基于Matlab的Cessna172R飛機飛行訓練超限事件研究＊

鄧永恒，趙慶偉，魏坤鵬，孫宏

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基于Matlab的Cessna172R飛機飛行訓練超限事件研究＊

鄧永恒，趙慶偉，魏坤鵬，孫宏

（中國民航飛行學院，四川 廣漢 618307）

通過分析Cessna172R飛機機載航電系統存儲數據的格式，運用Matlab分析軟件，提取了一次飛行訓練過程中的發動機轉速、指示空速、坡度三種超限事件評判數據以及時間數據，結合相關超限事件評判標準，建立了這3種超限事件評判方法，并通過仿真分析得到了此次飛行訓練過程中發生的超限事件，此方法為飛行訓練超限事件研究提供了一種解決思路。

Cessna172R飛機；飛行訓練；Matlab；超限事件

飛行中的超限事件主要指超過飛行程序、訓練手冊規定范圍的操縱動作，比如著陸過重、空中小速度、盤旋坡度超過機型飛行包線限制等[1-2]，飛行訓練中的超限事件往往是發生飛行事故的前兆，或預示著存在潛在的安全隱患。通過對日常飛行訓練中相關飛行數據的分析，及時診斷出各類超限事件并總結其發生、發展的規律，是航空安全管理工作中最重要的內容，也是防范飛行訓練風險、預防事故發生的重要手段。傳統診斷飛行超限事件的方法是人為報告，或在機務維修中發現飛機故障，進行倒查，但這些方法信息比較滯后且信息易失真，因此，在通航領域，超限事件分析工作的技術發展趨勢是借鑒運輸航空中的QAR分析工具，對機載航電系統中記錄的飛行數據進行統計分析，診斷、預警不安全超限事件的發生。

目前，國內對通航飛行訓練超限事件研究較少，為了解決這一問題，本文選取安裝Garmin1000航電系統的訓練飛機Cessna172R的訓練數據，結合Matlab分析軟件，編寫了幾種超限事件的相關程序，找出了飛行訓練過程中的超限事件，此方法可以為飛行訓練超限事件研究提供一種思路。

1 飛行數據獲取及提取

Cessna172R飛機裝載的Garmin1000航電系統帶有數據采集接口，一張SD卡可以存儲飛行過程中的飛參數據，通過SD卡可以獲得飛行訓練數據，并以.CSV格式存儲[3]，使用Excel可以打開文件。文件共有64列，分別對應飛行過程中的不同參數，并每秒存儲1次，前三行為相關參數，對數據提取有一定的干擾。為了避免在數據提取時造成影響，在編程時首先使用textscan函數將前三行剔除，并使用此函數提取剩余數據，存儲為1×64的元胞數組，由于文件格式的特殊性，提取的數據使用%s（字符串）格式存儲。如果直接使用數值型存儲，則會出現列數變少、信息失真等問題。

本文主要針對飛行訓練過程中的發動機轉速、指示空速、坡度的超限進行分析，根據《安全程序與措施》規定，Cessna172R飛機發動機轉速變化率大于等于600 r/min，構成粗猛操縱油門事件；根據《Cessna172R AFM/PRM》規定[4]，指示空速大于等于129節，構成指示空速超限事件；根據《實踐考試標準》規定，Cessna172R飛機坡度超過±55°，構成坡度超限事件。

根據3個評判指標所需分析的數據，將元胞數組中對應列賦值于這3個指標，同時提取時間列。由于評價指標都為數值，需將3個指標格式轉化為數值型，這4組數據構成了超限事件研究的基礎。數據獲取及提取流程如圖1所示。

圖1 數據獲取及提取流程

2 評判方法的建立

根據3個評判指標以及時間的數據格式，結合上述構成超限事件的評判標準，使用Matlab中的while與if嵌套循環，便可查找每種超限事件發生的點。以下為3種超限事件的評判方法：①粗猛操縱油門的評判方法。比較前、后兩個發動機轉速的差值，如果差值大于等于600，則以前者為中心存儲一定時間范圍的發動機轉速值及對應時間，不斷比較直至數據的末尾，存儲所有發生超限的數據，流程圖如圖2所示。②指示空速超限評判方法。判斷每個指示空速是否大于等于129.如果結果為真，則以此為中心存儲一定時間范圍的指示空速值及對應時間，下一次判斷則跳出此范圍，不斷判斷直到數據的末尾，存儲所有發生超限的數據，流程圖如圖3所示。在圖3中第二個判斷框出現2個評判標準，指示空速超限評判使用上半部分。③坡度超限評判方法。同指示空速超限評判方法，流程圖如圖3所示，僅在第二個評判框時使用下半部分的評判標準。

圖2 粗猛操縱油門超限評判流程

圖3 指示空速及坡度超限評判流程

3 仿真及結果分析

為了驗證上述方法的可行性，選取一次飛行訓練的數據，并利用此評判方法對數據進行處理，最終以折線圖的形式顯示，發現此次飛行訓練發生3次粗猛操縱油門事件，如圖4、圖5、圖6所示；發生1次指示空速超限事件，如圖7所示；發生1次坡度超限事件，如圖8所示。

圖4 粗猛操縱油門事件一

圖5 粗猛操縱油門事件二

圖6 粗猛操縱油門事件三

圖7 指示空速超限事件一

圖8 坡度超限事件一

4 結論

從圖4、圖5、圖6可以看出，起初，油門逐漸下降，然后突然猛增，這很有可能是在著陸后直接拉起進行下一項訓練或復飛，但無論在任何時候，存在這樣的超限事件都是不允許的；圖7的指示空速也出現了猛增的現象，在發現存在問題后又迅速縮小到合理范圍，但這也構成了超限；圖8的坡度也存在同樣的現象，很有可能是轉彎進入較晚，轉彎改出后為了達到既定航路，不得不使用大坡度轉彎。無論在任何情況下，都要避免超限操縱，不同的飛行訓練標準所要求的范圍不同，但超出飛機能夠承載的最大限度后，不但會對飛機造成損傷，嚴重時也可能機毀人亡。

本文通過對Cessna172R飛機飛行訓練數據獲取及格式的分析，選取了發動機轉速、指示空速、坡度3種超限事件，利用Matlab分析軟件，對評判這3項超限事件所需的數據進行了提取，并建立了這3種超限事件的評判方法。通過仿真分析，對發生超限事件的數據及相應時間以折現圖的形式顯示。編程時是以發生超限點為中心向兩端截取一段數據，這樣做的目的是可以在每個圖中清晰地找到超限事件發生點及對應時間。

此方法僅是為了查找是否有超限事件發生，并不是為了分析超限事件發生的原因，但可以在此方法基礎上修改程序，在超限事件發生段同時存儲用于評判飛行品質的相關飛行數據指標，并在折線圖中顯示，便可判斷飛行階段以及相應的操作動作。利用此方法對同一學員的多次飛行數據進行分析，可發現學員在飛行訓練中存在的問題、發生超限事件的階段，從而可針對專項問題及時糾正，防止不安全事件發生。

［1］張帥.飛行品質監控中的超限裕度模型研究［D］.天津：中國民航大學，2014.

［2］崔曉陽.基于超限事件的飛行品質監控方法研究［D］.天津：中國民航大學，2013.

［3］李旭，馬力.VB6在CSV文件格式處理中的應用研究［J］.信息技術，2009（07）：26-28，31.

［4］黃杰.訓練飛行超限事件實時診斷與告警［D］.廣漢：中國民用航空飛行學院，2016.

［5］鄒強，劉曄璐，許志，等.基于Matlab的西銳SR20飛機飛行品質監控研究［J］.中國民航飛行學院學報，2014（04）：16-17，20.

〔編輯：張思楠〕

鄧永恒（1993—），男，滿族，遼寧開原人，碩士，研究方向為民航運輸管理。趙慶偉（1994—），男，山東日照人，碩士，研究方向為民航運輸管理。魏坤鵬（1993—），男，山東臨沂人，碩士，研究方向為民航運輸管理。孫宏（1966—），男，河北深縣人，博士，教授，研究方向為航空公司運行管理。

大學生創新創業訓練項目；民航飛行技術與飛行安全科研基地項目（編號：F2016KF05）；中國民航飛行學院科技基金項目（編號：J2014-44）

2095－6835（2018）19－0059－03

V328

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.059