民用飛機快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)研究

李樺楠

（中國商飛上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

民用航空安全有效運行是民航業(yè)發(fā)展的基石，航空公司通過飛行數(shù)據(jù)對駕駛艙運行情況的監(jiān)控、飛機機隊運行的管理和日常事件調(diào)查分析的能力要求日益提升[1-4]。目前，飛機上記錄駕駛艙語音數(shù)據(jù)的設(shè)備為駕駛艙語音記錄器（Cockpit Voice Recorder，CVR），CVR主要用于航空事故的調(diào)查，記錄時間一般不超過25 h，讀取數(shù)據(jù)需要借助于專用地面處理設(shè)備，因此數(shù)據(jù)不易快速接近和獲取，且不宜對CVR進(jìn)行頻繁地拆卸和安裝。

為了加強航空公司的日常管理，規(guī)范機組人員各項操作，2018年11月，CAAC發(fā)布CTSO—2C603關(guān)于《快速獲取駕駛艙音頻記錄器》的中國民用航空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，提出一種可以長時間記錄駕駛艙語音、且數(shù)據(jù)讀取快速方便的機載設(shè)備——快速獲取駕駛艙音頻記錄器；2019年西南局發(fā)明電〔2019〕411號《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)121部運輸航空公司QACVR安裝工作的通知》。

從國內(nèi)、國際民航當(dāng)局還是航空公司的角度考慮，不論是從事故調(diào)查出發(fā)，還是監(jiān)控管理出發(fā)，在不影響原有CVR功能和性能的基礎(chǔ)上，提高駕駛艙音頻記錄設(shè)備及其記錄能力是非常有必要的。

1 快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)概述

快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)（圖1）一般由2大部分組成：機上音頻采集記錄部分包含快速獲取駕駛艙音頻記錄器裝置、駕駛艙設(shè)備（如駕駛艙音頻控制板、繼電器等）；地面管理部分包含音頻接收裝置（如地面服務(wù)器）、數(shù)據(jù)讀取裝置及音頻處理等應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

圖1 快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)架構(gòu)圖

快速獲取駕駛艙音頻記錄機載設(shè)備作為一種新的語音記錄器，也是該系統(tǒng)的重要組成部分，采集駕駛艙機組成員及環(huán)境音的音頻信號，連續(xù)不間斷地進(jìn)行數(shù)字語音循環(huán)存儲，內(nèi)置大容量半導(dǎo)體存儲器作為存儲介質(zhì)，能提供長時間的錄音；并通過有線或無線的形式，將數(shù)據(jù)快速上傳至地面管理系統(tǒng)，航空公司可下載并解析語音，發(fā)送至各個相關(guān)部門，進(jìn)行進(jìn)一步的處理和操作，有利于增強航空公司對駕駛艙運行情況的監(jiān)控、飛機機隊運行的管理和日常事件調(diào)查分析的能力，提高航空公司的運營。

快速獲取駕駛艙音頻記錄器裝置通過線纜與機上電源、音頻數(shù)據(jù)及其他相關(guān)信號的總線相連。典型內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示，主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示控制模塊和擴(kuò)展模塊等，其中，電源模塊可接收機上115 V交流或28 V直流電源的輸入，并且能保證200 ms的中斷；存儲模塊需要設(shè)置為冗余的雙存儲獨立備份存儲器，避免因一個存儲器損壞而導(dǎo)致全部數(shù)據(jù)丟失的情況，包括數(shù)據(jù)存儲器和備份數(shù)據(jù)存儲器，存儲器一般為固態(tài)硬盤，容量可擴(kuò)展，用于記錄音頻信息；數(shù)據(jù)傳輸模塊包含LTE模塊和WIFI模塊，其中WIFI天線和LTE天線能夠支持FDD/TDD/TD-SCDMA/GSM/CDMA/WCDMA等多種網(wǎng)絡(luò)制式，實現(xiàn)在特定條件下的數(shù)據(jù)傳輸；顯示控制模塊實現(xiàn)對裝置自身運行狀態(tài)的指示、測試監(jiān)聽等；擴(kuò)展模塊包括預(yù)留的與其他系統(tǒng)連接的外部接口。駕駛艙設(shè)備包括駕駛艙內(nèi)各通道的聲音采集裝置、回放/擦除設(shè)備、繼電器、前置放大器、控制板和電源等。快速獲取駕駛艙音頻記錄器記錄的音頻數(shù)據(jù)可通過USB或WIFI形式上傳至服務(wù)器。

圖2 典型的快速獲取駕駛艙音頻記錄器架構(gòu)

2 快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)功能研究

快速獲取駕駛艙音頻記錄器裝置可以連續(xù)不間斷地存儲主駕駛、副駕駛、觀察員及環(huán)境等四路語音，正常網(wǎng)絡(luò)條件下可在半小時內(nèi)傳輸完成最近航段的數(shù)據(jù)（一般為2～5 h），快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)需要提供的基本功能有音頻數(shù)據(jù)采集、記錄和下載、顯示控制、健康狀態(tài)管理及其他部分?jǐn)U展功能。

2.1 音頻數(shù)據(jù)采集功能

快速獲取駕駛艙音頻記錄器能實現(xiàn)四通道音頻數(shù)據(jù)的采集，并能對駕駛艙通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪濾波處理。快速獲取駕駛艙音頻記錄器一般具備ARINC 429接口，可支持ARINC 429時間信息的獲取及語音通道時間的同步，從而使音頻記錄時間與飛機保持一致；同時，可將語音進(jìn)行壓縮，以降低存儲占用空間，方便無線的快速傳輸。

2.2 音頻數(shù)據(jù)記錄功能

快速獲取駕駛艙音頻記錄器包含雙冗余存儲裝置，ED 112A要求最低記錄時間為72 h[5]，但是根據(jù)實際情況，一般快速獲取駕駛艙音頻記錄設(shè)備能實現(xiàn)超大容量的存儲和長達(dá)上千小時的連續(xù)循環(huán)音頻記錄，并且記錄時間及容量可根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展；并且存儲裝置可拆卸，方便數(shù)據(jù)的獲取；對于所記錄的數(shù)據(jù)會有加密措施，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全；另外，快速獲取駕駛艙音頻記錄器支持?jǐn)嚯姳Ｗo(hù)，能避免因不可控因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。

2.3 數(shù)據(jù)下載功能

通常快速獲取駕駛艙音頻記錄器數(shù)據(jù)自動下載與否通過代表飛機位置狀態(tài)的離散信號控制，當(dāng)飛機落地后合適狀態(tài)下，數(shù)據(jù)自動下載傳輸?shù)降孛娣?wù)器，飛機起飛狀態(tài)中關(guān)閉該功能，避免對機上其他設(shè)備造成干擾。

快速獲取駕駛艙音頻記錄器支持上電自動記錄，掉電自動保存。能夠?qū)⑺涗浀臄?shù)據(jù)通過某種方式在特定邏輯下自動下載下來，主要包括：有線傳輸和無線傳輸，減少人為操作或誤操作，使得數(shù)據(jù)獲取更加方便快捷，有線傳輸可通過U盤實現(xiàn)可控的數(shù)據(jù)下載，無線傳輸可通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)自動下載數(shù)據(jù)，2種方式均需要密鑰以達(dá)到數(shù)據(jù)安全保護(hù)的目的。數(shù)據(jù)下載時間根據(jù)下載形式及機場信號強弱而定，一般U盤下載不超過3 min，無線下載不超過0.5 h，這會大大縮短飛機維護(hù)時間，提高機隊管理水平。

快速獲取駕駛艙音頻記錄器還具有斷點續(xù)傳的功能，當(dāng)無法全部下載航段數(shù)據(jù)的時候，可在下一次數(shù)據(jù)下載時繼續(xù)上一次中斷的位置繼續(xù)工作，避免因機場網(wǎng)絡(luò)情況或其他因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)的損壞及丟失。

2.4 顯示控制功能

快速獲取駕駛艙音頻記錄器裝置一般有顯示控制功能，實現(xiàn)對裝置自身運行狀態(tài)的指示、測試試驗時的監(jiān)聽等。民用飛機機載設(shè)備裝機前需要大量測試和試驗用戶可根據(jù)需要進(jìn)行駕駛艙通道語音的監(jiān)聽、回放及設(shè)備的測試等。

2.5 機載設(shè)備健康狀態(tài)管理功能

快速獲取駕駛艙音頻記錄器系統(tǒng)包含健康管理功能，可進(jìn)行上電自檢測，裝置的運營健康狀態(tài)（包括自測試、數(shù)據(jù)下載和故障等狀態(tài)）可通過前面板狀態(tài)指示燈顯示出來。當(dāng)?shù)孛鏌o法正常接收快速獲取駕駛艙音頻記錄器音頻數(shù)據(jù)時，可通過設(shè)備健康狀態(tài)管理詳查設(shè)備故障原因。

2.6 擴(kuò)展功能

快速獲取駕駛艙音頻記錄器機載設(shè)備擴(kuò)展功能包含2方面：一方面，數(shù)據(jù)存儲的容量可擴(kuò)展，實際應(yīng)用中，航空公司日常航班運行飽滿，因此航班數(shù)據(jù)量會不斷增加，設(shè)備存儲容量應(yīng)能根據(jù)需求擴(kuò)展；另一方面，接口可擴(kuò)展，根據(jù)客戶需求，能實現(xiàn)與無線/快速轉(zhuǎn)錄記錄器（Wireless/Quick Access Recorder，QAR）、圖像/視頻記錄設(shè)備、衛(wèi)星及5G ATG等多設(shè)備接口[6-7]的連接。

2.7 其他功能

航班過站或者航后落地休整過程中，飛機記載的數(shù)據(jù)可通過機場網(wǎng)絡(luò)下傳到地面管理系統(tǒng)，方便航安、飛管和飛行等部門的使用，避免了傳統(tǒng)人員先上機拆卸設(shè)備再下載數(shù)據(jù)的不便。

地面管理系統(tǒng)中，公司可通過配置工具對快速獲取駕駛艙音頻記錄器進(jìn)行客戶化配置，實現(xiàn)機隊的日常化指揮、音頻數(shù)據(jù)的共享、管理和分析，客戶化的配置主要涉及飛機尾號、對應(yīng)的服務(wù)器地址及快速獲取駕駛艙音頻記錄器相應(yīng)的通信和航空公司所需的配置。

地面管理系統(tǒng)接收機上快速獲取駕駛艙音頻記錄器設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，能實現(xiàn)機上原音重現(xiàn)，切實還原機上場景，通過地面譯碼、檢索、搜尋和降噪等普遍性操作，發(fā)現(xiàn)飛機運行過程中的狀態(tài)及機組成員的操作；另外，還可通過對比QAR/WQAR數(shù)據(jù)和飛行記錄系統(tǒng)的EVENT事件點，便于航空公司快速檢索、定位，查詢航班在各航段關(guān)鍵時間點的錄音，監(jiān)查機隊日常運營狀態(tài)。

3 快速獲取駕駛艙語音記錄器系統(tǒng)性能研究

快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)與傳統(tǒng)的黑匣子用處不同，快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)所記錄的數(shù)據(jù)用于航空公司日常事件的管理與查驗，并不作為事故調(diào)查的手段，因此不考慮抗墜毀、防水和防火等特性，但仍應(yīng)按照RTCA DO-160（機載設(shè)備的環(huán)境條件和測試程序）等同的軍用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試以證明符合要求，其他性能如下。

3.1 電源要求

快速獲取駕駛艙音頻記錄器的供電輸入應(yīng)符合機上通用電源要求，可以為115 V交流電源或28 V直流電源或兩者兼容，任何一種供電方式均不會對快速獲取駕駛艙音頻記錄器或機上其他設(shè)備造成損害。

3.2 記錄要求

快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)是飛機上記錄系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一，機上真實的運行數(shù)據(jù)提供了各類事件客觀的技術(shù)依據(jù)，按照運行規(guī)章CCAR 121 R4中121.359（a），快速獲取駕駛艙音頻記錄器機載設(shè)備上電啟動，可記錄從使用檢查單開始，到飛行結(jié)束完成最后檢查單止階段內(nèi)的音頻數(shù)據(jù)[8]。另外，當(dāng)電源有不超過200 ms的中斷時，數(shù)據(jù)應(yīng)能被存儲在介質(zhì)中，當(dāng)電源中斷為200 ms～2 s時，快速獲取駕駛艙音頻記錄器恢復(fù)數(shù)據(jù)記錄的時間應(yīng)滿足冷啟動要求，當(dāng)電源中斷時間大于2 s時，初始供電之后，快速獲取駕駛艙音頻記錄器應(yīng)于25 s內(nèi)在記錄介質(zhì)中記錄信息，在60 s內(nèi)完成自檢[9]。

3.3 功耗要求

為節(jié)省機上資源，快速獲取駕駛艙音頻記錄器在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下的功耗應(yīng)不超過30 W，在飛行階段記錄狀態(tài)下的功耗不超過15 W。

3.4 其他性能要求

民機機載設(shè)備對環(huán)境的要求不可忽視，快速獲取駕駛艙音頻記錄器的工作環(huán)境為-40～70℃，存儲環(huán)境溫度范圍為-55～85℃；另外，根據(jù)SAE ARP4754[10]分析，其研制保證等級為E級。

4 結(jié)束語

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)的功能應(yīng)用更加廣泛，能夠有效地提升飛行技術(shù)和飛行安全。本文主要研究了快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)的組成架構(gòu)，典型功能和性能要求。總而言之，通過對飛行記錄系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)的分析，找出飛行的最佳狀態(tài)，可以客觀地評價飛行機組的操作狀態(tài)和飛行技術(shù)，進(jìn)而不斷提升公司日常管理水平及專業(yè)人員技術(shù)水平，從而提升民航安全。

隨著航空業(yè)的發(fā)展，未來民機上快速獲取駕駛艙音頻記錄系統(tǒng)的應(yīng)用在不影響CVR功能的前提下，可配合QAR/WQAR進(jìn)行飛行品質(zhì)監(jiān)控，為航空公司日常運行提供更加方便、快捷和客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)，對飛機持續(xù)飛行、民航安全的運行有著重大意義。