CN117612415A - 一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统 - Google Patents

一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统，方法包括：S1、基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型；S2、基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系；S3、在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。本发明采用三个飞行参数对飞行着陆的操作性能进行了评价，旨在评估和分析飞行员在飞行一段时间后的着陆操作表现，为飞行机队管理着陆风险提供实践和技术支持，为飞行机队的安全管理系统(SMS)提供数据驱动依据。

Description

一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统
技术领域
本发明涉及空中管制技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统。
背景技术
大量研究表明，飞行员是影响着陆性能的关键因素，尤其是飞行员的操作会受到他们的视觉感知和模式的影响。快速存取记录仪(QAR)是一种能够方便地采集飞机飞行中各种参数数据的工具。该工具可以记录飞行过程中的大部分性能参数、飞行员操作参数、环境特征。在实际着陆时有很大的不同。由于突发情况，飞行员经常需要执行一些特殊的紧急操作。不同的飞行员有不同的操作行为，不同的飞机有不同的性能特征。因此，很难直接评价飞行员的表现。影响飞机着陆过程的因素有很多。但无论是飞机因素、环境因素还是飞行员个体差异，着陆目标都是一致的，即飞机以正确的俯仰姿态、适当的接地速度和适当的垂向载荷在跑道上的标准区域着陆。为此，确有必要开发基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法及系统，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法，包括以下步骤：
S1、基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型；
S2、基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系；
S3、在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。
进一步地，所述步骤S1中的着陆操作性能评价模型的公式为：
；
式中，表示着陆操作性能评价值，/>表示冲出跑道事故权重，/>表示硬着陆事故权重，/>表示擦尾事故权重，/>表示冲出跑道事故风险值，/>表示硬着陆事故风险值，/>表示擦尾事故风险值；
其中，、/>和/>由以下公式计算：
；
式中，表示冲出跑道事故概率，/>表示硬着陆事故概率，/>表示擦尾事故概率，/>表示冲出跑道事故后果的严重程度，/>表示硬着陆事故后果的严重程度，/>表示擦尾事故后果的严重程度；
采集某一特定机型在一定时期内的飞行数据，以着陆距离、垂直加速度和俯仰角中的每个参数构成一个样本，表示样本值，该样本的均值/>和样本方差/>计算如下：
；
；
其中，i和n代表正整数，代表样本均值，/>为标准差，/>为标准差平方，设样本呈正态分布，为/>，使用正态性检验来检验上述正态分布，若检验结果表明样本正态分布，则进行偏差校正，得到/>的无偏估计量为：
；
根据Kolmogorov强大数定律，着陆距离、垂直加速度和俯仰角的正态分布函数表示为：
；
代表随机变量，/>代表以自然常数e为底的指数函数；
确定冲出跑道事故风险值、硬着陆事故风险值/>和擦尾事故风险值/>分别表示三种着陆事件发生的概率，冲出跑道事故后果的严重程度/>、硬着陆事故后果的严重程度/>、擦尾事故后果的严重程度/>分别为：
；
；
；
式中，、/>和/>分别表示着陆距离、垂直加速度和俯仰角的样本值，/>、/>和/>表示/>、/>和/>的样本均值，/>、/>和/> 表示/>的无偏估计量。
进一步地，所述步骤S2中飞机着陆操作性能评价体系的建立步骤具体为：
根据着陆操作性能评价模型将着陆操作性能评价值按照设定范围值进行性能等级划分。
进一步地，所述等级划分包括：优秀、良好、一般、差和极差，该等级划分作为最终着陆性能值。
本发明还提供一种根据上述的基于飞行数据进行着陆安全评估方法的系统，包括：
模型建立模块，用于基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型；
评价体系建立模块，用于基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系；
评价模块，用于在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用三个飞行参数对飞行着陆的操作性能进行了评价，旨在评估和分析飞行员在飞行一段时间后的着陆操作表现，为飞行机队管理着陆风险提供实践和技术支持，为飞行机队的安全管理系统(SMS)提供数据驱动依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于飞行数据进行着陆安全评估方法的流程图。
图2是本发明着陆参数的正态分布图。
图3是本发明不同参数分布中着陆事件概率的比较图。
图4是本发明基于飞行数据进行着陆安全评估系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本实施例公开了一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法，包括以下步骤：
步骤S1、基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型。
具体的，着陆操作性能评价模型的公式为：
（1）
式中，表示着陆操作性能评价值，/>表示冲出跑道事故权重，/>表示硬着陆事故权重，/>表示擦尾事故权重，/>表示冲出跑道事故风险值，/>表示硬着陆事故风险值，/>表示擦尾事故风险值；/>可以从着陆事件的统计数据确定。该权重也可由飞行机队的安全管理部门和飞行运行管理部门根据动态安全情况和政策要求进行修改。
其中，、/>和/>由以下公式计算：
（2）
式中，表示冲出跑道事故概率，/>表示硬着陆事故概率，/>表示擦尾事故概率，/>表示冲出跑道事故后果的严重程度，/>表示硬着陆事故后果的严重程度，/>表示擦尾事故后果的严重程度。
根据着陆距离、垂直加速度和俯仰角等飞行性能参数，在大样本空间()中三种参数近似正态分布。因此，采集某一特定机型在一定时期内的飞行数据，以着陆距离、垂直加速度和俯仰角中的每个参数构成一个样本，/>表示样本值，该样本的均值/>和样本方差/>计算如下：
（3）
（4）
假设样本呈正态分布，即，使用正态性检验来检验上述正态分布，若检验结果表明样本正态分布，则进行偏差校正，得到/>的无偏估计量为：
（5）
根据Kolmogorov强大数定律，样本越多，样本的均值和方差与期望和总体方差越接近，因此，根据该理论，着陆距离、垂直加速度和俯仰角的正态分布函数表示为：
（6）
公式2中，分别表示三种着陆事件发生的概率。以/>为例，/>为某型号飞机垂直加速度的分布函数。某一特定飞行的垂直加速度值越接近期望值，则硬着陆的可能性越小。如图2所示，如果取某一区域概率作为硬着陆的概率，则将分布函数的期望视为绕轴对称，将样本值/>视为宽度。
并且，当小于/>时，不发生硬着陆事故，故可得硬着陆事故发生概率的计算公式：
（7）
（8）
（9）
本实施例取为着陆事件的严重程度，其特征是样本数据值偏离预期的程度。偏差程度越大，严重程度越高。因此，确定冲出跑道事故风险值/>、硬着陆事故风险值/>和擦尾事故风险值/>分别表示三种着陆事件发生的概率；冲出跑道事故后果的严重程度、硬着陆事故后果的严重程度/>、擦尾事故后果的严重程度/>分别为：
（10）
（11）
（12）
式中，、/>和/>分别表示着陆距离、垂直加速度和俯仰角的样本值，/>、/>和/>表示/>、/>和/>的样本均值，/>、/>和/>表示/>的无偏估计量。
步骤S2、基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系。
具体的，的取值范围为0~1，根据正态分布的特点，99%以上的数据分布在正态总体的3个标准差以内。因此，/>的取值范围应为0~3，则3次着陆事件的风险值可由公式2计算得到，且风险值为正。本实施例利用公式1将3次着陆事故的风险值与权重相乘，可根据表1得出着陆操作性能水平。
表1 着陆操作性能评价参考值
步骤S3、在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。即：本实施例根据着陆操作性能评价模型将着陆操作性能评价值按照设定范围值进行性能等级划分，等级划分包括：优秀、良好、一般、差和极差，该等级划分作为最终着陆性能值。
为了验证模型的有效性和适用性，从主要运营该系列机型的某飞行机队收集了293组塞斯纳C172R/S飞机的飞行数据。利用Visual Basic for Applications (VBA)软件获取这些数据的着陆参数。
293个样本的正态分布参数可计算为:
选取一次飞行为例，得到该次飞行的着陆距离、垂直加速度和俯仰角分别为：
式中，=2732英寸，/>=1.39g，/>=3.27度。
冲出跑道、硬着陆、擦尾的概率和严重程度可按公式7-12计算:
接下来，根据公式2计算3次着陆事件的风险值:
根据安全监管的要求，确定了3次着陆事件的假设权重因子值为：
则本次飞行的着陆操作性能值由公式1得到：
最后，根据表1，本次飞行的着陆操作性能水平为“优秀”。
本实施例建立的着陆操作性能评价模型可以扩展到单次飞行的着陆风险评估和机队或飞行机队的着陆操作绩效评估。单次飞行着陆风险评价根据该模型的基本原理，3次着陆事件的风险值可表示为。因此，这3个参考值可以用来直接表示单次飞行的着陆风险。考虑了冲出跑道、硬着陆、擦尾的概率和严重程度的取值范围，并将单次飞行着陆风险划分为5个等级，如表2所示。
表2 着陆事件风险水平
根据该等级基准，可以对每次单次飞行着陆的风险等级进行评价。当某些类型的风险频繁达到“高”或“较高”级别时，飞行机队安全监管部门应采取必要措施控制或降低风险。
着陆操作评价由于不同机队的飞行技能不同，着陆事故的风险等级也不同，因此可以将该模型推广到机队的着陆风险评价中。一般情况下，着陆参数的阈值由机队根据相关规定统一制定，但不同的参数分布表示不同的事件概率。如图3所示，这些着陆事件发生的概率可以用阴影区域表示，阈值越集中，越向期望收敛，着陆事件发生的概率就越低。图中的和/>代表不同的样本分布计算出来的着陆事件概率大小。
确定机队着陆参数的分布函数，可以根据公式13将着陆事件的概率计算出来:
（13）
式中，表示一次着陆事件的概率，/>表示着陆参数的阈值，/>表示样本均值，/>表示无偏估计量。
对于同一着陆参数的阈值，某些事件的严重程度是不变的，这意味着可以用着陆事件的概率/>来预测相应事件的风险。此外，机队也可以通过公式13来预测给定时间段内着陆的风险。
从QAR数据中提取着陆距离、垂直加速度、俯仰角三个指标，评价各次飞行的着陆操作性能。基于风险评估原理，建立了着陆操作性能评价模型。根据统计理论和相应的算法，实现了对飞机着陆操作性能的客观评价，即飞机着陆操作性能评价系统。
该方法可用于对飞行后飞行员着陆操作绩效进行评估、分析和预警，为飞行机队识别和控制着陆风险提供量化支持，为飞行机队的安全与绩效管理提供更实用的工具。
测试结果表明:(1)该方法能够完成实际飞行数据的批量处理和参数计算。该方法能够对飞行着陆操作性能进行评估，比目前的飞行不安全事件管理系统更客观、有效、合理;
(2)该方法为飞行运行管理部门监控着陆风险提供了实际支持。同时，在未来的工作中，需要对系统进行改进，以缩短处理大量数据时的响应时间。
本发明建立了基于飞行数据的着陆操作性能评价模型，计算了每次着陆后冲出跑道、硬着陆和擦尾3种异常事件的风险。
模型验证结果表明，该模型适用于单次飞行的着陆操作性能评估，扩展应用实例表明，该模型可用于预测某一时期机队的着陆风险，并可用于比较不同机队的着陆操作性能。此外，该模型还可以推广到其他飞行阶段对飞行员操作性能的评价。
本发明克服了传统着陆操作性能评价方法一般考虑某一类超限事件和飞行数据超标的缺点。因此，该模型在统计和风险评价的基础上综合考虑了超标事件的风险，使着陆操作性能评价结果更加客观准确。该系统可以综合评价飞行着陆操作性能，为飞行运营部门监控着陆风险提供实际数据支持，对飞行员着陆技能的训练和提高更加客观合理。
参阅图4所示，本发明还提供一种根据上述的基于飞行数据进行着陆安全评估方法的系统，包括：模型建立模块1，用于基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型；评价体系建立模块2，用于基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系；评价模块3，用于在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。

Claims (5)

1.一种基于飞行数据进行着陆安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型；
S2、基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系；
S3、在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。
2.根据权利要求1所述的基于飞行数据进行着陆安全评估方法，其特征在于，所述步骤S1中的着陆操作性能评价模型的公式为：
；
式中，表示着陆操作性能评价值，/>表示冲出跑道事故权重，/>表示硬着陆事故权重，/>表示擦尾事故权重，/>表示冲出跑道事故风险值，/>表示硬着陆事故风险值，/>表示擦尾事故风险值；
其中，、/>和/>由以下公式计算：
；
式中，表示冲出跑道事故概率，/>表示硬着陆事故概率，/>表示擦尾事故概率，表示冲出跑道事故后果的严重程度，/>表示硬着陆事故后果的严重程度，/>表示擦尾事故后果的严重程度；
采集某一特定机型在一定时期内的飞行数据，以着陆距离、垂直加速度和俯仰角中的每个参数构成一个样本，表示样本值，该样本的均值/>和样本方差/>计算如下：
；
；
其中，i和n代表正整数，代表样本均值，/>为标准差，/>为标准差平方，设样本呈正态分布，为/>，使用正态性检验来检验上述正态分布，若检验结果表明样本正态分布，则进行偏差校正，得到/>的无偏估计量为：
；
根据Kolmogorov强大数定律，着陆距离、垂直加速度和俯仰角的正态分布函数表示为：
；
代表随机变量，/>代表以自然常数e为底的指数函数；确定冲出跑道事故风险值/>、硬着陆事故风险值/>和擦尾事故风险值/>分别表示三种着陆事件发生的概率，冲出跑道事故后果的严重程度/>、硬着陆事故后果的严重程度/>、擦尾事故后果的严重程度分别为：
；
；
；
式中，、/>和/>分别表示着陆距离、垂直加速度和俯仰角的样本值，/>、/>和/>表示/>、/>和/>的样本均值，/>、/>和 />表示/>的无偏估计量。
3.根据权利要求2所述的基于飞行数据进行着陆安全评估方法，其特征在于：所述步骤S2中飞机着陆操作性能评价体系的建立步骤具体为：
根据着陆操作性能评价模型将着陆操作性能评价值按照设定范围值进行性能等级划分。
4.根据权利要求3所述的基于飞行数据进行着陆安全评估方法，其特征在于：所述等级划分包括：优秀、良好、一般、差和极差，该等级划分作为最终着陆性能值。
5.一种用于实现权利要求1-4任意一项所述的基于飞行数据进行着陆安全评估方法的系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于基于着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角建立基于风险评价原理的着陆操作性能评价模型；
评价体系建立模块，用于基于着陆操作性能评价模型建立飞机着陆操作性能评价体系；
评价模块，用于在着陆时，通过将着陆距离、着陆垂直加速度和着陆俯仰角输入至所述着陆操作性能评价体系以评价最终着陆性能值。
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