基于飞行数据的航空自动化信息处理系统的设计分析

马晓

（西安航空职业技术学院陕西西安710089）

近些年，随着微处理器、总线等技术的发展，多处理器技术得以广泛用于控制领域。西方发达国家的航空管理工作已经开始一场新的革命，这次革命主要在于依托无线网络、互联网等技术，进一步带动航空整体管理水平的提升。如今，国内在飞行检测、维修等领域与国外发达国家相比，依然存在一定的差距。为达到国内飞行维修、管理等方面的需求，国内学者开始运用嵌入式系统、物联网技术等新型技术，开展相应的航空自动化信息管理系统的研究工作。基于此，如何运用已有技术构造具有良好优越性的新一代航空自动化信息处理系统，也是相关研究人员所面临的重要任务。文中根据飞行工作实际需求及相应的飞行数据，开发一种用于航空领域的自动化信息处理系统，以此提升飞行信息监测质量和处理能力。本文所设计航空自动化信息处理系统以计算机为核心内容，以实现自动化管理作战指挥为主要目的，把指挥、通信、情感等信息有机结合起来，更好地提升飞行信息航空管理水平。

1 飞行数据分析

随着国内航空事业的快速发展，飞行流量增长速度明显增快，这种情况促使我国民航空域日趋紧张。因此，如何在确保飞行安全的基础上，有效缩小飞行之间的间隔、提升空域利用效率、实现流量管理，方可满足当前及未来可以预期流量管理的实际需求。近些年，由于民航领域大力开展空管体制改革工作，为创建一体化的管理机制营造良好的环境，并加大技术装备的改造力度，成为航空领域大区域流量管理做好充足的准备工作。基于这种环境下，飞行数据和计划实施集中处理，也是航空领域重点关注的内容。尤其在飞行量快速增长的今天，对飞行数据和计划实施统一的管理，不仅有助于更好地运用有限空域，创建恰当的空中交通管理模式尤为重要。而依据飞行数据设计相应的航空自动化信息处理系统，该系统主要功能在于完成航空电报处理、生成详细的飞行计划、飞行航迹计算、进程单管理等。在设计的航空自动化信息处理系统中，对于飞行数据的处理主要表现在以下方面：1）对相应的电报进行接收和解析处理，基于此，把接收的原始报文解析成为分组报文，发送给相应的子系统实施进一步处理。2）对电报实施解析分组时，若发现存在格式错误，或者系统缺少与之对应的基础资料，会给出相应的错报、资料缺漏的提示。长时间并未接受到电报，或所接受的电报流水号并不连续，也会发出相应的告警提示。3）运用技术及管理手段确保飞行安全作为航工业最基本的共识，航空安全设计飞机、维护保障、运行等环节，是一个比较复杂的工程。依托飞行数据为基础对飞机飞行状态实施监控，确保飞机处于安全运行状态。系统安装运行以后，通过不断地调试，系统处于正常工作状态，可以满足预期功能需求。

2 系统主要组成

依托飞行数据设计的航空自动化信息处理系统，运用手持式快速卸载器把相应的数据下载至存储介质CF卡内，其他各个子系统顺利完成对各层次数据的分析及处理，最终获得与飞机状态相关的信息报表[1]-[2]。本文所设计的系统具有较好的自动化程度、强大的信息处理能力，其主要组成如图1所示。由物理结构角度分析，系统包含软件、硬件这两个模块，其中，硬件模块包含手持式通用快速卸载器、便携式辅助维修系统，旨在完成飞行数据的下载、保存处理，以及依据飞行数据进一步预测、评估故障[3]。软件模块主要包含飞行成绩评估、飞机状态监控等子系统，用于完成显示飞行数据、快速通报飞行事件等[4]。不同子系统之间保持一定的独立性，且根据飞行数据把彼此密切结合起来，组成有机的整体。

图1 航空自动化信息处理系统结构简图

3 系统各子系统的设计

3.1 配置手持式通用卸载器

这种卸载器也是运用先进的嵌入式技术开发完成，主要作用在于实现下载、保存等功能。这个设备主要包含软、硬件两个部分组合而成。其中，软件依托DOS操作平台研发出来的应用程序，包含用户交互软件、数据卸载软件、硬件驱动程序等。硬件主要组成部分包含矩阵键盘管理系统、Smart Core小系统等。其中，Smart Core小系统作为系统硬件的核心内容，也是手持式卸载设备的大脑（CPU），它采用DL公司提出的Smart Core模块为主要内容，配合与之对应的扩展电路组合起来[5-6]。该系统也在一定程度上扩展数据存储卡、ISA总线接口及标准串口（2个）等。矩阵键盘管理系统包括外围电路、89C51单片机等部分，旨在做好矩阵键盘管理工作，并把矩阵键盘转变成为PC机标准下的PS2格式。

对系统展开集成测试可知，电路交叉连接会出现相应的空间辐射或者外接电源干扰等问题。为确保所设计系统的可靠性及稳定性，运用下列干扰技术顺利实现：1）综合屏蔽技术能有效减少电磁波带来的辐射干扰，如：壳体运用进口的铝材，并对其表面实施导电阳极化处理，有效减轻元器件之间的辐射干扰[7]。2）一点接地技术选取壳体作为接地点，以此当做系统的参考点，顺利与飞机壳体实现连接，其他电路接地点也要与该点实施连接。3）软件抗干扰技术运用数字滤波、标志判断等方法提升系统的稳定性，有效消除程序存在的死机、弹飞等问题[8]。飞行数据下载完成以后，通过文件方法保存在与之对应的飞机型号目录之下。这种情况下，CF卡则成为飞机数据重要的信息载体及其与各子系统的数据源。

3.2 飞机状态监控子系统

该系统依托飞行数据，并对所收集的数据实施建模处理，通过预测分析飞行数据，从而全面检测飞机健康情况。由于飞行数据隶属于多状态的时域数据，如果采用飞机参数记录器所提供的飞行数据直接实施趋势监控处理，其具有工作量大、模型复杂等特点，无法全面展示飞机整体性能的时域性，也无法展现飞机性能的统计信息[9-10]。基于此，全面收集、筛选飞机处于稳定状态及飞行特定时段下的飞行数据，归纳并对能够反映飞机不同子系统的性能参数实施归纳、统计分析。飞机处在稳定的工作状态，主要由以下两个方面进行理解：1）对应飞机发动机所处工作状态，例如：慢车、最大运行状态等；2）满足一定筛选条件下的确定状态，例如：飞机处在直流27 V最大状态等，以此为基础，创建飞行数据AR模型，进一步预测飞行参数，进而使用阀值对比法完成监控各项参数的目的[11]。

3.3 飞行成绩评估子系统

这个子系统依托自动识别飞行动作，能够快速通报这次飞行操作中完成飞行动作的名称、数量等信息，并以此为基础，自动评估一架飞机的飞行成绩。进行飞行成绩评估过程中，采用单值对应方法创建动作名称与数据相对应的关系，其优势在于飞行动作检索比较方便，有利于明确与相关动作数据的对应关系。实施成绩评估时，先要依据动作名称表分别检索飞行动作库，为有效提升检索效率，一次性把检索所得与动作相关的字段放置内存中，并通过已经检测的其他字段明确划分判断条件。

图2 飞行成绩评估操作流程

除此以外，这个子系统运用模糊方式对生物神经元实施建模处理，并采用模糊神经元当做处理信息最基本的单元，运用ART模型匹配-共振原理，以此对神经元信号展开编码处理建立模糊综合映射网络。除此以外，依托这个网络进一步识别飞行参数，并实施编码处理，以此准确识别飞机飞行动作及情况。所建立的模糊神经元模型如图3所示。其中，X所输入的信息为飞行特征向量；Wij表示对应权值；MFij代表所对应的隶属度函数；Yi表明输出与之对应的飞行动作模式。

图3 建立的模糊神经网络模型

3.4 飞行数据地面综合处理子系统

该系统主要功能在于实现飞行数据的编码及再现处理，并以此为基础，运用模糊专家系统玄素通报相应的飞行事件。这个系统具体功能如下：1）把飞行原始或者规定的数据文件由某一介质内录入至地面站系统之内，并将其转换为地面站格式文件。2）依托模糊专家系统内的推理机制，对飞行数据展开快速的分析，获取与之相应的飞行事件报告，如：飞机设备故障信息、飞行状态；使用限制等[12]。此外，也可以迅速统计飞行槽中每一个参数极值状态，并详细记录出现极值的具体事件。同时，可依托虚拟仪表技术能够再次模拟飞行过程，主要包含飞行过程二维或三维航迹显示、显示飞机仪表状态模拟信息等[13]。除此以外，系统会提供对文件进行管理的工具，以此减少繁杂的人工操作，有效提升工作效率。对飞行状态进行模拟处理中，可利用速度积分的方式明确飞机二维平面位置，但因记录误差及积分算法对误差放大产生的影响。具体运用过程中，遭受一定的限制。可以结合某些机型实际状况，提出依托RBF神经网络信息融合方式，其主要做法在于运用飞行运动学方程求解信息，对RBF神经网络预测值实施校正处理，模拟出来的飞行两级信息模型见图4。其中，v、ψ分别表示地速、航向角；λ、φ代表飞对应时刻具体的经、纬度采集值；Δλ、Δφ依次表示经度、纬度单位时间内的变化数值；θ表示俯仰角；nz为法向过载。

3.5 设计便携式辅助维修子系统

在飞机进行维修操作中，不管检修人员处在何种工作状态，均要快捷地与PC机或其他服务器设备实施通信，以此获取相应的数据、图像、文本等信息，从而完成实时交流[14-15]。这个子系统面向机务维修工作一线，运用ARM嵌入式开发技术与数据库技术结合起来，内部设置航空机务维修电子文档及飞机故障历史信息。同时，利用故障树判定方式自动评估故障，进一步提出相应的解决方案，为地面维护工作者提供准确、技术的数据支持，便于准确、及时掌控飞机运行状态[16]。该子系统包含软件、硬件设计两方面的内容，其中，硬件主要由可穿戴、手持这两个部分组成，如图5所示。同时，便携式辅助维修系统应该具备良好的人机交互功能，维修工作者可实时查看各类数据信息，因此，它要求提供更直观的显示功能。在部分特殊应用场合，维修人员必须技术对数据展开处理。因此，这个子系统要提供输入交互接口，如：挑选简单的功能按键、触摸屏输入方法。此外，使用者在实际工作中必须解放双手，以至于不可把大量的注意力转移至键盘及显示屏上，尽可能增设语音菜单控制功能，依托音频设备实现输入输出控制功能。

图4 用来模拟飞行创建的两级信息融合模型

图5 便携式辅助维修子系统硬件构成图

4 结 论

综上所述，自动化信息处理系统在空中交通领域发挥着重要的作用，该系统的运用不仅能提升装备远程维修技术水平，也可以有效缩短故障诊断时间、节省大量的能源，这满足我国可持续发展战略顺利实现的具体要求。本次研究从飞行数据入手，进一步阐述航空自动化信息处理系统总体结构，并详细介绍各个子系统设计情况，以期提升航空领域管理水平。