取應(yīng)遵循唯一性、科學(xué)性和可操作性等原則。依據(jù)主顯示器顯示信息及從工程實踐出發(fā)考慮飛行員對飛機(jī)飛行狀態(tài)的實時了解人為因素，信息集U可取為U=｛空速，氣壓高度，無線電高度，垂直速度，俯仰，橫滖，航向，飛行方式｝

2.2 信息重構(gòu)時權(quán)值計算

可重構(gòu)信息之間重要性并不相同，需要給各信息賦予不同的權(quán)值。在缺乏樣本數(shù)據(jù)的情況下，為了提高分配權(quán)值的可信度，采用層次分析法。層次分析法是經(jīng)典的多屬性決策方法，在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[6]。

（1）按照表1所示規(guī)則，由專家比較并給出可重構(gòu)信息之間的重要程度。

在我國絕大多數(shù)的行業(yè)成本管理系統(tǒng)中，都有著片面的成本管理。完善信息化環(huán)境管理信息系統(tǒng)，收集產(chǎn)品設(shè)計、材料采購成本、庫存商品總成本、生產(chǎn)成本、管理成本、銷售成本等具體信息，這樣對各項成本的管理更加全面。研究發(fā)現(xiàn)，僅僅有38.33%的企業(yè)建立了全面的、真實的成本信息系統(tǒng)。而這很少比例的數(shù)據(jù)信息對科學(xué)有效的實施成本管理發(fā)揮了不可替代的作用。先進(jìn)的成本管理重視每一個部門的參與和協(xié)調(diào)，但是片面的成本管理出現(xiàn)了財務(wù)部門自己掌控的局面。協(xié)調(diào)不好配合不好就導(dǎo)致了成本管理一直處于一種落后的狀態(tài)。

表1 重要程度級別的說明Tab.1 Description of the importance level

經(jīng)過比較兩兩信息之間的重要性，可以得到1個8×8的判斷矩陣A：

式中，aij=1，aijaji=1，i，j=1，2，…，8。由于這是將定性思維定量化的一個過程，有時難以給出精確的比較判斷，可能引起判斷的不一致。因而還需對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗。

一致性檢驗指標(biāo)CI為

式中：n為可重構(gòu)信息的個數(shù)，n=8；λmax為判斷矩陣A的最大特征值。

檢驗系統(tǒng)一致性比例CR為

式中：IR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，為固定值，可由表2查得。

表2 A矩陣階段與RITab.2 A Matrix stage and RI

一般地，當(dāng)RC＜0.1時，可以認(rèn)為判斷矩陣具有滿意一致性，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣。

（2）求出每個信息參數(shù)的權(quán)重

A中每行元素連乘開8次方，得到：

（3）信息參數(shù)的權(quán)重矩陣

3 實例分析及結(jié)論

3.1 重構(gòu)時信息權(quán)重分配實例

飛機(jī)的飛行過程一般有6個飛行階段：起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸。專家給出各飛行階段可重構(gòu)信息之間的重要關(guān)系（用比值表示）如表3～表8所示。

表3 起飛階段信息之間的重要關(guān)系Tab.3 Important relationship between the information in the takeoff phase

表4 爬升階段信息之間的重要關(guān)系Tab.4 Important relationship between the information in the climb phase

表5 巡航階段信息之間的重要關(guān)系Tab.5 Important relationship between the information in the cruise phase

表6 下降階段信息之間的重要關(guān)系Tab.6 Important relationship between the information in the descent phase

表7 進(jìn)近階段信息之間的重要關(guān)系Tab.7 Important relationship between the information in the approach phase

表8 著陸階段信息之間的重要關(guān)系Tab.8 Important relationship between the information in the landing phase

由表3得出起飛階段判斷矩陣A1為

根據(jù)第2節(jié)，可求得起飛階段可重構(gòu)信息的權(quán)重矩陣W1為

同理，根據(jù)表4～表8，可分別計算出爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸階段可重構(gòu)信息的權(quán)重矩陣W2，W3，W4，W5，W6：

3.2 飛行參數(shù)權(quán)重分析

根據(jù)各飛行階段計算出的權(quán)重矩陣，繪制其分柱狀圖。由圖2權(quán)重比例可見，每個飛行階段中，各個飛行參數(shù)的權(quán)重比不同；空速、俯仰、橫滾、氣壓高度參數(shù)在整個飛行過程中的權(quán)重比例始終很高。

由計算所得的權(quán)重可以看出，為了保證飛機(jī)安全可靠飛行，飛行員對每個飛行階段所需的飛行顯示信息權(quán)重不同。這也符合本文所提出的按飛行階段重構(gòu)主顯示器顯示的主要參數(shù)策略。

通過上述分析得出，當(dāng)飛機(jī)在飛行中，主顯示器出現(xiàn)故障的情況，采用壓縮格式進(jìn)行主顯示信息自動重構(gòu)時，可按照表9進(jìn)行顯示參數(shù)的重構(gòu)。

圖2 PFD可重構(gòu)參數(shù)在各飛行階段的權(quán)重Fig.2 Weights of the reconfigurable parameters in each flight phase in PFD

表9 各飛行階段重構(gòu)的信息Tab.9 Reconfigurable information by flight phase

3.3 結(jié)果

FAA咨詢通告AC 25-11B提供了明確的顯示有效性和數(shù)據(jù)完整性指南，歸納于表10[7-8]。

表10 顯示數(shù)據(jù)完整性要求Tab.10 Display data integrity requirements

依據(jù)表10的信息可知空速、氣壓高度、姿態(tài)這3個飛行參數(shù)非常關(guān)鍵；由表9可知這3個關(guān)鍵參數(shù)在任何飛行階段都有顯示。由此驗證了上文所述的按飛行階段重構(gòu)主顯示器信息的重構(gòu)策略的有效性。

4 結(jié)語

本文提出了按照飛行階段主顯示器信息的權(quán)重進(jìn)行重構(gòu)策略，并通過算例對各飛行階段的信息的權(quán)重進(jìn)行了計算。算例結(jié)果與咨詢通告AC 25-11B的規(guī)范要求相一致。所提出的重構(gòu)可以一定程度地減輕飛行員的工作負(fù)荷，提高了飛機(jī)的可靠性和安全性。所提出的重構(gòu)策略可以應(yīng)用于飛機(jī)導(dǎo)航顯示ND（navigation display）、發(fā)動機(jī)指示以及機(jī)組警告系統(tǒng) EICAS（engine indication and crew alerting system）顯示。

[1] 張明濤，安錦文，李中健.重構(gòu)飛行控制技術(shù)研究綜述[J].飛行力學(xué)，2009，27（2）：7-10，15.

[2] 宋青.基于IData的高級座艙顯示界面設(shè)計方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[3] 劉小雄.飛行控制系統(tǒng)故障隔離與自適應(yīng)重構(gòu)技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[4] 樊雯，程月華，姜斌，等.衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可重構(gòu)性分析[J].宇航學(xué)報，2014，32（2）：185-191.

[5] AC 25-11B Electronic flight displays[S].American：Federal Aviation Administration，2014.

[6] 朱建軍.層次分析法的若干問題研究及應(yīng)用[D].哈爾濱：東北大學(xué)，2005.

[7] SAE AS 8034 Minimum performance standards for airborne multipurpose electronic displays[S].American：Society of Automotive Engineers Inc，2008.

[8] SAE ARP 1068 Flight deck instrumentation and display design objectives for transport aircraft[S].American：Society of Automotive Engineers Inc，2008.

[9] CCAR-25-R4運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

Reconfiguration Strategy of Primary Flight Display Information Based on Flight Phase

ZHOU De-xin，TIAN Da-cheng，CUI Hai-qing

（College of Electronic Information and Automation，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

The primary display is faulty in the course of the flight，so the primary display cannot display the information.In order to ensure reliable and safe flight of the aircraft，the primary display information is compressed to the adjacent display according to the compression and reconstruction strategy proposed by FAA AC 25-11B.Aiming at this display mode，the reconfiguration strategy of the primary display information by the flight phase was proposed based on the AHP.The numerical examples show the validity of the reconfiguration of the primary display information proposed by the flight phase.

reconfiguration strategy；flight display system；flight phase；display fault

TP271+.5；V441

A

1001-9944（2017）08-0001-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.001

2017-03-01；

2017-05-12

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2014CB744904）；中央高?；究蒲许椖浚?122016A006）

周德新（1954—），女，碩士，教授，研究方向為綜合航電系統(tǒng)集成驗證與故障診斷。