現代民機告警系統綜述

李磊

摘 要：現代民用飛機告警系統是駕駛員與飛機最主要的接口之一，對飛行員了解飛機各系統狀態，持續安全飛行提供了重要操作依據。該文簡述了告警系統的發展歷史，介紹了告警系統的定義，對業界易混淆的相近術語進行區分說明，細化告警系統的主要作用，明確劃分告警系統現有的三種工作模式，以兩種常見角度對告警系統進行分類并以國外現有飛機型號舉例，最后對現有適航條款要求進行說明。對能夠全面了解現代民機告警系統，后續優化告警系統設計起到幫助。

關鍵詞：告警系統 音響警告 空中交通告警和防撞系統 近地告警系統

中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0015-03

駕駛艙告警系統應通過讓機組盡早認識到飛機系統或部件的狀態或故障以及機組操作失誤來提高飛行的安全性。因此，駕駛艙告警系統與飛機構型、飛行階段以及飛機系統相關。為了實現其功能，駕駛艙告警系統必須引起機組的注意力，必須清晰地表明問題的性質和根源，而且必須高度可靠，并充分反映運行要求及環境。如果可能的話，應盡可能為飛行員提供相應的錯誤糾正指引。

1 告警系統的定義

目前對于警告系統的定義還沒有統一的覆蓋業界所有范圍的標準。人為因素專家Amy R.Pritchett給出的告警系統的定義如下：“警告系統是一個能夠監控、發現和通告將影響操作人員近期活動（據操控人員或系統設計師預測）情況的電子機械系統。”

根據不同的范圍及定義，還有告警、警告、警戒及警報等不同的詞語，為避免與告警級別中的警告級別產生混淆，該文內對Warning System的理解均使用“告警系統”這一說法。“警告”一詞用來表示Warning級別的告警，“警戒”一詞用來表示Caution級別的告警，用以區別。Alert一詞也通常理解為告警，用與上述告警系統定義相匹配。

2 告警系統的發展

在迄今為止告警系統的發展過程中，主要經歷了兩個階段和三種模式，下面作以簡單介紹。

20世紀70年代中期以前，民用飛機警告技術的特點是：獨立儀表多，各種信息分散而雜亂；告警范圍不完備，通常只能進行設備故障的警告而沒有周邊環境形勢的警告，更不能給出處置建議或指導；警告設備技術水平低，設備可靠性及系統安全性相對不高。

20世紀70年代中期以后，隨著電子技術的巨大發展和多種探測技術應用到航空領域，安全警告技術出現了重大突破，這就是電子飛機中央監控系統或發動機指示機組警告系統、近地警告系統、空中交通警戒與防撞系統、預警性風切變警告等。現代飛機安全警告技術的特點是：告警信息集中，集成化、綜合化程度高；告警范圍全面，不僅孟包括設備故障告警和環境形勢告警，還包括文字說明、建議、指導等；設備技術水平高，可靠性及系統安全性高；誤報警率顯著降低；人機工效飛速改善；高度自動化，降低駕駛員工作負荷。

根據不同的告警作用，告警系統主要有以下三種模式，從簡單的探測到復雜的化解機制。

2.1 信息探測告警

如圖1所示，信息探測告警是最基本的告警模式。告警監控系統在采集到飛機或環境信息后，將信息進行邏輯判斷，與限值進行比較，當超出限值規定的告警門限值后，判斷告警級別及類型，啟動告警，再通過駕駛艙告警輸出設備實現告警輸出。通常的做法是將監控探測系統的輸入信號也一并提供給飛行員，使告警和系統信息相聯系的展現給飛行員。

通常情況下告警限值的設定由兩方面來源。一種是設計系統時界定好的限值，例如最大運行速度/馬赫數。另一種限值是由飛行員在特定環境下輸入到告警系統內的，如場高和V1、VR等。

2.2 危險探測告警

如圖2所示，作為危險探測告警模式的使用，當多系統或多信息輸入告警系統時，首先進入預備告警階段，能發現有信號超出告警限值，危險存在，但信號告警應該怎么表示或者是否需要表示，告警系統對多信息進行綜合評定，給出危險評估，與預置的特定環境的告警限值進行比較。這些告警可能會全部、部分或者沒有任何一個最終提供給飛行員。例如音響告警系統里面的告警優先級，被抑制掉的音響告警的告警環境可能還是一直存在，但是綜合評估多告警音響發生時，有更高優先級別的告警音響需要發生，那么低級比音響告警的危險評估相對降低，被抑制不產生音響告警。

2.3 危險化解裝置

如圖3所示。最先進、最復雜的安全系統不光要具有告警的能力，還應該具有化解危險的能力。這樣告警系統就可以引導飛行員將注意力放在解決告警的方法上。例如TCAS告警能夠給出駕駛員爬升或下降的指令，近地告警可以發出拉起的告警指令。危險化解多用于狀態變化較多的危險環境，對此類危險很難事先做好準確、細致的程序設定，還需要綜合飛機多系統的綜合因素考慮。

這三種模式的發展遵循時間科技的發展規律，但是因為有些告警系統不需很復雜的響應控制，所以現代飛機基本上三種模式共存的形式。

3 告警系統的功能

告警系統的主要用于喚起飛行員注意；說明事件性質；指導飛行員采取正確行動。

3.1 注意力獲取

告警系統最普遍的也是研究最多的作用是注意力獲取作用，即告警系統試圖將飛行員的注意力引導到需要他們識別、分析和解決的信號偏差上。一般情況下，假設飛行員能仔細分析和深思熟慮，他們可能根據經驗或對現實情況的了解對警告系統忽略或置之不理。

告警系統注意力獲取的作用給駕駛艙配備了飛行機組無法提供的持續監控能力。如果要求操縱人員連續監控一個信號，很易于產生厭倦和疲勞，告警系統的通過不同級別、多感官的自動持續監控將操縱人員人為因素造成的影響降低最低。同時，告警系統尤其能輔助飛行機組發現許多情況，例如信號稍有的變化、飛機機組抽樣調查之間的突然、快速的信號變化，揭示災難性、危險性或不可逆轉情況的信號，以上這些不良情況導致的巨大人員和/或經濟上的影響要求設計時必須對其進行專門的監控。

3.2 飛行干擾

警告系統通常是被認為是個安全系統，用來探測沒有被飛行機組發現的事件。為了防止因為漏報而造成的人員或者經濟上的巨大損失，警告的臨界值通常會設置在不可能有漏報發生的點上，但是代價就是有極高的誤報率。

基于種種原因，誤警告會變成一種干擾，從而導致飛行機組不做回應、延遲回應、關掉警告，或對警告系統產生懷疑直至忽視正確警告。

3.3 問題的最終裁決

正如飛行機組可能對告警系統過分依賴而不去監控有些情況一樣，他們也可能會在警告發生前“發覺”將要發生的問題，但是還會將告警作為問題發生的最終裁定。

3.4 解決方法的評價者

大部分告警系統被認為是在非理想情況下發生時發出告警。此外，告警的消失還能作為問題何時被化解的衡量工具來使用，即作為解決方案的評價者。

3.5 超負荷工作

告警系統通常要將飛行機組的注意力引導到問題上，有事告警會給飛行機組增加過多的工作量并干擾駕駛任務，有時只是生理上的超負荷。由于告警的突出性，飛行員很難對其置之不理，而且還可能把告警項目放在更重要的任務的前面優先處理，取消原有的任務管理和計劃。但是在減少超負荷方面，這種方法的有效性沒有得到完全證實。

告警系統還可以作為期望的提示、任務管理助手、程序啟動者、指令裝置等的功能，這里不做詳細敘述。

4 告警系統的兩種分類

告警系統的分類可以有多種方式，最主要也是最常見的形式是按照系統分類和按照告警表現形式分類兩種。

按照系統劃分告警系統的分類方法可能會根據機型不同而有所差異，但是按照告警表現形式劃分的結果通常情況下不會有太大的區別。在該文的其他章節的敘述中，均為將兩種分類形式結合表述。下面按照這兩種最常見的告警系統分類方式進行介紹：

4.1 按照系統劃分告警系統

隨著電子技術的迅速發展，現代中大型民用飛機航空電子系統已經高度智能化，有很多重要系統因為自身告警較多且獨立，并且安全級別很高，適宜于在自身系統的獨立計算機實現告警處理及發生后，通過音響及顯示系統實施告警。這一類的告警系統有地形提示和警告系統TAWS、交通告警與防撞系統TCAS等。

還有一種最常見的告警稱之為發動機指示與機組告警系統（EICAS），即空客的電子飛機中央監控系統（EACM），也是通常情況下討論最多的告警系統之一。EICAS是通過在駕駛艙某一顯示器（通常為多功能飛行顯示或者發動機信息顯示器）的特定區域內顯示不同級別的告警信息和重要系統簡圖的形式，達到告知飛行員各系統非正常或正常狀態告警及飛機不良構型的目的。告警根據不同飛機型號可達到數百條之多，基本上包括了飛機所有系統的故障信息，狀態信息和特定飛行階段的錯誤構型信息。

地形提示和警告系統TAWS能夠有效的控制可控飛行撞地事故（CFIT）的發生。地形提示和警告系統TAWS核心是TAWS計算機，計算機中存儲了各種警告方式的極限數據，通過計劃當前航線并參考地形高度數據、障礙物數據和機場數據信息從而提供預測地形報警。地形提示和警告系統提供基于無線電高度表、大氣壓高度表、下滑道偏離和飛行配置信息實時輸入的反應型地形警告。如果出現危險情況，地形提示和警告系統將給出視頻和語音的報警來警告飛行員。地形提示和警告系統具有在儀表板上繪制顯示地形上升圖的功能。各種模式都附帶儀表板上的清晰的語音和/或視頻的信息。

交通告警與防撞系統（TCAS）旨在作為一種補充手段，幫助駕駛員探測附近有無飛機，并確定其作為一種空域感者的可能性。TCAS與空中交通管制應答機一起聯合工作，為飛機提供附近空域飛機的飛行情況，預測飛機之間的潛在威脅，在飛機之間可能出現沖突時給予駕駛員告警，避免撞機事件的發生。

更多的系統則是采取通過中央警告系統來達到告警的目的。中央警告系統為飛機絕大多數的系統提供通用的告警平臺。當某一系統功能失效或構型錯誤需要通過告警燈和告警語音告知駕駛員時，中央警告系統通過邏輯判斷控制音響警告，實現駕駛艙音響告警的發出，并且/或者通過邏輯控制駕駛艙指示各面板上按鈕燈的點亮來告知駕駛員各飛機系統的當前狀態。早期的中央警告系統有獨立的告警計算機，專門用來進行告警邏輯的運算、告警語音的發生和按鈕燈的控制，隨著航空電子的發展，系統集成化迅速，現代客機的中央警告系統的運算單元通常情況下駐留在中央計算機內，而音響發出功能通常由音頻綜合系統實現。

在中央警告系統的警告燈控制功能中，包括用于通用告警的主警告按鈕燈和主警戒按鈕燈，用來在遮光罩等最顯著位置指示警告級別的告警和警戒級別的告警。

最后還有一個重要的方式是在主飛行顯示器（PFD）顯示的空速、高度等信息的告警。當空速或者高度在包線附近或者以外時，PFD的空速指示器或者高度指示器發出相應的告警指示并且必要時有語音告警。

按照上述分類特舉Boeing787的一例。

Boeing787飛機的告警系統（Warning System）包括以下部分：

發動機指示和機組告警系統 （EICAS）

空速告警

尾翼撞擊探測系統

起飛和著陸構型警告系統

模式控制板（Mode Control Panel，MCP）選擇高度告警

機組告警監控

空中交通告警和防撞系統 （TCAS）

風切變告警

近地告警系統 （GPWS）

4.2 按照告警類型劃分

告警級別的定義要根據功能危險分析中相應功能喪失的危害來設定，根據AMC25.1322要求，在不影響飛行，干擾飛行員操縱的情況下，要盡可能采取多感官的告警形式，從聽覺，多視覺，甚至觸覺發出告警信息。駕駛艙主要采取的告警類型為音響告警，視覺告警和觸覺告警三類。通常情況，除了觸覺告警不建議單獨使用外，其他兩類告警方式可以單獨告警，更多的是相互配合使用達到最終告警的目的。

4.3 音響告警

通過采用在駕駛艙揚聲器和/或飛行員耳機中發出告警音響的方式告知飛行機組此刻的飛機狀態或所處環境。音響告警通常情況分為三種，即語音（Voice），引起注意的諧音（chime）以及離散音響音調（Tone），一般稱為語音、諧音和音調。

語音告警：部分警告級別的故障或非正常構型在觸發后，包括TAWS和TCAS，駕駛艙能會有合成的人聲語音，告知機組提請注意。

諧音：在絕大多數警告級別和警戒級別的告警發生之前會有諧音用于引起注意。

音調：發出特殊音調表明飛機一種特定狀態。比如AP接通，水平安定面配平等。工業界通常認為諧音并伴有告警信息顯示或者是一個語音告警信息提供警告的方式優于音調告警的方式，所以強烈要求盡量減少使用音調告警。但是如果熟悉并且/或者習慣了需要用到特定的音調告警時，應該把音調告警的個數限制在4個以內并且要滿足國際標準。

4.4 視覺告警

駕駛員85%以上的信息均來自視覺感知，視覺告警也是最為重要的告警方式之一。視覺告警能及時獲得駕駛員的關注，并且不太容易引起誤解，反映的信息量相對能比較大，范圍廣。視覺告警主要包含告警燈、機組告警信息和顯示器上告警。

視覺告警通過不同的顏色定義不同影響級別的告警信息。

4.5 觸覺告警

在飛機發出失速告警時，不光有語音和視覺告警，還會有振桿告警。但觸覺告警通常不建議單獨使用。

5 不同類型告警的功能組成部件

當某一功能喪失引發的危險會導致災難性后果時，需要警告級別的告警產生；當某一功能喪失引發的危險會導致危險的后果時，需要警戒級別的告警產生。

5.1 警告

對于警告用于實現的告警和信息功能告警系統功能組成部件必須包括：主視覺告警，視覺信息，主音響告警（語音信息或特定的音調）。

一般認為，僅有少數告警中，主視覺和主音響告警不是必須需要的。

5.2 警戒

對于警戒用于實現的告警和信息功能告警系統功能組成部件必須包括：主視覺告警，視覺信息，主音響告警（語音警告或特定的音調）。

5.3 提示

對于提示用于實現的告警和信息功能告警系統功能組成部件必須包括：視覺信息-提示信息可能設置在飛行機組希望周期性查看信息的區域。

6 適航規定中的顏色標準

適航條款要求：通常紅色和琥珀色/黃色為告警功能保留。除了機組告警功能，這些顏色必須被限制使用并且不能影響到機組告警。

對于離散的燈和指示器，紅色和琥珀色/黃色的使用必須被專門的限制。規章將應用于這些顏色在告警系統和非告警系統的使用，包括在顯示器和其他指示器上。特別說明的是一個顯示器不一定是一個獨立的硬件，可能包括一個恰當的隔離出來的區域或功能專門顯示非告警功能。在駕駛艙內限制紅色和琥珀色/黃色使用的目的是為了使這些顏色提供對相應的危險等級相匹配相應的及時指示。

參考文獻

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