基于ATG實報的空中顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)設(shè)計*

王占海 陳奇 馮天美 陳璞

(中國民航局航空事故調(diào)查中心 北京 100028)

0 引言

據(jù)FAA統(tǒng)計，民航事故和意外事件中與天氣有關(guān)的，70%是由顛簸造成的[1]。中國民航在2013—2018年期間，運輸航空報告顛簸事件678起，其中顛簸傷人事件46起，旅客受傷145人，乘務(wù)員受傷66人[2]。而此期間，中國民航運輸航空發(fā)生的兩起事故中(2015年5月10日幸福航空MA60飛機在福州機場偏出跑道事故，2018年8月16日廈航B737飛機在馬尼拉偏出跑道事故)受傷僅2人。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在近年民航非亡人事故中，顛簸是導(dǎo)致機上人員受傷的主要原因。

2004年，IATA對顛簸導(dǎo)致傷害的案例進行研究，發(fā)現(xiàn)41%的傷害發(fā)生在預(yù)報的已知顛簸中，64%的乘務(wù)員受傷是由于顛簸時在客艙中沒有固定站立導(dǎo)致的。顛簸預(yù)報不準(zhǔn)、時效性差，駕駛艙與客艙信息傳遞梗阻是導(dǎo)致傷害的主因。因此，提升顛簸預(yù)報準(zhǔn)確度、優(yōu)化空中顛簸信息傳遞方法，對大幅降低顛簸傷害有著重要的實踐應(yīng)用意義。

本文在分析造成顛簸傷害事件原因的基礎(chǔ)上，提出建立基于ATG(Air to Ground，地空寬帶通信)實報的空中顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)設(shè)計方案，以期降低顛簸傷害事件。數(shù)據(jù)測試證實了所提系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性與有效性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

(1)顛簸預(yù)報方面

國內(nèi)民航顛簸預(yù)報主要使用氣象云圖。例如國家氣象局公共服務(wù)中心依靠衛(wèi)星云圖研發(fā)了相關(guān)顛簸預(yù)報產(chǎn)品，結(jié)合空管局氣象中心提供的飛行員報告進行顛簸預(yù)報。由于缺乏客觀、高精度的實報數(shù)據(jù)，顛簸預(yù)報精度較差。

航空公司主要依靠SIGMET圖(Significant Meteorological Information，重要氣象資料圖)、飛行計劃中的“顛簸指數(shù)”和其他顛簸預(yù)報產(chǎn)品進行顛簸預(yù)防。SIGMET圖由于地理范圍大，均為圖像形式，顛簸風(fēng)險源識別由人工方式進行主觀分析，其可辨識性、準(zhǔn)確性和效率均較低?！邦嶔ぶ笖?shù)”目前普遍稱為WS(Wind Shear，風(fēng)切變)指數(shù)，其測算原理是根據(jù)氣象數(shù)據(jù)模型，比較兩個高度層風(fēng)向風(fēng)速的變化來判斷垂直風(fēng)切變可能性。如果顛簸指數(shù)大表示遇到晴空顛簸的可能性大，如果顛簸指數(shù)小顛簸強度也不一定弱，還要考慮到水平風(fēng)切變、溫度梯度、急流軸等因素的影響，所以顛簸指數(shù)并不能精確表示顛簸強度。此外，氣象服務(wù)商也有一些顛簸預(yù)報產(chǎn)品，但由于所依靠的氣象衛(wèi)星和氣象預(yù)報模式不同，各產(chǎn)品預(yù)報數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性都有其弱點。

另外，氣象預(yù)報的更新頻率普遍為6 h，天氣變化數(shù)據(jù)滯后，嚴重影響顛簸區(qū)域預(yù)報的準(zhǔn)確性。同時，由于缺乏高速地―空數(shù)據(jù)傳輸鏈路，氣象預(yù)報數(shù)據(jù)只能在起飛前更新，空中不能實時傳遞，導(dǎo)致長航線空中無法接收顛簸預(yù)報數(shù)據(jù)。

(2)顛簸實報方面

現(xiàn)有空中顛簸實報系統(tǒng)主要依靠PIREP(Pilot Report，飛行員報告)來修正顛簸預(yù)報，PIREP將顛簸強度分為“沒有”、“輕”、“中”、“重”和“嚴重”，屬于飛行員主觀的顛簸感受反饋報告。目前，受設(shè)備、技術(shù)等制約，缺乏客觀的顛簸實況反饋，修正預(yù)報作用微小。

國內(nèi)也有個別航空公司采用了EDR(Eddy Dissipation Rate，渦流耗散率)作為顛簸實報的參數(shù)，例如廈門航空和山東航空，它們通過機載計算機使用飛行參數(shù)計算EDR，當(dāng)EDR大于臨界值時則通過ACARS下傳到地面進行顛簸實報。由于部署規(guī)模有限，數(shù)據(jù)量積累較少，使用仍處于探索階段。且通過ACARS傳輸EDR數(shù)據(jù)，一架飛機的通訊費約為每年1萬元人民幣，大面積推廣成本較高。

(3)顛簸管理方面

當(dāng)前，飛行中對于顛簸風(fēng)險源的傳遞基本依賴口述的方法完成，遵循“運控-機長-客艙主任乘務(wù)長-區(qū)域乘務(wù)長-乘務(wù)員”的路徑傳遞，導(dǎo)致地面、飛行駕駛艙和客艙的顛簸信息無法同步傳遞，風(fēng)險源在傳遞過程中極易失真，失真后客艙安全措施無從加載，顛簸危害時有發(fā)生。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

(1)顛簸預(yù)報方面

NCAR (The National Center for Atmospheric Research，美國大氣研究中心)研發(fā)了圖形化顛簸引導(dǎo)產(chǎn)品(GTG)。GTG是一款供航空氣象預(yù)報員使用的自動化顛簸預(yù)報和分析系統(tǒng)，目前產(chǎn)品可以預(yù)報610 m以上的晴空顛簸(CAT)，610 m以下的CAT以及由對流引起的顛簸預(yù)報正在研發(fā)中。

(2)顛簸實報方面

美國很早就使用PIREP報告來提供空中顛簸實報，由于報告時主要依據(jù)主觀感受進行判斷，在顛簸強度、位置和時間方面報告很不精確，因此無法依據(jù)PIREP報告繪制大氣顛簸地圖。為了解決這個問題，NCAR研發(fā)了一種空中顛簸報告算法，并在約200架飛機上應(yīng)用。這種算法通過EDR評估顛簸強度，EDR來自垂直風(fēng)速或垂直過載計算，每分鐘的平均EDR和峰值EDR會按照用戶設(shè)定的間隙通過空-地數(shù)據(jù)鏈傳到地面，顛簸報告精度可達10 km，這樣的精度遠高于PIREP。由于EDR與機型無關(guān)，所以EDR數(shù)據(jù)很適合修正顛簸預(yù)報[3]。

除了EDR，最大可獲取的DEVG(Derived Equivalent Vertical Gust，當(dāng)量垂直風(fēng)速度)也可以作為報告顛簸的方法，目前澳洲航空和英國航空部分波音747-400型飛機安裝此類顛簸報告算法。雖然DEVG與機型無關(guān)并可換算成EDR，但由于DEVG不是一個大氣顛簸強度的單位，所以對于氣象預(yù)報應(yīng)用而言，其適用性不如EDR。

EDR最初由MACCREADY提出[4]，證明EDR與垂直過載的均方根成線性關(guān)系，并推薦EDR作為顛簸報告的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)。ICAO(International Civil Aviation Organization，國際民航組織)認可EDR作為衡量大氣渦流強度的指標(biāo)[5]，并在ICAO氣象專業(yè)會議(2014年蒙特利爾)、《國際導(dǎo)航氣象服務(wù)》(ICAO附件3)和《避免晴空顛簸》(FAA咨詢通告AC00-30C)中均說明使用EDR作為顛簸強度的指標(biāo)。目前，EDR已在美國聯(lián)合航空公司(UAL)B737-300、B757-200和達美航空公司(DAL)B737-700/800、B767-300/300ER/400ER飛機上部署，其中UAL使用飛機加速度數(shù)據(jù)結(jié)合飛機響應(yīng)模型計算EDR，而DAL使用飛機參數(shù)計算的垂直風(fēng)得出EDR，同時使用了復(fù)雜的質(zhì)量控制算法。2012年，兩家公司提供的EDR報告總和是PIREP報的30倍之多。

NCAR正在研究使用飛機下傳的EDR數(shù)據(jù)與預(yù)報數(shù)據(jù)進行融合，將重合區(qū)域的權(quán)重增大，從而提升最終預(yù)報精度[6]。另外，空中客車公司(Airbus)也研發(fā)了EDR計算程序，目前與新加坡航空公司合作在A380飛機上部署并測試。IBM旗下的氣象公司推出的Total Turbulence產(chǎn)品，通過TAPS(Turbulence Auto PIREP System，顛簸自動報告系統(tǒng))軟件使用機載數(shù)據(jù)計算實時顛簸數(shù)據(jù)并下傳，然后對簽派員和機組發(fā)出顛簸預(yù)警。

2 基于ATG實報的空中顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)設(shè)計

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，提出構(gòu)建空中顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由空中顛簸預(yù)警數(shù)據(jù)平臺和空中顛簸管理平臺組成，見圖1所示。

圖1 基于ATG實報的空中顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)流程

2.1 空中顛簸預(yù)警數(shù)據(jù)平臺

顛簸預(yù)警數(shù)據(jù)平臺主要由ATG網(wǎng)絡(luò)和QAR(Quick Access Recorder，快速存取記錄器)數(shù)據(jù)計算EDR地面服務(wù)器組成。工作流程為：由ATG網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)空地通訊，實時回傳空中飛機QAR數(shù)據(jù)，通過地面服務(wù)器完成QAR計算EDR，EDR再通過ATG上傳至空中為后續(xù)飛機提供預(yù)警。飛機作為傳感器探測實際顛簸發(fā)生的位置和強度，來提供顛簸實報，從而提高氣象預(yù)報數(shù)據(jù)精度和實時性，準(zhǔn)確識別顛簸風(fēng)險源，如圖2所示。

圖2 空中顛簸預(yù)警數(shù)據(jù)平臺示意

(1)ATG網(wǎng)絡(luò)

ATG地空寬帶通信技術(shù)采用4G/5G無線標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)，組成可以覆蓋航線的宏蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)空地之間的寬帶數(shù)據(jù)連接。目前，中國民航已完成“北京-成都”航路的地面臺站和地面核心網(wǎng)管中心建設(shè)。下一步將建設(shè)7條航線的地面臺站，并在中國民航科學(xué)技術(shù)研究院(中國民航局航空事故調(diào)查中心)建成地面實時數(shù)據(jù)中心。

(2)基于QAR的EDR算法研究

每架飛機QAR數(shù)據(jù)記錄了航班整個航線所有的氣象數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量大、范圍廣、精度高、更新快，通過QAR海量數(shù)據(jù)計算EDR可以提高顛簸預(yù)報準(zhǔn)確度。在參考NCAR的EDR算法[7]和荷蘭航空技術(shù)研究中心的EDR算法[8]基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于中國民航QAR數(shù)據(jù)進行地面計算EDR的算法模型，實現(xiàn)QAR數(shù)據(jù)計算EDR。

QAR數(shù)據(jù)計算EDR中，真空速、左右攻角、俯仰角變化率、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、垂直速度、高度8個飛行參數(shù)作為EDR計算依賴參數(shù)，日期和時間、機型、馬赫數(shù)、靜溫、經(jīng)度緯度、襟翼手柄角度、垂直過載、重量、風(fēng)速、風(fēng)向10個參數(shù)作為比較驗證參數(shù)。通過對EDR依賴參數(shù)進行線性插值使其滿足8 Hz采用頻率要求。另外，因為QAR數(shù)據(jù)中的真空速TAS是使用馬赫數(shù)和靜溫計算得來的，需要利用式(1)進行校正，這可使真空速更可靠。

(1)

EDR算法參考了NCAR的機體風(fēng)算法[7]，但受Airbox(QAR譯碼軟件)譯碼引擎限制，計算周期采取4 s計算一次EDR，而非NCAR的5 s計算一次。

對機體風(fēng)進行加窗計算，得到wdw。再將wdw從時域轉(zhuǎn)換到頻域，即通過對機體風(fēng)采用FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏變換)得到實際能量譜密度，再計算理論能量譜密度，最后依據(jù)最大似然法[10]得到EDR，即

(2)

本文使用Airbox軟件，將EDR算法以lua腳本的形式嵌入Airbox計算引擎，即可進行EDR計算驗證。

2.2 空中顛簸管理平臺

空中顛簸管理平臺通過后臺云服務(wù)，將運算出來的EDR航路顛簸信息通過圖形化界面直觀顯示給用戶，著重解決將飛行過程中獲得的顛簸報告變成飛行員和乘務(wù)員能接受的可視化提醒。顛簸管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 顛簸管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

其中，顛簸風(fēng)險管理系統(tǒng)APP基于蘋果公司的iPad運行，軟件分為飛行界面、客艙界面，乘務(wù)員界面如圖4所示。

圖4 顛簸風(fēng)險管理系統(tǒng)APP乘務(wù)員界面

通過APP，用戶提交航班號，輸入起飛時間，系統(tǒng)即自動對飛行過程中可能遇到的顛簸風(fēng)險進行提醒。根據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，計算可靠的服務(wù)時段，根據(jù)服務(wù)時段和顛簸的重疊情況，智能決策是否簡化服務(wù)流程，最終計算出最佳的服務(wù)時段。同時，通過顛簸發(fā)生的時間，進行數(shù)據(jù)反饋，修正后臺預(yù)報數(shù)據(jù)。

管理平臺可以自動地統(tǒng)籌管理飛行顛簸中的人(簽派員、飛行員、乘務(wù)員、旅客)-機(顛簸風(fēng)險管理工具)-環(huán)(顛簸風(fēng)險源、氣象預(yù)報數(shù)據(jù))三大要素，使顛簸風(fēng)險源信息在地面簽派、飛行員和客艙乘務(wù)員間實時傳遞和同步。

3 飛行驗證結(jié)果

3.1 顛簸預(yù)警數(shù)據(jù)平臺

實現(xiàn)了利用ATG實時下傳QAR數(shù)據(jù)，地面數(shù)據(jù)中心基于此數(shù)據(jù)批量計算EDR值，計算結(jié)果直接發(fā)送到空中同一航路的后續(xù)臨近航班，航班上的顛簸管理系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后會實時更新顛簸風(fēng)險源，再通過顛簸管理平臺對顛簸進行有效管理。同時實時EDR數(shù)據(jù)會反饋到預(yù)報系統(tǒng)，修正后的預(yù)報數(shù)據(jù)又會通過ATG定期更新到飛機上。

實驗數(shù)據(jù)案例[2]：2019年1月8日，B737-800飛機執(zhí)行蘭州至杭州航班，P16附近，爬升高度通過8 000 m時，飛機遭遇中度以上顛簸。5 min后，機組接乘務(wù)長通知，一名旅客眼部受傷，血流不止，機組決定備降西安。安全落地后，旅客由救護車送往醫(yī)院。該旅客系顛簸時從座位上彈起，碰到行李架，致使眼鏡破裂，劃傷右眼眼眶。

該機通過ATG實時下傳QAR數(shù)據(jù)，地面計算EDR可以發(fā)現(xiàn)，在高度穿越8 000 m時出現(xiàn)顛簸，期間EDR最大值達到0.49，垂直過載在0.661～1.282之間強烈變化，按ICAO標(biāo)準(zhǔn)，屬于中度顛簸，如圖5所示。

圖5 EDR值及高度分布

實際飛行案例證實：飛行中所遭遇的顛簸位置及強度與利用ATG實時下傳QAR數(shù)據(jù)計算的EDR值相吻合，證實了EDR算法的準(zhǔn)確性及顛簸預(yù)警數(shù)據(jù)平臺的有效性。

3.2 顛簸管理平臺

2016年與2017年的顛簸高發(fā)季節(jié)(雷雨)進行了近兩萬航班的實際飛行驗證，包括國內(nèi)、中歐、中澳和中美航線，識別風(fēng)險源108 762個，未發(fā)生傷人事件。

此外，航空事故調(diào)查中心使用該顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)在南方航空、廈門航空進行了兩年的航線驗證，通過收集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)42.5%的顛簸事件可以通過該顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)進行有效的預(yù)防。

4 結(jié)語

基于ATG實報的空中顛簸預(yù)防管理系統(tǒng)解決了風(fēng)險源識別不準(zhǔn)、風(fēng)險不能有效管理等問題，提高了顛簸風(fēng)險預(yù)報精度，使顛簸風(fēng)險源信息可在地面簽派情報部門、飛行員和客艙乘務(wù)員間實現(xiàn)一站式傳遞和同步,提升了航空運行安全與客艙服務(wù)質(zhì)量。通過實際驗證，該系統(tǒng)可有效降低顛簸傷害事件的發(fā)生，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行全過程顛簸閉環(huán)管理。該技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于氣象服務(wù)、航空節(jié)油等諸多領(lǐng)域，也必將成為提升航空安全管理水平的有效途徑。