智能化民用飛機概述

嚴林芳 馬雙云 葉軍暉 程金陵 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

智能化民用飛機概述

嚴林芳 馬雙云 葉軍暉 程金陵 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

提出了智能飛機的定義以及智能飛機所具備的狀態感知、記憶學習、自主控制和規劃、行為決策、自然人機交互以及空地一體化維護管理六項特征。基于智能飛機的特征，提出了面向飛行機組的智能駕駛技術、面向乘客的智能客艙技術以及面向機務的智能維護技術，并分別對智能駕駛技術、智能客艙技術以及智能維護技術進行了介紹，重點介紹了實現智能駕駛所依托的PBN、ADS-B等關鍵技術。本文的研究對未來智能飛機的設計具有重要的指引作用和研究意義。

飛機；智能；駕駛；客艙；維護

0 引言

隨著社會的不斷發展與進步，相比較于傳統的學科研究領域，智能科學作為一門新興的自然學科受到越來越多科研人員的興趣和廣泛研究，實質上，智能科學是一門研究智能的本質和實現技術的學科。依托于智能科學的不斷深入和研究，得益于微電子技術、計算機技術、網絡技術、傳感器技術以及通信技術的快速發展，智能化技術應運而生。智能化技術是指現代通信與信息技術、計算網絡技術以及智能控制技術等多種技術匯集而成的基于某一方面的應用技術。

近年來，伴隨著智能化技術的飛速發展以及智能化的概念不斷地受到越來越多的重視和青睞，智能化、數字化系統的研究已經成為了一個研究熱點。比如， 谷歌旗下開發的AlphaGo智能化程序系統在圍棋領域成功戰勝了人類；百度旗下開發的無人駕駛汽車，通過車載傳感系統感知道路環境，自動規劃行車路線并控制車輛到達預定目的地。事實上，除上述典型的智能化系統事例之外，家居智能化系統以及智能醫院、數字醫院等行業在智能化方面都有著廣泛的研究。

正是在這種智能化技術以及智能化系統不斷的研究與更新的趨勢下，在民用飛機領域，智能化飛機的研究同樣受到諸多的青睞。與其他智能化系統類似，智能化飛機需滿足如下目標：

1) 降低飛行機組的負擔，實現飛機的主動駕駛；

2) 提供舒適的乘客環境，改善乘客體驗；

3) 降低飛機的維護成本，提高維護效率，減少機務的工作負擔。

1 智能飛機的定義

智能飛機是指一種能夠感知運營信息，進行記憶學習和態勢感知，具備自主規劃、行為決策和自主控制能力，并提供自然人機交互、支持智能維護的飛機。智能飛機一般具備以下典型特征。

1) 狀態感知：能夠動態實時獲取飛機的內外部信息，包括飛行機組、乘客、貨物以及能源等信息；同時，也能夠對影響飛機的安全要素信息進行實時獲取，包括天氣、地形等要素的獲取、分析、顯示以及預測未來的發展趨勢。

2) 記憶學習：能夠利用空天一體化網絡進行云存儲，并能夠通過機器學習產生新的知識。

3) 自主控制與規劃：能夠授權自主管理、行為控制以及飛行操作控制，并根據飛行計劃或者任務請求，能夠綜合天氣、航路、飛行效率等多種因素進行航路規劃和行為規劃。

4) 行為決策：能夠結合預期任務狀態，綜合飛行復雜環境和態勢感知的信息，從而進行安全、可靠、正確的飛行決策。

5) 人機交互：能夠提供高效、及時、便捷以及舒適的操作運行體驗。

6) 空地一體化維護管理：以飛機為中心，空地互聯，能夠預測性維護/維修，全面狀態評估，實現維護無縫對接。

基于智能飛機具有的六項特征，針對面向于飛機機組、乘客以及機務等對象，智能飛機的“智能化”特征將主要體現為智能駕駛技術、智能客艙技術以及智能維護技術三個方面，如圖1所示。

2 智能駕駛技術

飛機智能駕駛技術的目標為飛行計劃能夠自動上傳，飛機能夠自動沿著滑行路線到達起飛跑道，并按照與空管自動協商確定的航線進行爬行、巡航、下降、進近等飛行，自動著陸并減速，直至自動地面滑行至停機位。為實現智能駕駛的目標，將主要依托于基于性能導航(Performance Based Navigation, 簡稱PBN)技術、基于航跡運行技術(Trajectory Based Operation, 簡稱TBO)、廣播式自動相關監視技術(ADS-B)、先進場面活動引導和控制系統(Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems, 簡稱A-SMGCS)以及人機界面設計技術等。

1) 基于性能導航PBN技術

PBN技術主要是將衛星導航技術和飛機機載的系統/設備相結合，輔助于垂直導航、時間導航等先進技術，能夠為處于所有飛行階段的飛機提供精準的飛行技術，進而保障空中交通的運行。從某種意義來說，PBN技術是在區域導航技術(RNAV)和所需導航性能技術(RNP)的基礎上發展的一種新型航行技術，通過PBN技術，可以實現飛機在任意的航路點之間飛行，能夠擺脫對地面導航設備的依賴；更為重要的是，PBN技術能夠使飛機航跡選擇更加靈活、飛行航跡更加精確；同時，能夠減少飛行機組的操作、減少差錯，并能夠在山區和海洋等地區完成安全、精確的飛行。

2) 基于四維航跡運行技術TBO

TBO技術是國際民航界提出的新型的空管系統運行概念，以飛機的四維航跡作為基礎，通過空管、航空公司以及飛機之間的信息共享，從而實現飛機與空中管理的協同決策。與傳統的航跡運行方式相比，基于航跡運行技術可以實現航跡規劃的全局性、航跡運行的預測性以及飛行管理的數字化、協同化，可以明顯降低空中管制的工作負擔，并能夠預測未來一段時間內的空中交通態勢，能夠對空中態勢提前預警和處理，極大降低飛行機組的飛行負擔，提高飛行效率。一般而言，TBO技術的實現需依賴于一系列關鍵的機載系統或者關鍵技術，關鍵的機載系統或關鍵技術包括具備精確引導功能的飛行管理系統、空地數據通信系統、四維高分辨率的氣象預報技術以及地面空管決策支持技術等。

3) 廣播式自動相關監視技術(ADS-B)

ADS-B技術是新航行系統發展的重要里程碑式的技術，是一種基于GPS全球衛星定位系統和空-空、地-空數據鏈通信的飛機運行監視技術。ADS-B的信息主要是指飛機的四維位置信息，包括經度、緯度、高度和時間以及其他附件的信息，如航跡角、航線拐點、航向、空速、風速、風向等。ADS-B獲取的信息可通過地空數據鏈或者地面站傳遞給管制中心，實現地空監視；同時，裝載有ADS-B的飛機在對外發送自身狀態參數的同時，通過機載電子設備接收附近來自其他飛機的廣播消息，可達到飛機與飛機之間的互相感知，能夠相互了解對方飛機的位置和行蹤，全自動識別相互位置與保持間隔，將不再強烈地依賴于地面人員的空中交通管理，極大地減輕空管人員和飛行機組的工作負擔。

4) 先進場面引導和控制系統A-SMGCS

A-SMGCS旨在保證飛機在任何能見度、交通密度和復雜運行條件下能夠安全且高效地在機場運行活動。一般地，A-SMGCS系統由場面移動監視系統和飛行區燈光控制系統組成，其中，場面移動監視系統能夠提供對機動區域無縫隙覆蓋，并不會因為天氣條件而受到影響，即提供全天候條件下的跟蹤和監測。作為完整的A-SMGCS系統，其將具備四項最基本的功能，其功能如下：

(1) 監視功能：是通過雷達等手段對靜態和動態目標如飛機、車輛等探測和識別，使得地面人員/機組能夠實時獲取目標狀態，并且及時提供準確的時間和位置引導。

(2) 指引功能：是通過電腦控制的燈光系統自動指配路徑，并引導目標到達指定的地點；同時，為避開可能存在的交通沖突，其具有較大的應變能力。

(3) 引導功能：是指自動滑行道燈光控制開關系統為飛機機組提供前進或者停止的引導，包括為放行許可的目標提供移動路線，并為飛行機組提供清楚、明確的路徑指導，以保證交通流量不因能見度變化而變化。

(4) 控制功能：通過必要的監視和傳感系統，對飛機機動區域進行實時、全方位地探測，對于任何潛在的交通沖突或者沖突發出警告，進而能夠避免事故的發生。

5) 人機界面技術

人機界面技術能夠為飛行機組提供一個交互式飛行環境，并大幅度提高機組人員的操縱效率，在保證飛行安全的同時，最大程度減少飛行機組的負擔。智能駕駛艙設計技術主要體現在觸摸屏技術(圖2)、組合視景系統技術(圖3)、頭戴顯示技術(圖4)以及語音識別系統技術等。

(1) 顯示觸摸屏技術：通過顯示觸摸技術代替傳統的按鍵操作技術，可以提供更為自然的人機接口、優化駕駛艙設備數量、減少人為差錯，在提升飛行效率、提升飛機安全性、降低飛行機組的體力和腦力等諸多方面有重要意義。

(2) 組合視景系統(CVS)技術：組合視景系統技術將將視景增強系統EVS和合成視景系統(SVS)相結合，能夠實時采集機外環境的紅外圖像與計算機生成的飛機外部場景圖像進行融合并提供給飛行機組，可有效提升飛行安全和飛機的運行能力。

(3) 頭戴顯示技術：頭戴顯示器是一種極具發展潛力的新一代電子產品，其將顯像源貼近人眼投射展示文字圖片或是影像信息，近距離與人眼作用，可兼具保密性和靈活性。頭戴顯示器不僅可作為單純的顯示器用途，更大的特點是作為透視顯示器，可使虛擬和實景有機地結合在一起；同時，還能夠提供不受限視場和提供基于空間位置的外部視景信息。

(4) 語音識別系統技術：目前，在消費電子產品領域，語音識別技術的應用已屬常見，但是其在航空或民機的應用并不多見，通過語音識別技術，可使飛行機組通過語音的方式進行命令輸出，在很大程度上減少或者取消飛行機組的操作，對于智能化的駕駛具有重要意義。

3 智能客艙技術

客艙環境以及飛行體驗的舒適性是乘客愉快飛行的重要評判準則和標準，為了給乘客提供更具人性化、精彩化的多層次飛行體驗，最大程度減少對環境的影響，智能客艙將具備智能識別技術、自清潔技術、虛擬環境技術以及新能源技術等。

1) 智能識別技術

能夠自動識別并調節乘客的光線強度、環境溫度、放映喜愛的娛樂節目；同時，可檢測乘客不同飛行階段的體驗狀態，并自動調節環境條件以達到乘客當前的最佳飛行體驗，真正實現人機互聯。

2) 自清潔技術

將具備自我清潔以及帶有修復功能的材料應用于座椅、地毯以及衛生間等場所，能夠感知污漬或者折痕，并進行智能修復與完善，在提高乘客飛行體驗的同時，也能提升清潔人員的效率。

3) 虛擬環境技術

當飛機經過城市、雨林、草原、沙漠、景區等區域時，可利用客艙虛擬環境技術，將特定區域的圖景或者畫面虛擬展現在乘客終端，以達到人性化以及舒適化的飛行體驗。

4) 新能源技術

是指可利用飛機的舷窗吸收太陽能，以及座椅或者地板吸收乘客散發的多余的熱量，將收集的熱量轉換成電能，用以補充客艙娛樂相關設備的電能。

除上述智能客艙技術之外，智能客艙將進行全新的內飾設計理念，對傳統的經濟艙、公務艙以及商務艙取而代之的是不同飛行體驗的區域，如休閑區、互動區以及技術區等，將給乘客帶來全新的、前所未有的飛行體驗。

4 智能維護技術

智能維護作為一種新的維護理念，是一種由傳統的被動的維護模式轉變為一種基于主動的維護模式，旨在數字化維護的信息收集、分析以及處理的基礎上對飛機的機載系統設備進行性能與故障預測，以達到近乎零故障乃至自我維護的狀態。智能維護主要體現為智能化飛機狀態監控、智能化維護系統等方面,如圖5所示。

1) 智能化飛機狀態監控

智能化飛機狀態監控是實現智能維護的重要前提與關鍵技術，通過部署傳感器網絡實時、多維度地監控飛機機載系統設備的運行與狀態信息；除此之外，通過微納傳感器技術對于飛機結構進行監測，包括結構疲勞、結構損傷以及結構腐蝕等多種狀態；除進行狀態監測之外，智能化飛機狀態監控技術還具備將監控的信息全天候、不間斷地通過衛星、數據鏈以及無線網絡等先進通信技術下傳至地面維護系統，為地面維護系統的信息處理提供數據源。

2) 智能化維護系統

智能化維護系統旨在實現維護的數字化與智能化，一方面，通過接收智能化飛機狀態監控的數據信息，并對數據信息資源進行融合、分析、過濾以及綜合等處理，以形成一個統一的、數字化的數字資源庫，為飛機提供快速、敏捷、準確的維護決策與方案；同時，另外一方面，智能化維護系統能夠實現數字化維護手冊，即將維護手冊、維護文檔、圖紙信息等資料數據按照特定技術規范(如Interactive Electronic Technical, 簡稱IET)進行格式的轉換、壓縮和分解等系列操作以形成統一數據庫，并能夠在不同的部門或者計算機進行交互操作，從而使維護人員在任何時間、任何地點均能獲得充分的維護信息，進而提高維護效率，減少維護人員的工作負擔。除此之外，智能化維護系統可與互聯網技術有機結合，實現全球飛機維護信息的共享，進而達到維護數據庫的實時更新。

5 其他智能化飛機技術

對于智能化飛機而言，除了面向飛機機組的智能駕駛、面向乘客的智能客艙以及面向機務的智能維護等之外，智能化飛機還具有智能結構和材料技術，其包括光纖機敏結構、光纖材料、壓電材料以及可伸縮材料等。這些智能結構和智能材料的運用，也有助于促進飛機的智能駕駛、智能客艙以及智能維護，真正實現飛機的智能化。

6 總結與展望

本文提出了智能飛機的定義，概括了智能飛機應具備狀態感知、記憶學習、自主控制和規劃、行為決策、自然人機交互以及空地一體化維護管理六項特征。同時，針對智能飛機所需具備的特征，本文提出了基于飛行機組的智能駕駛技術，基于飛行乘客的智能客艙技術以及基于機務的智能維護技術，重點介紹了有助于實現智能駕駛技術的數項關鍵技術，其中包括基于性能導航技術、基于航跡運行技術、廣播式自動相關監視技術、先進場面活動引導和控制系統技術以及智能駕駛艙設計技術等。除了智能駕駛技術、智能客艙技術以及智能維護技術之外，本文還介紹了應用于智能飛機的智能結構和材料，包括光纖機敏結構、光纖材料、壓電材料以及可伸縮材料等。

本文的研究，對未來民用飛機的智能駕駛設計、智能客艙設計以及智能維護設計等關鍵技術的研究具有前瞻性的指導作用，為智能飛機的設計與實現打下了理論基礎，對于實現民用飛機的智能化目標具有重要意義。

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Overview of Intelligent Civil Aircraft

YAN Linfang MA Shuangyun YE Junhui CHENG Jinling

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

This paper presents the definition of intelligent aircraft and the characteristics of intelligent aircraft, whose characteristics include situation sense, machine learning, autonomous control and planning, behavior decision, natural human-machine interface, and full maintenance based air-ground. Based on the characteristics of intelligent aircraft, this paper presents intelligent driving technology for flight crew, intelligent cabin technology for passengers and intelligent maintenance technology for maintainer. Meanwhile, this paper introduces the intelligent driving technology, intelligent cabin technology and intelligent maintenance technology. This paper mainly introduces the key technology such as PBN, ADS-B in detail to support intelligent driving technology. It has an important guiding role and research significance in future design of intelligent aircraft.

aircraft; intelligent; driving; cabin; maintenance

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.021

V22

：A

嚴林芳女，碩士，研究員。主要研究方向：民用飛機航電系統設計。Tel: 021-20866403,E-mail: yanlinfang@comac.cc

馬雙云男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機航電系統設計。Tel: 021-20866423,E-mail: mashuangyun@comac.cc

葉軍暉男，碩士，高級工程師。主要研究方向：民用飛機航電系統設計。Tel: 021-20866571,E-mail: yejunhui@comac.cc

程金陵男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機航電系統設計。Tel: 021-20868402,E-mail: chengjinling@comac.cc