從“黑匣子”到“云匣子”

陳凱 丁芃

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100190)

一 亟需升級換代的“黑匣子”

飛行事故記錄器(aircraft accident recorder)，俗稱“黑匣子”，是指自動記錄飛機的飛行高度、速度、航向、姿態、機內對話與地面通信、時間等，專供分析空難事故原因用的飛行數據，能抗墮毀的記錄儀器。黑匣子通常安裝在空難時最常被完整保留下來的機尾上。1953年，世界上第一個飛行事故記錄器由澳大利亞的戴維·沃倫博士發明。

60多年來，黑匣子雖然在可靠性等方面不斷改進，但其原理一直沒有大的變化。黑匣子能夠客觀、真實、全面地記錄飛機數據，是查明飛機失事原因最有效的手段，同時在飛機日常安全維護、飛行狀態監測、消除事故隱患以及故障定位方面也發揮著越來越重要的作用。但是，黑匣子的搜尋并不容易。如果黑匣子墜落在陸地上，可以依靠其明亮的外表顏色和反光標識進行搜尋。如果黑匣子墜入水中，就要依靠其發射的水下超聲波信號。這個信號通常在30天后將隨著電量逐漸耗盡而越來越微弱，直至停止工作，而且只有在信源2千米左右的范圍內才能夠被儀器探測到。2009年法航AF447航班失事和2014年馬航MH370客機失聯，使得關于黑匣子更新換代的呼聲越來越高，而“云匣子”等改進方式也漸漸浮出水面。美國國家運輸安全委員會前主席羅森克認為，從上述兩次航班事件的搜尋行動來看，當今國際航空界采用的飛行事故調查流程已經過時。他提出，如果能把黑匣子記錄的飛行數據和機艙錄音傳輸到云數據庫，將有助于相關部門在飛機遇到緊急情況時盡早定位并啟動調查，特別是飛機在民航雷達覆蓋范圍之外飛行時。曾主管美國交通運輸技術政策的前副助理國務卿麥基近日也表示，航空業需要從MH370客機失聯事件中吸取很多教訓，推動技術革新，其中最重要的一條就是將黑匣子數據轉移到云數據庫。

隨著科技發展網絡時代的到來，基于云技術的形成，數據信息安全存儲與便捷存儲已經變得非常重要，云計算是適合移動互聯網應用的一種模式。云計算將應用“計算”從用戶終端轉移到服務終端，從而弱化了對移動終端設備的處理需求。這樣移動終端主要承擔與用戶交互功能，復雜的運算交由云服務器處理，終端不需要強大的運算能力即可響應用戶操作，并將結果展現給用戶，從而實現豐富的應用。

二 “云匣子”及其特點

目前，在航空業內對于云匣子沒有統一的定義，而能夠達成共識的是，云匣子方案是通過云計算，將原本記錄在黑匣子中的數據通過衛星實時傳輸到地面。這樣直接通過向地面無線傳輸數據信號并記錄，而不再使用飛行事故記錄器。云技術下的黑匣子使得航空公司幾乎可以每分鐘獲得一次飛機的一系列數據，而飛行員無權切斷這一系統。一旦出現事故，可以第一時間從數據庫中調取相關數據，為生還者的搜救、事故分析提供有力支撐。

三 “云匣子”的應用現狀

伴隨著衛星技術和通信技術的發展，國內外關于云匣子的專利申請近幾年逐漸多起來。通過以下國內外專利申請的介紹，能夠使人們清晰地了解云匣子技術的發展狀況。

1.中國的專利申請

云匣子的相關中國專利申請從2003年就開始出現，例如，發明名稱為“對飛機故障的預測報警方法及飛機故障預測報警系統”的專利申請，其采用在飛機可能發生故障的部位設置相應的傳感器，利用計算機對各傳感器進行循環不間斷數據采集，所采集的數據存儲在計算機硬盤內，飛行數據分析處理程序對采集的數據進行分析處理并把數據處理結果與正常標準數據模型相比較，若有異常情況出現，則啟動報警系統進行報警，并把所采集的數據和比較結果通過通信網絡傳輸到地面飛行指揮中心。這種技術應該屬于早期類云匣子的方案，其主要解決方案還是停留在比對分析數據，當出現問題時才把數據傳回地面，沒有實現數據的實時傳輸，但是，在當時沒有發展出大存儲、大數據的情況下，上述方案應該是比較先進的技術。

2007年有兩個比較重要的中國專利申請。其一發明名稱為“空地一體化飛行設備維修支援系統及方法”，對飛行設備的重要機件進行實時監視，對必要的飛行數據進行監測和采樣，經處理后通過空地無線通信網絡傳送至地面計算子系統，再由地面計算子系統對監測數據進行分析，生成診斷結論和維修建議，對飛行設備進行故障檢查和排除，實現對空中飛行設備進行指導。該專利技術實現了云匣子技術中所要求的實時傳輸，從而確保了實時監控的可能性。其二發明名稱為“飛機與地面系統數據傳輸方法及系統”，該專利技術解決了實時傳輸時的一個重要問題，即飛機與地面系統的高流量通信問題，目前飛機與地面控制系統間的數據傳輸控制效果并不理想，存在高流量下數據的緩存問題。該專利技術通過按接收先后順序儲存數據包，將數據包分為多個數據包隊列，按數據包隊列優先級順序分別對數據包隊列附上幀頭、數據起始標志和校驗碼形成信息幀并發送該信息幀，從而有效解決了高流量下數據的緩存問題。上述兩個方案解決了云匣子技術中最重要的兩個技術難點，即實時監控及監控時大數據量的問題，使得航空業能夠真正有條件地使用云匣子技術。

2011年，出現了真正的云匣子的專利申請，發明名稱為“基于云計算的數據黑匣子系統”，其采用了包括采集數據的攝像機、傳感器等設備的云設備和用于提供服務的云服務器，云設備將采集到的原始數據通過網絡發送給云服務器，云服務器接收到原始數據，并對原始數據加密處理，將處理后的加密數據進行整理并建立數據標簽，用戶可通過云設備向服務器發送數據提取請求，云服務器將數據進行解密后發送給用戶的云設備。這樣一種技術在提供快捷異地數據存儲服務的同時，還提供災難預警服務，而且利用虛擬現場恢復技術綜合分析災難前后的包括圖像、聲音、環境、溫度等數據，為尋找事故發生的原因提供精確的數據。

2.國外申請的專利

美國專利申請，發明名稱為“飛行數據服務”，其主要技術方案是通過與系統服務層的組件、系統資源層組件(包括用于移動物體和第一地面站之間的數據交換的設備驅動器進行通信的系統資源層組件)發起無線通信路徑，其特征在于該系統服務層組件提供了系統級服務應用程序編程接口層中的對象;啟動第一地面站和第二地面站之間的連接;傳輸數據，包括使用系統服務移動物體層組件從所述移動物體，經由無線通信路徑中的第一個地面站的操作數據;經由所述第一地面站和所述第二地面站之間的連接便于第二地面站從第一地面站傳輸數據。該方案的主要效果是飛機的實時位置、性能監控和路線調整，由飛機運營中心來跟蹤，為飛行員提供實時反饋。更加便利的是，數據通信服務器可通過車載定位系統(例如，全球衛星定位)和路由器獲取飛機位置的相關信息。飛機運營中心可以連接其他應用程序使用的數據通信服務器來獲取所需要的數據。

以上僅是具有代表性的、有關云匣子技術的專利，可以看出，中國進入該技術領域時間比較早，但是突破性技術直到最近幾年才出現。最近，習近平總書記在體驗C919大型客機樣機時，提出了“中國大飛機事業萬里長征走了又一步，我們一定要有自己的大飛機”，可以預見，未來將有更多的資金進入飛機市場來進行研發，作為飛機技術中亟待更新的黑匣子技術，中國必然會實現技術上的重大突破，建立一系列云匣子的技術標準，并使之與世界接軌。

四 結語

將黑匣子中記錄的數據同步到云服務器中，可以大大加快空難發生后事故分析調查的進程，調查人員只需要直接從服務器中查詢，就可以得到空難發生前飛機上的各種參數，以分析出事故原因。目前，從國內外已有的專利申請可以看出，雙方都有一些比較有特色的云匣子解決方案，相信在不遠的未來，傳統的黑匣子技術必將被云匣子技術所替代。