基于飛行數據的航空自動化信息處理系統的設計分析

馬曉

（西安航空職業技術學院陜西西安710089）

近些年，隨著微處理器、總線等技術的發展，多處理器技術得以廣泛用于控制領域。西方發達國家的航空管理工作已經開始一場新的革命，這次革命主要在于依托無線網絡、互聯網等技術，進一步帶動航空整體管理水平的提升。如今，國內在飛行檢測、維修等領域與國外發達國家相比，依然存在一定的差距。為達到國內飛行維修、管理等方面的需求，國內學者開始運用嵌入式系統、物聯網技術等新型技術，開展相應的航空自動化信息管理系統的研究工作。基于此，如何運用已有技術構造具有良好優越性的新一代航空自動化信息處理系統，也是相關研究人員所面臨的重要任務。文中根據飛行工作實際需求及相應的飛行數據，開發一種用于航空領域的自動化信息處理系統，以此提升飛行信息監測質量和處理能力。本文所設計航空自動化信息處理系統以計算機為核心內容，以實現自動化管理作戰指揮為主要目的，把指揮、通信、情感等信息有機結合起來，更好地提升飛行信息航空管理水平。

1 飛行數據分析

隨著國內航空事業的快速發展，飛行流量增長速度明顯增快，這種情況促使我國民航空域日趨緊張。因此，如何在確保飛行安全的基礎上，有效縮小飛行之間的間隔、提升空域利用效率、實現流量管理，方可滿足當前及未來可以預期流量管理的實際需求。近些年，由于民航領域大力開展空管體制改革工作，為創建一體化的管理機制營造良好的環境，并加大技術裝備的改造力度，成為航空領域大區域流量管理做好充足的準備工作。基于這種環境下，飛行數據和計劃實施集中處理，也是航空領域重點關注的內容。尤其在飛行量快速增長的今天，對飛行數據和計劃實施統一的管理，不僅有助于更好地運用有限空域，創建恰當的空中交通管理模式尤為重要。而依據飛行數據設計相應的航空自動化信息處理系統，該系統主要功能在于完成航空電報處理、生成詳細的飛行計劃、飛行航跡計算、進程單管理等。在設計的航空自動化信息處理系統中，對于飛行數據的處理主要表現在以下方面：1）對相應的電報進行接收和解析處理，基于此，把接收的原始報文解析成為分組報文，發送給相應的子系統實施進一步處理。2）對電報實施解析分組時，若發現存在格式錯誤，或者系統缺少與之對應的基礎資料，會給出相應的錯報、資料缺漏的提示。長時間并未接受到電報，或所接受的電報流水號并不連續，也會發出相應的告警提示。3）運用技術及管理手段確保飛行安全作為航工業最基本的共識，航空安全設計飛機、維護保障、運行等環節，是一個比較復雜的工程。依托飛行數據為基礎對飛機飛行狀態實施監控，確保飛機處于安全運行狀態。系統安裝運行以后，通過不斷地調試，系統處于正常工作狀態，可以滿足預期功能需求。

2 系統主要組成

依托飛行數據設計的航空自動化信息處理系統，運用手持式快速卸載器把相應的數據下載至存儲介質CF卡內，其他各個子系統順利完成對各層次數據的分析及處理，最終獲得與飛機狀態相關的信息報表[1]-[2]。本文所設計的系統具有較好的自動化程度、強大的信息處理能力，其主要組成如圖1所示。由物理結構角度分析，系統包含軟件、硬件這兩個模塊，其中，硬件模塊包含手持式通用快速卸載器、便攜式輔助維修系統，旨在完成飛行數據的下載、保存處理，以及依據飛行數據進一步預測、評估故障[3]。軟件模塊主要包含飛行成績評估、飛機狀態監控等子系統，用于完成顯示飛行數據、快速通報飛行事件等[4]。不同子系統之間保持一定的獨立性，且根據飛行數據把彼此密切結合起來，組成有機的整體。

圖1 航空自動化信息處理系統結構簡圖

3 系統各子系統的設計

3.1 配置手持式通用卸載器

這種卸載器也是運用先進的嵌入式技術開發完成，主要作用在于實現下載、保存等功能。這個設備主要包含軟、硬件兩個部分組合而成。其中，軟件依托DOS操作平臺研發出來的應用程序，包含用戶交互軟件、數據卸載軟件、硬件驅動程序等。硬件主要組成部分包含矩陣鍵盤管理系統、Smart Core小系統等。其中，Smart Core小系統作為系統硬件的核心內容，也是手持式卸載設備的大腦（CPU），它采用DL公司提出的Smart Core模塊為主要內容，配合與之對應的擴展電路組合起來[5-6]。該系統也在一定程度上擴展數據存儲卡、ISA總線接口及標準串口（2個）等。矩陣鍵盤管理系統包括外圍電路、89C51單片機等部分，旨在做好矩陣鍵盤管理工作，并把矩陣鍵盤轉變成為PC機標準下的PS2格式。

對系統展開集成測試可知，電路交叉連接會出現相應的空間輻射或者外接電源干擾等問題。為確保所設計系統的可靠性及穩定性，運用下列干擾技術順利實現：1）綜合屏蔽技術能有效減少電磁波帶來的輻射干擾，如：殼體運用進口的鋁材，并對其表面實施導電陽極化處理，有效減輕元器件之間的輻射干擾[7]。2）一點接地技術選取殼體作為接地點，以此當做系統的參考點，順利與飛機殼體實現連接，其他電路接地點也要與該點實施連接。3）軟件抗干擾技術運用數字濾波、標志判斷等方法提升系統的穩定性，有效消除程序存在的死機、彈飛等問題[8]。飛行數據下載完成以后，通過文件方法保存在與之對應的飛機型號目錄之下。這種情況下，CF卡則成為飛機數據重要的信息載體及其與各子系統的數據源。

3.2 飛機狀態監控子系統

該系統依托飛行數據，并對所收集的數據實施建模處理，通過預測分析飛行數據，從而全面檢測飛機健康情況。由于飛行數據隸屬于多狀態的時域數據，如果采用飛機參數記錄器所提供的飛行數據直接實施趨勢監控處理，其具有工作量大、模型復雜等特點，無法全面展示飛機整體性能的時域性，也無法展現飛機性能的統計信息[9-10]。基于此，全面收集、篩選飛機處于穩定狀態及飛行特定時段下的飛行數據，歸納并對能夠反映飛機不同子系統的性能參數實施歸納、統計分析。飛機處在穩定的工作狀態，主要由以下兩個方面進行理解：1）對應飛機發動機所處工作狀態，例如：慢車、最大運行狀態等；2）滿足一定篩選條件下的確定狀態，例如：飛機處在直流27 V最大狀態等，以此為基礎，創建飛行數據AR模型，進一步預測飛行參數，進而使用閥值對比法完成監控各項參數的目的[11]。

3.3 飛行成績評估子系統

這個子系統依托自動識別飛行動作，能夠快速通報這次飛行操作中完成飛行動作的名稱、數量等信息，并以此為基礎，自動評估一架飛機的飛行成績。進行飛行成績評估過程中，采用單值對應方法創建動作名稱與數據相對應的關系，其優勢在于飛行動作檢索比較方便，有利于明確與相關動作數據的對應關系。實施成績評估時，先要依據動作名稱表分別檢索飛行動作庫，為有效提升檢索效率，一次性把檢索所得與動作相關的字段放置內存中，并通過已經檢測的其他字段明確劃分判斷條件。

圖2 飛行成績評估操作流程

除此以外，這個子系統運用模糊方式對生物神經元實施建模處理，并采用模糊神經元當做處理信息最基本的單元，運用ART模型匹配-共振原理，以此對神經元信號展開編碼處理建立模糊綜合映射網絡。除此以外，依托這個網絡進一步識別飛行參數，并實施編碼處理，以此準確識別飛機飛行動作及情況。所建立的模糊神經元模型如圖3所示。其中，X所輸入的信息為飛行特征向量；Wij表示對應權值；MFij代表所對應的隸屬度函數；Yi表明輸出與之對應的飛行動作模式。

圖3 建立的模糊神經網絡模型

3.4 飛行數據地面綜合處理子系統

該系統主要功能在于實現飛行數據的編碼及再現處理，并以此為基礎，運用模糊專家系統玄素通報相應的飛行事件。這個系統具體功能如下：1）把飛行原始或者規定的數據文件由某一介質內錄入至地面站系統之內，并將其轉換為地面站格式文件。2）依托模糊專家系統內的推理機制，對飛行數據展開快速的分析，獲取與之相應的飛行事件報告，如：飛機設備故障信息、飛行狀態；使用限制等[12]。此外，也可以迅速統計飛行槽中每一個參數極值狀態，并詳細記錄出現極值的具體事件。同時，可依托虛擬儀表技術能夠再次模擬飛行過程，主要包含飛行過程二維或三維航跡顯示、顯示飛機儀表狀態模擬信息等[13]。除此以外，系統會提供對文件進行管理的工具，以此減少繁雜的人工操作，有效提升工作效率。對飛行狀態進行模擬處理中，可利用速度積分的方式明確飛機二維平面位置，但因記錄誤差及積分算法對誤差放大產生的影響。具體運用過程中，遭受一定的限制。可以結合某些機型實際狀況，提出依托RBF神經網絡信息融合方式，其主要做法在于運用飛行運動學方程求解信息，對RBF神經網絡預測值實施校正處理，模擬出來的飛行兩級信息模型見圖4。其中，v、ψ分別表示地速、航向角；λ、φ代表飛對應時刻具體的經、緯度采集值；Δλ、Δφ依次表示經度、緯度單位時間內的變化數值；θ表示俯仰角；nz為法向過載。

3.5 設計便攜式輔助維修子系統

在飛機進行維修操作中，不管檢修人員處在何種工作狀態，均要快捷地與PC機或其他服務器設備實施通信，以此獲取相應的數據、圖像、文本等信息，從而完成實時交流[14-15]。這個子系統面向機務維修工作一線，運用ARM嵌入式開發技術與數據庫技術結合起來，內部設置航空機務維修電子文檔及飛機故障歷史信息。同時，利用故障樹判定方式自動評估故障，進一步提出相應的解決方案，為地面維護工作者提供準確、技術的數據支持，便于準確、及時掌控飛機運行狀態[16]。該子系統包含軟件、硬件設計兩方面的內容，其中，硬件主要由可穿戴、手持這兩個部分組成，如圖5所示。同時，便攜式輔助維修系統應該具備良好的人機交互功能，維修工作者可實時查看各類數據信息，因此，它要求提供更直觀的顯示功能。在部分特殊應用場合，維修人員必須技術對數據展開處理。因此，這個子系統要提供輸入交互接口，如：挑選簡單的功能按鍵、觸摸屏輸入方法。此外，使用者在實際工作中必須解放雙手，以至于不可把大量的注意力轉移至鍵盤及顯示屏上，盡可能增設語音菜單控制功能，依托音頻設備實現輸入輸出控制功能。

圖4 用來模擬飛行創建的兩級信息融合模型

圖5 便攜式輔助維修子系統硬件構成圖

4 結 論

綜上所述，自動化信息處理系統在空中交通領域發揮著重要的作用，該系統的運用不僅能提升裝備遠程維修技術水平，也可以有效縮短故障診斷時間、節省大量的能源，這滿足我國可持續發展戰略順利實現的具體要求。本次研究從飛行數據入手，進一步闡述航空自動化信息處理系統總體結構，并詳細介紹各個子系統設計情況，以期提升航空領域管理水平。