飞行数据在航空工效领域应用研究进展

陈农田，李俊辉,孙有朝,汪关祥

(1.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 211106；2.中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307；3.清华-伯克利深圳学院 数据科学与信息技术研究中心，广东 深圳 518055)

1 引 言

民航安全民航运输行业生命线，而飞行安全是保障民航安全的关键环节[1]。我国民航自2010年“8.24伊春空难”以来未发生重大飞行事故，但是严重事故征候和不安全事件时有发生。现代民航安全管理采用信息数据驱动，基于飞行数据分析的风险致因分析常常应用于不安全事件的调查。飞行数据包含飞行高度、速度、航向等信息，还包含有发动机、导航等性能参数。由于航空科学与信息技术的进步，飞行大数据分析广泛应用于航空安全领域。

国外针对飞行数据研究方面开展了系列研究。R.John Hansmanb提出一种数据驱动的方法来分析飞行数据，自动识别多个典型飞行操作模式建立标准规范，以及检测飞行异常进行主动安全管理[2]。Hooper分析了2001年——2008年间发生的288起澳大利亚军事涉及组织人为失误的飞机事故数据信息，使用事故分类系统探索军用航空飞行安全事件中的人为错误[3]。Mrunali Botre采集与分析飞行试验数据，验证直升机噪声预测系统[4]。Scott Shappell使用人因分析和分类系统将以前对航空事故的检查扩展到包括商业航空事故相关的特定机组人员、环境、监管和组织因素，为针对商业航空安全干预措施提供支持[5]。Andreas Haslbeck通过选取航空公司飞行员进行进近着陆场景操纵测试，发现在实际和训练飞行表现不好的飞行员在进近着陆操纵场景测试中存在较大差异性，而在实际和训练中表现好的飞行员在进近着陆操纵场景测试中差异性较小[6]。Mark Davenport通过模拟飞行实验测试了人体酒精含量对飞行员进近着陆操纵行为的影响[7]。Heikki Mansikka通过测试战斗机飞行员的心率以及心率变异性来评估战斗机飞行员进近着陆的工作心理负荷[8]。Haitham Baomar利用人工神经网络技术模拟和计算了飞机在恶劣天气下自动操纵着陆和复飞模型[9]。Zbigniew Gomolka运用飞行模型器设备结合眼动仪进行飞行员起飞和着陆认知能力研究[10]。Felipe M.S.Turetta利用数据进行了飞行员着陆任务偏差建模分析[11]。

国内专家学者在航空工效以及飞行数据应用方面也开展许多研究[12-15]。傅山等结合飞行实验采集的生理指标参数，运用小波分析剔除花粉传播高斯分类模型，实现自动识别飞行员信息感知状态[16]。汪磊等通过设计设定飞行员操纵偏差影响指标的情境问卷，对问卷信度和效度进行了分析，并实施问卷收集数据分析得出影响重要参数[17]。董传亭结合飞行采集的QAR飞行数据，开展飞行员操纵技能评估研究[18]。李学仁等针对某型飞机操纵系统故障评估问题，提出了一种基于飞行数据的差分进化极限学习机(DE-ELM)算法[19]。

飞行数据应用逐渐在航空安全领域特别是人为因素调查与工效分析方面体现出了重要价值，有待进一步发掘。本文拟通过分析飞行数据记录分析原理，追溯分析不同阶段的飞行数据记录设备。结合SHELL模型，重点从人(L—Liveware)、硬件(H—Hardware)、软件(S—Software)和环境(E—Environment)角度分析总结飞行数据在航空工效领域应用现状和研究成果，展望飞行数据理论研究及工程应用发展趋势。

2 飞行数据记录系统

2.1 飞行数据记录系统原理

飞行数据是指由飞行数据记录系统采集的飞机及其子系统各个状态的数据集。飞行数据记录系统是对飞机及其子系统工作参数的采集与记录，通过信息处理系统为故障预测及处理、辅助飞行训练以及飞机研发等提供科学客观依据。飞行数据系统一般包括输入数据源、飞行数据获取组件、飞行数据记录器以及快速存取记录器，如图1。

QAR记录多种类型飞行数据，具体包括操作类、状态类、告警类和环境类。其中记录数据如表1所示。

表1 飞行记录数据类别

2.2 飞行数据记录设备

(1)早期飞行数据记录装置

最早飞行数据记录器可以追溯到有电飞行时期。Wright Brothers发明飞机，实现了人类历史首次飞行。而当时飞行记录装置，只记录了螺旋桨转速、空中飞行距离以及飞行时间等简单数据。查尔斯·林德伯格为“路易斯精神号”设计了一款能在一个旋转纸柱上记录气压或高度变化的飞行记录器。

(2)划痕式飞行记录器

随着航空业逐步发展，频繁出现的飞行事故让民航行业开始重视飞行数据，并开始探讨怎样才能做到可靠的数据记录。通用电气公司首先研发一款Selsyns系统，依靠一串细小的电极构成传感器，通过电缆把信息传递给记录器。1951年，James J.Ryan针对记录器出现的问题，设计了一款供工程使用的“VGA飞行记录器”，其带有两个独立隔箱，一个为测量装置，一个为连接测量装备的记录器，这种间隔箱式至今被广泛使用。铂条划痕式记录器被密封在不锈钢球体内，以钢片或胶片为介质，采用撞针在铂条上为每一个参数记录相应“示波划痕”，主要记录航行、时间、空速、高度和垂直过载五大参数。

(3)磁带式飞行记录器

1972年，数字式飞行数据记录器(Digital Flight Data Recorder,DFDR)成为发展新标准，使磁带成为当时首选的记录介质。最广泛使用的磁带有聚酯磁带、聚酰亚胺磁带以及金属磁带[20]。此时记录器还增加了对舱音记录功能，即舱音记录器(Cockpit Voice Recorder,CVR)，为事故取证提供了“有声”证据。

(4)固态飞行记录器

随着计算机和通讯技术的发展进步，固态存储技术也日趋发展起来，美国等发达国家开始考虑运用一种新技术—固态技术来记录飞行数据。1990年，L-3公司率先研发成功，并推向市场[21]。在1998年的国际飞行数据记录系统年会上提出2005年以后，飞机均需要装有固态记录器，并增加座舱图像记录器，把实际显示和飞行数据客观记录联系起来分析[22]。

(5)先进的数字式数据记录器系统

为避免飞机接口及记录器本身的反复使用，出现了一种先进的数字式数据记录系统方案。通过一个信息采集系统进行多样数据的收集，然后利用多通道高速输入接口与双固态数字式数据记录器(Solid State Digital Data Recorder,SSDDR)进行交互[23]，如图(2)所示。该记录器不需要了解信号的来源或者类型，只要仅仅记录在事先定义下的数字数据。数据处理是在飞机其他系统中完成，然后发送到冗余记录器。此外，SSDDR分区储存，所以能够区分数据类型，从而可以选择性下载飞行数据。

(6)增强型机载飞行记录器

FAA在2007年向国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)以产品形式展示了增强型机载飞行记录器(Enhanced Airborne Flight Recorder,EAFR)。EAFR主要包含了以下功能模块：数字固态FDR、CVR、数据链记录、视频记取代先前的独立硬件而设立的一个更可靠的外场可更换单元(LRU)。其原理框架如图3所示。

总结出不同时期的飞行记录器性能参数比较，如表2所示。

表2 不同时期飞行记录器性能参数比较

3 飞行数据在航空工效领域应用

航空工效的任务是以航空心理学、环境生理学、人体测量学和生物力学等学科为基础研究如何实现飞行员—飞机—环境系统最优化，使飞行员能够安全、高效、舒适地工作[24]。

3.1 SHELL模型

SHELL模型由爱德华(Edwards，1972年)提出，模型认为航空系统由软件(S)、硬件(H)、环境(E)、人(L)四要素组成，该模型在航空人因研究领域使用最为普遍，国际民航组织推荐使用该模型作为分析航空事故和人因工效的框架[25]。

3.2 基于SHELL模型的飞行数据在航空工效应用分析

3.2.1 工效人(件)应用分析(L)

人是人机环管中最活跃的元素，也是最容易被影响的因素。飞行员作为飞行安全责任主体，其知识技能、生理素质、飞行经验、安全意识与态度作风以及机组资源管理(Crew Resource Management,CRM)对其所飞行安全至关重要。利用飞行记录数据研究飞行员工作负荷可以帮助改善飞机人机界面的设计，降低人为飞行事故率。戴婧睿等人通过对飞行员操作特性的飞行参数的收集，建立了基于布谷鸟优化-高斯过程分类器的飞行状态识别模型开展客观评价[26]。李鑫利用采集的航班数据以及运行条件，通过专家评估论证，利用Spring MVC框架及Python形成基于B/S框架的飞行员疲劳监控系统[27]。

飞行数据分析在飞行员飞行品质监控人因安全方面具有应用价值，主要有(1)了解当前飞行品质中趋势性风险，提前做好风险控制工作。(2)通过数据复原和仿真，完整还原事件情景，提高对于不安全事件调查数据支持作用。(3)通过飞行品质监控，识别和监控飞行中的严重不安全事件(如复飞、中断起飞、飞行过程中严重低于下滑剖面等)，对信息上报起到交叉检查和相互证实作用。

3.2.2 工效硬件应用分析(H)

飞行数据在硬件应用方面，为实现飞机设备状态监控有两种方式：离线监控和在线监控。

(1)离线监控。目前，飞行数据记录的最多飞机设备是发动机。以某型运输机为例，飞行数据记录器可以记录两级压缩机转子转速、油门杆位置、停车手柄位置、接通反推、危险振动等信号，这些信号不仅可以进行相关性分析，也可以多种信号合并处理来达到全方位监控。孙同江实施基于发动机状态监控数据的故障分析[28]。Mustagime结合飞行数据监测飞机燃气涡轮发动机健康系统，用发动机风扇速度、振动、油压、油温、排气温度(EGT)和燃料流量等参数确定燃气涡轮发动机性能劣化，设计模型获取燃气涡轮发动机状况信息[29]。

(2)在线监控。在线实时监控是通过飞行参数记录器或其他类型数据记录器进行采集，采用图形图像处理技术、数据通讯和计算机仿真，将各种飞行数据实时、连续、准确地传输到地面，空管人员可以随时了解飞机动态信息，包括设备状态和操纵信息，进行正确指挥。

飞行数据分析在硬件方面还可以应用在飞机结构、座舱设计以及控制器与仪表的位置与操作感设计，改善工效条件和保障航空安全。

3.2.3 工效软件应用分析(S)

飞行数据在软件应用方面包括运行大纲、程序、手册、培训和检查单的设计。手册、指令和检查单是飞行安全的重要依据，软件出现不匹配现象，会诱发航空从业人员错误操作。维护人员无法理解手册内容，错误实施维修，不但可能出现部件装错等不适航现象，甚至出现机毁人亡后果。如今飞机各方面的自主能力越来越高，驾驶员由过去的飞机直接操纵逐步转变为以监测信息为主，飞行数据信息可视化极大提高了飞行员对软件的利用与掌握。

3.2.4 工效环境应用分析(E)

飞行环境通常分为硬环境与软环境。硬环境是指飞机从起飞、空中飞行和着陆这三大基本状态下的场地环境、温度环境、照明环境、地形环境等人工环境和自然环境；软环境涉及比较广，如飞机内的人文环境、机组交流配合环境、管制员与机组沟通、甚至经济环境和政治环境等。欧洲航行安全组织曾在高空区域管制中心装备了可互操作飞行数据处理系统，用于对欧洲最繁忙、最复杂空域某区域进行管理，以一种更安全、更迅捷和合乎环境效率的方式，应对未来交通量增长。Krithika Manohar解决了机翼应变传感器收集的稀疏数据中识别不同流动环境问题[30]。Gang He公开了一种用于增强可视性并确保飞机显示器上的地形和导航信息的正确性的系统和方法，此系统和方法保证飞行数据记录器记录地形和导航对象(例如跑道)的完整性和准确性[31]。

3.3 航空工效系统分析

飞行数据在工效系统综合应用方面，由于飞行过程监控数据是多信息源的，飞行数据常应用于事故前预警与事故调查全过程系统安全分析。在事故调查过程中，现场调查、原因分析、结论判定以及安全评估与建议等环节主要依靠飞行数据记录器记录数据、舱音记录器记录的话语信息、雷达信息以及目击者提供的信息等调查方面具有重要价值。

4 展望

4.1 飞行数据挖掘技术

当前，人工智能和大数据信息技术快速发展，同时飞行数据记录器记录的参数种类越来越多，数据量也越来越大。为保证挖掘所得数据的准确率高、利用率高、质量高，需要进行飞行数据智能化处理，结合机器学习以及深度学习等信息技术分析问题，对数据进行遴选和预处理，创建和调试数据类别模型，进行有效数据挖掘和数据模型应用，做到“去伪存真，去糟取精”。如何有效采集和分析并利用好海量飞行大数据，提出有价值信息。在信息数据处理智能化，飞行大数据挖掘分析技术研究有待深入。

4.2 飞行数据可视化

通过飞行记录器记录飞行数据，利用计算机仿真手段，构建飞行数据可视化实现航空工效沉浸场景，直观反应飞机在不同阶段状态，为航空事故调查处理、日常训练、飞行质量监控与评估提供实证。在人工智能和5G技术的大背景下，基于虚拟现实技术的应用设备和应用已经出现在教育、传媒、娱乐、医疗、遗产保护等各类领域。利用飞行数据进行可视化分析，构建知识图谱实时呈现飞行状态和信息，可直接开展飞行事故及事故征候致因分析，节省工作时间和降低成本，有效减少事故发生概率。基于人工智能与虚拟现实技术的飞行数据可视化研究与应用有待深入。

4.3 多学科交叉融合技术应用

飞行数据分析在航空工效领域应用，为了更好利用好飞行数据，挖掘更多有价值信息，需打破传统学科之间的壁垒，开展数学、生理、心理、工程、医学等多学科交叉融合，实施基础理论研究与工程技术应用相结合。面向多学科交叉融合，基于飞行数据的航空工效科学研究以及工程技术应用转化是未来趋势。

5 总结

大数据技术已经渗透并成熟应用到公共交通领域。通过国内外飞行数据在航空领域应用研究分析，飞行数据在航空工效领域有较成熟应用，成为智慧民航基础和关键。通过不同时期飞行数据记录器追溯以及其性能参数差异性比较，稳定性、智能化以及国产化飞行数据记录设备研制是未来飞行记录设备必然趋势。在飞行数据具体应用研究方面，服务于航空器适航安全的飞行数据挖掘技术、飞行数据可视化以及多学科交叉融合技术将是飞行数据在航空工效应用领域研究趋势。