基于参数化的直升机试飞任务管理系统设计与实现

虞汉文，顾文标，黄 磊，叶新苗，李 凯

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001； 2.北京索为系统技术股份有限公司，北京 100098)

0 引言

军用直升机从设计到定型需要经历漫长的试飞过程,按阶段可分为地面开车试验、科研调整试飞、性能鉴定试飞、作战试验及在役考核等不同性质的试飞；民用直升机试飞过程基本类似，包括地面开车试验、科研调整试飞、取证试飞、局方审定试飞及功能可靠性试飞，不同阶段试飞考核的重点存在差异。直升机试飞具有任务复杂、综合性强、信息量大、周期长、风险性高的特点。作为一项系统工程，一方面，试飞工作的涉及面十分广，并且试飞还具有多型号、多样机、多任务、异地交叉与并行的特点，试飞任务管理涉及的任务策划、组织实施、信息处理、技术分析、飞行安全保障等各个环节的好坏均直接影响到试飞的最终效果。所有这些对试飞任务精细化管理的需求已是日益迫切。

为了适应未来直升机型号技术大发展对试飞任务管理的需求，实现试飞任务综合管理水平质的飞跃，充分发挥智能化、信息化在直升机型号试飞任务管理中的作用，现提出基于参数化的直升机试飞任务闭环控制系统，以实现试飞任务精细策划、设计、执行与管控，以及试飞业务全过程的技术支撑、状态管控和信息共享，从而提升试飞效率，促进试飞安全。

1 试飞任务管理系统需求分析

1.1 试飞任务管理现状

目前的试飞任务管理是从试飞大纲开始，试飞主管将试飞大纲的科目组合、编排成执行程序文件及试飞任务单，根据试飞进展和直升机状态等条件按一定次序(并动态调整)进行试飞实施。试飞任务管理的主要流程包括：任务策划、试飞实施流程、试飞评估、飞行安全保障流程等，合理的试飞任务管理能够提升试飞效率，一定程度上降低试飞风险。

新研直升机试飞周期长达数年，试飞科目繁多，飞行架次达5000以上，试飞任务管理常常涉及不同单位、异地、多架试验样机交叉等复杂情况，任务管理难度较大，目前直升机试飞管理在试飞任务的策划、组织实施、信息管理等方面存在以下缺点：

1) 型号前期参与着力不够，在型号立项阶段对试飞重点、难点把握不准，存在研制周期延长，经费增加的情况；

2) 试飞细节规划能力较差，虽然试飞科目、内容及周期等全局性规划具有丰富经验，但在具体科目执行条件把控、不同试验样机试飞内容策划、衔接等细节方面能力欠缺；

3) 信息管理手段落后，目前信息管理依赖人员记录、传递，存在信息偏差、丢失的情况，在试飞后期由于试飞进度快速推进，容易出现由于信息管理原因导致的重复试飞，影响型号研制进程；

4) 智能手段缺乏，无法充分适应多机、异地、分阶段试飞的实施需要；

5) 试飞针对性需进一步提升，存在重复试飞现象，部分影响试飞效率；

6) 试飞知识显性化不够，试飞任务执行是否顺畅比较依赖试飞主管的个人能力；

7) 目前的流程无法确保直升机设计师系统精确地控制试飞进展情况。

目前各型号的试飞流程模式，更多的是依靠老型号的流程经验或个人的经验，为试飞的规范化管理带来了一定难度，因此，在总结历史经验和教训的基础上，形成规范、统一化的试飞工作流程，并在型号的研制过程对这些流程通过不断的迭代进行优化和再造势在必行。

1.2 系统建设目标

为了适应未来直升机型号技术大发展对试飞任务管理的需求，实现试飞任务精细策划、设计、执行与管控，以及试飞业务全过程的技术支撑、状态管控和信息共享，从而提升试飞效率，促进试飞安全，本系统将实现试飞项目整个生命周期的流程化管理，集成大量的历史经验、方法和总结、分析结果，同时设计开放性的接口，实现对当前各试飞策划、组织实施过程中的关键节点、内容、存在问题和使用方法等信息的全程跟踪、记录和优化，实现试飞方法的不断充实和完善，提高试飞计划的合理性和实施效率。具体目标如下：

1) 构建直升机试飞任务精细策划、设计、执行与管控，以及试飞全过程状态管控、信息共享的试飞任务策划平台，满足直升机所的直升机自主研制、创新设计对试飞的需求。

2) 构建智慧型试飞技术支撑系统，包括试飞专业知识库、问题经验库、试飞支撑库、试飞流程库等，为试飞任务策划、风险控制等试飞任务控制应用提供技术支撑，并实现经验方法的不断总结和积累。

3) 构建符合系统工程MBSE和AOS要求的统一试飞工作平台，不仅是试飞工作的实际需要，也符合航空工业集团的信息化发展趋势，能够与直升机所信息化整体规划相匹配。

4) 具备一定的智能化，自动化生成试飞程序文件，结构化直升机性能及限制数据，能够智能识别是否超限，从而提升试飞安全。

5) 实现精细化流程管理，提升试飞资源合理配置和试飞受控程度，并能够一定程度地降低试飞风险。

6) 通过制度或规范使隐性知识显性化，快速实现优秀方式、方法的复制。

7) 支持最大用户数500人，最大并发处理用户数100人的情况下，页面访问时间不超过3秒；支持定期备份，在系统崩溃的情况下，可以在24小时内通过备份进行恢复。

8) 满足直升机所对试飞任务管理的多任务、异地并行以及多角色的基本要求，

2 设计思路及软件架构

2.1 参数化管理系统设计思路

围绕本系统之提升试飞效率，促进试飞安全和知识工程三大建设目标，梳理直升机试飞任务管理主要工作流程(流程示意图见图1)。

图1 试飞任务管理主要工作流程

1) 根据直升机适航规章、国军标等规定，从气动结构、飞行品质、功能系统、综合航电系统、武器系统、综合后勤保障等方面建立试飞项目库，包括验证条款、试飞项目、条件要求、试飞内容与方法、数据采集与处理、试飞判据、风险控制和注意事项等。

2) 结构化试飞大纲：依据试飞需求平台结构化试飞大纲，将大纲中的科目根据直升机专业如飞行性能、飞行品质、载荷及航电等专业进行条目化，并与试飞项目库一一影射。

3) 生成试飞状态点矩阵：根据不同的试验条件以及直升机姿态、速度、高度等信息形成试验状态点矩阵，依据试验状态点矩阵生成试飞任务单，并生成试飞任务控制表。

4) 试飞实施情况记录：试飞主管根据试飞现场条件、直升机状态情况进行试飞实施。

5) 试飞结果反馈：试飞主管及设计主管及时对试飞实施情况评估，并将试飞结果数据反馈给设计师系统，并更新试飞任务控制表。

6) 根据试飞技术问题来源，建立问题处理流程管理机制，确保试飞过程中出现的技术问题能够及时归零。

试飞任务管理系统软件的设计思想就是以实现图1所示的工作流程为核心，以数据库为中心，不同的型号对应不同的试飞任务，采用标准化的人机界面输入驱动流程。本系统的重点和难点工作包括四个方面：一是试飞项目库的建立和维护，由于国军标和适航条款繁多，将这些条款进行条目化并形成数据库是一个漫长并且繁琐的过程，软件设计难点在系统人机界面的设计和效率；二是为提升安全，要将试飞任务单的数据与型号限制数据比对，如何实现；三是成千上万个试飞科目如何快速生成试飞任务单并有效管控；四是直升机试飞项目、条件、试飞方法及判据极其繁多，如何条目化和管理。

基于参数的试飞任务管理软件，其设计思想突破了无法详细定义的直升机状态、试飞条件、试飞内容与方法的具体形式，采用参数化语言形式，能够将所要管理的科目与所需要的试飞条件建立对应关系，在执行某一个具体科目时就可以通过软件自动调用相应的限制数据完成安全检测。本系统从三个方面进行参数定义：一是对直升机构型、限制数据及图表参数化；二是试飞内容与试飞方法参数化；三是试飞评判准则和试飞数据处理结果参数化，为下一步试飞实施提供依据。

2.2 软件构架设计

本系统采用B/S架构，包括试飞业务模型、试飞技术支持系统、试飞任务管理系统等不同模块，各模块间关系见图2。试飞任务管理系统基于试飞业务模型，构建型号试飞WBS结构，基于型号试飞WBS，实现试飞任务的策划和执行监控。

试飞任务管理系统是试飞平台的核心工作模块，其他模块均为该模块提供支持。

在试飞管理系统中，任务是由任务模型实例化产生，任务分解完成后，自动将实际任务与任务模型节点相关联。

试飞技术支撑系统基于任务模型，提供相应输入接口，在任务执行过程中进行知识推送，并自动积累任务中回归的知识。

试飞工程数据库基于与任务模型关联的数据模型自动构建数据空间，在任务过程中产生的中间数据存储在试飞工程数据库。

用户通过个人工作台获取在试飞任务策划系统所有关于自己的任务相关信息，并进行任务的接受、提交、审签等操作。

信息动态根据试飞任务策划系统数据显示当前用户的任务相关信息。

图2 模块间关系

通过构建结构化试飞数据模型和试飞任务模型，实现自动、动态的任务指派和柔性试飞流程构建；执行过程中，基于模型关联主动推送任务相关的知识、工具/模块和上游数据，便捷开展工作；工作完成且通过审批后，基于模型管理自动提交输出数据到试飞数据中心，同时将任务的15要素内容自动回归知识库，自完善任务模型和数据模型，供后续型号的同样试飞任务应用。典型试飞知识推送及回归流程见图3。

图3 知识自动回归

试飞任务系统的平台模块主要通过B/S架构实现。B/S可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零安装、零维护，系统的扩展非常容易。AJAX技术的应用使得部分处理在客户端电脑上进行，从而大大地减轻了服务器的负担，并增加了交互性，能进行局部实时刷新。

试飞任务系统需要数据进行支撑，采用ORACLE数据库。ORACLE数据库系统是美国ORACLE公司(甲骨文)提供的以分布式数据库为核心的一组软件产品，是目前最流行的B/S体系结构数据库之一。ORACLE数据库是目前世界上使用最为广泛的数据库管理系统，作为一个通用的数据库系统，它具有完整的数据管理功能；作为一个关系数据库，它是一个完备关系的产品；作为分布式数据库，它实现了分布式处理功能。试飞任务系统数据库服务端采用当前所内的ORACLE数据库集群。

2.3 主要模块及功能

2.3.1 数据库

本系统数据库包括3部分内容：试飞项目库、试飞知识库及型号试飞执行过程产生的文件。数据库管理系统提供多功能查询和演示手段，作为管理、学习和经验借鉴的平台，提高专业技术人员对需求合理性的判断水平，逐步具备建议或指导需求优化的能力。

鉴定或定型试飞验证的项目、条件和要求基本是确定的，比如说对不可超越速度、最高使用高度、限制过载、低温、高度、动力学(地面共振、空中共振、颤振和发散)等条款的验证，建立此类专项验证信息的数据管理系统，有助于对取证条款进行符合性检查，避免验证条款的遗漏，并有针对性地掌握验证是否到位的情况，针对风险科目制定相应的风险控制策略。

试飞知识库以学习维度展示试飞技术支撑系统各知识库知识，知识获取是把任务流程、各类文本资料、模型等通过一定过程采集入库的过程。基本功能包括知识新增、文本抽取和知识审批等。

2.3.2 支撑系统

本系统以数据库为核心，但包括必要的界面设计供人机交互、核心算法及流程实现数据的管理及存贮，即试飞技术支撑系统。试飞技术支撑系统通过任务维度向试飞任务策划系统推送知识，任务中产生的知识自动回归试飞技术支撑系统，并关联任务模型。

在试飞任务系统中，将流程中各节点分解为任务和数据，建立任务模型与数据模型。任务模型是一系列任务节点的多层结构。任务节点能够根据AOS规范，关联输入数据、标准规范等知识或要求。数据模型是一系列任务产出数据的多层结构。数据模型节点表示一类数据合集，等价于一个数据存储空间。任务模型节点与节点间不存在直接关系，而是通过数据模型进行关联，即任务间的上下游关系是数据关系，通过数据的产生和使用确定。

在进行任务分解时，通过选择任务模型节点的方式建立任务。建立的任务能够获取关联的任务节点的数据传递关系。平台根据数据传递关系，动态构建流程。

3 关键技术或创新点

3.1 试飞项目库

建立试飞项目库是本系统的主要创新之一。将看似杂乱无章的军用直升机鉴定、定型试飞或民用直升机适航验证的项目进行模块化，并进行梳理，将试飞项目按验证条款、试飞条件、试飞方法、数据处理方法、试飞风险控制及注意事项进行条目化，并按军、民机进行分类，形成试飞项目库。这是大纲科目条目化形成飞行试验点阵的基础，并且这个库是实时更新的。

试飞项目库有助于对取证条款进行符合性检查，避免验证条款的遗漏，并有针对性地掌握验证是否到位的情况，针对风险科目制定相应的风险控制策略。试飞科目库主要由资深专家和主管负责，具备很好的知识传承作用。

试飞大纲中的课目只能够在试飞科目选择，因此试飞科目库属于动态建设内容。

3.2 试验样机参数化建模

试验样机涵盖变量繁多，其状态本身处于动态变更，将试验样机进行参数化建模是关系到本系统正常运转的关键，试验样机参数化建模内容主要包括几个方面：

1) 直升机构型：在科研试飞阶段，直升机平台或各系统的技术状态经常处于变化中，特别是航电、武器系统，它们组成比较复杂，在研制阶段出现问题和故障的频率较高，为了完善设计或排故，技术状态的更改十分频繁。

2) 各系统或成品状态及限制：S件或D件、装机或者缺损。

3) 直升机限制数据：包括起飞重量限制、重心限制、速度限制或者过载限制等。

4) 直升机性能曲线：手册中的各种性能曲线，直升机基本性能数据。

本系统尽量对试验样机进行参数化，用户在使用过程中能够动态增加或减少，主要采用整型数据变量、一维数组或者多维数据表示各个参数，如采用二维数据表示平飞典型性能曲线(见图4)。对于不同试飞条件下(包括直升机重量、速度及高度、温度)的性能数据，依据二维插点的方式，系统自动对应数据。

图4 平飞典型性能曲线(压力高度：0m，

3.3 试验状态点

试验状态点是本系统的关键思想。需要试飞的项目很多，但依据型号飞行谱，可以将每个项目梳理出多个试验状态点，虽然验证的项目不同，但试验状态点相同或类似，可以方便管理甚至实现任务优化组合。

根据不同的试验条件以及直升机姿态、速度、高度等信息形成试验状态点矩阵，并依据试验状态点矩阵生成试飞任务单。表1为某型号载荷测试试飞状态点矩阵。

3.4 闭环管理

为了提供可靠的试飞条件，直升机及各产品的设计研制单位必须负责解决试飞过程中出现的设计、生产和质量问题，因此在试飞计划、试飞科目的制定和具体实施过程中，必须发挥设计上的技术优势。国外直升机厂商多采取联合试飞组的技术和管理模式，即由设计/生产方、试飞主体、最终用户等组成的联合试飞队来组织实施军机的试飞，采用统一的试飞方法、测试手段，统一的试验场地，做到任务、流程、设备、数据等共享，技术上共同决策，以达到提高试飞效率，节约试飞费用的目的。

按目前的直升机试飞工作模式和各单位责任，作为试飞现场总指挥的试飞单位， 应该以项目管理的模式，对总师系统各单位和直升机试制单位进行管理，使各方预先了解试飞计划，有针对性地分析试飞中可能出现的故障和相应的处理办法，充分发挥每一位试飞技术支持人员的作用，各负其责，各司其职，各得其利，这样更有利于试飞进程的顺利进行。

本系统对试飞任务的闭环管理核心体现在以下三个方面：

1) 试飞条件的闭环管理，对试飞大纲条目化，生成的相应的试验状态点，本系统将自动与试飞项目库进行比对，形成闭环控制；

表1 试验状态点矩阵示意

2) 生成的试验状态点将与型号结构化数据进行比对，例如试验状态点具体操作短波电台功能检查，但直升机构型中该设备未装机，则由该试验状态点无法生成相应的试飞任务单；

3) 在试飞评价中，试飞结果将反馈给设计，实现设计-试飞-设计的闭环管理。

4 软件设计与实现

4.1 典型界面

4.1.1 试飞主管任务

试飞主管任务是试飞平台进行流程管理的模块，在这里进行任务分解、下发，接受、执行、提交，任务监控与统计。顶层任务通常来源于所内项目管理系统，也可由负责人在本系统内新建。主任/项目负责人/班组长以及设置了权限的用户能够进行访问和操作。任务分解通过实例化任务模型实现。任务分解人通过选择一个或多个任务模型节点实现单一或批量建立同级任务或子任务。如果当前任务模型不满足实际要求，通过新增任务模型能够快速新建模型节点。图5为试飞主管的典型使用界面。

4.1.2 试飞控制表界面

试飞控制表是试验点矩阵、试飞任务单控制界面(见图6)，主要依据试飞需求平台结构化试飞大纲，根据不同的试验条件，直升机姿态、速度、高度等信息形成试验状态点矩阵，并依据试验状态点矩阵生成试飞任务单。

图5 试飞主管任务

图6 试飞控制表界面

4.1.3 飞行限制检查

点击飞行限制检查按钮，选择需要检查的包线，即可将当前任务单内的试验点绘制在飞行包线内并标注。

当用户点击某一包线后，首先根据当前包线的坐标参数名称(如速度包线为高度和速度)从当前任务单下的试验点中获取对应参数，然后将试验点坐标点绘制在包线图中，最后根据坐标点值判断是否在包线范围内(与包线坐标最小值和最大值进行比较)，若在包线范围内则用绿色标注试验点，若超出包线范围，则用红色标注试验点。

界面左侧为当前型号下所有的飞行包线列表，右侧为当前所选包线的曲线及当前任务单下试验点在包线中的位置信息。

4.2 应用效果

某型直升机应用本系统对调整试飞任务进行管理。该型号2018年1月开始试飞，共3架试验机，完成了天津、次高原、高原、高寒等多地试飞，涉及多系统调整、鉴定试飞，历时12个月，共计飞行400架次、560多飞行小时。

应用效果表明，应用该系统能够实现试飞规划精细化，部分实现试飞任务管理智能化，特别是相对于以往型号的手工记录数据，在试飞信息显性化方面进步巨大。

由于该系统刚完成设计，试飞项目库还未建立，部分影响了使用效果，后续需进一步完善。

5 结论及意义

从试飞管理的需求出发，设计了一种直升机试飞任务管理系统软件，阐明了基于参数的通用软件的设计思想。本系统创新性地引入试验状态点，一定程度地实现了试飞程序文件自动生成，并能够与型号限制数据比对，能够提升试飞安全。

本文能够为其它类似系统的设计提供一定的借鉴意义。