大型飛機安全監控與教學訓練系統研究

徐琳，周勇，安文國，魏偉

(1.中國航空研究院，北京 100012；2.中國人民解放軍95437部隊，四川 南充 637105)

0 引言

飛行安全一直是國家和部隊關注的重點。尤其是大型飛機，往往乘員數較多，承載物資量較大，一次事故死亡人數甚至會超過200人[1]，造成無法估量的嚴重后果。且飛機價格昂貴，服役年限較長，往往會達到十幾年甚至幾十年[2]，就會造成部分服役飛機航電系統信息化和綜合化程度低，進行數字化改造難度大，費用高，周期長。隨著空中運輸的不斷發展，大型飛機航線密度和空域的擁擠度逐年上升[3]，飛行安全壓力更是與日俱增。

影響飛機安全的因素主要包括飛機系統本身、人員和外界環境3個方面。數據表明，約70%的空難是由人為因素引起的[4-5]，而10%的嚴重事故被證明是源于飛機本身[6-7]。人為因素主要包括操作失誤、身體狀態不佳、人員協調配合不佳以及機組人員對資源管理方式不恰當等方面[8]。可以通過優化飛行教學訓練、飛行任務管理系統等方式來預防和減少人為因素對飛行安全的威脅。飛機本身的安全性是飛機本身所具有的一種固有質量特性，它在飛機設計、制造階段就被固化在飛機上，并在使用和維修保障階段具體體現出來[1]。

飛行事故原因的調查主要依據是當時的飛行數據[9]。飛行數據包含飛機飛行姿態、主要設備狀態信息以及飛行人員操作量等[10]，通過分析可以得出人員操作、設備狀態等對于飛行的影響，充分發揮飛行數據的實時和事后價值對于優化飛機安全及教學系統都有著重要意義。通過大數據技術構建大型飛機安全監控與教學訓練系統，結合無線通訊技術，實現機上地面數據實時互通，通過分析、處理、評估和顯示，對安全隱患及時告警，并形成快速應急機制，機上地面同步處理突發情況，在飛機降落之前就可以做維護準備，對于飛行安全具有重要意義；將飛行姿態、操作信息等下傳至講評大廳，用于飛行訓練質量評估，是訓練教學的有效輔助機制；通過對大量歷史數據的關聯性分析及應用，建立起教學訓練和設備健康管理系統，從而推進大型飛機飛行的安全化、教學訓練的信息化、設備維護的智能化。本文將對該系統的系統結構、功能設計及其關鍵支撐技術進行研究。

1 系統結構與功能設計

大型飛機安全監控與教學訓練系統可以劃分為2個平臺。

(1) 實時安全監控平臺

對機上數據進行實時采集、解算，為機組人員提供直觀的飛行狀態實時顯示、安全告警、輔助應急決策、飛行品質評估等功能；同時結合無線通信技術，將機上數據實時傳輸至地面指揮中心，地面同步綜合顯示空中三維態勢、狀態信息等，同時對飛行動作和飛行質量進行實時評估。實現飛行數據機上與地面實時共享，機組人員與地面指揮人員實時共享的安全監控機制。

(2) 大數據平臺

結合大數據分析、人工智能等技術，進行歷史飛行訓練數據的存儲、管理、關聯和挖掘，開發訓練、教學及裝備維護的相關應用。以實現安全監控、指揮引導、航線導航等訓練、輔助訓練、教學管理功能，全面推進大飛機訓練、教學的信息化、智慧化程度。具體架構如圖1所示。

大型飛機安全監控與教學訓練系統按照功能模塊可劃分為機上安全監控及教學分系統、通信分系統、地面安全監控及教學分系統、教學訓練管理分系統以及健康管理分系統5個分系統組成。系統各設備安裝位置如圖2所示。

1.1 機上安全監控及教學分系統

本系統由數據采集計算設備、數據顯示設備組成。在不影響原機系統的前提下，通過在機上加裝數據采集計算設備對飛行參數包括飛機位置信息、姿態信息、關鍵設備狀態信息(發動機、油箱、起落架、襟翼等)、人員操作信息等進行實時采集和記錄，并對數據進行格式轉換、解析和解算，并將結果傳輸至數據顯示設備進行實時顯示。飛行結束后，將機上記錄的歷史數據轉存至大數據平臺。本系統數據流向圖如圖3所示。數據解算主要包括4部分：

圖1 飛行數據應用架構圖

圖2 系統各設備安裝位置示意圖

(1) 安全告警模型解算

設置故障判斷的標準和門限，當飛行或設備狀態超出門限時，發出異常告警信息；根據飛行或者設備性能的發展趨勢進行危險預判，當達到危險預判準時，發出危險預警信息，為飛行特情處理爭取更多的時間。同時對危險等級進行判斷，根據等級判斷結果進行分級告警：提示、警示、告警。

(2) 輔助應急措施模型解算

以飛行員應急手冊、飛行手冊為依據，建立輔助應急措施模型，對應安全告警模型解算結果進行解算，輸出相應的應急措施建議。

(3) 飛行品質評估模型解算

設置飛行品質評估準則，根據飛行任務及飛行員操作數據進行飛行品質實時評估和顯示，為機上教員和學員教學提供智能化和數字化支撐。

(4) 飛行導航及監控模型解算

根據飛機位置信息及任務信息，實現飛行路線規劃及導航；同時采用三維動畫技術，實現飛機飛行狀態數據、關鍵設備數據的動態監視，以突出的形式監控顯示飛機重要信息的變化過程。

圖3 機上安全監控及教學分系統數據流向圖

1.2 通信分系統

本系統由機上數據通信設備、地面數據通信設備和網絡管理設備組成，實現空地數據實時傳輸。其架構圖如圖4所示。機上數據通信設備按照專用的消息格式、波形及組網協議將機上數據實時傳輸至地面數據通信設備，地面接收后經過地面光纖網絡傳輸至網絡管理設備。網管設備主要實現通信設備運行監控管理、網絡運行情況監控以及數據的接收校驗、譯碼和分發等處理。對于特殊用途的飛機，可以通過在通信設備中增加保密模塊的方式，對通信鏈路中的數據進行加密，來實現空地通信的安全保密要求。

圖4 通信分系統架構圖

1.3 地面安全監控及教學分系統

本系統由安全態勢顯示設備和飛行評估顯示設備組成。其架構圖如圖5所示。

安全態勢顯示設備初步設計放置在指揮大廳，主要實現以下3個功能：

(1) 飛行態勢顯示

根據實時接收的飛行數據結合可視化技術進行所有入網飛機的狀態、航姿、航態等要素的實時三維態勢顯示，地面指揮員依據可視化的體系態勢進行指揮和引導，通過建立安全調控模型，實時高效地進行空域安全調控，將系統冗余度壓縮到最低。

(2) 輔助安全監控

顯示飛行及關鍵設備的實時數據、趨勢、變化量等信息以及機上告警信息，并給出相應地面應急保障方案，輔助安全監督員進行實時安全監控，為地面人員應急準備提供支撐。

(3) 飛行任務管理

根據錄入的飛行任務信息，結合實際飛行數據生成飛行任務執行情況記錄，并入庫。

飛行評估顯示設備初步設計放置在教學講評室，主要實現以下2個功能：

(1) 飛行品質評估

跟據實時接收的飛行數據以及評估準則進行飛行品質評估，并結合三維飛行顯示畫面進行顯示，為學員教學及科目訓練考評提供信息化的支撐。

(2) 學員訓練任務管理

根據學員、飛行科目、飛行品質評估結果等生成學員訓練情況記錄，并入庫。

圖5 地面安全監控及教學分系統架構圖

1.4 教學訓練管理系統

本系統是建立在大數據平臺的基礎上的，用于教學訓練管理，主要功能如下：

(1) 飛行員檔案管理

對飛行員教學訓練的“全生命”周期的數據管理，根據訓練教學模型，輔助制作飛行員個人訓練計劃及建議，實現訓練管理的智能化。

(2) 飛行回放

根據歷史數據，生成多視角飛行畫面，將飛行場景全面“復盤”，為飛行員提供更直觀的飛行講評環境。

(3) 飛行評估

構建飛行評估規則庫，根據不同的考評要求，對歷史飛行任務進行評估，并形成詳細的飛行分析報告，為學員技術能力評估、分析、作訓提供支撐。

1.5 健康管理系統

本系統也是建立在大數據平臺基礎上的，其功能是通過大數據技術實現機上關鍵設備的健康管理，分析影響裝備性能各因素之間的關聯性，通過對關鍵設備的運行、檢測和維修的數據進行跟蹤，構建該設備的損傷模型，以分析其性能衰減趨勢，并進行壽命累計，發現設備不良狀態并進行故障診斷與壽命預測，制定相應的維修保障方案。實現從以往的定期檢修、事后維修向主動維修、壽命預測轉變，全面加強機載裝備健康管理。

2 關鍵支撐技術

關鍵技術架構圖如圖6所示。

圖6 關鍵技術架構圖

2.1 數據采集處理

飛行數據采集需要在不影響原機系統的前提條件下，采集機上關鍵設備以及飛行狀態的數據并分析，主要需要關注的問題包括采集電路的設計、采集點的優選、采集數據的格式轉換與分析處理等。數據處理最重要的是需要建立起準確可靠的時空基準，選取穩定可信的時空數據源及處理方式，保證各類數據的時空一致性。本系統擬采用GPS(global positioning system)/BDS(BeiDou navigation satellite system)作為時間基準，GDGC2000作為空間基準。并采用高效數據處理算法，以保證數據處理的實時與準確性。

(1) 高可靠性時間數據源

飛機數據的趨勢是實現安全預警的關鍵因素，沒有對應時間的數據采集是沒有任何意義的。在數據處理時為保證機上實時數據的順序性，需對采集到的機上數據使用高可靠性時間源增加時戳。本系統采用GPS/BDS作為時間基準，對于未加裝衛導模塊的飛機，擬在數據顯示設備中加裝衛導模塊。

衛星時間雖具有高精度，但在遇到遮擋或干擾時，接收到的時間數據會產生跳變甚至無效。為解決這個問題，在數據采集計算設備中增加高精度守時模塊(現有設備的守時精度可達到24 h累積誤差小于0.8 ms[11])。在數據采集開始時，采集有效的衛星時間作為守時模塊的時間基準，之后守時模塊進行守時并輸出高精度的時間，并按照固定的時間間隔進行校準，以提供精確、連續的時間服務，具體工作流程如圖7所示。

圖7 守時模塊校時邏輯圖

(2) 高精度位置數據源

目前飛機多采用慣導與衛星導航的組合導航方式，優勢互補，共同實現目標機的高精度組合導航定位定向[12]。其方案框圖如圖8所示。慣性組合導航方案的基本思路是采用一體化的最優估計算法將慣性導航系統(inertial navigation system，INS)與衛星的信息統一進行數據融合，最優估計算法得到的狀態量估計值同時對INS與衛星的相應參數進行反饋校正。最優估計算法采用慣導輸出的位置和速度信息、衛星的偽距和偽距率信息來進行融合。

圖8 慣導/衛星緊組合導航方案框圖

對于采用慣導/衛星組合導航的飛機，其機上實時導航數據提供的參考坐標可靠性好，精度高，可供直接采集使用；對于僅有慣性導航的老舊飛機為防止因漂移帶來的位置誤差，通過在數據顯示設備中加裝衛導模塊，引入衛星導航數據，并與慣導數據進行融合，得到高精度的飛機位置數據。

(3) 高效處理算法

常用的數據處理算法是通過對實時數據進行緩沖，以便于一組一組地從緩沖池內進行取數，有序地處理。但是這種算法在瞬時數據激增時，容易出現丟包率增加、應用程序死屏的風險。因此，需要對該算法進行優化，采用多線程和緩存隊列。實驗表明，優化后的算法可以有效地解決瞬時數據激增時帶來的丟包和死屏問題。

2.2 無線網絡通信技術

高更新率、高動態的無線網絡通信系統是實現機上地面數據實時共享的重要保障。組網協議采用短時隙輕量化設計、時分加頻分的復用接入方式，有效利用時域和頻域資源。短時隙輕量化設計在降低時隙的同時，提高協議效率，降低網絡維護開銷。地面控制信息和飛機業務信息采用時分方式，地面業務信息采用頻分方式，降低了地面多站點時隙占用率，提高了網絡容量。通過需求驅動網管控制的動態時隙分配技術，支持信息傳輸更新率動態調整、座艙重構信息動態監控等應用能力。

高動態分集收發可靠傳輸是機上數據可靠傳輸的關鍵。系統要求所需的飛行姿態、設備狀態等關鍵信息在實時監控過程中必須穩定、可靠傳輸，需盡量將丟包率降到最低；另一方面，在起降等過程中，參訓飛機會進行一定的高機動飛行，對鏈路的通信穩定可靠性提出了更為苛刻的要求。針對上述應用特點，鏈路設計采取雙天線、雙通道、頻率分集收發處理技術，充分利用機載平臺上、下天線全向覆蓋特性，并具備同時分集收發、獲得分集增益的特點，在提高傳輸可靠性的條件下仍能高效利用信道。

2.3 安全告警模型

安全告警功能是安全監控系統的關鍵組成部分。準確可靠的安全告警模型是該功能的核心。本系統的安全告警模型包括3部分，如圖9所示。

(1) 門限告警

根據飛行手冊等，建立超限檢測模塊，基于實時機上數據對飛行員的操作量以及設備狀態進行評估。

(2) 飛行軌跡趨勢預警

包含動力學模塊以及軌跡外推模塊。動力學模塊可依據當前的飛行狀態參數，輸出對應的氣動力系數和導數；軌跡外推模塊依據相應的氣動力參數進行六自由度方程解算，得出未來一段時間內飛機的軌跡。

(3) 設備性能趨勢預警

建立基于大數據的裝備性能趨勢模型，根據設備實時狀態數據，進行故障預判，從而實現設備性能趨勢預警。

最后由告警模塊通過分析飛行員的操作意圖，進行飛行趨勢推算，判斷有可能由人為誤操作導致的危險后果，最后根據預判作出相應告警。

圖9 安全告警系統結構圖

2.4 大數據存儲[13]

隨著飛行訓練強度和頻次的提高，訓練數據每天都在多地高速地產生，這對訓練數據的存儲提出了更高的要求。如果將飛行數據進行簡單的堆放存儲，造成存儲資源浪費的同時，對于后續數據的分析也會帶來麻煩。對于大數據的存儲需要考慮以下幾個方面：存儲前，需要對冗余的數據進行清洗，篩選掉無關數據，并按照規定的格式進行數據轉化、集成，在整理完成后，按照數據類型進行分類存儲；存儲時，為實現大量突發數據的高效存儲，采用分布式架構；存儲后，建立高效數據索引，支持智能查詢，以便后續數據分析時的高效關聯讀取。

2.5 大數據挖掘[13]

大數據的特點包括數據量大、產生速度快且種類繁多，要在可接受的時間內完成大數據挖掘分析，需要采用針對性的大數據分析技術提高挖掘速度，主要從以下幾個方面考慮：

(1) 構建數據標準體系

由于機上設備的研制廠家常存在各自為營、標準各異的問題，很多裝備之間，甚至同類裝備的數據類型和格式差異較大、標準各異[14]。為便于作訓大數據的研究，需要加強頂層數據格式標準設計，建立航空系統的裝備數據標準。

(2) 加強非結構數據分析能力[15]

對于數據分析來講，圖片、音視頻等這樣的非結構數據沒有統一的特性和模式，難以快速分析，需要加強自然語言處理、動態擴展表示等技術，提升系統的非結構化數據的分析能力。

(3) 建立訓練大數據工具庫

針對不同的應用場景，結合人工智能技術，開發相應的大數據挖掘工具，建立訓練數據工具庫；同時，結合分布式系統架構，建設并行計算環境，為數據分析提供高速的解算環境。

2.6 大數據安全[13]

訓練數據的安全問題是大數據平臺的重中之重。首先應建立大數據平臺安全獨立的運行環境，并依據用戶類型設置相應的訪問權限，通過密鑰或生物的方式對用戶身份進行鑒別，定期安全維護，以保障大數據平臺的安全性。

3 應用前景及結論

本系統能夠通過機上地面實時數據共享以及飛行安全預警，為日常訓練中指揮、引導提供實時、直觀的飛行監控，提升飛行訓練的安全性；為飛行教學提供格式化數據和視頻材料，并通過專用分析、評估軟件進行精確、客觀的飛行分析，為掌握每個空勤人員的技術操作特點提供了技術保證，可依據其技術特點為每個空勤人員后續的訓練、教學制定計劃，極大地提高空勤人員的訓練、教學效率；通過建立飛機健康狀態大數據管理系統，向主動維修、壽命預測轉變。通過這個系統能全面推進大型飛機飛行的安全化、教學訓練的信息化、設備維護的智能化。