基于QAR飞参数据飞行员风切变处置能力评价模型.pdf
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1、基于 QAR 飞参数据飞行员风切变处置能力评价模型孙宏1,李旭2,王静3,郑林江2,王东1,尚家兴2(1.中国民用航空飞行学院民航飞行技术与飞行安全重点实验室,四川广汉618307;2.重庆大学计算机学院,重庆400044;3.四川工业科技学院智能制造与车辆工程学院,四川德阳618500)摘要院 为提高飞行员处置风切变的能力袁本文基于快速存取记录器渊QAR,quick access recorder冤飞参数据建立了飞行员风切变处置能力评价模型遥 首先袁将飞行员风切变处置能力分为处置决策及时性尧程序合规性以及航迹管理能力 3 个维度曰其次袁基于层次分析法渊AHP,analytic hierarc
2、hy process冤建立飞行员风切变处置能力评价体系袁并融合专家经验构建风切变处置能力定量评价模型曰最后袁基于 QAR 采集的飞参数据验证该模型的实用性和可行性遥 实验结果表明袁本文所构建的定量评价模型可以较好地判别飞行员风切变处置能力的优劣袁定位出其处置不当的指标袁并给出操纵建议遥 该评价模型可为改进飞行训练提供参考袁具有一定的实用价值遥关键词院 飞行安全曰风切变处置能力曰定量评价模型曰层次分析法曰QAR 数据中图分类号院 V323.12文献标志码院 A文章编号院 1674原5590渊圆园24冤02原园园38原园6收稿日期院 2022-11-15;修回日期院 2023-02-15基金项目院
3、国家自然科学基金民航联合研究基金重点项目(U2033213);民航飞行技术与飞行安全重点实验室自主研究项目(FZ2021ZZ01)作者简介院 孙宏(1966),男,河北衡水人,教授,博士,研究方向为航空运营管理、民机飞行与运行技术.Evaluation model for pilots忆 wind shear disposal capability based onQAR flight parameter dataSUN Hong1,LI Xu2,WANG Jing3,ZHENG Linjiang2,WANG Dong1,SHANG Jiaxing2(1.Civil Aviation Flig
4、ht Technology and Flight Safety Research Base,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,Sichuan,China;2.College of Computer Science,Chongqing University,Chongqing 400044,China;3.School of IntelligentManufacturing and Vehicle Engineering,Sichuan Institute of Industrial Technology,Deya
5、ng 618500,Sichuan,China)Abstract:In orderto improve pilots忆 ability to handle wind shear,in this paper an evaluation model for pilots忆 wind shear dis鄄posal capability is established based on quick access recorder(QAR)flight parameter data.Firstly,pilots忆 windshear disposal capability is divided into
6、 three dimensions including timeliness of disposal decision,proceduralcompliance and track management ability.Then,an evaluation system for wind shear disposal capability is estab鄄lished based on analytic hierarchy process(AHP),and a quantitative evaluation model for wind shear disposal ca鄄pability
7、is constructed by integrating expert experience.Finally,the practicability and feasibility of this model areverified based on the flight parameter data collected by QAR.Experimental results show that the quantitative eval鄄uation model constructed in this article can effectively determine the pros an
8、d cons of pilots忆 wind shear disposalcapability,identify the index of inappropriate operation,and provide operation guidance.This evaluation model canprovide reference for improving flight training and hasa certain practical value.Key words:flight safety;wind shear disposal capability;quantitative e
9、valuation model;analytic hierarchy process(AHP);quick access recorder(QAR)data风切变是危及民航运行安全的重要天气现象之一,如果飞行员处置不当极易导致不安全事件。近年来,随着极端天气现象的频发,航班遭遇风切变事件的报告数量呈显著上升趋势,飞行员的风切变处置能力已被列为民航飞行品质监控(FOQA,flight operationsquality assurance)工作的重点之一。FOQA 工作的基本原则是通过对航班快速存取记录器(QAR,quick accessrecorder)数据的分析来评估飞行员操纵的合理性,发现
10、航班运行中存在的隐患,提升飞行员处置不安全事件的能力,为此需要建立一套基于 QAR 飞参数据的第 42 卷第 2 期圆园24 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINAVol.42 No.2April2024第 4圆 卷 第 圆 期飞行员风切变处置能力评价模型。目前,国内外关于风切变的研究主要集中在风切变识别告警方面。传统的研究方法主要基于二阶扩充Prony 方法1、压缩感知2、空时自适应处理3、多通道联合的自适应处理4以及切变强度因子值5等来估计风切变风速。近些年,机器学习方法被用来预测和预警风切变,例如
11、深度时间卷积网络(TCN,temporal convo-lutional network)模型6以及集成方法7。然而,由于飞机制造商不公开相关技术,关于飞行运行环节机组风切变处置能力量化评价的研究未见相关文献。在实际飞行训练环节中,主要依靠飞行教员评价飞行学员实际处置是否符合标准程序要求8-9。QAR 数据作为飞行品质监控的重要数据来源,能够真实反映飞行员操纵动作、飞机状态和外界环境运行特征。在基于QAR数据的飞行运行品质评估方面,众多国内外学者基于 QAR 数据开展了重着陆10、冲出跑道11等超限事件的研究,并构建了相关风险评估模型12-14。此外,部分学者从飞行安全的宏观视角15和飞行员层
12、面16研究构建飞行安全评价指标体系,但利用 QAR 数据研究飞行员风切变处置能力的评估方法还存在空白。因此,本文围绕反应式风切变,首次利用 QAR 数据并依据机型标准操纵程序8,基于层次分析法(AHP,analytic hierarchy process)构建了飞行员风切变处置能力评价指标体系与模型,并结合多起遭遇风切变航班的 QAR 数据进行实证研究。1飞行员风切变处置能力评价指标体系与模型层次分析法是一种多层次、多目标和多方案的综合比较方法。本文基于层次分析法利用 QAR 数据构建了飞行员风切变处置能力的评价指标体系,并在此基础之上建立评价模型对飞行员风切变处置能力进行评估。1.1层次分析
13、法AHP 是一种被广泛采用的将定性问题进行定量分析的系统化方法。基于 AHP 可对飞行员风切变处置能力进行定量分析和评价,并将其层次化、条理化,梳理出有层次的评价指标体系。AHP 通常由 3 个层次结构组成:(1)目标层(最高层):指问题的预定目标,该层把握了分析问题的评价总目标和总方向;(2)准则层(中间层):指影响目标实现的准则,该层是对目标层的具体表征,确定了评价的角度和内容,起到承上启下的作用;(3)措施层(最低层):指促使目标实现的措施,该层是对准则层的进一步分解,体现了准则层的实现程度,是实用的、可操作的。1.2QAR 数据预处理为了构建风切变处置能力评价指标体系,本文从QAR 数
14、据中选取了风切变预警和风切变处置能力参数,包括风切变预警参数 GPWS_WSH_WAR1 和 GPWS_WSH_WAR2、发动机油门杆角度参数 TLA1 和 TLA2、风向参数 WIN_DIR、风速参数 WIN_SPD、襟翼角度参数 FLAP、起落架手柄位置参数 LDG_SELUP、指示空速参数 IAS、坡度参数 ROLL 和俯仰角参数 PITCH。其中,风切变预警参数用于判断风切变告警开始和结束时刻,也用于选取风切变的研究区间;发动机油门杆角度参数用于判断起飞或复飞(TOGA,take off/go around)4时推力启动和退出的时刻。风速参数和风向参数用于计算风向、风速是否稳定;其他参
15、数直接取用。1.3风切变处置能力评价指标体系首先,基于飞行员调查问卷采用层次分析法构建飞行员风切变处置能力的评价指标体系,如图 1 所示。本文将层次分析法中的目标层设定为飞行员风切变处置能力评价 C;根据飞行手册程序8进行梳理和汇总,将准则层的指标设置为处置决策及时性A1、程序合规性 A2以及航迹管理能力 A33 个指标。本文结合专家经验知识,按五分制评估每项准则层指标子指标的得分及其所占权重,进而使用加权求和得出准则层指标的得分。最终,基于 QAR 数据对飞行员风切变处置能力进行计算并评价。下文分别就处置决策及时性、程序合规性、航迹管理能力以及其子指标进行详细介绍。1.3.1处置决策及时性风
16、切变处置决策及时性是指飞行员是否及时准图 1风切变处置能力的评价指标体系Fig.1Evaluation index system for wind shear disposal capability风切变响应操纵及时性 B1风切变处置退出时机准确性 B2风切变处置退出条件判断 B3襟翼角度恒定 B4起落架状态恒定 B5不出现超速现象 B6坡度稳定 B7俯仰姿态控制 B8处置决策及时性 A1程序合规性 A2航迹管理能力 A3飞行员风切变处置能力评价 C孙宏,李旭,王静,等:基于 QAR 飞参数据飞行员风切变处置能力评价模型39-2024 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报确判断发生风切变进
17、而及时启动风切变处置流程,并在达到风切变处置退出条件时,能及时退出处置流程。在风切变环境下,飞行员处置决策及时性 A1集中表现为风切变响应操纵及时性 B1、风切变处置退出时机准确性 B2以及风切变处置退出条件判断 B3,处置决策及时性 A1的得分 p1计算公式如下p1=round(w1(1)p1(1)+w2(1)p2(1)+w3(1)p3(1)(p1(1)-1)(p2(1)-1)屹01其他扇墒设设设设设设缮设设设设设设(1)式中:p1(1)、p2(1)、p3(1)分别表示 B1、B2、B3的得分情况;w1(1)、w2(1)、w3(1)分别表示 B1、B2、B3所占权重;round()为四舍五入
18、取整函数;式中的其他项是指风切变响应操纵及时性 B1以及风切变处置退出时机准确性 B2不合格,严重违背了程序要求,此时得分为 1。根据机型飞行手册程序要求8,当风切变告警被触发时,飞行员应按照风切变处置程序要求立即前推油门杆至 TOGA 位,也就是设置最大油门杆角度(由于飞机制造商不同,设置最大油门杆角度也不尽相同)。因此,风切变响应操纵及时性 B1的衡量标准为尽快将油门杆角度推至最大油门杆角度 d0。由此可得到指标 B1得分计算公式如下p1(1)=5tGOGA-tWARN_START臆11tGOGA-tWARN_START逸55-(tGOGA-tWARN_START-1)其他扇墒设设设设设缮
19、设设设设设(2)式中:tGOGA表示在遭遇风切变时油门杆前推至 TOGA的时刻(s);tWARN_START为风切变告警被触发的起始时刻(s)。依据飞行专家经验,风切变告警后的标准响应时间为 1 s,飞行员在 1 s 内启动最大推力设置,表明其风切变响应操纵的及时性表现为优秀。风切变处置退出时机准确性 B2指标用于评估风切变最大推力 TOGA 解除时机是否恰当,其得分计算公式如下p2(1)=520臆tGOGA,END-tWARN_END 40415臆tGOGA,END-tWARN_END 20或 40臆tGOGA,END-tWARN_END 5035臆tGOGA,END-tWARN_END 1
20、5或 50臆tGOGA,END-tWARN_END 6021臆tGOGA,END-tWARN_END 5或 tGOGA,END-tWARN_END逸601其他扇墒设设设设设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设设设设设(3)式中:tGOGA,END表示在风切变处置中退出最大推力TOGA的时刻(s);tWARN_END为风切变告警的结束时刻(s);式中的阈值取值范围是飞行专家在 QAR 数据计算结果基础上结合经验以及机型飞行手册8得出。风切变处置退出条件判断 B3指标评估的是飞行员对当前风向、风速是否稳定判断的合理性。定义 wsit为 t 时刻风向、风速稳定度,为了避免数据采样频率导致的瞬时风
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