基于DTW改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法的飛機(jī)著陸安全操作研究

齊凱 陳文瑛

【摘 要】飛行員在最后進(jìn)近著陸階段準(zhǔn)確執(zhí)行一系列操作，是飛機(jī)安全著陸的重要保證。首先，將最后飛行階段分為200ft-50ft、50ft至接地兩個階段，研究了9項飛行狀態(tài)參數(shù)的灰色接近關(guān)聯(lián)度。其次，設(shè)計了一種DTW改進(jìn)灰色接近關(guān)聯(lián)算法，降低因飛行數(shù)據(jù)抽樣造成的算法誤差。研究表明，保持橫側(cè)和下降率的穩(wěn)定是安全著陸的重要前提。俯仰角、空速歸一化值、地速、油門桿位移、駕駛桿位移、腳蹬偏移量等參數(shù)在50ft-0ft階段越接近于標(biāo)準(zhǔn)序列，著陸載荷越逼近1.3 g左右的理想著陸狀態(tài)，飛機(jī)著陸安全性越高。

【關(guān)鍵詞】飛行數(shù)據(jù) ；重著陸 ；灰色關(guān)聯(lián)分析；動態(tài)時間彎曲算法

中圖分類號：V323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1722（2021）01-0079-04

★項目名稱：民航安全能力建設(shè)項目“基于日常運行數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定進(jìn)近研究及實時個性化應(yīng)用”

飛機(jī)進(jìn)近著陸階段由于近地面氣流紊亂，速度、高度變化范圍大，操作程序復(fù)雜，已成為飛行事故和不安全事件的多發(fā)階段。典型的不安全事件包括不穩(wěn)定進(jìn)近、重著陸、長著陸等[1]。對影響飛機(jī)著陸安全的相關(guān)飛行參數(shù)和飛行員操縱進(jìn)行分析，對保障飛機(jī)著陸安全具有重要的意義。

飛行數(shù)據(jù)不僅可用于事后的飛行事故調(diào)查，還可以作為飛行操縱品質(zhì)監(jiān)控的重要參考。飛行數(shù)據(jù)往往存在記錄噪聲和偏差不確定性?；疑到y(tǒng)理論常用于處理部分信息已知的不確定性系統(tǒng)。通過對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以找到因素間的數(shù)學(xué)關(guān)系并挖掘因素自身的變化規(guī)律?；疑到y(tǒng)理論是主要研究概率統(tǒng)計和模糊數(shù)學(xué)方法難以解決的貧信息、小樣本的不確定性問題，依據(jù)信息覆蓋原則，通過序列算子作用探索系統(tǒng)動力學(xué)規(guī)律[2]。盡管航空技術(shù)取得巨大進(jìn)展，仍然無法消除復(fù)雜氣象環(huán)境、駕駛員錯誤操縱等不確定性對飛行安全的嚴(yán)重威脅。因此，采用灰色關(guān)聯(lián)度計算分析外部擾動或駕駛員操縱對飛行狀態(tài)的影響，深入研究飛行參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，能夠為控制飛機(jī)著陸風(fēng)險提供參考。

本文運用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對飛機(jī)進(jìn)近著陸過程中的若干飛行參數(shù)的影響因素進(jìn)行分析，考慮飛行數(shù)據(jù)的時間序列特征，分析得到影響飛機(jī)著陸安全的關(guān)鍵影響參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過融合灰色系統(tǒng)理論和動態(tài)時間彎曲算法，降低飛行數(shù)據(jù)的采樣幀率不同造成的計算偏差，從而進(jìn)一步提高計算精度。

一、基于灰色接近關(guān)聯(lián)度的影響參數(shù)分析

在飛機(jī)進(jìn)近著陸階段，飛機(jī)記錄的各類參數(shù)偏差與進(jìn)近程序、擾動風(fēng)、飛行員操縱習(xí)慣等密切相關(guān)，具有顯著的不確定性，即數(shù)據(jù)灰度較大，整體的飛行數(shù)據(jù)可以看作一個灰色系統(tǒng)。本文首先選用灰色接近關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行典型進(jìn)近著陸航段分析，以驗證模型與方法的有效性；然后使用該方法找出在時間序列上對接地載荷影響較大的關(guān)鍵階段參數(shù)。每個參數(shù)被分成200ft-50ft、50ft-0ft兩個階段后，分別分析兩階段參數(shù)間的關(guān)聯(lián)序。由于灰色關(guān)聯(lián)分析要求數(shù)據(jù)長度一致，在本節(jié)的分析中，須通過對高幀率的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，形成所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)一長度。

（一）灰色接近關(guān)聯(lián)分析

（二）灰色接近關(guān)聯(lián)分析試驗

根據(jù)實際航段的飛行數(shù)據(jù)，計算它們與標(biāo)準(zhǔn)模型的灰色接近關(guān)聯(lián)序列并進(jìn)行對比。本文先后選擇地速、下降率、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、接地空速與參考速度的差值、駕駛桿位移、油門桿位移、駕駛盤位移、腳蹬位移共9項飛行狀態(tài)參數(shù)，對其在200ft-50ft、50ft-0ft這兩個階段的灰色接近關(guān)聯(lián)度分別進(jìn)行計算。本文將3360個航段均根據(jù)其重量建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)著陸模型，計算各階段參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)著陸模型的關(guān)聯(lián)度值。如下圖1所示，左側(cè)坐標(biāo)軸表示各著陸載荷區(qū)間的航段數(shù)量N，右側(cè)坐標(biāo)軸表示關(guān)聯(lián)度值e大小，兩條折線分別表示兩個階段的關(guān)聯(lián)度曲線，折線上的點為該區(qū)間所有航段的e的均值。由圖1可知，80%以上的航段集中分布在1.05g-1.35g區(qū)間內(nèi)。

另一方面，針對下降率、滾轉(zhuǎn)角、駕駛盤轉(zhuǎn)角這3個參數(shù)，200ft-50ft的相關(guān)度和50ft-0ft的相關(guān)度差別不大。從進(jìn)近著陸飛行過程來看，在跑道入口高度50 ft前必須保持穩(wěn)定的下降率。因此，這一分析結(jié)果與飛行操縱是相符的。著陸前保持飛機(jī)橫側(cè)穩(wěn)定性也是基本的飛行訓(xùn)練要求，若在50ft高度前不能保證橫側(cè)穩(wěn)定性，則創(chuàng)造跑道入口條件更加困難。從本文選取的飛行航段樣本來看，沒有出現(xiàn)橫側(cè)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

二、基于動態(tài)時間彎曲修正的灰色接近關(guān)聯(lián)度分析

（一）動態(tài)時間彎曲DTW算法

針對時間序列數(shù)據(jù)，有多種距離度量方法。其中應(yīng)用最廣泛的是歐式距離算法和動態(tài)時間彎曲（Dynamic Time Warping， DTW）算法。前者是一種利用兩組時間序列之間的歐式距離來度量他們的相似性。但是一般的時間序列中，需要比較相似性的兩段時間序列可能并不相等。例如，在比較同一航班的兩次飛行數(shù)據(jù)時，兩次航班的飛行時間并不一致。其次，不同的時間序列可能僅僅存在時間軸上的平移。在這些情況下，使用傳統(tǒng)的歐氏距離無法有效度量兩個時間序列之間的相似性。相反，DTW方法引入序列對齊的思想，允許兩個時間序列在不同時間戳處的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。采用DTW方法，使序列中的點不再是一一對應(yīng)關(guān)系，而是表現(xiàn)為一對一、一對多和多對一共存的多種映射，則可以扭曲時間軸使得序列之間總體的距離最小化。

當(dāng)兩組序列不等長時，基于DTW算法實現(xiàn)不同長度的時間序列之間相似程度的比較。傳統(tǒng)DTW算法引入動態(tài)規(guī)劃算法，導(dǎo)致時間復(fù)雜度高，計算成本較大。為解決計算成本問題，在DTW算法的路徑尋找過程中引入A*算法，以加快算法的運行速度。A*算法是一種靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中求解最短路徑的有效方法[5]?？蓪⒕嚯x矩陣D作為尋路圖，， i jd數(shù)值作為代價加入到代價函數(shù)的計量中，從而尋得由1，1d到， n md的最短距離，返回的路徑距離即本算法計算得到的兩序列間的相似程度。

（三） DTW改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)算法分析試驗

最后進(jìn)近著陸過程中，數(shù)據(jù)記錄的俯仰角q與駕駛桿位移c d、滾轉(zhuǎn)角f與駕駛盤轉(zhuǎn)角Wd有密切聯(lián)系。但記錄的飛機(jī)姿態(tài)角頻率為4 Hz，駕駛桿、盤的記錄頻率為8 Hz。且在截取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的時候，同樣的數(shù)據(jù)截獲條件下，截獲的數(shù)據(jù)長短可能有區(qū)別。以下首先進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)算法、DTW改進(jìn)算法的性能比較。圖2為選取的某一典型航段的4個參數(shù)記錄時間序列。

針對上述4組飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，計算結(jié)果為：俯仰姿態(tài)角q和駕駛桿位c d的絕對關(guān)聯(lián)度0.8954；俯仰姿態(tài)角q和駕駛盤位Wd的絕對關(guān)聯(lián)度0.5372；駕駛桿位c d和橫滾姿態(tài)角f的絕對關(guān)聯(lián)度0.9007；橫滾姿態(tài)角f和駕駛盤位Wd的絕對關(guān)聯(lián)度0.5003。

通過DTW改進(jìn)算法分析，進(jìn)一步降低了由于統(tǒng)一序列長度而帶來的算法誤差，使得這種解耦性表現(xiàn)出更強(qiáng)的趨勢。

以下仍選取歸一化空速、地速、下降率、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、駕駛桿、盤、腳蹬、油門桿位移，選取200ft-50ft和50ft-0ft兩個階段，分別將其與標(biāo)準(zhǔn)著陸航班的對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立，分析其與標(biāo)準(zhǔn)序列在DTW改進(jìn)算法下的相似程度，結(jié)果如圖3表示。

可以看出，經(jīng)DTW改進(jìn)算法的計算結(jié)果顯示出與灰色關(guān)聯(lián)算法類似的結(jié)論，且下降率、駕駛盤轉(zhuǎn)角、滾轉(zhuǎn)角在兩個飛行階段表示出更強(qiáng)的一致性。因此，飛行員須在最后進(jìn)近階段始終保持這3個參數(shù)的穩(wěn)定性。就其他參數(shù)而言，進(jìn)入跑道入口后的操作對垂直載荷具有更強(qiáng)的影響。

通過研究實際飛機(jī)進(jìn)近與著陸階段數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在飛行過程中，如果飛機(jī)在200ft-50ft通過不斷調(diào)整，最后50 ft按標(biāo)準(zhǔn)下滑，飛機(jī)也可以安全著陸，但如果最后50 ft對下降率和滾轉(zhuǎn)角的保持、駕駛盤操作不得當(dāng)，則重著陸發(fā)生的概率就會大大增加。

三、結(jié)語

本文首先研究了9項飛行狀態(tài)參數(shù)在200ft-50ft、50 ft至接地的灰色接近關(guān)聯(lián)度，得出的結(jié)論是俯仰角、空速歸一化值、地速、油門桿位移、駕駛桿位移、腳蹬偏移量等參數(shù)在50ft-0ft階段越接近于標(biāo)準(zhǔn)序列，著陸載荷越逼近1.3 g左右的理想著陸狀態(tài)。著陸前保持橫側(cè)和下降率的穩(wěn)定是安全著陸的重要前提。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于動態(tài)時間彎曲修正的灰色接近關(guān)聯(lián)算法，降低了因飛行數(shù)據(jù)抽樣造成的算法誤差，進(jìn)一步強(qiáng)化了相關(guān)結(jié)論。上述結(jié)論與飛行操作實踐完全符合。

參考文獻(xiàn)：

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