CN115783278A - 一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于“阈值‑特征‑结果”匹配的飞行员操作监视方法，属于飞机设计领域；首先，将飞行员历史异常操作分为飞行技术误差、应急操作和故意操作三类；实时记录待测试飞行员的操作幅度、时间、频率、控制飞机达到稳定/不稳定状态四个特征数据；并分别与标准阈值进行对比，当飞行员操作超出阈值，即出现异常作；接着，将异常操作输入六自由度仿真飞机模型，通过模型结果与实际结果对比，删除飞机系统故障产生的影响，确保操纵结果是由飞行员操作产生。最后，利用“阈值‑特征‑结果”匹配关系，判断飞行员当前操作产生的操纵结果，并对飞行员进行告警等级判定。本发明实现精确的判别异常操作产生原因，降低错误告警的概率。

Description

一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法

技术领域

本发明属于飞机设计领域，具体涉及一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法。

背景技术

民航飞机的运行安全一直以来都是世界关注的焦点，自行业诞生以来，世界各国不断寻求各种方法和措施以提高飞行安全性。截止目前为止，这些方法和措施几乎都是针对于飞机硬件或软件运行可靠性而制定的；而飞行员作为飞行安全的最核心要素，一直一来都被认为是“绝对可靠”的。

飞行员作为掌控全机安全的最核心要素，其行为和权利需要受到监视和约束，已经成为了一个不争的事实，各航司也纷纷提出响应的手段，包括：地面对飞行员心理进行调查和疏导；空中飞行时采用三人制机组；不允许驾驶舱留下单一飞行员等规定。

上述各项措施能够在一定程度上避免由于飞行员失能、飞行员心理疾病导致的异常操作，从而避免由于飞行员因素造成的飞行安全事故。但是，这些措施也都有其不足和局限性：

1.三人制机组将显著增加航空公司运营成本，由于现代飞机本身可靠性，安全性和操作便捷性已经非常高，三人机组并不能减少飞行员操作负担，且还会极大的增加运营成本。

2.部分航空公司要求飞行的任意时间内，驾驶舱内至少同时有一个飞行员和空乘机组人员。飞行操作极为专业，空乘人员难以判断出飞行员是否是正常操作、或是确实遇到突发情况，也难以判断是否应该对飞行员进行制止。

目前，航电系统虽然能够对飞行员的部分异常操作进行监视和约束，但是从未有航电系统/监视方法专门对飞行员异常操作进行监视。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法，通过对飞行员操作是否超出标准阈值、从而启动对飞行员异常行为的监视；对超出标准阈值后的特征属于哪种异常行为进行分类，用于判别飞行员产生异常操作的意图；飞行员操作理论结果与实际结果是否匹配，剔除飞行环境、系统故障等原因对异常操作意图产生的误判，从而精准的对飞行员异常操作行为进行监视和对威胁等级进行划分，并将评定结果通过机载告警系统对飞行员进行告警，或通过空地数据链对地面管制人员进行预警。

所述基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法，包括以下步骤：

步骤一、统计飞行员历史异常操作，划分为：飞行技术误差、应急操作和故意操作三类；

每类包含：轻微、警戒和警告三种等级。

步骤二、针对待测试飞行员，实时记录该飞行员的操作幅度、操作时间、操作频率、控制飞机达到稳定/不稳定状态趋势四个特征数据。

步骤三、针对飞行员的当前操作特征数据，分别与标准规定的操作阈值进行对比，当飞行员操作特征数据超出阈值，即认为出现了潜在的异常操作情况；

步骤四、将飞行员潜在的异常操作输入到六自由度仿真飞机模型，并将模型结果与实际飞机结果进行对比，剔除飞机系统故障和环境因素影响，确保操纵结果是由飞行员操作产生。

步骤五、利用“阈值-特征-结果”匹配关系，判断飞行员当前操作产生的操纵结果，并对飞行员进行告警等级判定。

当客观上存在超出标准阈值，实际结果又验证了操作确实为飞行员主观操作，此时断定飞行员为异常操作，对其异常操作的等级划分为轻微、严重和故意三类；通过机载告警系统对飞行员进行提示和告警，或者直接通过空地数据链发送到地面管制中心，对地面进行预警。

本发明的优点在于：

1.针对传统监视和预警系统，仅依靠对飞行员操作是否超过程序设置阈值来进行判定，本发明除此之外，还将飞行员操作与造成的实际后果进行关联匹配，从而能够实现精确的判别异常操作产生原因，降低错误告警的概率。

2.本方法对比驾驶员操作对飞机飞行的理论影响和实际飞行数据，从而能够区分由于环境或机械故障导致的飞机异常运动，避免将此类异常误判为驾驶员异常操作。

附图说明

图1为本发明一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法的流程图；

图2为本发明实例中采用的告警种类和等级划分示意图；

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入的具体过程描述。

本发明一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、统计飞行员历史异常操作，并划分为飞行技术误差、应急操作和故意操作三类；

如图2所示，每类包含：轻微、警戒和警告三种等级。

飞行技术误差是指飞行员由于自身技术水平原因，在飞行过程中难以控制飞机达到良好的预期的飞行状态，导致飞机出现颠簸和振动等现象。

应急操作是指飞行员具有良好的飞行技术，但是在突发情况下，诸如：紧急复飞、遭遇风切变、机械故障或发动机等飞机系统故障等，为了保证飞机安全，采取的超出正常飞行所需操纵幅度的操作。

故意操作是指飞行员由于愤怒或厌世等原因，恶意利用飞机进行情绪发泄，甚至控制飞机撞山或撞地等严重危险操作。

步骤二、针对待测试飞行员，实时记录该飞行员的操作数据，并抽象成操作幅度、操作时间、操作频率、控制飞机达到稳定/不稳定状态趋势四种特征数据。

步骤三、针对飞行员的执行的每一个操作，与标准规定的操作阈值进行对比，一旦飞行员操作超出阈值，即认为出现了潜在的异常操作情况；

各机型标准操作手册和飞机性能限制手册规定了各飞行阶段中，飞行员操作飞机的标准流程、技巧和操作限制。如飞机起飞过程中，标准操作手册规定飞行员在到达起飞速度后，飞机离地前最大抬头不能超9度，起飞后应当在3秒内轻柔的控制飞机抬头至15度等；

异常操作包括以下几种：

1)利用大数据统计、神经网络或机器学习等方式，对大量飞行员的操作数据进行分析，计算标准操作时间和操作频率。

以统计方法为例：统计大量飞行员起飞阶段的操作数据，计算机轮离地10秒内，飞行员控制驾驶杆次数和每次操作时间并进行平均，从而得到标准操作时间和操作频率。

当飞行员的操作时间和操作频率超出标准的误差范围，则说明飞行员存在异常操作。

2)对比飞机当前姿态角速度和操纵杆位置，判别此时操纵输入是控制飞机回到稳定状态，或是远离稳定状态。

例如：飞机此时俯仰角速度为正，意味着飞机正在不断抬头，此时如果飞行员给出推杆指令，则代表飞行员有意减小抬头趋势，使飞机回到稳定飞行状态(俯仰角速率为0)；如果此时飞行员仍然给出拉杆指令，则代表飞行员有意增大抬头趋势，即使飞行员远离稳定飞行状态。

飞行员控制飞机超出远离稳定状态的限定范围，则属于异常操作；

3)通过飞行员的操作特征进行判别，区分飞行员的异常操作；

飞行技术误差：飞行员操作输入具有控制飞机回到稳定状态的趋势；但是在操纵时间、操纵幅度和操纵频率可能并不恰当，与标准操作间存在较大差距，难以对飞行状态合理修正，出现反复超调，来回颠簸的情况。

应急操作：飞行员操作输入具有控制飞机回到稳定状态的趋势，伴随着短时间大幅操纵，即操纵幅度偏离标准值较大，但是操作持续时间很短，操作频率相比于标准值较高。

故意操作：包含恶意控制飞机坠毁和利用飞机进行情绪发泄两大类。

对于恶意控制飞机坠毁，飞行员操作输入往往呈现出使飞机远离稳定状态的趋势、操作幅度大、持续时间长、操作调整频率低；

对于恶意利用飞机进行情绪发泄，呈现出类似于由于飞行技术误差导致异常的操纵特征；主要区别在于：飞行技术误差往往出现在不稳定飞行阶段(飞机受动气流等情况本自身出现了不稳定飞行状态)，飞行员对飞机进行控制使之回到稳定飞行；而利用飞机进行情绪发泄往往出现在飞机平稳飞行过程中，飞行员对飞机进行不必要的调整导致飞机出现不稳定状态。

步骤四、对飞行员潜在的异常操作输入到六自由度仿真飞机模型，监视其产生的操纵结果，并将模型计算结果与实际飞机结果进行对比，删除湍流、风切变、机械故障、发动机等飞机系统故障对飞机运动状态产生的影响，确保操纵结果是由飞行员操作产生，以及是否会对飞行产生危险后果。。

针对飞行员执行的每一个操作，监视其产生的操纵结果，以判定其操作是否会对飞行产生危险后果，主要需要对以下操纵和结果数据进行监视：

飞行过程中，飞机飞行状态不仅仅受到飞行员操作影响，湍流、风切变、机械故障、发动机等飞机系统故障同样会造成飞行状态出现突然变化，这些干扰因素不利于判定驾驶员操作是否给飞机带来了危险后果，需要排除。

本方法采用将飞行员操作输入给提前编写的六自由度仿真飞机模型，并将模型计算结果与实际飞机进行对比，实现对上述干扰的剔除。例如：

初始状态下，仿真飞机模型与实际飞机以相同状态保持稳定飞行。在某一时刻，飞行员拉动驾驶杆，导致实际飞机出现了俯仰角速率增加，飞机俯仰角增大；将飞行员操纵指令输入给飞机仿真模型，飞机仿真模型也将计算出在该操作指令下，飞机的俯仰角和俯仰角速率的后续变化。对比两个结果趋势是否一致，由于飞行仿真模型只考虑了驾驶员输入指令对飞机的影响，如果对比结果趋势并不一致，则说明飞机此时除了受驾驶员操作影响外，还受到外界湍流、机械故障、发动机系统故障等因素影响；否则，则说明当前飞行结果，完全是驾驶员控制造成。

如果当前飞机输入指令已经超过标准程序设置阈值，并且当前飞行结果完全是由驾驶员控制造成，则表明驾驶员异常操作并非为了修正湍流、机械故障、发动机失效等因素对飞机造成的影响。此时，无论异常操作原因是技术误差或是故意破坏，对飞行安全都存在威胁。

步骤五、利用“阈值-特征-结果”匹配关系进行告警等级判定。

当客观上存在超出标准阈值，实际结果又验证了操作确实为飞行员主观操作，此时认为对飞行员异常操作的判别是准确的，并对其等级进行划分为轻微、严重和故意三类，该警告类别和等级可用于机载告警系统对飞行员进行提示、告警，或者直接通过空地数据链发送到地面管制中心，对地面进行预警。

为了准确度的评估飞行员异常操作，是自身飞行技术原因导致的客观结果；或是应急状态下的合理救险行为；亦或是由于飞行员情绪导致的故意危害行为。本方法对下述三方面进行综合考虑：

飞行员操作是否超出标准阈值，用于确定是否启动对飞行员行为进行监视。

超出标准阈值后的特征是属于哪种异常行为分类，用于判别飞行员产生异常操作的意图。

飞行员操作理论结果与实际结果是否匹配，用于剔除飞行环境、系统故障等原因对异常操作意图产生的误判。

当客观上存在超出标准阈值，实际结果又验证了操作确实为飞行员主观操作，此时认为本方法对飞行员异常行为的判别是准确的，并对其等级进行划分。

对于操纵幅度、操作频率和操作时间，将超出30％、60％、100％划分为轻微、严重、故意；绝大部分飞行状态下，驾驶员的控制目标都是控制飞机回到稳定状态；仅在飞机需要进行机动、复飞、存在撞地/撞山风险等极少数情况下，需要控制飞机短暂远离稳定状态。因此，通过计算驾驶员控制飞机远离稳定状态时间长度，当时间超过3s为轻微；超过5秒为严重；超过7秒为故意进行划分。

判别种类和等级输出后，可用于机载告警系统对飞行员进行提示、告警，甚至可以直接通过空地数据链直接发送到地面管制中心，对地面进行预警。

Claims (3)

1.一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，统计飞行员历史异常操作，划分为：飞行技术误差、应急操作和故意操作三类；

每类分别包含：轻微、警戒和警告三种等级；

针对待测试飞行员，实时记录该飞行员的操作幅度、操作时间、操作频率、控制飞机达到稳定/不稳定状态趋势四个特征数据；并分别与标准规定的操作阈值进行对比，当飞行员操作特征数据超出阈值，即认为出现了潜在的异常操作情况；

然后，将飞行员潜在的异常操作输入到六自由度仿真飞机模型，并将模型结果与实际飞机结果进行对比，删除飞机系统故障和飞行环境因素干扰产生的影响，确保操纵结果是由飞行员操作产生；

最后、利用“阈值-特征-结果”匹配关系，判断飞行员当前操作产生的操纵结果，并对飞行员进行告警等级判定。

2.如权利要求1所述的一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法，其特征在于，所述异常操作的判断包括以下几种：

1)利用大数据统计、神经网络或机器学习，对大量飞行员的操作数据进行分析，计算标准操作时间和操作频率；

当飞行员的操作时间和操作频率超出标准的误差范围，则说明飞行员存在异常操作；

2)对比飞机当前姿态角速度和操纵杆位置，判别此时操纵输入是控制飞机回到稳定状态，或是远离稳定状态；当飞行员控制飞机远离稳定状态的标准误差范围，则属于异常操作；

3)通过飞行员的操作特征进行判别，区分飞行员的异常操作；

飞行技术误差：飞行员操作输入具有控制飞机回到稳定状态的趋势；但是在操纵时间、操纵幅度和操纵频率可能并不恰当，与标准操作间存在较大差距，难以对飞行状态合理修正，出现反复超调，来回颠簸的情况；

应急操作：飞行员操作输入具有控制飞机回到稳定状态的趋势，伴随着短时间大幅操纵，即操纵幅度偏离标准值较大，但是操作持续时间很短，操作频率相比于标准值较高；

故意操作：飞行技术误差往往出现在不稳定飞行阶段，飞行员对飞机进行控制使之回到稳定飞行；而利用飞机进行情绪发泄往往出现在飞机平稳飞行过程中，飞行员对飞机进行不必要的调整导致飞机出现不稳定状态。

3.如权利要求1所述的一种基于“阈值-特征-结果”匹配的飞行员操作监视方法，其特征在于，所述利用“阈值-特征-结果”匹配关系进行告警等级判定，具体为:

飞行员操作是否超出标准阈值，用于确定是否启动对飞行员行为进行监视；

超出标准阈值后的特征是属于哪种异常行为分类，用于判别飞行员产生异常操作的意图；

飞行员操作理论结果与实际结果是否匹配，用于剔除飞行环境、系统故障的原因对异常操作意图产生的误判；

当客观上存在超出标准阈值，实际结果又验证了操作确实为飞行员主观操作，此时认为飞行员存在异常行为，对其等级进行告警等级的划分；

对于操纵幅度、操作频率和操作时间，将超出30％、60％和100％的分别划分为轻微、严重和故意；绝大部分飞行状态下，驾驶员的控制目标都是控制飞机回到稳定状态；仅在飞机需要进行机动、复飞或存在撞地/撞山风险，需要控制飞机短暂远离稳定状态；因此，通过计算驾驶员控制飞机远离稳定状态时间长度，当时间超过3s为轻微；超过5秒为严重；超过7秒为故意进行划分。

判别种类和等级输出后，利用机载告警系统对飞行员进行提示、告警，或者通过空地数据链直接发送到地面管制中心，对地面进行预警。

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