基于試飛安全要素的飛參自動判讀分析工程研究

李煦陽，程 波，李振武

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610073）

0 引言

近年來，隨著飛機系統更迭換代的速度加快，采用新系統、新技術的飛機數量愈發增多，對于飛機生產制造的過程而言，其出廠階段試飛測試任務量相應大幅提升，對飛機試飛任務的執行效率提出了新的要求。尤其是飛參數據的判讀與處置、結果分析和故障定位，以及提供后續飛行的放飛標準，均較以往在數量和頻率上大大提高。然而，飛參系統雖承擔了飛機大量連續量、開關量信號的記錄工作，卻難以具備對自身記錄內容執行先行判定、提取可疑故障信息的能力，飛參數據的有效性和故障認定主要依托于飛行完成后的專業技術人員的人工判讀。

該種人工判讀方法主要依賴判讀人員的經驗累積。由于飛機系統復雜度的明顯提高，飛行平臺的功能多樣性大幅加強，各系統間存在強交聯，各專業系統自身判讀規則差異度大，導致人工判讀模式下對飛參數據的漏判、誤判概率較高，對飛機飛行質量和工作可靠性產生了明顯影響[1]。加之試飛測試任務的特殊性，其具有任務不可重復度高、人力及物力投入量大等特征，因飛參判讀導致的試飛測試任務結果無效會帶來巨大的財力投入損失和航空發動機為主的飛機系統壽命無謂消耗[2]，嚴重影響飛機出廠效率和功能實現的保障度。因此，建立一套基于試飛安全要素的飛參自動判讀分析系統，并應用于飛機生產制造、交付客戶及全生命周期內的飛行任務保障中，具有很強的現實意義。

國內外針對飛機飛行產生的飛參數據處置與分析采用了多種方法：波音公司針對其客機飛參記錄系統的數據事后分析需求，執行專門的設備故障原因的分析和告警，由此提出了一種專項的飛機信息管理系統[3]；空客公司為實現對飛機的實時監控與故障診斷，研發了數字化排故及維修管理軟件AIRMAN，可向地勤維護人員提供不同故障的維修建議[4]。國內的專業人員主要著眼于飛參數據判讀分析與實際工程應用的結合，如陳煒軍、崔德平等利用Origin 數據軟件的深度分析功能，將飛參數據處理方法歸納為閾值、比較和關聯等關系[5]，提出了飛參判讀如何服務于飛機出動效率保障的思路；游磊、孫宏等利用機載飛參數據的構成特性，對其數據品質進行分析，以服務于民航訓練系統內航電模塊操縱品質的評定和監控[6]。

不論飛參判讀處理與工程實際的最終結合形式如何，不同研究方向中的飛參數據處置均需對飛參記錄信息內的故障信息進行認定，繼而指出該故障的發生時段及發生頻率、對飛行安全的影響程度和較直接的故障處置方法[7]。對故障本身的等級、嚴重度、影響范圍等認定的最好方式之一，就是將故障信息及所存在的飛參數據環境，與實際的試飛安全要素影響因子結合起來判斷。試飛安全要素可概括為執行試飛任務的環境條件（如大氣環境、總溫與總壓、實時風力影響度等），任務自身執行過程中的安全要素（如科目風險等級、飛機自身系統狀態和實施條件、場地設備的安全運行程度等）和人為因素的介入情況（如飛行員自身操作習慣、空勤與地勤人員維護工作完成度等）。以上要素除人為因素外，均可通過簡化的數學模型引入飛參判讀的實施過程中[8]，尤其是對飛機自身系統的安全容許度的界定，現階段已具有較明確的執行標準。以上要素的概括，即構成了本文所研究的飛參自動判讀分析工程的理論基礎。

1 系統架構設計

飛參自動判讀分析系統組成如圖1 所示。該系統使用VC進行開發，以實現大批量數據的快速處理和分析[9]，同時具有圖像化界面的執行優勢，易于對飛參數據進行圖形化分析和執行判讀規則庫的構建。

圖1 飛參自動判讀分析系統組成

該飛參自動判讀分析系統先由預處理及解析模塊，對導入的飛參原始數據進行解碼、轉譯，生成為系統可直接讀取的數字量參數，包含：以連續數值變化方式出現的連續狀態量（以下簡稱連續量）、以或門關系“0/1”或多個特定定義值出現的開關狀態量（以下簡稱開關量）、定義子系統工作狀態的心跳字/計數字等。經解析后的該類參數導入各目的不同的功能實現模塊中，如在飛參數據繪圖模塊內，即對解析后飛參數據中的數個或幾十個連續量、開關量按時序和閾值范圍交聯關系進行連續變化的曲線繪制，可直觀顯示飛參數據的變化態勢；而在自動判讀模塊內，則經由預編寫的判讀規則庫，對飛參數據內各變量進行結果判定，其認定結果可為故障信息真偽的認定，也可為參數合格度的認定。

如圖2 所示，可將該系統在邏輯層面上劃分為4 級。底層數據級負責向整個系統內各級提供判讀所需數據和自動判讀規則，該部分數據可為每次經由預處理模塊處置后的解析后數據，也可從歷史數據中調用回放。服務級負責對該系統內業務功能實現提供函數支持，包括原始數據的解析規則、解析后各數據量的狀態定義和自動判讀規則實現所需的不同函數關系。業務級基于數據級和服務級，生成該系統主要功能實現模塊。而最終飛參判讀工作執行者則由用戶級獲取所需的自動判讀、飛參查看、數據統計結果。

圖2 飛參自動判讀分析系統邏輯架構

該系統自動判讀規則庫采用如下方式構建：①對于飛參內連續量參數，通過真實試飛情況、飛機系統理論性能要求及試飛技術人員經驗認知，對連續量參數閾值進行試飛過程中不同狀態下范圍界定；②對于飛參內開關量參數，其各定義值與實際飛行狀態關系轉為相應判讀規則；③對于部分多參數結合交聯關系的判讀邏輯，則依據試飛安全要素關聯度明確其參數判定邏輯（圖3）。

圖3 飛參自動判讀規則庫組成

最終，該判讀系統對飛參數據的自動判讀結果，可生成相應判讀報表，且該報表可經由曲線/數據表形式實現故障信息反查，歷史數據查詢等功能。

2 自動判讀模型

當代新型飛機在機械、電氣系統上的界限越來越模糊，各子系統下存在高度交聯，故由飛參記錄系統可獲取的飛參數據亦存在一源多采、各自表述等情況。基于試飛科目執行中飛機飛行態勢變化趨勢、系統運作狀況等表征信息，飛機飛參數據記錄內容可概括為飛行性能、系統運作狀態、機上故障信息等級及影響度等。

由此，對新技術狀態飛機飛參數據與試飛安全要素的結合程度可作為該自動判讀模型設計的主要考慮點。此處不列舉飛機全系統飛參自動判讀模型的構建，僅以一類飛機所采用的渦扇發動機工作過程中一關鍵參數為例。

表征發動機性能參數的n、g、t 分別為發動機壓氣機物理轉速、發動機油門桿角度和發動機渦輪后排氣溫度，對于飛機所使用的發動機，其物理轉速和排氣溫度的變化應符合如下規律：

其中，c1、c2分別為滿足一定函數關系可得出的物理轉速、排氣溫度隨油門桿角度變化的固定常數。該常數可表明當發動機油門桿作動變化時，其工作性能亦隨油門桿角度變動而滿足一定規律地進行隨動變化。

若發動機出現工作性能故障時，其中一種表象可能為界定發動機工作能力的各類指標值依然滿足其閾值范圍，但發動機依然會出現工作性能下降。對于該種故障，最有效的查看方法之一即為判斷發動機油門桿角度變化值與其他性能指標值間是否還存在規律的隨動關系，即：

可通過該兩關系式，檢查實際故障情況下真實常數cx偏離理論常數c1、c2的穩態、動態偏離度。

在一般人工判讀過程中，由于該方式的計算過程復雜，更多依靠判讀人員個人經驗對其偏離度進行估算，該方式顯然偏離了正常的判讀精確度需求，反而會因判讀失準而導致額外故障出現[10]。而采用本文所提出的試飛安全要素主導的飛參自動判讀分析方式，可在偏離計算過程上節約時間投入，并更快給出判讀結果。

3 自動判讀實現與應用

以現代飛機一次典型飛行科目可取得的飛參數據為例，應用本文飛參自動判讀分析系統對試飛任務完成后的原始飛參數據進行解析，即可獲得譯解后的飛機系統各狀態功能物理值。

通過飛參自動判讀分析系統內繪圖模塊，可選擇部分飛行參數，其飛參模擬量、開關量繪圖曲線如圖4 所示。該飛機飛行過程中飛行狀態參數（真攻角、側滑角、氣壓高度等）隨時間進行變化，反映飛機真實的空中飛行狀態。

圖4 飛參自動判讀分析軟件繪圖界面

飛參自動判讀分析軟件可以通過選取某固定時間段內飛參值，檢視其參數變化程度，或對該時段內飛參數值進行報表定位檢視（圖5、圖6）。這有助于工程人員迅速查找某特定時段內飛參數據變化情況，輔助排查機上狀態信息。通過該軟件報表模塊，可對飛參數據的物理實際值（工程值）和其對應源碼值進行查閱，工程值顯示界面如圖7 所示。

圖5 飛參自動判讀分析軟件時段定位

圖6 飛參自動判讀分析軟件時段內定位報表

圖7 飛參自動判讀分析軟件報表界面

除繪圖和報表功能外，飛參自動判讀模塊采用了事件編輯模式，通過對已讀取解析的飛參數據內一個或多個參數，采用函數關系運算對其進行數據交聯，以實現自動判讀預制條件的數學表達（圖8）。在該模塊下，例如對之前飛機飛行狀態參數中的真攻角進行閾值約束，可添加真攻角飛參采集值，選取函數關系內“（）”表達式，可獲得其對應模板表達式“a＜X＜b”，即對變量執行上下限值約束，此處可通過將變量X 賦值為真攻角、將常量a 設置為一個確定下限值（代表飛機機動時的最小攻角）、上限值默認缺省不設置實現閾值約束，事件編輯界面結果如圖9 所示。

圖8 飛參自動判讀分析軟件事件編輯界面

圖9 飛參自動判讀分析軟件事件編輯舉例

事件編輯完成后，對已解析飛參采用該事件執行自動判讀處置，可生成自動判讀結果報表，其中包含該事件設定條件下飛參數據中反響情況（發生時間點，事件觸發情況等）。經實際試飛科目執行后驗證，采用該自動判讀系統對飛參數據進行處置，可有效提高飛參處理效率，相比人工判讀速度有明顯提升。且該自動判讀分析系統功能可進一步擴展，如增加飛機系統相關長周期內數據的圖譜繪制功能，對飛參參數多時段內變化態勢的預判功能等，進一步實現基于試飛安全要素的飛參自動判讀和態勢分析能力。

4 結論

試飛安全是確保飛機飛行試驗與測試工作正常進行的最首要因素，而采用飛參監控、自動判讀處置可有效地為機上故障分析、科目任務執行結果提供技術保障。根據本文提出的方法，應用VC 編程的飛參自動判讀分析系統，實現了對飛參數據圖像化、圖表化的查閱和自定義規則庫下自動判讀結果的查詢追溯，對飛機試飛保障有直接提升作用，具有一定的工程實用價值。此外，該工程思路可應用于同類機型的研制工作中，對同類型機型集成測試采集、飛參遙測、實時判讀分析具有參考意義。