QAR數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)及民航應(yīng)用研究

曹惠玲，高　煬

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津　300300)

0　引言

自20世紀(jì)70年代以來，民航領(lǐng)域的數(shù)據(jù)記錄方式不斷改進(jìn)。人們經(jīng)常聽到的“黑匣子”FDR就是最早的飛行數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，F(xiàn)DR的外部殼層是通過鋼板以及多層由絕熱防沖擊的保護(hù)原料共同制成的，因此在飛行事故發(fā)生之后，F(xiàn)DR中的數(shù)據(jù)還能保存，但是FDR中的飛行數(shù)據(jù)較難獲取，所以數(shù)據(jù)快速存取記錄器(Quick Access Recorder，QAR)應(yīng)運(yùn)而生。隨著21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，QAR數(shù)據(jù)可以在飛機(jī)降落后直接通過無線傳輸，使得數(shù)據(jù)獲取更加方便。QAR可以同時(shí)對(duì)1 000多種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因此可為全方位的飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷等提供充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1　QAR數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

QAR數(shù)據(jù)的原始形式為機(jī)器碼，是無法進(jìn)行直接識(shí)別和后續(xù)分析的，所以首先需要進(jìn)行處理使其變得可讀，并通過一定的預(yù)處理方能應(yīng)用。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段主要分為數(shù)據(jù)譯碼、數(shù)據(jù)選取、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化修正和數(shù)據(jù)平滑。

1.1　QAR數(shù)據(jù)譯碼

QAR數(shù)據(jù)譯碼的主要過程是將機(jī)器碼轉(zhuǎn)換成可讀語言，并通過對(duì)QAR原始代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)定位和工程值計(jì)算來完成譯碼工作。

1.2　基于QAR的報(bào)文解析

飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)ACARS將數(shù)據(jù)管理組件(Data Management Unit，DMU)中的監(jiān)控報(bào)文通過甚高頻(Very High Frequency，VHF)傳輸給地面的系統(tǒng)成為原始報(bào)文。但ACARS報(bào)文在使用時(shí)需要支付高額的使用費(fèi)，若通過QAR數(shù)據(jù)提取報(bào)文則可省去航空公司在這部分的支出。

文獻(xiàn)[2]中按照原始報(bào)文格式設(shè)計(jì)出了穩(wěn)態(tài)報(bào)文數(shù)據(jù)模版，通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從QAR中提取報(bào)文的功能。

1.3　QAR數(shù)據(jù)的預(yù)處理

獲取了可讀的QAR數(shù)據(jù)后，為了使其可對(duì)比、分析，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

(1) 數(shù)據(jù)的選取。參數(shù)采集主要選擇巡航階段，因?yàn)檠埠诫A段的飛行數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，便于分析比較。同時(shí)如果飛機(jī)在起飛爬升階段出現(xiàn)故障，其參數(shù)變化在巡航階段也會(huì)有相應(yīng)的體現(xiàn)。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)化修正。標(biāo)準(zhǔn)化修正包括相似修正和功率修正。運(yùn)用相似理論，將原始數(shù)據(jù)換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)，使得不同飛行條件下的數(shù)據(jù)具有可比性。功率修正可以修正不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不同功率所造成的誤差，通過修正可將不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)換算成相同功率下的性能參數(shù)。

(3) 數(shù)據(jù)平滑。為了很好地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的性能趨勢(shì)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的去噪平滑。常用的平滑方法包括移動(dòng)平均平滑法和指數(shù)平滑法。

當(dāng)擁有完整歷史數(shù)據(jù)時(shí)，使用平均平滑法較為簡(jiǎn)單；而指數(shù)平滑法的優(yōu)勢(shì)在于不需要存儲(chǔ)全部的歷史數(shù)據(jù)，只需要最新的觀察值、預(yù)測(cè)值和平滑常數(shù)即可[3]。

2　QAR數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1　QAR在狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用

狀態(tài)監(jiān)控是保證飛機(jī)安全飛行不可缺少的重要環(huán)節(jié)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控大致可分為基線監(jiān)控、差異監(jiān)控和極限監(jiān)控。

(1) 基線監(jiān)控。文獻(xiàn)[2]中通過將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)趨勢(shì)報(bào)告中的偏差值作差得到基線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，之后對(duì)多個(gè)基線點(diǎn)進(jìn)行擬合即可得到基線模型的具體形式。

(2) 差異監(jiān)控。同一飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航時(shí)，外界的環(huán)境條件和控制條件相同，則發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)也應(yīng)相同，若將飛機(jī)上不同發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)繪成曲線圖，就可以發(fā)現(xiàn)哪一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)存在明顯的數(shù)據(jù)偏差，從而可進(jìn)行下一步的故障診斷以及排故工作。

(3) 極限監(jiān)控。極限監(jiān)控的本質(zhì)是監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)是否超過發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)中的極限值，工程師可以自己設(shè)定極限值，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

2.2　QAR在故障診斷中的應(yīng)用

QAR在故障診斷方面主要作為建立健康態(tài)方程和故障方程的基礎(chǔ)。

(1) 健康態(tài)方程。文獻(xiàn)[3]中基于健康的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)之間的健康態(tài)關(guān)系。將待測(cè)數(shù)據(jù)與健康態(tài)方程進(jìn)行對(duì)比，若不符合則判定發(fā)動(dòng)機(jī)故障，該方法只能判斷出待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)故障，無法得知具體故障原因；判斷具體是何種故障就需要使用具體故障數(shù)據(jù)得出故障方程。

(2) 故障方程。文獻(xiàn)[3]中基于支持向量機(jī)的方法，提出了單分類和多分類故障診斷。單分類即識(shí)別某種特定程度故障，通過判斷故障數(shù)據(jù)是否符合該部件故障方程來確定具體故障部件；多分類是以指印圖為基礎(chǔ)，根據(jù)比值系數(shù)法和相關(guān)系數(shù)法處理數(shù)據(jù)后建模，通過所得模型可以識(shí)別出不同程度、不同類別的故障。

2.3　QAR在性能分析中的應(yīng)用

QAR在性能分析中應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)與單元體性能衰退預(yù)測(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)剩余壽命預(yù)測(cè)。

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)與單元體衰退預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[4]中使用層次分析與灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算方案層對(duì)目標(biāo)層的合成權(quán)，得出了發(fā)動(dòng)機(jī)健康評(píng)估和性能排序。文獻(xiàn)[5]中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)單元體性能參數(shù)分析，提出了單元體衰退因子影響，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行擴(kuò)充，采用分形理論建立壓氣機(jī)模型，得到壓氣機(jī)各參數(shù)的關(guān)聯(lián)維數(shù)。文獻(xiàn)[6]對(duì)單元體性能分析做出了更深入的研究，建立了單元體與整機(jī)性能聯(lián)系，得到發(fā)動(dòng)機(jī)單元體性能對(duì)整機(jī)性能的貢獻(xiàn)模型。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)剩余壽命預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[7]中通過近鄰增強(qiáng)方法查找訓(xùn)練歷史數(shù)據(jù)，得到相似的發(fā)動(dòng)機(jī)衰退狀況，再基于實(shí)例推理的方法使用雙層隨機(jī)森林模型來估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余壽命。

2.4　QAR在飛行品質(zhì)評(píng)估中的應(yīng)用

QAR數(shù)據(jù)最早應(yīng)用于飛行品質(zhì)的監(jiān)控，保障飛行的安全。其在飛行品質(zhì)中應(yīng)用于安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)估和品質(zhì)評(píng)估兩方面。

(1) 飛行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)估。文獻(xiàn)[8]根據(jù)灰系統(tǒng)理論的灰聚類方法建模對(duì)航班進(jìn)行評(píng)估，取得了很好的效果。

(2) 飛行品質(zhì)評(píng)估。文獻(xiàn)[9]提出了基于主成分分析法的定量分析，建立了基于超限裕度的評(píng)估模型。該模型使用大量QAR數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)，對(duì)多航班多機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，提出了量化的評(píng)估。

3　QAR數(shù)據(jù)在監(jiān)控中的應(yīng)用實(shí)例

在掌握前文介紹的QAR數(shù)據(jù)在狀態(tài)監(jiān)控中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開發(fā)了QAR數(shù)據(jù)雙發(fā)差異監(jiān)控系統(tǒng)。雙發(fā)差異模塊由警戒值確認(rèn)區(qū)域、X軸同步的對(duì)比圖表、偏差值圖表以及超限數(shù)據(jù)表格構(gòu)成，如圖1所示，鼠標(biāo)左鍵框選部分曲線即可完成放大操作。同時(shí)系統(tǒng)可以向工程師提供最簡(jiǎn)潔的雙發(fā)差異監(jiān)控分析報(bào)告，分析報(bào)告格式如圖2所示。

圖1　雙發(fā)差異模塊

4　結(jié)束語

本文匯總了目前民航對(duì)QAR數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用及處理方法，針對(duì)QAR數(shù)據(jù)的預(yù)處理和應(yīng)用做出了具體的總結(jié)和對(duì)比，分析了大部分QAR數(shù)據(jù)應(yīng)用方法的要點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，并通過建立基于QAR數(shù)據(jù)的雙發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)說明了QAR數(shù)據(jù)的優(yōu)越性和可靠性。

圖2　雙發(fā)差異分析報(bào)告

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