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    基于试飞安全要素的飞参自动判读分析工程研究

    时间：2023-01-26 21:15:02来源：百花范文网本文已影响人

    李煦阳，程 波，李振武

    （成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610073）

    近年来，随着飞机系统更迭换代的速度加快，采用新系统、新技术的飞机数量愈发增多，对于飞机生产制造的过程而言，其出厂阶段试飞测试任务量相应大幅提升，对飞机试飞任务的执行效率提出了新的要求。尤其是飞参数据的判读与处置、结果分析和故障定位，以及提供后续飞行的放飞标准，均较以往在数量和频率上大大提高。然而，飞参系统虽承担了飞机大量连续量、开关量信号的记录工作，却难以具备对自身记录内容执行先行判定、提取可疑故障信息的能力，飞参数据的有效性和故障认定主要依托于飞行完成后的专业技术人员的人工判读。

    该种人工判读方法主要依赖判读人员的经验累积。由于飞机系统复杂度的明显提高，飞行平台的功能多样性大幅加强，各系统间存在强交联，各专业系统自身判读规则差异度大，导致人工判读模式下对飞参数据的漏判、误判概率较高，对飞机飞行质量和工作可靠性产生了明显影响[1]。加之试飞测试任务的特殊性，其具有任务不可重复度高、人力及物力投入量大等特征，因飞参判读导致的试飞测试任务结果无效会带来巨大的财力投入损失和航空发动机为主的飞机系统寿命无谓消耗[2]，严重影响飞机出厂效率和功能实现的保障度。因此，建立一套基于试飞安全要素的飞参自动判读分析系统，并应用于飞机生产制造、交付客户及全生命周期内的飞行任务保障中，具有很强的现实意义。

    国内外针对飞机飞行产生的飞参数据处置与分析采用了多种方法：波音公司针对其客机飞参记录系统的数据事后分析需求，执行专门的设备故障原因的分析和告警，由此提出了一种专项的飞机信息管理系统[3]；
    空客公司为实现对飞机的实时监控与故障诊断，研发了数字化排故及维修管理软件AIRMAN，可向地勤维护人员提供不同故障的维修建议[4]。国内的专业人员主要着眼于飞参数据判读分析与实际工程应用的结合，如陈炜军、崔德平等利用Origin 数据软件的深度分析功能，将飞参数据处理方法归纳为阈值、比较和关联等关系[5]，提出了飞参判读如何服务于飞机出动效率保障的思路；
    游磊、孙宏等利用机载飞参数据的构成特性，对其数据品质进行分析，以服务于民航训练系统内航电模块操纵品质的评定和监控[6]。

    不论飞参判读处理与工程实际的最终结合形式如何，不同研究方向中的飞参数据处置均需对飞参记录信息内的故障信息进行认定，继而指出该故障的发生时段及发生频率、对飞行安全的影响程度和较直接的故障处置方法[7]。对故障本身的等级、严重度、影响范围等认定的最好方式之一，就是将故障信息及所存在的飞参数据环境，与实际的试飞安全要素影响因子结合起来判断。试飞安全要素可概括为执行试飞任务的环境条件（如大气环境、总温与总压、实时风力影响度等），任务自身执行过程中的安全要素（如科目风险等级、飞机自身系统状态和实施条件、场地设备的安全运行程度等）和人为因素的介入情况（如飞行员自身操作习惯、空勤与地勤人员维护工作完成度等）。以上要素除人为因素外，均可通过简化的数学模型引入飞参判读的实施过程中[8]，尤其是对飞机自身系统的安全容许度的界定，现阶段已具有较明确的执行标准。以上要素的概括，即构成了本文所研究的飞参自动判读分析工程的理论基础。

    飞参自动判读分析系统组成如图1 所示。该系统使用VC进行开发，以实现大批量数据的快速处理和分析[9]，同时具有图像化界面的执行优势，易于对飞参数据进行图形化分析和执行判读规则库的构建。

    图1 飞参自动判读分析系统组成

    该飞参自动判读分析系统先由预处理及解析模块，对导入的飞参原始数据进行解码、转译，生成为系统可直接读取的数字量参数，包含：以连续数值变化方式出现的连续状态量（以下简称连续量）、以或门关系“0/1”或多个特定定义值出现的开关状态量（以下简称开关量）、定义子系统工作状态的心跳字/计数字等。经解析后的该类参数导入各目的不同的功能实现模块中，如在飞参数据绘图模块内，即对解析后飞参数据中的数个或几十个连续量、开关量按时序和阈值范围交联关系进行连续变化的曲线绘制，可直观显示飞参数据的变化态势；
    而在自动判读模块内，则经由预编写的判读规则库，对飞参数据内各变量进行结果判定，其认定结果可为故障信息真伪的认定，也可为参数合格度的认定。

    如图2 所示，可将该系统在逻辑层面上划分为4 级。底层数据级负责向整个系统内各级提供判读所需数据和自动判读规则，该部分数据可为每次经由预处理模块处置后的解析后数据，也可从历史数据中调用回放。服务级负责对该系统内业务功能实现提供函数支持，包括原始数据的解析规则、解析后各数据量的状态定义和自动判读规则实现所需的不同函数关系。业务级基于数据级和服务级，生成该系统主要功能实现模块。而最终飞参判读工作执行者则由用户级获取所需的自动判读、飞参查看、数据统计结果。

    图2 飞参自动判读分析系统逻辑架构

    该系统自动判读规则库采用如下方式构建：①对于飞参内连续量参数，通过真实试飞情况、飞机系统理论性能要求及试飞技术人员经验认知，对连续量参数阈值进行试飞过程中不同状态下范围界定；
    ②对于飞参内开关量参数，其各定义值与实际飞行状态关系转为相应判读规则；
    ③对于部分多参数结合交联关系的判读逻辑，则依据试飞安全要素关联度明确其参数判定逻辑（图3）。

    图3 飞参自动判读规则库组成

    最终，该判读系统对飞参数据的自动判读结果，可生成相应判读报表，且该报表可经由曲线/数据表形式实现故障信息反查，历史数据查询等功能。

    当代新型飞机在机械、电气系统上的界限越来越模糊，各子系统下存在高度交联，故由飞参记录系统可获取的飞参数据亦存在一源多采、各自表述等情况。基于试飞科目执行中飞机飞行态势变化趋势、系统运作状况等表征信息，飞机飞参数据记录内容可概括为飞行性能、系统运作状态、机上故障信息等级及影响度等。

    由此，对新技术状态飞机飞参数据与试飞安全要素的结合程度可作为该自动判读模型设计的主要考虑点。此处不列举飞机全系统飞参自动判读模型的构建，仅以一类飞机所采用的涡扇发动机工作过程中一关键参数为例。

    表征发动机性能参数的n、g、t 分别为发动机压气机物理转速、发动机油门杆角度和发动机涡轮后排气温度，对于飞机所使用的发动机，其物理转速和排气温度的变化应符合如下规律：

    其中，c1、c2分别为满足一定函数关系可得出的物理转速、排气温度随油门杆角度变化的固定常数。该常数可表明当发动机油门杆作动变化时，其工作性能亦随油门杆角度变动而满足一定规律地进行随动变化。

    若发动机出现工作性能故障时，其中一种表象可能为界定发动机工作能力的各类指标值依然满足其阈值范围，但发动机依然会出现工作性能下降。对于该种故障，最有效的查看方法之一即为判断发动机油门杆角度变化值与其他性能指标值间是否还存在规律的随动关系，即：

    可通过该两关系式，检查实际故障情况下真实常数cx偏离理论常数c1、c2的稳态、动态偏离度。

    在一般人工判读过程中，由于该方式的计算过程复杂，更多依靠判读人员个人经验对其偏离度进行估算，该方式显然偏离了正常的判读精确度需求，反而会因判读失准而导致额外故障出现[10]。而采用本文所提出的试飞安全要素主导的飞参自动判读分析方式，可在偏离计算过程上节约时间投入，并更快给出判读结果。

    以现代飞机一次典型飞行科目可取得的飞参数据为例，应用本文飞参自动判读分析系统对试飞任务完成后的原始飞参数据进行解析，即可获得译解后的飞机系统各状态功能物理值。

    通过飞参自动判读分析系统内绘图模块，可选择部分飞行参数，其飞参模拟量、开关量绘图曲线如图4 所示。该飞机飞行过程中飞行状态参数（真攻角、侧滑角、气压高度等）随时间进行变化，反映飞机真实的空中飞行状态。

    图4 飞参自动判读分析软件绘图界面

    飞参自动判读分析软件可以通过选取某固定时间段内飞参值，检视其参数变化程度，或对该时段内飞参数值进行报表定位检视（图5、图6）。这有助于工程人员迅速查找某特定时段内飞参数据变化情况，辅助排查机上状态信息。通过该软件报表模块，可对飞参数据的物理实际值（工程值）和其对应源码值进行查阅，工程值显示界面如图7 所示。

    图5 飞参自动判读分析软件时段定位

    图6 飞参自动判读分析软件时段内定位报表

    图7 飞参自动判读分析软件报表界面

    除绘图和报表功能外，飞参自动判读模块采用了事件编辑模式，通过对已读取解析的飞参数据内一个或多个参数，采用函数关系运算对其进行数据交联，以实现自动判读预制条件的数学表达（图8）。在该模块下，例如对之前飞机飞行状态参数中的真攻角进行阈值约束，可添加真攻角飞参采集值，选取函数关系内“（）”表达式，可获得其对应模板表达式“a＜X＜b”，即对变量执行上下限值约束，此处可通过将变量X 赋值为真攻角、将常量a 设置为一个确定下限值（代表飞机机动时的最小攻角）、上限值默认缺省不设置实现阈值约束，事件编辑界面结果如图9 所示。

    图8 飞参自动判读分析软件事件编辑界面

    图9 飞参自动判读分析软件事件编辑举例

    事件编辑完成后，对已解析飞参采用该事件执行自动判读处置，可生成自动判读结果报表，其中包含该事件设定条件下飞参数据中反响情况（发生时间点，事件触发情况等）。经实际试飞科目执行后验证，采用该自动判读系统对飞参数据进行处置，可有效提高飞参处理效率，相比人工判读速度有明显提升。且该自动判读分析系统功能可进一步扩展，如增加飞机系统相关长周期内数据的图谱绘制功能，对飞参参数多时段内变化态势的预判功能等，进一步实现基于试飞安全要素的飞参自动判读和态势分析能力。

    试飞安全是确保飞机飞行试验与测试工作正常进行的最首要因素，而采用飞参监控、自动判读处置可有效地为机上故障分析、科目任务执行结果提供技术保障。根据本文提出的方法，应用VC 编程的飞参自动判读分析系统，实现了对飞参数据图像化、图表化的查阅和自定义规则库下自动判读结果的查询追溯，对飞机试飞保障有直接提升作用，具有一定的工程实用价值。此外，该工程思路可应用于同类机型的研制工作中，对同类型机型集成测试采集、飞参遥测、实时判读分析具有参考意义。

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