飛機(jī)著陸震蕩的定量評價方法

周 峰，郭世廣

(中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201323)

0 引言

飛機(jī)震蕩是人機(jī)系統(tǒng)相互作用的一種形式，在某種特定的情況下，比如駕駛員需要精確操縱飛機(jī)時，嚴(yán)重的耦合會導(dǎo)致不期望的振蕩或發(fā)散運動[1]。飛行震蕩可分成以下兩種類型：駕駛員對俯仰姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制而引起的飛行震蕩，稱作Ⅰ型飛行震蕩；開環(huán)操縱或擾動而產(chǎn)生的飛行震蕩稱為Ⅱ型飛行震蕩。

在民航客機(jī)中最常發(fā)生的是Ⅰ型飛行震蕩，這類飛機(jī)震蕩多發(fā)生在飛機(jī)精確任務(wù)(如著陸拉平)時，造成飛機(jī)俯仰點頭(nose bobble)[1]。飛行員會本能地使用駕駛桿來消除這種震蕩，然而由于飛機(jī)操縱系統(tǒng)的延時反應(yīng)，飛行員施加的力非但沒有使這個震蕩減輕，反而加劇了震蕩程度。這種著陸階段人為操作誘發(fā)的震蕩可能會造成飛機(jī)的不安全著陸事件或者事故，包括飛機(jī)重著陸和遠(yuǎn)著陸。飛機(jī)發(fā)生震蕩或者重著陸可導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞，更嚴(yán)重可導(dǎo)致機(jī)毀人亡。據(jù)航空界統(tǒng)計，在航空歷史上至少有10多架飛機(jī)因為出現(xiàn)類似飛行震蕩的情景而墜毀[2]。

飛機(jī)著陸震蕩事件有一個共同點是在飛機(jī)著陸構(gòu)型中，放大襟翼角度。開始時，飛機(jī)表現(xiàn)為俯仰振蕩和滾轉(zhuǎn)，隨后便是突然急劇掉高度。飛機(jī)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角是描述飛機(jī)機(jī)體整體運動狀態(tài)的參數(shù)，當(dāng)飛機(jī)發(fā)生不穩(wěn)定著陸時，這兩個參數(shù)會出現(xiàn)異常[3]。飛行員通過飛機(jī)操作桿和油門桿等操作裝置改變飛機(jī)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，這兩個參數(shù)是飛行員操作的結(jié)果。這兩個參數(shù)異常表明飛行員的操作不夠穩(wěn)定。所以，可以通過這兩個參數(shù)判斷飛行員著陸操作水平。

對飛機(jī)著陸的不安全事件的分析評價也受到眾多學(xué)者的關(guān)注，如Wang等[4]為了識別飛行震蕩的控制風(fēng)險和飛行員操縱的自適應(yīng)，構(gòu)建了一個時變的飛行員模型，并結(jié)合基于模糊邏輯的識別算法進(jìn)行了定量驗證；華藝欣等[5]根據(jù)桿力特性對PIO的影響規(guī)律，設(shè)計了4組不同的桿力梯度進(jìn)行對比分析，得到嚴(yán)格按照俯仰機(jī)動力梯度等級中的1級桿力梯度要求選取，駕駛員就能夠較為輕松、準(zhǔn)確地完成俯仰截獲任務(wù)；張程等[6]采用小波分析方法計算駕駛員輸出的能量峰值和飛機(jī)被控對象的相位滯后兩個特征參數(shù)，對時變?nèi)藱C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了飛行品質(zhì)評價。

飛行參數(shù)也是數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的研究熱點，該領(lǐng)域積累了相當(dāng)數(shù)量的成果。鄭磊等[7-8]從快速存取記錄器(Quick Access Recorder，QAR)記錄的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律并提前預(yù)警，使用基于動態(tài)時間規(guī)整距離的時間序列聚類分析來確定飛行操作模式，然后研究在已知和未知飛行操作模式的情況下，分析重著陸預(yù)警的效果。

本文分別通過分析正常著陸和模擬發(fā)生因飛行操作產(chǎn)生飛機(jī)震蕩的飛行數(shù)據(jù)，研究飛行參數(shù)隨時間變化的曲線與飛機(jī)震蕩的關(guān)系，用以定量評價飛行員在著陸階段的操作發(fā)生著陸震蕩的水平。

1 曲線分段相似度算法

1.1 算法流程

曲線分段相似度的算法主要包括兩個部分，分別是曲線分段、段內(nèi)曲線相似度計算。

曲線分段，根據(jù)關(guān)鍵點對曲線進(jìn)行分段[9]。首先對曲線間差異較大的區(qū)域進(jìn)行劃分，然后對各個劃分區(qū)域內(nèi)所有的點計算其對應(yīng)的斜率，最后取斜率絕對值的極大值作為分段點。

段內(nèi)曲線相似度計算，計算曲線的相似度目的是為了減小曲線相似度比較過程中的誤差。在一定的范圍內(nèi)，對曲線相似距離進(jìn)行優(yōu)化[9]。

1.2 曲線相似度計算

依據(jù)上述的方法，計算所有的曲線段間相似度，然后通過累計求和的方法計算實際曲線和目標(biāo)曲線的相似距離dsum，如下式所示：

(1)

其中：l1i和l2i分別表示目標(biāo)曲線和實際曲線在第i個匹配段的時間長度；l1總和l2總分別表示目標(biāo)曲線和實際曲線總的時間長度；Ns表示分段的數(shù)量，dsim表示第i段的相似距離。

2 波動率

波動率是曲線的波動程度[10]，是對參數(shù)不確定性的衡量，用于反映操作的風(fēng)險水平。波動率越高，操作動作越劇烈，飛機(jī)震蕩就越強(qiáng)烈[11]。波動率計算方法如下式所示：

(2)

3 建立評價模型

本文選取著陸階段飛機(jī)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角作為定量分析飛機(jī)著陸俯仰震蕩的關(guān)鍵參數(shù)。著陸階段飛機(jī)的俯仰角曲線是較平滑的，如圖1所示，而且有若干個曲率大的點，所以可以用曲線分段相似度的方法來評價該參數(shù)對飛機(jī)著陸過程穩(wěn)定性的影響，可得到飛機(jī)俯仰角的實際曲線與目標(biāo)曲線的相似距離dsum。該相似距離是一個負(fù)向指標(biāo)，相似距離值越小，表示目標(biāo)曲線和實際曲線越相似，飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性就越好。

著陸階段飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角曲線波動幅度較大，如圖2所示。使用曲線分段相似度的方法來描述該參數(shù)對飛機(jī)著陸穩(wěn)定性的影響是不準(zhǔn)確的，所以引入波動率的理論來評價該參數(shù)對飛機(jī)穩(wěn)定性的影響，可得到飛機(jī)著陸階段的滾轉(zhuǎn)角曲線的波動率P。波動率P是負(fù)向指標(biāo)。P值越小，表示飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性就越好。

將兩個飛行參數(shù)對應(yīng)的評價指標(biāo)加權(quán)融合為評價飛行員飛行操作誘發(fā)的震蕩水平的一致性度量。

Z=w1dsum+w2P，

(3)

本文通過分析飛機(jī)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的曲線，分別給出其對應(yīng)的計算方式，并將其結(jié)果加權(quán)融合為一個一致性度量值Z，用于對飛機(jī)著陸過程的飛機(jī)震蕩進(jìn)行評價。Z是負(fù)向指標(biāo)，Z值越小，表示飛行震蕩程度越小，飛行員操作水平越好。通過加權(quán)融合為一個一致性度量值，用于度量著陸震蕩水平，較為簡單、直觀；權(quán)值也可根據(jù)需求改變，應(yīng)用性、靈活性較強(qiáng)。

圖1 著陸階段俯仰角目標(biāo)曲線

圖2 著陸階段滾轉(zhuǎn)角目標(biāo)曲線

4 實例驗證與分析

4.1 目標(biāo)曲線的獲取

本次飛行模擬實驗共有20個被試，每個被試在正式實驗之前進(jìn)行了預(yù)先實驗，減少了偶然因素的影響。每個被試進(jìn)行3次正式實驗，共得到60份實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)飛機(jī)無線電高度的變化率最接近-1.8 m/s，從60份數(shù)據(jù)里篩選出5份數(shù)據(jù)，對篩選出的數(shù)據(jù)求平均值，依據(jù)平均值做出一條隨時間變化的曲線，這條曲線就是目標(biāo)曲線。由于選出的這5份數(shù)據(jù)對應(yīng)的被試操作表現(xiàn)最好，操作動作一致，因此這5份數(shù)據(jù)擬合成較為平滑的曲線，如圖1、圖2所示。

由于機(jī)場條件、氣象條件等外部因素都會影響到飛機(jī)著陸，不同機(jī)場海拔、跑道條件等環(huán)境因素對飛行操作要求也不盡相同。因此，本研究選定數(shù)據(jù)樣本時有以下限定條件：選取的數(shù)據(jù)為從飛機(jī)無線電高度在90 m的時刻到飛機(jī)觸地后的時刻共40 s內(nèi)的數(shù)據(jù),選取特定機(jī)型為塞斯納G1000，選擇的機(jī)場為上海浦東機(jī)場第五跑道。

4.2 實例驗證

從所收集的數(shù)據(jù)中，根據(jù)操作熟練度和操作結(jié)果選取一個發(fā)生典型著陸不安全事件的樣本的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角參數(shù)所對應(yīng)的曲線作為實際曲線，與目標(biāo)曲線進(jìn)行相似距離和波動率值的比較。所選數(shù)據(jù)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角參數(shù)的曲線如圖3、圖4所示。

圖3 俯仰角曲線

圖4 滾轉(zhuǎn)角曲線

首先根據(jù)曲線特征把曲線分成若干段，就是選取曲率較大的點作為分段點。經(jīng)過計算，可把俯仰角的實際曲線分為5段，分別為0～7 s、7～13 s、13～20 s、20～29 s、29～40 s；與實際曲線相匹配，可把目標(biāo)曲線分為5段，分別為0～6 s、6～10 s、10～21 s、21～33 s、33～40 s。有公式(1)計算可得每一段的相似距離，第一段的相似距離為1.59，第二段相似距離為3.22，第三段的相似距離為1.06，第四段的相似距離為4.00，第五段的相似距離為0.18。由公式(3)能夠得到俯仰角實際曲線和目標(biāo)曲線的總的相似距離為5.32。

其次，由公式(2)可得到實際曲線相對于目標(biāo)曲線的波動率為0.8985。本文取w1、w2都為1/2，由式(3)可得到Z為3.109 25。

4.3 評價結(jié)果

俯仰角參數(shù)的相似距離和滾轉(zhuǎn)角參數(shù)的波動率指標(biāo)都是負(fù)向指標(biāo)。所以，兩個參數(shù)的一致性度量值也是負(fù)向指標(biāo)，它們的值越小，被試的著陸操作越穩(wěn)定，飛機(jī)發(fā)生的著陸震蕩越小，此被試的飛行操作水平越高。在這次實例驗證中，實際曲線與目標(biāo)曲線相似距離較大，波動率超過80%。所以，實際曲線所對應(yīng)的飛機(jī)的著陸穩(wěn)定性較差，被試的飛行著陸操作水平需要提高。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中提出的著陸操作平穩(wěn)性評價方法，對實際曲線和目標(biāo)曲線對應(yīng)的飛行員進(jìn)行操作績效評估，結(jié)果表明目標(biāo)曲線績效優(yōu)于實際曲線的績效，這和本研究的飛機(jī)著陸震蕩的定量評價方法的結(jié)果一致，也說明了該方法的有效性。

5 結(jié)論

基于曲線分段方法、波動率和模擬飛行QAR數(shù)據(jù)建立了飛行員著陸震蕩的定量評價模型，通過實際曲線與目標(biāo)曲線的一致性度量，驗證了模型的實用性和可行性。該方法可用于定量評估飛行著陸震蕩的風(fēng)險水平，可以為航空公司建立相應(yīng)的預(yù)測飛機(jī)震蕩的準(zhǔn)則提供參考，可幫助飛行員提高駕駛技術(shù)，具有一定應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。本研究是在限定條件下開展飛行模擬實驗，只研究人為因素對著陸震蕩的影響，因此沒有考慮風(fēng)速等外部因素的影響，下一步研究可結(jié)合外部環(huán)境開展。