基于飞行阶段主飞行显示信息的重构策略

周德新，田大成，崔海青

（中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300）

基于飞行阶段主飞行显示信息的重构策略

周德新，田大成，崔海青

（中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300）

民用飞机在飞行过程中如果主显示器出现故障，则不能显示信息。为了确保飞机可靠、安全的飞行，依据美国联邦航空局FAA的咨询通告AC25-11B提出的压缩重构策略，主显示器信息将平移压缩到相邻显示器上显示。针对这种显示模式，该文基于层次分析法AHP提出了按照飞行阶段进行主显示信息的重构策略。算例表明了按照飞行阶段进行主显示信息重构策略的有效性。

重构策略；飞行显示系统；飞行阶段；显示器故障

最初对重构飞行控制系统研究的启发，来自一些在飞行中飞机出现故障或损伤的飞行事例，其中的一些因飞机故障而失事[1]。飞机显示器主要用于显示飞机各相关子系统测量的参数，飞行员通过这些数据可实时了解和控制飞机的飞行状态。因此，当显示系统及其相关的系统或组件出现故障时，为了确保飞机的安全飞行，显示系统需重构，尤其是在某些紧张的飞行状态中，显示器还必须保证飞行员在极短的时间内准确地获取所需要的信息，进行及时、安全的操作。显示重构在法国空中客车公司研制的A380客机和美国波音公司研制的B-787宽体客机上，均已得到成功应用。文献[2]提出了按照不同作战任务阶段，重构显示系统界面布局的策略。可以说，重构技术对于飞行器来说，已经成为改善生存性、增强可靠性的重要标志之一[3]。

民航客机对主显示器故障的重构，都是把主显示信息全部压缩平移到相邻的显示器上显示，致使单显示器上显示过多信息，反而增加了飞行员的工作负荷，延迟了认知和判断的时间，降低了飞行安全。为此，采用了层次分析法分析主显示信息各参数在飞行阶段中的权重比，根据信息参数的权重比，进行飞机主显示器显示信息重构。

1 主显示器信息重构

1.1 主显示器信息

主飞行显示器PFD主要显示飞机飞行状态的信息，这些信息是完成飞行任务的必要数据，也是保证飞行安全的关键数据，主要包括空速、高度、姿态、垂直速度、航向等。这些参数以T形结构排列在飞机的主显示器上，直接显示在每个飞行机组成员的面前，如图1所示。

图1 PFD信息及布局Fig.1 PFD information and layout

由图可见，空速（airspeed）以数字的形式显示在主显示器的左侧，指示当前飞机飞行的速度；高度（altitude）以数字的形式显示在主显示器的右侧，指示当前飞机的高度；垂直速度（vertical speed）也以数字的形式显示在高度带的右侧，指示当前飞机在垂直水平面上的飞行速度；姿态（attitude）显示在主显示器的正中间，指示飞机的俯仰和横滚角度；航向（heading）显示在主显示器小地图上，指示飞机当前的航向。

1.2 重构

重构是指系统从一种构形向另一种构形的转换，是系统生存和发展的基本手段[4]。咨询通告AC 25-11B[5]由FAA颁发，为运输类飞机的电子飞行驾驶舱显示组件和系统的设计、集成、安装和认证批准提供指导。咨询通告AC 25-11B提出了“压缩格式”（compacted format）重构方法。“压缩格式”是指在多显示配置下，在某一显示器故障之后，可将其显示信息压缩放到相邻的显示屏幕上，提供更高优先级信息的显示模式。咨询通告AC 25-11B虽提出了压缩重构策略，但没有具体地说明更高优先级信息的确定策略。

我国民航法规规定，飞机起飞阶段均由人工驾驶，禁止自动驾驶，且需要正、副驾驶员同时把手放在发动机油门推杆上，此时如果飞机主显示器出现故障，显示系统必须自动重构。在此所涉及的重构均是主显示器出现故障后，飞行员在复杂环境下不能手动重构控制飞机所需的实时主飞行信息的自动重构。当飞机飞行稳定或飞行员在不复杂的环境下，可进行手动重构。

2 主显示器信息重构权重分配

2.1 建立重构信息集

为了全面分析重构后的信息对飞机的安全性和可靠性的重要性，重构信息的选取应遵循唯一性、科学性和可操作性等原则。依据主显示器显示信息及从工程实践出发考虑飞行员对飞机飞行状态的实时了解人为因素，信息集U可取为U=｛空速，气压高度，无线电高度，垂直速度，俯仰，横滖，航向，飞行方式｝

2.2 信息重构时权值计算

可重构信息之间重要性并不相同，需要给各信息赋予不同的权值。在缺乏样本数据的情况下，为了提高分配权值的可信度，采用层次分析法。层次分析法是经典的多属性决策方法，在很多领域得到了应用[6]。

（1）按照表1所示规则，由专家比较并给出可重构信息之间的重要程度。

在我国绝大多数的行业成本管理系统中，都有着片面的成本管理。完善信息化环境管理信息系统，收集产品设计、材料采购成本、库存商品总成本、生产成本、管理成本、销售成本等具体信息，这样对各项成本的管理更加全面。研究发现，仅仅有38.33%的企业建立了全面的、真实的成本信息系统。而这很少比例的数据信息对科学有效的实施成本管理发挥了不可替代的作用。先进的成本管理重视每一个部门的参与和协调，但是片面的成本管理出现了财务部门自己掌控的局面。协调不好配合不好就导致了成本管理一直处于一种落后的状态。

表1 重要程度级别的说明Tab.1 Description of the importance level

经过比较两两信息之间的重要性，可以得到1个8×8的判断矩阵A：

式中，aij=1，aijaji=1，i，j=1，2，…，8。由于这是将定性思维定量化的一个过程，有时难以给出精确的比较判断，可能引起判断的不一致。因而还需对判断矩阵进行一致性检验。

一致性检验指标CI为

式中：n为可重构信息的个数，n=8；λmax为判断矩阵A的最大特征值。

检验系统一致性比例CR为

式中：IR为平均随机一致性指标RI，为固定值，可由表2查得。

表2 A矩阵阶段与RITab.2 A Matrix stage and RI

一般地，当RC＜0.1时，可以认为判断矩阵具有满意一致性，否则需要重新调整判断矩阵。

（2）求出每个信息参数的权重

A中每行元素连乘开8次方，得到：

（3）信息参数的权重矩阵

3 实例分析及结论

3.1 重构时信息权重分配实例

飞机的飞行过程一般有6个飞行阶段：起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆。专家给出各飞行阶段可重构信息之间的重要关系（用比值表示）如表3～表8所示。

表3 起飞阶段信息之间的重要关系Tab.3 Important relationship between the information in the takeoff phase

表4 爬升阶段信息之间的重要关系Tab.4 Important relationship between the information in the climb phase

表5 巡航阶段信息之间的重要关系Tab.5 Important relationship between the information in the cruise phase

表6 下降阶段信息之间的重要关系Tab.6 Important relationship between the information in the descent phase

表7 进近阶段信息之间的重要关系Tab.7 Important relationship between the information in the approach phase

表8 着陆阶段信息之间的重要关系Tab.8 Important relationship between the information in the landing phase

由表3得出起飞阶段判断矩阵A1为

根据第2节，可求得起飞阶段可重构信息的权重矩阵W1为

同理，根据表4～表8，可分别计算出爬升、巡航、下降、进近、着陆阶段可重构信息的权重矩阵W2，W3，W4，W5，W6：

3.2 飞行参数权重分析

根据各飞行阶段计算出的权重矩阵，绘制其分柱状图。由图2权重比例可见，每个飞行阶段中，各个飞行参数的权重比不同；空速、俯仰、横滚、气压高度参数在整个飞行过程中的权重比例始终很高。

由计算所得的权重可以看出，为了保证飞机安全可靠飞行，飞行员对每个飞行阶段所需的飞行显示信息权重不同。这也符合本文所提出的按飞行阶段重构主显示器显示的主要参数策略。

通过上述分析得出，当飞机在飞行中，主显示器出现故障的情况，采用压缩格式进行主显示信息自动重构时，可按照表9进行显示参数的重构。

图2 PFD可重构参数在各飞行阶段的权重Fig.2 Weights of the reconfigurable parameters in each flight phase in PFD

表9 各飞行阶段重构的信息Tab.9 Reconfigurable information by flight phase

3.3 结果

FAA咨询通告AC 25-11B提供了明确的显示有效性和数据完整性指南，归纳于表10[7-8]。

表10 显示数据完整性要求Tab.10 Display data integrity requirements

依据表10的信息可知空速、气压高度、姿态这3个飞行参数非常关键；由表9可知这3个关键参数在任何飞行阶段都有显示。由此验证了上文所述的按飞行阶段重构主显示器信息的重构策略的有效性。

4 结语

本文提出了按照飞行阶段主显示器信息的权重进行重构策略，并通过算例对各飞行阶段的信息的权重进行了计算。算例结果与咨询通告AC 25-11B的规范要求相一致。所提出的重构可以一定程度地减轻飞行员的工作负荷，提高了飞机的可靠性和安全性。所提出的重构策略可以应用于飞机导航显示ND（navigation display）、发动机指示以及机组警告系统 EICAS（engine indication and crew alerting system）显示。

[1] 张明涛，安锦文，李中健.重构飞行控制技术研究综述[J].飞行力学，2009，27（2）：7-10，15.

[2] 宋青.基于IData的高级座舱显示界面设计方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[3] 刘小雄.飞行控制系统故障隔离与自适应重构技术研究[D].西安：西北工业大学，2006.

[4] 樊雯，程月华，姜斌，等.卫星姿态控制系统的可重构性分析[J].宇航学报，2014，32（2）：185-191.

[5] AC 25-11B Electronic flight displays[S].American：Federal Aviation Administration，2014.

[6] 朱建军.层次分析法的若干问题研究及应用[D].哈尔滨：东北大学，2005.

[7] SAE AS 8034 Minimum performance standards for airborne multipurpose electronic displays[S].American：Society of Automotive Engineers Inc，2008.

[8] SAE ARP 1068 Flight deck instrumentation and display design objectives for transport aircraft[S].American：Society of Automotive Engineers Inc，2008.

[9] CCAR-25-R4运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2011.

Reconfiguration Strategy of Primary Flight Display Information Based on Flight Phase

ZHOU De-xin，TIAN Da-cheng，CUI Hai-qing

（College of Electronic Information and Automation，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

The primary display is faulty in the course of the flight，so the primary display cannot display the information.In order to ensure reliable and safe flight of the aircraft，the primary display information is compressed to the adjacent display according to the compression and reconstruction strategy proposed by FAA AC 25-11B.Aiming at this display mode，the reconfiguration strategy of the primary display information by the flight phase was proposed based on the AHP.The numerical examples show the validity of the reconfiguration of the primary display information proposed by the flight phase.

reconfiguration strategy；flight display system；flight phase；display fault

TP271+.5；V441

A

1001-9944（2017）08-0001-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.001

2017-03-01；

2017-05-12

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2014CB744904）；中央高校基本科研项目（3122016A006）

周德新（1954—），女，硕士，教授，研究方向为综合航电系统集成验证与故障诊断。