专利名称：基于音频变频原理的告警装置的制作方法
技术领域：
本发明属于飞行告警装置领域，尤其涉及一种基于音频变频原理的飞行告警装置。
背景技术：
美国联邦航空局(FAA)的一项专项研究报告明确指出飞行人员的操作错误是运输飞行事故中最重要的原因。飞行告警方法和装置是通过听觉、视觉和触觉等手段，利用计算机、传感器和机电装置等技术，通过内部运算的逻辑关系，识别问题，提醒飞行机组，安全地完成飞行操作。早期的飞行告警方法和装置主要是通过喇叭、告警灯和仪表指示等手段。随着自动化技术的进步，当前已经普遍采用基于计算机和传感器所组成的告警装置，称之为飞行告警系统，也称为飞行机组告警系统。当前，该系统通常进一步与发动机指示系统结合，成为发动机指示和机组告警系统。此外，在自动化飞行系统中，由于自动化的工作方式繁多。通常，在解除某种关键的自动化功能时，要进行提示性告警。例如，自动驾驶仪中断工作时，需要提供音频告警信肩、ο长期以来，由于技术起源和经验积累等原因，业内研发人员形成了定势思维。例如，通过几种告警手段来完成一个参数的告警。不过，这种方式的弊端在于，在现实飞行环境中，一旦情况发生，时间紧急或条件所限，飞行人员无暇顾及通过所有告警手段来理解和掌握一条告警事项，导致他们无法及时准确、直观有效地理解告警原因。进而，导致操作错误。法国航空公司一架空中客车A330飞机在执行AF447航班中途，在没有征兆的情况下，电子飞行仪表所指示的飞行速度突然异常，自动驾驶仪飞行随即中断工作。飞行机组当即接手操纵飞机，但飞行告警系统发出失速音频告警信息。常见的失速原因有飞机迎角过大，或飞行速度过低。而这两者的简单关系是，如果飞行速度过低，飞行人员要减少飞行迎角，以减少飞行阻力，有效增加飞行速度，反之亦然。因为失去了目视监控的渠道(飞行速度显示异常)，飞行人员只能凭经验。他们正确地操纵飞机，减少迎角，飞行速度开始增加，但飞行告警系统再次发出失速告警。因为缺乏目视判断的手段，飞行机组可能因此误认为减少迎角的操作是错误的，改为加大发动机功率，保持迎角不变，使飞机达到最高飞行高度。这就使飞机进入了飞行极限状态，随时可能导致致命的深失速(螺旋下坠)。作为避免触发误警的设计手段之一，因飞行速度值异常变动，告警系统暂停失速告警。此时，因为失速告警系统由于速度异常而停止告警，可能导致飞行机组进一步相信当前的加大发动机功率和保持过大迎角的错误飞行操作才是正确的。随后在资深驾驶员的干预下，飞机一度朝着减少迎角、增加速度的正确方向操作。 因飞行速度恢复到正常的范围，重新激活了失速告警功能，再次出现失速告警，飞行机组可能再次误解，当前正确的操作是错误的，重新加大迎角，飞机随后因速度过低进入深失速， 与大西洋的洋面碰撞并解体。从告警技术的角度来看，当时飞机在大西洋洋面上空夜航，飞行机组无法通过肉眼观察外界来判断飞行姿态。如果在此时又失去仪表指示的手段，现有的音频告警手段不足以完成最后的保护功能。由此可见，现有的飞行告警系统的设计理念存在着未能明晰地指示是否错误操作的缺陷。飞行速度的判读异常，通常与测量空速的机上大气数据系统相关。因为中高空的气温为零下值，空中结冰是天然存在的、困扰飞行安全的自然环境。结冰环境容易导致机上采集大气的数据紊乱，结冰本身也严重破坏飞机的气动性能。此时，如果飞行人员判读错误，很容易导致飞机失速，甚至坠毁。石油资源的有限性造成燃油价格不断攀升，螺旋桨飞机较同类喷气飞机节油30% 的事实使得该类飞机重新流行起来。虽然这种飞机更加环保，但它本身的局限性造成了这类飞机的飞行高度较低，日常运行就更加频繁暴露在结冰环境中。空中结冰作为长期以来国际飞行界尚未完全解决的一个飞行安全问题，防范于未然的一个关键就在于，如何更有效地帮助飞行机组正确判读和识别迫在眉睫的潜在危险， 而更有效的飞行告警手段是其技术解决方案的必然组成部分。科学研究表明，当飞机出现一项险情时，飞行机组人员往往高度集中关注某些方面，而不能及时全面考虑问题；此外，许多事故调查报告都表明，当飞机进入最后的危险状态时，因为多项飞行参数达到安全极限，各种告警声纷至沓来，飞行人员无所适从，导致进一步的思维、判断和操作混乱，在这种情况下，工作负荷远远超出正常人所能承受的范围， 本不应发生的悲剧由此演变成残酷现实。另外一种常见的情况是，由于数据错误、系统故障等原因，可能丧失一种或者多种告警手段。例如，驾驶舱设备故障起火时，如果烟雾浓烈，就严重阻碍了视觉告警的效能。从技术发展的趋势来看，为了有效地保障航空运输业的可持续性发展，民航飞机的飞行操作正在走向高度自动化，例如，当前包括在中国空域内实施的减少垂直高度间隔 (RVSM)的飞行、国际航空运输界正在大力推行的基于性能的导航(PBN)等新的飞行方式， 都将不允许飞行人员手工操作。在这种高度自动化的现代化民航飞机上，在正常飞行中，飞行人员很难深入把握飞行计算机的内部高速和复杂的运作机理，而只能监控计算机的工作结果。如何保持飞行员的飞行状态意识，保障他们对飞机自动系统的监控能力，在各种环境下、包括系统失常情况下正确操控飞机，确保飞行安全，是国际航空运输界长期关注的问题。由此可见，必须与时俱进，为了保障发展高度自动化飞行系统的应用，研发新的告警方式。但其难点在于，既要更加全面客观地进行告警，在技术方案和实施途径等方面又不至于颠覆性地改变当前的飞行告警体系和机制，以尽量保持业界长期形成的习惯和飞行人员的养成途径，即飞行资格、经验和技能的社会积累和学科成果。在告警门限值设计中，通常采用最大极限和最小极限两类，例如最大飞行操作速度和最小飞行操作速度。还有一类门限值是正常值与非正常值的是非式判断。例如空中客车A330飞机所设计的迎角音频告警门限值为最大迎角，在正常迎角值和设计者认为不真实的空速数据输入的情况下，停止告警。
当前的飞行告警系统通常采用视觉、听觉和触觉告警手段，但不是所有信息的告警都必须同时使用这三种手段。而是越简单越明了，告警效果最好。在当前的音频告警手段中，普遍采用事先录制的声音来区别各类告警信息。但是， 这种预录告警方式的技术缺陷在于，未能有效表征告警信息本身具有的指向性。例如，无法区别当前飞行状态将要超出最大飞行操作速度(上限值)，还是将要低于最小飞行操作速度(下限值)，只是简单地通知超出极限值。类似地，这种方式无法区别飞机是进入了最大迎角，还是从不真实的数据恢复到真实数据的区域。例如，在AF447航班案例中，飞行人员已经有效地挽救飞机，尽管迎角仍然低于非正常值，但是由于空速的有效恢复，导致迎角告警恢复，并继续告警。但这个时候飞行机组人员可能因为迎角告警重新响起，导致他们误解这仅仅是因为速度过大，因此错误地加大迎角，以减少速度，造成飞机迎角过大而失速。因此，有必要研究新型的音频告警方式、逻辑和相应的装置，有效增加音频告警手段欲表达信息的全面性，具体而言，就是增强音频告警手段的状态意识，尽可能提供告警信息的告警性质(超限，还是不正常等)。
发明内容
针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于音频变频原理的飞行告警装置，该告警装置减少了同一条告警信息同时配置目视告警的需求，实现了在尽可能简化系统告警手段、减少飞行人员精神负担的同时，提供更全面、更有效的告警信息，提高
音频告警的效率。实现本发明发明目的的技术方案如下一种基于音频变频原理的告警装置，包括提供变频信号的音频控制装置，信息处理装置，数据采集装置，所述音频控制装置根据控制指令来产生相应的变频音频输出信号， 控制指令由信息处理装置完成，信息处理装置与数据采集装置交联，根据飞行参数的变化趋势，识别出所需的告警项目，触发与该告警项目相应的变频音频告警逻辑。这些告警逻辑激励音频控制装置，使得音频控制装置产生音频告警信号，送给音频输出装置(驾驶舱扬声器或飞行员耳机)，完成变频告警(如图1所示)。所述音频告警信息是实时生成的，虽然软件复杂一些，但是具有很好的灵活性。也可以在所述告警装置中的存贮模块里提供预录的变频录音信号，当告警逻辑激励音频控制装置而发出告警信息时，驱动与该告警项目相应的、预录的变频告警信号，送给音频输出装置(驾驶舱扬声器或飞行员耳机)，完成变频告警。所述告警信息是预先录音的，预录方法是一种低成本方法，缺点是告警信号的数量和形式被固定了。所述信息处理装置可以为现有的飞行管理系统、飞行告警计算机系统、发动机指示和机组告警系统，也包括新型的基于以太网构架的集中式数据采集处理单元等装置。本发明的基于音频变频原理的告警装置，因为当前的航空电子系统的集成度不同，告警装置可以作为独立设备的形式存在，也可以集成到其他系统中，例如自动飞行系统、发动机指示和机组告警系统等，成为其中的一种功能。基于现有的飞行告警系统的架构，仅改变其音频告警方式，即从固定音调改为变频(升降调)方式，保障工程的可行性、产品的可靠性和用户的经济性。
对于采用上限值、下限值告警的参数例如飞行速度，可以用升频(音调由低变高)的方式来表示“飞机当前趋向于超出最大飞行操作速度”;用降频(音调由高变低)的方式来表示“飞机当前趋向于低于最小飞行操作速度”。对于采用正常值、非正常值告警的参数例如飞行迎角，可以由升频(音调由低变高)的方式来表示“飞机当前趋向于超出正常飞行迎角”;用降频(音调由高变低)的方式来表示“飞机当前趋向于恢复到正常飞行迎角”。对于多条告警信息的复杂告警场合在具有多条告警信息同时出现的场合中，当前的适航规定是必须排序告警，而且，必须限制同时告警的数量，较低优先级的告警必须暂时性的抑制。但实际情况是，随着飞机的状况变化，原有告警优先级必然变化，飞行告警装置会对原有的告警顺序自动重新排列。本发明可以更加鲜明地表征这种变化情况，即可以由升频(音调由低变高)的方式表示“此条告警信息优先级更高而开始告警(包括提前告警)”;用降频(音调由高变低)的方式表示“此条告警信息因为优先级较低而暂停”。对于提示和告警工作方式状态的应用飞行人员有意干预改变的工作方式提示为降频(音调由高变低)告警，而系统内外因素而解除某一工作方式时，即自动解除工作方式时，使用升频(音调由低变高)告警。图加和图2b提出了实现本发明提出的、具有两维信息的音频告警方式的一种变频曲线。其中，图加是升调变频曲线，图2b是降调变频曲线。图中，、为恒频&的工作阶段，t2为fn变频工作阶段，t3为恒频f2工作阶段。为了同时实现告警项目和该告警项目变化趋势这两维的指明功能，该曲线的起止点均为恒频，中间段为变频。曲线的起止点分别为不同的恒频频率，所具备的音频特征为飞行人员指明所告警的项目(例如是迎角告警)；变频频段的音频特征指明该告警项目的变化趋势即实现指向性(变化加剧，或是改善)。由此可见，通过变频方式，可以实现一条音频告警同时传达告警项目和变化趋势这两个信息。图3a、图北和图3c是变频曲线应用的例子，包括图3a单响告警、图北双响告警和图3c三响告警方式。本发明告警装置通过变频的音调变化，增加表征告警信息本身具有的变化方向性这一特征。实现了在不增加告警手段的情况下，更加明确地为飞行人员指明所告警信息的变化趋势。解决现有音频告警方式的局限性，提高音频告警的效率。该方法和装置可用于各类需要指向性信息表达的告警系统，例如铁路机车、水面船只和各类自动控制系统等相关应用场合。
图1为本发明基于音频变频原理的告警装置的结构示意图；图加为本发明的升调变频曲线；图2b为本发明的降调变频曲线；图3a为本发明变频曲线应用的例子之一单响告警曲线；图北为本发明变频曲线应用的例子之二 双响告警曲线；图3c为本发明变频曲线应用的例子之三三响告警曲线。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。实施例1AF447航班的应用分析当飞机迎角过大时，飞行告警系统提供升调音频告警，以明确地提示飞行机组人员，当前飞机的迎角正在超过最大安全阀门值。在接下来的空速参数不正常导致迎角告警功能即将暂停时，迎角状态并未改善， 仍以升调的音频告警，直至暂时中止，为飞行机组人员明确地提示迎角状态并未改善。根据飞行训练所应该掌握的知识，飞行人员知道此迎角告警中止的另外一个原因是飞行速度不正常。当飞行机组推低机头，飞行速度参数得以上升，恢复正常时，飞行告警系统暂时停止的迎角告警相应恢复，但因该恢复是由于速度增加所致；同时，迎角虽然过大，但在有效减少，正朝向安全边界值恢复，因此使用降调音频告警，由此明确提示，速度和迎角正在向安全的方向恢复。因此，飞行机组可以仅仅通过听觉就能够有效地区别出两次失速告警在本质上是完全不同的即第一次是朝向恶化的方向，第二次朝向改善的方向。对于AF447的事故案例来说，如果采用了这种变频告警方式，尽管再次出现迎角过大告警，但失速情况在改善过程中，这就为飞行人员的决策提供了客观信息。实施例2边界值的飞行告警对于采用上限值、下限值告警的参数，例如飞行速度，可以用升频(由低到高)的变频方式来表示“飞机当前趋向于超出最大飞行操作速度”;用降频(由高到低)的变频方式来表示“飞机当前趋向于低于最小飞行操作速度”。对于采用正常值、非正常值告警的参数，例如飞行迎角，可以由告警升频(由低到高)的变频方式来表示“飞机当前趋向于超出正常飞行迎角”;用降频(由高到低)的变频方式来表示“飞机当前趋向于恢复到正常飞行迎角”。实施例3自动飞行系统的工作方式提示因为自动化飞行的具体工作方式很多，需要对系统具体功能的状态进行提示和告警。例如自动驾驶仪的解除告警。当前的提示方式是，无论是否有意解除自动驾驶仪的工作，解除时均发出相同的
固定曲调音频告警。本发明在这类提示和告警的应用场合时，可以具体区分为，如果因为正常解除条件停止自动驾驶仪工作时，典型的是飞行人员通过操作按键来有意解除自动驾驶仪工作， 改为人工飞行时，当自动驾驶仪停止工作时，使用变频降调告警；如果发生意外解除情况， 如系统故障、飞行环境的大气条件突变或者速度传感器等数据输入出现异常，典型的是自动驾驶仪的接通条件异常中断，自动驾驶仪自动停止工作时，则使用变频升调告警。实施例3
多重音频告警信息的应用飞机处于复杂飞行环境时，尤其是处于险境时，出现了多种音频告警的需求。为了避免混淆，当前的音频告警方式是，在同一时刻通常只能发出两条音频告警一条音频告警和一条语音告警，或是两条音频告警。其选择原则是，根据告警信息的优先级来判定。由于飞机的状况不断变化，告警系统自动地不断重新排定音频告警信息的优先级，出现了不断插入新的告警信息、抑制现有告警信息或者恢复告警等复杂的音频告警情形，容易干扰飞行人员的操作。本发明具有鲜明的音频指向性特征，有助于飞行人员识别告警信息的优先级特征。例如，因为优先级更高的告警信息进入，可使用告警升频(由低到高)的变频方式，而被中止的告警信息是因为优先级低，而并非情况改善，以也升调的方式暂停；反之亦然。实施例4告警信息的抑制指示根据适航条例的规定，告警系统必须可以自动或者人工抑制，以满足飞行机组人员所需要的飞行操作环境。在这类场合应用本发明时，有助于增强机组人员识别告警停止的原因意识。例如， 如果系统自动地抑制告警，例如AF447航班事件中，因为飞行速度失常而自动抑制告警时， 使用变频升调作为告警中止的提示。如果飞行人员通过操作按键，有意暂停告警时，使用变频降调作为告警中止的提示。
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权利要求
1.一种基于音频变频原理的飞行告警装置，包括提供变频信号的音频控制装置，信息处理装置，数据采集装置和音频输出装置，其特征在于所述音频控制装置根据控制指令来产生相应的变频音频输出信号，控制指令由信息处理装置完成，信息处理装置与数据采集装置交联，根据飞行参数的变化趋势，识别出所需的告警项目，触发与该告警项目相应的变频音频告警逻辑，这些告警逻辑激励音频控制装置，使得音频控制装置产生音频告警信号， 送给音频输出装置，完成变频告警。
2.根据权利要求1所述的一种基于音频变频原理的飞行告警装置，其特征在于在音频控制装置中的存贮模块里提供预录的变频录音信号，当告警逻辑激励音频控制装置而发出告警信息时，驱动与该告警项目相应的、预录的变频告警信号，送给音频输出装置，完成变频告警。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于音频变频原理的飞行告警装置，其特征在于 所述音频输出装置为驾驶舱扬声器或飞行员耳机。
4.根据权利要求1所述的一种基于音频变频原理的飞行告警装置，其特征在于所述信息处理装置为现有的飞行管理系统、飞行告警计算机系统、发动机指示和机组告警系统以及新型的基于以太网构架的集中式数据采集处理单元。
5.根据权利要求1、2、4中任意一项权利要求所述的一种基于音频变频原理的飞行告警装置，其特征在于所述基于音频变频原理的告警装置以独立设备的形式存在，或者集成到自动飞行系统、发动机指示和机组告警系统。
全文摘要
本发明公开了一种基于音频变频原理的飞行告警装置，包括提供变频信号的音频控制装置，信息处理装置，数据采集装置，音频控制装置根据控制指令来产生相应的变频音频输出信号，控制指令由信息处理装置完成，信息处理装置与数据采集装置交联，根据飞行参数的变化趋势，识别出告警项目，触发相应的变频音频告警逻辑，这些告警逻辑激励音频控制装置，发出告警信息。本发明告警装置通过变频的音调变化，增加表征告警信息本身具有的变化方向性这一特征，实现了在不增加告警手段的情况下，更加明确地为飞行人员指明所告警信息的变化趋势。解决现有音频告警方式的局限性，提高音频告警的效率。
文档编号B64D45/00GK102407945SQ20111030309
公开日2012年4月11日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者顾世敏 申请人:中国航空无线电电子研究所