一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法，包括：获取飞机信息及飞机飞行的轨迹数据；获取环境数据和地形数据；基于所述飞机信息、轨迹数据、环境数据和地形数据构建功能共振分析模型；根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆，如果判断结果为否，发出警报。通过使用共振分析模型判断飞机能否安全着陆，由于构建了共振分析模型及相应的函数，提高了预测精度，大幅度提高了飞机着陆时的安全性，降低了飞行员在飞机降落的劳动强度。
【专利说明】
一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及计算机控制领域，特别是一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理 方法。
【背景技术】
[0002] 系统安全工程学科发展的这几十年来，出现了很多的系统安全性评估方法。传统 的系统安全性评估方法在系统安全工程领域已有广泛应用。但是，随着大规模复杂社会技 术系统出现，也逐渐显示出了这些方法的局限。功能共振分析方法是一种新型的热门的复 杂社会技术系统建模方法，能够对非线性复杂系统的安全性进行有效评估。但是，其分析现 在仅限于人工手动分析，完备性和一致性得不到较好的保证。基于模型的安全分析是形式 化方法在现有系统安全性评估领域的扩展，是自动化运行的系统安全性评估技术。为解决 传统安全性评估方法手动分析耗时耗力、容易出错、正确性得不到保证的局限。
[0003] 功能共振分析方法(Functional Resonance Analysis Method，FRAM)是一种新型 的复杂社会技术系统建模方法，能够对非线性复杂系统的安全性进行有效评估。FRAM自出 现以来，在事故调查和系统分析方面表现出了强大的生命力，特别是在对航空事故的调查， 分析系统的命令与控制，分析空中交通管理系统等领域，能够发现传统分析方法所不能发 现的问题。但是，其分析现在仅限于人工手动分析，主观随意性强，完备性和一致性得不到 较好的保证。所以，为了使得FRAM的实用性更强，完全有开发基于这种方法的形式化技术的 需要。
[0004] 目前，飞机着陆时通常采用无线电高度系统来测量飞机对地距离，该系统是将飞 机视作一个质点，仅探测机身腹部对地的距离。为了判断飞机着陆时的姿态情况，飞行员要 通过观察姿态仪表显示的俯仰、倾斜角，根据经验来判断飞机各个起落架之间与地面接近 的情况，同时还要观察升降速度表，防止下降速率过大引起重着陆，冲击起落架结构。重着 陆对飞机的结构可能产生严重影响，发生重着陆后飞机需进行结构、大翼、起落架等多处检 查才能使用，因此检测飞机是否发生重着陆非常重要。
[0005] 综上所述，现有技术中存在如下缺陷:现有的共振分析方法及模型难以评估系统 安全，特别是在评估飞机降落时无线电系统很难实时的判断飞机与地面是否冲突，这导致 对飞行员的技术水平要求很高，特别是在天气恶劣的时候容易导致飞行事故，因此，迫切需 要设计新的模型进行飞机降落的安全评估。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出了如下技术方案。
[0007] -种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法，包括以下步骤：
[0008] 获取飞机信息及飞机飞行的轨迹数据；
[0009] 获取环境数据和地形数据；
[0010] 基于所述飞机信息、轨迹数据、环境数据和地形数据构建功能共振分析模型；
[0011] 根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆，如果判断结果为否，发出警 报。
[0012] 更进一步地，所述飞机信息至少包括飞机呼号、飞机类型、飞机导航和航线信息中 的之一。
[0013] 更进一步地，所述轨迹数据包括经度、炜度和海拔高度。
[0014]更进一步地，所述环境数据为天气数据。
[0015] 更进一步地，所述天气数据包括气压、风速、风向和降水数据。
[0016] 更进一步地，所述地形数据为地表海拔高度和障碍物数据。
[0017] 更进一步地，所述功能共振分析模型至少包括以下其中之一:输入，用于启动功能 的事物或功能将要处理或转化的事物;输出，功能运行的结果;前提，功能执行之前须存在 的条件;资源，功能执行所需要或者消耗掉的事物;时间，影响功能的时间约束，包括起始时 间、结束时间或持续时间;控制，功能是如何被监测或控制的。
[0018] 更进一步地，根据功能共振分析模型构建的基于飞机信息的函数为：
[0020] 获取轨迹数据函数为:Ρ2 = Χ + $ + β + ? + ?，该数据可以通过机载GPS设备获得，向 量X表示经度，向量歹表示炜度，向量β表示高度，向量?表示水平方向速度，向量?表示垂直 方向速度。
[0021] 根据功能共振分析模型构建的基于轨迹数据的函数为：
[0023] 该函数的输入为函数F2的输出数据，即通过飞机轨迹数据中的经度向量X、炜度向 量歹、高度向量R、水平方向速度向量交和垂直方向速度向量S来确定输出结果，其表示飞机 的实时状态;该函数受时间的约束，即实时获取飞机的飞行状态。
[0024] 根据功能共振分析模型构建的基于环境数据的函数为：
[0026]该函数受时间的约束，即实时获取环境数据。
[0027]根据功能共振分析模型构建的基于地形数据的函数为：
[0029] 式中：h、v和u的含义分别为高度向量￡.、水平方向速度向量9和垂直方向速度向量 ?:的数值大小，s表示飞机距某一地形或障碍物的水平距离，MinH表示最小安全高度，最小安 全高度的含义是飞机飞过某一地形或障碍物所能安全通过的最低高度;该函数受地形建模 规则的约束，该函数执行的前提是空域合格，即空域不合格时无法引导飞机降落。
[0030] 基于所述功能共振分析模型构建地形冲突预测函数：
[0032] F6的输出表示地形冲突结果，输出结果为:0表示无输出，表示飞机信息或环境数 据异常，发出警报，提醒机组人员操作，1飞机不与地形发生冲突，2飞机将与地形发生冲突， 发出警报，提醒机组人员操作，机组人员通过函数F5的输出进一步判断飞机即将发生冲突 的程度，如果F5 = 1，其表示地形冲突属于一般级别，机组正常处理即可，如果F5 = 2，其表示 地形冲突属于严重级别，需要机组立即紧急处理。
[0033] 更进一步地，所述根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆具体为:根 据地形冲突预测函数F6的输出结果判断是否飞机即将与地形发生冲突，如果是，则发出警 报，通知飞行员控制飞机上升速度，以避免飞机与地形发生冲突。
[0034] 本发明的技术效果为:创造性的使用共振分析模型判断飞机能否安全着陆，由于 构建了共振分析模型及相应的函数，提高了预测精度，大幅度提高了飞机着陆时的安全性， 降低了飞行员在飞机降落的劳动强度。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明的一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法的流程图图。
[0036] 图2是机场地形示意图。
【具体实施方式】
[0037]模型检测(Model Checking)是一种验证有限状态系统是否符合特定属性的过程。 该方法的基本原理是对系统进行状态搜索，来确定其是否满足某些属性。或者说是，系统建 模语言描述的系统，是否满足性质描述语言的属性。方法分为模拟和测试两部分。其局限性 也表现在系统的状态必须是有限的，因此主要适用于有限状态系统。模型检测完全可以自 动运行，效率高。性质不满足时，模型检测工具一般会提供反例（counterexample)，来帮助 使用者对系统的故障或错误进行更深入的了解。
[0038]模型检测由系统模型、系统属性和模型检测工具三个重要部分组成，分别在模型 检测的三个步骤中扮演重要作用。这三个步骤可详细表述如下。
[0039] (1)系统模型描述。在此阶段采用形式化语言将具体的系统用抽象的系统模型进 行描述。系统模型规约语言根据不同的模型检测工具而不同。
[0040] (2)系统属性描述。将需要验证的系统属性，用特定的逻辑表达式描述。不同的模 型检测工具对属性描述有着不一样的情况。
[0041 ] (3)验证。一般情况下，验证过程由模型检测工具自动执行。但是，对验证结果的分 析和研究就需要人来开展。结合分析的需要，开展必要的反复的模拟和测试过程。
[0042] 模型检测的优势表现在，验证过程完全是自动地进行，验证速度快。当系统模型不 满足系统属性时，模型检测工具可以提供一个或多个反例，对导致不满足的错误进行识别， 方便研究人员进行分析。
[0043] "实际场景"的描述包含以下几个部分：
[0044] 系统的初始状态，描述了功能如何触发，或者是哪些功能最初就是异常。
[0045] 系统运行的环境条件，详述了系统运行的外部条件及其可能的变化情况。例如，天 气条件、温度和湿度等。
[0046] 系统一般假设，阐述了一个实际场景的一些必要假设。例如，在实际情况中，某些 功能的变化可能永远不会发生，或者变化非常小，就可以提出假设这些功能的变化可以忽 略。
[0047] 系统的实际运行过程。十分具体地描述系统的运行过程，甚至可以包括在某个特 定时间发生了什么。
[0048] "实际场景"的形式化规约，即如何用有限状态机表达"实际场景"中的要素。并不 是上述所有内容都需要进行形式化规约，只按照实际需求对一下几点内容进行形式化，其 可以采用功能共振方法进行分析，如下：
[0049]系统的初始状态，可能是系统所有可能的初始状态集合，用表达，需要在所有的状 态识别之后进行，在此只是说明这个初始化从内涵上说是实际场景形式化规约的一部分。
[0050] 系统运行的环境条件及其变化。系统的环境条件可以用环境的状态表示，环境的 初始状态用表示，环境变化的触发条件用表示，环境最终的状态用表示，相关状态转移函数 用表示。例如，"最初的天气是晴天，到了中午就下雨了。"可以表述为晴天，为时间到了中 午，为雨天，环境所有状态集合为，状态转移函数为。
[0051] 系统一般假设，可能是系统的某些输入，并且是从头到尾固定不变的输入，可能在 系统任何时候发挥作用，用表示。
[0052] 系统的实际运行过程，无需在此进行形式化规约，需要在后面用FRAM模型进行表 达。
[0053]本发明的实际场景是飞机降落的场景。
[0054]本发明的方法可以通过计算机执行，下面结合附图1-2进行具体说明。
[0055] 图1示出了本发明的一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法，包括以下 步骤：
[0056] S1:获取飞机信息及飞机飞行的轨迹数据。
[0057]所述飞机信息至少包括飞机呼号、飞机类型、飞机导航和航线信息中的之一，飞机 信息还可以包括飞机国际注册代码，总飞行时间，飞行公里数，维修保养记录等，还可能包 含机组人员情况，这些信息存储在飞机记载电脑的数据库中以及航空管理部门的数据库 中。
[0058]飞机飞行的轨迹数据至少包括经度、炜度、海拔高度，通过这些数据可以确定飞机 飞行的轨迹，确保飞行安全，飞机飞行的轨迹数据可以被实时的记录下来，存储在机载电脑 及航空管理部门的数据库中，实时数据可以帮助飞行员及塔台指挥员了解飞机实时飞行状 况，历史数据可以用于研究飞机飞行状态。
[0059] S2:获取环境数据和地形数据。
[0060] 飞机着陆时环境数据特别重要，一般来说环境数据为天气数据，天气数据至少包 括气压、风速、风向、降水数据，这些数据实时的被收集存储在机载电脑的数据库及航空管 理部门的数据库中，实时环境数据用于帮助决策飞机能否正常降落，历史数据可以用于推 论以后的天气状况。
[0061] 地形数据对飞机的起降尤为重要，各机场的地形数据一般都制作好存储在机载电 脑的数据库及航空管理部门的数据库中。比如飞机的目的地为北京首都国际机场，机组人 员可以从机载电脑的数据库中获取北京首都国际机场的地形数据，帮助飞机降落，地形数 据至少包括地表海拔高度、障碍物数据，障碍物可以是山、高楼等。
[0062] S3:基于所述飞机信息、轨迹数据、环境数据和地形数据构建功能共振分析模型。
[0063] 这一部分是本发明的核心部分，其描述了如何构建功能共振分析模型，并使用该 模型进行飞机安全着陆的处理。
[0064] 该功能共振分析模型至少包括以下其中之一:输入，用于启动功能的事物或功能 将要处理或转化的事物;输出，功能运行的结果;前提，功能执行之前须存在的条件；资源， 功能执行所需要或者消耗掉的事物;时间，影响功能的时间约束，包括起始时间、结束时间 或持续时间;控制，功能是如何被监测或控制的。
[0065] 根据功能共振分析模型构建的基于飞机信息的函数为：
[0067] 获取轨迹数据函数为:F2 = S + $ + ii + 9 + ii，该数据可以通过机载GPS设备获得，向 量表示经度，向量歹表示炜度，向量_fi表示高度，向量?表示水平方向速度，向量_G.表示垂直 方向速度。
[0068] 根据功能共振分析模型构建的基于轨迹数据的函数为：
[0070] 该函数的输入为函数F2的输出数据，即通过飞机轨迹数据中的经度向量X、炜度 向量I、高度向量?、水平方向速度向量5和垂直方向速度向量?来确定输出结果，其表示飞 机的实时状态;该函数受时间的约束，即实时获取飞机的飞行状态。
[0071] 根据功能共振分析模型构建的基于环境数据的函数为：
[0073] 该函数受时间的约束，即实时获取环境数据。
[0074] 根据功能共振分析模型构建的基于地形数据的函数为：
[0076] 式中：h、v和u的含义分别为高度向量￡、水平方向速度向量？和垂直方向速度向量 5的数值大小，s表示飞机距某一地形或障碍物的水平距离，MinH表示最小安全高度，最小安 全高度的含义是飞机飞过某一地形或障碍物所能安全通过的最低高度;该函数受地形建模 规则的约束，该函数执行的前提是空域合格，即空域不合格时无法引导飞机降落。
[0077] 基于所述功能共振分析模型构建地形冲突预测函数：
[0079] F6的输出表示地形冲突结果，输出结果为:0表示无输出，表示飞机信息或环境数 据异常，发出警报，提醒机组人员操作，1飞机不与地形发生冲突，2飞机将与地形发生冲突， 发出警报，提醒机组人员操作，机组人员通过函数F5的输出进一步判断飞机即将发生冲突 的程度，如果F5 = 1，其表示地形冲突属于一般级别，机组正常处理即可，如果F5 = 2，其表示 地形冲突属于严重级别，需要机组立即紧急处理。
[0080] S4根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆，如果判断结果为否，发出 警报。
[0081]图2示出了机场地形示意图，在飞机降落时，通过构建的功能共振分析模型，实时 判断飞机的状态，在飞机即将降落时，根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆 具体为:所述根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆具体为:根据地形冲突预 测函数F6的输出结果判断是否飞机即将与地形发生冲突，如果是，则发出警报，由飞行员控 制飞机上升速度增加例如5ft/s，以避免飞机与地形发生冲突。
[0082]本发明的中的ft含义为英尺，ft/s，表示英尺/秒，为速度单位。
[0083] 本发明中的方法可以集成在飞机的飞行电脑中，帮助飞行员在飞机降落时及时的 判断机场地面情况，防止飞机撞到地面障碍物或者提前着陆。本发明的方法也可以应用在 航空管理部门的控制系统中，使得空管人员更便捷的指挥即将降落的飞机。通过本发明所 提供的方法，可以让记载电脑自动判断着陆状况，而不用飞行员或空管人员盯着飞机的各 种数据进行判断，提高了飞机降落时的安全性，提高了飞机着陆冲突预测的精度，降低了飞 行员及空管人员的劳动强度。
[0084] 本发明的方法可以在计算机系统/服务器中实现，计算机系统/服务器的组件可以 包括、但不限于一个或多个处理器或处理单元、系统存储器、和将包括系统存储器的各个系 统组件耦合于处理器的总线。总线表示各种总线结构中的任何中的一个或多个，其中各种 总线结构包括存储器总线或总线控制器、外设总线、加速图形端口和使用各种总线架构的 任何的处理器或本地总线。通过例子，但不限制，这种架构包括工业标准架构（ISA)总线、微 通道架构(MCA)总线、增强ISA(EISA)总线、视频电子设备标准协会(VESA)本地总线、和外设 组件互联(PCI)总线。计算机系统/服务器可以是机载的，也可以是设在航空管理部门的。
[0085] 本发明的方法可以制作为包括计算机程序代码的计算机可读/可用介质，来使得 计算机架构能够提供在此讨论的基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法。至此，计算 机可读/可用介质包括实现本发明的各种处理的每个的程序代码。理解，术语计算机可读介 质或计算机可用介质包括程序代码的任何类型的物理实施例中的一个或多个。具体地，计 算机可读/可用介质可以包括在一个或多个便携式存储制品（例如光盘、磁盘、磁带等)上。 本发明的方法可以固化在FPGA等可编程设备上。
[0086] 最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发 明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应 涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于功能共振分析的飞机安全着陆处理方法，其特征在于，包括： 获取飞机信息及飞机飞行的轨迹数据； 获取环境数据和地形数据； 基于所述飞机信息、所述轨迹数据、所述环境数据和所述地形数据构建功能共振分析 模型；W及 根据所述功能共振分析模型来判断飞机能否安全着陆，如果判断结果为否，发出警报。2. 根据权利要求1所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述飞机信息至少包括飞机呼号、飞机类型、飞机导航和航线信息中的之一。3. 根据权利要求1所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述轨迹数据包括经度、缔度和海拔高度。4. 根据权利要求1所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述环境数据包括天气数据。5. 根据权利要求4所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述天气数据包括气压、风速、风向和降水数据。6. 根据权利要求1所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述地形数据为地表海拔高度和障碍物数据。7. 根据权利要求1-6中任一项所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述功能共振分析模型包括:输入，用于启动功能的事物或功能将要处理或转化的事 物;输出，功能运行的结果;前提，功能执行之前须存在的条件;资源，功能执行所需要或者 消耗掉的事物；时间，影响功能的时间约束，包括起始时间、结束时间或持续时间；W及控 审IJ，功能是如何被监测或控制的。8. 根据权利要求7所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 所述功能共振分析模型包括W下函数： 基于飞机信息的函数F1为：获取轨迹数据函数F2为：F2 =戈+ y + S + V +日，该数据可W通过机载GI^设备获得，向 量X表不经度，向量歹表不缔度，向量??表不高度，向量"?表不水平方向速度，向量瓦表不垂直 方向速度； 根据功能共振分析模型构建的基于轨迹数据的函数F3为：该函数3的输入为函数F2的输出数据，即通过飞机轨迹数据中的经度向量竞、缔度向量 y、高度向量6、水平方向速度向量巧和垂直方向速度向量曰来确定输出结果，其表示飞机的 实时状态;该函数受时间的约束，即实时获取飞机的飞行状态； 根据功能共振分析模型构建的基于环境数据的函数F4为：该函数F4受时间的约束，即实时获取环境数据； 根据功能共振分析模型构建的基于地形数据的函数巧为：式中:h、v和U的含义分别为高度向量h、水平方向速度向量否和垂直方向速度向量ti的数 值大小，S表示飞机距某一地形或障碍物的水平距离，MinH表示最小安全高度，最小安全高 度的含义是飞机飞过某一地形或障碍物所能安全通过的最低高度;该函数F5受地形建模规 则的约束，该函数巧执行的前提是空域合格，即空域不合格时无法引导飞机降落； 基于所述功能共振分析模型构建地形冲突预测函数F6:函数F6的输出表示地形冲突结果，输出结果为:0表示无输出，表示飞机信息或环境数 据异常，发出警报，提醒机组人员操作，1飞机不与地形发生冲突，2飞机将与地形发生冲突， 发出警报，提醒机组人员操作，机组人员通过函数巧的输出进一步判断飞机即将发生冲突 的程度，如果F5 = 1，其表示地形冲突属于一般级别，机组正常处理即可，如果巧=2，其表示 地形冲突属于严重级别，需要机组立即紧急处理。9.根据权利要求8所述的飞机安全着陆处理方法，其特征在于， 根据所述功能共振分析模型判断飞机能否安全着陆具体步骤为:根据地形冲突预测函 数F6的输出结果判断是否飞机即将与地形发生冲突，如果是，则发出警报，通知飞行员控制 飞机上升速度，W避免飞机与地形发生冲突。
【文档编号】G06F17/50GK106096152SQ201610430220
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】田瑾, 杨启舶, 赵廷弟
【申请人】北京航空航天大学