基于飛行數(shù)據(jù)的航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

馬曉

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710089）

近些年，隨著微處理器、總線(xiàn)等技術(shù)的發(fā)展，多處理器技術(shù)得以廣泛用于控制領(lǐng)域。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的航空管理工作已經(jīng)開(kāi)始一場(chǎng)新的革命，這次革命主要在于依托無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，進(jìn)一步帶動(dòng)航空整體管理水平的提升。如今，國(guó)內(nèi)在飛行檢測(cè)、維修等領(lǐng)域與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，依然存在一定的差距。為達(dá)到國(guó)內(nèi)飛行維修、管理等方面的需求，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新型技術(shù)，開(kāi)展相應(yīng)的航空自動(dòng)化信息管理系統(tǒng)的研究工作。基于此，如何運(yùn)用已有技術(shù)構(gòu)造具有良好優(yōu)越性的新一代航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)，也是相關(guān)研究人員所面臨的重要任務(wù)。文中根據(jù)飛行工作實(shí)際需求及相應(yīng)的飛行數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)一種用于航空領(lǐng)域的自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)，以此提升飛行信息監(jiān)測(cè)質(zhì)量和處理能力。本文所設(shè)計(jì)航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理作戰(zhàn)指揮為主要目的，把指揮、通信、情感等信息有機(jī)結(jié)合起來(lái)，更好地提升飛行信息航空管理水平。

1 飛行數(shù)據(jù)分析

隨著國(guó)內(nèi)航空事業(yè)的快速發(fā)展，飛行流量增長(zhǎng)速度明顯增快，這種情況促使我國(guó)民航空域日趨緊張。因此，如何在確保飛行安全的基礎(chǔ)上，有效縮小飛行之間的間隔、提升空域利用效率、實(shí)現(xiàn)流量管理，方可滿(mǎn)足當(dāng)前及未來(lái)可以預(yù)期流量管理的實(shí)際需求。近些年，由于民航領(lǐng)域大力開(kāi)展空管體制改革工作，為創(chuàng)建一體化的管理機(jī)制營(yíng)造良好的環(huán)境，并加大技術(shù)裝備的改造力度，成為航空領(lǐng)域大區(qū)域流量管理做好充足的準(zhǔn)備工作?；谶@種環(huán)境下，飛行數(shù)據(jù)和計(jì)劃實(shí)施集中處理，也是航空領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。尤其在飛行量快速增長(zhǎng)的今天，對(duì)飛行數(shù)據(jù)和計(jì)劃實(shí)施統(tǒng)一的管理，不僅有助于更好地運(yùn)用有限空域，創(chuàng)建恰當(dāng)?shù)目罩薪煌ü芾砟Ｊ接葹橹匾?。而依?jù)飛行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能在于完成航空電報(bào)處理、生成詳細(xì)的飛行計(jì)劃、飛行航跡計(jì)算、進(jìn)程單管理等。在設(shè)計(jì)的航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)中，對(duì)于飛行數(shù)據(jù)的處理主要表現(xiàn)在以下方面：1）對(duì)相應(yīng)的電報(bào)進(jìn)行接收和解析處理，基于此，把接收的原始報(bào)文解析成為分組報(bào)文，發(fā)送給相應(yīng)的子系統(tǒng)實(shí)施進(jìn)一步處理。2）對(duì)電報(bào)實(shí)施解析分組時(shí)，若發(fā)現(xiàn)存在格式錯(cuò)誤，或者系統(tǒng)缺少與之對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)資料，會(huì)給出相應(yīng)的錯(cuò)報(bào)、資料缺漏的提示。長(zhǎng)時(shí)間并未接受到電報(bào)，或所接受的電報(bào)流水號(hào)并不連續(xù)，也會(huì)發(fā)出相應(yīng)的告警提示。3）運(yùn)用技術(shù)及管理手段確保飛行安全作為航工業(yè)最基本的共識(shí)，航空安全設(shè)計(jì)飛機(jī)、維護(hù)保障、運(yùn)行等環(huán)節(jié)，是一個(gè)比較復(fù)雜的工程。依托飛行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控，確保飛機(jī)處于安全運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)安裝運(yùn)行以后，通過(guò)不斷地調(diào)試，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，可以滿(mǎn)足預(yù)期功能需求。

2 系統(tǒng)主要組成

依托飛行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)，運(yùn)用手持式快速卸載器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)下載至存儲(chǔ)介質(zhì)CF卡內(nèi)，其他各個(gè)子系統(tǒng)順利完成對(duì)各層次數(shù)據(jù)的分析及處理，最終獲得與飛機(jī)狀態(tài)相關(guān)的信息報(bào)表[1]-[2]。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的自動(dòng)化程度、強(qiáng)大的信息處理能力，其主要組成如圖1所示。由物理結(jié)構(gòu)角度分析，系統(tǒng)包含軟件、硬件這兩個(gè)模塊，其中，硬件模塊包含手持式通用快速卸載器、便攜式輔助維修系統(tǒng)，旨在完成飛行數(shù)據(jù)的下載、保存處理，以及依據(jù)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)一步預(yù)測(cè)、評(píng)估故障[3]。軟件模塊主要包含飛行成績(jī)?cè)u(píng)估、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等子系統(tǒng)，用于完成顯示飛行數(shù)據(jù)、快速通報(bào)飛行事件等[4]。不同子系統(tǒng)之間保持一定的獨(dú)立性，且根據(jù)飛行數(shù)據(jù)把彼此密切結(jié)合起來(lái)，組成有機(jī)的整體。

圖1 航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 系統(tǒng)各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 配置手持式通用卸載器

這種卸載器也是運(yùn)用先進(jìn)的嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)完成，主要作用在于實(shí)現(xiàn)下載、保存等功能。這個(gè)設(shè)備主要包含軟、硬件兩個(gè)部分組合而成。其中，軟件依托DOS操作平臺(tái)研發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序，包含用戶(hù)交互軟件、數(shù)據(jù)卸載軟件、硬件驅(qū)動(dòng)程序等。硬件主要組成部分包含矩陣鍵盤(pán)管理系統(tǒng)、Smart Core小系統(tǒng)等。其中，Smart Core小系統(tǒng)作為系統(tǒng)硬件的核心內(nèi)容，也是手持式卸載設(shè)備的大腦（CPU），它采用DL公司提出的Smart Core模塊為主要內(nèi)容，配合與之對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展電路組合起來(lái)[5-6]。該系統(tǒng)也在一定程度上擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、ISA總線(xiàn)接口及標(biāo)準(zhǔn)串口（2個(gè)）等。矩陣鍵盤(pán)管理系統(tǒng)包括外圍電路、89C51單片機(jī)等部分，旨在做好矩陣鍵盤(pán)管理工作，并把矩陣鍵盤(pán)轉(zhuǎn)變成為PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)下的PS2格式。

對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)集成測(cè)試可知，電路交叉連接會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的空間輻射或者外接電源干擾等問(wèn)題。為確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，運(yùn)用下列干擾技術(shù)順利實(shí)現(xiàn)：1）綜合屏蔽技術(shù)能有效減少電磁波帶來(lái)的輻射干擾，如：殼體運(yùn)用進(jìn)口的鋁材，并對(duì)其表面實(shí)施導(dǎo)電陽(yáng)極化處理，有效減輕元器件之間的輻射干擾[7]。2）一點(diǎn)接地技術(shù)選取殼體作為接地點(diǎn)，以此當(dāng)做系統(tǒng)的參考點(diǎn)，順利與飛機(jī)殼體實(shí)現(xiàn)連接，其他電路接地點(diǎn)也要與該點(diǎn)實(shí)施連接。3）軟件抗干擾技術(shù)運(yùn)用數(shù)字濾波、標(biāo)志判斷等方法提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效消除程序存在的死機(jī)、彈飛等問(wèn)題[8]。飛行數(shù)據(jù)下載完成以后，通過(guò)文件方法保存在與之對(duì)應(yīng)的飛機(jī)型號(hào)目錄之下。這種情況下，CF卡則成為飛機(jī)數(shù)據(jù)重要的信息載體及其與各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。

3.2 飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

該系統(tǒng)依托飛行數(shù)據(jù)，并對(duì)所收集的數(shù)據(jù)實(shí)施建模處理，通過(guò)預(yù)測(cè)分析飛行數(shù)據(jù)，從而全面檢測(cè)飛機(jī)健康情況。由于飛行數(shù)據(jù)隸屬于多狀態(tài)的時(shí)域數(shù)據(jù)，如果采用飛機(jī)參數(shù)記錄器所提供的飛行數(shù)據(jù)直接實(shí)施趨勢(shì)監(jiān)控處理，其具有工作量大、模型復(fù)雜等特點(diǎn)，無(wú)法全面展示飛機(jī)整體性能的時(shí)域性，也無(wú)法展現(xiàn)飛機(jī)性能的統(tǒng)計(jì)信息[9-10]?；诖?，全面收集、篩選飛機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)及飛行特定時(shí)段下的飛行數(shù)據(jù)，歸納并對(duì)能夠反映飛機(jī)不同子系統(tǒng)的性能參數(shù)實(shí)施歸納、統(tǒng)計(jì)分析。飛機(jī)處在穩(wěn)定的工作狀態(tài)，主要由以下兩個(gè)方面進(jìn)行理解：1）對(duì)應(yīng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所處工作狀態(tài)，例如：慢車(chē)、最大運(yùn)行狀態(tài)等；2）滿(mǎn)足一定篩選條件下的確定狀態(tài)，例如：飛機(jī)處在直流27 V最大狀態(tài)等，以此為基礎(chǔ)，創(chuàng)建飛行數(shù)據(jù)AR模型，進(jìn)一步預(yù)測(cè)飛行參數(shù)，進(jìn)而使用閥值對(duì)比法完成監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)的目的[11]。

3.3 飛行成績(jī)?cè)u(píng)估子系統(tǒng)

這個(gè)子系統(tǒng)依托自動(dòng)識(shí)別飛行動(dòng)作，能夠快速通報(bào)這次飛行操作中完成飛行動(dòng)作的名稱(chēng)、數(shù)量等信息，并以此為基礎(chǔ)，自動(dòng)評(píng)估一架飛機(jī)的飛行成績(jī)。進(jìn)行飛行成績(jī)?cè)u(píng)估過(guò)程中，采用單值對(duì)應(yīng)方法創(chuàng)建動(dòng)作名稱(chēng)與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其優(yōu)勢(shì)在于飛行動(dòng)作檢索比較方便，有利于明確與相關(guān)動(dòng)作數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)施成績(jī)?cè)u(píng)估時(shí)，先要依據(jù)動(dòng)作名稱(chēng)表分別檢索飛行動(dòng)作庫(kù)，為有效提升檢索效率，一次性把檢索所得與動(dòng)作相關(guān)的字段放置內(nèi)存中，并通過(guò)已經(jīng)檢測(cè)的其他字段明確劃分判斷條件。

圖2 飛行成績(jī)?cè)u(píng)估操作流程

除此以外，這個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)用模糊方式對(duì)生物神經(jīng)元實(shí)施建模處理，并采用模糊神經(jīng)元當(dāng)做處理信息最基本的單元，運(yùn)用ART模型匹配-共振原理，以此對(duì)神經(jīng)元信號(hào)展開(kāi)編碼處理建立模糊綜合映射網(wǎng)絡(luò)。除此以外，依托這個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步識(shí)別飛行參數(shù)，并實(shí)施編碼處理，以此準(zhǔn)確識(shí)別飛機(jī)飛行動(dòng)作及情況。所建立的模糊神經(jīng)元模型如圖3所示。其中，X所輸入的信息為飛行特征向量；Wij表示對(duì)應(yīng)權(quán)值；MFij代表所對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)；Yi表明輸出與之對(duì)應(yīng)的飛行動(dòng)作模式。

圖3 建立的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.4 飛行數(shù)據(jù)地面綜合處理子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要功能在于實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的編碼及再現(xiàn)處理，并以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用模糊專(zhuān)家系統(tǒng)玄素通報(bào)相應(yīng)的飛行事件。這個(gè)系統(tǒng)具體功能如下：1）把飛行原始或者規(guī)定的數(shù)據(jù)文件由某一介質(zhì)內(nèi)錄入至地面站系統(tǒng)之內(nèi)，并將其轉(zhuǎn)換為地面站格式文件。2）依托模糊專(zhuān)家系統(tǒng)內(nèi)的推理機(jī)制，對(duì)飛行數(shù)據(jù)展開(kāi)快速的分析，獲取與之相應(yīng)的飛行事件報(bào)告，如：飛機(jī)設(shè)備故障信息、飛行狀態(tài)；使用限制等[12]。此外，也可以迅速統(tǒng)計(jì)飛行槽中每一個(gè)參數(shù)極值狀態(tài)，并詳細(xì)記錄出現(xiàn)極值的具體事件。同時(shí)，可依托虛擬儀表技術(shù)能夠再次模擬飛行過(guò)程，主要包含飛行過(guò)程二維或三維航跡顯示、顯示飛機(jī)儀表狀態(tài)模擬信息等[13]。除此以外，系統(tǒng)會(huì)提供對(duì)文件進(jìn)行管理的工具，以此減少繁雜的人工操作，有效提升工作效率。對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行模擬處理中，可利用速度積分的方式明確飛機(jī)二維平面位置，但因記錄誤差及積分算法對(duì)誤差放大產(chǎn)生的影響。具體運(yùn)用過(guò)程中，遭受一定的限制?？梢越Y(jié)合某些機(jī)型實(shí)際狀況，提出依托RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方式，其主要做法在于運(yùn)用飛行運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解信息，對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值實(shí)施校正處理，模擬出來(lái)的飛行兩級(jí)信息模型見(jiàn)圖4。其中，v、ψ分別表示地速、航向角；λ、φ代表飛對(duì)應(yīng)時(shí)刻具體的經(jīng)、緯度采集值；Δλ、Δφ依次表示經(jīng)度、緯度單位時(shí)間內(nèi)的變化數(shù)值；θ表示俯仰角；nz為法向過(guò)載。

3.5 設(shè)計(jì)便攜式輔助維修子系統(tǒng)

在飛機(jī)進(jìn)行維修操作中，不管檢修人員處在何種工作狀態(tài)，均要快捷地與PC機(jī)或其他服務(wù)器設(shè)備實(shí)施通信，以此獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)、圖像、文本等信息，從而完成實(shí)時(shí)交流[14-15]。這個(gè)子系統(tǒng)面向機(jī)務(wù)維修工作一線(xiàn)，運(yùn)用ARM嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，內(nèi)部設(shè)置航空機(jī)務(wù)維修電子文檔及飛機(jī)故障歷史信息。同時(shí)，利用故障樹(shù)判定方式自動(dòng)評(píng)估故障，進(jìn)一步提出相應(yīng)的解決方案，為地面維護(hù)工作者提供準(zhǔn)確、技術(shù)的數(shù)據(jù)支持，便于準(zhǔn)確、及時(shí)掌控飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)[16]。該子系統(tǒng)包含軟件、硬件設(shè)計(jì)兩方面的內(nèi)容，其中，硬件主要由可穿戴、手持這兩個(gè)部分組成，如圖5所示。同時(shí)，便攜式輔助維修系統(tǒng)應(yīng)該具備良好的人機(jī)交互功能，維修工作者可實(shí)時(shí)查看各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，因此，它要求提供更直觀的顯示功能。在部分特殊應(yīng)用場(chǎng)合，維修人員必須技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)處理。因此，這個(gè)子系統(tǒng)要提供輸入交互接口，如：挑選簡(jiǎn)單的功能按鍵、觸摸屏輸入方法。此外，使用者在實(shí)際工作中必須解放雙手，以至于不可把大量的注意力轉(zhuǎn)移至鍵盤(pán)及顯示屏上，盡可能增設(shè)語(yǔ)音菜單控制功能，依托音頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)輸入輸出控制功能。

圖4 用來(lái)模擬飛行創(chuàng)建的兩級(jí)信息融合模型

圖5 便攜式輔助維修子系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

4 結(jié) 論

綜上所述，自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)在空中交通領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，該系統(tǒng)的運(yùn)用不僅能提升裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)水平，也可以有效縮短故障診斷時(shí)間、節(jié)省大量的能源，這滿(mǎn)足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略順利實(shí)現(xiàn)的具體要求。本次研究從飛行數(shù)據(jù)入手，進(jìn)一步闡述航空自動(dòng)化信息處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，以期提升航空領(lǐng)域管理水平。