现代民机告警系统综述

李磊

摘 要：现代民用飞机告警系统是驾驶员与飞机最主要的接口之一，对飞行员了解飞机各系统状态，持续安全飞行提供了重要操作依据。该文简述了告警系统的发展历史，介绍了告警系统的定义，对业界易混淆的相近术语进行区分说明，细化告警系统的主要作用，明确划分告警系统现有的三种工作模式，以两种常见角度对告警系统进行分类并以国外现有飞机型号举例，最后对现有适航条款要求进行说明。对能够全面了解现代民机告警系统，后续优化告警系统设计起到帮助。

关键词：告警系统 音响警告 空中交通告警和防撞系统 近地告警系统

中图分类号：V211 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0015-03

驾驶舱告警系统应通过让机组尽早认识到飞机系统或部件的状态或故障以及机组操作失误来提高飞行的安全性。因此，驾驶舱告警系统与飞机构型、飞行阶段以及飞机系统相关。为了实现其功能，驾驶舱告警系统必须引起机组的注意力，必须清晰地表明问题的性质和根源，而且必须高度可靠，并充分反映运行要求及环境。如果可能的话，应尽可能为飞行员提供相应的错误纠正指引。

1 告警系统的定义

目前对于警告系统的定义还没有统一的覆盖业界所有范围的标准。人为因素专家Amy R.Pritchett给出的告警系统的定义如下：“警告系统是一个能够监控、发现和通告将影响操作人员近期活动（据操控人员或系统设计师预测）情况的电子机械系统。”

根据不同的范围及定义，还有告警、警告、警戒及警报等不同的词语，为避免与告警级别中的警告级别产生混淆，该文内对Warning System的理解均使用“告警系统”这一说法。“警告”一词用来表示Warning级别的告警，“警戒”一词用来表示Caution级别的告警，用以区别。Alert一词也通常理解为告警，用与上述告警系统定义相匹配。

2 告警系统的发展

在迄今为止告警系统的发展过程中，主要经历了两个阶段和三种模式，下面作以简单介绍。

20世纪70年代中期以前，民用飞机警告技术的特点是：独立仪表多，各种信息分散而杂乱；告警范围不完备，通常只能进行设备故障的警告而没有周边环境形势的警告，更不能给出处置建议或指导；警告设备技术水平低，设备可靠性及系统安全性相对不高。

20世纪70年代中期以后，随着电子技术的巨大发展和多种探测技术应用到航空领域，安全警告技术出现了重大突破，这就是电子飞机中央监控系统或发动机指示机组警告系统、近地警告系统、空中交通警戒与防撞系统、预警性风切变警告等。现代飞机安全警告技术的特点是：告警信息集中，集成化、综合化程度高；告警范围全面，不仅孟包括设备故障告警和环境形势告警，还包括文字说明、建议、指导等；设备技术水平高，可靠性及系统安全性高；误报警率显著降低；人机工效飞速改善；高度自动化，降低驾驶员工作负荷。

根据不同的告警作用，告警系统主要有以下三种模式，从简单的探测到复杂的化解机制。

2.1 信息探测告警

如图1所示，信息探测告警是最基本的告警模式。告警监控系统在采集到飞机或环境信息后，将信息进行逻辑判断，与限值进行比较，当超出限值规定的告警门限值后，判断告警级别及类型，启动告警，再通过驾驶舱告警输出设备实现告警输出。通常的做法是将监控探测系统的输入信号也一并提供给飞行员，使告警和系统信息相联系的展现给飞行员。

通常情况下告警限值的设定由两方面来源。一种是设计系统时界定好的限值，例如最大运行速度/马赫数。另一种限值是由飞行员在特定环境下输入到告警系统内的，如场高和V1、VR等。

2.2 危险探测告警

如图2所示，作为危险探测告警模式的使用，当多系统或多信息输入告警系统时，首先进入预备告警阶段，能发现有信号超出告警限值，危险存在，但信号告警应该怎么表示或者是否需要表示，告警系统对多信息进行综合评定，给出危险评估，与预置的特定环境的告警限值进行比较。这些告警可能会全部、部分或者没有任何一个最终提供给飞行员。例如音响告警系统里面的告警优先级，被抑制掉的音响告警的告警环境可能还是一直存在，但是综合评估多告警音响发生时，有更高优先级别的告警音响需要发生，那么低级比音响告警的危险评估相对降低，被抑制不产生音响告警。

2.3 危险化解装置

如图3所示。最先进、最复杂的安全系统不光要具有告警的能力，还应该具有化解危险的能力。这样告警系统就可以引导飞行员将注意力放在解决告警的方法上。例如TCAS告警能够给出驾驶员爬升或下降的指令，近地告警可以发出拉起的告警指令。危险化解多用于状态变化较多的危险环境，对此类危险很难事先做好准确、细致的程序设定，还需要综合飞机多系统的综合因素考虑。

这三种模式的发展遵循时间科技的发展规律，但是因为有些告警系统不需很复杂的响应控制，所以现代飞机基本上三种模式共存的形式。

3 告警系统的功能

告警系统的主要用于唤起飞行员注意；说明事件性质；指导飞行员采取正确行动。

3.1 注意力获取

告警系统最普遍的也是研究最多的作用是注意力获取作用，即告警系统试图将飞行员的注意力引导到需要他们识别、分析和解决的信号偏差上。一般情况下，假设飞行员能仔细分析和深思熟虑，他们可能根据经验或对现实情况的了解对警告系统忽略或置之不理。

告警系统注意力获取的作用给驾驶舱配备了飞行机组无法提供的持续监控能力。如果要求操纵人员连续监控一个信号，很易于产生厌倦和疲劳，告警系统的通过不同级别、多感官的自动持续监控将操纵人员人为因素造成的影响降低最低。同时，告警系统尤其能辅助飞行机组发现许多情况，例如信号稍有的变化、飞机机组抽样调查之间的突然、快速的信号变化，揭示灾难性、危险性或不可逆转情况的信号，以上这些不良情况导致的巨大人员和/或经济上的影响要求设计时必须对其进行专门的监控。

3.2 飞行干扰

警告系统通常是被认为是个安全系统，用来探测没有被飞行机组发现的事件。为了防止因为漏报而造成的人员或者经济上的巨大损失，警告的临界值通常会设置在不可能有漏报发生的点上，但是代价就是有极高的误报率。

基于种种原因，误警告会变成一种干扰，从而导致飞行机组不做回应、延迟回应、关掉警告，或对警告系统产生怀疑直至忽视正确警告。

3.3 问题的最终裁决

正如飞行机组可能对告警系统过分依赖而不去监控有些情况一样，他们也可能会在警告发生前“发觉”将要发生的问题，但是还会将告警作为问题发生的最终裁定。

3.4 解决方法的评价者

大部分告警系统被认为是在非理想情况下发生时发出告警。此外，告警的消失还能作为问题何时被化解的衡量工具来使用，即作为解决方案的评价者。

3.5 超负荷工作

告警系统通常要将飞行机组的注意力引导到问题上，有事告警会给飞行机组增加过多的工作量并干扰驾驶任务，有时只是生理上的超负荷。由于告警的突出性，飞行员很难对其置之不理，而且还可能把告警项目放在更重要的任务的前面优先处理，取消原有的任务管理和计划。但是在减少超负荷方面，这种方法的有效性没有得到完全证实。

告警系统还可以作为期望的提示、任务管理助手、程序启动者、指令装置等的功能，这里不做详细叙述。

4 告警系统的两种分类

告警系统的分类可以有多种方式，最主要也是最常见的形式是按照系统分类和按照告警表现形式分类两种。

按照系统划分告警系统的分类方法可能会根据机型不同而有所差异，但是按照告警表现形式划分的结果通常情况下不会有太大的区别。在该文的其他章节的叙述中，均为将两种分类形式结合表述。下面按照这两种最常见的告警系统分类方式进行介绍：

4.1 按照系统划分告警系统

随着电子技术的迅速发展，现代中大型民用飞机航空电子系统已经高度智能化，有很多重要系统因为自身告警较多且独立，并且安全级别很高，适宜于在自身系统的独立计算机实现告警处理及发生后，通过音响及显示系统实施告警。这一类的告警系统有地形提示和警告系统TAWS、交通告警与防撞系统TCAS等。

还有一种最常见的告警称之为发动机指示与机组告警系统（EICAS），即空客的电子飞机中央监控系统（EACM），也是通常情况下讨论最多的告警系统之一。EICAS是通过在驾驶舱某一显示器（通常为多功能飞行显示或者发动机信息显示器）的特定区域内显示不同级别的告警信息和重要系统简图的形式，达到告知飞行员各系统非正常或正常状态告警及飞机不良构型的目的。告警根据不同飞机型号可达到数百条之多，基本上包括了飞机所有系统的故障信息，状态信息和特定飞行阶段的错误构型信息。

地形提示和警告系统TAWS能够有效的控制可控飞行撞地事故（CFIT）的发生。地形提示和警告系统TAWS核心是TAWS计算机，计算机中存储了各种警告方式的极限数据，通过计划当前航线并参考地形高度数据、障碍物数据和机场数据信息从而提供预测地形报警。地形提示和警告系统提供基于无线电高度表、大气压高度表、下滑道偏离和飞行配置信息实时输入的反应型地形警告。如果出现危险情况，地形提示和警告系统将给出视频和语音的报警来警告飞行员。地形提示和警告系统具有在仪表板上绘制显示地形上升图的功能。各种模式都附带仪表板上的清晰的语音和/或视频的信息。

交通告警与防撞系统（TCAS）旨在作为一种补充手段，帮助驾驶员探测附近有无飞机，并确定其作为一种空域感者的可能性。TCAS与空中交通管制应答机一起联合工作，为飞机提供附近空域飞机的飞行情况，预测飞机之间的潜在威胁，在飞机之间可能出现冲突时给予驾驶员告警，避免撞机事件的发生。

更多的系统则是采取通过中央警告系统来达到告警的目的。中央警告系统为飞机绝大多数的系统提供通用的告警平台。当某一系统功能失效或构型错误需要通过告警灯和告警语音告知驾驶员时，中央警告系统通过逻辑判断控制音响警告，实现驾驶舱音响告警的发出，并且/或者通过逻辑控制驾驶舱指示各面板上按钮灯的点亮来告知驾驶员各飞机系统的当前状态。早期的中央警告系统有独立的告警计算机，专门用来进行告警逻辑的运算、告警语音的发生和按钮灯的控制，随着航空电子的发展，系统集成化迅速，现代客机的中央警告系统的运算单元通常情况下驻留在中央计算机内，而音响发出功能通常由音频综合系统实现。

在中央警告系统的警告灯控制功能中，包括用于通用告警的主警告按钮灯和主警戒按钮灯，用来在遮光罩等最显著位置指示警告级别的告警和警戒级别的告警。

最后还有一个重要的方式是在主飞行显示器（PFD）显示的空速、高度等信息的告警。当空速或者高度在包线附近或者以外时，PFD的空速指示器或者高度指示器发出相应的告警指示并且必要时有语音告警。

按照上述分类特举Boeing787的一例。

Boeing787飞机的告警系统（Warning System）包括以下部分：

发动机指示和机组告警系统 （EICAS）

空速告警

尾翼撞击探测系统

起飞和着陆构型警告系统

模式控制板（Mode Control Panel，MCP）选择高度告警

机组告警监控

空中交通告警和防撞系统 （TCAS）

风切变告警

近地告警系统 （GPWS）

4.2 按照告警类型划分

告警级别的定义要根据功能危险分析中相应功能丧失的危害来设定，根据AMC25.1322要求，在不影响飞行，干扰飞行员操纵的情况下，要尽可能采取多感官的告警形式，从听觉，多视觉，甚至触觉发出告警信息。驾驶舱主要采取的告警类型为音响告警，视觉告警和触觉告警三类。通常情况，除了触觉告警不建议单独使用外，其他两类告警方式可以单独告警，更多的是相互配合使用达到最终告警的目的。

4.3 音响告警

通过采用在驾驶舱扬声器和/或飞行员耳机中发出告警音响的方式告知飞行机组此刻的飞机状态或所处环境。音响告警通常情况分为三种，即语音（Voice），引起注意的谐音（chime）以及离散音响音调（Tone），一般称为语音、谐音和音调。

语音告警：部分警告级别的故障或非正常构型在触发后，包括TAWS和TCAS，驾驶舱能会有合成的人声语音，告知机组提请注意。

谐音：在绝大多数警告级别和警戒级别的告警发生之前会有谐音用于引起注意。

音调：发出特殊音调表明飞机一种特定状态。比如AP接通，水平安定面配平等。工业界通常认为谐音并伴有告警信息显示或者是一个语音告警信息提供警告的方式优于音调告警的方式，所以强烈要求尽量减少使用音调告警。但是如果熟悉并且/或者习惯了需要用到特定的音调告警时，应该把音调告警的个数限制在4个以内并且要满足国际标准。

4.4 视觉告警

驾驶员85%以上的信息均来自视觉感知，视觉告警也是最为重要的告警方式之一。视觉告警能及时获得驾驶员的关注，并且不太容易引起误解，反映的信息量相对能比较大，范围广。视觉告警主要包含告警灯、机组告警信息和显示器上告警。

视觉告警通过不同的颜色定义不同影响级别的告警信息。

4.5 触觉告警

在飞机发出失速告警时，不光有语音和视觉告警，还会有振杆告警。但触觉告警通常不建议单独使用。

5 不同类型告警的功能组成部件

当某一功能丧失引发的危险会导致灾难性后果时，需要警告级别的告警产生；当某一功能丧失引发的危险会导致危险的后果时，需要警戒级别的告警产生。

5.1 警告

对于警告用于实现的告警和信息功能告警系统功能组成部件必须包括：主视觉告警，视觉信息，主音响告警（语音信息或特定的音调）。

一般认为，仅有少数告警中，主视觉和主音响告警不是必须需要的。

5.2 警戒

对于警戒用于实现的告警和信息功能告警系统功能组成部件必须包括：主视觉告警，视觉信息，主音响告警（语音警告或特定的音调）。

5.3 提示

对于提示用于实现的告警和信息功能告警系统功能组成部件必须包括：视觉信息-提示信息可能设置在飞行机组希望周期性查看信息的区域。

6 适航规定中的颜色标准

适航条款要求：通常红色和琥珀色/黄色为告警功能保留。除了机组告警功能，这些颜色必须被限制使用并且不能影响到机组告警。

对于离散的灯和指示器，红色和琥珀色/黄色的使用必须被专门的限制。规章将应用于这些颜色在告警系统和非告警系统的使用，包括在显示器和其他指示器上。特别说明的是一个显示器不一定是一个独立的硬件，可能包括一个恰当的隔离出来的区域或功能专门显示非告警功能。在驾驶舱内限制红色和琥珀色/黄色使用的目的是为了使这些颜色提供对相应的危险等级相匹配相应的及时指示。

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