飛行試驗綜合安全監控技術

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

飛行試驗，簡稱試飛，是飛行器及其動力裝置和機載設備在真實的飛行環境條件下進行的試驗。飛行試驗是新機和航空裝備研制中至關重要的環節，風險因素較多，因此，為了保證飛行試驗的安全進行，必須對飛行試驗的整個過程進行安全監控。

遙測監控是試飛過程中實時獲取數據的唯一手段，對于降低新機或航空裝備的試飛風險，提高試飛效率，縮短試飛周期等都起著關鍵作用。遙測監控是在飛行試驗過程中，將對影響飛機安全的關鍵參數通過遙測鏈路實時下傳到地面進行監控和進一步的處理分析，實時監控軟件通過對照其臨界值進行飛機平臺、航電系統等系統的安全狀態判斷，并以告警燈、聲音等多種形式表現出來。以確定飛機在空中是否處于安全可控狀態，試飛動作是否有效完成，后續任務的能否安全進行。開展飛行試驗安全監控是確保試飛安全和型號各科目試飛任務順利開展的最基本的前提[1]，長期的飛行試驗經驗和事實表明，飛行試驗綜合安全監控與應急處置輔助決策的技術水平和能力，都會對飛行試驗的進度及技術發展產生很大的影響。

1 安全監控現狀與需求分析

傳統的安全監控技術是通過設計安全監控軟件將試飛數據以數字、曲線、信號燈等形式顯示在監控顯示器上，指揮員和試飛工程師通過顯示的試飛數據與飛行手冊中的數據對比才能判斷數據是否在正常區間，通過告警燈的狀態來判斷某個重要信息是否正常，根據告警內容到紙質的應急處置手冊中去查找對應的處置方法和步驟，然后通過電臺告知試飛員，這樣的方式對保障試飛安全也起到了一定的作用，但是整個過程所需時間過長，同時全程的分析、判斷到最終的決策是在指揮員和試飛工程師在高度緊張和巨大心里壓力下完成的，人為因素影響過大，也造成過一些安全事故征候。尤其是飛機的某些部件發生重大故障時，時間就是試飛員和新型號飛機的生命。

隨著近年來新型飛機的不斷涌現，由于新型飛機采用大量的新技術和系統復雜度急劇增加，試飛過程中需要監控的關鍵技術點也隨之增加，傳統的安全監控技術和方法很難滿足型號試飛任務對安全監控日益增長的需求。

因此必須通過采用新的安全監控技術設計開發綜合安全監控軟件[2]，減少人為因素，減輕指揮員和試飛工程師的監控壓力，為指揮員和試飛工程師提供直觀的判據、直接高效的應急處置信息，縮短應急處置決策時間，更加有效的保證試飛安全，提高試飛效率。

2 綜合安全監控技術

綜合安全監控技術涉及通信技術、計算機技術等，將綜合安全監控技術運用到飛行試驗實時監控中，可以擴充實時監控的手段，使監控的形式多樣化，使得指揮員和試飛工程師能夠在監控中更快地獲得更多的信息，提升了實時監控的質量，確保了飛行試驗的安全有效進行。

2.1 基于故障樹的多類型告警技術

在飛行試驗實時監控過程中，故障告警的準確度與直觀度直接決定了應對故障決策的及時性和有效性，通過對故障類型及其所影響的決策方向，采用不同的表現形式進行狀態顯示，通過不同的顯示方式，需要能夠明確地指出故障的種類、故障間的關聯程度、故障產生時所在系統的狀態。

傳統的使用單一的形式僅對發生故障進行指示的方法，不能有效地指出故障所影響的具體范圍，嚴重程度，以及明確故障所產生的問題根源。通過分析各個故障的說明信息，結合飛機各系統的狀態特征，梳理出各個故障之間的邏輯關系以及其所處的系統部位，將這種關系抽象為樹型結構[3]，從而形成了具有故障之間關聯關系與系統各層級故障信息的數據集合。圖1是故障樹結構示意圖。

將該數據集合應用于飛行試驗實時監控軟件設計過程中，并結合以往的軟件設計技術，總結出了4種不同故障的表現形式及其應用方向。

1)告警燈：直接指出系統所產生的故障，結合故障所在系統的其他數據指標進行共同設計，有利于明確故障發生的根本原因，及其系統內的影響范圍。主要針對重要的系統故障。

2)語音告警：采用TTS技術[4]將文本故障信息轉化為語音信息進行警示，主要針對飛機的關鍵故障，其處于樹形結構中的頂層，對飛機的安全具有至關重要的作用。

3)故障清單：當前任務過程中試驗飛行科目所發生的所有故障依據故障危害程度劃分的等級分級顯示與顏色區別的方式進行呈現，并直觀的表述出故障之間的相互關系，可以第一時刻明確發生故障產生的影響范圍，并初步判斷出最底層的故障信息，產生初步的決策內容。

4)圖形化：通過針對單一子系統進行分析，確定系統的整體邏輯圖以及硬件設計仿真圖，結合具體部位的數據的顯示與故障所處的位置，形成圖形化的故障顯示，主要針對可以圖形化的子系統，具有形象準確的特性。

由此可見，告警燈與語音告警可以最大限度的通過視覺和聽覺將重要的故障直觀的顯示，圖形化的顯示方式能夠形象逼真的實時顯示系統各個部位的真實狀態，在發生故障后，可以直觀的顯示當前系統發生故障的具體部位，在結合了故障樹的設計思想之后，一方面在實時監控中可以更加準確有效地設計監控軟件，與此同時在故障發生后也能夠更加有效地發現問題根源做出合理的處置決策。

而基于故障樹的故障清單的形成建立，一方面要結合已經建立的故障樹結構，另一方面要對當前系統各類型的故障進行匯總分析，明確其故障的級別(嚴重；重要；警告；提示)、產生方式(故障產生的判斷邏輯)以及故障呈現的相關信息(產生時刻，顏色提示等)。

雖然前期需要開展大量的準備工作，但在故障觸發時便于決策人員更好地識別并做出正確的處置。以上故障告警都是基于簡單的邏輯判斷，但是有些科目需要經過特定復雜運算之后才能獲得做出狀態評價的數據依據，再決定是否繼續開展下一個試飛動作，因此需要構建一個通用的準實時數據處理平臺，快速完成某些風險科目試飛過程中試飛動作的狀態評估，為試飛安全提供決策依據。

2.2 試飛任務嵌入式準實時數據處理技術

隨著計算機技術的發展，遙測數據實時處理系統的計算能力越來越強，一些以前只能在飛行后進行的計算分析，現在可以在實時監控過程中進行準實時的數據分析，通過在飛行試驗過程中，把與試飛動作段相關參數的遙測數據進行實時記錄，當該動作段完成時，用實時記錄的動作段數據按照相應的算法進行分析處理，給出試飛評定結果，作為地面指揮員和試飛工程師評價試飛科目完成情況的依據，最終達到對試飛任務進行準實時評估的目的。遙測數據準實時數據處理流程如圖2所示。

試飛任務嵌入式準實時數據處理軟件是在Labview軟件平臺下，利用MATLAB Script腳本節點將MATLAB程序嵌入到Labview程序中，其中Labview負責實現遙測數據的實時接收、數據的截取操作和數據的保存等功能，利用MATLAB在數學運算分析方面強大的能力實現試飛科目復雜算法的分析和計算。下面以飛控穩定裕度試飛科目為例[5]，具體說明嵌入式準實時數據處理軟件實現步驟：

1)在試飛任務實時監控過程中，通過TCP/IP協議和前端實時數據處理服務器建立連接后，實時獲取需要監控參數的工程量數據，使用Chart圖表控件以曲線圖表的形式顯示部分關鍵參數的時間歷程曲線，以供試飛工程師實時監控；

2)在試飛科目動作完成后，試飛工程師在時間歷程曲線上通過快速拖動游標確定歷史數據的起止點；

3)根據選取的起止點，從參數History屬性節點中提取出兩個游標之間的歷史數據，并按照一定格式保存在本地磁盤上，用于后面的科目分析和計算；

4)后臺調用飛控穩定裕度科目分析計算Matlab程序算法，對保存數據做FFT變換，得到飛控系統的開環頻率響應，即BODE圖，使用的算法由試飛工程師給出，軟件提供了一個開放的接口，可以方便的將試飛工程師事后處理所用的Matlab程序算法嵌入到準實時數據處理軟件中，為實現其他科目的準實時處理提供了通用平臺；

5)在完成科目分析與計算之后，使用 MATLAB軟件中的繪圖命令，將計算后的評估結果以閉環時域響應圖以及BODE圖的形式輸出。

2.3 應急處置輔助決策技術

以往的實時監控軟件，在故障或告警出現后，需要指揮員在紙質試飛員手冊查找應急處置措施，這種方式需要的時間周期長，而且指揮員和試飛員都要承受巨大的壓力和風險。因此采用計算機軟件和知識工程等多項先進技術，以飛行員應急手冊、飛行手冊為依據，在分析了上百個架次試飛數據的基礎上，結合試飛員和試飛工程師長年積累的經驗，對所有故障對應的應急處置進行分析和總結、歸納，形成試飛安全決策庫，一旦出現告警，安全監控軟件自動從安全決策庫中搜索信息立即形成應急處置方案，并將應急處置程序和內容以準確、簡潔的方式顯示，提高空中特情應急處置成功率。

首先分析出處置內容特征標識，即任何一條處置決策應當具有項目名稱、項目顯示(飛機儀表或系統指示模擬圖或實景圖)、告警級別、話音(頭顯或耳機)、含義、影響、處置措施(包含不同情況下)。確定了具體內容版圖，相比于傳統故障處置內容僅使用單一的純文字文本的顯示方式，通過采用HTML，建立故障條目與靜態網頁關聯表，在Labview軟件中內建瀏覽器，將處置內容匯總為具體的處置網頁，采用文字、表格、圖片以及視頻等方式進行頁內呈現，具有更好的閱讀性。故障處置內容范本如圖3所示。

圖3 處置內容范本

在匯總處置形成具體的處置網頁時，通過對項目名稱以及含義與影響進行分析，形成可識別的關鍵字標簽，從而形成了具體的應急處置數據庫，在實時處理過程中針對所需處置的故障，采用關鍵字檢索形成直接的處置方案，并結合處置內容與故障內容獲取其在數據庫中的匹配度，選擇匹配度最高的方案進行最優呈現。應急處置決策處理流程如圖4所示。

圖4 應急處置決策處理流程

3 綜合安全監控系統構建

為保證目前飛行試驗的安全性，在飛行試驗實時監控架構[6]基礎上，整合原有資源，采用綜合安全監控技術，建立了一個綜合安全監控系統。通過對遙測前端傳來的遙測實時數據進行實時處理、分析與顯示，該系統具備遙測數據實時處理、試飛安全實時監控、試飛任務準實時評估、應急輔助決策等功能。

該綜合安全監控系統可應用于飛行試驗遙測監控任務中，圖5為某型機的故障清單示意圖，將該機的故障分為4類，分別用不同的文字顏色進行區分，當發生嚴重故障和重要故障時，監控軟件會進行語音告警，系統根據獲取到的故障信息，加以分析后，會彈出相應的處置決策提供給指揮員和試飛工程師，以便輔助飛行員快速相應，完成故障處理。圖6為飛控穩定裕度準實時數據處理軟件界面示意圖。在動作完成以后，飛控穩定裕度科目分析模塊迅速進行數據分析，將閉環時域響應圖以及BODE圖，提供給試飛工程師，得到本次動作的完成情況，這對試飛工程師進行后續飛行動的開展指揮具有指導作用。

圖5 故障清單示意圖

圖6 飛控穩定裕度準實時數據處理軟件界面示意圖

4 結語

基于上述技術開發的綜合安全監控軟件已經成功地應用在了飛行試驗實時安全監控系統中，在多個型號飛機的試驗試飛任務中，通過以告警燈、語音告警、故障清單和圖形化等豐富的告警形式從視覺、聽覺全方位、立體地、快速準確地發現故障，與安全相關的科目試飛，可以在1分鐘內獲得評估結果，并在故障發生時，快速形成應急處置方案，輔助指揮員和飛行員完成故障處置，綜合安全監控系統自應用以來已成功監控處置多次飛行險情，避免了國家財產的損失。

綜合安全監控技術滿足了新型飛機試飛的安全監控需求，突破了綜合告警、準實時數據處理、應急處置輔助決策等關鍵技術，有效保證試飛安全，縮短研制及定型周期，同時為構建試飛安全專家系統提供了必要的技術積累。