重著陸的客戶化報文設(shè)計及事故原因分析

蔡坤燁，蔡 景，黃世杰

(南京航空航天大學民航學院，江蘇 南京 211106)

由于地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)日益成熟，因此飛機可以通過飛機通信尋址與報告系統(tǒng)(aircraft communications addressing and reporting system，ACARS)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。地空數(shù)據(jù)傳輸主要用于將飛機狀態(tài)參數(shù)以報文的形式傳輸?shù)降孛?，從而實現(xiàn)對飛機狀態(tài)的實時監(jiān)控,因此通過設(shè)計客戶化報文實現(xiàn)對具有潛在重著陸事件的航班進行診斷，并以觸發(fā)報警的方式及時提醒機務(wù)人員進行故障排查，對降低飛機維修的經(jīng)濟成本具有重要意義。目前國內(nèi)對報文的研究已趨于成熟。曹惠玲等[1]分析了ACARS報文數(shù)據(jù)與快速訪問記錄器(quick access recorder，QAR)數(shù)據(jù)的同源性，并提取發(fā)動機穩(wěn)態(tài)中的數(shù)據(jù)進行可靠性檢驗和誤差分析。Sun[2]介紹了ACARS下行報文的兩種識別方法以及相關(guān)應(yīng)用，成功減少了維修停機事件，提高了維修效率。同時，飛機運營商不滿足僅由飛機制造廠商提供的報文，已通過對報文的設(shè)計、編輯、研究，制定出客戶化報文以滿足個性化需求。在報文客戶化研究中，丁銳等[3]通過客戶化報文設(shè)計實現(xiàn)了對發(fā)動機滑油消耗的監(jiān)控，并通過設(shè)定閾值實現(xiàn)多級警報。陳新霞等[4]應(yīng)用報文編程技術(shù)實現(xiàn)了對左右發(fā)動機的加速異常監(jiān)測。徐爽等[5]則通過分析引氣系統(tǒng)的故障機理設(shè)計出引氣故障的客戶化報告，通過ACARS傳輸報文實現(xiàn)故障的在線檢測。

報文客戶化需要對故障機理、形成原因以及各參數(shù)指標有充分的了解，并通過自定義報文參數(shù)記錄以及邏輯觸發(fā)條件實現(xiàn)對專門的事件進行監(jiān)控?？蛻艋膱笪囊髨笪挠|發(fā)準確，記錄的參數(shù)能夠表征事故發(fā)生原因。本文通過對報文的設(shè)計與制定的研究，實現(xiàn)重著陸客戶化報文，并通過計算報文記錄重著陸影響參數(shù)的序列數(shù)據(jù)與評價指標之間的相關(guān)性系數(shù)進行排序，得到與指標最相關(guān)的影響參數(shù)，可用于輔助機務(wù)人員定位事故發(fā)生原因以及排除故障等工作。

1 重著陸的判斷條件

目前，航空公司對重著陸的診斷主要依靠以下2種方式：1)判斷機組人員在著陸過程中是否出現(xiàn)明顯頓挫感；2)判斷15號載荷報(load report)中的垂直加速度(VRTG)值是否超限?？湛凸驹陲w機維修手冊(aircraft maintenance manual,AMM)中對重著陸有明確的定義，根據(jù)定義可以明確重著陸的各項參數(shù)指標，同時更加細化客戶化報文的觸發(fā)邏輯。在A320的維修手冊中給出以下重著陸判定標準，并對重著陸進行了詳細的分類。

1)超重著陸。

當飛機著陸重量大于最大著陸重量時，垂直加速度大于等于1.70g且小于2.60g，或者垂直下降率大于等于6 ft/s(英尺/秒)且小于13 ft/s。

2)嚴重超重著陸。

當飛機著陸重量大于最大著陸重量時，垂直加速度大于2.60g，或者垂直下降率大于等于13 ft/s。

3)硬著陸。

當飛機著陸重量小于等于最大著陸重量時，垂直加速度大于等于2.60g且小于2.86g，或者飛機垂直下降率大于等于10 ft/s且小于14 ft/s。

4)嚴重硬著陸。

當飛機著陸重量小于最大著陸重量時，垂直加速度大于2.86g，或者飛機垂直下降率大于等于14 ft/s。

5)高俯仰速率著陸。

飛機俯仰變化率大于10 (°)/s。

根據(jù)以上重著陸判定標準，將著陸重量(GW)以及飛機著陸階段的垂直加速度(VRTG)、垂直下降率(ALT_RATE)、俯仰率(PITCH_RATE)這4個參數(shù)用于編輯客戶化報文觸發(fā)條件。

此外，通過對重著陸形成機理的分析可以得到影響重著陸是否發(fā)生的相關(guān)參數(shù)，從而能夠通過豐富報文記錄參數(shù)更好地輔助機務(wù)人員進行故障排除。陳思、聶磊等[6-7]將重著陸分為下滑、拉平、平飄、接地和滑跑等5個階段，分別闡述了飛機在這幾個階段中飛行員的人為因素以及外界環(huán)境因素對重著陸造成的影響，得到共計22個飛機重著陸的影響參數(shù)，具體見表1。

表1 重著陸影響參數(shù)表

2 客戶化報文設(shè)計

2.1 報文驗證

本文基于以上的重著陸判定條件分析進行客戶化報文設(shè)計，圖1給出了報文設(shè)計的流程圖。其中，在parameter中設(shè)計了一個用于監(jiān)測飛機是否發(fā)生彈跳的參數(shù)，在event中基于重著陸判定條件設(shè)計了報文的觸發(fā)邏輯；同時豐富了報文下發(fā)的記錄參數(shù)，使得下發(fā)報文更能說明重著陸的形成原因。將設(shè)計好的客戶化報文應(yīng)用于實際的航班監(jiān)控中，可以發(fā)現(xiàn)該報文能夠正確監(jiān)測到含有重著陸事故的航班。

圖1 客戶化報文制定流程

2.2 報文驗證

本文選取某航空公司發(fā)生重著陸事件的航班數(shù)據(jù)以及另外幾次正常航班的航班數(shù)據(jù)，通過譯碼軟件對航班數(shù)據(jù)進行譯碼，并將滿足邏輯條件的航班及事件編號在Analysis界面中顯示出來。最后判定結(jié)果如圖2所示。

圖2 重著陸事件驗證結(jié)果

從圖中可以觀察到只有一個航班的重著陸事件被觸發(fā)，驗證了重著陸客戶化報文觸發(fā)的準確性。同時，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的報文將重著陸事件發(fā)生前后10 s的數(shù)據(jù)以報文的形式保存下來。觀察重著陸的各個評價指標參數(shù)按時間序列的變化情況，可知該次重著陸事件是由于VRTG值過大而產(chǎn)生的，具體變化情況如圖3所示。

圖3 重著陸事件航班的VRTG值變化情況

VRTG值的峰值達到1.977g，依據(jù)重著陸判斷分類標準可以確定是超重著陸事故，需要進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)檢查。

3 相關(guān)性分析

對報文記錄參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性分析能夠得到與重著陸評價指標參數(shù)的相關(guān)性排序，可用于分析重著陸事故發(fā)生的原因。

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度理論描述

灰色關(guān)聯(lián)分析(grey correlation analysis，GCA)是灰色系統(tǒng)理論的一個分支[8]。其基本思想是根據(jù)被比較的序列曲線與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線之間的幾何相似程度來確定比較數(shù)列集與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，幾何形狀越相似則其關(guān)聯(lián)度越大[9-10]。

灰色關(guān)聯(lián)度算法是基于信息論的一種算法，計算公式如下：

式中：X0為參考序列；Xi為被比較的數(shù)列；γ(X0,Xi)為X0與Xi的灰色關(guān)聯(lián)度；X0(k)為母序列；Xi(k)為子序列。灰色關(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi)常簡記為γ0i,k點關(guān)聯(lián)系數(shù)γ[X0(k),Xi(k)]可簡記為γ0i(k)。

灰色關(guān)聯(lián)度的計算步驟如下：

1)求各參數(shù)序列的初值像或均值像。令

2)求差序列Δi(k)。記：

3)求兩級最大差M和最小差m。記：

M=maximaxkΔi(k)

m=miniminkΔi(k)

4)求關(guān)聯(lián)系數(shù)γ0i(k)：

式中：ε為分辨系數(shù)。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

將某航空公司重著陸事故的航班下發(fā)的報文數(shù)據(jù)作為輸入，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析獲得了各參數(shù)之間的相關(guān)性熱力圖，如圖4所示。圖中TRKANGEL為航跡角度，GW為飛機全重，RUDD為方向舵角度，ELEVE1為左升降舵角度，VRTG為垂直下降加速度。

圖4 與VRTG參數(shù)高相關(guān)性的參數(shù)排序

盡管不同的機型、不同的環(huán)境下飛機的操作手法不同，但導(dǎo)致重著陸事故的因素大致有以下2個原因：外部的環(huán)境因素和飛行員自身因素。飛機重著陸容易使飛機發(fā)生尾翼擦傷[11]。

圖中與VRTG存在著高相關(guān)性的其余4個參數(shù)分別為GW、RUDD、TRKANGEL、ELEVE1。其中，GW與VRTG具有最高的相關(guān)性系數(shù)0.95，其余3個參數(shù)分別記錄了飛機的方向舵角度、航跡角度以及左升降舵角度。這些參數(shù)都用于表征飛機的航姿，因此可以判斷出該起事故是由飛行員操作不規(guī)范導(dǎo)致的重著陸事件。而根據(jù)與重著陸判斷參數(shù)相關(guān)性最高的記錄參數(shù)可推斷出飛機隱藏的損傷部位，作為飛機檢查的依據(jù)。因此，在該重著陸事故中，除了飛機機腹蒙皮出現(xiàn)褶皺這些通過一般目視可觀察到的飛機損傷外，還需要對飛機的機翼做結(jié)構(gòu)檢查等工作。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的重著陸客戶化報文已通過驗證，能夠預(yù)警到重著陸事故的發(fā)生，并可利用下發(fā)的報文數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，從而指導(dǎo)飛機的維修檢查。在數(shù)據(jù)分析過程中僅通過相關(guān)性系數(shù)排名得到與重著陸評價指標的高相關(guān)性參數(shù)作為飛機損傷檢查的依據(jù)，但仍存在不足，可通過豐富的報文數(shù)據(jù)進一步挖掘數(shù)據(jù)與故障之間的聯(lián)系，進行相關(guān)的研究。