民用飛機機組告警系統設計研究

摘要：民用飛機機組告警系統的作用是吸引飛行機組的注意，使其知曉飛機和飛機系統出現的失效或故障，或出現的其他非正常條件。現代飛機機組告警系統的設計也需要對機組可能要采取的措施加以提示。本文在總結相關指南材料的基礎上，進一步整理不同規范和指南間的共同點和不同點，以期定義一個較為合理的機組告警系統架構。

關鍵詞：機組告警系統 告警系統架構 AC/ACJ 25.1322 ADA107632 SAE ARP 4102/4 航電架構

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0014-02

普遍公認的是，告警系統的復雜程度與航電系統或飛機系統的復雜程度成正比。在現代民用飛機上，電氣、機械或液壓（或任何其他類型）等系統數量遠大于早期的飛機，并且飛機系統變得更加復雜和先進，故障管理和健康監控的需求在不斷增加。由于告警機制、系統和傳感器數量增加，設計告警系統變得越來越困難，并且牽涉到飛機的設計過程。近期某些研究開始表明，在不同的告警方式間會存在沖突，例如兩個沖突的告警可能同時顯示或通告，導致機組反應遲滯，并導致重大或災難級的效應。

本文主要關注3個工業界通用的指南文件。第一個是SAE ARP 4102/4《駕駛艙告警系統》，該文件是目前最通用最著名的機組告警系統設計指南[1]。第二個是ADA106732《FAA飛機告警系統設計指南》[2]。最后一個是FAA咨詢公告AC/ACJ25.1322《飛行機組告警》[3]。

1 機組告警系統的主要特性

指南文件[1]，[2]和[3]在四個主要方面總結了機組告警系統的主要特性，表1給出了這幾個方面及其內容總結。這四方面內容可以作為機組告警系統設計標準的四個主題。

此外，機組告警系統有多種不同類型的數據源，但大多數傳感器類型都不能由航電系統的設計者選擇。例如，液壓系統壓力傳感器是由液壓系統的設計者選擇的。所以數據源的定義對于機組告警系統的架構設計是一個重要的且幾乎不可控的因素。

2 航電系統架構的影響

現代民用飛機通常包含一個綜合式或集中式架構，大量的飛機系統和飛行數據直接進入模塊化綜合航電系統（IMA），且大多數功能也通過駐留的應用軟件在IMA上執行。IMA使用視頻信號驅動顯示功能，通過數字式總線將數據發送到外部設備，將集中處理的數據分配到相關系統。這一架構使得飛機生產商或系統集成商有機會發展自己的平臺應用軟件，相應的飛機級集成能力也得到了增強。而在聯邦式架構中，系統集成商受到了設備生產商的限制，不能任意通過軟件實現自己的需求。

在綜合式或者集中式的架構中，告警通告數據源通常由IMA采集處理。在此類架構中，機組告警顯示通常顯示在LCD顯示器上，而LCD顯示器由IMA通過視頻信號直接驅動。

在兩種架構中（綜合式或集中式-聯邦式），某些特性是類似的。參考文獻[2]的研究說明在沒有主告警功能的系統中，告警顯示和駕駛員反應間的延遲更高，表明了主告警功能是告警機制中最為有效的一種。在表1的任務4中，一種重置或確認機制也被歸類為機組告警系統的最重要的特性之一，參考文獻[1]，[2]和[3]都確認了這一點。主告警功能可以用作一種重置方法，并且也是工業界的通用做法。

在表1中的另一個重要任務是任務2，即關于顯示告警的特性。在飛機進入云層上方時，外部亮度較高；而在夜間，外部亮度較低。這些情況都需要調整駕駛艙亮度等級，以避免燈光和顯示亮度不會影響機組的視覺，也不會喪失任何可讀性。而這一條件會對機組告警系統的架構產生影響，因為機組告警顯示和其他駕駛艙照明需要綜合調整到可接受的程度。

3 主告警裝置視覺特性

主告警裝置是機組告警系統的一部分，其主要功能是吸引機組注意到當前發生的故障或失效。主告警裝置主要有兩種類型，警告和警戒。參考文獻[3]定義了時間關鍵告警裝置的大小需達到至少兩個平方度。當使用主告警裝置作為時間關鍵告警裝置時，兩種類型的主告警裝置都需要安裝在機組的主視野區。對于一個顯示器距離設計眼位（DEP）距離β英寸的駕駛艙，

（x/2）=β（tanθ/2）， （1）

其中θ代表主告警顯示上下兩端與設計眼位（DEP）之間的弧度，X代表主告警顯示上下間距。圖片1標注了計算中使用的角度和尺寸。

由于主告警裝置獨立于任何其他顯示裝置，主視覺告警的尺寸或者亮度特性可能更容易分析。在某些特殊的駕駛艙內，機組負擔較重，平視顯示（HUD）便綜合了主告警功能。而目前所有平視顯示HUD都是單色顯示，所以在使用HUD作為主告警裝置時，顏色顯示的視覺效應就喪失了。因此，主告警裝置更多地作為獨立顯示裝置使用，例如紅色的主警告和黃色的主警戒[1][2]。

主告警裝置的閃爍功能的定義較為模糊。對于主警告，某些FAA咨詢公告希望不要使用閃爍燈。作為FAA文件，參考文獻[2]指出閃爍功能的作用并不清晰。而試驗結果的預期則顯著依賴于采取的試驗方法。參考資料[2]將兩名學者Gerathewohl（1953）和Crawford（1962和1963）的工作做對比，說明對閃爍功能有不同的效果。某些測量方法表明閃爍功能增加了機組延遲時間。工業界傾向的結論是是主告警裝置不使用閃爍特性，因為主告警裝置位于機組主視野區最明顯的位置，在亮度較高或頻繁閃爍的情況下可能對機組造成干擾并加重機組的負擔。

主告警裝置可能有一個調光控制接口以用于調節亮度等級，以與儀表調光或駕駛艙照明整體協調。因此最好的方法是將主警告裝置的所有控制權限給予中央計算機。

4 顯示告警的視覺特性

顯示告警的視覺特性這一方面本身就是與主告警裝置的視覺特性相關的，十分具有挑戰性的題目。顯示器本身可能是一個專用的聯邦式架構中的LCD顯示器，也可能是MFD頁面的一部分用于告警顯示。同樣主飛行顯示器（PFD）也可以用于顯示時間關鍵的告警。

對于LCD顯示人為因素，最常用的指南是SAE AS 8034[4]和SAE ARP 4256A[5]。在參考文獻中，電源轉換回復時間的具體數值互不相同。對于200ms的轉換間隔，參考文獻[5]要求恢復時間不得高于500ms，而參考文獻[4]要求恢復時間不得高于1s。

根據對上述解釋的理解，使用LCD顯示作為機組告警系統顯示裝置可能導致某些沖突，因為在不同的LCD顯示指南之間存在沖突。參考資料[2]要求允許的顯示告警的最低亮度等級是15±3ft-L。但大多數符合參考資料[4]的LCD顯示器都可以調光，可以達到完全黑暗的亮度等級。

大多數標準的目標是調光信號（用于調節屏幕亮度等級的信號）喪失不會影響屏幕的可見度。例如按照需要將系統設計成，如果調光信號喪失，那么顯示器不會變黑并保持在已調節的亮度等級上。

5 優先級定義

機組告警的優先級定義可能由于駕駛員操作、危險情況或條件的級別、要求的操作緊急程度或者許多類似要求的改變而改變。在本文中所引用的所有指南中，都建議根據告警的緊急和關鍵程度制定一份告警分級定義，以決定不同的告警有何種優先級。在早期航空業中，紅色用于警告、琥珀色或者黃色用于警戒，而綠色或白色用于提示/通知的信息。在民航業中，有許多機種使用青色作為提示信息，白色僅用于通知信息。

機組告警信息的分類定義在相關文獻中有清楚明確的定義。參考文獻[1]給出了四種級別的明確定義，并考慮了機組需采取措施的緊急程度和相應的顏色。參考文獻[3]建議提示信息的顏色（對于有三個告警等級系統的第三個級別）不應使用紅色或綠色。所以，對于使用參考文獻[3]作為主要參考的系統，提示級信息通常都使用青色信息。

在參考文獻[2]中，包含了對優先級定義的文字描述，要求告警優先級應當考慮飛行階段。這一描述強調了在起飛和降落過程中起到關鍵作用的告警可能并不如在巡航階段中一樣重要。其他例子包括降落，啟動（發動機），進近等。飛行階段的定義需要收集許多信號以做出判斷，并需要一些系統工程的方法分析飛行階段。

時間關鍵的告警定義是高于所有告警級別的一種方式。類似失速、過速、離地高度低等情況常被定義為時間關鍵告警。參考文獻[3]要求時間關鍵告警需顯示在每位機組成員的主視野范圍內。

對于優先級定義，對于復雜飛機的大量告警，應設計有確認機制使機組可以意識到哪些告警是新的，哪些已經確認。參考文獻[3]建議告警不應被抑制，直到告警條件被糾正。對于每個具體的項目，最佳的解決辦法是根據實際情況而改變，例如，新的警告信息伴隨閃爍顯示，而在機組確認后可以顯示為穩定的紅色；對于警戒信息的辦法可以是新信息顯示為帶有黑色字符的琥珀色方框，確認后改變字體顏色。

對于包含足夠空間顯示所有告警的顯示器，每條告警顯示信息的設計必須考慮告警的優先級和告警分類，相同類型的告警應顯示統一區域。對于某些型號，機組告警系統顯示區域可能不足以同時顯示所有告警。在此種情況下，需要非易失存儲裝置以避免失去其他的告警信息。機組需要某種方法調出其他未在當前顯示的告警信息。參考文獻[3]建議未被機組確認的較低優先級和較早出現的告警應可以儲存，且應保留機組隨時調出已存儲的告警的能力。

6 建議的機組告警系統架構

在圖2中，提出了本文建議的機組告警系統架構。其中機組告警功能駐留在模塊化綜合航電系統（IMA）中。IMA執行數據的采集，顯示告警和主告警功能的驅動。

7 結語

機組告警系統是一個功能重要且復雜的系統。在機組告警系統的設計過程中應考慮到系統和性能的分配，且系統的架構可以有多種方式。依據本文所列舉的三份主要指南材料，本文試圖建立一個理想的機組告警系統架構，并總結了找出每份材料在設計要求上的異同點。本文綜合考慮了上述問題，并給出了一種較合理的機組告警系統架構。

參考文獻

[1] SAE Committee S7，SAE ARP 4102/4， Aerospace Recommended Practice，Flight Deck Alerting System SAE Aeros-pace Group，Europe Office，London UK，1988，

2007.

[2] DOT/FAA，ADA 106732 Aircraft Alerting Systems Standardization Study Volume II，Aircraft Alerting Systems Design Guidelines，Springfield，Virginia US，January 1981.

[3] FAA/JAA，AC/ACJ25.1332，Flight Deck Alerting，Washington，DC USA，2002.

[4] SAE，SAE AS 8034A，Minimum Per-formance Standard for Airborne Multi-purpose Electronic Displays，March 2003.

[5] SAE，SAE ARP 4256A，Design Objectives for Liquid Crystal Displays for Part 25 （Transport） Aircraft，December 2001.