基于數(shù)據(jù)特征的試飛數(shù)據(jù)提取方法研究

任智勇，胡澤瑋

(中國飛行試驗研究院 總體所，西安 710089)

0 引言

試飛數(shù)據(jù)是進(jìn)行航空產(chǎn)品鑒定、定型、適航等戰(zhàn)技指標(biāo)考核驗證的基礎(chǔ)，試飛工程師需要從數(shù)據(jù)中提取有效信息完成對設(shè)計指標(biāo)的驗證。在日益增長的試飛架次和海量的試飛數(shù)據(jù)面前，人工提取試飛數(shù)據(jù)中的有效信息一方面需耗費(fèi)大量的時間，影響了試飛效率；另一方面，受人力制約，大量試飛數(shù)據(jù)中的有效信息并未被有效挖掘利用。因此，研究一種高效的試飛數(shù)據(jù)提取方法，在提高數(shù)據(jù)處理效率的同時可挖掘數(shù)據(jù)中的有效信息，為飛機(jī)設(shè)計優(yōu)化提供支撐，顯得十分必要。

早在上個世紀(jì)，NASA在F-15的高穩(wěn)定性發(fā)動機(jī)控制計劃和F/A-18的大攻角研究飛機(jī)試驗中，都專門研制了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于特定試驗課目的數(shù)據(jù)處理，大大提高了試飛效率[1]；如今，我國也開發(fā)了多種用于地面試驗數(shù)據(jù)的專用處理軟件[2-3]。飛機(jī)健康管理系統(tǒng)推動了機(jī)上數(shù)據(jù)處理的發(fā)展[4-5]，使得在試飛中進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理成為可能。原始試飛數(shù)據(jù)一般包含了所有測試參數(shù)的全程試驗數(shù)據(jù)，但對于不同科目而言，因其關(guān)注的參數(shù)有所不同，處理方法也存在差異。通過研究試飛科目的需求數(shù)據(jù)特征，得出由計算機(jī)自動執(zhí)行數(shù)據(jù)信息提取，可以在遙測監(jiān)控過程中實時給出試驗結(jié)果，這能夠極大的提高數(shù)據(jù)處理效率，對于結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)也便于統(tǒng)計分析，因此具有重要的意義。

本文根據(jù)試飛科目的數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)，將試飛數(shù)據(jù)提取工作分解為顯性化、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)特征，并給出了三類科目的數(shù)據(jù)提取方法，實現(xiàn)計算機(jī)編程提取數(shù)據(jù)，為提高數(shù)據(jù)處理效率提供了支撐。

1 數(shù)據(jù)提取方法結(jié)構(gòu)

試飛數(shù)據(jù)提取方法采用自上而下分解、自下而上構(gòu)建的設(shè)計模式。首先需要確定提取數(shù)據(jù)的試驗科目。之后對試驗科目進(jìn)行分解，根據(jù)該科目的數(shù)據(jù)處理需求確定提取統(tǒng)計的若干項信息，作為數(shù)據(jù)提取的單元。再對各信息進(jìn)行分解，確定單個信息所需的提取參數(shù)和處理邏輯。整理科目中需提取的各個參數(shù)，從原始試飛數(shù)據(jù)中多達(dá)幾千個的測試參數(shù)中統(tǒng)一讀取，再結(jié)合處理邏輯，完成信息的處理，將處理結(jié)果匯總輸出。數(shù)據(jù)提取方法結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)提取方法結(jié)構(gòu)

在實際試飛過程，單架次飛行試驗中可能結(jié)合多個試飛科目，而多個科目之間又可能需要提取相同的參數(shù)。為了加快數(shù)據(jù)處理效率，避免重復(fù)讀取數(shù)據(jù)，在構(gòu)建單架次數(shù)據(jù)提取時，可將多個科目合并處理。

2 數(shù)據(jù)提取方法詳細(xì)設(shè)計

盡管針對不同類型的飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、機(jī)載設(shè)備等，其試飛科目和動作稍有差異，但是一般情況下，試驗科目需提取的數(shù)據(jù)主要可分為三類：全程統(tǒng)計類、含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類、不含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類。以下以某發(fā)動機(jī)試飛中的科目為例進(jìn)行介紹。

2.1 全程統(tǒng)計類

此類數(shù)據(jù)統(tǒng)計的特點(diǎn)是在試驗全程提取某些參數(shù)，無需挑選時間段，統(tǒng)計最值等信息或與限制值比較。此類科目所需提取的信息為各關(guān)注參數(shù)的最值或與限制值之間的差值，提取參數(shù)為關(guān)注的參數(shù)，提取邏輯為從原始數(shù)據(jù)第一行至最后一行提取目標(biāo)參數(shù)，統(tǒng)計全程最大值、最小值或與規(guī)定的限制值進(jìn)行比較并給出出現(xiàn)最大值、最小值或超出限制值時刻的其他相關(guān)參數(shù)數(shù)值。

較為典型的全程統(tǒng)計類科目如發(fā)動機(jī)熾熱部位溫度測量，該科目需在所有的試飛架次中測取發(fā)動機(jī)零部件、附件等壁面溫度、環(huán)境溫度的最大值，評定其是否超出使用限制值，并給出該最大值在何種條件下達(dá)到。對于本例中的試驗科目，所需提取的信息為關(guān)注的發(fā)動機(jī)零部件、附件的壁面溫度、環(huán)境溫度的最大值，所需提取參數(shù)為各壁溫、環(huán)溫，以及大氣溫度、飛行高度、速度。提取邏輯為在試驗全程提取溫度參數(shù)的最大值，并給出最大值所在時刻的大氣溫度、飛行高度、速度等參數(shù)，以便總結(jié)各溫度出現(xiàn)最大值的規(guī)律，為改進(jìn)設(shè)計提供指導(dǎo)。

全程統(tǒng)計類科目無需挑選時間段，數(shù)據(jù)特征明確，統(tǒng)計邏輯簡單，進(jìn)行少量編程即可完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2.2 含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類

此類數(shù)據(jù)統(tǒng)計的特點(diǎn)是在試驗中僅提取動作段數(shù)據(jù)，而動作段的起終點(diǎn)有明確的開關(guān)量信號作為判斷依據(jù)。提取方法為從原始數(shù)據(jù)第一行開始向后遍歷，按照特定的開關(guān)量信號判定關(guān)鍵時刻，根據(jù)關(guān)鍵時刻提取當(dāng)前參數(shù)以及統(tǒng)計時間、最值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

較為典型的含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類科目如發(fā)動機(jī)空中起動。發(fā)動機(jī)空中起動科目的主要目的是統(tǒng)計在發(fā)動機(jī)進(jìn)行空中起動過程中的相關(guān)參數(shù)，提取信息包括停車前發(fā)動機(jī)參數(shù)，停車后參數(shù)，起動時刻高度、速度等，起動過程時間、排氣溫度峰值等，起動后發(fā)動機(jī)參數(shù)。本科目所需提取參數(shù)包括發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總線中的“停車”、“飛行”、“起動機(jī)接通”等開關(guān)量，以及燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速Ng、動力渦輪轉(zhuǎn)速Np、燃?xì)鉁u輪后溫度T45、油耗Wf等發(fā)動機(jī)參數(shù)，氣壓高度Hp、指示空速Vi、大氣總溫Tht等平臺參數(shù)。提取邏輯如下：

首先根據(jù)開關(guān)量變化確定5個關(guān)鍵時刻：

(1)發(fā)動機(jī)停車時刻Tft：“停車”信號由0變1時；

(2)發(fā)動機(jī)起動時刻Tfq：“停車”信號由1變0時；

(3)起動機(jī)脫開時刻Tqt：“起動機(jī)接通”信號由1變0時；

(4)發(fā)動機(jī)起動終點(diǎn)時刻Tfz：Ng轉(zhuǎn)速大于自立轉(zhuǎn)速時；

(5)地慢轉(zhuǎn)飛行時刻Tfx：“飛行”信號由0變1時。

依據(jù)關(guān)鍵時刻，按如下方式提取各關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

(1)停車前發(fā)動機(jī)參數(shù)：Tft時刻前若干秒的Ng、Np、T45、Wf數(shù)據(jù)；

(2)轉(zhuǎn)子慣性時間：由Tft至Ng、Np轉(zhuǎn)速分別降至給定值的時間；

(3)冷卻時間：由Tft至T45溫度低于允許起動溫度的時間；

(4)起動時刻參數(shù)：Tfq時刻的Hp、Vi、Tht、T45數(shù)據(jù)；

(5)停車時間：Tfq與Tft之間的時間間隔；

(6)起動機(jī)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：Tqt時刻的Ng轉(zhuǎn)速；

(7)起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時間：Tqt與Tfq之間的時間間隔；

(8)起動時間：Tfz與Tfq之間的時間間隔；

(9)T45最大值：從Tfq至Tfz+30 s的時間內(nèi)T45的最大值；

(10)起動后發(fā)動機(jī)參數(shù)：Tfx時刻前若干秒的Ng、Np、T45、Wf數(shù)據(jù)。

起動統(tǒng)計方法示意圖如圖2。

此類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計邏輯較為繁雜，需要根據(jù)飛行手冊和數(shù)據(jù)處理方法，人工分析明確的統(tǒng)計邏輯，選取合理的開關(guān)量，再根據(jù)各開關(guān)量確定的關(guān)鍵時刻明確關(guān)鍵數(shù)據(jù)的提取邏輯。將統(tǒng)計邏輯顯性化更有利于數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)化，也是采用計算機(jī)完成數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ)。

2.3 不含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類

此類數(shù)據(jù)統(tǒng)計的特點(diǎn)是在試驗中需提取動作段數(shù)據(jù)，但動作段的起終點(diǎn)沒有開關(guān)量信號可作為判斷依據(jù)，需要根據(jù)某些參數(shù)的變化規(guī)律來判定統(tǒng)計條件是否成立。不含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類科目的提取方法為從原始數(shù)據(jù)第一行開始向后遍歷，在每個時間點(diǎn)判定統(tǒng)計條件是否成立，成立后提取相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

較為典型的不含觸發(fā)信號的局部統(tǒng)計類科目如發(fā)動機(jī)工作參數(shù)測定。該科目的主要目的是測取發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工作時的參數(shù)，形成發(fā)動機(jī)性能曲線。科目所需提取的信息為發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速Ng、動力渦輪轉(zhuǎn)速Np、燃?xì)鉁u輪后溫度T45、發(fā)動機(jī)扭矩Q、油耗Wf等發(fā)動機(jī)參數(shù)，氣壓高度Hp、大氣總壓Pht、大氣總溫Tht等平臺參數(shù)。提取邏輯如下：

圖3工作參數(shù)測定統(tǒng)計方法流程圖

首先判定發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)，從當(dāng)前時刻統(tǒng)計前30 s區(qū)間內(nèi)的Hp、Ng、Q等關(guān)鍵參數(shù)，判定區(qū)間內(nèi)參數(shù)最大值、最小值之差是否超出給定的波動區(qū)間。若超出區(qū)間，則非穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入下一時刻；若未超出區(qū)間，則判定為穩(wěn)定狀態(tài)。接下來對穩(wěn)定狀態(tài)下所有關(guān)注參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計平均，得到的平均值作為本區(qū)間的工作參數(shù)測定結(jié)果。為了避免在同一穩(wěn)定時間段重復(fù)統(tǒng)計，輸出結(jié)果后將時間點(diǎn)后移30 s，再進(jìn)行下一狀態(tài)點(diǎn)統(tǒng)計。工作參數(shù)測定統(tǒng)計方法流程圖如圖3。

此類數(shù)據(jù)統(tǒng)計的難點(diǎn)在于給定判定統(tǒng)計條件成立的判據(jù)，若是判據(jù)過于寬泛，獲取的數(shù)據(jù)中易夾雜質(zhì)量較差的區(qū)段，若是判據(jù)過于嚴(yán)苛，則統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)數(shù)量可能較少。這需要根據(jù)數(shù)據(jù)要求和試飛工程師的實踐經(jīng)驗設(shè)定合理的統(tǒng)計判據(jù)。

3 結(jié)語

針對迅速增長的年試飛架次數(shù)，研究出一種試飛數(shù)據(jù)處理方法，通過分析數(shù)據(jù)特征，將常見試飛科目分為三類，設(shè)計了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提取方法，提供了參考樣例。本方法顯著提高了數(shù)據(jù)處理效率，并將數(shù)據(jù)處理過程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，有利于未來智能數(shù)據(jù)分析的實現(xiàn)。