CN1684871A - 确定降水造成的结冰危险的方法以及执行该方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定降水造成积冰危险的方法和设备。依据本发明迄今周知的降水测量和对该降水的实际积冰量的测量相组合。在能接收其它参数信息，例如防冻液数量和类型，的组合单元中组合所述测量。同以前相比达到对积冰危险，例如施加着防冻液的机翼上，可靠得多的判定，从而可靠地确定其间在当前天气条件下保证飞机不会结冰的保持时间HOT。

Description

确定降水造成的结冰危险的方法 以及执行该方法的设备
技术领域
本发明涉及确定降水造成的结冰危险的方法。本发明尤其但不排他地用于确定空中交通中的结冰危险。
背景技术
当存在形成冰的危险时，空中交通使用各种类型、各种浓度的防冻液，并且要估计的问题是在目前的天气状态下该防冻液会在多长时间内保持有效。这称为“保持时间”(holdover time)；以下用“HOT”表示。
国际航空公司组织公布指示一些防冻液以及这些防冻液的相当少的浓度下的保持时间的时限表。这些表(它们是目前能使用的唯一工具)和二个主要不确定因素关联。首先，这些表中列出的时限是在大裕量下给出的，例如最少30分钟和最多60分钟，并且其次只有能在正确地估计降水下才可使用这些表，这些表是按降水类型，例如雪或过冷水，划分的。估计的最终责任落在驾驶员上，即从座舱内驾驶员通常通过高加热的斜窗从顺风的天气条件估计降水类型并且接着得到一组该表给出的最小和最大时限。
典型地在冰点之上的5℃到8℃的温度范围内出现的非常变化的降水类型是机场最长延时的原因并且飞机通常必须长时间等待才会得到起飞许可，同时响应降水条件防冻液较快或较慢地消耗。
迄今，结冰已造成141起、遇难人数达1200的空难。
发明内容
本发明的目的是提供一种能确定HOT的方法，其中该确定基于实际测量而不是基于现有技术迄今藉助的主观估计。
通过按权利要求1的特征部分执行的方法达到该目的。实际上，降水类型或者等效液体量的确定不能用来表达会形成多少的冰，因为利用已知方法不能区分过冷水和一般的水。确切地在结冰危险最大的温度范围内即0℃附近该不确定性是最大的。
通过根据权利要求1的特征部分组合测量，可以对使用防冻液情况下估计结冰危险的重要条件得到完整和客观的测量。在图2和3的环境下更详细地解释该组合以及它的重要性。
根据本发明组合的二个测量可以分别通过已知的技术得到并且可以通过使用分立的设备或者通过使用组合设备实现。例如可以通过美国5,434,778号专利中讲授的技术确定等效液体量。
依据一优选实施例，通过测量冰的实际形成，例如通过WO 00/54078中讲授的技术，确定降水中冰的实际含量，参见权利要求6。
依据一实施例，表面元的温度实质上是由大气温度导致的，但是替代地可以把表面元的温度控制成具有另一个预定的温度。在此情况下，例如机翼中燃料的温度或者喷上的防冻液的温度的参数可能是贴切的。
通过WO 00/54078讲授的设备，按一方面保证沉积冰另一方面甩掉大部分水滴的速率转动若干表面元。通过执行权利要求10所述的方法，保证慢的转动不会减少冰的实际形成，并且高速转动保证在加载沉积的冰量之前水不会保存在转子上。也可以以加载之外的方式确定冰量。
此外，进行其它例如以权利要求11至14为特征的测量是有益的。
通过使对冰形成危险的可靠测量和所施加的防冻液的类型及浓度的知识相结合，能更可靠地估计给定天气条件下期望机翼不会结冰的保持时间HOT。通过本发明，和现有技术相比，能在大大减小的不安全裕度下给出HOT，参见图2和3中的解释。
但是，通常，尤其在空中交通领域，采用相当保守的方法，这会无疑问地导致地驾驶员习惯于得到严格定义的保持时间之前要经过一段时间。无疑问地，仍会在一段时间内咨询这些周知的表，这些表的一个不安全性要素是确定降水类型。通过按权利要求17讲授那样执行本发明，可以利用从本发明得到的客观确定可靠地指示降水的实际组成。
这样，驾驶员最初可在验证依据本发明的保持时间在这些表给出的最大时限内感觉到是安全的，并且以后可以完全信任地把依据本发明的保持时间用作为可靠、严格定义的限制。
安全当然是顶级优先的；但是还存在防冻液是昂贵的方面，并且施加比达到安全飞行所需的更多的防冻液是浪费钱的并连带着不必要的污染。通过执行权利要求15所述的本发明能确定为达到期望的保持时间要施加的防冻液的最小必要浓度。
除了上述优点之外，本发明提供显示全新观点的选择。通过用来确定降水量的测量设备和测量实际沉积的冰量的测量设备的组合，现在的一种选择是实现如权利要求19所述的自学习专家系统。依据本发明，根据最多5分钟或十分钟之前的实际天气状况的测量得出的保持时间要比迄今采用的保持时间可靠得多得多。这些已知的表是基于可以登记在计算模型中的经验条件的，其中通过该计算模型算出的冰沉积量和实际测量的冰量的比较可自动调整某些参数。从而可以适当地预测冰的风险。通过把各个机场里的计算机彼此连接起来并且输入气象数据，可以把该模型扩展成根据气象条件提供对别的机场的冰危险的估计，而且该估计可以和这些机场上目前测到的冰积累比较，接着可以动态地优化计算模型。
本发明还涉及一种执行依据权利要求1的方法的设备。该设备特征在于权利要求1所述的配置。
该设备最好还包括带有有关保持时间的经验信息的数据存储，从而对实际保持时间提供可靠得多的确定。
该设备还可以以一个带有例如用来估计保持时间的数字模型的计算机为特征，其中该模型包含若干可调整的参数。如权利要求23中所述那样，通过估计结果和实际测量结果的比较，可以调整这些参数，从而能实现自学习专家模型。
本发明还涉及一种如权利要求24讲授的配置。
附图说明
现在通过下面的说明在参照各附图下更详细地解释本发明，附图中：
图1具体示出加拿大使用的已知表；
图2示出另一张在欧洲使用的已知表；
图3说明现有技术如何估计HOT；
图4示出依据本发明如何可以更准确地给出时限；
图5示意示出本发明的原理；
图6示出图5示出的计算单元的工作例子；
图7示出本发明的和专家系统组合的实施例；
图8示出图7中示出的实施例的工作方式；以及
图9示出本发明如何可以和气象信息组合以用于在大的距离和大的时间周期上预测冰的危险。
具体实施方式
图1示出2002年6月加拿大运输部一份用来估计HOT的表。该表是“后向”使用的，即驾驶员估计法定英里下的能见度(在十二个格中给出数量)。当估计雪中的能见度时，白天还是晚上是重要的并且此外温度也起一份作用。该表用来估计降雪是“大的”、“中等的”或“小的”。接着使用另一份指示作为“大/中/小”的函数的降水等效水量的表(未示出)，并且一旦找出后借助另一份表(未示出)来得到作为等效水量的函数的HOT时限。
图1环境下讲授的方法从而尤其基于能见度的估计以及亮度或暗度。
2002年7月29日国家大气研究中心公布一篇文章，其阐述把根据图1得出的决定参数用作为能见度为什么是不恰当的科学原因。从而这种估计是相当不确定的。
图2示出另一个已知表，当能把降水类型归类成表2中示出六种降水类型之一时该表给出HOT时间间隔。可以对防冻液的各种温度范围以及三种不同混合率应用该表。
图3示出使用图2示出的表时的方法。图3原则上是自身说明问题，从而只对图3作少量注解。特别要注意的事实是在图3中做出三次估计。对于以每半小时发布的目前天气信息(METAR)，在雨夹雪情况下，必须估计天气为小的还是大的雨夹雪(sleet)。接着把该第一次估计转换成等效降水类型，在本例中为轻冻雨(light freezing rain)。利用该表给出15-30分钟的保持时间段(在图2中对应“轻冻雨”栏下的第一行)。从而该时限的上限是按下限的二倍给出的，这不是使人放心的。此外，若空气速度或者空气湿度被认为是高的时驾驶员必须进行减小HOT的估计，并且最后，由于任何原因驾驶员必须估计降水可能怎样改变。
实际上这意味着典型地在顺风条件下并且利用高斜度和加热的窗玻璃的驾驶起飞的驾驶员能确定降水由什么组成(水，雪，雨夹雪，过冷水，等等)。在这样的条件下随后驾驶员必须排队以便批准起飞并且随着时间的流逝进行防冻液是否仍有效的评估，此时其面前只有图2中示出的非常大的不确定裕度；在不利的条件下HOT可能小到为几分钟。从而当该表指示HOT多达30分钟时可能出现事故。
用来测量降水成分的已知测量设备能测量水滴尺寸并能估计雪和水之间的分布、温度、露点等，但不能辨别水滴是否过冷，而后者对于估计冰形成危险是关键性的。
现参照图4，图中示出一张和图2中示出的表相似的表，但是其中引入新的测量参数，即冰指数和等效水量。
显然，对于给定时间周期期间消耗的防冻液量降水中的水量(在和表的左侧的温度结合下)是非常重要的。从而业内人士明白把等效液量引入到该表中并且每半小时通过METAAR接收信息。该时段过大，但是显然当存在冰积累危险时更频繁地发送等效液量是一种选择。但是，其它问题变大，这是因为迄今用来得到等效水量的测量方法在0℃附近关联着大约30％的不确切性，在0℃附近通过本发明解决的问题是最大的问题。迄今知道的方法不能辨别沉积的液滴中多大的部分是过冷的和多大的部分是不过冷的。依据本发明测量降水中潜藏的冰含量的实际量，这在图4中用数字1-9表示。冰指数的量纲是单位时间内单位面积上沉积的冰的重量。
通过依据本发明组合冰指数和等效水量，和根据图2从现有技术得出的相反，现在能在可靠的方式下对HOT提供更准确的时间/时限，如从图4看出那样。
例如如果按标题“雪”查阅该表并且假定冰指数为2以及等效水量在0.4到0.88毫米之间，则能对HOT的分钟数具有相当准确的信息。但是，情况常常是冰形成的实际危险(例如冰指数2)并不总是和该表中给出的等效水量(即0.4到0.8)相关。例如，可觉察到测出的冰指数为5，尽管测出的等效水量在0.4到0.8的范围内。这是因为几乎所有的降水都是过冷水的现象，从而一实施例的选取是选择按冰指数为5进入该表而不考虑等效水量为0.4-0.8。
替代地，冰指数可以被测量是1，而等效水量测量是0.4-0.8。即使该情况下冰形成的危险相对小，仍存在降水量，例如0℃下的雪，这会比冰指数为1的情况消耗数量更多的防冻液。依据一实施例，把冰指数测量和等效水量测量中可能最坏的一个选择为计算HOT的起点。
该刚刚说明的组合冰指数和等效水量的实施例是应用本发明的简化形式。根据上面给出的解释，可以理解基于测试、计算和经验表能对冰指数和等效水量的重要性(significance)加权，从而确保施加足够数量的防冻液并且同时避免使用过多数量的防冻液。
表4包括一些对HOT的代表性分钟数显示。这些值不是仅仅根据所述测量计算的，而且还是根据空中交通机构做出的安全要求。
应注意，依据本发明不再需要读出降水类型以及区分各种降水类型，因为本发明能为HOT提供相当准确的值。仍在图4中包含降水类型的原因是本说明中后面会讨论的保守性，并且因为现在通过本发明能准确得多地确定降水类型(这还和依据本发明可以更准确地确定HOT这一事实相关)。
图5示意示出已知的用来测量降水中液体和冰粒的密度的设备1以及用来测量降水实际沉积的冰量的设备2。依据本发明，在能产生各种输出信号，例如保持时间HOT、降水成分和防冻液浓度，的计算器单元中组合这些测量结果。该计算器单元还接收其它参数值，例如HOT的响应降水成分、防冻液浓度类型等的经验值。
如前面说明那样，用来测量降水中的实际冰量的设备例如可以通过从WO 00/540078中知道的设备解决，后者能提供在机场房屋上建立的标准表面元中沉积多少冰的准确结果。从而可以确定多少液态降水是过冷的，但是不能从中推演出会如何快地消耗防冻液，因为该消耗取决于降水类型，参见图2中示出的表。根据降水类型从保持时间经验表中取出一个开始值并使该值和测量实际冰信息的设备相结合，现在能大大可靠地确定降水类型从而可以减小已知表的大不确定性裕量，并且在许多情况下当把防冻液的浓度类型作为参数输入到图3中示出的计算器单元中时可以用若干分钟的HOT替代该大的不确定裕量。
已知航空业中某种程度的保守主义是通行的，从而预期大量驾驶员会把依据本发明的客观的和准确的保持时间和“旧”表中的教导比较。如本发明提及并讲授那样，能完成对降水类型的准确定义，这也可由驾驶员读出从而他能查阅“旧”表。
迄今的与防止冰沉积造成的事故关联的非常大的不确定性当然会导致非常昂贵并且污染性的防冻液的过度消耗。通过本发明实现的准确结果，还能“反向地”计算/即如果作为一个开始参数它通知该计算器单元需要例如35分钟的保持时间，该计算器单元能产生定义防冻液的类型和浓度的输出信号。图5示出计算防冻混合液的必需类型的一个相当详细的例子，同时图5示出如何组合来自设备1和设备2的结果。
图5解释通过图1中示出的设备1典型地得到哪些测量。这些测量单独地关联着不能辨别雨和过冷水的缺点，但是依据本发明通过组合来自设备1的测量和来自设备2的测量能确定冰的实际积累量，从而和现有技术相比能对HOT实现可靠得多的估计。应注意名称“设备1”和“设备2”不必是二个物理上不同的设备；相反它们表示分别在图5的框11和12中施加并解释的测量原则。此外，在物理移动的情况下设备2不能区别粘着能力小的非常细密雪的大降水和与大粘着能力对应的以湿雪为形式的小降水；但是设备1容易根据反射率的不同确定这种不同。从而，两个测量原则1和2彼此以特别有益的方式补充以实现可靠地确定降水类型，见框13。依据一优选实施例，为了进一步提高测量可靠性，在测量元件的不同转速下完成设备2中的测量。实际上，在该测量元件的典型移动的情况下设备1和2的测量的直接组合不能区别雨夹雪(水/雪)和其它水和冰粒的混合物(例如水/雹)。通过在一些不同的转速下进行设备2中的测量可以得到辨别，从而可以考虑到各种冰粒和水的不同飞驰特征。在框14中示出后一种测量，从而在框15中得到对降水性质的更为可靠的判定。而这正是当例如使用图2中示出的表时现有技术的主要问题。当该降水类型的可靠确定在框16和17中和经验结合时，能在框18对HOT得到非常可靠的确定。这种非常可靠的确定还能在实际中进行“反向计算”，即当在框18中知道非常准确的HOT时，通过和期望持续时间(框19)组合能推演出如果希望得到12分钟的持续时间防冻液是否应是88％的防冻液和12％的水的混合液，见框20。
注意各图中给出的值只是充当例子，完整的值组是非常复杂的并且实际中有些值是和空中交通机构合作定义的。
图6示出本发明的一些进一步的优点。图3中提及的计算机单元现在由包含用来估计预期结果的数字模型的大计算机组成。随后在该计算机中该预期结果和实际形成的冰量的实际测量比较，并且出现偏差的情况下自动进行该数学模型的参数的调整，以此方式该模型变成自学习专家模型。实现此的先决条件确切地是下述依据本发明的组合：提供输入到该模型中的若干可靠的测量结果并且提供有关“真实”结果的正确知识以便对该数字模型进行自动调整。应理解，可以以各种方式精心制作该用来测量实际冰量的设备。例如，它能在该设备中对各种转动和温度顺序执行具体过程并且随后测量冰的积累量、冰结构、气阻、冰密度，并且它还能选择用防冻液喷表面元(surface element)。实际上，不仅当交通繁忙时在就要对各架飞机施加防冻液前立即进行这样的测量，而且当交通不那么繁忙时这些测量可以促进该数字模型的优化，从而明显提高要在对飞机施加防冻液之前立即进行的相对短期的测量的可靠性。
图7示出本发明如何可以和专家系统一起使用。根据上面的解释可以立即看出框21-24的作用。这样框25含有可以通过图4中示出的组合单位得到的并在图5的环境下解释的结果。框26一方面含有有关最新计算的结果以及以前计算的结果，并且当和绝对最新的结果比较时可以优化专家模型的参数，从而既在框27得到更准确定义的结果并且在框18提前提供例如20分钟的计划结果的选择。
图8原理上示出如何建立关于结冰危险的全球信息网。依据本发明可以用气象信息补充计算。图8示意示出低压前峰正横跨北海，并且伦敦一机场31中的计算机已含有结冰危险以及该前峰移动如何分布的准确知识。可以首先在Billund 32接着在哥本哈根33使用该信息和气象信息，在这些地方做出对前峰通过的相应调整后当前峰到达时在斯德哥尔摩的机场可使用这些信息。
已知专家系统和迄今所知的对结冰危险的经验性、非常不确定的判定的结合不能明显改进空中交通安全性。本发明达到的高准确性使得能在各机场使用先进的计算模型从而产生可靠的值，并且还可以利用其它机场完成的测量进一步增强该可靠性。

Claims (24)

1.一种用于确定因降水而带来的积冰危险的方法，其中测量气温并且估计降水类型和降水量，其特征在于，进行用于确定降水中冰的实际含量的测量；并且组合所述测量的结果以确定积冰的危险。
2.依据权利要求1的方法，其特征在于，根据用于确定降水中所含的液体对冰粒的比率的测量的结果，估计降水类型。
3.依据权利要求1的方法，其特征在于，通过本质上已知的光测量以及相继的计算，确定用来确定液体对冰粒的比率的测量。
4.依据权利要求1的方法，其特征在于，进行测量以用来确定降水的总等效液量。
5.依据权利要求1的方法，其特征在于，按基于露点测量的计算，进行确定降水所含实际冰量的测量。
6.依据权利要求1或5的方法，其特征在于，按对实际冰形成的测量，进行确定降水所含实际冰量的测量。
7.依据权利要求6的方法，其特征在于，该测量包括提供一个具有预定表面面积的并且在预定的时间周期内相对于大气移动的表面元，然后测量所述时间周期内该表面元上的积冰量。
8.依据权利要求6的方法，其特征在于，使该表面元的温度基本对应于大气的温度。
9.依据权利要求6的方法，其特征在于，在所述时间段期间使该表面的温度为另一个预定温度。
10.依据权利要求7-9中任一项权利要求的方法，其特征在于，在测量冰的积累量后，以明显超过所述测量前的速率的速率简短地提供该表面元和大气间的相对移动，然后再进行积冰的测量。
11.依据权利要求7-10中任一权利要求的方法，其特征在于，通过控制一个或多个可转动表面元的转速，控制表面元和大气之间的相对速率。
12.依据权利要求11的方法，其特征在于，通过以若干彼此不同的转速测量冰的积累量，测量冰的粘着能力。
13.依据权利要求11的方法，其特征在于，测量大气和该表面元上积累的冰之间的气阻。
14.依据权利要求7-13中任一权利要求的方法，其特征在于，在进行测量前在该表面元上施加预定浓度和预定量的防冻液。
15.依据权利要求1-14中任一权利要求的方法，并且其中对一表面施加预定类型和浓度的防冻液，其特征在于，该表面上的积冰危险的计算基于：
—对该防冻液的类型和浓度的知识；
—用于确定降水所含的液体对固体颗粒的比率的测量的结果的知识；以及
—用于确定降水中目前含冰量的测量的结果的知识。
16.依据权利要求15的方法，其特征在于，以保持时间计算并表示该危险。
17.依据权利要求15的方法，其中利用操作表(manual table)估计保持时间，其中根据不同类型的降水对表分组，其特征在于，利用降水中目前含冰量以及降水中液体对固体颗粒的比率的知识定义降水类型。
18.依据权利要求15的方法，其特征在于，根据保持时间以及测出的积冰危险，确定防冻液的浓度。
19.依据权利要求1-18中任一权利要求的方法，其特征在于，使用一个专家系统用于计算，其配置成在计算机上运行并配置成能根据测量估计积冰的危险，而且其配置成接收有关实际冰积累量的信息，并且根据算出的和实际的冰量间的差异调整用来计算积冰量的计算模型中的参数。
20.依据权利要求19的方法，其特征在于，使该计算机和位于不同地理位置上的其它计算机通信连接；并且该专家系统配置成响应输入其中的气象参数，预先关于积冰危险计算未来的变化。
21.一种用来执行依据权利要求1的方法的设备，其特征在于，该设备包括组合：
—用于测量降水反射率的光装置；以及
—用于相对于空气移动测量表面元并且测量给定时间段内该表面元上积累的冰量的机械装置；以及
—用于组合所述测量的电子装置。
22.依据权利要求21的并用于计算防冻液的保持时间的设备，其特征在于，其包括数据存储器，用来存储作为降水类型以及防冻液浓度的函数的保持时间的经验值信息。
23.依据权利要求21或22的设备，其特征在于，其包括用来估计降水造成的积冰的数字模型；并且该电子装置配置成比较冰量的估计值和实际测量值并且调整该模型中的参数以便优化。
24.一种预测降水造成的积冰危险的布置，其特征在于，其包括如权利要求21-23所描述类型的、多个设置在不同地理位置上的并且配置成用于接收有关气体移动的气象信息的设备。
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