（模式识别与智能系统专业论文）基于qar数据的飞行安全模型研究.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 本文作为飞行安全研究的一部分，研究了机载q a r 数据的数字特性，并以重着陆 事件为研究对象，对其进行了详细的事件原因描述，定义事件裕度及知识规则，以帮助 事故专家进行事件原因调查分析，作为飞行安全研究的前期探索并为后期工作提供技术 支持。 首先，介绍了国内外飞行安全研究现状，将“事故调查系统”，“事故征候报告”，“航 线检查”，“飞行品质监控系统”，“航线运行安全检查系统”五个系统从数据源的获取、 取得成效方面进行详细对比，确立了基于q a r 数据建立飞行事件安全模型，帮助事故 专家进行事件原因分析的研究方向。 其次，介绍了q a r 的历史发展及现状，研究了q a r 数据帧格式，对q a r 数据进 行预处理，为后期对飞行事件原因进行定量分析作数据准备。 然后，在7 8 类飞行事件中选取进近着陆阶段中的重着陆事件为研究对象，结合飞 机空气动力学特性，对飞机纵向通道进行分析，从环境、机组、飞机多个角度对重着陆 成因进行详细描述，确定相关的人、机、环飞行参数，定义事件裕度并制定用以帮助专 家进行事件原因分析的知识规则，并将其应用于实际q a r 数据中，对多个航班中的重 着陆事件进行验证及结果分析。 最后，给出了将本论文中的研究方法推广到其它飞行事件的研究方法。 关键字：q a r 飞行安全超限事件事件裕度 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sp a r to fas t u d yo ff l i g h ts a f e t y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa i r b o r n eq a ro fd i g i t a ld a t a ， d e s c r i b e sd e t a i l e dc a u s e so ft h eh a r d l a n d i n ge v e n tw h i c hi st h er e s e a r c ho b j e c t ，g i v e s a l l o w a n c ed e f i n i t i o n sa n dk n o w l e d g er u l e st oh e l pa c c i d e n te x p e r t sf o rt h ec a u s eo ft h e i n c i d e n ti n v e s t i g a t i o n a sap r e - r e s e a r c ho ff l i g h ts a f e t y ，i tp r o v i d e st h et e c h n i q u ef o rt h e s u b s e q u e n tt a s k f i r s t l y ，i n t r o d u c i n gs t u d ys t a t u s o ff l i g h ts a f e t ya th o m ea n da b r o a d s t u d y i n gt h e a c c i d e n ti n v e s t i g a t i o ns y s t e m ，i n c i d e n tr e p o r t s ，r o u t ec h e c k i n g ，f o q aa n dl o s a ， c o m p a r e st h e s o u r c ed a t aa c q u i s i t i o na n de f f e c t i v e n e s so ft h ef i v es y s t e m s ，t h i sp a p e r p r o p o s e sr e s e a r c hg o a lo ff l i g h ts a f e t ym o d e l i n gb a s e do nq a r t oh e l pa n a l y s i so fi n c i d e n t i n v e s t i g a t i o n s e c o n d l y , t h eq a rd e v e l o p m e n th i s t o r yi s i n t r o d u c e da n dt h ew o r ko fq a rd a t a p r e p r o c e s s i n gi sd o n e t h i r d l y , f r o mt h e7 8c a t e g o r i e se v e n t s ，t h eh a r d - l a n d i n ge v e n ti ss e l e c t e da st h e r e s e a r c h o b j e c t w i t ha e r o d y n a m i c s o ft h ea i r c r a f ta n df l i g h tp r i n c i p l e ，f r o mt h em u l t i a n g l e p e r s p e c t i v eo fc r e w , a i r c r a f t ，e n v i r o n m e n t ，m a n a g e m e n t ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h er e a s o n s d e t a i l e d l y c o n f i r m st h er e l a t e dp a r a m e t e r sa n dg i v e st h ed e f i n i t i o no fe v e n ta l l o w a n c ea n d t h ek n o w l e d g er u l e sw h i c hc a nh e l pe x p e r ta n a l y z et h ec a u s eo fe v e n t a tl a s t ，t h es a f e t ym o d e li sa p p l i e dt ot h ea c t u a lq a rd a t aa n dh o wt h em o d e l i n g m e t h o di se x t e n d e dt oo t h e rf l i g h ti n c i d e n t si sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：q a r ，f l i g h ts a f e t y , u n u s u a le v e n t ，e v e n ta l l o w a n c e i i 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：圣玉旦仓日期：2 竺型丝1 7 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航 大学研究生部办理。 研究生签名：至矢艄导师勰悔，参 日期：础岁、吁 中国民航大学硕士学位论文 1 1 论文研究的目的与意义 第一章绪论 当f j ，我国民航的安全基础比较薄弱，安全生产保障能力与运输生产高速增长不相 适应的矛盾已经开始显现。在国民经济快速发展和国内外大环境的驱动下，我国航空运 输在今后一段时期内仍将保持高速增长的势头，这对我国民航的安全生产保障能力提出 了更高的要求，民航安全保障工作面临的困难将逐步增多，压力越来越大。 民航的发展速度过快可能导致安全问题，而安全问题反过来又制约民航的发展。虽 然我国民航的事故率总体呈不断下降趋势，但近2 0 多年束事故率的减少缓慢，与世界 航空发达国家水平还有较大差距。由于航空运输量的高速增长，如果不能在现在的基础 上大幅度提高安全水平，降低事故率，按照近1 0 年的事故率和飞行量每年增长l o 推 算，我国民航在2 0 1 0 年和2 0 2 0 年将分别发生严重运输飞行事故2 次和6 次，势必影 响公众对民航安全的信心。民航的机队规模与航空运输市场需求不适应，民航人机比例 不匹配，民航机场保障能力、空管能力、维修能力与航空运输生产能力不协调，民航的 科研能力、人员素质、管理水平、规章制度与民航的快速发展不适应都可引发安全问题。 所以，我国民航要牢牢抓紧发展的有利时机正确处理好发展与安全的关系，把保障 安全作为民航工作的重中之重，牢固树立安全生产责任重于泰山的观念，同时在确保安 全的前提下，加快民航发展步伐，适应国民经济和社会需要，促进我们民航事业持续快 速协调健康发展。 以下对国内外各大航空公司j 下在使用的飞行安全系统进行了一一介绍，并从数据源 的获取、取得成效方面进行比较【2 j ： 1 、事故调查。可有效避免类似事故的再次发生，但是事故并不是经常发生的事情， 而且反映的通常仅是各种罕见因素并发的作用。故基于这种非经常性事故调查，调查人 员难以及时发现不安全的运行行为( 未导致事故的发生) 并对其做出恰当处理。 2 、事故征候报告。因其自愿性质而受到影响，主要是因为驾驶员和其他航行人员 担心会针对报告采取制裁措施，而不做出完整的飞行报告。尽管如此，事故征候报告可 以提供宝贵的资料帮助公司在事故和严重事故征候发生之前采取安全行动。 3 、航线检查( 飞行检查) 。费用相对较高，据一家主要航空公司称，每进行一次航 线检查的费用为10 0 0 美元，而获得的资料诊断价值却微乎其微。驾驶员在航线检查中 表现出来的自然是他们最好的但并不一定是j 下常的即未受监测情况下的行为。 4 、飞行品质监控系统( f o q a ) 。根据q a r 飞行数据，能反映出飞行过程中发生 了什么，却不能解释为什么发生，只能对各事件进行初步的统计分析。并且，相对于后 中国民航大学硕士学位论文 面的l o s a 系统，飞行品质监控系统不能评估机组处理危险的能力。 5 、航线运行安全检查( l o s a ) 。该系统是一项从j 下常运行中获取安全数据的工作 系统，以威胁和错误管理( t e m ) 模型为基础。根据此模型，界定了多组机组过失、 威胁以及机组的反应行为，观察员将其所观察的行为输入到t e m 模型提供的一个量化 表中，信息被收集和分类，可以帮助分析得到以下信息：机组最常遇到的威胁与过失( 包 括什么时候发生) ；最难处理的威胁与过失以及处理不当的后果；不同机场、机队、航 线与飞行阶段遇到的威胁与过失有何不同等。所有这些问题可以让航空公司发现飞行运 营系统所存在的缺陷，也可以看到机组表现优秀的地方。相对f o q a 系统，l o s a 系 统可以评估机组处理危险的能力。 从以上几个系统的简短介绍可以看出，数据源的获取以及系统所能收到的效果是两 个重要的指标。事故调查、事故征候报告、航线检查、航线运行安全检查系统( l o s a ) 数据源的获取都必须依靠人的因素才能完成的，必须有机组人员的自愿参与。其中 l o s a 效果最好，不仅能得到丰富的有关航行过程中的有关威胁与过失的数据，还能反 映出机组处理这些威胁与过失的能力。但这个系统同时也是对人的因素要求最为苛刻的 系统：要求管理部门和飞行员团体联合管理；机组自愿参加：值得信赖、训练有素的观 察员等等，所有这些因素使得这个系统的实施成为一个巨大的工程，而主要的影响因素 就是数据源的获取。 飞行品质监控系统( f o q a ) 数据源的获取就相对比较简单，不需要专门的培训人 员，其数据源为实时记录飞行参数的q a r 数据。如今，国内大多数的飞机都装有q a r 记录设备，便利了数据源的获取。但f o q a 系统相对l o s a 系统的一个不足是只能根 据飞行数据反映出飞行过程中发生了什么事故或事件，却未能对原因进行解释。 通过以上分析对比，可以发现如何利用q a r 数据来进行事件( 在此定义为超限事 件与不规范操作) 原因解释是一个亟需解决的课题，也是个很有研究阿景的课题。 在现有很多公司部门中，都开始了利用q a r 数据进行事件原因分析的工作，但多 停留在人工分析阶段：分析要从大量的参数中手动找出对事件分析有用的参数，对参数 的选择本身就是一个反复校验的过程；分析过程中由于不同分析人员的经验与能力有所 不同，对事件原因就会出现“考虑不足”。于是自动进行参数的分类选取、建立知识库 帮助专家进行分析，减轻专家的工作量成了一个亟需解决的研究方向。 本研究课题相对于f o q a 系统属于对问题不同层面的研究。f o q a 系统主要针对 事件的判断，并给出事件的初步统计结果。本课题主要分析事件起因，输出与事件成因 有关的人、机、环、管等参数，并利用这些参数定义知识规则，以达到帮助专家进行原 因分析、减轻专家工作量的目的。 中国民航大学硕士学位论文 1 2 论文研究的主要内容及方法 本课题主要是从飞机空气动力学特性及飞行原理出发，从驾驶员、环境与管理多角 度深入描述飞行事件成因，输出相关飞行参数并按人、机、环、管进行分类，定义事件 裕度与知识规则以达到帮助专家进行事件原因分析的目的。 中国民航大学硕士学位论文 2 1f d r 历史 第二章q a r 概述及数据预处理 从1 9 8 3 年至1 9 9 2 年为民航使用飞参的第一个阶段。在此之前，飞机上也装有记录 器，但不使用，并且多数采用机械记录，如：笔在滚动的记录纸上绘出参数曲线，或滑 针在滚动的金属薄板上划出曲线，还有胶卷记录和钢丝磁带记录【3 】。8 3 年后，大部分 飞机加装了u f d r 磁带式记录器，还有一些自带美国洛克西德公司和英国p l e s s y 公 司制作的d f d r 磁带式记录器【4 】。记录的参数量从五个参数、几十个参数到三百多个参 数。地面译码设备继8 4 年北京引进后，8 8 年上海和成都又相继引进。此阶段的译码工 作主要有以下三个内容【5 】： 1 、严重飞行事故调查。2 、每年定期对记录器译码校验一次。3 、有译码器的单位 可对本公司的一般性飞行中出现的问题进行译码分析。 从1 9 9 3 年至1 9 9 7 年为第二阶段。9 3 至9 4 年期间，民航连续发生多起空难，使得 对译码工作引起重视。民航总局下文，要求每个航空公司都要建立译码站。各公司相继 购买设备，建立译码站，便于对航空公司的飞机经常性译码。此阶段还开始了对发动机 的日常监控工作，各公司都建立了发动机监控室，利用机上软盘记录发动机参数，或由 飞行员人工记录，进行发动机状态趋势监控。在这个期间也逐步开始了对飞行员操纵的 检查。飞行记录器由磁带式向固态存储器过渡，原有磁带式仍旧保留，新飞机都采用固 态存储器。 第三阶段从1 9 9 8 年开始，这是一个飞速发展的阶段。主要标志是采用机载q a r ， 即快速拆取式记录器。q a r 记录介质为光盘或p c m c i a 卡，拆装，处理十分方便。用 来进行日常性飞行监控，飞机和发动机监控。飞参的作用一下子大了起来，它成为飞行、 机务工作不可缺少的一个环节，目前正在进入这项工作的高潮。 2 2 飞参系统目前的使用状况 截止到9 8 年底，民航的绝大多数飞机都己加装了q a r 记录器，均购买于国外厂 家。主要厂家是：美国t e l e d y n e 公司( 光盘) 、美国联信公司( p c m c i a 卡) 、法国s f i m 公司( 光盘) 、法国达索公司( 光盘) 、英国p & g 公司( 光盘) 。光盘为3 寸可擦写式 光盘，容量为1 2 8 兆或2 3 0 兆，p c m c i a 卡容量一般为1 0 0 兆或2 0 0 兆。记录时间均 可达到1 0 0 飞行小时以上1 6 j 。 民航全面加装q a r 的主要目的是：监控、检查飞行员操纵的每一个细节，及时发 4 中国民航大学硕士学位论文 现超过飞行标准、不规范的飞行动作( 称之为事件) ，及时提醒飞行员加以改进飞行技 术，降低事件的发生率，从而避免飞行事故的发生( 因为事件与事故有一定的比例关系) 。 q a r 的使用改进了以往安全工作的被动局面，将安全把关前移，真f 做到了如指掌， 防患于未然。 民航从开始使用记录器到全面实施监控经历了十五年，促成q a r 的使用有二个方 面：1 、机载记录参数大量增加：2 、新的记录介质和计算机运算速度的提高，十几秒钟 即可检查完一个航班全部有关数据。 目前，民航各主要公司引进了q a r 地面处理系统。向中国提供地面处理系统和自 动检查软件平台的国外厂家为：美国t e l e d y n e 公司、法国s f i m 公司、法国宇航和空客 公司、美国联信公司、英国p & g 公司。另外，澳大利亚快达航空公司i 白j 接提供设备和 软件平台，并提供航空公司应用管理软件和经验【4 j 。 民航第一研究所( 现安全科学中心) 也向一部分航空公司提供技术服务和支持，协 助引进工作。一些公司，如西南和厦门，还自行开发了飞行管理系统，扩大q a r 使用 功能。 各航空公司都成立了q a r 管理小组，由飞行副总，机务副总及技术人员组成。q a r 一般为五天检查一次，每次扫描检查十几分钟。技术人员把事件统计结果和严重事例做 成报告，送交领导和有关部门。一些航空公司飞行员可以看到自己的飞行情况。严重事 件可提供译码数据。还可以提供仿真飞行姿态和仪表再现。目前，q a r 用的多了，黑 匣子只在重大事故时发挥作用。大多数q a r 记录的参数和黑匣子一样，但q a r 是可 以动态增加和改变参数的：重新安装数据获取组件( d a u ) 的配置参数软件就可以达 此目的。t e l e d y n e 公司的光盘把发动机监控参数与q a r 记录数据合并在一张光盘罩。 2 3q a r 数据应用及发展情况 目前，译码应用软件最时兴的两大项是事件探测软件平台和飞行姿态仪表显示仿真 软件。这两项在q a r 监控工作中最为实用。 事件探查是按照飞行标准分析判断飞行质量的专家系统。它的数据来源是译码后的 q a r 工程值，判断的依据是检查项目数据库罩的每项飞行标准和相关条件。 自动检查平台有两种工作形式，一种是先把全部数据译码，形成工程值文件，再对 工程值文件扫描以探测事件。另一种是边译码边扫描。检查项目数据库为事先设计好的， 与参数数据库类似。这是对每个检查项目的详细描述，可被程序调用，作为事件检查的 依据。检查项目数据库可由厂家提供，也可由译码专业人员自行建立和修改。自动检查 程序对必要参数工程值进行判断。首先判断航班的起飞、爬升、巡航、进近、着陆的各 个阶段和日期、时间、机组号等。再对各阶段所涉及到的检查项目进行扫描，根据项目 的探测条件( 由相关条件参数决定) ，找到探测检查点或时间段，然后记下实测的工程 中国民航大学硕士学位论文 值，或时间段的高峰值，再与项目数据库中飞行标准进行对比。飞行标准分为一般和严 重等级( 有的分三级) 。超过哪一等级，就形成相应等级的检查项事件。把探测到的事 件有关内容存入事件库，完成自动检查过程。一般扫描一张光盘为十几分钟，多数航空 公司每隔五天把全部飞机扫描一次。然后通过软件把这段时间出现的事件进行统计，做 出报表，找出严重事件和多发事件，做成报告，上交有关部门，对飞行进行讲评和改进。 目前，有些公司已经做到事件库和统计库上网，进行有权限的调用，使有关部门和领导 检阅更加方便。既可看到每个机组、每架飞机、每个航班的飞行情况，又可查阅各种统 计报表及严重事件。机组也可以凭加密卡看到自己的飞行情况。 自动检查项目的制定是由各航空公司与q a r 提供厂家参考国外航空公司使用情况 共同制定的。民航总局还没有制定统一的飞行标准。计划由各公司运行一段时问，总结 出一套民航统一的飞行标准。 q a r 另一项应用是飞行姿态和仪表的三维动态仿真显示。它可以非常直观地显现 出飞机在事件过程中的倾斜、俯仰及各舵面的动作，起飞、着陆期间起落架收放和仪表 等等的真实动态回放。有些航空公司配备了这项功能，但由于目自订价格很高，目前还不 能普及推广应用。 2 4 数据预处理 利用q a r 数据进行飞行事件的原因判断，首先必须对由各q a r 所译参数工程值 单位、采样频率、取值范围等特性深入了解，才能保证进行事件探测时所用参数数据源 j 下确。本节将从q a r 数据结构组成及工作原理的角度束进行探索。 英美制飞机记录参数比较多，新型飞机可达八百以上。在记录过程中不可能把各个 参数都从传感器接到记录器上，因此，波音和空客等飞机早已采用a r i n c4 2 9 总线数 据传输方式。a r i n c4 2 9 总线采用单线串行传输( 类似计算机总线) ，各参数可在a r i n c 4 2 9 总线上分时排列串行输送，每个参数都有固定的序列位刮7 1 。目前a r i n c4 2 9 总线 每帧秒传输一万多个参数。每个参数占一个单元。每个单元3 2 位( b i t ) ，3 2 位的分配 内容见图2 1 所示： i a b 参数地址位数据来源 参数数据1 证符【j 化奇偶校验 图2 1q a r 帧结构图 记录器或q a r 记录单元( 参数字槽) 为1 2 位，只用到a r i n c4 2 9 总线单元3 2 位中参数数据位的一部分。一般参数在a r i n c4 2 9 的参数数据位中只占用1 2 位或低于 1 2 位，少数精度高的参数( 如高度、经度、纬度等) ，在a r i n c4 2 9 数据位中占1 5 位， 在记录单元中，需占用多于1 个字槽的位置。有些带正、负值的参数则吸收a r i n c4 2 9 6 中国民航大学硕士学位论文 总线中的符号位。 参数不能直接从a r i n c4 2 9 总线记录到记录器或q a r ，中问需要数掘获取组件 ( d a u ) ，其作用是：在l 万多参数中选取记录所需要的几百个参数，通过l a b 地址选 取。并只从a r 烈c4 2 9 的3 2 位单元中截取有用的数据位( 一般低于1 2 位，有时包括 符号位) 转换成字槽1 2 位，每一付帧6 4 个字槽( 或2 5 6 个) 的标准记录格式。每个参 数的记录位置也按照参数配置类型固定排列。各个参数间隔出现的次数( 采样率) 不同， 占用比特( 位) 不刚7 1 。有时，一个参数占用多个字槽，或多个参数占用一个字槽。这 样参差不齐的参数分布都是由获得组件通过软件控制采集和排列的，改变获取组件的软 件可以改变参数的配置类型。目前，大多数飞机中记录器和q a r 记录的参数是一样的， 但是多数飞机可以增加和改变q a r 的参数配置。获取组件除可以从a r i n c4 2 9 总线上 得到参数数据，还可以接收来自同步器传输的参数信号，加以转换，排入记录序列。 所谓国际航空通用记录规范即是数据排列格式，也叫数据帧结构。帧是相同字节组 成的数据块。我国民航都使用国际通用记录规范。目前，记录器采用的是5 7 3 7 1 7 规范， q a r 采用的是4 0 0 7 1 7 规范。5 7 3 7 1 7 的格式是：每秒钟记录的数据块为一个付帧，四 个付帧组成一个帧，四个帧组成一个记录( 1 6 秒钟) 。每个付帧是基本的数据块，由6 4 个字槽( 或2 5 6 个) 组成。每个字槽1 2 个比特，采用1 2 比特符合大多数参数的计数精 度。每个付帧的第一个字槽是同步字，其它6 3 个字槽( 或2 5 5 个) 记录着几十至几百 个参数。新型飞机：如波音7 7 7 、7 3 7 8 0 0 采用的是每个付帧2 5 6 字槽，记录参数8 0 0 个以上。同步字分两种：t 型和h 型，大部分使用t 型。每帧的四个付帧的同步字不 同以示识别，分别是：一、5 8 3 ，二、1 4 6 4 ，三、2 6 3 1 ，四、3 5 1 2 。同步字的作用是在 数据的传输和记录时准确地划分和识别付帧，在发生错漏数据的误帧时，通过搜索同步 字重新对齐，恢复正确的数据块操作。另外，有些参数只在部分付帧中出现，以同步字 来区别。 q a r 的基本数据格式与记录器相同，但各公司生产的q a r 有各自的变化。大多数 厂家把1 2 个位字槽分别放入2 个字节里，各公司有自己的数据加密方法。也有把1 2 个比特放在1 个半字节里，节约存储容量，固态记录器也采用这个方法。 老式磁带记录器( 目前还使用) 采用串行记录，记满一条磁道再反向记录另一条磁 道，蛇形记录，记完八条磁道后再返回第一条磁道。记录器保留2 5 小时记录数据，边 抹边记。q a r 不能抹掉数据，记满后不再记录，在地面处理后格式化盘片。机载的记 录系统为地面译码和监控提供了参数原始数据。 地面系统可以有很多功能：如显示、打印飞参的数据或曲线，绘制航迹，显示仪表， 飞机姿态仿真，自动检查飞行技术等等。但这些都要依赖一个最基本的功能，即译码。 把记录的原始数据译成所需的参数工程值，恢复参数的原貌，才能提供各种形式的输出 功能。原始数据是被记录在记录器、q a r 光盘或p c m c i a 卡的纯二进制数据( 非文本 或其它类型数据) 。原始数据是严格按记录规范排列的，它承载着众多参数工程值的a d 7 中国民航大学硕士学位论文 变换值。用原始数据来存参数有很大好处。首先，可以节省大量存储空间。其次，不管 机型，参数配置类型如何改变，原始数据的记录格式保持统一不变。 工程值数据是原始数据进行译码后得到的数据，是对飞行真实数据的还原。工程值 数据分两大类：一类是模拟量参数，如：高度、空速、垂直加速度等。另一类是丌关量 参数，如：起落架收放，按发话按钮，发动机火警等，开关量参数只反映两种状念。一 般模拟量参数占一百多个，开关量参数占二百多个。这些参数能够反映飞机每时每刻各 种变化，包括飞行操纵和飞机发动机工作状态，足够提供给仪表再现、飞机姿态显示、 飞行技术自动检查的使用。 工程值参数是由原始数据译码恢复产生的。这些参数在原始数据中怎样分布，大致 分为五种分布方式峭j ：( 1 ) 连帧型，( 2 ) 跳帧型，( 3 ) 超级帧型，( 4 ) 双字槽型，( 5 ) 密集采样型。 连帧型：每个付帧的同一字槽都出现这个参数。每秒钟记录一次。 跳帧型：每隔一个付帧或隔三个付帧的同一字槽出现一次。每两秒或四秒采样一次。 超级帧型：每隔6 4 个付帧( 6 4 秒) 出现一次，变化率缓慢，如：燃油总量，飞机 总重，日期等参数。 双字槽型：参数取值范围很大，精度高。如：高度、经度、纬度等，用双字槽来扩 充数位。 采集密集型：用于垂直加速度等需要每秒多次采集的参数。多次采样放于同- 4 , - t 帧 不同字槽里，一般垂直加速度每秒采8 次。 除了字槽存数方式不同，在字槽内占用比特的多少也不同。如：无线电高度占用第 5 5 字槽的0 1 至1 2 位，航向占用第1 5 字槽的0 3 至1 2 位，开关量只占用一个比特。一 个字槽可容纳1 2 个开关量。 中国民航大学硕士学位论文 3 1 空气动力 3 1 1 升力 第三章飞行基本原理 图3 1 说明空气流过机翼周围的情形。当空气流到机翼自仃缘附近时，受到阻滞，流 速降低，在机翼前缘d 点流速降到零，该点称为驻点。气流在驻点处分为两股，分别 流向机翼的上、下表面，于机翼后缘附近重新汇合向后流去。在机翼上表面前段，因表 面凸起较多，流动方向改变大，流管也比较细，于是流速加快；在机翼下表面则情况相 反，气流受阻，流管变粗，流速减慢。翼面上、下流速差是产生升力的关键。 图3 - 1 机翼剖面周围空气的流动 当阻挡流动的空气时会感到压力增大，可见，流动空气作用于物体表面的压力，即 静压( p ) ，可以同流体的动能相互转换，也可看作是一种能量，称为压力能。静压的 大小说明单位体积内空气压力能的大小，代表这部分空气凭借压力对外做功的能力。单 位体积内的动能，常称为动压( q ) ，与空气密度( p ) 和流速( v ) 的平方成i f 比， 即： q = 寺p v 2 ( 3 1 ) 二 按照能量守恒原理，在稳定气流中，若与外界无能量交换，则沿同一流管的各点， 空气的静压与动压之和( 全压) 保持不变。用式子表示即为： 1 p + 去p 矿2 = p + q = 常数 ( 3 2 ) 二 这就是伯努利方程【9 1 。 9 中国民航大学硕士学位论文 图3 - 2 机翼表面的压力分布 参照图3 2 ，设飞机速度为y 。远前方未受机翼扰动的气流中，静压等于当时 1 环境的大气压力p o ，动压等于去p y 2 。现在机翼上表面流速加快( v j ： 矿) ，即动压增 二 大，根据伯努利方程全压保持不变，则只能静压减小( p 1 ，式( 3 7 ) 与式( 3 9 ) 取f 号，飞行轨迹向上弯曲； 升力小于重力时，q l ，飞机 阻力( x ) 也会大于平飞阻力，故剩余推力会比平飞时小得多，这也会增大减速趋势。 所以，拉升时耍注意检查空速。 中国民航大学硕士学位论文 3 3 小速度飞行 3 3 1 操纵性变差问题 大迎角小速度飞行时，飞机的操纵性显著变差，需要的杆舵操纵量大，飞机对操纵 输入的反应迟钝【1 4 】。 操纵性变差的原因，首先是因为速度小操纵力矩小。操纵面偏转一定角度所产生的 附加空气动力与迎面气流的动压成正比例。飞行速度小，动压小，因而操纵力矩小。 再者，速度小为克服同样的外界影响所需要的操纵量大。操纵面偏角和杆、舵用量 也就要大很多。 第三是操纵面的工作环境变差。特别是副翼的一部分甚至大部分上表面，有可能处 在机翼后部涡流区中，这将降低副翼偏转时的空气动力效应。在接近临界迎角时，甚至 会严重到副翼效用全部丧失。 大迎角飞行时，如果从机翼中部和机身产生的涡流，流过垂直尾翼和水平尾翼，会 显著恶化方向舵和升降舵的工作环境，因而使操纵效能大大降低。不过，具体影响因机 型而异。 3 3 2 速度稳定性问题 所谓速度稳定性是指在严格保持直线飞行的前提下，飞行速度变化的特性。结论是 在大速度飞行时速度的变化是稳定的；而当速度低于有利速度附近的某一临界值时则变 为不稳定的。将飞机、驾驶员整体看作一个闭环系统，在驾驶员只用升降舵操纵所能控 制的高度误差范围内，驾驶员接近于假定的理想自动驾驶，手控飞行也能察觉到小速度 飞行时的速度不稳定性f 1 4 】。 一尸 ，i 护l 1 一p 1 1 i ；卜。 i ! l i 、卜 l l i i i ：lii l 吒“ kl “_ “ 图3 11 喷气飞机的速度稳定性 1 6 中国民航大学硕士学位论文 在严格控制飞行轨迹保持水平直线飞行的情况下，喷气飞机的阻力如图3 1 1 的需 用推力曲线所示。先来看飞机以大于雨l 的速度k 飞行的情况。如果原来是处于等速直 线飞行状态，那么发动机油门应调整到可用推力曲线j 下好在k 速度与需用推力曲线相交 ( 见图3 1 1 ) 。假设由于某种外界的原因，飞行速度增大到k 。，在保持严格平飞的条件 下，需用推力增大，结果需用推力( 即飞机阻力) 大于可用推力，出现推力不足，因而 飞机将自行减速，直至回到原先的k 速度为止。反之，如果速度由k 减小到k ，则由 于飞机阻力减小出现剩余推力，在严格保持平飞的前提下，此剩余推力将使速度增大， 直到恢复原速度k 为止。可见在大于有利速度的范围内，飞行速度受到扰动偏离平衡状 态时，飞机将自动恢复到原来平衡速度，就是说飞机具有速度稳定性【i5 1 。 在小于雨i 的第二飞行范围内，情况就不同了。参看图3 1 1 ，如果调好油门使飞机 在k 速度保持等速直线飞行，现若受扰动速度增大到k ，与前一种情况相反，在严格 保持水平直线飞行的前提下，飞行阻力减小，出现剩余推力，飞行速度将进一步增大； 反之，如果受扰动速度减小到k ，则会因阻力急剧增大而出现需用推力大于可用推力 的情况，飞机进一步减速i l 酬。可见在小于有利速度的范围内，飞行速度受到扰动偏离 原来的平衡速度后，若不操纵油门，会越偏越多，即飞行速度不稳定，又称速度发散。 在有利速度附近，可用推力曲线与需用推力曲线相切，切点所对应的速度，是速度 稳定范围与速度不稳定范围的分界点，具有中立速度稳定性。 喷气式飞机中立速度稳定点接近有利速度，也接近着陆进近参考速度，因此进近时 就很可能处在中立、甚至速度不稳定的条件下，加上需用推力曲线在此范围内又比较平 坦，因此，即使进近速度处在稳定范围内，速度稳定性也可能很差。 由于喷气式飞机速度稳定性问题比较突出，这个问题越来越引起航空界的重视。特 别是进近过程，这是一个严格控制飞行轨迹的过程，如果选择的进近速度处在速度稳定 性不够好的范围内，飞行员保持速度就会很困难【l7 1 。 1 7 中国民航大学硕士学位论文 第四章模型的建立 在之前的章节中，对所需处理的q a r 数据的特性以及基本的飞行原理进行了探索。 本章将重点放在模型的建立上。以进近着陆过程中的重着陆事件为突破口进行分析，研 究飞机的纵向通道，对事件原因从环境、驾驶员、管理的角度进行描述，帮助后续： 作 中对模型进一步的数学描述；定义事件裕度，并初步根据所描述原因制定知识规则以帮 助事故专家进行原因分析。 在模型建立过程中，不考虑飞机各系统自身出现故障需要维护的情况，只对飞机这 个大系统自身的状态进行监控，呈现出异常状态以帮助专家分析事件原因。 4 1 进近与着陆 图4 1 和图4 2 是对1 9 5 9 1 9 9 9 年间世界范围内商用喷气机群发生的8 0 6 起事故所 作的统计分析结剁。 飞行阶段事故白分比 装卸 滑行 3 3 飞行时间百分比 图4 1 世界范围商用喷气机( 1 9 5 9 1 9 9 9 ) 飞行阶段事故百分比 中国民航大学硕士学位论文 主要因素事故数占已知原因事故总数的百分比 飞行机组 4 6 1 12 3l 1 7 4 飞机 19 i2 7 维护 3 3 天气_47 3 4机场，atc 3 7 其他5 2 7 0 7 己知原因的事故数 9 9 未知原因或等待报告 8 0 6 总数 4 2 重着陆事件原因描述 检测重着陆事件的飞行阶段是无线电高度低于4 5 英尺的着陆过程，但事件的形成 是一个复杂的过程，可能由下降开始已埋下隐患，并且所考虑的过程不止限于事件发生 前，对事件发生后的各参数飞机进行分析也有助于帮助事故专家对事件原因进行分析。 下面从人、机、环各个方面对进近着陆过程中可能引发重着陆事件的原因进行探索。 4 2 1 飞机稳定进近八大要素 飞机稳定进近的定义是：在仪表气象条件下，到飞机下降至高于接地点l0 0 0 英尺 时为止，所有飞行都应该稳定；在目视气象条件下，到飞机下降至高于接地点5 0 0 英尺 时为止，所有飞行都应该稳定【1 引。 符合下列所有标准的进近被认定为稳定进近： 1 、飞机在正确的飞行航线上； 1 9 中国民航大学硕士学位论文 2 、只需要稍微修改航向或俯仰，就可以保持飞行航路； 3 、飞机速度不高于还v r e f + 2 0 节和不低于v r e f ； 4 、飞机处于正常的着陆形态( 小型双发飞机处于j 下常进近形态) ； 5 、每分钟下降速度最大l0 0 0 英尺，但如果进近需要每分钟下降速度大于l0 0 0 英尺，应该进行特别说明； 6 、发动机工作状态适合飞机形态，不得低于飞行手册中规定的最小进近着陆功率； 7 、所有指令和检查单都己执行； 8 、符合下列条件的特殊类型的进近也被认定为稳定进近： ( 1 ) 仪表着陆系统进近一定要在下滑道或着陆航向信标台一种标志内飞行； ( 2 ) i 类或i i 类进近一定要在延伸的着陆航向信标带内飞行； ( 3 ) 在目视进近中，当飞机下降到高于接地点5 0 0 英尺时，机翼一定要保持 同一水平状态； ( 4 ) 在绕场进近中，当飞机下降到高于接地点3 0 0 英尺时，机翼一定要保持 同一水平状态。 4 2 2 目视错觉对进近的影响 五边目视进近时，驾驶员常本能的根据自己观察到的高度和距跑道头的距离，来判 断飞机是否保持在预定的3 0 下滑道上。习惯于在地形和跑道都不带坡度的机场着陆的 驾驶员，到有坡度的机场时，就很有可能产生错误的判断【l 】。 例如，地形带上坡( 图4 3 ( a ) ) ，如果保持在正常下滑道上，飞行员会觉得高度 太高，因此会不自觉地飞一条较低的下滑线。反之，地形带下坡，错觉会造成实际上目 测过高( 图4 3 伯) ) 。 物 h ( b )【b ) 图4 3 地形坡度引起的错觉图4 4 跑道坡度引起的错觉 如果周围地形是平坦的，但跑道带坡度，也会产生类似错觉。例如跑道带上坡( 图 4 4 ( a ) ) ，参照跑道在正常下滑道上的飞行员会觉得自己高度高，因而会飞出一条更低 地下滑线；反之，跑道带下坡，则会飞一条实际上偏高的下滑线( 图4 4 ( b ) ) 。 当能见度因雾霾、烟尘、眩光或者夜幕等的影响而受到限制时，驾驶员会觉得他的 2 0 中国民航大学硕士学位论文 高度比实际的高，因为阴影或地面的清晰度是深度感觉的一个关键因素。如果缺乏阴影 或地面不清晰，飞行员会认为高度太高，结果常会飞一条比正常下滑道低的飞行轨迹。 例如，在跑道被一浅层烟尘遮挡的情况下，当从仪表飞行转为目视飞行时，驾驶员常会 收小油门，飞到正常下滑道以下，这就很有可能导致提前接地，造成重着陆。 风挡上的湿气和雨水会严重干扰驾驶员的判断，其影响主要有三个方面： ( 1 ) 使目测物体变得模糊，因而会产生上述能见度受到限制时的错觉。 ( 2 ) 棱镜效应，取决于飞机和风挡的设计。风挡上的水层会有不同的波阻，当光线 通过这种厚、薄不均的水层时会产生折射，从而导致高低、左右各式各样的错觉。例如， 若气流作用的结果，造成风挡上的雨水层上厚下薄，这就像一个底朝上的三棱镜，透过 这样的水层看物体，就会觉得物体下移了。对驾驶员而言，这又会形成种高度高的错 觉。 ( 3 ) 由于光的散射，透过风挡上的水层，天地线会变得模糊起来。如果说天是白的 地是黑的，天地线在风挡上成了由白到黑逐渐过渡的一条带，实际天地线应该处在5 0 黑的地方，但人的眼睛却会选择9 0 黑处的一条线作为天地线。这也会使飞行员产生 飞机飞行高度高的错觉。 研究表明，当飞机距跑道头一英里时，这些效应合起来有可能多达2 0 0 英尺以上高 度的错觉，能导致提前30 0 0 到50 0 0 英尺接地。 跑道灯光、宽窄以及对比度等特征也会引起各式各样的错觉。 当灯光暗淡时，会使人觉得远，容易导致目测高；反过来当灯光明亮时，会使人觉 得距离近，造成目测过低。在晴朗的夜空和明亮的跑道灯光下，若驾驶员忽视仪表的交 叉检查，仅靠目视线索，就很有可能提前接地。特别是当机场周围是沙漠和水面，缺乏 地面灯光果，机场灯光就显得特别强，很容易发生上述问题，造成重着陆。 一个习惯了标准机场的飞行员，飞到一个跑道狭窄的机场，同样会产生高、远的错 觉，导致目测低的错误。 跑道的对比度也会影响深度的感觉。例如，雪覆盖的机场，夜间灯光暗淡的机场， 很容易导致目测过高或过低；甚至像黑色丛林包围的沥青跑道，沙漠中阳光照耀下的水 泥跑道，也有类似的问题。 要防止错觉的不利影响，机组在目视进近中，不能只靠目视线索，必须交叉检查升 降速度表等飞行仪表，看对应于经过风速修正的飞行速度( 地速) ，下降率是否合适， 表4 1 就几种斜率的下滑道，给出了地速与下降率( 英尺分钟) 的关系f 1 9 】。 中国民航大学硕士学位论文 表4 1 不同斜率下滑道的地速与f 降率的关系 地速下滑斜度( 度) ( 海里 2 52 7 53 0 03 2 53 5 0 小时) 1 1 04 8 55 3 55 8 56 3 56 8 0 1 2 05 3 05 8 5 6 4 06 9 0 7 4 5 1 3 05 7 56 3 56 9 07 5 08 0 5 1 4 06 2 06 8 0 7 4 58 0 5 8 7 0 1 5 06 6 57 3 08 0 08 6 59 3 0 1 6 07 1 07 8 08 5 09 2 09 9 0 1 7 07 5 08 3 09 0 59 8 0l0 5 0 4 2 3 高原、高温机场飞行 因为喷气发动机的推力是与进气的空气质量成j 下比的，海拔高和气温高都会使进气 的空气质量减小，推力降低；气温高还有另一层影响，那就是空气不容易压缩，发动机 的压力比降低，使得推力随气温升高而降低更为显著。严格地讲，海拔高度和大气温度 变化对飞机的一切性能都有影响，飞行手册中有这些变化的数据【2 0 】。这些变化通常可 以感觉到，但有些则是不易察觉的。例如，海拔和气温高时，上升率减小，飞行员可以 从爬高时间长这点上得到验证；然而气温高时最大平飞速度减小，升限降低，就不易觉 察出来，因为营运飞行通常是在实用包线范围内，没有用到平飞最大速度和实用升限。 在高原机场、高温的条件下起飞和着陆，其影响明显可见，甚至显得起落都很困难。 l 、上升性能 上升性能的重要标志是飞机的上升梯度( 刁) 和上升率( ，) 。它们都取决于飞机剩余 推力的大小，即 叩：t a n s i n 0 ：p - x 。 g ( 4 1 ) 矿，：y s i n 口：y p - x 7 g ( 4 2 ) 式中尸一x = 尸，即飞机的剩余推力，g 为飞机的重力，口为上升角。 剩余推力随海拔高度和气温而变化，海拔和气温都高时，剩余推力会明显地减小。 从飞机阻力上看，在不同的高度上，以相同指示空速( 表速) 平飞，因动压不变，平飞 的迎角不变，阻力( 需用推力) 是不变的。因此，在不同的高度上，以指示空速为横坐 标的需用推力曲线就只有一条( 不计压缩性影响) 。在高原机场气温高时，发动机的推 2 2 中国民航大学硕士学位论文 力受海拔和气温双重影响而明显降低，如图4 - 5 中的点划线所示。这样，剩余推力将降 低，上升梯度和上升率都要减小。 尸 。 图4 5 推力曲线 以拉萨机场( 海拔35 1 0 米)