基于帶延遲的多通道多優(yōu)先級(jí)控制命令的語(yǔ)音告警方法

米耘鋒　劉文學(xué)　李文軍

摘要：針對(duì)機(jī)載航電語(yǔ)音告警系統(tǒng)的控制命令通道常采用多通道互為備份，在共同決策時(shí)易于因延遲出現(xiàn)漏報(bào)警和誤報(bào)警的問題。本文提出一種方法，在多通道帶延遲而導(dǎo)致控制命令潛在沖突時(shí)，可實(shí)現(xiàn)共同決策，避免漏告警和誤報(bào)警。進(jìn)一步的，可在多優(yōu)先級(jí)告警類型較多而導(dǎo)致單個(gè)控制命令無法描述所有告警狀態(tài)的情況下，簡(jiǎn)化該復(fù)雜問題，使其可以進(jìn)行統(tǒng)一的搜索和處理，并減少搜索時(shí)間，提高響應(yīng)速度。

關(guān)鍵詞：航電系統(tǒng)；多通道；多優(yōu)先級(jí)；延遲；語(yǔ)音告警

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）11-0214-04

隨著民用航空的高速發(fā)展，越來越多的電子系統(tǒng)出現(xiàn)在飛機(jī)上，它們從彼此獨(dú)立工作到現(xiàn)如今，系統(tǒng)間具有復(fù)雜的相互作用，這些系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)的安全運(yùn)行是必不可少的[1]。

近年來，隨著中國(guó)低空空域的逐漸開放，使通用航空也將進(jìn)入快速發(fā)展期，通用飛機(jī)分立式座艙向綜合化座艙系統(tǒng)轉(zhuǎn)化也已成為發(fā)展趨勢(shì)，為了避免可能引起災(zāi)難性、危險(xiǎn)性、嚴(yán)重性的功能失效，需要采取容錯(cuò)技術(shù)將故障的概率降低到符合相應(yīng)的可靠性等級(jí)要求[2]。

民用飛機(jī)及其航電系統(tǒng)高安全性的要求，使得許多航電系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間進(jìn)行連接時(shí)會(huì)保證物理線路的冗余，以確保當(dāng)一路通道因某種干擾異常工作時(shí)，其他通道仍能工作以確保安全。但是，由于實(shí)際線路傳輸中往往因各種干擾的存在導(dǎo)致無法避免的控制命令延遲問題，文獻(xiàn)[3]研究了數(shù)字通道傳輸延遲和一種數(shù)字通道傳輸延遲時(shí)間的測(cè)量方法。

文獻(xiàn)[4]指出告警系統(tǒng)主要用于喚起飛行員注意；說明事件性質(zhì)；指導(dǎo)飛行員采取正確行動(dòng)。同時(shí)，告警級(jí)別的定義要根據(jù)功能危害分析中相應(yīng)功能喪失的危害來設(shè)定，在不影響飛行，干擾飛行員操縱的情況下，要盡可能采取多感官的告警形式。

文獻(xiàn)[5]指出座艙告警系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)︼w機(jī)各系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控，并在必要時(shí)向飛行員提供有關(guān)信息。視覺告警盒聽覺告警應(yīng)考慮“人機(jī)工效”的特點(diǎn)，并且應(yīng)確定告警信息等級(jí)和優(yōu)先級(jí)。

文獻(xiàn)[6]指出集中告警的工作原理是由計(jì)算機(jī)采集飛機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)飛行控制、滅火、燃油、電源、液壓、環(huán)境控制、起落架控制、艙門控制等各子系統(tǒng)的告警信號(hào)，并由其對(duì)采集到的各告警信號(hào)按優(yōu)先級(jí)排序進(jìn)行邏輯判斷、控制處理后，將告警信息以特定的形式輸出。

文獻(xiàn)[7]指出了一種具體的紫外告警設(shè)備誤告警問題的原因分析并展望了相應(yīng)的解決方法。期望減少或消除誤告警現(xiàn)象，提高飛機(jī)在空中作業(yè)的安全性。

1 問題描述

當(dāng)前航電系統(tǒng)為提高安全性、可靠性，航電系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間進(jìn)行連接時(shí)會(huì)保證物理線路的冗余。

1.1 告警系統(tǒng)架構(gòu)

基于之前的工作，本文描述的方法針對(duì)的問題為航電告警系統(tǒng)中，由視覺告警系統(tǒng)將控制命令發(fā)送給聽覺告警系統(tǒng)，并由聽覺告警系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行語(yǔ)音或語(yǔ)調(diào)告警的告警系統(tǒng)，其中，由視覺告警系統(tǒng)向聽覺告警系統(tǒng)發(fā)送控制命令時(shí)，為確保安全性，采用多路獨(dú)立的物理通道作為互相備份。以三通道為例的多通道告警系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制命令沖突原因分析

當(dāng)多條通道的控制命令存在延遲時(shí)，將易于產(chǎn)生命令沖突，延遲圖如圖2所示。

通過圖2進(jìn)行分析，可得出有兩種情況可能出現(xiàn)控制命令沖突問題。第一種情況，當(dāng)發(fā)送速度快的通道1（本文中將發(fā)送速度快的通道定義為通道1，因延遲而發(fā)送速度慢的通道定義為通道2，…，因延遲而發(fā)送速度最慢的通道定義為通道N）開始發(fā)送，而發(fā)送速度慢的通道2尚未開始時(shí)（從通道1發(fā)送控制命令起，記150ms以內(nèi)），第二種情況為通道1發(fā)送控制命令終止時(shí)，而通道2發(fā)送控制命令尚未終止時(shí)（從通道1發(fā)送控制命令終止時(shí)，記150ms以內(nèi)），在這兩個(gè)時(shí)段控制命令產(chǎn)生沖突，執(zhí)行系統(tǒng)易于采集到不一致的控制命令，可能會(huì)造成執(zhí)行系統(tǒng)的異常。

1.3 多優(yōu)先級(jí)語(yǔ)音告警問題分析

座艙告警系統(tǒng)通常需要匯集機(jī)上多種告警信息并通過視覺告警或聽覺告警的方式提醒飛行員做出相應(yīng)的規(guī)定動(dòng)作，以上信息往往無法通過單個(gè)控制命令完整表達(dá)，當(dāng)帶延遲的多通道多優(yōu)先級(jí)告警命令由視覺告警系統(tǒng)向聽覺告警系統(tǒng)發(fā)送控制命令時(shí)，聽覺告警系統(tǒng)可能因無法掌握全部報(bào)警信息，而導(dǎo)致執(zhí)行報(bào)警優(yōu)先級(jí)順序的異常。

1.4 當(dāng)前解決方法

告警方法一：通過視覺告警系統(tǒng)向聽覺系統(tǒng)發(fā)送命令，首先發(fā)送哪個(gè)通道當(dāng)前有效的命令，并保證始終只有一個(gè)通道有效，之后發(fā)送告警命令；聽覺告警系統(tǒng)首先確認(rèn)當(dāng)前有效通道，之后在唯一有效的通道中執(zhí)行告警命令的解析及語(yǔ)音告警。該方法的缺點(diǎn)：1、雖然有多通道，一次只確認(rèn)唯一通道有效，從安全性的角度考慮，實(shí)質(zhì)上并沒有發(fā)揮到多個(gè)通道互相備份的安全性作用；2、增加了上一級(jí)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，每次需額外指定當(dāng)前唯一有效通道，當(dāng)有效通道出現(xiàn)異常，若不能及時(shí)檢測(cè)出，將造成漏報(bào)警的嚴(yán)重后果；3、由于每次需要額外指定當(dāng)前唯一有效通道，該命令持續(xù)產(chǎn)生和處理所固定占有的通道資源及處理資源導(dǎo)致了系統(tǒng)響應(yīng)速度的降低。

告警方法二：聽覺告警系統(tǒng)基于多通道的共同決策，同時(shí)采集多個(gè)通道的告警命令，同時(shí)基于全部為邏輯0時(shí)，聽覺告警認(rèn)為是邏輯0，全部通道是邏輯1時(shí)，聽覺告警認(rèn)為是邏輯1，當(dāng)識(shí)別全部邏輯0，以及再次識(shí)別全部邏輯1之后，觸發(fā)語(yǔ)音告警；當(dāng)識(shí)別全部邏輯1，以及再次識(shí)別全部邏輯0之后，結(jié)束告警。該方法的缺點(diǎn)：多通道之間通常會(huì)存在延遲，當(dāng)延遲大于人反應(yīng)時(shí)間時(shí)，基于以上方法會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的與延遲時(shí)間相關(guān)的漏報(bào)問題，該問題可能引起嚴(yán)重后果。另外，該方法在延遲時(shí)間內(nèi)還易出現(xiàn)二次告警的問題。

2 本文方法

2.1 方法描述

本文提出的基于帶延遲的多通道多優(yōu)先級(jí)控制命令的語(yǔ)音告警方法，定義邏輯1為告警，邏輯0為不告警；依照語(yǔ)音告警命令的優(yōu)先級(jí)高低，依次定義為1級(jí)告警、2級(jí)告警，……，m級(jí)告警。

為便于說明，以3通道、每個(gè)通道之間延遲150ms、有5種不同優(yōu)先級(jí)的告警命令為例，依照語(yǔ)音告警命令的優(yōu)先級(jí)從高到低，依次定義為1級(jí)告警、2級(jí)告警，……，5級(jí)告警；假設(shè)每個(gè)通道接收的有效數(shù)據(jù)中，1級(jí)告警命令在該有效數(shù)據(jù)的第5位，2級(jí)告警命令在該有效數(shù)據(jù)的第1位，3級(jí)告警在該有效數(shù)據(jù)的第2位，4級(jí)告警在該有效數(shù)據(jù)的第3位，5級(jí)告警在該有效數(shù)據(jù)的第4位。包括以下步驟：

步驟1：系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)語(yǔ)音配置初始化、3個(gè)接收通道的通信配置初始化、一維告警命令數(shù)組M[5]初始化；

步驟2：對(duì)發(fā)送通道和接收通道編號(hào)，將發(fā)送速度最快的發(fā)送通道對(duì)應(yīng)的接收通道定義為接收通道1；相對(duì)前述發(fā)送速度最快的發(fā)送通道，延遲150ms的發(fā)送通道對(duì)應(yīng)的接收通道定義為接收通道2；相對(duì)前述發(fā)送速度最快的發(fā)送通道，延遲300ms的發(fā)送通道對(duì)應(yīng)的接收通道定義為接收通道3，如圖2所示；

步驟3：告警命令采集，按順序依次采集接收通道1、接收通道2和接收通道3的接收數(shù)據(jù)；

步驟4：根據(jù)視覺告警系統(tǒng)和聽覺告警系統(tǒng)之間約定的通信協(xié)議，依次判斷三路接收通道的接收數(shù)據(jù)是否有效，分以下三種情況：

第一種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)均為無效數(shù)據(jù)，當(dāng)前任務(wù)結(jié)束，跳轉(zhuǎn)至步驟3）；

第二種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)中有一路是有效數(shù)據(jù)，假設(shè)該有效數(shù)據(jù)為（1，0，0，1，0），則

步驟1：將這一個(gè)有效數(shù)據(jù)（1，0，0，1，0）作為當(dāng)前輪決策結(jié)果，并將其中的5級(jí)告警命令，按優(yōu)先級(jí)從高到低，依次放入一維告警命令數(shù)組M[5]中，如表1所示；

步驟2：按照一維告警命令數(shù)組M[5]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索；在第二位搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令（即2級(jí)告警命令）時(shí)搜索結(jié)束，然后播放2級(jí)告警命令，跳轉(zhuǎn)至步驟5）；在其他實(shí)施例中，若當(dāng)前輪決策結(jié)果為（0，0，0，0，0），則從第一位搜索至第五位后才結(jié)束搜索，且不告警，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；

第三種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)中有二路是有效數(shù)據(jù)，則

步驟1：將這兩路有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“或”操作，假設(shè)該“或”操作結(jié)果為（1，0，0，1，0）；將該“或”操作結(jié)果（1，0，0，1，0）中的5級(jí)告警命令，作為當(dāng)前輪決策結(jié)果，并將其中的5級(jí)告警命令按優(yōu)先級(jí)從高到低，依次放入一維告警命令數(shù)組M[5]中，如表2所示；

步驟2：按照一維告警命令數(shù)組M[5]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索；在第二位搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令（即2級(jí)告警命令）時(shí)搜索結(jié)束，然后播放2級(jí)告警命令，跳轉(zhuǎn)至步驟5）；在其他實(shí)施例中，若當(dāng)前輪決策結(jié)果為（0，0，0，0，0），則從第一位搜索至第五位后才結(jié)束搜索，且不告警，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；

第四種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)中有三路為有效數(shù)據(jù)，則

步驟1：將三路有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“或”操作，假設(shè)該“或”操作結(jié)果為（1，0，0，1，0）；將該“或”操作結(jié)果（1，0，0，1，0）中的5級(jí)告警命令，作為當(dāng)前輪決策結(jié)果，并將其中的5級(jí)告警命令按優(yōu)先級(jí)從高到低，依次放入一維告警命令數(shù)組M[5]中，如表3所示；

步驟2：按照一維告警命令數(shù)組M[5]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索；在第二位搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令（即2級(jí)告警命令）時(shí)搜索結(jié)束，然后播放2級(jí)告警命令，跳轉(zhuǎn)至步驟5）；在其他實(shí)施例中，若當(dāng)前輪決策結(jié)果為（0，0，0，0，0），則從第二位搜索至第五位后才結(jié)束搜索，且不告警，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；

5）告警命令采集，按順序依次采集接收通道1、接收通道2和接收通道3的接收數(shù)據(jù)；

6）根據(jù)視覺告警系統(tǒng)和聽覺告警系統(tǒng)之間約定的通信協(xié)議，依次判斷三路接收通道的接收數(shù)據(jù)是否有效：

第一種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)均為無效數(shù)據(jù)，當(dāng)前任務(wù)結(jié)束，跳轉(zhuǎn)至步驟5）；

第二種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)有一路是有效數(shù)據(jù)，假設(shè)該有效數(shù)據(jù)為（0，1，0，0，0），則：

步驟1：以該有效數(shù)據(jù)（0，1，0，0，0）中的5級(jí)告警命令，作為當(dāng)前輪的臨時(shí)決策結(jié)果，并將該臨時(shí)決策結(jié)果（0，1，0，0，0）與上一輪決策結(jié)果（1，0，0，1，0）進(jìn)行“或”操作，得到本輪決策結(jié)果（1，1，0，1，0），如表4所示；

步驟2：將本輪決策結(jié)果（1，1，0，1，0）對(duì)應(yīng)的所有告警命令按優(yōu)先級(jí)從高到低，依次放入一維告警命令數(shù)組M[5]，如表4所示；

步驟3：按照一維告警命令數(shù)組M[5]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索，在第二位搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令（即2級(jí)告警命令），搜索結(jié)束，然后播放2級(jí)告警命令，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；在其他實(shí)施例中，若當(dāng)前輪決策結(jié)果為（0，0，0，0，0），則從第二位搜索至第五位后才結(jié)束搜索，且不告警，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；

第三種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)中有二路是有效數(shù)據(jù)，則

步驟1：將兩路有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“或”操作，假設(shè)該“或”操作結(jié)果為（0，1，0，0，0）；以該“或”操作結(jié)果作為本輪的臨時(shí)決策結(jié)果，并將該臨時(shí)決策結(jié)果（0，1，0，0，0）與上一輪決策結(jié)果（1，0，0，1，0）進(jìn)行“或”操作，得到本輪決策結(jié)果（1，1，0，1，0），如表5所示；

步驟2：將本輪決策結(jié)果（1，1，0，1，0）中的5級(jí)告警命令按優(yōu)先級(jí)從高到低，依次放入一維告警命令數(shù)組M[5]，如表5所示；

步驟3：按照一維告警命令數(shù)組M[5]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索；在第二位搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令（即2級(jí)告警命令），搜索結(jié)束，然后播放2級(jí)告警命令，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；在其他實(shí)施例中，若當(dāng)前輪決策結(jié)果為（0，0，0，0，0），則從第二位搜索至第五位后才結(jié)束搜索，且不告警，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集；

第四種情況，采集的三路通道數(shù)據(jù)中有三路有效數(shù)據(jù)，則

步驟1：將這三路有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“或”操作，假設(shè)該“或”操作結(jié)果為（0，1，0，0，0）；以該“或”操作結(jié)果作為本輪的臨時(shí)決策結(jié)果，并將該臨時(shí)決策結(jié)果（0，1，0，0，0）與上一輪決策結(jié)果（1，0，0，1，0）進(jìn)行“或”操作，得到本輪決策結(jié)果（1，1，0，1，0），如表6所示；

步驟2：將本輪決策結(jié)果（1，1，0，1，0）中的5級(jí)告警命令按優(yōu)先級(jí)高低，依次放入一維告警命令數(shù)組M[5]，如表6所示；

步驟3：按照一維告警命令數(shù)組M[5]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索；在第二位搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令（即2級(jí)告警命令），搜索結(jié)束，然后播放2級(jí)告警命令，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集。在其他實(shí)施例中，若當(dāng)前輪決策結(jié)果為（0，0，0，0，0），則從第二位搜索至第五位后才結(jié)束搜索，且不告警，跳轉(zhuǎn)至步驟5），進(jìn)行下一次告警命令采集。

最后需要說明的是，上述方法步驟中，若定義邏輯0為告警，1為不告警，則上述“或”運(yùn)算均變?yōu)椤芭c”運(yùn)算。

2.2 方法流程圖

基于帶延遲的多通道多優(yōu)先級(jí)控制命令的語(yǔ)音告警方法流程圖如圖3所示。

3 設(shè)計(jì)思想

本文提出的基于帶延遲的多通道多優(yōu)先級(jí)控制命令的語(yǔ)音告警方法的設(shè)計(jì)思想如下：

首先，依據(jù)發(fā)送速度定義通道采集順序，按照定義的通道采集順序，將當(dāng)前輪采集的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“或”操作，在告警發(fā)生階段，能夠第一時(shí)間將告警命令進(jìn)行識(shí)別，有效避免了漏告警。

其次，用當(dāng)前輪采集的有效數(shù)據(jù)的“或”操作結(jié)果形成的臨時(shí)決策結(jié)果與上一輪決策結(jié)果進(jìn)行“或”運(yùn)算，形成當(dāng)前輪的最終決策結(jié)果，在告警結(jié)束階段，先結(jié)束告警的通道恢復(fù)不告警命令時(shí)，由于始終與上一輪決策結(jié)果進(jìn)行“或”運(yùn)算，可以防止誤認(rèn)為告警結(jié)束，并在延遲后結(jié)束告警的通道采集到告警命令，而產(chǎn)生誤報(bào)警，有效避免了二次報(bào)警。

第三，將告警命令按照優(yōu)先級(jí)高低依次放入一維告警命令數(shù)組M[m]，簡(jiǎn)化了當(dāng)告警類型較多，具有多種告警命令而一組有效數(shù)據(jù)不能處理完整的復(fù)雜問題，使其可以進(jìn)行統(tǒng)一的搜索和處理，并按照一維告警命令數(shù)組M[m]的序列，由低位到高位進(jìn)行搜索，當(dāng)搜索到第一個(gè)邏輯值為1的告警命令時(shí)即可結(jié)束搜索，通過按序搜索和不用將整個(gè)數(shù)組全部搜索一遍，減少了搜索時(shí)間，提高了聽覺告警系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

第四，僅在聽覺告警系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行改進(jìn)，便能防止漏告警和二次告警，與其配合的上一級(jí)視覺告警系統(tǒng)無需作任何更改，具有較廣泛的適用性。

最后，在通道之間延遲時(shí)間較大的情況下，也不會(huì)產(chǎn)生漏告警和二次告警。

4 結(jié)論

為了解決現(xiàn)有機(jī)載航電系統(tǒng)的語(yǔ)音告警方法易產(chǎn)生漏告警和二次告警的問題，本文提出一種基于帶延遲的多通道多優(yōu)先級(jí)控制命令的語(yǔ)音告警方法。本文的方法按照定義的通道采集順序?qū)?dāng)前輪采集的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行“或”操作，在告警發(fā)生階段，能第一時(shí)間識(shí)別告警命令，有效避免了漏告警；用當(dāng)前輪采集有效數(shù)據(jù)的“或”操作結(jié)果與上一輪決策結(jié)果進(jìn)行“或”運(yùn)算，形成當(dāng)前輪最終決策結(jié)果，在告警結(jié)束階段，先結(jié)束告警的通道恢復(fù)不告警命令時(shí)，由于始終與上一輪決策結(jié)果進(jìn)行“或”運(yùn)算，有效避免了二次報(bào)警；將告警命令按優(yōu)先級(jí)高低依次放入一維告警命令數(shù)組，通過按序搜索和不用將整個(gè)數(shù)組全部搜索一遍，減少了搜索時(shí)間，提高了聽覺告警系統(tǒng)的響應(yīng)速度。本方法的局限是，無法解決當(dāng)多優(yōu)先級(jí)告警中含有同優(yōu)先級(jí)告警的應(yīng)用場(chǎng)景，通過對(duì)本方法的進(jìn)一步研究和完善可使本方法有更廣的應(yīng)用場(chǎng)景。

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