基于試飛安全要素的飛參自動判讀分析工程研究

李煦陽，程 波，李振武

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，四川成都 610073）

0 引言

近年來，隨著飛機系統(tǒng)更迭換代的速度加快，采用新系統(tǒng)、新技術(shù)的飛機數(shù)量愈發(fā)增多，對于飛機生產(chǎn)制造的過程而言，其出廠階段試飛測試任務(wù)量相應(yīng)大幅提升，對飛機試飛任務(wù)的執(zhí)行效率提出了新的要求。尤其是飛參數(shù)據(jù)的判讀與處置、結(jié)果分析和故障定位，以及提供后續(xù)飛行的放飛標準，均較以往在數(shù)量和頻率上大大提高。然而，飛參系統(tǒng)雖承擔(dān)了飛機大量連續(xù)量、開關(guān)量信號的記錄工作，卻難以具備對自身記錄內(nèi)容執(zhí)行先行判定、提取可疑故障信息的能力，飛參數(shù)據(jù)的有效性和故障認定主要依托于飛行完成后的專業(yè)技術(shù)人員的人工判讀。

該種人工判讀方法主要依賴判讀人員的經(jīng)驗累積。由于飛機系統(tǒng)復(fù)雜度的明顯提高，飛行平臺的功能多樣性大幅加強，各系統(tǒng)間存在強交聯(lián)，各專業(yè)系統(tǒng)自身判讀規(guī)則差異度大，導(dǎo)致人工判讀模式下對飛參數(shù)據(jù)的漏判、誤判概率較高，對飛機飛行質(zhì)量和工作可靠性產(chǎn)生了明顯影響[1]。加之試飛測試任務(wù)的特殊性，其具有任務(wù)不可重復(fù)度高、人力及物力投入量大等特征，因飛參判讀導(dǎo)致的試飛測試任務(wù)結(jié)果無效會帶來巨大的財力投入損失和航空發(fā)動機為主的飛機系統(tǒng)壽命無謂消耗[2]，嚴重影響飛機出廠效率和功能實現(xiàn)的保障度。因此，建立一套基于試飛安全要素的飛參自動判讀分析系統(tǒng)，并應(yīng)用于飛機生產(chǎn)制造、交付客戶及全生命周期內(nèi)的飛行任務(wù)保障中，具有很強的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外針對飛機飛行產(chǎn)生的飛參數(shù)據(jù)處置與分析采用了多種方法：波音公司針對其客機飛參記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)事后分析需求，執(zhí)行專門的設(shè)備故障原因的分析和告警，由此提出了一種專項的飛機信息管理系統(tǒng)[3]；空客公司為實現(xiàn)對飛機的實時監(jiān)控與故障診斷，研發(fā)了數(shù)字化排故及維修管理軟件AIRMAN，可向地勤維護人員提供不同故障的維修建議[4]。國內(nèi)的專業(yè)人員主要著眼于飛參數(shù)據(jù)判讀分析與實際工程應(yīng)用的結(jié)合，如陳煒軍、崔德平等利用Origin 數(shù)據(jù)軟件的深度分析功能，將飛參數(shù)據(jù)處理方法歸納為閾值、比較和關(guān)聯(lián)等關(guān)系[5]，提出了飛參判讀如何服務(wù)于飛機出動效率保障的思路；游磊、孫宏等利用機載飛參數(shù)據(jù)的構(gòu)成特性，對其數(shù)據(jù)品質(zhì)進行分析，以服務(wù)于民航訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)航電模塊操縱品質(zhì)的評定和監(jiān)控[6]。

不論飛參判讀處理與工程實際的最終結(jié)合形式如何，不同研究方向中的飛參數(shù)據(jù)處置均需對飛參記錄信息內(nèi)的故障信息進行認定，繼而指出該故障的發(fā)生時段及發(fā)生頻率、對飛行安全的影響程度和較直接的故障處置方法[7]。對故障本身的等級、嚴重度、影響范圍等認定的最好方式之一，就是將故障信息及所存在的飛參數(shù)據(jù)環(huán)境，與實際的試飛安全要素影響因子結(jié)合起來判斷。試飛安全要素可概括為執(zhí)行試飛任務(wù)的環(huán)境條件（如大氣環(huán)境、總溫與總壓、實時風(fēng)力影響度等），任務(wù)自身執(zhí)行過程中的安全要素（如科目風(fēng)險等級、飛機自身系統(tǒng)狀態(tài)和實施條件、場地設(shè)備的安全運行程度等）和人為因素的介入情況（如飛行員自身操作習(xí)慣、空勤與地勤人員維護工作完成度等）。以上要素除人為因素外，均可通過簡化的數(shù)學(xué)模型引入飛參判讀的實施過程中[8]，尤其是對飛機自身系統(tǒng)的安全容許度的界定，現(xiàn)階段已具有較明確的執(zhí)行標準。以上要素的概括，即構(gòu)成了本文所研究的飛參自動判讀分析工程的理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

飛參自動判讀分析系統(tǒng)組成如圖1 所示。該系統(tǒng)使用VC進行開發(fā)，以實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的快速處理和分析[9]，同時具有圖像化界面的執(zhí)行優(yōu)勢，易于對飛參數(shù)據(jù)進行圖形化分析和執(zhí)行判讀規(guī)則庫的構(gòu)建。

圖1 飛參自動判讀分析系統(tǒng)組成

該飛參自動判讀分析系統(tǒng)先由預(yù)處理及解析模塊，對導(dǎo)入的飛參原始數(shù)據(jù)進行解碼、轉(zhuǎn)譯，生成為系統(tǒng)可直接讀取的數(shù)字量參數(shù)，包含：以連續(xù)數(shù)值變化方式出現(xiàn)的連續(xù)狀態(tài)量（以下簡稱連續(xù)量）、以或門關(guān)系“0/1”或多個特定定義值出現(xiàn)的開關(guān)狀態(tài)量（以下簡稱開關(guān)量）、定義子系統(tǒng)工作狀態(tài)的心跳字/計數(shù)字等。經(jīng)解析后的該類參數(shù)導(dǎo)入各目的不同的功能實現(xiàn)模塊中，如在飛參數(shù)據(jù)繪圖模塊內(nèi)，即對解析后飛參數(shù)據(jù)中的數(shù)個或幾十個連續(xù)量、開關(guān)量按時序和閾值范圍交聯(lián)關(guān)系進行連續(xù)變化的曲線繪制，可直觀顯示飛參數(shù)據(jù)的變化態(tài)勢；而在自動判讀模塊內(nèi)，則經(jīng)由預(yù)編寫的判讀規(guī)則庫，對飛參數(shù)據(jù)內(nèi)各變量進行結(jié)果判定，其認定結(jié)果可為故障信息真?zhèn)蔚恼J定，也可為參數(shù)合格度的認定。

如圖2 所示，可將該系統(tǒng)在邏輯層面上劃分為4 級。底層數(shù)據(jù)級負責(zé)向整個系統(tǒng)內(nèi)各級提供判讀所需數(shù)據(jù)和自動判讀規(guī)則，該部分數(shù)據(jù)可為每次經(jīng)由預(yù)處理模塊處置后的解析后數(shù)據(jù)，也可從歷史數(shù)據(jù)中調(diào)用回放。服務(wù)級負責(zé)對該系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)功能實現(xiàn)提供函數(shù)支持，包括原始數(shù)據(jù)的解析規(guī)則、解析后各數(shù)據(jù)量的狀態(tài)定義和自動判讀規(guī)則實現(xiàn)所需的不同函數(shù)關(guān)系。業(yè)務(wù)級基于數(shù)據(jù)級和服務(wù)級，生成該系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)模塊。而最終飛參判讀工作執(zhí)行者則由用戶級獲取所需的自動判讀、飛參查看、數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

圖2 飛參自動判讀分析系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

該系統(tǒng)自動判讀規(guī)則庫采用如下方式構(gòu)建：①對于飛參內(nèi)連續(xù)量參數(shù)，通過真實試飛情況、飛機系統(tǒng)理論性能要求及試飛技術(shù)人員經(jīng)驗認知，對連續(xù)量參數(shù)閾值進行試飛過程中不同狀態(tài)下范圍界定；②對于飛參內(nèi)開關(guān)量參數(shù)，其各定義值與實際飛行狀態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)為相應(yīng)判讀規(guī)則；③對于部分多參數(shù)結(jié)合交聯(lián)關(guān)系的判讀邏輯，則依據(jù)試飛安全要素關(guān)聯(lián)度明確其參數(shù)判定邏輯（圖3）。

圖3 飛參自動判讀規(guī)則庫組成

最終，該判讀系統(tǒng)對飛參數(shù)據(jù)的自動判讀結(jié)果，可生成相應(yīng)判讀報表，且該報表可經(jīng)由曲線/數(shù)據(jù)表形式實現(xiàn)故障信息反查，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 自動判讀模型

當(dāng)代新型飛機在機械、電氣系統(tǒng)上的界限越來越模糊，各子系統(tǒng)下存在高度交聯(lián)，故由飛參記錄系統(tǒng)可獲取的飛參數(shù)據(jù)亦存在一源多采、各自表述等情況?；谠囷w科目執(zhí)行中飛機飛行態(tài)勢變化趨勢、系統(tǒng)運作狀況等表征信息，飛機飛參數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容可概括為飛行性能、系統(tǒng)運作狀態(tài)、機上故障信息等級及影響度等。

由此，對新技術(shù)狀態(tài)飛機飛參數(shù)據(jù)與試飛安全要素的結(jié)合程度可作為該自動判讀模型設(shè)計的主要考慮點。此處不列舉飛機全系統(tǒng)飛參自動判讀模型的構(gòu)建，僅以一類飛機所采用的渦扇發(fā)動機工作過程中一關(guān)鍵參數(shù)為例。

表征發(fā)動機性能參數(shù)的n、g、t 分別為發(fā)動機壓氣機物理轉(zhuǎn)速、發(fā)動機油門桿角度和發(fā)動機渦輪后排氣溫度，對于飛機所使用的發(fā)動機，其物理轉(zhuǎn)速和排氣溫度的變化應(yīng)符合如下規(guī)律：

其中，c1、c2分別為滿足一定函數(shù)關(guān)系可得出的物理轉(zhuǎn)速、排氣溫度隨油門桿角度變化的固定常數(shù)。該常數(shù)可表明當(dāng)發(fā)動機油門桿作動變化時，其工作性能亦隨油門桿角度變動而滿足一定規(guī)律地進行隨動變化。

若發(fā)動機出現(xiàn)工作性能故障時，其中一種表象可能為界定發(fā)動機工作能力的各類指標值依然滿足其閾值范圍，但發(fā)動機依然會出現(xiàn)工作性能下降。對于該種故障，最有效的查看方法之一即為判斷發(fā)動機油門桿角度變化值與其他性能指標值間是否還存在規(guī)律的隨動關(guān)系，即：

可通過該兩關(guān)系式，檢查實際故障情況下真實常數(shù)cx偏離理論常數(shù)c1、c2的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)偏離度。

在一般人工判讀過程中，由于該方式的計算過程復(fù)雜，更多依靠判讀人員個人經(jīng)驗對其偏離度進行估算，該方式顯然偏離了正常的判讀精確度需求，反而會因判讀失準而導(dǎo)致額外故障出現(xiàn)[10]。而采用本文所提出的試飛安全要素主導(dǎo)的飛參自動判讀分析方式，可在偏離計算過程上節(jié)約時間投入，并更快給出判讀結(jié)果。

3 自動判讀實現(xiàn)與應(yīng)用

以現(xiàn)代飛機一次典型飛行科目可取得的飛參數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用本文飛參自動判讀分析系統(tǒng)對試飛任務(wù)完成后的原始飛參數(shù)據(jù)進行解析，即可獲得譯解后的飛機系統(tǒng)各狀態(tài)功能物理值。

通過飛參自動判讀分析系統(tǒng)內(nèi)繪圖模塊，可選擇部分飛行參數(shù)，其飛參模擬量、開關(guān)量繪圖曲線如圖4 所示。該飛機飛行過程中飛行狀態(tài)參數(shù)（真攻角、側(cè)滑角、氣壓高度等）隨時間進行變化，反映飛機真實的空中飛行狀態(tài)。

圖4 飛參自動判讀分析軟件繪圖界面

飛參自動判讀分析軟件可以通過選取某固定時間段內(nèi)飛參值，檢視其參數(shù)變化程度，或?qū)υ摃r段內(nèi)飛參數(shù)值進行報表定位檢視（圖5、圖6）。這有助于工程人員迅速查找某特定時段內(nèi)飛參數(shù)據(jù)變化情況，輔助排查機上狀態(tài)信息。通過該軟件報表模塊，可對飛參數(shù)據(jù)的物理實際值（工程值）和其對應(yīng)源碼值進行查閱，工程值顯示界面如圖7 所示。

圖5 飛參自動判讀分析軟件時段定位

圖6 飛參自動判讀分析軟件時段內(nèi)定位報表

圖7 飛參自動判讀分析軟件報表界面

除繪圖和報表功能外，飛參自動判讀模塊采用了事件編輯模式，通過對已讀取解析的飛參數(shù)據(jù)內(nèi)一個或多個參數(shù)，采用函數(shù)關(guān)系運算對其進行數(shù)據(jù)交聯(lián)，以實現(xiàn)自動判讀預(yù)制條件的數(shù)學(xué)表達（圖8）。在該模塊下，例如對之前飛機飛行狀態(tài)參數(shù)中的真攻角進行閾值約束，可添加真攻角飛參采集值，選取函數(shù)關(guān)系內(nèi)“（）”表達式，可獲得其對應(yīng)模板表達式“a＜X＜b”，即對變量執(zhí)行上下限值約束，此處可通過將變量X 賦值為真攻角、將常量a 設(shè)置為一個確定下限值（代表飛機機動時的最小攻角）、上限值默認缺省不設(shè)置實現(xiàn)閾值約束，事件編輯界面結(jié)果如圖9 所示。

圖8 飛參自動判讀分析軟件事件編輯界面

圖9 飛參自動判讀分析軟件事件編輯舉例

事件編輯完成后，對已解析飛參采用該事件執(zhí)行自動判讀處置，可生成自動判讀結(jié)果報表，其中包含該事件設(shè)定條件下飛參數(shù)據(jù)中反響情況（發(fā)生時間點，事件觸發(fā)情況等）。經(jīng)實際試飛科目執(zhí)行后驗證，采用該自動判讀系統(tǒng)對飛參數(shù)據(jù)進行處置，可有效提高飛參處理效率，相比人工判讀速度有明顯提升。且該自動判讀分析系統(tǒng)功能可進一步擴展，如增加飛機系統(tǒng)相關(guān)長周期內(nèi)數(shù)據(jù)的圖譜繪制功能，對飛參參數(shù)多時段內(nèi)變化態(tài)勢的預(yù)判功能等，進一步實現(xiàn)基于試飛安全要素的飛參自動判讀和態(tài)勢分析能力。

4 結(jié)論

試飛安全是確保飛機飛行試驗與測試工作正常進行的最首要因素，而采用飛參監(jiān)控、自動判讀處置可有效地為機上故障分析、科目任務(wù)執(zhí)行結(jié)果提供技術(shù)保障。根據(jù)本文提出的方法，應(yīng)用VC 編程的飛參自動判讀分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了對飛參數(shù)據(jù)圖像化、圖表化的查閱和自定義規(guī)則庫下自動判讀結(jié)果的查詢追溯，對飛機試飛保障有直接提升作用，具有一定的工程實用價值。此外，該工程思路可應(yīng)用于同類機型的研制工作中，對同類型機型集成測試采集、飛參遙測、實時判讀分析具有參考意義。