淺談大數據在軍事飛行訓練中的應用

孫莉康，鮑俊卿，任 丹，熊 遠

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著大數據時代的來臨，數據產生的價值越來越大，基于數據的相關技術、應用形式也在快速發展，挖掘數據價值、開發基于海量數據的新型智慧化應用已經成為各行業關注的重點領域。若想通過挖掘數據的潛在價值，實現對于過去的總結分析和對于未來發展的預測研判，需要具有洞察隱藏在巨量、雜亂數據背后的真相和行為的能力。目前，大數據已經深入到工程應用的各個領域，人們經常采集和使用大量數據，用來監測、評估、診斷、模擬、仿真、設計和決策，有效利用大數據，挖掘內在價值，已經成為航空領域亟待研究的課題。

1 大數據簡介

麥肯錫全球研究機構在2011 年5 月發布的《大數據：創新、競爭和生產力的下一個前沿領域》正式提出了“大數據”一詞，并對大數據從技術和功能上進行闡述。大數據具有四個顯著特征：一是數據容量巨大（Volume），大數據通常指10TB（1TB=1024GB）規模以上的數據量；二是數據類型繁多（Variety）；三是決策速度快（Velocity），大數據一般要求在秒級時間范圍內給出分析結果，即1 秒定律；四是價值密度低，隨著數據量成指數增長，有用信息被淹沒在海量數據的相應比例不但沒有增長，反而增加了獲取有用信息的難度。大數據的“4V”特征決定了其在軍事領域上的廣闊應用[1]。

2 軍事飛行訓練概述

軍事飛行訓練泛指軍事飛行院校和航空兵部隊為培養和造就軍事飛行人才，增強空中作戰能力而進行的傳授知識和技能的教學訓練活動。軍事飛行訓練是一項周期長、費用昂貴、淘汰率高的復雜系統工程。同時隨著飛機造價和訓練費用的上漲，人們發現已不能單純地追求各級訓練飛機的性能而不考慮整體效益。從系統工程的角度看，提高飛行訓練效益除了考慮飛機本身的能力外，還應包括它的可用度、可靠度和保障度。這四種主要衡量準則的相互關系是乘法關系。因為只要其中一項很差，那么整體訓練效益也就很低。飛機的能力如性能、操縱效率等問題往往與飛機及武器的設計思想、制造工藝等有關，而可用度、可靠度固然在設計時即要打下基礎，但往往還與使用過程的維修管理、零備件供應的組織工作以及使用方式等有關。除了考慮這四項因素外，還需考慮人的因素，比如教學水平、飛行員、指揮員素質等，而后者是關鍵性的。

3 大數據在軍事飛行訓練中的應用

目前，軍事飛行院校和航空兵部隊飛行訓練每天產生大量數據，這些數據基本沒有及時、充分挖掘和利用，致使“數據孤島”現象存在，數據共享困難，分析學員期班歷時數據及成長規律沒有參考依據。為了解析這些問題，充分發揮大數據的功能，首先需要了解軍事飛行訓練數據的主體及信息，如圖1 所示。提取、整合、解讀、分析、挖掘這些數據，成為飛行員成長成才研究的關鍵。飛行員的成長規律研究是優化訓練體系、教學方法和手段的關鍵。因此為提升對飛行員的評估效率、優化訓練流程并提升裝備使用效率，運用大數據分析手段具有重要意義。大數據在飛行訓練中的應用主要在四個方面：訓練計劃管理、訓練任務管理、飛行學員個性服務、裝備維護及保障。

圖1 軍事飛行訓練數據的主體及信息

3.1 訓練計劃管理

隨著我國航空事業不斷發展，飛行人員數量大幅增加，飛行訓練任務不斷加重，面對這樣的情況，飛行訓練方面顯現的滯后性現象就越來越突出，訓練手段的缺乏導致訓練值班人員工作量猛增，不能滿足訓練需求。所以開發基于大數據的飛行計劃和實時監控系統就變得越來越緊迫。訓練飛行計劃制定和實時監控系統主要具備三大主要功能：飛行計劃制定能力、飛行計劃統計能力、飛行計劃實時跟蹤和監控能力。

1）訓練計劃制定系統

訓練計劃制定是對有限的資源如飛機、航線、人員、設備等進行優化配置，通過規定批次任務的航線、機型、飛行頻率和批次時刻提高工作效率和經濟效益。訓練計劃規劃過程如圖2 所示。

圖2 訓練計劃規劃流程

2）訓練計劃實時監控系統

訓練計劃的實時監控是通過機場內建立局域網，把系統應用于局域網內，將機場的所有飛行單位實現全覆蓋。將外場值班室、訓練組織部門、塔臺指揮員、飛行單位、領航保障、航管保障等單位共同連接到數據中心服務器，從硬件上實現了所有飛行單位的互聯，保障了信息的暢通，提高了協調和集中處理的效率。

3.2 訓練任務管理

飛行訓練任務主要是培養飛行學員“訓練即作戰”的訓練理念，培養具有知識、技能、經驗和富有創新精神、專業素養的飛行學員，確保飛行學員達到訓練大綱規定的技術精通度（掌握專業技能、知識的水平）和專業精通度（運用專業技能、知識的水平）。對飛行訓練任務全過程進行動態監控及評估，運用大數據進行挖掘及深入研究，分析飛機使用規律，揭示大綱、系統和訓練平臺能力三者之間的內在關聯和規律，可為持續優化和提升裝備訓練效能提供有力支撐。

1）課目訓練分析管理

（1）大數據分析可從海量飛行訓練數據中快速挖掘所需信息?？筛櫽柧氝^程中學員的操作軌跡來尋找最佳的課目訓練方法。比如學員訓練負荷統計：提取數據倉庫中大過載動作的個數和時間、練習總時長、動作個數；統計大攻角動作的個數與持續時長，圖形界面展示成績隨練習時長的變化情況。分析每個學員以及所在整體的不標準動作、預警超限動作次數、不標準率，查看每架次中每個動作的完成情況。

（2）通常發動機大修時間和壽命指標參數主要為：飛行小時數、發動機飛行循環次數（以下簡稱循環數：工程上按設定小推力進入大推力的次數來計算，大推力檔次越高，循環數則越大）、年限。通過典型訓練數據分析發現，訓練任務階段通用駕駛課目、戰斗入門課目單架次最大推力狀態使用累計時間長且循環數占比最大，其次是低空導航課目和編隊課目，這將可能導致循環數達到大修時限，而飛行小時數卻還未達到大修時限。圖3 為某飛機最大推力狀態和教學推力狀態下飛行性能對比，分析發現，發動機采用教學推力狀態可滿足訓練要求，故選取部分特定課目安排幾個架次使用最大推力狀態飛行，則可以降低飛機發動機的循環數，能減少發動機壽命的損耗。通過大數據優化訓練課目動作，能充分發揮訓練平臺效能，提高訓練效益。

圖3 某飛機最大推力和教學推力飛機性能對比

2）人員成才分析管理

人員成才分析可從人員成才條件、成才周期、成才率、訓練建議、成長規律等方面進行分析。比如分析出教員的教學能力成績，并進行排序。圖形界面展示教員教學能力排序以及教員帶飛總體情況。比如分析出不同交付地、批次、課目的學員的綜合成績并計算成才率和學員特技動作的能量控制意識、一桿到底能力、大轉速時長等。

3）飛行操縱快速評估

企業成本控制中，對于成本動因的選擇需要堅持成本效益原則，并根據具體動因數據的獲取方式和難度等合理的選擇成本動因。同時成本動因選擇的是否合理與機場資源成本分配結果具有直接的關系，所以在成本動因的選擇中，需要堅持以成本動因的全面分析為導向，提升作業成本法的作用和意義。

應用大數據手段對大量的實際飛行數據的綜合分析，總結出不同類型的飛行動作和其飛行參數的典型變化特征，構建出飛行動作識別的知識數據庫，對實際的飛行數據進行掃描分析，能快速識別、通報飛機動作并輸出飛行動作過程中關鍵階段的航線諸元，從而可為實現軍用飛機飛行操縱快速評估打下基礎，大大提高飛行訓練效率。按照圖4 原理，逐幀讀入飛行數據，推理機對知識庫的每一條規則進行匹配，當描述輸出飛行動作的規則匹配成功時，根據知識庫所指定的內容，將飛機動作的名稱、完成時間和相關的飛行參數輸出到屏幕顯示和設立的數據文件中。

圖4 飛行動作識別過程[2]

3.3 飛行學員個性化服務

飛行學員是航空飛行教學的主要服務對象，存在各種不同的需求，精細化、個性化服務已經成為大數據應用的一個主要方向。在學員的整體訓練大綱中，飛行課程的前期課程皆是飛行員的篩選階段，學員需要參加十幾個小時的篩選考核，在這一階段中要考核飛行員的理論知識掌握程度，并且還涉及學習態度、模仿力、接收能力、飛行耐力、心理素質條件、動作協調、注意力掌控等多個方面的考核，相關評定結果要綜合委托代表與帶飛教官的評價，對不適合接受后續飛行學習的學員進行淘汰。而為提高學員的學習能力，強化學習成果，針對不同學員的性格及能力特點選取不同的教學計劃，同時加強訓練的核心溝通、強化飛行操控感覺的交流，全面了解飛行學員的訓練成果與感覺變化，然后分析相關問題產生的原因，對飛行學員進行簡潔易懂的講評，才能保障飛行學員充分掌握相關知識和技能。圖5 展示了飛行學員有關的服務環節。

圖5 飛行學員服務環節

根據學員身體狀況、學習能力、性格特點、心理素質、動作協調和注意力掌控能力等基本情況，構建學員多維數據倉庫，分析學員的特征，根據不同學員性格特點，通過對相關教學內容的研究，探索提高教學效率的方法，強化學員與教官之間的溝通。針對性的教學方法可以提高學員學習知識和掌握技能的速度，幫助學員建立更強的信心，避免具備較強專業能力與天賦的學員因特殊狀況難以繼續訓練和學習。

3.4 裝備維護及保障

軍事保障力在很大程度上取決于數據的積累能力，數據分析和處理能力，數據主導決策能力。

通過各種內嵌的診斷傳感芯片數據，反映了飛行中飛機的相關部件的工作情況，飛行后通過分析這些數據，可以了解相應部件在飛行中的工作情況，判斷出部件可能發生的故障，輔助地勤人員對飛機進行維護和監控。大數據能輔助質控部門對主要結構部件進行壽命監控，通過編制飛機的疲勞載荷譜，監控飛機主要結構部件疲勞壽命，可準確掌握單機結構壽命，從而改變過去以飛行小時和起落架次為指標的“一刀切”的壽命控制模式，避免結構壽命浪費，為合理調配飛機的使用提供科學依據。

1）飛機故障診斷

飛參記錄數據中包含了飛機、發動機和機載設備的工作狀態、故障信息以及飛行員的操縱信息。經過譯碼處理、飛參判讀，能提取這些信息并建立飛機故障數據倉庫，通過對設定規則的判讀，可以發現飛機子系統及設備可能出現的故障，輔助地勤人員進行檢測和維護。

圖6 左發轉速、排溫變化曲線[3]

2）飛機使用壽命實時監控

應用大數據分析能對飛機使用壽命進行實時監控。飛機的疲勞壽命主要取決于兩方面因素：①飛機自身的內部因素，即飛機結構疲勞關鍵部位的抗疲勞特性；②飛機的外部因素，即飛機的實際使用載荷譜。因此，在飛機結構疲勞關鍵部位的抗疲勞性能確定的條件下，就取決于飛機實際載荷譜的使用情況。實際飛行中，每架飛機結構所承受的載荷歷程都會與機群定壽所用的載荷譜有相當大的偏差，為此有必要在飛機的全壽命使用歷程中采用單機壽命監控的管理方法，從而避免浪費單機壽命，又確保安全。

對飛參記錄的飛行過載值進行處理，如圖7 所示，獲取飛機的基準損傷值和當量損傷值后，對二者進行綜合即可對飛機主要結構件在每次飛行中的損傷情況及剩余壽命情況進行監控預測?；鶞蕮p傷值首先通過過載編制飛機載荷譜，然后利用該載荷譜對飛機進行疲勞試驗，通過疲勞試驗即可得到飛機的基準損傷值。當量損傷值可利用過載通過計算的方法得到。

圖7 根據過載監控結構件原理圖[3]

（1）每個飛行日后，統計每架飛機當日所完成的科目情況，對照科目當量損傷表，即可近似計算出飛機當日新增加的疲勞損傷值，進而得到當前近似的當量飛行小時（當量飛行小時：累積損傷值和基準損傷率的比值；基準損傷率：飛機全疲勞試驗所加載荷譜的單位小時損傷率。）和壽命消耗比（K，當量飛行小時與飛行小時的比值）。

（2）根據控制標準合理調整每架次飛機的使用。一般情況下，當飛機的K>1 時，應該減少或限制大機動科目使用，而K<1 時，則應該適當增加大機動科目比例。

（3）監控中心定期給出各使用單位每架飛機當量飛行小時的準確值，供使用單位進行更新。

4 結語

軍事飛行訓練具有豐富的數據資源，飛行訓練大數據分析具有獨特的優勢。軍事飛行訓練的主要功能是著力培養飛行員的自主能力，飛行訓練過程消耗巨大，堅持以勤儉練兵努力將全部訓練資源都轉化為戰斗力的原則，利用大數據提高訓練質量，合理控制飛行強度，保證訓練效果，優化訓練資源配置是今后發展的必然趨勢。