飞机油耗分析工具设计

陈静杰，肖冠平

（中国民航大学 航空自动化学院，天津300300）

0 引 言

当前，利用飞机快速存储记录装置QAR 数据重建飞机油耗模型、分析和估计燃油效率得到众多学者的关注。QAR 数据包含了大量与飞机油耗密切相关的高度、速度、起飞重量、发动机工作状态等参数，每个参数又有大量的数据，这些数据为飞机油耗模型分析提供了良好的基础［1－3］。

现有QAR 数据应用系统主要用于飞机故障预测［4］、超限事件评估［5］和发动机监控［6］方面，在飞机油耗分析方面的应用相对较少。针对这种需求，经过深入分析和优选，本文提出利用QAR 数据基于Matlab GUI设计并实现飞机油耗分析工具。该工具可以为飞机油耗分析提供人机交互的操作环境，并实现QAR 数据的保存和管理。文章最后通过实例概要阐明了分析工具的使用步骤。

1 分析工具总体设计

1.1 系统功能需求分析

在利用QAR 数据进行飞机油耗分析时往往要对一定规模的QAR 数据进行处理，因此有必要设计与建立QAR 数据仓库。只有建立了QAR 数据仓库，才能方便的根据分析需求对QAR 数据进行不同条件的查询和筛选，以便对不同条件下的飞行油耗进行统计回归分析以及为建立油耗模型提供数据来源的样本筛选。

在进行QAR 数据仓库设计前，首先要根据分析需求考虑油耗分析中用到的各项参数，以及数据仓库的设计对以后分析工具功能扩展是否方便等因素，然后再进行数据仓库建模。

数据仓库数据来源于QAR 文件 （以CSV 格式存储）。文件的读取应能实现单个或批量读取。QAR 文件读取后根据分析需要对数据进行预处理，比如从QAR 文件中提取航段信息、起飞重量、起飞日期、起飞时间等参数，以及对飞行阶段划分为上升、巡航和下降3个阶段，然后分别计算3个阶段的飞行距离和油耗，并且计算全程的飞行距离和油耗等。

考虑到数据存储的完整性和可靠性，还必须进行用户权限设计，赋予不同用户类型不同的使用权限。同时，工具设计还应该考虑远程计算机终端可以通过网络对数据进行访问。

因此，系统功能主要包括：①文件的读取和处理；②QAR 数据的存储和管理；③油耗分析和油耗建模样本筛选。此外还包括用户权限管理和远程访问机制。

1.2 系统框架设计

根据飞机油耗分析工具的功能需求，系统框架结构可以分为：数据管理模块、输入／输出模块、油耗分析模块和权限管理模块，系统框架如图1所示。

图1 系统框架结构

数据管理模块用于QAR 历史数据库的管理、数据的查询和筛选。输入模块主要完成QAR 文件的读取，读取过程中自动校验文件的完整性，剔除错误文件，读取完成后进行飞行阶段划分、油耗和距离计算等数据预处理。油耗分析模块用于计算并估计在某个显著水平条件下固定机型固定航段油耗标准、置信区间和其它统计回归分析，进行多航班的参数曲线对比。

输出模块主要用于展示各类飞行参数曲线，显示数值计算结果，以及分析报告和油耗建模所需样本参数的导出。权限管理模块通过不同的用户类型实现对各模块功能的使用限制，保证数据的可靠性和完整性。

2 分析工具实现

飞机油耗分析工具在Matlab GUI开发环境下设计实现。QAR 数据中油耗和距离等参数的处理分析需要运用大量的矩阵运算，借鉴Matlab内置函数进行算法设计大大加快了工具的开发速度［7］。此外，Matlab GUI开发环境可以便捷地创建各种图形句柄对象，建立分析工具友好的用户界面。

2.1 飞行阶段划分算法设计

在进行飞机油耗建模分析时需要对飞行阶段进行上升段、巡航段和下降段3个阶段的识别，以便有针对性的计算各个飞行阶段的距离和燃油消耗以及对各个阶段进行油耗模型分析。为此，对飞行阶段的划分进行了算法设计，利用QAR 数据中飞行高度参数alt、马赫数mach 和垂直速度ivv 这3个参数的相关判断对飞行中的3个阶段进行识别：

侗族，1985年生于广西三江侗族自治县。2009年毕业于广西艺术学院油画第一工作室。结业于中国美术家协会、中央民族大学第四届西部少数民族青年美术家创作高研班，第五届西部少数民族青年美术家创作精品班，第六届全国青年美展创作班。中国美术家协会会员、广西美术家协会会员。2015年受聘为国家民族画院画家。获2016年国家艺术基金资助青年艺术人才、2018年国家艺术基金优秀项目滚动资助作品。多次参加省级、国家级展览并获奖，作品被中国美术馆、国家艺术基金、广西壮族自治区政府、吴冠中艺术馆、江苏美术馆、苏州美术馆、陕西美术博物馆、武狄天成艺术馆、中国—东盟榜样美术馆等机构收藏。

步骤1 从飞行高度参数alt 中寻找最大高度数值altmax，再从alt中选取超过（altmax－h）数值的所有数据点altsel（h根据altmax的不同视情选取，通常取2000～3000英尺），同时依据altsel的起点和终点对应从马赫数mach 参数和垂直速度ivv 参数中选取machsel、ivvsel。

步骤2 由于飞机在巡航阶段飞行马赫数会稳定在某个范围内，从machsel中选取超过MACH 的所有数据点machsel1（MACH 根据不同的altmax和实际经验进行选取），同时依据machsel1的起点和终点对应从垂直速度ivvsel中选取ivvsel1。

步骤3 飞机在巡航阶段垂直速度ivv 参数将在ivvl～ivvh范围内波动 （通常为 ［－100，＋100］英尺／分钟），依据这个从垂直速度ivvsel1数据点中确定进入巡航段的起点begin＿point和离开巡航段的终点end＿point。

2.2 油耗和距离算法设计

飞机油耗计算利用QAR 数据中发动机的燃油流量参数ff（fuel flow），单位为PPH （磅／小时）。发动机燃油流量采样以秒为间隔，对燃油流量按时间t进行积分运算，即可算出航段油耗［8］。计算公式为

式中：tf——发动机从启动到关机的时间，ff1、ff2——双发飞机左右发动机的燃油流量。利用飞行阶段划分算法中求出的巡航段起点和终点分别对各个飞行阶段进行燃油流量积分运算，从而求出上升段、巡航段和下降段3个飞行阶段的油耗。

飞行距离的计算是通过WGS－84坐标系下的大圆距离算法实现的。地面上任意两点与地球球心确定唯一的大圆，这个大圆上连接这两点的劣弧长度就是大圆距离。计算大圆距离的方式是利用地面上任意两点的经纬度，将经纬度数据转化为球面坐标系坐标，求出两点间的直线距离，然后利用地球半径求出两点连接地球球心的夹角，进而求出劣弧长度即大圆距离。

实际飞行距离的计算则是利用QAR 数据中经纬度参数，求出每秒间大圆距离，然后进行累加。各个阶段的飞行距离利用飞行阶段划分算法中求出的巡航段起点和终点分别计算得到。

2.3 用户权限模块设计

设计思路是通过用户登录界面进行分析工具的登录操作，将用户输入的用户名、密码与用户表中存储的用户信息进行比较，输入的用户名和密码检验一致后，根据用户的类型对工具中涉及到数据管理的某些功能进行开放或屏蔽，这样就保证了数据的安全和完整。

用户信息的比对是通过访问数据仓库中的用户信息实现的，但远程计算机有可能因网络故障无法连接数据仓库，这时需要设计一个本地账号用于登录分析工具。本地账号只能在网络无法连接的情况下使用。本地账号所能使用的软件功能是最受限的。

2.4 用户界面实现

分析工具的用户界面通过Matlab GUI界面编辑器设计，利用界面编辑器可以快速、便捷地绘制所见即所得的用户界面［9］。通过在界面编辑器上点击面板、按钮、坐标轴、文本框、滑动条等基本控件并将这些控件拖拽到布局区域，界面布局完成后运行界面编辑器，将会自动生成包含MATLAB函数用于控制界面运行的可编程m 文件。该m 文件提供界面初始化所需的代码以及控件回调函数callbacks框架，通过在控件的回调函数中编写代码实现界面所要执行的功能。

3 数据仓库建模

QAR 数据仓库建模是构建数据仓库的重要组成部分，是数据仓库构造开始的第一步［10］。通过深入分析QAR 数据特点，根据飞机油耗分析方面所关心的问题，考虑到提高查询性能以及便于实现不同条件的查询，来进行QAR 数据仓库建模。

一个航段对应多个QAR 文件，对于QAR 文件，其记录的飞机注册号可能不同，飞行日期可能不同，但航段信息都是一致的，因此航段信息应单独建立一个表，设计见表1。

表1 航段信息

距离信息表和油耗信息表用于存储QAR 数据预处理后的距离和油耗信息，距离信息表和油耗信息表的唯一标识码是文件名，设计见表2、表3。

表2 距离信息

表3 油耗信息

除此之外建立航班信息表用于存储起飞日期、起飞重量等信息，设计见表4。

表4 航班信息

QAR 文件有多个参数，每个参数都有数千到数万个数据，通过将数据文件存储表拆分为多个，能提高数据仓库的访问效率，设计见表5。

表5 QAR 文件信息

为了进行用户权限管理，存储用户信息，还要建立用户表。

4 实例介绍

分析人员使用管理员提供的帐号登录飞机油耗分析工具软件，用户登录界面如图2所示。

登录后看到的是QAR 文件处理界面，如图3所示，该界面处理的是QAR 文件。此界面主要功能区域有菜单区、数据处理区、信息显示区、距离计算区、油耗计算区和绘制曲线区。用户通过 “导入QAR 文件”按钮导入QAR 文件，导入完成后会在各功能区域上显示文件名、飞机注册号、航段、起飞机场、到达机场、飞行距离以及燃油消耗等信息，还可进行QAR 数据部分参数曲线图形绘制。点击“保存计算结果”按钮可以将计算结果保存到文件或数据仓库。

图2 用户登录界面

图3 QAR 文件处理界面

图4 油耗分析界面

点击菜单区的 “工作方式”菜单选择 “油耗分析”菜单项，进入油耗分析界面，如图4所示，该界面处理的是来自QAR 数据仓库的数据。此界面的主要功能区域有菜单区、数据查询区、文件列表区、信息查看区、绘图分析区、统计特性区、数据导出区以及航段管理和用户管理功能区域。在此界面下可进行QAR 数据的查询和管理，参数曲线分析、油耗统计回归分析、油耗建模样本参数导出、航段管理和用户管理等操作。

航段管理界面如图5所示，分析人员可以查看QAR 数据仓库中的所有航段信息。

图5 航段管理界面

5 结束语

本文设计并实现了一个利用QAR 数据进行飞机油耗分析的工具软件。本文首先分析了该工具软件的功能需求并根据功能需求阐述了其系统框架结构设计。文中着重介绍了飞行阶段划分算法设计、飞行油耗和距离算法设计、用户权限管理设计和界面设计的开发思路。该工具软件具有良好的实用性和交互性，在课题项目的实际应用中，为利用QAR 数据进行飞机油耗分析提供了有力的帮助。在今后的工作中，将进一步增强分析工具油耗模型的构建能力，并通过分析自动给出相关节油策略。

［1］Kim BY，Fleming GG，Lee JJ，et al.System for assessing aviation’s global emissions （SAGE），Part 1：Model description and inventory results ［J］.Transportation Research Part D：Transport and Environment，2007，12 （5）：325－346.

［2］Egenhofer C.The making of the EU emissions trading scheme：Status，prospects and implications for business［J］.European Management Journal，2007，25 （6）：453－463.

［3］LIU Jing.The aircraft fuel estimation model based on flight data analysis ［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010 （in Chinese）. ［刘婧.基于飞行数据分析的飞机燃油估计模型 ［D］.南京：南京航空航天大学，2010.］

［4］QING Liyong.Research on airplane fault prognosis and diagnosis system based on flight data［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007 （in Chinese）.［卿立勇.基于飞行数据的飞机故障预测与故障诊断系统研究［D］.南京：南京航空航天大学，2007.］

［5］WANG Tianming.Research of flight safety model based on QAR ［D］.Tianjin：Civil Aviation University of China，2008（in Chinese）.［王天明.基于QAR 数据的飞行安全模型研究［D］.天津：中国民航大学，2008.］

［6］ZHOU Baizheng.Design and implementation of qar data processing system ［D］.Tianjin：Civil Aviation University of China，2009 （in Chinese）.［周百政.QAR 数据处理系统的设计与实现 ［D］.天津：中国民航大学，2009.］

［7］CAO Yuru，ZHENG Jiming.Image compression and its completed based on toolbox of Matlab ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （12）：2998－3000 （in Chinese）.［曹玉茹，郑戟明.基于Matlab的图像压缩实现 ［J］.计算机工程与设计，2009，30 （12）：2998－3000.］

［8］CHEN Jingjie，ZOU Yinghuan.Simulation for significant impact parameter extraction method in fuel consumption estimation［J］.Computer Simulation，2013，30 （6）：55－58 （in Chinese）.［陈静杰，邹迎欢.油耗预测中显著影响参数提取方法的仿真 ［J］.计算机仿真，2013，30 （6）：55－58.］

［9］WANG Yulin，GE Lei，LI Yanbin.New－style interface development tool： MATLAB／GUI ［J］.Radio Communication Technology，2008，34 （6）：50－52 （in Chinese）. ［王玉林，葛蕾，李艳斌.新型界面开发工具：MATLAB／GUI［J］.无线电通信技术，2008，34 （6）：50－52.］

［10］DOU Hongxia，YANG Hui，LIANG Lingjun.Realization of the QAR data warehouse based on SQL server［J］.Aviation Maintenance and Engineering，2013 （2）：64－67 （in Chinese）.［窦红霞，杨慧，梁领军.基于SQLServer的QAR 数据仓库实现 ［J］.航空维修与工程，2013 （2）：64－67.］