通用航空飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

路 晶， 王合超， 王永根， 史 宇

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院， 四川 廣漢 618307； 2.中國民用航空飛行學(xué)院 航空安全辦公室， 四川 廣漢 618307)

早在1962年，英國航空公司就開始對飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控進(jìn)行研究。通過不斷的深入研究，飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控已經(jīng)成為通用航空研究的重要主題[1]。飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)是指通過飛機(jī)飛行后獲取其數(shù)據(jù)并分析的系統(tǒng)[2-5]，用于提高飛行品質(zhì)。飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)通過對收集到的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以有效提高飛行訓(xùn)練質(zhì)量，避免飛行安全問題，完善飛行訓(xùn)練規(guī)章制度，加快通用航空研究信息化、智能化建設(shè)腳步。

當(dāng)前，國內(nèi)運輸航空公司普遍采用AirFASE、AGS、FDS等商業(yè)監(jiān)控平臺軟件，針對兩千多個QAR運行參數(shù)開發(fā)成熟的監(jiān)控項目和指標(biāo)方案。與此同時，無線QAR傳輸和大數(shù)據(jù)技術(shù)的推廣進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)、共享和應(yīng)用。飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)通過針對飛行數(shù)據(jù)的研究從而實現(xiàn)對飛行中危險源的識別，現(xiàn)已成為通航安全管理體系的重要部分。QAR監(jiān)控信息為公司SMS管理、飛行品質(zhì)管理、維修管理、運行及性能管理提供了有效的平臺和支撐。近幾年隨著民航業(yè)的飛速發(fā)展，飛行監(jiān)控分析技術(shù)不斷更新，民航技術(shù)的發(fā)展提供了解決通用航空缺乏飛行安全與分析管理的有效方法。

1 飛行數(shù)據(jù)收集

飛行數(shù)據(jù)的收集是綜合航電系統(tǒng)實現(xiàn)的，以佳明公司的綜合航電系統(tǒng)為代表。佳明公司的綜合航電系統(tǒng)(以下簡稱Garmin1000)通過自身所帶的SD卡獲取收集飛行數(shù)據(jù)，同時還提供了即時信息和飛行界面。Garmin1000如圖1所示。

飛行數(shù)據(jù)是保障飛行安全、調(diào)查飛行事故的重要依據(jù)[6]。隨著飛行數(shù)據(jù)研究技術(shù)的不斷發(fā)展，利用飛行數(shù)據(jù)實現(xiàn)了飛行視景還原[7]，飛行航跡預(yù)測[8]以及飛行異常事件研究[9]等功能。飛行數(shù)據(jù)的研究與分析，有助于改善飛行質(zhì)量，保障飛行安全。目前，針對通航飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控手段較多，但是現(xiàn)有通用航空運行單位只能結(jié)合以往經(jīng)驗，采用人工篩查飛行超限事件，但是面對龐大的飛行數(shù)據(jù)量，只能通過抽樣的方式生成飛行報告，無法充分合理地利用數(shù)據(jù)。這種人工篩查的方式存在無法全面監(jiān)控，可分析的超限事件種類很少，需要手動填寫評估報告，工作量大、周期長、易出錯等問題。

綜上所述，針對目前飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控需要大量人力、人工分析飛行數(shù)據(jù)存在誤差、超限事件問題種類不足、飛行數(shù)據(jù)分析缺乏時效性等問題，研究設(shè)計一種通用航空飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)來解決上述問題，有效分析飛行數(shù)據(jù)，科學(xué)全面自動生成飛行數(shù)據(jù)報告，保障飛行安全，提高飛行品質(zhì)。

2 通用航空飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

通航飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)(GA-FDMS)為C/S模式，包括服務(wù)端和客戶端兩套系統(tǒng)。服務(wù)器端運行在超高計算密度服務(wù)器主機(jī)平臺，主要包括針對飛行數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)據(jù)項目分析模塊、通航飛行專家知識庫模塊、針對“臟數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)清洗模塊，以及飛行品質(zhì)評估模塊等?？蛻舳诉\行在普通主機(jī)平臺上，包括數(shù)據(jù)模塊、飛行事件監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)處理和報告模塊、飛行事件分析報告模塊等主要模塊。GA-FDMS系統(tǒng)工作流程分為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析兩大基礎(chǔ)模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)SD卡數(shù)據(jù)上傳、清洗，自動或人工匹配篩查標(biāo)準(zhǔn)，并做好數(shù)據(jù)庫分類儲存，如圖2所示。

數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)SD卡數(shù)據(jù)篩查，自動生成事件描述和等級分類，同時支持人工補充分析，最終形成分析報告，如圖3和圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析模塊流程(事件分析)

圖4 數(shù)據(jù)分析模塊流程(報告)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)的處理

目前國內(nèi)以具有Garmin1000機(jī)載系統(tǒng)的CESSNA172R型飛機(jī)為主要飛行訓(xùn)練機(jī)型。Garmin1000通過其系統(tǒng)本身的SD卡自動記錄飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、偏轉(zhuǎn)角以及滾轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵飛行數(shù)據(jù)。Garmin1000在記錄數(shù)據(jù)時，傳輸頻率為1次/s，傳輸格式為CSV文件格式。在這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被采集后，將以數(shù)據(jù)包的形式每12 s進(jìn)行一次存儲，每類數(shù)據(jù)將被存儲在文件中固定列中。

針對存儲數(shù)據(jù)中的臟數(shù)據(jù)情況，需要根據(jù)不同情況對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗預(yù)處理。針對無效文件，數(shù)據(jù)文件小于50 KB的文件一般為Garmin1000短時通電和開車后短時關(guān)機(jī)的情況，因此不具有分析價值。針對空白數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前通過系統(tǒng)預(yù)先刪除。針對延遲數(shù)據(jù)，利用Garmin1000對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，采集通道存在差異，使得數(shù)據(jù)產(chǎn)生延遲現(xiàn)象。

3.2 通用航空飛行專家知識庫

在通航專家的幫助下構(gòu)建專家知識庫，包含兩部分內(nèi)容：①對不安全飛行超限事件識別條件及其閾值，這些識別條件已經(jīng)作為算法模型嵌入至系統(tǒng)中，成為系統(tǒng)的核心代碼；②對區(qū)域識別和飛行程序進(jìn)行規(guī)范，這些相關(guān)規(guī)范以地球投影坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)字區(qū)域算法模型，在系統(tǒng)計算時識別飛機(jī)位置及狀態(tài)，從而明確應(yīng)識別的飛行超限事件。

通過對CESSNA172飛機(jī)和SR20飛機(jī)Garmin1000系統(tǒng)SD卡存儲數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，逐個分析后確立監(jiān)控項目，即結(jié)合飛行訓(xùn)練的特點，對照標(biāo)準(zhǔn)飛行程序(SOP)和《運行手冊》等運行安全要求，通過SD卡數(shù)據(jù)的組合來刻畫飛行階段和篩查超限數(shù)據(jù)。

利用系統(tǒng)中的分析工具對飛行數(shù)據(jù)中變化率較大的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析篩查并判斷是否為偏離閾值的數(shù)據(jù)，即使用系統(tǒng)中的運算公式和邏輯結(jié)構(gòu)分析飛行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，判斷該類數(shù)據(jù)是否超過規(guī)定的閾值范圍，例如針對超限事件中的近地俯仰過載、粗猛操作油門等監(jiān)控項目指定超限事件分析規(guī)則。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 服務(wù)端

服務(wù)端主要包括針對飛行數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析模塊、通航飛行專家知識庫模塊、針對“臟數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)清洗模塊，以及飛行品質(zhì)評估模塊等。

數(shù)據(jù)分析模塊通過收集到的飛行數(shù)據(jù)分析出飛行相關(guān)信息，包括航空器信息、飛行環(huán)境數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)運行數(shù)據(jù)。飛行數(shù)據(jù)可以采用飛行數(shù)據(jù)記錄卡(SD卡)來進(jìn)行采集記錄，數(shù)據(jù)項目分析模塊從飛行數(shù)據(jù)得出相關(guān)飛行信息后，將相應(yīng)數(shù)據(jù)提供給其他模塊進(jìn)行進(jìn)一步的分析使用。本實施中，綜合航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)項目解析引擎模塊可以分析出包括上述航空器識別信息、飛行環(huán)境數(shù)據(jù)、飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)運行數(shù)據(jù)在內(nèi)的51類數(shù)據(jù)類別。

通航飛行專家知識庫模塊用于存儲不安全飛行超限事件識別條件及其閾值。一般來說，不安全飛行超限事件識別條件及其閾值需要由專業(yè)經(jīng)驗豐富的飛行專家提供，該系統(tǒng)集成了這些相關(guān)方面的所有專家知識，且大部分知識都已經(jīng)歷5 000 h以上飛行訓(xùn)練驗證過。這些識別條件作為算法模型嵌入至通用航空飛行專家知識庫模塊中，成為模塊的核心代碼[10]。

4.2 客戶端

客戶端運行在普通主機(jī)平臺上，包括數(shù)據(jù)模塊、飛行事件監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)處理和報告模塊、飛行事件分析報告模塊等主要模塊。數(shù)據(jù)模塊用于對飛行區(qū)域進(jìn)行定義計算、機(jī)型管理以及航空器與航電系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系定義。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主界面

其中飛行事件監(jiān)控模塊用于維護(hù)、定制、修改或新增事件監(jiān)控引擎。本實施例中，初始提供33項經(jīng)過5 000 h以上的事件監(jiān)控項目，并支持用戶定制或新增事件監(jiān)控引擎。用戶定制事件監(jiān)控引擎，即用戶根據(jù)自己需求的飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)分析程序代碼，并可將分析程序代碼添加到事件監(jiān)控引擎列表中，用戶新增監(jiān)控引擎，即用戶結(jié)合自身需求，實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)分析程序代碼，并將分析程序代碼添加到監(jiān)控引擎列表。本系統(tǒng)支持的自定義數(shù)據(jù)分析程序設(shè)計語言為Lua。

分析報告引擎管理模塊用于提供基于時間段、運行單位、機(jī)型的完整報告匯總，還用于提供時間分布圖表、事件類型分布與時次率圖表、事件各基地分布圖表或事件發(fā)生率圖表中的一種或多種。其中圖表定制設(shè)計部分使用了報表控件FastReport。FastReport提供了強大的報表設(shè)計能力，可以對分析報告中的各項指標(biāo)，包括但不限于文字、表格、注解、柱狀圖、餅狀圖等報表元素進(jìn)行自定義調(diào)整，提供最大的靈活性。在本系統(tǒng)中，報表的數(shù)據(jù)由服務(wù)端提供，客戶端得到報表的數(shù)據(jù)后，由FastReport報表展現(xiàn)引擎進(jìn)行展現(xiàn)，并可進(jìn)行另存、打印、導(dǎo)出等操作。單機(jī)事件報告引擎界面如圖6所示。

圖6 單機(jī)事件報告引擎界面

5 系統(tǒng)創(chuàng)新及應(yīng)用情況

通過通航飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對飛行數(shù)據(jù)的高效分析與研究，可以科學(xué)全面地挖掘飛行數(shù)據(jù)潛在的信息與聯(lián)系，統(tǒng)計飛行數(shù)據(jù)分析結(jié)果，分析超限事件原因，從而樹立飛行安全相關(guān)規(guī)范。該系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點如下：

1)該系統(tǒng)包含一種支持客戶端輸入運算代碼的運算引擎，客戶端輸入運算代碼后，由服務(wù)器執(zhí)行運算。

2)靈活定制引擎，同一機(jī)型可提供不同分析引擎，可根據(jù)運行單位要求編制報告引擎。

3)系統(tǒng)加載通用航空飛行專家知識庫，初始提供高品質(zhì)高正確性的可靠分析引擎，監(jiān)控事件種類3倍于傳統(tǒng)監(jiān)控模式。

4)可運用于所有具備綜合航電系統(tǒng)的機(jī)型，一套系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)隊所有機(jī)型。

5)具有強大的分析能力，每小時最低可分析約20架飛機(jī)6G容量的飛行數(shù)據(jù)，30倍于人工分析能力。

6)基于強大計算能力，可以達(dá)到全面、實時監(jiān)控機(jī)隊所有飛機(jī)的所有數(shù)據(jù)，獲得真正全面準(zhǔn)備的分析結(jié)果。

7)運用廣泛，可廣泛運用于訓(xùn)練、農(nóng)業(yè)等各種通用航空運行環(huán)境。

8)分析結(jié)果可與航空運行其他部門對接重用，可用于進(jìn)一步的航空安全管理工作，例如飛行標(biāo)準(zhǔn)管理部門及航空安全管理部門。

截至2019年6月，該系統(tǒng)在某飛行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)中累計完成飛行品質(zhì)監(jiān)控報告23份，分析數(shù)據(jù)177 000 h，處理數(shù)據(jù)近7億組。同時，該系統(tǒng)也在事故調(diào)查中起到重要作用。

2018年，受某地區(qū)監(jiān)管局委托，對某航空公司一架水陸兩棲的小型飛機(jī)在例行飛行訓(xùn)練時失事墜入水中事件進(jìn)行了SD卡數(shù)據(jù)分析，撰寫了分析報告，為事故調(diào)查提供了相關(guān)證據(jù)。在系統(tǒng)功能不斷完善的前提下，今后，該系統(tǒng)會在越來越多的情況下發(fā)揮作用。

6 結(jié)語

針對目前通用航空運行單位對飛行超限事件篩查不便、飛行數(shù)據(jù)繁多計算量極大、無法全面科學(xué)地分析飛行數(shù)據(jù)、通用航空飛行數(shù)據(jù)分析和運行風(fēng)險缺乏有效工具和監(jiān)控手段等問題，研究設(shè)計通航飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一種通用航空飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控安全管理新途徑。飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采用自動收集數(shù)據(jù)技術(shù)獲取保存飛行數(shù)據(jù)，再利用通航飛行專家知識庫對獲取到的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，自動生成飛行品質(zhì)報告，通過該系統(tǒng)有效保障了飛行安全，同時提高了飛行訓(xùn)練品質(zhì)，為飛行事故調(diào)查提供重要技術(shù)支撐。

目前，該系統(tǒng)已在飛行訓(xùn)練中推廣使用并取得良好效果。隨著訓(xùn)練機(jī)型和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不斷增加，系統(tǒng)需要分析處理的數(shù)據(jù)量也在不斷攀升，如何運用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)加大數(shù)據(jù)分析力度、挖掘數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，進(jìn)而最大限度發(fā)揮SD卡記錄信息效能，將是下一步需要著重研究解決的問題。