綜合化實時監控技術在飛行試驗中的應用

張國旺 霍朝暉 房 瑾 劉語喬

中國飛行試驗研究院

隨著我國航空事業的飛速發展，各種先進的新機型不斷問世。傳統的基于飛行試驗的簡單實時監控技術越來越不能滿足各種新機型復雜系統的技術需求，實時監控試飛安全保障受到極大的技術挑戰。本文基于計算機技術和通信技術，首次在飛行試驗實時監控技術中引入綜合化實時監控技術，并分別介紹了3 維建模與仿真技術、數字化視頻技術以及故障預警與告警專家系統設計及實際應用情況。實際應用證明采用綜合化實時監控技術使實時監控的手段和形式多樣化，擴大了實時監控的信息量，提升了實時監控的質量和效率及智能化程度。最后文章提出了綜合化實時監控技術未來在飛行試驗工程中的發展趨勢。

隨著我國航空事業的不斷發展，新機型的高速性、系統復雜性不斷挑戰飛行試驗的安全性。飛行試驗實時監控技術建立在遙測監控系統基礎上，主要利用被試飛機遙測下傳的PCM 數據及視頻數據實時監控飛機當前時刻各系統的參數值以掌握飛機當前的狀態及安全。在飛行試驗工程環境下，傳統的遙測實時監控技術伴隨試飛測試技術的發展也經歷了從無到有，從只能實時監控單PCM 數據流和模擬視頻信號階段逐步發展到今天包含信息量較大且終端顯示方式多樣化的新一代實時監控技術階段。

隨著通信技術與計算機技術的快速發展，傳統的實時監控技術開始被打破，取而代之的是高度集成化，信息化，大數據的新一代綜合化實時監控技術。綜合化實時監控技術的特點：①應用當前主流且較前沿的技術；②監控所包含的信息量大增，內容豐富且直觀；③普遍使用數字化及網絡化技術；④人工智能化程度增強。

針對綜合化實時監控技術，國外幾大試飛機構一直在密切關注新一代綜合化實時監控技術的發展并提出了不同的技術指標，主要源自美國，以色列等發達國家。目前國外綜合化實時監控系統的主要特點主要包括以下幾個方面：

（1）高度集成化，專業化；

（2）專家系統數據庫完善且不斷更新并且行業通用；

（3）幾乎不需要人為干預的情況下，對發生的簡單異情進行處置；

（4）降低人力成本；

（5）采用多級響應機制，穩定性及可靠性高；

（6）以高可靠性和快速反應監控系統為發展方向；

（7）智能監控技術的研究永無止境。

目前，我國在綜合化實時監控技術領域才剛剛起步，尚處于“初級使用”階段，離“高智能化”、“規模化應用”階段還有一段距離。

綜合化實時監控技術在飛行試驗中的應用研究

所謂綜合化實時監控技術，就是對數字化技術、大數據技術、三維建模與仿真技術、影像測量與跟蹤技術、專家系統等高新技術綜合應用于飛行試驗工程實時監控的技術。在此技術應用下，飛行試驗實時監控可實現多種數據、多感官、橫向對比監控，多途徑故障預警和告警，對各種突發緊急情況，專家系統的自動處置機制及智能化監控系統，極大地提升了飛行試驗實時監控的安全性和高效性。

3 維建模與仿真技術應用

需求分析

3 維建模與仿真技術在諸多行業中被廣泛應用。在飛行試驗綜合化實時監控技術中，3 維建模與仿真技術主要用來實現對被試飛機、復雜系統及關鍵設備等建模與仿真，以達到在視覺上與實際物體一致的效果，凸顯專業化，以提升實時監控的效果及效率。建模與仿真完成后，再以實時監控系統的真實數據驅動，就會讓實時監控專家既有對真實數據的把握又有身臨其境的監控效果。

圖1 3 維建模與仿真系統組成框圖

圖2 ARJ21-700 飛機的3 維仿真系統應用

系統設計與實現

在飛行試驗中，作為綜合化實時監控技術的典型應用，3 維建模與仿真技術的系統組成框圖如圖1 所示。

結合圖1，系統具體實現過程為：通過在被測飛機內安裝機載采集系統，對飛機自身各系統的總線數據及自加裝的傳感器數據進行采集，通過PCM 遙測鏈路遙測下傳到地面，由地面遙測接收系統接收，傳給實時數據處理服務器，實時數據處理服務器對原碼值根據ICD 信息進行解算，將解算后的工程物理量通過實時數據交換機發送到所有的實時監控終端以及3 維建模仿真系統。3 維建模仿真系統在真實的實時數據驅動下實時、直觀地顯示飛機的各種重要狀態信息如高度、速度、發動機轉速等。

應用舉例

以ARJ21-700 飛機實時監控系統下3 維建模與仿真為例，其實際應用圖如圖2 所示。在飛機建模時，充分考慮真實飛機所有飛控操縱面，使所有操縱面均設計成在真實數據驅動下可動的，但所有操縱面改變量與真實數據相關聯，以動畫方式顯示襟翼、副翼、方向舵以及起落架收放等的變化，再配合3 維地圖使用，使監控人員可以直觀地看到飛機的姿態變化以及具體參數值。

數字化視頻技術應用

需求分析

隨著計算機多媒體技術、視頻壓縮與編碼技術以及網絡通信技術的發展，數字化視頻技術在飛行試驗工程領域也逐步開始使用。相比傳統的模擬視頻，數字視頻有著清晰度高、便于計算機處理、顯示方便等顯著優勢。在飛行試驗工程中的武器靶試、多目標跟蹤、空中加油等科目試飛以及駕駛艙綜合顯示屏信息監控等方面開始應用。

系統設計與實現

在飛行試驗工程中，數字化視頻監控系統的組成框圖與圖1 類似，區別在于所用的實時解析服務器及相關軟件不同，由專用的視頻解析板卡及解析軟件組成。機載數字視頻主要通過兩種方式獲得：一種是從飛機相關總線上抽引采集數字視頻信號，如駕駛艙綜合顯示屏信息數字視頻，多目標雷達跟蹤數字視頻等；一種是在飛機上相應部位加裝高清攝像頭獲取，如空中加油輸油管對接視頻數據，靶試科目中彈體從掛架上脫離過程的數字視頻等。在獲取到相關數字視頻數據并采用一定的壓縮算法進行壓縮后再采用PCM 遙測方式從飛機上遙測下傳，經地面遙測接收天線接收，經過一對視頻光端機以網絡方式傳送到一定距離的監控大廳，再經過視頻服務器專用軟件解壓和解析后在監控大廳的計算機或LED 屏上實時顯示和監控。

圖3 抽引的飛機座艙綜合顯示器數字視頻以及加裝的機翼防結冰數字視頻

應用舉例

在飛行試驗工程中，數字化視頻技術的應用舉例如圖3 所示。圖3 上圖是對ARJ21-700 飛機左座駕駛艙綜合顯示儀表的數據信息進行抽引采集，然后在監控大廳進行實時監控。目的在于將飛行員駕駛艙綜合顯示儀表所顯示的數據與實時監控系統所看到的數據進行對比并互為冗余備份，防止飛機系統突發故障出現。圖3 下圖是在ARJ21-700 飛機駕駛艙內靠近右機翼窗戶內加裝高清攝像頭，對飛機右機翼縫翼面進行高清視頻采集與實時監控，目的是在高難度、高風險的自然結冰試飛科目中，用于觀察機翼是否結冰以及結冰的狀態，以確保試飛安全。

故障預警與告警專家系統技術應用

需求分析

圖4 故障預警專家系統組成框圖

專家系統是基于自動控制及計算機技術的人工智能系統的一個分支，它通常由人機交互界面、知識庫、推理機制、知識獲取四部分組成。在飛行試驗工程中，故障預警與告警專家系統是專家系統的一種具體應用，其最高級階段，是在完成知識庫及推理機制相關軟件或系統設計后，系統能夠自動預警和告警并能夠根據知識庫所提供的數據信息同時分析出故障產生的原因并針對此故障結合系統當前狀態給出有效的解決方法。在當前飛行試驗試飛過程中，面對復雜的飛機系統，當出現故障時必需在極短時間內找到故障原因并拿出解決措施，否則會貽誤最佳時間，后果不堪設想。所以在實時監控技術中引入故障預警與告警專家系統，主要用來對在飛飛機各系統當前時刻狀態的監控，對各系統故障狀態及時預警與告警。

設計與實現

基于飛行試驗的故障預警專家系統建設分初級階段和高級階段，目前處于系統完善的初級階段只能給出故障預警與告警的原因，專家知識庫目前還不具備提供故障的解決方法。飛行試驗故障預警專家系統的一種系統組成框圖如圖4 所示。

故障預警專家系統作為實時監控的子系統存在，人機交互界面主要由相應的數據接口軟件以及各類實時監控軟件模塊組成，實現對被測對象數據的輸入及對當前數據狀態及故障信息的觀察與知悉；推理機制主要由各類參數值的判據以及對比算法組成，以人機界面所看到的數據作為輸入，對數據符合性進行判斷、對比，如果不符，觸發產生相應故障代碼；專家故障庫是一個故障數據庫，根據飛機不同系統建立各種故障信息表，以故障代碼、故障現象等作為關鍵字索引，根據推理機制反饋的故障代碼等信息查詢故障庫，將相應的故障信息描述最終反饋到人機交互界面，以便監控人員及時掌握和知悉故障信息；專家庫更新維護部分主要由系統維護人員定期將故障庫的更新信息輸入庫中，但所更新內容必須由各專業專家制定和審核。

圖5 故障預警與告警專家系統人機交互界面

應用舉例

作為故障預警與告警專家系統的具體應用，以ARJ21-700 飛機故障預警與告警系統，人機交互界面顯示如圖5 所示。

該系統以ARJ21-700 飛機實時監控數據作為數據輸入，通過后臺的推理機制及專家故障庫實現對飛機各系統故障的自動預警與告警，并通過人機交互界面上軟件不同顏色閃爍、告警燈或語音提示等告警方式告訴指揮員及實時監控專家所出現故障的故障代碼及故障信息。該系統的主要作用就是根據專家知識庫中所提供的預警與告警門限值，在故障癥兆出現時提前預警與告警，以便為飛行員處置險情爭取更多的時間和將危險在出現之前就處理掉。該系統在我國某新型機試飛過程中曾兩次提前發現險情，使飛行員及時中斷后續動作，防止了更大的危險出現。

結束語

經過實踐應用證明，綜合化實時監控技術在飛行試驗工程中發揮著越來越重要的作用，它改變了傳統飛行試驗實時監控的單一模式，使實時監控的形式多樣化，數據多源化，系統智能化，為保障飛行試驗的可靠性、安全性引入了新技術、新手段并極大地提高了飛行試驗實時監控的質量和效率。同時，我們也看到，綜合化實時監控技術是一門綜合性極強的技術，涉及的專業面較廣且技術較新穎，其具體實現具有很大的難度及復雜度，飛行試驗中當前應用到的綜合化實時監控技術如故障預警與告警專家系統仍需要不斷完善和改進。隨著我國航空技術的進一步發展，多目標、空地一體化試飛等新需求不斷出現，必將為綜合化實時監控技術帶來新的技術挑戰。