飛機著陸震蕩的定量評價方法

周 峰，郭世廣

(中國商用飛機有限責(zé)任公司，上海 201323)

0 引言

飛機震蕩是人機系統(tǒng)相互作用的一種形式，在某種特定的情況下，比如駕駛員需要精確操縱飛機時，嚴重的耦合會導(dǎo)致不期望的振蕩或發(fā)散運動[1]。飛行震蕩可分成以下兩種類型：駕駛員對俯仰姿態(tài)進行閉環(huán)控制而引起的飛行震蕩，稱作Ⅰ型飛行震蕩；開環(huán)操縱或擾動而產(chǎn)生的飛行震蕩稱為Ⅱ型飛行震蕩。

在民航客機中最常發(fā)生的是Ⅰ型飛行震蕩，這類飛機震蕩多發(fā)生在飛機精確任務(wù)(如著陸拉平)時，造成飛機俯仰點頭(nose bobble)[1]。飛行員會本能地使用駕駛桿來消除這種震蕩，然而由于飛機操縱系統(tǒng)的延時反應(yīng)，飛行員施加的力非但沒有使這個震蕩減輕，反而加劇了震蕩程度。這種著陸階段人為操作誘發(fā)的震蕩可能會造成飛機的不安全著陸事件或者事故，包括飛機重著陸和遠著陸。飛機發(fā)生震蕩或者重著陸可導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)損壞，更嚴重可導(dǎo)致機毀人亡。據(jù)航空界統(tǒng)計，在航空歷史上至少有10多架飛機因為出現(xiàn)類似飛行震蕩的情景而墜毀[2]。

飛機著陸震蕩事件有一個共同點是在飛機著陸構(gòu)型中，放大襟翼角度。開始時，飛機表現(xiàn)為俯仰振蕩和滾轉(zhuǎn)，隨后便是突然急劇掉高度。飛機的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角是描述飛機機體整體運動狀態(tài)的參數(shù)，當飛機發(fā)生不穩(wěn)定著陸時，這兩個參數(shù)會出現(xiàn)異常[3]。飛行員通過飛機操作桿和油門桿等操作裝置改變飛機俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，這兩個參數(shù)是飛行員操作的結(jié)果。這兩個參數(shù)異常表明飛行員的操作不夠穩(wěn)定。所以，可以通過這兩個參數(shù)判斷飛行員著陸操作水平。

對飛機著陸的不安全事件的分析評價也受到眾多學(xué)者的關(guān)注，如Wang等[4]為了識別飛行震蕩的控制風(fēng)險和飛行員操縱的自適應(yīng)，構(gòu)建了一個時變的飛行員模型，并結(jié)合基于模糊邏輯的識別算法進行了定量驗證；華藝欣等[5]根據(jù)桿力特性對PIO的影響規(guī)律，設(shè)計了4組不同的桿力梯度進行對比分析，得到嚴格按照俯仰機動力梯度等級中的1級桿力梯度要求選取，駕駛員就能夠較為輕松、準確地完成俯仰截獲任務(wù)；張程等[6]采用小波分析方法計算駕駛員輸出的能量峰值和飛機被控對象的相位滯后兩個特征參數(shù)，對時變?nèi)藱C系統(tǒng)進行了飛行品質(zhì)評價。

飛行參數(shù)也是數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的研究熱點，該領(lǐng)域積累了相當數(shù)量的成果。鄭磊等[7-8]從快速存取記錄器(Quick Access Recorder，QAR)記錄的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律并提前預(yù)警，使用基于動態(tài)時間規(guī)整距離的時間序列聚類分析來確定飛行操作模式，然后研究在已知和未知飛行操作模式的情況下，分析重著陸預(yù)警的效果。

本文分別通過分析正常著陸和模擬發(fā)生因飛行操作產(chǎn)生飛機震蕩的飛行數(shù)據(jù)，研究飛行參數(shù)隨時間變化的曲線與飛機震蕩的關(guān)系，用以定量評價飛行員在著陸階段的操作發(fā)生著陸震蕩的水平。

1 曲線分段相似度算法

1.1 算法流程

曲線分段相似度的算法主要包括兩個部分，分別是曲線分段、段內(nèi)曲線相似度計算。

曲線分段，根據(jù)關(guān)鍵點對曲線進行分段[9]。首先對曲線間差異較大的區(qū)域進行劃分，然后對各個劃分區(qū)域內(nèi)所有的點計算其對應(yīng)的斜率，最后取斜率絕對值的極大值作為分段點。

段內(nèi)曲線相似度計算，計算曲線的相似度目的是為了減小曲線相似度比較過程中的誤差。在一定的范圍內(nèi)，對曲線相似距離進行優(yōu)化[9]。

1.2 曲線相似度計算

依據(jù)上述的方法，計算所有的曲線段間相似度，然后通過累計求和的方法計算實際曲線和目標曲線的相似距離dsum，如下式所示：

(1)

其中：l1i和l2i分別表示目標曲線和實際曲線在第i個匹配段的時間長度；l1總和l2總分別表示目標曲線和實際曲線總的時間長度；Ns表示分段的數(shù)量，dsim表示第i段的相似距離。

2 波動率

波動率是曲線的波動程度[10]，是對參數(shù)不確定性的衡量，用于反映操作的風(fēng)險水平。波動率越高，操作動作越劇烈，飛機震蕩就越強烈[11]。波動率計算方法如下式所示：

(2)

3 建立評價模型

本文選取著陸階段飛機的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角作為定量分析飛機著陸俯仰震蕩的關(guān)鍵參數(shù)。著陸階段飛機的俯仰角曲線是較平滑的，如圖1所示，而且有若干個曲率大的點，所以可以用曲線分段相似度的方法來評價該參數(shù)對飛機著陸過程穩(wěn)定性的影響，可得到飛機俯仰角的實際曲線與目標曲線的相似距離dsum。該相似距離是一個負向指標，相似距離值越小，表示目標曲線和實際曲線越相似，飛機的縱向穩(wěn)定性就越好。

著陸階段飛機的滾轉(zhuǎn)角曲線波動幅度較大，如圖2所示。使用曲線分段相似度的方法來描述該參數(shù)對飛機著陸穩(wěn)定性的影響是不準確的，所以引入波動率的理論來評價該參數(shù)對飛機穩(wěn)定性的影響，可得到飛機著陸階段的滾轉(zhuǎn)角曲線的波動率P。波動率P是負向指標。P值越小，表示飛機的橫向穩(wěn)定性就越好。

將兩個飛行參數(shù)對應(yīng)的評價指標加權(quán)融合為評價飛行員飛行操作誘發(fā)的震蕩水平的一致性度量。

Z=w1dsum+w2P，

(3)

本文通過分析飛機俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的曲線，分別給出其對應(yīng)的計算方式，并將其結(jié)果加權(quán)融合為一個一致性度量值Z，用于對飛機著陸過程的飛機震蕩進行評價。Z是負向指標，Z值越小，表示飛行震蕩程度越小，飛行員操作水平越好。通過加權(quán)融合為一個一致性度量值，用于度量著陸震蕩水平，較為簡單、直觀；權(quán)值也可根據(jù)需求改變，應(yīng)用性、靈活性較強。

圖1 著陸階段俯仰角目標曲線

圖2 著陸階段滾轉(zhuǎn)角目標曲線

4 實例驗證與分析

4.1 目標曲線的獲取

本次飛行模擬實驗共有20個被試，每個被試在正式實驗之前進行了預(yù)先實驗，減少了偶然因素的影響。每個被試進行3次正式實驗，共得到60份實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)飛機無線電高度的變化率最接近-1.8 m/s，從60份數(shù)據(jù)里篩選出5份數(shù)據(jù)，對篩選出的數(shù)據(jù)求平均值，依據(jù)平均值做出一條隨時間變化的曲線，這條曲線就是目標曲線。由于選出的這5份數(shù)據(jù)對應(yīng)的被試操作表現(xiàn)最好，操作動作一致，因此這5份數(shù)據(jù)擬合成較為平滑的曲線，如圖1、圖2所示。

由于機場條件、氣象條件等外部因素都會影響到飛機著陸，不同機場海拔、跑道條件等環(huán)境因素對飛行操作要求也不盡相同。因此，本研究選定數(shù)據(jù)樣本時有以下限定條件：選取的數(shù)據(jù)為從飛機無線電高度在90 m的時刻到飛機觸地后的時刻共40 s內(nèi)的數(shù)據(jù),選取特定機型為塞斯納G1000，選擇的機場為上海浦東機場第五跑道。

4.2 實例驗證

從所收集的數(shù)據(jù)中，根據(jù)操作熟練度和操作結(jié)果選取一個發(fā)生典型著陸不安全事件的樣本的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角參數(shù)所對應(yīng)的曲線作為實際曲線，與目標曲線進行相似距離和波動率值的比較。所選數(shù)據(jù)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角參數(shù)的曲線如圖3、圖4所示。

圖3 俯仰角曲線

圖4 滾轉(zhuǎn)角曲線

首先根據(jù)曲線特征把曲線分成若干段，就是選取曲率較大的點作為分段點。經(jīng)過計算，可把俯仰角的實際曲線分為5段，分別為0～7 s、7～13 s、13～20 s、20～29 s、29～40 s；與實際曲線相匹配，可把目標曲線分為5段，分別為0～6 s、6～10 s、10～21 s、21～33 s、33～40 s。有公式(1)計算可得每一段的相似距離，第一段的相似距離為1.59，第二段相似距離為3.22，第三段的相似距離為1.06，第四段的相似距離為4.00，第五段的相似距離為0.18。由公式(3)能夠得到俯仰角實際曲線和目標曲線的總的相似距離為5.32。

其次，由公式(2)可得到實際曲線相對于目標曲線的波動率為0.8985。本文取w1、w2都為1/2，由式(3)可得到Z為3.109 25。

4.3 評價結(jié)果

俯仰角參數(shù)的相似距離和滾轉(zhuǎn)角參數(shù)的波動率指標都是負向指標。所以，兩個參數(shù)的一致性度量值也是負向指標，它們的值越小，被試的著陸操作越穩(wěn)定，飛機發(fā)生的著陸震蕩越小，此被試的飛行操作水平越高。在這次實例驗證中，實際曲線與目標曲線相似距離較大，波動率超過80%。所以，實際曲線所對應(yīng)的飛機的著陸穩(wěn)定性較差，被試的飛行著陸操作水平需要提高。

根據(jù)文獻[3]中提出的著陸操作平穩(wěn)性評價方法，對實際曲線和目標曲線對應(yīng)的飛行員進行操作績效評估，結(jié)果表明目標曲線績效優(yōu)于實際曲線的績效，這和本研究的飛機著陸震蕩的定量評價方法的結(jié)果一致，也說明了該方法的有效性。

5 結(jié)論

基于曲線分段方法、波動率和模擬飛行QAR數(shù)據(jù)建立了飛行員著陸震蕩的定量評價模型，通過實際曲線與目標曲線的一致性度量，驗證了模型的實用性和可行性。該方法可用于定量評估飛行著陸震蕩的風(fēng)險水平，可以為航空公司建立相應(yīng)的預(yù)測飛機震蕩的準則提供參考，可幫助飛行員提高駕駛技術(shù)，具有一定應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。本研究是在限定條件下開展飛行模擬實驗，只研究人為因素對著陸震蕩的影響，因此沒有考慮風(fēng)速等外部因素的影響，下一步研究可結(jié)合外部環(huán)境開展。