飛行試驗(yàn)綜合安全監(jiān)控技術(shù)

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

0 引言

飛行試驗(yàn)，簡(jiǎn)稱試飛，是飛行器及其動(dòng)力裝置和機(jī)載設(shè)備在真實(shí)的飛行環(huán)境條件下進(jìn)行的試驗(yàn)。飛行試驗(yàn)是新機(jī)和航空裝備研制中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，風(fēng)險(xiǎn)因素較多，因此，為了保證飛行試驗(yàn)的安全進(jìn)行，必須對(duì)飛行試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行安全監(jiān)控。

遙測(cè)監(jiān)控是試飛過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的唯一手段，對(duì)于降低新機(jī)或航空裝備的試飛風(fēng)險(xiǎn)，提高試飛效率，縮短試飛周期等都起著關(guān)鍵作用。遙測(cè)監(jiān)控是在飛行試驗(yàn)過(guò)程中，將對(duì)影響飛機(jī)安全的關(guān)鍵參數(shù)通過(guò)遙測(cè)鏈路實(shí)時(shí)下傳到地面進(jìn)行監(jiān)控和進(jìn)一步的處理分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件通過(guò)對(duì)照其臨界值進(jìn)行飛機(jī)平臺(tái)、航電系統(tǒng)等系統(tǒng)的安全狀態(tài)判斷，并以告警燈、聲音等多種形式表現(xiàn)出來(lái)。以確定飛機(jī)在空中是否處于安全可控狀態(tài)，試飛動(dòng)作是否有效完成，后續(xù)任務(wù)的能否安全進(jìn)行。開展飛行試驗(yàn)安全監(jiān)控是確保試飛安全和型號(hào)各科目試飛任務(wù)順利開展的最基本的前提[1]，長(zhǎng)期的飛行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)表明，飛行試驗(yàn)綜合安全監(jiān)控與應(yīng)急處置輔助決策的技術(shù)水平和能力，都會(huì)對(duì)飛行試驗(yàn)的進(jìn)度及技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生很大的影響。

1 安全監(jiān)控現(xiàn)狀與需求分析

傳統(tǒng)的安全監(jiān)控技術(shù)是通過(guò)設(shè)計(jì)安全監(jiān)控軟件將試飛數(shù)據(jù)以數(shù)字、曲線、信號(hào)燈等形式顯示在監(jiān)控顯示器上，指揮員和試飛工程師通過(guò)顯示的試飛數(shù)據(jù)與飛行手冊(cè)中的數(shù)據(jù)對(duì)比才能判斷數(shù)據(jù)是否在正常區(qū)間，通過(guò)告警燈的狀態(tài)來(lái)判斷某個(gè)重要信息是否正常，根據(jù)告警內(nèi)容到紙質(zhì)的應(yīng)急處置手冊(cè)中去查找對(duì)應(yīng)的處置方法和步驟，然后通過(guò)電臺(tái)告知試飛員，這樣的方式對(duì)保障試飛安全也起到了一定的作用，但是整個(gè)過(guò)程所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)全程的分析、判斷到最終的決策是在指揮員和試飛工程師在高度緊張和巨大心里壓力下完成的，人為因素影響過(guò)大，也造成過(guò)一些安全事故征候。尤其是飛機(jī)的某些部件發(fā)生重大故障時(shí)，時(shí)間就是試飛員和新型號(hào)飛機(jī)的生命。

隨著近年來(lái)新型飛機(jī)的不斷涌現(xiàn)，由于新型飛機(jī)采用大量的新技術(shù)和系統(tǒng)復(fù)雜度急劇增加，試飛過(guò)程中需要監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)也隨之增加，傳統(tǒng)的安全監(jiān)控技術(shù)和方法很難滿足型號(hào)試飛任務(wù)對(duì)安全監(jiān)控日益增長(zhǎng)的需求。

因此必須通過(guò)采用新的安全監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)綜合安全監(jiān)控軟件[2]，減少人為因素，減輕指揮員和試飛工程師的監(jiān)控壓力，為指揮員和試飛工程師提供直觀的判據(jù)、直接高效的應(yīng)急處置信息，縮短應(yīng)急處置決策時(shí)間，更加有效的保證試飛安全，提高試飛效率。

2 綜合安全監(jiān)控技術(shù)

綜合安全監(jiān)控技術(shù)涉及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，將綜合安全監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用到飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控中，可以擴(kuò)充實(shí)時(shí)監(jiān)控的手段，使監(jiān)控的形式多樣化，使得指揮員和試飛工程師能夠在監(jiān)控中更快地獲得更多的信息，提升了實(shí)時(shí)監(jiān)控的質(zhì)量，確保了飛行試驗(yàn)的安全有效進(jìn)行。

2.1 基于故障樹的多類型告警技術(shù)

在飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程中，故障告警的準(zhǔn)確度與直觀度直接決定了應(yīng)對(duì)故障決策的及時(shí)性和有效性，通過(guò)對(duì)故障類型及其所影響的決策方向，采用不同的表現(xiàn)形式進(jìn)行狀態(tài)顯示，通過(guò)不同的顯示方式，需要能夠明確地指出故障的種類、故障間的關(guān)聯(lián)程度、故障產(chǎn)生時(shí)所在系統(tǒng)的狀態(tài)。

傳統(tǒng)的使用單一的形式僅對(duì)發(fā)生故障進(jìn)行指示的方法，不能有效地指出故障所影響的具體范圍，嚴(yán)重程度，以及明確故障所產(chǎn)生的問(wèn)題根源。通過(guò)分析各個(gè)故障的說(shuō)明信息，結(jié)合飛機(jī)各系統(tǒng)的狀態(tài)特征，梳理出各個(gè)故障之間的邏輯關(guān)系以及其所處的系統(tǒng)部位，將這種關(guān)系抽象為樹型結(jié)構(gòu)[3]，從而形成了具有故障之間關(guān)聯(lián)關(guān)系與系統(tǒng)各層級(jí)故障信息的數(shù)據(jù)集合。圖1是故障樹結(jié)構(gòu)示意圖。

將該數(shù)據(jù)集合應(yīng)用于飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，并結(jié)合以往的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)出了4種不同故障的表現(xiàn)形式及其應(yīng)用方向。

1)告警燈：直接指出系統(tǒng)所產(chǎn)生的故障，結(jié)合故障所在系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行共同設(shè)計(jì)，有利于明確故障發(fā)生的根本原因，及其系統(tǒng)內(nèi)的影響范圍。主要針對(duì)重要的系統(tǒng)故障。

2)語(yǔ)音告警：采用TTS技術(shù)[4]將文本故障信息轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信息進(jìn)行警示，主要針對(duì)飛機(jī)的關(guān)鍵故障，其處于樹形結(jié)構(gòu)中的頂層，對(duì)飛機(jī)的安全具有至關(guān)重要的作用。

3)故障清單：當(dāng)前任務(wù)過(guò)程中試驗(yàn)飛行科目所發(fā)生的所有故障依據(jù)故障危害程度劃分的等級(jí)分級(jí)顯示與顏色區(qū)別的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，并直觀的表述出故障之間的相互關(guān)系，可以第一時(shí)刻明確發(fā)生故障產(chǎn)生的影響范圍，并初步判斷出最底層的故障信息，產(chǎn)生初步的決策內(nèi)容。

4)圖形化：通過(guò)針對(duì)單一子系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的整體邏輯圖以及硬件設(shè)計(jì)仿真圖，結(jié)合具體部位的數(shù)據(jù)的顯示與故障所處的位置，形成圖形化的故障顯示，主要針對(duì)可以圖形化的子系統(tǒng)，具有形象準(zhǔn)確的特性。

由此可見，告警燈與語(yǔ)音告警可以最大限度的通過(guò)視覺和聽覺將重要的故障直觀的顯示，圖形化的顯示方式能夠形象逼真的實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各個(gè)部位的真實(shí)狀態(tài)，在發(fā)生故障后，可以直觀的顯示當(dāng)前系統(tǒng)發(fā)生故障的具體部位，在結(jié)合了故障樹的設(shè)計(jì)思想之后，一方面在實(shí)時(shí)監(jiān)控中可以更加準(zhǔn)確有效地設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件，與此同時(shí)在故障發(fā)生后也能夠更加有效地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題根源做出合理的處置決策。

而基于故障樹的故障清單的形成建立，一方面要結(jié)合已經(jīng)建立的故障樹結(jié)構(gòu)，另一方面要對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)各類型的故障進(jìn)行匯總分析，明確其故障的級(jí)別(嚴(yán)重；重要；警告；提示)、產(chǎn)生方式(故障產(chǎn)生的判斷邏輯)以及故障呈現(xiàn)的相關(guān)信息(產(chǎn)生時(shí)刻，顏色提示等)。

雖然前期需要開展大量的準(zhǔn)備工作，但在故障觸發(fā)時(shí)便于決策人員更好地識(shí)別并做出正確的處置。以上故障告警都是基于簡(jiǎn)單的邏輯判斷，但是有些科目需要經(jīng)過(guò)特定復(fù)雜運(yùn)算之后才能獲得做出狀態(tài)評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)依據(jù)，再?zèng)Q定是否繼續(xù)開展下一個(gè)試飛動(dòng)作，因此需要構(gòu)建一個(gè)通用的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，快速完成某些風(fēng)險(xiǎn)科目試飛過(guò)程中試飛動(dòng)作的狀態(tài)評(píng)估，為試飛安全提供決策依據(jù)。

2.2 試飛任務(wù)嵌入式準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)，一些以前只能在飛行后進(jìn)行的計(jì)算分析，現(xiàn)在可以在實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程中進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析，通過(guò)在飛行試驗(yàn)過(guò)程中，把與試飛動(dòng)作段相關(guān)參數(shù)的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)該動(dòng)作段完成時(shí)，用實(shí)時(shí)記錄的動(dòng)作段數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的算法進(jìn)行分析處理，給出試飛評(píng)定結(jié)果，作為地面指揮員和試飛工程師評(píng)價(jià)試飛科目完成情況的依據(jù)，最終達(dá)到對(duì)試飛任務(wù)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估的目的。遙測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

試飛任務(wù)嵌入式準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件是在Labview軟件平臺(tái)下，利用MATLAB Script腳本節(jié)點(diǎn)將MATLAB程序嵌入到Labview程序中，其中Labview負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)的截取操作和數(shù)據(jù)的保存等功能，利用MATLAB在數(shù)學(xué)運(yùn)算分析方面強(qiáng)大的能力實(shí)現(xiàn)試飛科目復(fù)雜算法的分析和計(jì)算。下面以飛控穩(wěn)定裕度試飛科目為例[5]，具體說(shuō)明嵌入式準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)步驟：

1)在試飛任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程中，通過(guò)TCP/IP協(xié)議和前端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器建立連接后，實(shí)時(shí)獲取需要監(jiān)控參數(shù)的工程量數(shù)據(jù)，使用Chart圖表控件以曲線圖表的形式顯示部分關(guān)鍵參數(shù)的時(shí)間歷程曲線，以供試飛工程師實(shí)時(shí)監(jiān)控；

2)在試飛科目動(dòng)作完成后，試飛工程師在時(shí)間歷程曲線上通過(guò)快速拖動(dòng)游標(biāo)確定歷史數(shù)據(jù)的起止點(diǎn)；

3)根據(jù)選取的起止點(diǎn)，從參數(shù)History屬性節(jié)點(diǎn)中提取出兩個(gè)游標(biāo)之間的歷史數(shù)據(jù)，并按照一定格式保存在本地磁盤上，用于后面的科目分析和計(jì)算；

4)后臺(tái)調(diào)用飛控穩(wěn)定裕度科目分析計(jì)算Matlab程序算法，對(duì)保存數(shù)據(jù)做FFT變換，得到飛控系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)，即BODE圖，使用的算法由試飛工程師給出，軟件提供了一個(gè)開放的接口，可以方便的將試飛工程師事后處理所用的Matlab程序算法嵌入到準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件中，為實(shí)現(xiàn)其他科目的準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理提供了通用平臺(tái)；

5)在完成科目分析與計(jì)算之后，使用 MATLAB軟件中的繪圖命令，將計(jì)算后的評(píng)估結(jié)果以閉環(huán)時(shí)域響應(yīng)圖以及BODE圖的形式輸出。

2.3 應(yīng)急處置輔助決策技術(shù)

以往的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，在故障或告警出現(xiàn)后，需要指揮員在紙質(zhì)試飛員手冊(cè)查找應(yīng)急處置措施，這種方式需要的時(shí)間周期長(zhǎng)，而且指揮員和試飛員都要承受巨大的壓力和風(fēng)險(xiǎn)。因此采用計(jì)算機(jī)軟件和知識(shí)工程等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，以飛行員應(yīng)急手冊(cè)、飛行手冊(cè)為依據(jù)，在分析了上百個(gè)架次試飛數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合試飛員和試飛工程師長(zhǎng)年積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)所有故障對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處置進(jìn)行分析和總結(jié)、歸納，形成試飛安全決策庫(kù)，一旦出現(xiàn)告警，安全監(jiān)控軟件自動(dòng)從安全決策庫(kù)中搜索信息立即形成應(yīng)急處置方案，并將應(yīng)急處置程序和內(nèi)容以準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔的方式顯示，提高空中特情應(yīng)急處置成功率。

首先分析出處置內(nèi)容特征標(biāo)識(shí)，即任何一條處置決策應(yīng)當(dāng)具有項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目顯示(飛機(jī)儀表或系統(tǒng)指示模擬圖或?qū)嵕皥D)、告警級(jí)別、話音(頭顯或耳機(jī))、含義、影響、處置措施(包含不同情況下)。確定了具體內(nèi)容版圖，相比于傳統(tǒng)故障處置內(nèi)容僅使用單一的純文字文本的顯示方式，通過(guò)采用HTML，建立故障條目與靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)關(guān)聯(lián)表，在Labview軟件中內(nèi)建瀏覽器，將處置內(nèi)容匯總為具體的處置網(wǎng)頁(yè)，采用文字、表格、圖片以及視頻等方式進(jìn)行頁(yè)內(nèi)呈現(xiàn)，具有更好的閱讀性。故障處置內(nèi)容范本如圖3所示。

圖3 處置內(nèi)容范本

在匯總處置形成具體的處置網(wǎng)頁(yè)時(shí)，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目名稱以及含義與影響進(jìn)行分析，形成可識(shí)別的關(guān)鍵字標(biāo)簽，從而形成了具體的應(yīng)急處置數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)時(shí)處理過(guò)程中針對(duì)所需處置的故障，采用關(guān)鍵字檢索形成直接的處置方案，并結(jié)合處置內(nèi)容與故障內(nèi)容獲取其在數(shù)據(jù)庫(kù)中的匹配度，選擇匹配度最高的方案進(jìn)行最優(yōu)呈現(xiàn)。應(yīng)急處置決策處理流程如圖4所示。

圖4 應(yīng)急處置決策處理流程

3 綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

為保證目前飛行試驗(yàn)的安全性，在飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控架構(gòu)[6]基礎(chǔ)上，整合原有資源，采用綜合安全監(jiān)控技術(shù)，建立了一個(gè)綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)遙測(cè)前端傳來(lái)的遙測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析與顯示，該系統(tǒng)具備遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、試飛安全實(shí)時(shí)監(jiān)控、試飛任務(wù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估、應(yīng)急輔助決策等功能。

該綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)可應(yīng)用于飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控任務(wù)中，圖5為某型機(jī)的故障清單示意圖，將該機(jī)的故障分為4類，分別用不同的文字顏色進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障和重要故障時(shí)，監(jiān)控軟件會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音告警，系統(tǒng)根據(jù)獲取到的故障信息，加以分析后，會(huì)彈出相應(yīng)的處置決策提供給指揮員和試飛工程師，以便輔助飛行員快速相應(yīng)，完成故障處理。圖6為飛控穩(wěn)定裕度準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件界面示意圖。在動(dòng)作完成以后，飛控穩(wěn)定裕度科目分析模塊迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將閉環(huán)時(shí)域響應(yīng)圖以及BODE圖，提供給試飛工程師，得到本次動(dòng)作的完成情況，這對(duì)試飛工程師進(jìn)行后續(xù)飛行動(dòng)的開展指揮具有指導(dǎo)作用。

圖5 故障清單示意圖

圖6 飛控穩(wěn)定裕度準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件界面示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于上述技術(shù)開發(fā)的綜合安全監(jiān)控軟件已經(jīng)成功地應(yīng)用在了飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，在多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的試驗(yàn)試飛任務(wù)中，通過(guò)以告警燈、語(yǔ)音告警、故障清單和圖形化等豐富的告警形式從視覺、聽覺全方位、立體地、快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，與安全相關(guān)的科目試飛，可以在1分鐘內(nèi)獲得評(píng)估結(jié)果，并在故障發(fā)生時(shí)，快速形成應(yīng)急處置方案，輔助指揮員和飛行員完成故障處置，綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)自應(yīng)用以來(lái)已成功監(jiān)控處置多次飛行險(xiǎn)情，避免了國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失。

綜合安全監(jiān)控技術(shù)滿足了新型飛機(jī)試飛的安全監(jiān)控需求，突破了綜合告警、準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、應(yīng)急處置輔助決策等關(guān)鍵技術(shù)，有效保證試飛安全，縮短研制及定型周期，同時(shí)為構(gòu)建試飛安全專家系統(tǒng)提供了必要的技術(shù)積累。