基于QAR數據的PW4056發動機穩態報文解析

曹惠玲，張興川

（中國民航大學航空工程學院，天津　300300）

基于QAR數據的PW4056發動機穩態報文解析

曹惠玲，張興川

（中國民航大學航空工程學院，天津300300）

對QAR數據和ACARS報文數據的同源性進行了分析，對發動機穩態報文的結構及其生成邏輯進行解析，提出了一種從QAR數據中提取出滿足觸發條件的發動機穩態報文的研究思路和方法，利用該方法不僅可以充分挖掘QAR數據中大量原始監控數據，還可獲得按邏輯提取的模擬ACARS報文，借助該報文可為航空公司提供應急處置方案，協助其進行飛機和發動機的狀態監控及故障診斷，也可以將其用于科研單位及高校的研究和教學，通過對B747-400飛機實際ACARS報文數據和提取報文數據進行計算分析，驗證了該方法的可靠性，具有良好的應用前景。

QAR數據；ACARS報文；同源性分析；提取邏輯；可靠性檢驗

QAR（quick access recorder）為機載數據記錄裝置，其每隔1 s準確地記錄下來自飛機各系統的大量運行參數，連續完整地反映了整個航程中各系統的實際運行狀況。QAR記錄的參數種類繁多且數據量大，當飛機落地后可由地面人員將數據拷貝出來或利用WQAR（wireless quick access recorder）下傳，為分析飛機性能和實現重要系統的狀態監控及故障診斷提供重要的數據支持[1-4]。

ACARS（aircraftcommunicationaddressingandreporting system）是現階段國際民航通用的一種可尋址空/地數據通信網絡，其通過飛機機載設備以數字電報形式實時地與地面數據中心進行數據自動傳輸和交換，主要用于航空公司對飛機運行狀態的實時監控[4]。地面數據中心接收到數據后需對其進行解譯，經預處理、譯碼和校驗后生成報文發給用戶航空公司。為保證報文傳輸的準確性和完整性，地面數據中心一般采用循環冗余檢驗碼對接收到的報文進行校驗[5]。但由于客觀存在的因素，如通信網絡傳輸差錯、突發信號干擾、人為失誤和設備故障等造成報文信息出現誤碼、丟失或無法識別等情況往往不可避免。同時，受到數據傳輸技術及費用的限制，ACARS報文所包含的數據量小、參數信息少。且由于受到OEM（original equipment manufacturer）的技術封鎖，中國的航空公司只能依靠支付高額費用來購買部分ACARS報文數據以監控飛機的運行狀態，無法滿足航空公司對飛機及發動機狀態監控的深層次研究需要，同時科研單位和高校由于沒有購買權限，難以獲得實際ACARS報文，對開展與ACARS相關的教學及研究工作帶來很大困難。

當前，航空公司主要依靠ACARS報文和QAR數據相結合的方式進行飛機及發動機的狀態監控和故障診斷[6]。發動機穩態報文（engine stable frame report）是航空公司經常使用的一種重要的發動機監控報文，通常在飛機的巡航階段產生并通過ACARS系統下發，每次航班一般只下發2份報文[7]。如果能通過QAR數據提取出滿足觸發條件的報文，則不僅能夠充分利用QAR數據中所包含的大量原始監控數據，而且還可以獲得模擬ACARS報文，提供給科研單位以及高校便于進行分析研究和教學應用；同時還可以在ACMS（aircraft condition monitoring system）出現故障而無法獲得報文或出現誤碼等狀況時暫時替代ACARS報文，為航空公司提供應急處置方案。本文以B747-400飛機為例，研究從其全航段QAR數據中提取出滿足觸發要求的發動機穩態報文的方法，其他種類的報文同樣可用這種方法獲得。

1　ACARS報文數據與QAR數據同源性分析

飛機狀態監控系統（ACMS）是先進的機載數據采集和處理系統，其能實時收集各種監控數據，并對發動機和飛機的狀態與性能進行特殊的工程調查[6]。B747-400飛機的ACMS系統由數字式飛行數據獲取組件（DFDAU，digital flight data acquisition unit）、數據管理組件（DMU，data management unit）組成，其外圍設備主要包括飛行數據記錄器（DFDR，digitalflightdata recorder）、飛機通訊尋址和報告系統（ACARS）、快速存取記錄器（QAR）、多功能控制顯示組件（MCDU，multipurpose control&display unit）、駕駛艙打印機（PRT，printer）、監控報告記錄器（DAR）和機載裝填器（ADL，airborne data loader）等部件。

圖1給出了B747飛機在飛行過程中數據傳輸流程圖。從圖中可以看出，DFDAU通過總線傳輸系統從飛機和發動機相關傳感器上獲取飛行數據、發動機性能參數、駕駛員操作行為、駕駛艙錄音等數據信息，并將這些數據傳輸至飛行數據記錄設備（DFDR/QAR）或DMU中，DMU則控制數據的存取、報告生成、打印等一系列應用行為，包括對DFDAU中滿足ACARS報告觸發邏輯的數據進行運算處理后生成報告，并通過甚高頻系統發送至地面基站。

圖1　飛機數據傳輸流程圖Fig.1　Flow chart of aircraft data transmission

ACMS采集的各種數據應用主要有3種：①通過DFDR和QAR進行數據存儲，用于維護人員分析飛機及發動機性能；②經ACARS通過甚高頻收發機發送到地面RGS（remote ground station）接收站，傳送到OEM及航空公司，實現機組人員和地面管理人員之間的信息交互；③通過機載打印機、控制顯示部件實時提供給機組人員，方便機組人員實時了解飛機性能。飛行數據采集部件（DFDAU）是ACMS的核心部件，其內部有2個中央處理器（CPU），CPU1為DFDR和QAR提供數據，供有關人員進行突發性事件或事故調查分析使用，CPU2為ACMS的數據管理部件（DMU）提供數據，且DMU負責向ACARS、MCDU、PRT等外圍設備傳輸數據，供發動機狀態監控和飛機性能分析使用[6]。

通過對ACMS系統的組成和功能進行分析可以得出，DFDR、QAR和ACARS系統均接收DFDAU內部CPU輸出的數據，且數據都是由DFDAU和DMU進行收集、存儲和運算產生的，數據源都是飛機和發動機上安裝的各種相關傳感器測得的監控數據。DFDR主要記錄飛機飛行數據、駕駛艙錄音、駕駛員操作行為等信息；QAR除了記錄飛行數據外，還會記錄飛機、發動機及其系統和部件的性能監控數據，數據信息更加完備；而ACARS數據則是在DMU中將DFDAU傳來的數據進一步運算后得出的各種報告。由此可以看出，ACMS系統的各個外圍設備所接收的數據都來自相同數據源，所測得的相關參數也是相同的，因此本文利用QAR數據模擬ACARS報文的提取過程也是合理可行的。

2　發動機穩態報文提取邏輯及其解析

飛機在飛行中測得的數據經ACARS系統傳輸后可以存儲在文本文檔中，稱之為原始報文[5]，飛機的ACARS報文有110多種，從應用角度可分為面向航空公司的飛機運營管理（AOC，airplane operational control）報文和面向空中交通管制與服務的空管服務（ATS，air traffic service）報文[4]，發動機報（DFD,digital flight data）是眾多AOC報文中的一種，主要包括起飛報、巡航報和爬升報3種[5]，本文所討論的發動機穩態報文屬于發動機巡航報。

2.1發動機穩態報文的提取邏輯

以某航空公司的B747-400機隊為例，該機隊選裝了PW4056型號發動機，OEM要求在飛機進入巡航階段之后進行發動機穩態監控初始條件（engine stability monitoring initial conditions）和穩態容限值等級（stable condition tolerance category）的判定，該判定過程會一直持續到無法滿足判定條件或巡航階段結束。按照OEM的規定，每個航班都將產生和下發2個發動機穩態報文，在首次滿足所有判定條件之后立即下發第一個報文，巡航階段內最后一個滿足判定提取條件的報文將作為第2個下發報文[7]；B747-400發動機穩態報文必須按以下OEM規定的判定邏輯進行提取。

步驟1飛機進入巡航階段后，在其飛行數據中選取該時間點的飛機/發動機監控數據，判定如表1所示的飛機/發動機穩態初始條件。對4臺發動機分別判定前4個參數（MACH、高度、EPR、N1），對于飛機則需判定全部參數，以此來檢測飛機和發動機是否滿足穩態初始條件，如果在1 s內全部參數均滿足條件則進入步驟2；否則判定為不成立，從下1 s重新開始此過程繼續進行判定，判定時間節點向后順延1 s，直到所有監控參數都滿足表1要求的條件[7]。

表1　飛機/發動機穩態監控初始判定條件Tab.1　Aircraft/engine stability monitoring initial conditions

步驟2當參數滿足穩態初始判定條件后，從該時間點向后選取180 s數據，記錄該180 s內各個穩態參數的最大值和最小值之差，與表2中對應參數的穩態容限值（TB，tolerance category band）進行逐個比較，如果在3 min穩態判定周期內，每個參數的最大值和最小值之差都小于表2中與之相對應的TB（至少滿足E等級），則獲取該判定區間內最后20 s參數數據的平均值，同時給出對應的穩態容限值等級（共有“A～E”5個等級），產生第一份ACARS報文并且進行下發，同時將報文數據和等級信息一并存儲在永久存儲器（NVM，non-volatile memory）中；如果在3 min判定周期結束前給定的參數不能滿足與之對應的穩態容限值，則穩態判定周期將會向后順延1 s繼續運行，在隨后的每1 s不斷記錄判定周期內最新的參數最小值和最大值并覆蓋之前存儲的數值，直到可以在整個判定區間獲得1組可以接受的穩態參數，進而產生并下發第1份ACARS報文；此時將啟動長為1 h的“中斷間歇”，在這個時段內將不會進行發動機穩態報文的提取[7]。

表2　飛機/發動機穩態容限值等級Tab.2　Aircraft/engine stable condition tolerance degree

步驟3系統在1 h“中斷間歇”結束后會重新啟動步驟1和步驟2所描述的穩態監控，直到獲取下一個滿足要求的穩態報文數據和對應的穩態等級信息。在此階段系統會將提取出的發動機穩態報文數據存儲到臨時緩存器中（不覆蓋NVM中第一個穩態報文數據）并啟動一個新的1 h“中斷間歇”，但不會產生和下發ACARS報告；發動機穩態報文的提取必須在“中斷間歇”結束后才能進行，系統會不斷用新數據覆蓋之前存儲在臨時緩存器中關于發動機穩態的后續判定結果，并忽略之前存儲報文數據的穩態等級信息[7]。在巡航階段系統會一直進行上述的提取過程，但當飛機飛行階段發生改變，如從巡航階段變為降落、滑跑階段或空/地信息發生變化時，系統會將存儲在臨時緩存器中的最后一個發動機穩態報文通過ACARS下發并將報文數據及其對應穩態等級信息存儲在NVM中。圖2為發動機穩態報文提取全過程的示意圖，圖中假設第1次提取用時0.3 h并獲得穩態等級為“D”的報文，第2次提取用時0.2 h并提取出穩態等級為“E”的報文。

圖2　發動機穩態報文提取示意圖Fig.2　Schematic diagram of engine steady frame report extraction

在表1中，EPR代表發動機壓比，當系統無法從任何總線上獲取有效EPR數值時，會使用備用初始判定條件N1（低壓轉子轉速）。表2中，等級“E”是可接受的發動機穩態判定的最小容限值等級，與各個參數穩態容限值相關的“+”表示一個最小/最大范圍，這定義了參數穩定在穩態容限內可能的變化范圍。“X”表示該參數沒有被用作穩態判定標準。

2.2報文格式解析

以該機隊為例，B747-400原始發動機穩態巡航報文（DFD）格式如圖3（a）所示，可看出系統為了節省存儲空間，將報文中數據或字母連續排列存儲，無長度、精度及數值含義信息，可讀性差[1]。本文通過對比、分析原始ACARS報文與QAR數據中的參數信息，并查閱波音使用手冊和航空專業英文縮寫字典，明確了圖3（a）原始報文中參數的信息及其縮寫詞匯，設計了如圖3（b）所示的B747-400發動機巡航穩態報文數據的模板，同時也標注了參數的意義、長度、精度及其格式等信息。原始報文的第5～16行分別表示B747的4臺發動機的監控參數，縮寫詞匯后面的數字1代表編號為1的發動機，第2到第4臺發動機的監控參數格式與第1臺相同，圖3（b）中沒有重復顯示。

圖3　發動機巡航穩態報文格式Fig.3　DFD format

2.3基于QAR數據的報文生成邏輯

本文第1節驗證了原始ACARS報文數據與QAR數據都是經DFDAU和DMU進行數據采集、存儲和運算得到的，數據源都是飛機和發動機上安裝的各種相關傳感器，即原始報文數據與QAR數據是同源的，所以按照2.1中描述的發動機穩態報文生成邏輯從QAR數據中模擬其提取過程的方法和思路是合理且可行的。

根據發動機穩態報文的提取邏輯，設計相應的算法從QAR數據中提取穩態報文，算法流程如圖4所示，由此利用Matlab進行相應的計算，在3.1中給出計算結果。用飛機下傳的2份實際ACARS報文對所生成的報文數據進行檢驗，即可驗證算法的可靠性。實際每趟航班只記錄2份ACARS報文數據，但利用QAR數據可以提取任何時間段的報文，也可以提取出滿足條件的多份報文，同時還可利用歷史QAR數據還原報文數據，并且將提取出的報文應用于科研單位課題研究及高校教學，可以很好地解決ACARS報文數量少及獲取受限的問題。

在執行該邏輯進行提取的過程中可能會出現某些問題，如無法提取出符合條件的數據或提取報文與原始報文時間點相差特別大等狀況，這時需對選取參數及其范圍進行調整，并適當降低穩態容限值等級（TB），直到可以獲得滿足觸發條件且較滿意的穩態報文。

圖4　從QAR中提取發動機穩態報文的邏輯圖Fig.4　Extraction logic diagram of steady frame report from QAR data

3　實例應用

3.1基于QAR數據的報文提取

以該機隊的一架B747-400飛機為例，收集其20份QAR數據及其對應的2份ACARS發動機穩態報文，部分QAR參數數據如表3所示，表中給出了2份原始穩態報文生成時間節點附近的數據，生成的第1個ACARS報文如圖3（a）所示。表3中的符號“///”說明測量該參數的傳感器暫時處于關閉狀態，ENG1代表1號發動機。

表3　部分QAR數據Tab.3　Partial QAR data

利用Matlab對QAR數據進行計算生成發動機巡航穩態報文，得到滿足觸發條件的2份報文，分別用提取報文1、2表示，OEM提供的ACARS報文分別用原始報文1、2表示，在表4中列出了提取報文與原始報文部分重要參數的對比情況，ENG4代表4號發動機。

表4　提取報文與原始報文部分數據Tab.4　Partial extracted report and original report data

3.2可靠性檢驗及誤差分析

將提取的40份報文數據與其對應的ACARS原始報文數據做誤差分析，如圖5所示。從圖中可以看出，大部分數據的計算誤差都能控制在4%以內，以表2中最低等級“E”估計，4%的計算誤差是可以接受并且可以用于工程實踐應用的，因此證明了該方法的有效性。

圖5　計算誤差對比Fig.5　Comparison of calculation errors

利用QAR數據提取的模擬報文數據與原始ACARS報文數據存在一定誤差，為了最大限度減小誤差，更好地用于工程實踐，本文對誤差產生的原因做出如下分析：①OEM所提供如表1和表2所示的發動機穩態報文的提取條件較少且范圍廣，造成滿足觸發條件的報文數量較多，與原始報文提取時間點有一定偏差，從而造成所提數據存在偏差;②報文由第三方接收ACARS數據并傳送給OEM，經OEM計算后發給航空公司，其中具體算法OEM嚴格保密，也可能隱藏了某些計算模型和更嚴格的限制條件，這就造成了誤差的必然存在；③QAR數據及ACARS報文數據在傳輸過程中都經過一系列傳輸協議的轉換，如QAR數據是DFDAU經ARINC-573/717協議傳輸至QAR中進行存儲，而報文數據是由DMU經ARINC-724協議傳輸至ACARS，再經ARINC-618/-620協議封裝傳輸至地面用戶[5，8]，傳輸協議的不同會導致譯碼方式不同，且ACARS報文提取過程與本文提供方法分別是在譯碼前和譯碼后進行，所以譯碼方式及譯碼順序的不同可能會造成數據變化而導致誤差的存在。

為了減小誤差，需嚴格按照報文提取邏輯，盡可能增加提取條件，縮小提取范圍，使提取報文的時間節點盡量接近實際ACARS原始報文，從而提高提取報文的工程應用價值。

3.3報文的實際工程應用

航空公司現階段利用基線和偏差值進行發動機狀態監控及性能排隊[9]，根據ACARS報文數據及OEM提供的趨勢圖偏差值做出N1和EGT隨EPR的變化情況，可以清晰地看到N1和EGT與EPR呈正相關關系，為了得出其更精確的定量關系及進一步挖掘發動機性能基線，需對報文中的數據進行相似修正，結合趨勢圖偏差值作出發動機重要監控參數的性能基線，提供給科研單位及高校以用于研究及教學。利用本文中ACARS報文和趨勢圖可以作出PW4056發動機重要監控參數（EGT、N1、N2、FF）的性能基線，并且能夠將相對偏差控制在3%以內，具有不錯的可靠度，進一步挖掘了報文數據的實際工程應用途徑。

4　結語

本文對QAR數據和ACARS報文數據的同源性進行了分析，對發動機穩態報文的結構及其提取邏輯進行了解析研究，提出了利用QAR數據進行數據挖掘以提取出滿足觸發條件報文的研究思路和方法，通過對B747-400飛機實際QAR數據和ACARS報文的計算分析，驗證了方法的可靠性。利用該方法可加強飛機關鍵系統的狀態監控，對ACARS數據進行合理的補充，為航空公司提供備用數據以便在ACMS出現故障時為航空公司提供應急處置方案，還能通過歷史QAR數據提取出任何時間段的報文，還原歷史報文數據，并且可為科研單位及高校提供模擬ACARS報文以及據此進一步挖掘出的發動機性能基線，廣泛用于分析研究及教學應用。

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（責任編輯：楊媛媛）

Analytical study on PW4056 engine stable frame report based on QAR data

CAO Huiling,ZHANG Xingchuan
（College of Aeronautical Engineering,CAUC,Tianjin 300300,Chian）

The homology of QAR data and ACARS report data has been analyzed,as well as the structure and extraction logic of the engine stable frame report.An extracting method of engine stable frame report which meet the triggering conditions from QAR data is proposed.With the help of this method,not only the vast amount of raw monitoring QAR data can be fully tapped,but also a simulated ACARS report is obtained,which can be used in emergency management of airlines,assisting researches in condition monitoring and fault diagnosis of aircraft and engine.It can also be used in universities and scientific research units in teaching and researching. Computational analysis of both the actual ACARS reports and the extracted data of a B747-400 airplane verifies the reliability and great prospects in application of this method.

QAR data;ACARS report;homology analysis;extraction logic;reliability testing

V23

A

1674-5590（2016）05-0014-06

2015-11-04；

2016-01-09

中國民航大學博士啟動基金項目（QD02S04）；中央高校基本科研業務費專項（Y15-03）

曹惠玲（1962—），女，河北唐山人，教授，工學博士，研究方向為航空發動機性能分析與故障診斷等.