CN111814247B - 一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，包括：面域水膜感知子系统，采用压敏传感设备获得单点水膜厚度信息，预测水膜厚度变化规律；机轮有限元模拟子系统，采用光学扫描设备获取道面微观纹理信息，预测道面纹理变化，模拟机轮在湿滑道面上的制动状态，构建机轮运行状态数据库；整机制动滑跑仿真子系统，建立整机仿真模型和刹车制动系统，构建整机运行状态数据库；航空器抗滑失效风险预警子系统，基于水膜厚度变化规律、机轮运行状态数据库和整机运行状态数据库生成总着陆制动距离的概率分布，评估冲出跑道风险，向控制终端预警。与现有技术相比，本发明具有避免人工巡查带来误差、提高机场跑道水膜信息的准确性等优点。

Description

一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统

技术领域

本发明涉及航空系统技术领域，尤其是涉及一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统。

背景技术

航空器着陆一直是道面安全管理的重点，着陆过程受到航空器运行条件、气候、道面状态等因素的影响，道面安全管理难以有效掌握航空器最终刹停距离。特别是道面湿滑条件下航空器着陆距离是干燥跑道着陆距离的2-4倍，如何全面地了解湿滑道面上水膜的分布状态，获取机轮着陆过程中的运行状态以及整机的着陆距离，并用科学的方法系统评价当前条件下航空器的冲\偏出跑道风险，已成为道面安全管理过程中亟待解决的关键技术。

目前道面湿滑程度的评价工作主要依靠人工巡查，以此为基础的跑道管理难以做到对航空器的着陆风险的准确度量，导致雨雪天气时机场运行指挥人员和空中交通管理人员无法保障航空器着陆安全，进而影响恶劣天气条件下的机场流量甚至导致航空器安全事故。鉴于此，通过自动化的技术手段对道面水膜厚度实现全域感知，结合道面状态与航空器运行条件建立航空器着陆安全的评价体系具有重要意义。

现有技术中公开了一种用于在恶劣天气下着陆期间增强飞行员决策的系统和方法，通过获取当前天气数据和设定阈值进行比较，来判定着陆期间是否存在风险，但判定结果仅为是否存在风险，未对风险数据进行量化，无法对控制中心的着陆指导决策提供帮助，协助飞机驾驶员进行安全着陆。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的通过人工巡查道面湿滑情况的准确性不高、航空器着陆安全无法保障的缺陷而提供一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，具体包括：

面域水膜感知子系统，采用压敏传感设备获得单点水膜厚度信息，并根据道面水膜厚度分布规律，采用空间状态方程与降雨信息结合预测设定时间内的水膜厚度变化规律；

机轮有限元模拟子系统，采用光学扫描设备获取道面微观纹理信息，根据机轮作用的应力分布规律预测设定时间内的道面纹理变化，通过有限元模拟机轮在湿滑道面上的制动状态，以此构建动水压力和摩擦系数为指标的机轮运行状态数据库；

整机制动滑跑仿真子系统，建立整机仿真模型，同时建立基于模糊控制器的刹车制动系统，基于所述整机仿真模型和刹车制动系统构建以制动距离为指标的整机运行状态数据库；

航空器抗滑失效风险预警子系统，基于所述水膜厚度变化规律、机轮运行状态数据库和整机运行状态数据库生成总着陆制动距离的概率分布，根据所述总着陆制动距离的概率分布评估航空器的冲出跑道风险，根据所述冲出跑道风险向控制终端进行预警。

所述压敏传感设备具体为光纤水膜厚度传感器。

进一步地，所述光纤水膜厚度传感器内设有光纤传感解调仪和光纤光栅温度计，光纤水膜厚度传感器将探测气体、液体等产生的压力转换成光信号，通过所述光纤传感解调仪完成光学频谱分析和压力换算，并给出监测点的数字压力信息。

进一步地，所述光纤水膜厚度传感器封装在跑道边灯灯罩中，所述跑道边灯灯罩内还封装有温度传感器，通过温度传感器对光纤水膜厚度传感器的数据进行实时修正。

所述单点水膜厚度信息具体为单点水膜厚度的传感器感知数据的时间序列，所述单点水膜厚度的传感器感知数据受压力水平波动、气压周期与短期变动、温度和实际水膜厚度影响，具体如以下公式所示：

λ＝F(p_f,p_p,T,h)

其中，λ为单点水膜厚度的传感器感知数据受到的影响，p_f为压力水平波动，p_p为气压周期与短期变动，T为温度，h为实际水膜厚度。

单点水膜厚度的时间序列通过所述光纤光栅温度计修正温度对水膜厚度监测结果的影响，通过不受水位影响的外置气压计进行修正大气压对水膜厚度监测结果的影响。

所述道面水膜厚度分布规律基于面域水膜厚度分布模型获得，所述面域水膜厚度分布模型具体为：

其中，h(l,t)为流线上距离单元起点l的点位在t时刻的水膜厚度，δ为量纲系数，η(t)为时变修正系数，h₀为单元内流线起点水膜厚度，n为粗糙度，I(t)为t时刻的降雨强度，l为计算点位到单元内起始点距离，i为单元内点位的综合坡度。

所述机轮有限元模拟子系统中通过有限元模拟机轮在湿滑道面上的制动状态的过程基于航空器的着陆状态数据，所述航空器的着陆状态数据包括航空器的荷载、着陆速度、机轮胎压和防抱死系统工作状态。

所述整机制动滑跑仿真子系统的任务还包括获取道面平整度信息，基于所述道面平整度信息建立道面平整度模型。

所述整机仿真模型包括机身模块、起落架模块、机轮模块、刹车装置模块和机场道面模块。

所述航空器抗滑失效风险预警子系统的预警步骤如下：

步骤S1：获取航空器着陆时空中段距离的概率分布和接地速度的概率分布；

步骤S2：基于所述接地速度的概率分布分别计算出过渡段距离和制动距离的概率分布；

步骤S3：根据所述过渡段距离和制动距离的概率分布，计算总着陆距离的概率分布；

步骤S4：基于所述总着陆距离的概率分布和既定跑道长度，计算航空器的冲出跑道风险，根据所述冲出跑道风险向控制终端进行预警。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明针对机场跑道的平整度规律、结合光纤水膜厚度传感器获取的水膜厚度信息，实现了机场跑道水膜厚度信息的全域获取，避免了人工巡查带来的误差，提高了机场跑道水膜厚度信息的准确性。

2.本发明针对机场跑道的条件、航空器的飞行状态以及天气信息，通过建立整机仿真模型和基于模糊控制器的刹车制动系统，量化了着陆距离的影响参数，对航空器的冲出跑道风险进行预警，提高了湿滑条件下机场跑道的安全保障水平。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明压敏传感设备的结构示意图；

图3为本发明水流径流模型的结构示意图；

图4为本发明道面水膜厚度分布计算的流程示意图；

图5为本发明水流径流模型的结构示意图；

图6为本发明总着陆距离概率分布的示意图。

附图标记：

1-光纤水膜厚度传感器和温度传感器；2-传输光纤；3-径流路线入口；4-径流路线出口；5-径流路线；6-单点最陡坡度方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，实现了机场跑道水膜厚度信息的全域获取，具体包括：

面域水膜感知子系统，采用压敏传感设备获得单点水膜厚度信息，并根据道面水膜厚度分布规律，采用空间状态方程与降雨信息结合预测设定时间内的水膜厚度变化规律；

机轮有限元模拟子系统，采用光学扫描设备获取道面微观纹理信息，根据机轮作用的应力分布规律预测设定时间内的道面纹理变化，通过有限元模拟机轮在湿滑道面上的制动状态，以此构建动水压力和摩擦系数为指标的机轮运行状态数据库；

整机制动滑跑仿真子系统，建立整机仿真模型，同时建立基于模糊控制器的刹车制动系统，基于整机仿真模型和刹车制动系统构建以制动距离为指标的整机运行状态数据库；

航空器抗滑失效风险预警子系统，基于水膜厚度变化规律、机轮运行状态数据库和整机运行状态数据库生成总着陆制动距离的概率分布，根据总着陆制动距离的概率分布评估航空器的冲出跑道风险，根据冲出跑道风险向控制终端进行预警。

压敏传感设备具体为光纤水膜厚度传感器，如图2所示，光纤水膜厚度传感器等间距埋设于道面两侧，采集该位置水膜厚度信息。

光纤水膜厚度传感器内设有光纤传感解调仪和光纤光栅温度计，光纤水膜厚度传感器将探测气体、液体等产生的压力转换成光信号，通过光纤传感解调仪完成光学频谱分析和压力换算，并给出监测点的数字压力信息。

光纤水膜厚度传感器封装在跑道边灯灯罩中，跑道边灯灯罩内还封装有温度传感器，温度传感器采集实时温度，计算温度对光纤水膜厚度传感器产生的波长影响，具体如下所示：

λ′_p＝G(T)-λ₀

其中，λ′_p为温度对光纤水膜厚度传感器产生的波长影响，G(T)为温度修正项，λ₀为温度为零度时的波长。

温度修正后光纤水膜厚度传感器的波长具体为：

其中，

为温度修正后光纤水膜厚度传感器的波长，λ_p为原光纤水膜厚度传感器的波长，λ′_p为温度对光纤水膜厚度传感器产生的波长影响。

单点水膜厚度信息具体为单点水膜厚度的传感器感知数据的时间序列，单点水膜厚度的传感器感知数据受压力水平波动、气压周期与短期变动、温度和实际水膜厚度影响，具体如以下公式所示：

λ＝F(p_f,p_p,T,h)

其中，λ为单点水膜厚度的传感器感知数据受到的影响，p_f为压力水平波动，p_p为气压周期与短期变动，T为温度，h为实际水膜厚度。

单点水膜厚度的时间序列通过光纤光栅温度计修正温度对水膜厚度监测结果的影响，通过不受水位影响的外置气压计进行修正大气压对水膜厚度监测结果的影响。

如图3所示，建立水流径流模型将传感器监测数据由点扩展到面域监测，对于道面水膜厚度分布模型，同时还需要采集道面坡度信息、道面粗糙度和实时降雨信息，道面坡度是由横坡和纵坡综合而成，对于新建道面，道面的坡度以及变坡点位置可以通过设计图获得，但对于长期使用或有损坏的道面，通常其部分点位的坡度已经与设计时不同，道面坡度可通过全站仪或三维扫描仪获取的道面点云数据计算得到，通过提高点云的密度和精度，使由点云重构的模型更加逼近真实道面形态。

道面的粗糙度常通过宏观纹理深度进行表征，采用深度相机获取道面的三维点云数据，通过点云信息特征挖掘获取道面宏观纹理深度，并根据所示的宏观纹理深度与道面粗糙度的关系可对道面粗糙度n进行直接计算。

利用跑道附近的气象站和降雨传感器以及通过气象软件获取实时降雨信息。

道面水膜厚度分布规律基于面域水膜厚度分布模型获得，面域水膜厚度分布模型具体为：

其中，h(l,t)为流线上距离单元起点l的点位在t时刻的水膜厚度，δ为量纲系数，η(t)为时变修正系数，h₀为单元内流线起点水膜厚度，n为粗糙度，I(t)为t时刻的降雨强度，l为计算点位到单元内起始点距离，i为单元内点位的综合坡度。

获取道面水膜厚度分布规律的具体过程如图4所示：

首先在面域水膜厚度分布模型中输入道面信息进行单元划分，为模型计算提供道面单元间几何关系(编号)、各单元的坡度和粗糙度；

其次获取实时降雨信息对道面水膜厚度分布进行计算，并对极小坡度情况进行水膜厚度修正；

最后依据传感器监测结果进行时间修正和多传感器协同修正，从而输出监测全域的水膜厚度实时分布。

时变修正系数对应的道面水膜厚度分布的状态包括流线模型、等效降雨、系数修正和无降雨。

机轮有限元模拟子系统中，基于水膜厚度分布规律、道面微观形貌特征、轮胎材料、航空器着陆速度、荷载、机轮充气压力、机轮角速度、机轮线速度等信息，建立湿滑道面上机轮制动工况模型，通过湿滑道面上机轮制动工况模型模拟机轮在湿滑道面上的制动状态，该过程同时基于航空器的着陆状态数据，航空器的着陆状态数据包括航空器的荷载、着陆速度和防抱死系统工作状态。

整机制动滑跑仿真子系统的任务还包括获取道面平整度信息，基于道面平整度信息建立道面平整度模型。

如图5所示，整机仿真模型包括机身模块、起落架模块、机轮模块、刹车装置模块和机场道面模块，其中起落架模块分为前起落架模块和主起落架模块，前起落架模块包括前起落架组件和前机轮组件，主起落架模块包括主起落架组件和主机轮组件。

航空器抗滑失效风险预警子系统的预警步骤如下：

步骤S1：获取航空器着陆时空中段距离的概率分布和接地速度的概率分布；

步骤S2：基于接地速度的概率分布分别计算出过渡段距离和制动距离的概率分布；

步骤S3：根据过渡段距离和制动距离的概率分布，计算总着陆距离的概率分布；

步骤S4：基于总着陆距离的概率分布和既定跑道长度，计算航空器的冲出跑道风险，根据冲出跑道风险向控制终端进行预警。

如图6所示的干燥跑道和3mm水膜厚度湿滑跑道上航空器的总着陆距离概率分布，量化了干燥跑道和水膜覆盖的跑道上航空器的总着陆距离，方便飞行员根据概率分布预留对应的刹车距离，同时也方便控制中心在未降雨的干燥跑道和不同水膜厚度的湿滑跑道的环境下进行航空器起落管理。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，具体包括：

面域水膜感知子系统，采用压敏传感设备获得单点水膜厚度信息，建立水流径流模型将传感器监测数据由点扩展到面域监测，并根据道面水膜厚度分布规律结合降雨信息，采用空间状态方程预测设定时间内的水膜厚度变化规律；

机轮有限元模拟子系统，采用光学扫描设备获取道面微观纹理信息，根据机轮作用的应力分布规律预测设定时间内的道面纹理变化，通过有限元模拟机轮在湿滑道面上的制动状态，以此构建动水压力和摩擦系数为指标的机轮运行状态数据库；

整机制动滑跑仿真子系统，建立整机仿真模型，同时建立基于模糊控制器的刹车制动系统，基于所述整机仿真模型和刹车制动系统构建以制动距离为指标的整机运行状态数据库；

航空器抗滑失效风险预警子系统，基于所述水膜厚度变化规律、机轮运行状态数据库和整机运行状态数据库生成总着陆制动距离的概率分布，根据所述总着陆制动距离的概率分布评估航空器的冲出跑道风险，根据所述冲出跑道风险向控制终端进行预警。

2.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述压敏传感设备具体为光纤水膜厚度传感器。

3.根据权利要求2所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述光纤水膜厚度传感器内设有光纤传感解调仪和光纤光栅温度计。

4.根据权利要求2所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述光纤水膜厚度传感器封装在跑道边灯灯罩中，所述跑道边灯灯罩内还封装有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述单点水膜厚度信息具体为单点水膜厚度的传感器感知数据的时间序列，所述单点水膜厚度的传感器感知数据受压力水平波动、气压周期与短期变动、温度和实际水膜厚度影响，具体如以下公式所示：

λ＝F(p_f,p_p,T,h)

其中，λ为单点水膜厚度的传感器感知数据受到的影响，p_f为压力水平波动，p_p为气压周期与短期变动，T为温度，h为实际水膜厚度。

6.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述道面水膜厚度分布规律基于面域水膜厚度分布模型获得，所述面域水膜厚度分布模型具体为：

其中，h(l,t)为流线上距离单元起点l的点位在t时刻的水膜厚度，δ为量纲系数，η(t)为时变修正系数，h₀为单元内流线起点水膜厚度，n为粗糙度，I(t)为t时刻的降雨强度，l为计算点位到单元内起始点距离，i为单元内点位的综合坡度。

7.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述机轮有限元模拟子系统是基于航空器的着陆状态数据，通过有限元模拟机轮在湿滑道面上的制动状态，所述航空器的着陆状态数据包括航空器的荷载、着陆速度和防抱死系统工作状态。

8.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述整机制动滑跑仿真子系统的任务还包括获取道面平整度信息，基于所述道面平整度信息建立道面平整度模型。

9.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述整机仿真模型包括机身模块、起落架模块、机轮模块、刹车装置模块和机场道面模块。

10.根据权利要求1所述的一种基于湿滑状态感知的航空器着陆安全风险评估系统，其特征在于，所述航空器抗滑失效风险预警子系统的预警步骤如下：

步骤S1：获取航空器着陆时的空中段距离的概率分布和接地速度的概率分布；

步骤S2：基于所述接地速度的概率分布分别计算出过渡段距离和制动距离的概率分布；

步骤S3：根据所述过渡段距离和制动距离的概率分布，计算总着陆距离的概率分布；

步骤S4：基于所述总着陆距离的概率分布和既定跑道长度，计算航空器的冲出跑道风险，根据所述冲出跑道风险向控制终端进行预警。

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