重着陆的客户化报文设计及事故原因分析

蔡坤烨，蔡 景，黄世杰

(南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 211106)

由于地空数据链技术日益成熟，因此飞机可以通过飞机通信寻址与报告系统(aircraft communications addressing and reporting system，ACARS)实现数据的实时传输。地空数据传输主要用于将飞机状态参数以报文的形式传输到地面，从而实现对飞机状态的实时监控,因此通过设计客户化报文实现对具有潜在重着陆事件的航班进行诊断，并以触发报警的方式及时提醒机务人员进行故障排查，对降低飞机维修的经济成本具有重要意义。目前国内对报文的研究已趋于成熟。曹惠玲等[1]分析了ACARS报文数据与快速访问记录器(quick access recorder，QAR)数据的同源性，并提取发动机稳态中的数据进行可靠性检验和误差分析。Sun[2]介绍了ACARS下行报文的两种识别方法以及相关应用，成功减少了维修停机事件，提高了维修效率。同时，飞机运营商不满足仅由飞机制造厂商提供的报文，已通过对报文的设计、编辑、研究，制定出客户化报文以满足个性化需求。在报文客户化研究中，丁锐等[3]通过客户化报文设计实现了对发动机滑油消耗的监控，并通过设定阈值实现多级警报。陈新霞等[4]应用报文编程技术实现了对左右发动机的加速异常监测。徐爽等[5]则通过分析引气系统的故障机理设计出引气故障的客户化报告，通过ACARS传输报文实现故障的在线检测。

报文客户化需要对故障机理、形成原因以及各参数指标有充分的了解，并通过自定义报文参数记录以及逻辑触发条件实现对专门的事件进行监控。客户化的报文要求报文触发准确，记录的参数能够表征事故发生原因。本文通过对报文的设计与制定的研究，实现重着陆客户化报文，并通过计算报文记录重着陆影响参数的序列数据与评价指标之间的相关性系数进行排序，得到与指标最相关的影响参数，可用于辅助机务人员定位事故发生原因以及排除故障等工作。

1 重着陆的判断条件

目前，航空公司对重着陆的诊断主要依靠以下2种方式：1)判断机组人员在着陆过程中是否出现明显顿挫感；2)判断15号载荷报(load report)中的垂直加速度(VRTG)值是否超限。空客公司在飞机维修手册(aircraft maintenance manual,AMM)中对重着陆有明确的定义，根据定义可以明确重着陆的各项参数指标，同时更加细化客户化报文的触发逻辑。在A320的维修手册中给出以下重着陆判定标准，并对重着陆进行了详细的分类。

1)超重着陆。

当飞机着陆重量大于最大着陆重量时，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)严重超重着陆。

当飞机着陆重量大于最大着陆重量时，垂直加速度大于2.60g，或者垂直下降率大于等于13 ft/s。

3)硬着陆。

当飞机着陆重量小于等于最大着陆重量时，垂直加速度大于等于2.60g且小于2.86g，或者飞机垂直下降率大于等于10 ft/s且小于14 ft/s。

4)严重硬着陆。

当飞机着陆重量小于最大着陆重量时，垂直加速度大于2.86g，或者飞机垂直下降率大于等于14 ft/s。

5)高俯仰速率着陆。

飞机俯仰变化率大于10 (°)/s。

根据以上重着陆判定标准，将着陆重量(GW)以及飞机着陆阶段的垂直加速度(VRTG)、垂直下降率(ALT_RATE)、俯仰率(PITCH_RATE)这4个参数用于编辑客户化报文触发条件。

此外，通过对重着陆形成机理的分析可以得到影响重着陆是否发生的相关参数，从而能够通过丰富报文记录参数更好地辅助机务人员进行故障排除。陈思、聂磊等[6-7]将重着陆分为下滑、拉平、平飘、接地和滑跑等5个阶段，分别阐述了飞机在这几个阶段中飞行员的人为因素以及外界环境因素对重着陆造成的影响，得到共计22个飞机重着陆的影响参数，具体见表1。

表1 重着陆影响参数表

2 客户化报文设计

2.1 报文验证

本文基于以上的重着陆判定条件分析进行客户化报文设计，图1给出了报文设计的流程图。其中，在parameter中设计了一个用于监测飞机是否发生弹跳的参数，在event中基于重着陆判定条件设计了报文的触发逻辑；同时丰富了报文下发的记录参数，使得下发报文更能说明重着陆的形成原因。将设计好的客户化报文应用于实际的航班监控中，可以发现该报文能够正确监测到含有重着陆事故的航班。

图1 客户化报文制定流程

2.2 报文验证

本文选取某航空公司发生重着陆事件的航班数据以及另外几次正常航班的航班数据，通过译码软件对航班数据进行译码，并将满足逻辑条件的航班及事件编号在Analysis界面中显示出来。最后判定结果如图2所示。

图2 重着陆事件验证结果

从图中可以观察到只有一个航班的重着陆事件被触发，验证了重着陆客户化报文触发的准确性。同时，依据预先设定的报文将重着陆事件发生前后10 s的数据以报文的形式保存下来。观察重着陆的各个评价指标参数按时间序列的变化情况，可知该次重着陆事件是由于VRTG值过大而产生的，具体变化情况如图3所示。

图3 重着陆事件航班的VRTG值变化情况

VRTG值的峰值达到1.977g，依据重着陆判断分类标准可以确定是超重着陆事故，需要进行相关的结构检查。

3 相关性分析

对报文记录参数进行关联性分析能够得到与重着陆评价指标参数的相关性排序，可用于分析重着陆事故发生的原因。

3.1 灰色关联度理论描述

灰色关联分析(grey correlation analysis，GCA)是灰色系统理论的一个分支[8]。其基本思想是根据被比较的序列曲线与参考数列构成的曲线之间的几何相似程度来确定比较数列集与参考数列之间的关联度，几何形状越相似则其关联度越大[9-10]。

灰色关联度算法是基于信息论的一种算法，计算公式如下：

式中：X0为参考序列；Xi为被比较的数列；γ(X0,Xi)为X0与Xi的灰色关联度；X0(k)为母序列；Xi(k)为子序列。灰色关联度γ(X0,Xi)常简记为γ0i,k点关联系数γ[X0(k),Xi(k)]可简记为γ0i(k)。

灰色关联度的计算步骤如下：

1)求各参数序列的初值像或均值像。令

2)求差序列Δi(k)。记：

3)求两级最大差M和最小差m。记：

M=maximaxkΔi(k)

m=miniminkΔi(k)

4)求关联系数γ0i(k)：

式中：ε为分辨系数。

3.2 灰色关联度分析结果

将某航空公司重着陆事故的航班下发的报文数据作为输入，通过灰色关联度分析获得了各参数之间的相关性热力图，如图4所示。图中TRKANGEL为航迹角度，GW为飞机全重，RUDD为方向舵角度，ELEVE1为左升降舵角度，VRTG为垂直下降加速度。

图4 与VRTG参数高相关性的参数排序

尽管不同的机型、不同的环境下飞机的操作手法不同，但导致重着陆事故的因素大致有以下2个原因：外部的环境因素和飞行员自身因素。飞机重着陆容易使飞机发生尾翼擦伤[11]。

图中与VRTG存在着高相关性的其余4个参数分别为GW、RUDD、TRKANGEL、ELEVE1。其中，GW与VRTG具有最高的相关性系数0.95，其余3个参数分别记录了飞机的方向舵角度、航迹角度以及左升降舵角度。这些参数都用于表征飞机的航姿，因此可以判断出该起事故是由飞行员操作不规范导致的重着陆事件。而根据与重着陆判断参数相关性最高的记录参数可推断出飞机隐藏的损伤部位，作为飞机检查的依据。因此，在该重着陆事故中，除了飞机机腹蒙皮出现褶皱这些通过一般目视可观察到的飞机损伤外，还需要对飞机的机翼做结构检查等工作。

4 结束语

本文设计的重着陆客户化报文已通过验证，能够预警到重着陆事故的发生，并可利用下发的报文数据做相关性分析，从而指导飞机的维修检查。在数据分析过程中仅通过相关性系数排名得到与重着陆评价指标的高相关性参数作为飞机损伤检查的依据，但仍存在不足，可通过丰富的报文数据进一步挖掘数据与故障之间的联系，进行相关的研究。