從“黑匣子”到“云匣子”

陳凱 丁芃

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190)

一 亟需升級換代的“黑匣子”

飛行事故記錄器(aircraft accident recorder)，俗稱“黑匣子”，是指自動(dòng)記錄飛機(jī)的飛行高度、速度、航向、姿態(tài)、機(jī)內(nèi)對話與地面通信、時(shí)間等，專供分析空難事故原因用的飛行數(shù)據(jù)，能抗墮毀的記錄儀器。黑匣子通常安裝在空難時(shí)最常被完整保留下來的機(jī)尾上。1953年，世界上第一個(gè)飛行事故記錄器由澳大利亞的戴維·沃倫博士發(fā)明。

60多年來，黑匣子雖然在可靠性等方面不斷改進(jìn)，但其原理一直沒有大的變化。黑匣子能夠客觀、真實(shí)、全面地記錄飛機(jī)數(shù)據(jù)，是查明飛機(jī)失事原因最有效的手段，同時(shí)在飛機(jī)日常安全維護(hù)、飛行狀態(tài)監(jiān)測、消除事故隱患以及故障定位方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，黑匣子的搜尋并不容易。如果黑匣子墜落在陸地上，可以依靠其明亮的外表顏色和反光標(biāo)識進(jìn)行搜尋。如果黑匣子墜入水中，就要依靠其發(fā)射的水下超聲波信號。這個(gè)信號通常在30天后將隨著電量逐漸耗盡而越來越微弱，直至停止工作，而且只有在信源2千米左右的范圍內(nèi)才能夠被儀器探測到。2009年法航AF447航班失事和2014年馬航MH370客機(jī)失聯(lián)，使得關(guān)于黑匣子更新?lián)Q代的呼聲越來越高，而“云匣子”等改進(jìn)方式也漸漸浮出水面。美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)前主席羅森克認(rèn)為，從上述兩次航班事件的搜尋行動(dòng)來看，當(dāng)今國際航空界采用的飛行事故調(diào)查流程已經(jīng)過時(shí)。他提出，如果能把黑匣子記錄的飛行數(shù)據(jù)和機(jī)艙錄音傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫，將有助于相關(guān)部門在飛機(jī)遇到緊急情況時(shí)盡早定位并啟動(dòng)調(diào)查，特別是飛機(jī)在民航雷達(dá)覆蓋范圍之外飛行時(shí)。曾主管美國交通運(yùn)輸技術(shù)政策的前副助理國務(wù)卿麥基近日也表示，航空業(yè)需要從MH370客機(jī)失聯(lián)事件中吸取很多教訓(xùn)，推動(dòng)技術(shù)革新，其中最重要的一條就是將黑匣子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到云數(shù)據(jù)庫。

隨著科技發(fā)展網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，基于云技術(shù)的形成，數(shù)據(jù)信息安全存儲(chǔ)與便捷存儲(chǔ)已經(jīng)變得非常重要，云計(jì)算是適合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一種模式。云計(jì)算將應(yīng)用“計(jì)算”從用戶終端轉(zhuǎn)移到服務(wù)終端，從而弱化了對移動(dòng)終端設(shè)備的處理需求。這樣移動(dòng)終端主要承擔(dān)與用戶交互功能，復(fù)雜的運(yùn)算交由云服務(wù)器處理，終端不需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力即可響應(yīng)用戶操作，并將結(jié)果展現(xiàn)給用戶，從而實(shí)現(xiàn)豐富的應(yīng)用。

二 “云匣子”及其特點(diǎn)

目前，在航空業(yè)內(nèi)對于云匣子沒有統(tǒng)一的定義，而能夠達(dá)成共識的是，云匣子方案是通過云計(jì)算，將原本記錄在黑匣子中的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?。這樣直接通過向地面無線傳輸數(shù)據(jù)信號并記錄，而不再使用飛行事故記錄器。云技術(shù)下的黑匣子使得航空公司幾乎可以每分鐘獲得一次飛機(jī)的一系列數(shù)據(jù)，而飛行員無權(quán)切斷這一系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)事故，可以第一時(shí)間從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，為生還者的搜救、事故分析提供有力支撐。

三 “云匣子”的應(yīng)用現(xiàn)狀

伴隨著衛(wèi)星技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于云匣子的專利申請近幾年逐漸多起來。通過以下國內(nèi)外專利申請的介紹，能夠使人們清晰地了解云匣子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

1.中國的專利申請

云匣子的相關(guān)中國專利申請從2003年就開始出現(xiàn)，例如，發(fā)明名稱為“對飛機(jī)故障的預(yù)測報(bào)警方法及飛機(jī)故障預(yù)測報(bào)警系統(tǒng)”的專利申請，其采用在飛機(jī)可能發(fā)生故障的部位設(shè)置相應(yīng)的傳感器，利用計(jì)算機(jī)對各傳感器進(jìn)行循環(huán)不間斷數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi)，飛行數(shù)據(jù)分析處理程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并把數(shù)據(jù)處理結(jié)果與正常標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型相比較，若有異常情況出現(xiàn)，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并把所采集的數(shù)據(jù)和比較結(jié)果通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛骘w行指揮中心。這種技術(shù)應(yīng)該屬于早期類云匣子的方案，其主要解決方案還是停留在比對分析數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)才把數(shù)據(jù)傳回地面，沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，但是，在當(dāng)時(shí)沒有發(fā)展出大存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)的情況下，上述方案應(yīng)該是比較先進(jìn)的技術(shù)。

2007年有兩個(gè)比較重要的中國專利申請。其一發(fā)明名稱為“空地一體化飛行設(shè)備維修支援系統(tǒng)及方法”，對飛行設(shè)備的重要機(jī)件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，對必要的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和采樣，經(jīng)處理后通過空地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)傳送至地面計(jì)算子系統(tǒng)，再由地面計(jì)算子系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成診斷結(jié)論和維修建議，對飛行設(shè)備進(jìn)行故障檢查和排除，實(shí)現(xiàn)對空中飛行設(shè)備進(jìn)行指導(dǎo)。該專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了云匣子技術(shù)中所要求的實(shí)時(shí)傳輸，從而確保了實(shí)時(shí)監(jiān)控的可能性。其二發(fā)明名稱為“飛機(jī)與地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)”，該專利技術(shù)解決了實(shí)時(shí)傳輸時(shí)的一個(gè)重要問題，即飛機(jī)與地面系統(tǒng)的高流量通信問題，目前飛機(jī)與地面控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸控制效果并不理想，存在高流量下數(shù)據(jù)的緩存問題。該專利技術(shù)通過按接收先后順序儲(chǔ)存數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包分為多個(gè)數(shù)據(jù)包隊(duì)列，按數(shù)據(jù)包隊(duì)列優(yōu)先級順序分別對數(shù)據(jù)包隊(duì)列附上幀頭、數(shù)據(jù)起始標(biāo)志和校驗(yàn)碼形成信息幀并發(fā)送該信息幀，從而有效解決了高流量下數(shù)據(jù)的緩存問題。上述兩個(gè)方案解決了云匣子技術(shù)中最重要的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，即實(shí)時(shí)監(jiān)控及監(jiān)控時(shí)大數(shù)據(jù)量的問題，使得航空業(yè)能夠真正有條件地使用云匣子技術(shù)。

2011年，出現(xiàn)了真正的云匣子的專利申請，發(fā)明名稱為“基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)黑匣子系統(tǒng)”，其采用了包括采集數(shù)據(jù)的攝像機(jī)、傳感器等設(shè)備的云設(shè)備和用于提供服務(wù)的云服務(wù)器，云設(shè)備將采集到的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器接收到原始數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)加密處理，將處理后的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并建立數(shù)據(jù)標(biāo)簽，用戶可通過云設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)提取請求，云服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行解密后發(fā)送給用戶的云設(shè)備。這樣一種技術(shù)在提供快捷異地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)的同時(shí)，還提供災(zāi)難預(yù)警服務(wù)，而且利用虛擬現(xiàn)場恢復(fù)技術(shù)綜合分析災(zāi)難前后的包括圖像、聲音、環(huán)境、溫度等數(shù)據(jù)，為尋找事故發(fā)生的原因提供精確的數(shù)據(jù)。

2.國外申請的專利

美國專利申請，發(fā)明名稱為“飛行數(shù)據(jù)服務(wù)”，其主要技術(shù)方案是通過與系統(tǒng)服務(wù)層的組件、系統(tǒng)資源層組件(包括用于移動(dòng)物體和第一地面站之間的數(shù)據(jù)交換的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信的系統(tǒng)資源層組件)發(fā)起無線通信路徑，其特征在于該系統(tǒng)服務(wù)層組件提供了系統(tǒng)級服務(wù)應(yīng)用程序編程接口層中的對象;啟動(dòng)第一地面站和第二地面站之間的連接;傳輸數(shù)據(jù)，包括使用系統(tǒng)服務(wù)移動(dòng)物體層組件從所述移動(dòng)物體，經(jīng)由無線通信路徑中的第一個(gè)地面站的操作數(shù)據(jù);經(jīng)由所述第一地面站和所述第二地面站之間的連接便于第二地面站從第一地面站傳輸數(shù)據(jù)。該方案的主要效果是飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置、性能監(jiān)控和路線調(diào)整，由飛機(jī)運(yùn)營中心來跟蹤，為飛行員提供實(shí)時(shí)反饋。更加便利的是，數(shù)據(jù)通信服務(wù)器可通過車載定位系統(tǒng)(例如，全球衛(wèi)星定位)和路由器獲取飛機(jī)位置的相關(guān)信息。飛機(jī)運(yùn)營中心可以連接其他應(yīng)用程序使用的數(shù)據(jù)通信服務(wù)器來獲取所需要的數(shù)據(jù)。

以上僅是具有代表性的、有關(guān)云匣子技術(shù)的專利，可以看出，中國進(jìn)入該技術(shù)領(lǐng)域時(shí)間比較早，但是突破性技術(shù)直到最近幾年才出現(xiàn)。最近，習(xí)近平總書記在體驗(yàn)C919大型客機(jī)樣機(jī)時(shí)，提出了“中國大飛機(jī)事業(yè)萬里長征走了又一步，我們一定要有自己的大飛機(jī)”，可以預(yù)見，未來將有更多的資金進(jìn)入飛機(jī)市場來進(jìn)行研發(fā)，作為飛機(jī)技術(shù)中亟待更新的黑匣子技術(shù)，中國必然會(huì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的重大突破，建立一系列云匣子的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并使之與世界接軌。

四 結(jié)語

將黑匣子中記錄的數(shù)據(jù)同步到云服務(wù)器中，可以大大加快空難發(fā)生后事故分析調(diào)查的進(jìn)程，調(diào)查人員只需要直接從服務(wù)器中查詢，就可以得到空難發(fā)生前飛機(jī)上的各種參數(shù)，以分析出事故原因。目前，從國內(nèi)外已有的專利申請可以看出，雙方都有一些比較有特色的云匣子解決方案，相信在不遠(yuǎn)的未來，傳統(tǒng)的黑匣子技術(shù)必將被云匣子技術(shù)所替代。