CN110853411B - 单一飞行员驾驶系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种单一飞行员驾驶系统及控制方法，包括：机上飞行员系统、驾驶舱自动化系统和地面操作员系统，其中：机上单一飞行员按照飞行计划并实时监控飞行路径和偏离情况驾驶飞机，驾驶舱自动化系统负责飞行信息监控及飞行系统管理，同时通过认知人机接口、功能分配智能分系统完成对机长能力状态的实时感知及任务分配，地面操作员系统通过数据链与飞机实时通信，操作员可根据不同驾驶模式完成监视告警或远程操控协助工作。同时针对四种不同场景提出了单一飞行员驾驶模式组织运行方式。本发明实现了在满足当前双乘员驾驶模式功能和安全性条件下，减少了飞行员数量，提升运营经济性；减少了驾驶舱资源配置需求，缩小驾驶舱空间并减轻飞机重量；消除了商用飞机多乘员驾驶的决策冲突，提高了决策效率并缩短响应时间。

Description

单一飞行员驾驶系统及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种航空技术领域的技术，具体是一种单一飞行员驾驶系统及控制方法。

背景技术

现有的民用运输客机采用双乘员驾驶模式，但是双乘员驾驶模式存在以下隐患：1、飞行乘员数量和飞机驾驶舱乘员空间需求大；2、驾驶舱乘员的操作协同设备和工资、培训成本大；3、协同过程中存在认知缺陷、思维偏离和操作不一致性，对飞行安全有影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种单一飞行员驾驶(Single PilotOperation，SPO)系统及控制方法，飞机的驾驶控制由机上飞行员系统、驾驶舱自动化系统及地面操作员系统协同完成，单一飞行员驾驶系统根据飞行员本身能力状态和飞机飞行环境条件的区别，构造四种驾驶模式，并建立从起飞机场到目的机场的各飞行过程组织架构，覆盖所有飞行阶段、飞行环境、气象条件、机场要求和系统能力与状态。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种单一飞行员驾驶系统，包括：机上飞行员系统、驾驶舱自动化系统和地面操作员系统，其中：机上飞行员系统按照飞行计划并实时监控飞行路径和偏离情况驾驶飞机，驾驶舱自动化系统进行飞行信息监控及飞行系统管理，同时通过认知人机接口、功能分配完成对机长能力状态的实时感知及任务分配，地面操作员系统通过数据链与机上飞行员系统实时通信并发送不同驾驶模式的对应监视告警或远程操控。

所述的驾驶模式是指：所述系统面向飞行过程和条件与飞行员生理和行为的正常和非正常条件构造的四种驾驶模式，不同驾驶模式下机上单一飞行员、驾驶舱自动化系统及地面操作员系统负责的任务不同。

技术效果

与现有技术相比，本发明在确保驾驶飞行能力和安全性级需求的条件下，取代现有的民航飞机双乘员驾驶模式，改为采用单一飞行员驾驶；其技术效果包括：

1、在满足当前商用飞机双乘员驾驶模式功能和安全性条件下，减少了飞行员数量，提升运营经济性；

2、减少了驾驶舱资源配置需求，缩小驾驶舱设计空间并减轻飞机重量；

3、消除商用飞机多乘员驾驶的决策冲突，提高决策效率并缩短响应时间。

附图说明

图1为本发明单一飞行员驾驶模式组织架构图；

图2为本发明单一飞行员驾驶系统交联关系图；

图3为本发明驾驶舱自动化系统通信模块管理架构图；

图4为本发明驾驶舱自动化系统飞行环境监视模块架构图；

图5为本发明驾驶舱自动化系统飞行综合管理模块架构图；

图6为本发明驾驶舱自动化系统认知人机接口模块架构图；

图7为本发明驾驶舱自动化系统功能分配模块架构图；

图8为本发明飞机-地面操作员协同系统架构图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种单一飞行员驾驶系统，包含：机上飞行员系统、驾驶舱自动化系统和地面操作员系统，其中：机上飞行员系统按照飞行计划并实时监控飞行路径和偏离情况驾驶飞机，驾驶舱自动化系统进行飞行信息监控及飞行系统管理，同时通过认知人机接口、功能分配完成对机长能力状态的实时感知及任务分配，地面操作员系统通过数据链与机上飞行员系统实时通信及数据同步，完成不同驾驶模式的监控辅助或远程操控。

所述的机上飞行员系统即机上单一飞行员控制的主驾驶辅助模块，其中：机上单一飞行员作为飞行机长，负责飞机飞行操作，主驾驶辅助模块负责协助主驾驶飞行员完成驾驶。

所述的机上单一飞行员，是飞机飞行过程的主驾驶飞行员，作为飞行机长，负责完成飞行组织与飞行驾驶相关工作。机上飞行员需要按照飞行计划驾驶飞机，同时要实时监控飞行路径和偏离情况，及时对飞机状态进行调整。机上单一飞行员对应于双乘员驾驶中的驾驶飞行员，在本身具备正常能力条件时，是飞机在空中飞行时的实际决策与操控者。如图2所示，机长所有控制飞机的动作借助机载系统完成，获取的飞行信息也都来源于机载系统的采集与展示，机长通过语音通信、数据输入或显示触控的方式控制驾驶舱自动化系统，借助驾驶舱自动化系统可更高效的完成飞行任务，机长还可通过语音链路与航空公司地面操作员直接联系，协同决策。

所述的主驾驶辅助模块用于辅助机上飞行员完成飞行驾驶与飞行组织，包括：飞行管理系统、座舱显示系统、通信系统在内的机载系统，这些系统的功能将在单一飞行员驾驶飞机中得到保留并进一步整合，其中飞行管理系统能够协助机上飞行员完成飞行计划与飞行导航，座舱显示系统能够展示飞行状态信息并对环境进行监视，通信系统可支持机上飞行员与地面航空公司操作员及空管中心实时沟通协同决策。如图2所示，机载系统支持机上飞行员对飞机的驾驶控制，也支持将飞行信息同步给驾驶舱自动化系统，并根据驾驶舱自动化系统转发的控制指令完成对飞机的驾驶控制。

所述的驾驶舱自动化系统包括：通信管理模块、飞行环境监视模块、飞行综合管理模块、认知人机接口模块以及功能分配模块，其中：通信管理模块用于管理数据链路的指挥、控制及通信功能，飞行环境监视模块用于依据机载设备所采集的飞行环境信息进行融合决策，飞行综合管理模块用于进行航路优化及航迹组织，认知人机接口模块用于对机上单一飞行员的能力状态进行实时监控，功能分配模块用于针对当前任务需求，合理调配飞行员、地面操作员及自动化系统需要处理的工作。驾驶舱自动化系统能够确保在单一飞行员驾驶模式下，和双乘员驾驶模式下相比，不增加飞行员负担；同时，在飞行员无法正常驾驶飞机时，可通过该系统确保地面操作员掌控飞机完成飞行。驾驶舱自动化系统能够减少飞行员负担、减少驾驶舱复杂性、增加飞机系统监视能力、便于空地协同及信息共享。如图2所示，驾驶舱自动化系统受机上飞行员的直接控制，同时也可受地面操作员的指令控制，并借助机载系统完成对飞机的设备组织与驾驶控制。

所述的通信管理模块实现指挥链路、控制链路和通信链路(C3 links)，该模块包括：关键安全性命令单元、非关键安全性命令单元、实时指挥与控制链路单元、空管中心与地面操作员的语音/数据通信单元。如图3所示，其中：指挥单元用于支持飞行员与地面操作员之间进行指挥通信，并根据场景任务需求区分为非关键安全指挥与关键安全指挥，指挥单元还支持实时机载指挥，与模块的控制单元结合，可支持地面对飞机的远程指挥与控制，以上单元需要满足指挥与控制通信性能要求；通信单元包括：飞机与地面操作员系统的通信以及空中交通管理通信，分别需要满足特殊通信性能要求和DOC 9869所定义的通信性能要求。

所述的飞行环境监视模块包括：飞行航路导引单元、交通态势感知单元、飞行任务识别单元、飞行组织决策单元和飞行安全监控单元，该模块实现安全、有效、高效飞行过程，同时通过与下一代飞管系统(NG-FMS)交互完成基于监视的引导；基于自动感知系统减少单一飞行员工作负担，确保飞行安全。

如图4所示，监视模块将机载设备采集的飞行环境信息进行处理，通过人机接口引导飞行，同时将数据通过通信系统与地面操作员系统保持同步，支持地面操作员对飞行态势的全方位感知以及协同决策。

所述的飞行综合管理模块针对飞行阶段和飞行过程组织，根据机载航空电子系统专业能力和功能，针对基础设施能力，组建飞行员、航空公司、空管系统协同模式，建立面向飞行计划的飞行许可运行组织，确定当前飞行状态和运行引导需求，构建飞行航路优化和飞行航迹组织，满足航空交通环境和航路气象的约束，支持空域密度能力和的飞行流量目标需求，实现面向飞行计划需求、飞行空域能力和飞行环境条件的综合优化目标。

如图5所示，飞行综合管理模块通过合作或非合作传感器获得飞行环境信息，或可直接通过飞行环境监视模块获得飞机飞行性能信息，并支持通过数据链路从空管中心、航空公司获得实时交通及气象信息，支持通过人机接口与飞行员共同进行4DT的航路计划、优化、协商及验证，同时通过机载系统完成对飞机的驾驶控制。

所述的认知人机接口模块通过多种生理指标传感器监测以及智能辅助与信息管理功能对飞行员工作负担和精神状态进行实时监测，从而进行智能化任务分配，确保飞行员不会由于精神过于紧张时处理过度工作或者过于清闲导致注意力不集中情况，保证飞行安全性。

如图6所示，所述的认知人机接口模块内设有智能单元、接口控制单元及告警单元。其中：智能单元通过飞行员佩戴的生理指标传感器信号判断情绪状态，通过航空电子系统数据总线判断当前飞行状态任务量，通过认知、分析及推理过程，得到飞行员当前的工作负担及精神状态；接口控制单元可提供交互界面，用于产生任务自动机；告警单元可提供视觉、语音、触觉形式的告警，用于对飞行员进行提醒。以上单元接入通信系统的指挥功能，用于向地面站指挥人员提供决策辅助。

所述的功能分配模块通过内置的机载传感器对飞机外部、内部和飞行员状态数据实时融合与分析，针对当前任务需求，按照不同模式完成功能分配。各种模式的自动化水平由低到高，根据飞行员自身状态按需设置，确保飞行安全。

如图7所示，所述的功能分配模块内设有飞行员工作负荷评估单元及自动模式选择单元。飞行员工作负荷评估单元通过外部状态信息、飞机状态信息、操作状态信息以及来自认知人机接口模块的飞行员生理指标信息，综合判断并对飞行员的工作负荷进行评估，自动模式选择单元根据前述的评估结果，将驾驶舱自动化系统所需要完成的任务与功能分为模式0到模式5。

所述的模式0表示驾驶舱自动化系统保持最小自动化水平，此时系统仅需执行通信系统传输的指令，而机上飞行员作为直接执行者控制飞机的驾驶。

所述的模式1表示驾驶舱自动化系统需要完成飞行控制中的姿态保持功能，系统将借助自动驾驶系统内置控制律完成对飞机飞行姿态的控制。

所述的模式2表示驾驶舱自动化系统需要完成飞行控制中的航迹保持功能，系统需要根据规划的航路控制飞机飞行，其中涉及的飞机控制将不再仅仅是保持飞行姿态。模式1与模式2中驾驶舱自动化系统完成飞机控制的辅助工作，其他工作仍需机上飞行员手动完成。

所述的模式3表示驾驶舱自动化系统需要完成飞行控制中的飞行计划保持功能，系统需要根据外部及飞机状态，依据飞行计划完成飞行航路规划任务，完成飞机导航的辅助工作。

所述的模式4表示驾驶舱自动化系统需要完成飞行控制中的间隔保持功能，系统需要根据外部及飞机状态，自主飞行并保持飞行间隔，需要系统更大的自动化水平，完成飞机引导的辅助工作。

所述的模式5表示驾驶舱自动化系统需要完成飞行控制中的自动着陆功能，在飞机发生紧急状况时，此时飞行员可能不处于飞机的指挥控制环路，需要系统按照内置的处理流程，自动确定着陆机场、进行航路规划并完成自动着陆，此时系统将作为飞机的执行与指挥者，拥有飞机的指挥控制权限。

所述的地面操作员系统即地面操作员控制的地面辅助设备，完成地面控制台任务规划与空中机载信息组织协同模块、地面控制台任务运行管理与空中机载飞行状态组织综合模块以及信息共享平台与飞行任务需求决策，其中地面操作员系统的职责与功能可以根据场景不同，分为四类：远程操作模式、港口操作模式、混合操作模式以及专一操作模式。

所述的远程操作模式是指在机上单一驾驶飞行员不在岗位或者身体处于非正常状态时，地面操作员系统代替机上飞行员远程驾驶飞机。远程操作模式中地面操作员需要在机载自动系统协助下远程驾驶飞机完成飞行任务。如图8所示，此时空中飞机、地面操作员系统、空管中心以及航空公司构成远程驾驶系统，彼此之间通过数据链路实时通信并同步数据，其中：地面操作员通过操控台实现远程飞行任务规划、组织和管理，有效地提升飞行运行和处理能力，实现地面飞行组织与管理；驾驶舱自动化系统实现飞行环境信息采集、飞行状态组织和飞行操作执行，以及飞行信息感知、飞行状态组织和飞行系统管理，从而降低机载设备对飞行员操控的能力需求；空地数据链提供高速数据传输，提升空地协同能力，从而支持飞行环境感知和飞行任务决策能力。

所述的港口操作模式是指，在单一驾驶飞行员专注于驾驶飞机完成场面运行、滑行、起飞、进近、降落时，地面操作员系统协助机上飞行员完成监视、告警等任务，非特殊情况下不控制飞机。即港口操作模式下地面操作员系统需要在飞机进离港过程中提供辅助支持，这些过程中操作任务量大，极易发生事故，因此需要地面操作员系统协助完成监视即告警等任务。

所述的混合操作模式是指，当单一驾驶飞行员处于健康状态以及标称驾驶模式下，地面操作员系统需要协助完成签派、监视、飞行计划更改等任务，一般可同时协助最多20架飞机。

所述的专一操作模式是指，在单一驾驶飞行员处于非正常、非标称、紧急事务处理(发动机失效、严酷气象等)，地面操作员系统协助完成飞行任务，必要时远程控制飞机飞行。

所述的机上单一飞行员的能力状态进行实时监控是指：根据飞行员本身能力状态，分为飞行员正常与非正常驾驶能力，可描述飞行员在飞行过程中自身身体条件是否达到操控飞机的能力，如在飞行过程中飞行员发病或离岗，此时处于飞行员非正常驾驶能力。由于SPO模式下机上仅有一名飞行员，并且是机上唯一一名掌控飞机飞行的操作员，机上飞行员的驾驶能力以及身体状态对于安全飞行十分重要。通过认知人机接口对飞行员身体状态进行实时监控，判断飞行员是否处于身体正常状态。

根据飞行员操作状态，分为标称与非标称驾驶，可描述飞行员操作过程结果与飞行许可的符合性和飞行员操作过程状态与飞行操作需求的符合性，是描述飞行过程中飞行员操作过程非逻辑和故障操作状态。如飞行操作输出的航迹与航迹预测(含误差容限)的符合性、飞行员飞行过程操作与飞行包线的符合性。通过智能化机载设备对飞行员驾驶规范进行实时监控，判断是否处于标称驾驶状态。

因此，根据飞行员驾驶状态与自身能力状态，单一飞行员驾驶模式区分在以下四种场景模式中的组织方式：飞行员标称驾驶和正常飞行能力场景、飞行员非标称驾驶和正常飞行能力场景、飞行员标称驾驶和非正常飞行能力场景以及飞行员非标称驾驶和非正常飞行能力场景。

当机上单一驾驶飞行员身体处于健康状态，并按照标称驾驶完成飞行操作时，即飞行员标称驾驶和正常飞行能力场景中，机长在驾驶舱自动化系统辅助下掌控飞机。此时，地面操作员系统切换为混合操作模式，负责飞行监视、计划签派工作，可最多同时协助20架飞机飞行。

当机上单一驾驶飞行员身体处于健康状态，但由于特殊原因(例如，单发失效、液压故障、严酷天气)飞行员操控处于非标称驾驶，即飞行员非标称驾驶和正常飞行能力场景中，需要地面操作员系统提供协助完成安全飞行。此时，地面操作员系统切换为专一操作模式，对飞机提供一对一协助，之前按照混合操作模式同时协助的其他飞机将移交给地面操作系统中设置的备份操作员处理。此时的地面操作员系统相当于被协助飞机的“远程副驾驶”，但此时仍由机上单一驾驶飞行员在驾驶舱自动化系统辅助下掌控飞机。

当机上单一驾驶飞行员身体处于非正常状态，但飞机还处于标称驾驶状态下时，即飞行员标称驾驶和非正常飞行能力场景中，机长不再负责掌控飞机；此时，地面操作员角色为远程飞行员，其在驾驶舱自动化系统执行自动控制程序协助下掌控飞机，并对飞机飞行安全负责。

当机上单一驾驶飞行员身体处于非正常状态，飞机同时还处于非标称驾驶状态下时，即飞行员非标称驾驶和非正常飞行能力场景中，机长同样不再负责掌控飞机；此时，地面操作员系统切换为远程操作模式，其在驾驶舱自动化系统执行自动控制程序协助下掌控飞机，但需要结合非标称驾驶的原因来判断飞行安全负责权。如果空地链路通讯不畅时，地面操作员系统无法正常掌控飞机，不对飞机飞行安全负责。此时，飞机将在座舱自动系统按照紧急着陆规划执行自动程序，自动完成紧急着陆。

本实施例涉及上述系统的单一飞行员驾驶控制方法，根据自身的飞行环境条件和飞行员本身的能力状态，构建驾驶场景与模式，并与驾驶舱自动化系统和地面操作员系统进行协同，实现从起飞机场到目的机场飞行过程组织，覆盖所有飞行阶段、飞行环境、气象条件、机场要求和系统能力与状态。

本发明提出的单一飞行员驾驶系统，与现行的双乘员驾驶模式不同，通过部署地面操作员系统与增加驾驶舱自动化系统，将原属于非驾驶飞行员的工作分散或转移至自动化系统与地面操作员，并提出在自动化系统中增加飞行员健康管理功能，用于动态智能功能分配。

综合以上改进，单一飞行员驾驶系统能够降低飞行成员数量至一人，从而降低驾驶舱设备即空间成本，并减少飞行员培训成本。自动化系统的应用将有效改善多乘员的认知偏离问题，提高飞行安全性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种单一飞行员驾驶系统，其特征在于，包括：机上飞行员系统、驾驶舱自动化系统和地面操作员系统，其中：机上飞行员系统按照飞行计划并实时监控飞行路径和偏离情况驾驶飞机，驾驶舱自动化系统进行飞行信息监控及飞行系统管理，同时通过认知人机接口、功能分配完成对机长能力状态的实时感知及任务分配，地面操作员系统通过数据链与机上飞行员系统实时通信并发送不同驾驶模式的对应监视告警或远程操控；

所述的驾驶模式是指：所述系统面向飞行过程和条件与飞行员生理和行为的正常和非正常条件构造的四种驾驶模式，不同驾驶模式下机上单一飞行员、驾驶舱自动化系统及地面操作员系统负责的任务不同；

所述的机上飞行员系统即机上单一飞行员控制的主驾驶辅助模块，主驾驶辅助模块用于辅助机上飞行员完成飞行驾驶与飞行组织，包括：飞行管理系统、座舱显示系统、通信系统在内的机载系统，这些系统的功能将在单一飞行员驾驶飞机中得到保留并进一步整合，其中飞行管理系统能够协助机上飞行员完成飞行计划与飞行导航，座舱显示系统能够展示飞行状态信息并对环境进行监视，通信系统可支持机上飞行员与地面航空公司操作员及空管中心实时沟通协同决策，机载系统支持机上飞行员对飞机的驾驶控制，也支持将飞行信息同步给驾驶舱自动化系统，并根据驾驶舱自动化系统转发的控制指令完成对飞机的驾驶控制；

所述的驾驶舱自动化系统包括：通信管理模块、飞行环境监视模块、飞行综合管理模块、认知人机接口模块以及功能分配模块，其中：通信管理模块用于管理数据链路的指挥、控制及通信功能，飞行环境监视模块用于依据机载设备所采集的飞行环境信息进行融合决策，飞行综合管理模块用于进行航路优化及航迹组织，认知人机接口模块用于对机上单一飞行员的能力状态进行实时监控，功能分配模块用于针对当前任务需求，合理调配飞行员、地面操作员及自动化系统需要处理的工作，驾驶舱自动化系统能够确保在单一飞行员驾驶模式下，和双乘员驾驶模式下相比，不增加飞行员负担；同时，在飞行员无法正常驾驶飞机时，可通过该系统确保地面操作员掌控飞机完成飞行，驾驶舱自动化系统能够减少飞行员负担、减少驾驶舱复杂性、增加飞机系统监视能力、便于空地协同及信息共享，驾驶舱自动化系统受机上飞行员的直接控制，同时也可受地面操作员的指令控制，并借助机载系统完成对飞机的设备组织与驾驶控制；

所述的通信管理模块包括：关键安全性命令单元、非关键安全性命令单元、实时指挥与控制链路单元、空管中心与地面操作员的语音/数据通信单元，其中：指挥单元用于支持飞行员与地面操作员之间进行指挥通信，并根据场景任务需求区分为非关键安全指挥与关键安全指挥，指挥单元还支持实时机载指挥，与模块的控制单元结合，可支持远程地面对飞机的指挥与控制，以上单元需要满足指挥与控制通信性能要求；通信单元包括：飞机与地面操作员系统的通信以及空中交通管理通信，分别需要满足特殊通信性能要求和DOC 9869所定义的通信性能要求；

所述的飞行环境监视模块包括：飞行航路导引单元、交通态势感知单元、飞行任务识别单元、飞行组织决策单元和飞行安全监控单元，该模块实现安全、有效、高效飞行过程，同时通过与下一代飞管系统交互完成基于监视的引导；基于自动感知系统减少单一飞行员工作负担，确保飞行安全；

所述的认知人机接口模块内设有智能单元、接口控制单元及告警单元，其中：智能单元通过飞行员佩戴的生理指标传感器信号判断情绪状态，通过航空电子系统数据总线判断当前飞行状态任务量，通过认知、分析及推理过程，得到飞行员当前的工作负担及精神状态；接口控制单元可提供交互界面，用于产生任务自动机；告警单元可提供视觉、语音、触觉形式的告警，用于对飞行员进行提醒，以上单元接入通信系统的指挥功能，用于向地面站指挥人员提供决策辅助；

所述的功能分配模块通过内置的机载传感器对飞机外部、内部和飞行员状态数据实时融合与分析，该模块内设有飞行员工作负荷评估单元及自动模式选择单元，飞行员工作负荷评估单元通过外部状态信息、飞机状态信息、操作状态信息以及来自认知人机接口模块的飞行员生理指标信息，综合判断并对飞行员的工作负荷进行评估，自动模式选择单元根据前述的评估结果，将驾驶舱自动化系统所需要完成的任务与功能分为六种模式。

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