基于參數化的直升機試飛任務管理系統設計與實現

虞漢文，顧文標，黃 磊，葉新苗，李 凱

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001； 2.北京索為系統技術股份有限公司，北京 100098)

0 引言

軍用直升機從設計到定型需要經歷漫長的試飛過程,按階段可分為地面開車試驗、科研調整試飛、性能鑒定試飛、作戰試驗及在役考核等不同性質的試飛；民用直升機試飛過程基本類似，包括地面開車試驗、科研調整試飛、取證試飛、局方審定試飛及功能可靠性試飛，不同階段試飛考核的重點存在差異。直升機試飛具有任務復雜、綜合性強、信息量大、周期長、風險性高的特點。作為一項系統工程，一方面，試飛工作的涉及面十分廣，并且試飛還具有多型號、多樣機、多任務、異地交叉與并行的特點，試飛任務管理涉及的任務策劃、組織實施、信息處理、技術分析、飛行安全保障等各個環節的好壞均直接影響到試飛的最終效果。所有這些對試飛任務精細化管理的需求已是日益迫切。

為了適應未來直升機型號技術大發展對試飛任務管理的需求，實現試飛任務綜合管理水平質的飛躍，充分發揮智能化、信息化在直升機型號試飛任務管理中的作用，現提出基于參數化的直升機試飛任務閉環控制系統，以實現試飛任務精細策劃、設計、執行與管控，以及試飛業務全過程的技術支撐、狀態管控和信息共享，從而提升試飛效率，促進試飛安全。

1 試飛任務管理系統需求分析

1.1 試飛任務管理現狀

目前的試飛任務管理是從試飛大綱開始，試飛主管將試飛大綱的科目組合、編排成執行程序文件及試飛任務單，根據試飛進展和直升機狀態等條件按一定次序(并動態調整)進行試飛實施。試飛任務管理的主要流程包括：任務策劃、試飛實施流程、試飛評估、飛行安全保障流程等，合理的試飛任務管理能夠提升試飛效率，一定程度上降低試飛風險。

新研直升機試飛周期長達數年，試飛科目繁多，飛行架次達5000以上，試飛任務管理常常涉及不同單位、異地、多架試驗樣機交叉等復雜情況，任務管理難度較大，目前直升機試飛管理在試飛任務的策劃、組織實施、信息管理等方面存在以下缺點：

1) 型號前期參與著力不夠，在型號立項階段對試飛重點、難點把握不準，存在研制周期延長，經費增加的情況；

2) 試飛細節規劃能力較差，雖然試飛科目、內容及周期等全局性規劃具有豐富經驗，但在具體科目執行條件把控、不同試驗樣機試飛內容策劃、銜接等細節方面能力欠缺；

3) 信息管理手段落后，目前信息管理依賴人員記錄、傳遞，存在信息偏差、丟失的情況，在試飛后期由于試飛進度快速推進，容易出現由于信息管理原因導致的重復試飛，影響型號研制進程；

4) 智能手段缺乏，無法充分適應多機、異地、分階段試飛的實施需要；

5) 試飛針對性需進一步提升，存在重復試飛現象，部分影響試飛效率；

6) 試飛知識顯性化不夠，試飛任務執行是否順暢比較依賴試飛主管的個人能力；

7) 目前的流程無法確保直升機設計師系統精確地控制試飛進展情況。

目前各型號的試飛流程模式，更多的是依靠老型號的流程經驗或個人的經驗，為試飛的規范化管理帶來了一定難度，因此，在總結歷史經驗和教訓的基礎上，形成規范、統一化的試飛工作流程，并在型號的研制過程對這些流程通過不斷的迭代進行優化和再造勢在必行。

1.2 系統建設目標

為了適應未來直升機型號技術大發展對試飛任務管理的需求，實現試飛任務精細策劃、設計、執行與管控，以及試飛業務全過程的技術支撐、狀態管控和信息共享，從而提升試飛效率，促進試飛安全，本系統將實現試飛項目整個生命周期的流程化管理，集成大量的歷史經驗、方法和總結、分析結果，同時設計開放性的接口，實現對當前各試飛策劃、組織實施過程中的關鍵節點、內容、存在問題和使用方法等信息的全程跟蹤、記錄和優化，實現試飛方法的不斷充實和完善，提高試飛計劃的合理性和實施效率。具體目標如下：

1) 構建直升機試飛任務精細策劃、設計、執行與管控，以及試飛全過程狀態管控、信息共享的試飛任務策劃平臺，滿足直升機所的直升機自主研制、創新設計對試飛的需求。

2) 構建智慧型試飛技術支撐系統，包括試飛專業知識庫、問題經驗庫、試飛支撐庫、試飛流程庫等，為試飛任務策劃、風險控制等試飛任務控制應用提供技術支撐，并實現經驗方法的不斷總結和積累。

3) 構建符合系統工程MBSE和AOS要求的統一試飛工作平臺，不僅是試飛工作的實際需要，也符合航空工業集團的信息化發展趨勢，能夠與直升機所信息化整體規劃相匹配。

4) 具備一定的智能化，自動化生成試飛程序文件，結構化直升機性能及限制數據，能夠智能識別是否超限，從而提升試飛安全。

5) 實現精細化流程管理，提升試飛資源合理配置和試飛受控程度，并能夠一定程度地降低試飛風險。

6) 通過制度或規范使隱性知識顯性化，快速實現優秀方式、方法的復制。

7) 支持最大用戶數500人，最大并發處理用戶數100人的情況下，頁面訪問時間不超過3秒；支持定期備份，在系統崩潰的情況下，可以在24小時內通過備份進行恢復。

8) 滿足直升機所對試飛任務管理的多任務、異地并行以及多角色的基本要求，

2 設計思路及軟件架構

2.1 參數化管理系統設計思路

圍繞本系統之提升試飛效率，促進試飛安全和知識工程三大建設目標，梳理直升機試飛任務管理主要工作流程(流程示意圖見圖1)。

圖1 試飛任務管理主要工作流程

1) 根據直升機適航規章、國軍標等規定，從氣動結構、飛行品質、功能系統、綜合航電系統、武器系統、綜合后勤保障等方面建立試飛項目庫，包括驗證條款、試飛項目、條件要求、試飛內容與方法、數據采集與處理、試飛判據、風險控制和注意事項等。

2) 結構化試飛大綱：依據試飛需求平臺結構化試飛大綱，將大綱中的科目根據直升機專業如飛行性能、飛行品質、載荷及航電等專業進行條目化，并與試飛項目庫一一影射。

3) 生成試飛狀態點矩陣：根據不同的試驗條件以及直升機姿態、速度、高度等信息形成試驗狀態點矩陣，依據試驗狀態點矩陣生成試飛任務單，并生成試飛任務控制表。

4) 試飛實施情況記錄：試飛主管根據試飛現場條件、直升機狀態情況進行試飛實施。

5) 試飛結果反饋：試飛主管及設計主管及時對試飛實施情況評估，并將試飛結果數據反饋給設計師系統，并更新試飛任務控制表。

6) 根據試飛技術問題來源，建立問題處理流程管理機制，確保試飛過程中出現的技術問題能夠及時歸零。

試飛任務管理系統軟件的設計思想就是以實現圖1所示的工作流程為核心，以數據庫為中心，不同的型號對應不同的試飛任務，采用標準化的人機界面輸入驅動流程。本系統的重點和難點工作包括四個方面：一是試飛項目庫的建立和維護，由于國軍標和適航條款繁多，將這些條款進行條目化并形成數據庫是一個漫長并且繁瑣的過程，軟件設計難點在系統人機界面的設計和效率；二是為提升安全，要將試飛任務單的數據與型號限制數據比對，如何實現；三是成千上萬個試飛科目如何快速生成試飛任務單并有效管控；四是直升機試飛項目、條件、試飛方法及判據極其繁多，如何條目化和管理。

基于參數的試飛任務管理軟件，其設計思想突破了無法詳細定義的直升機狀態、試飛條件、試飛內容與方法的具體形式，采用參數化語言形式，能夠將所要管理的科目與所需要的試飛條件建立對應關系，在執行某一個具體科目時就可以通過軟件自動調用相應的限制數據完成安全檢測。本系統從三個方面進行參數定義：一是對直升機構型、限制數據及圖表參數化；二是試飛內容與試飛方法參數化；三是試飛評判準則和試飛數據處理結果參數化，為下一步試飛實施提供依據。

2.2 軟件構架設計

本系統采用B/S架構，包括試飛業務模型、試飛技術支持系統、試飛任務管理系統等不同模塊，各模塊間關系見圖2。試飛任務管理系統基于試飛業務模型，構建型號試飛WBS結構，基于型號試飛WBS，實現試飛任務的策劃和執行監控。

試飛任務管理系統是試飛平臺的核心工作模塊，其他模塊均為該模塊提供支持。

在試飛管理系統中，任務是由任務模型實例化產生，任務分解完成后，自動將實際任務與任務模型節點相關聯。

試飛技術支撐系統基于任務模型，提供相應輸入接口，在任務執行過程中進行知識推送，并自動積累任務中回歸的知識。

試飛工程數據庫基于與任務模型關聯的數據模型自動構建數據空間，在任務過程中產生的中間數據存儲在試飛工程數據庫。

用戶通過個人工作臺獲取在試飛任務策劃系統所有關于自己的任務相關信息，并進行任務的接受、提交、審簽等操作。

信息動態根據試飛任務策劃系統數據顯示當前用戶的任務相關信息。

圖2 模塊間關系

通過構建結構化試飛數據模型和試飛任務模型，實現自動、動態的任務指派和柔性試飛流程構建；執行過程中，基于模型關聯主動推送任務相關的知識、工具/模塊和上游數據，便捷開展工作；工作完成且通過審批后，基于模型管理自動提交輸出數據到試飛數據中心，同時將任務的15要素內容自動回歸知識庫，自完善任務模型和數據模型，供后續型號的同樣試飛任務應用。典型試飛知識推送及回歸流程見圖3。

圖3 知識自動回歸

試飛任務系統的平臺模塊主要通過B/S架構實現。B/S可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網的電腦就能使用，客戶端零安裝、零維護，系統的擴展非常容易。AJAX技術的應用使得部分處理在客戶端電腦上進行，從而大大地減輕了服務器的負擔，并增加了交互性，能進行局部實時刷新。

試飛任務系統需要數據進行支撐，采用ORACLE數據庫。ORACLE數據庫系統是美國ORACLE公司(甲骨文)提供的以分布式數據庫為核心的一組軟件產品，是目前最流行的B/S體系結構數據庫之一。ORACLE數據庫是目前世界上使用最為廣泛的數據庫管理系統，作為一個通用的數據庫系統，它具有完整的數據管理功能；作為一個關系數據庫，它是一個完備關系的產品；作為分布式數據庫，它實現了分布式處理功能。試飛任務系統數據庫服務端采用當前所內的ORACLE數據庫集群。

2.3 主要模塊及功能

2.3.1 數據庫

本系統數據庫包括3部分內容：試飛項目庫、試飛知識庫及型號試飛執行過程產生的文件。數據庫管理系統提供多功能查詢和演示手段，作為管理、學習和經驗借鑒的平臺，提高專業技術人員對需求合理性的判斷水平，逐步具備建議或指導需求優化的能力。

鑒定或定型試飛驗證的項目、條件和要求基本是確定的，比如說對不可超越速度、最高使用高度、限制過載、低溫、高度、動力學(地面共振、空中共振、顫振和發散)等條款的驗證，建立此類專項驗證信息的數據管理系統，有助于對取證條款進行符合性檢查，避免驗證條款的遺漏，并有針對性地掌握驗證是否到位的情況，針對風險科目制定相應的風險控制策略。

試飛知識庫以學習維度展示試飛技術支撐系統各知識庫知識，知識獲取是把任務流程、各類文本資料、模型等通過一定過程采集入庫的過程。基本功能包括知識新增、文本抽取和知識審批等。

2.3.2 支撐系統

本系統以數據庫為核心，但包括必要的界面設計供人機交互、核心算法及流程實現數據的管理及存貯，即試飛技術支撐系統。試飛技術支撐系統通過任務維度向試飛任務策劃系統推送知識，任務中產生的知識自動回歸試飛技術支撐系統，并關聯任務模型。

在試飛任務系統中，將流程中各節點分解為任務和數據，建立任務模型與數據模型。任務模型是一系列任務節點的多層結構。任務節點能夠根據AOS規范，關聯輸入數據、標準規范等知識或要求。數據模型是一系列任務產出數據的多層結構。數據模型節點表示一類數據合集，等價于一個數據存儲空間。任務模型節點與節點間不存在直接關系，而是通過數據模型進行關聯，即任務間的上下游關系是數據關系，通過數據的產生和使用確定。

在進行任務分解時，通過選擇任務模型節點的方式建立任務。建立的任務能夠獲取關聯的任務節點的數據傳遞關系。平臺根據數據傳遞關系，動態構建流程。

3 關鍵技術或創新點

3.1 試飛項目庫

建立試飛項目庫是本系統的主要創新之一。將看似雜亂無章的軍用直升機鑒定、定型試飛或民用直升機適航驗證的項目進行模塊化，并進行梳理，將試飛項目按驗證條款、試飛條件、試飛方法、數據處理方法、試飛風險控制及注意事項進行條目化，并按軍、民機進行分類，形成試飛項目庫。這是大綱科目條目化形成飛行試驗點陣的基礎，并且這個庫是實時更新的。

試飛項目庫有助于對取證條款進行符合性檢查，避免驗證條款的遺漏，并有針對性地掌握驗證是否到位的情況，針對風險科目制定相應的風險控制策略。試飛科目庫主要由資深專家和主管負責，具備很好的知識傳承作用。

試飛大綱中的課目只能夠在試飛科目選擇，因此試飛科目庫屬于動態建設內容。

3.2 試驗樣機參數化建模

試驗樣機涵蓋變量繁多，其狀態本身處于動態變更，將試驗樣機進行參數化建模是關系到本系統正常運轉的關鍵，試驗樣機參數化建模內容主要包括幾個方面：

1) 直升機構型：在科研試飛階段，直升機平臺或各系統的技術狀態經常處于變化中，特別是航電、武器系統，它們組成比較復雜，在研制階段出現問題和故障的頻率較高，為了完善設計或排故，技術狀態的更改十分頻繁。

2) 各系統或成品狀態及限制：S件或D件、裝機或者缺損。

3) 直升機限制數據：包括起飛重量限制、重心限制、速度限制或者過載限制等。

4) 直升機性能曲線：手冊中的各種性能曲線，直升機基本性能數據。

本系統盡量對試驗樣機進行參數化，用戶在使用過程中能夠動態增加或減少，主要采用整型數據變量、一維數組或者多維數據表示各個參數，如采用二維數據表示平飛典型性能曲線(見圖4)。對于不同試飛條件下(包括直升機重量、速度及高度、溫度)的性能數據，依據二維插點的方式，系統自動對應數據。

圖4 平飛典型性能曲線(壓力高度：0m，

3.3 試驗狀態點

試驗狀態點是本系統的關鍵思想。需要試飛的項目很多，但依據型號飛行譜，可以將每個項目梳理出多個試驗狀態點，雖然驗證的項目不同，但試驗狀態點相同或類似，可以方便管理甚至實現任務優化組合。

根據不同的試驗條件以及直升機姿態、速度、高度等信息形成試驗狀態點矩陣，并依據試驗狀態點矩陣生成試飛任務單。表1為某型號載荷測試試飛狀態點矩陣。

3.4 閉環管理

為了提供可靠的試飛條件，直升機及各產品的設計研制單位必須負責解決試飛過程中出現的設計、生產和質量問題，因此在試飛計劃、試飛科目的制定和具體實施過程中，必須發揮設計上的技術優勢。國外直升機廠商多采取聯合試飛組的技術和管理模式，即由設計/生產方、試飛主體、最終用戶等組成的聯合試飛隊來組織實施軍機的試飛，采用統一的試飛方法、測試手段，統一的試驗場地，做到任務、流程、設備、數據等共享，技術上共同決策，以達到提高試飛效率，節約試飛費用的目的。

按目前的直升機試飛工作模式和各單位責任，作為試飛現場總指揮的試飛單位， 應該以項目管理的模式，對總師系統各單位和直升機試制單位進行管理，使各方預先了解試飛計劃，有針對性地分析試飛中可能出現的故障和相應的處理辦法，充分發揮每一位試飛技術支持人員的作用，各負其責，各司其職，各得其利，這樣更有利于試飛進程的順利進行。

本系統對試飛任務的閉環管理核心體現在以下三個方面：

1) 試飛條件的閉環管理，對試飛大綱條目化，生成的相應的試驗狀態點，本系統將自動與試飛項目庫進行比對，形成閉環控制；

表1 試驗狀態點矩陣示意

2) 生成的試驗狀態點將與型號結構化數據進行比對，例如試驗狀態點具體操作短波電臺功能檢查，但直升機構型中該設備未裝機，則由該試驗狀態點無法生成相應的試飛任務單；

3) 在試飛評價中，試飛結果將反饋給設計，實現設計-試飛-設計的閉環管理。

4 軟件設計與實現

4.1 典型界面

4.1.1 試飛主管任務

試飛主管任務是試飛平臺進行流程管理的模塊，在這里進行任務分解、下發，接受、執行、提交，任務監控與統計。頂層任務通常來源于所內項目管理系統，也可由負責人在本系統內新建。主任/項目負責人/班組長以及設置了權限的用戶能夠進行訪問和操作。任務分解通過實例化任務模型實現。任務分解人通過選擇一個或多個任務模型節點實現單一或批量建立同級任務或子任務。如果當前任務模型不滿足實際要求，通過新增任務模型能夠快速新建模型節點。圖5為試飛主管的典型使用界面。

4.1.2 試飛控制表界面

試飛控制表是試驗點矩陣、試飛任務單控制界面(見圖6)，主要依據試飛需求平臺結構化試飛大綱，根據不同的試驗條件，直升機姿態、速度、高度等信息形成試驗狀態點矩陣，并依據試驗狀態點矩陣生成試飛任務單。

圖5 試飛主管任務

圖6 試飛控制表界面

4.1.3 飛行限制檢查

點擊飛行限制檢查按鈕，選擇需要檢查的包線，即可將當前任務單內的試驗點繪制在飛行包線內并標注。

當用戶點擊某一包線后，首先根據當前包線的坐標參數名稱(如速度包線為高度和速度)從當前任務單下的試驗點中獲取對應參數，然后將試驗點坐標點繪制在包線圖中，最后根據坐標點值判斷是否在包線范圍內(與包線坐標最小值和最大值進行比較)，若在包線范圍內則用綠色標注試驗點，若超出包線范圍，則用紅色標注試驗點。

界面左側為當前型號下所有的飛行包線列表，右側為當前所選包線的曲線及當前任務單下試驗點在包線中的位置信息。

4.2 應用效果

某型直升機應用本系統對調整試飛任務進行管理。該型號2018年1月開始試飛，共3架試驗機，完成了天津、次高原、高原、高寒等多地試飛，涉及多系統調整、鑒定試飛，歷時12個月，共計飛行400架次、560多飛行小時。

應用效果表明，應用該系統能夠實現試飛規劃精細化，部分實現試飛任務管理智能化，特別是相對于以往型號的手工記錄數據，在試飛信息顯性化方面進步巨大。

由于該系統剛完成設計，試飛項目庫還未建立，部分影響了使用效果，后續需進一步完善。

5 結論及意義

從試飛管理的需求出發，設計了一種直升機試飛任務管理系統軟件，闡明了基于參數的通用軟件的設計思想。本系統創新性地引入試驗狀態點，一定程度地實現了試飛程序文件自動生成，并能夠與型號限制數據比對，能夠提升試飛安全。

本文能夠為其它類似系統的設計提供一定的借鑒意義。