現(xiàn)代民機(jī)告警系統(tǒng)綜述

李磊

摘 要：現(xiàn)代民用飛機(jī)告警系統(tǒng)是駕駛員與飛機(jī)最主要的接口之一，對(duì)飛行員了解飛機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)，持續(xù)安全飛行提供了重要操作依據(jù)。該文簡(jiǎn)述了告警系統(tǒng)的發(fā)展歷史，介紹了告警系統(tǒng)的定義，對(duì)業(yè)界易混淆的相近術(shù)語(yǔ)進(jìn)行區(qū)分說(shuō)明，細(xì)化告警系統(tǒng)的主要作用，明確劃分告警系統(tǒng)現(xiàn)有的三種工作模式，以兩種常見角度對(duì)告警系統(tǒng)進(jìn)行分類并以國(guó)外現(xiàn)有飛機(jī)型號(hào)舉例，最后對(duì)現(xiàn)有適航條款要求進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)能夠全面了解現(xiàn)代民機(jī)告警系統(tǒng)，后續(xù)優(yōu)化告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到幫助。

關(guān)鍵詞：告警系統(tǒng) 音響警告 空中交通告警和防撞系統(tǒng) 近地告警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0015-03

駕駛艙告警系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)讓機(jī)組盡早認(rèn)識(shí)到飛機(jī)系統(tǒng)或部件的狀態(tài)或故障以及機(jī)組操作失誤來(lái)提高飛行的安全性。因此，駕駛艙告警系統(tǒng)與飛機(jī)構(gòu)型、飛行階段以及飛機(jī)系統(tǒng)相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)其功能，駕駛艙告警系統(tǒng)必須引起機(jī)組的注意力，必須清晰地表明問(wèn)題的性質(zhì)和根源，而且必須高度可靠，并充分反映運(yùn)行要求及環(huán)境。如果可能的話，應(yīng)盡可能為飛行員提供相應(yīng)的錯(cuò)誤糾正指引。

1 告警系統(tǒng)的定義

目前對(duì)于警告系統(tǒng)的定義還沒(méi)有統(tǒng)一的覆蓋業(yè)界所有范圍的標(biāo)準(zhǔn)。人為因素專家Amy R.Pritchett給出的告警系統(tǒng)的定義如下：“警告系統(tǒng)是一個(gè)能夠監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)和通告將影響操作人員近期活動(dòng)（據(jù)操控人員或系統(tǒng)設(shè)計(jì)師預(yù)測(cè)）情況的電子機(jī)械系統(tǒng)。”

根據(jù)不同的范圍及定義，還有告警、警告、警戒及警報(bào)等不同的詞語(yǔ)，為避免與告警級(jí)別中的警告級(jí)別產(chǎn)生混淆，該文內(nèi)對(duì)Warning System的理解均使用“告警系統(tǒng)”這一說(shuō)法。“警告”一詞用來(lái)表示W(wǎng)arning級(jí)別的告警，“警戒”一詞用來(lái)表示Caution級(jí)別的告警，用以區(qū)別。Alert一詞也通常理解為告警，用與上述告警系統(tǒng)定義相匹配。

2 告警系統(tǒng)的發(fā)展

在迄今為止告警系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段和三種模式，下面作以簡(jiǎn)單介紹。

20世紀(jì)70年代中期以前，民用飛機(jī)警告技術(shù)的特點(diǎn)是：獨(dú)立儀表多，各種信息分散而雜亂；告警范圍不完備，通常只能進(jìn)行設(shè)備故障的警告而沒(méi)有周邊環(huán)境形勢(shì)的警告，更不能給出處置建議或指導(dǎo)；警告設(shè)備技術(shù)水平低，設(shè)備可靠性及系統(tǒng)安全性相對(duì)不高。

20世紀(jì)70年代中期以后，隨著電子技術(shù)的巨大發(fā)展和多種探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到航空領(lǐng)域，安全警告技術(shù)出現(xiàn)了重大突破，這就是電子飛機(jī)中央監(jiān)控系統(tǒng)或發(fā)動(dòng)機(jī)指示機(jī)組警告系統(tǒng)、近地警告系統(tǒng)、空中交通警戒與防撞系統(tǒng)、預(yù)警性風(fēng)切變警告等?，F(xiàn)代飛機(jī)安全警告技術(shù)的特點(diǎn)是：告警信息集中，集成化、綜合化程度高；告警范圍全面，不僅孟包括設(shè)備故障告警和環(huán)境形勢(shì)告警，還包括文字說(shuō)明、建議、指導(dǎo)等；設(shè)備技術(shù)水平高，可靠性及系統(tǒng)安全性高；誤報(bào)警率顯著降低；人機(jī)工效飛速改善；高度自動(dòng)化，降低駕駛員工作負(fù)荷。

根據(jù)不同的告警作用，告警系統(tǒng)主要有以下三種模式，從簡(jiǎn)單的探測(cè)到復(fù)雜的化解機(jī)制。

2.1 信息探測(cè)告警

如圖1所示，信息探測(cè)告警是最基本的告警模式。告警監(jiān)控系統(tǒng)在采集到飛機(jī)或環(huán)境信息后，將信息進(jìn)行邏輯判斷，與限值進(jìn)行比較，當(dāng)超出限值規(guī)定的告警門限值后，判斷告警級(jí)別及類型，啟動(dòng)告警，再通過(guò)駕駛艙告警輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)告警輸出。通常的做法是將監(jiān)控探測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)也一并提供給飛行員，使告警和系統(tǒng)信息相聯(lián)系的展現(xiàn)給飛行員。

通常情況下告警限值的設(shè)定由兩方面來(lái)源。一種是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)界定好的限值，例如最大運(yùn)行速度/馬赫數(shù)。另一種限值是由飛行員在特定環(huán)境下輸入到告警系統(tǒng)內(nèi)的，如場(chǎng)高和V1、VR等。

2.2 危險(xiǎn)探測(cè)告警

如圖2所示，作為危險(xiǎn)探測(cè)告警模式的使用，當(dāng)多系統(tǒng)或多信息輸入告警系統(tǒng)時(shí)，首先進(jìn)入預(yù)備告警階段，能發(fā)現(xiàn)有信號(hào)超出告警限值，危險(xiǎn)存在，但信號(hào)告警應(yīng)該怎么表示或者是否需要表示，告警系統(tǒng)對(duì)多信息進(jìn)行綜合評(píng)定，給出危險(xiǎn)評(píng)估，與預(yù)置的特定環(huán)境的告警限值進(jìn)行比較。這些告警可能會(huì)全部、部分或者沒(méi)有任何一個(gè)最終提供給飛行員。例如音響告警系統(tǒng)里面的告警優(yōu)先級(jí)，被抑制掉的音響告警的告警環(huán)境可能還是一直存在，但是綜合評(píng)估多告警音響發(fā)生時(shí)，有更高優(yōu)先級(jí)別的告警音響需要發(fā)生，那么低級(jí)比音響告警的危險(xiǎn)評(píng)估相對(duì)降低，被抑制不產(chǎn)生音響告警。

2.3 危險(xiǎn)化解裝置

如圖3所示。最先進(jìn)、最復(fù)雜的安全系統(tǒng)不光要具有告警的能力，還應(yīng)該具有化解危險(xiǎn)的能力。這樣告警系統(tǒng)就可以引導(dǎo)飛行員將注意力放在解決告警的方法上。例如TCAS告警能夠給出駕駛員爬升或下降的指令，近地告警可以發(fā)出拉起的告警指令。危險(xiǎn)化解多用于狀態(tài)變化較多的危險(xiǎn)環(huán)境，對(duì)此類危險(xiǎn)很難事先做好準(zhǔn)確、細(xì)致的程序設(shè)定，還需要綜合飛機(jī)多系統(tǒng)的綜合因素考慮。

這三種模式的發(fā)展遵循時(shí)間科技的發(fā)展規(guī)律，但是因?yàn)橛行└婢到y(tǒng)不需很復(fù)雜的響應(yīng)控制，所以現(xiàn)代飛機(jī)基本上三種模式共存的形式。

3 告警系統(tǒng)的功能

告警系統(tǒng)的主要用于喚起飛行員注意；說(shuō)明事件性質(zhì)；指導(dǎo)飛行員采取正確行動(dòng)。

3.1 注意力獲取

告警系統(tǒng)最普遍的也是研究最多的作用是注意力獲取作用，即告警系統(tǒng)試圖將飛行員的注意力引導(dǎo)到需要他們識(shí)別、分析和解決的信號(hào)偏差上。一般情況下，假設(shè)飛行員能仔細(xì)分析和深思熟慮，他們可能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)ΜF(xiàn)實(shí)情況的了解對(duì)警告系統(tǒng)忽略或置之不理。

告警系統(tǒng)注意力獲取的作用給駕駛艙配備了飛行機(jī)組無(wú)法提供的持續(xù)監(jiān)控能力。如果要求操縱人員連續(xù)監(jiān)控一個(gè)信號(hào)，很易于產(chǎn)生厭倦和疲勞，告警系統(tǒng)的通過(guò)不同級(jí)別、多感官的自動(dòng)持續(xù)監(jiān)控將操縱人員人為因素造成的影響降低最低。同時(shí)，告警系統(tǒng)尤其能輔助飛行機(jī)組發(fā)現(xiàn)許多情況，例如信號(hào)稍有的變化、飛機(jī)機(jī)組抽樣調(diào)查之間的突然、快速的信號(hào)變化，揭示災(zāi)難性、危險(xiǎn)性或不可逆轉(zhuǎn)情況的信號(hào)，以上這些不良情況導(dǎo)致的巨大人員和/或經(jīng)濟(jì)上的影響要求設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行專門的監(jiān)控。

3.2 飛行干擾

警告系統(tǒng)通常是被認(rèn)為是個(gè)安全系統(tǒng)，用來(lái)探測(cè)沒(méi)有被飛行機(jī)組發(fā)現(xiàn)的事件。為了防止因?yàn)槁﹫?bào)而造成的人員或者經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，警告的臨界值通常會(huì)設(shè)置在不可能有漏報(bào)發(fā)生的點(diǎn)上，但是代價(jià)就是有極高的誤報(bào)率。

基于種種原因，誤警告會(huì)變成一種干擾，從而導(dǎo)致飛行機(jī)組不做回應(yīng)、延遲回應(yīng)、關(guān)掉警告，或?qū)嫦到y(tǒng)產(chǎn)生懷疑直至忽視正確警告。

3.3 問(wèn)題的最終裁決

正如飛行機(jī)組可能對(duì)告警系統(tǒng)過(guò)分依賴而不去監(jiān)控有些情況一樣，他們也可能會(huì)在警告發(fā)生前“發(fā)覺(jué)”將要發(fā)生的問(wèn)題，但是還會(huì)將告警作為問(wèn)題發(fā)生的最終裁定。

3.4 解決方法的評(píng)價(jià)者

大部分告警系統(tǒng)被認(rèn)為是在非理想情況下發(fā)生時(shí)發(fā)出告警。此外，告警的消失還能作為問(wèn)題何時(shí)被化解的衡量工具來(lái)使用，即作為解決方案的評(píng)價(jià)者。

3.5 超負(fù)荷工作

告警系統(tǒng)通常要將飛行機(jī)組的注意力引導(dǎo)到問(wèn)題上，有事告警會(huì)給飛行機(jī)組增加過(guò)多的工作量并干擾駕駛?cè)蝿?wù)，有時(shí)只是生理上的超負(fù)荷。由于告警的突出性，飛行員很難對(duì)其置之不理，而且還可能把告警項(xiàng)目放在更重要的任務(wù)的前面優(yōu)先處理，取消原有的任務(wù)管理和計(jì)劃。但是在減少超負(fù)荷方面，這種方法的有效性沒(méi)有得到完全證實(shí)。

告警系統(tǒng)還可以作為期望的提示、任務(wù)管理助手、程序啟動(dòng)者、指令裝置等的功能，這里不做詳細(xì)敘述。

4 告警系統(tǒng)的兩種分類

告警系統(tǒng)的分類可以有多種方式，最主要也是最常見的形式是按照系統(tǒng)分類和按照告警表現(xiàn)形式分類兩種。

按照系統(tǒng)劃分告警系統(tǒng)的分類方法可能會(huì)根據(jù)機(jī)型不同而有所差異，但是按照告警表現(xiàn)形式劃分的結(jié)果通常情況下不會(huì)有太大的區(qū)別。在該文的其他章節(jié)的敘述中，均為將兩種分類形式結(jié)合表述。下面按照這兩種最常見的告警系統(tǒng)分類方式進(jìn)行介紹：

4.1 按照系統(tǒng)劃分告警系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代中大型民用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)已經(jīng)高度智能化，有很多重要系統(tǒng)因?yàn)樽陨砀婢^多且獨(dú)立，并且安全級(jí)別很高，適宜于在自身系統(tǒng)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)告警處理及發(fā)生后，通過(guò)音響及顯示系統(tǒng)實(shí)施告警。這一類的告警系統(tǒng)有地形提示和警告系統(tǒng)TAWS、交通告警與防撞系統(tǒng)TCAS等。

還有一種最常見的告警稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)指示與機(jī)組告警系統(tǒng)（EICAS），即空客的電子飛機(jī)中央監(jiān)控系統(tǒng)（EACM），也是通常情況下討論最多的告警系統(tǒng)之一。EICAS是通過(guò)在駕駛艙某一顯示器（通常為多功能飛行顯示或者發(fā)動(dòng)機(jī)信息顯示器）的特定區(qū)域內(nèi)顯示不同級(jí)別的告警信息和重要系統(tǒng)簡(jiǎn)圖的形式，達(dá)到告知飛行員各系統(tǒng)非正?；蛘顟B(tài)告警及飛機(jī)不良構(gòu)型的目的。告警根據(jù)不同飛機(jī)型號(hào)可達(dá)到數(shù)百條之多，基本上包括了飛機(jī)所有系統(tǒng)的故障信息，狀態(tài)信息和特定飛行階段的錯(cuò)誤構(gòu)型信息。

地形提示和警告系統(tǒng)TAWS能夠有效的控制可控飛行撞地事故（CFIT）的發(fā)生。地形提示和警告系統(tǒng)TAWS核心是TAWS計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)了各種警告方式的極限數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)劃當(dāng)前航線并參考地形高度數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)和機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息從而提供預(yù)測(cè)地形報(bào)警。地形提示和警告系統(tǒng)提供基于無(wú)線電高度表、大氣壓高度表、下滑道偏離和飛行配置信息實(shí)時(shí)輸入的反應(yīng)型地形警告。如果出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，地形提示和警告系統(tǒng)將給出視頻和語(yǔ)音的報(bào)警來(lái)警告飛行員。地形提示和警告系統(tǒng)具有在儀表板上繪制顯示地形上升圖的功能。各種模式都附帶儀表板上的清晰的語(yǔ)音和/或視頻的信息。

交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS）旨在作為一種補(bǔ)充手段，幫助駕駛員探測(cè)附近有無(wú)飛機(jī)，并確定其作為一種空域感者的可能性。TCAS與空中交通管制應(yīng)答機(jī)一起聯(lián)合工作，為飛機(jī)提供附近空域飛機(jī)的飛行情況，預(yù)測(cè)飛機(jī)之間的潛在威脅，在飛機(jī)之間可能出現(xiàn)沖突時(shí)給予駕駛員告警，避免撞機(jī)事件的發(fā)生。

更多的系統(tǒng)則是采取通過(guò)中央警告系統(tǒng)來(lái)達(dá)到告警的目的。中央警告系統(tǒng)為飛機(jī)絕大多數(shù)的系統(tǒng)提供通用的告警平臺(tái)。當(dāng)某一系統(tǒng)功能失效或構(gòu)型錯(cuò)誤需要通過(guò)告警燈和告警語(yǔ)音告知駕駛員時(shí)，中央警告系統(tǒng)通過(guò)邏輯判斷控制音響警告，實(shí)現(xiàn)駕駛艙音響告警的發(fā)出，并且/或者通過(guò)邏輯控制駕駛艙指示各面板上按鈕燈的點(diǎn)亮來(lái)告知駕駛員各飛機(jī)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。早期的中央警告系統(tǒng)有獨(dú)立的告警計(jì)算機(jī)，專門用來(lái)進(jìn)行告警邏輯的運(yùn)算、告警語(yǔ)音的發(fā)生和按鈕燈的控制，隨著航空電子的發(fā)展，系統(tǒng)集成化迅速，現(xiàn)代客機(jī)的中央警告系統(tǒng)的運(yùn)算單元通常情況下駐留在中央計(jì)算機(jī)內(nèi)，而音響發(fā)出功能通常由音頻綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

在中央警告系統(tǒng)的警告燈控制功能中，包括用于通用告警的主警告按鈕燈和主警戒按鈕燈，用來(lái)在遮光罩等最顯著位置指示警告級(jí)別的告警和警戒級(jí)別的告警。

最后還有一個(gè)重要的方式是在主飛行顯示器（PFD）顯示的空速、高度等信息的告警。當(dāng)空速或者高度在包線附近或者以外時(shí)，PFD的空速指示器或者高度指示器發(fā)出相應(yīng)的告警指示并且必要時(shí)有語(yǔ)音告警。

按照上述分類特舉Boeing787的一例。

Boeing787飛機(jī)的告警系統(tǒng)（Warning System）包括以下部分：

發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組告警系統(tǒng) （EICAS）

空速告警

尾翼撞擊探測(cè)系統(tǒng)

起飛和著陸構(gòu)型警告系統(tǒng)

模式控制板（Mode Control Panel，MCP）選擇高度告警

機(jī)組告警監(jiān)控

空中交通告警和防撞系統(tǒng) （TCAS）

風(fēng)切變告警

近地告警系統(tǒng) （GPWS）

4.2 按照告警類型劃分

告警級(jí)別的定義要根據(jù)功能危險(xiǎn)分析中相應(yīng)功能喪失的危害來(lái)設(shè)定，根據(jù)AMC25.1322要求，在不影響飛行，干擾飛行員操縱的情況下，要盡可能采取多感官的告警形式，從聽覺(jué)，多視覺(jué)，甚至觸覺(jué)發(fā)出告警信息。駕駛艙主要采取的告警類型為音響告警，視覺(jué)告警和觸覺(jué)告警三類。通常情況，除了觸覺(jué)告警不建議單獨(dú)使用外，其他兩類告警方式可以單獨(dú)告警，更多的是相互配合使用達(dá)到最終告警的目的。

4.3 音響告警

通過(guò)采用在駕駛艙揚(yáng)聲器和/或飛行員耳機(jī)中發(fā)出告警音響的方式告知飛行機(jī)組此刻的飛機(jī)狀態(tài)或所處環(huán)境。音響告警通常情況分為三種，即語(yǔ)音（Voice），引起注意的諧音（chime）以及離散音響音調(diào)（Tone），一般稱為語(yǔ)音、諧音和音調(diào)。

語(yǔ)音告警：部分警告級(jí)別的故障或非正常構(gòu)型在觸發(fā)后，包括TAWS和TCAS，駕駛艙能會(huì)有合成的人聲語(yǔ)音，告知機(jī)組提請(qǐng)注意。

諧音：在絕大多數(shù)警告級(jí)別和警戒級(jí)別的告警發(fā)生之前會(huì)有諧音用于引起注意。

音調(diào)：發(fā)出特殊音調(diào)表明飛機(jī)一種特定狀態(tài)。比如AP接通，水平安定面配平等。工業(yè)界通常認(rèn)為諧音并伴有告警信息顯示或者是一個(gè)語(yǔ)音告警信息提供警告的方式優(yōu)于音調(diào)告警的方式，所以強(qiáng)烈要求盡量減少使用音調(diào)告警。但是如果熟悉并且/或者習(xí)慣了需要用到特定的音調(diào)告警時(shí)，應(yīng)該把音調(diào)告警的個(gè)數(shù)限制在4個(gè)以內(nèi)并且要滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 視覺(jué)告警

駕駛員85%以上的信息均來(lái)自視覺(jué)感知，視覺(jué)告警也是最為重要的告警方式之一。視覺(jué)告警能及時(shí)獲得駕駛員的關(guān)注，并且不太容易引起誤解，反映的信息量相對(duì)能比較大，范圍廣。視覺(jué)告警主要包含告警燈、機(jī)組告警信息和顯示器上告警。

視覺(jué)告警通過(guò)不同的顏色定義不同影響級(jí)別的告警信息。

4.5 觸覺(jué)告警

在飛機(jī)發(fā)出失速告警時(shí)，不光有語(yǔ)音和視覺(jué)告警，還會(huì)有振桿告警。但觸覺(jué)告警通常不建議單獨(dú)使用。

5 不同類型告警的功能組成部件

當(dāng)某一功能喪失引發(fā)的危險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果時(shí)，需要警告級(jí)別的告警產(chǎn)生；當(dāng)某一功能喪失引發(fā)的危險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的后果時(shí)，需要警戒級(jí)別的告警產(chǎn)生。

5.1 警告

對(duì)于警告用于實(shí)現(xiàn)的告警和信息功能告警系統(tǒng)功能組成部件必須包括：主視覺(jué)告警，視覺(jué)信息，主音響告警（語(yǔ)音信息或特定的音調(diào)）。

一般認(rèn)為，僅有少數(shù)告警中，主視覺(jué)和主音響告警不是必須需要的。

5.2 警戒

對(duì)于警戒用于實(shí)現(xiàn)的告警和信息功能告警系統(tǒng)功能組成部件必須包括：主視覺(jué)告警，視覺(jué)信息，主音響告警（語(yǔ)音警告或特定的音調(diào)）。

5.3 提示

對(duì)于提示用于實(shí)現(xiàn)的告警和信息功能告警系統(tǒng)功能組成部件必須包括：視覺(jué)信息-提示信息可能設(shè)置在飛行機(jī)組希望周期性查看信息的區(qū)域。

6 適航規(guī)定中的顏色標(biāo)準(zhǔn)

適航條款要求：通常紅色和琥珀色/黃色為告警功能保留。除了機(jī)組告警功能，這些顏色必須被限制使用并且不能影響到機(jī)組告警。

對(duì)于離散的燈和指示器，紅色和琥珀色/黃色的使用必須被專門的限制。規(guī)章將應(yīng)用于這些顏色在告警系統(tǒng)和非告警系統(tǒng)的使用，包括在顯示器和其他指示器上。特別說(shuō)明的是一個(gè)顯示器不一定是一個(gè)獨(dú)立的硬件，可能包括一個(gè)恰當(dāng)?shù)母綦x出來(lái)的區(qū)域或功能專門顯示非告警功能。在駕駛艙內(nèi)限制紅色和琥珀色/黃色使用的目的是為了使這些顏色提供對(duì)相應(yīng)的危險(xiǎn)等級(jí)相匹配相應(yīng)的及時(shí)指示。

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