专利名称：一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法
技术领域：
本发明涉及一种航空技术领域的飞行场景的开发方法，尤其是涉及一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法。
背景技术：
适航认证与飞行安全密切相关，每一架获得适航证的飞机都须符合构型设计并符合安全要求。美国联邦航空管理条列(FAR)、中国民航规章(CCAR)指出，必须确定能保证安全飞行的最小飞行机组，同时列出了最小飞行机 组准则的如下6项基本工作量功能及10项工作量因素
I工作量功能—1|||工作量因素，
TTl-I机组感知飞机的运动控I ￥飞机控兩设备的操纵_
1肮进孜制机组操纵飞机上下或左右运动制若指定了因素1，则不能再指定因素5
领航，机组察看驾驶舱窗夕^\ I显对飞机状态指示器的视觉确认或视觉2防碰撞i冬^_
导航高,度或航息_ 3 ^ 对飞机的正常或异常操作
3若指定了功能3,则必须指定因————r————--
素8b，但不能再指定因素5Jh^_
---- 5 ^ 若指定了因素5，则不能再指定因素
4通讯若指定了功能4，则必须指定因--j I、8a、8b mm 3, 4-
素8a,但不能再指定因素5 I__机贼躺糊位_
发动机及视■觉信’息确认—L机_系&必、须由动控制转为手 动控制
5系统监控对飞机非航迹方面的操纵8a j—p旨定了王力能4，则必须指定因素8a
T"飞行员做出决策并完成动作以__^__指gz因素—区
6命令决策操纵飞机导指定了功能3,则必须指定因素8b
----航1 了因素Sb,则不能再指定因素r
9 异常 [Io机组成员因故不能工作如何验证飞机的适航符合性是一个问题。飞行场景是机组工作量测量计划的一部分，用于确定最小飞行机组及机组工作量的可接受性。飞行场景描述机组、飞机、环境的动态关系，是考虑并测量在机组、飞机、环境的各种复杂动态关系下的机组工作量的必要前提，是确定并验证最小飞行机组的必要前提。设计及开发与各项具体设计目标相一致并便于对各项审定要素进行考察的飞行场景，对于适航审定的顺利进行十分必要。在适航审定时，需要比较综合、全面的飞行场景，以确保适航认证评审的客观性及可靠性。而在飞机的各个设计阶段，则往往需要比较有针对性、实际切实可行的飞行场景，以验证飞机设计方案的正确性及有效性。尽管在各个设计阶段及适航审定过程中可能会有不同的关注方面和考察重点，二者的目的也不相同，前者在于力图通过考虑各种可能的因素以尽可能保证飞机设计方案的正确性及有效性,后者在于力图通过考虑各种可能的因素以尽可能保证获得适航认证，但是二者考虑的各种因素原则上应该是共同的。因此，应当在设计阶段即规划并定义既能满足阶段设计验证的比较有针对性、实际切实可行的飞行场景，又能保证通过这些飞行场景的组合即可构成适航审定所需的较为综合、全面的飞行场景，这样的飞行场景对设计及审定二者都极具价值。开发飞行场景的直接目的在于，根据各种人机环参数下的多种飞行条件再现各种场景下的飞行过程，使飞行机组在高仿真飞机驾驶舱环境或有限飞行实验环境及各种飞行条件下完成相应的飞行任务。开发飞行场景的本质目的在于，将飞行场景作为飞行机组的工作量评估计划的一部分，用于确定最小飞行机组和最小飞行机组工作量的可接受性，同时将飞行场景作为对人为因素的相关设定及准则的体现，用于确定各种条件下的基于操作的飞行任务与机组干预、工作负荷分配、注意力分配、正常或异常事件处理等因素之间的适应性。因此，有必要研究并制定能满足上述要求，同时保证能从设计验证所需的飞行场景过渡到适航审定所需飞行场景的开发方法。目前已有的飞行场景几乎仅仅是对飞行过程中的飞行事件及机组操作的简单罗列，或仅仅是对飞行飞行过程中的外部条件进行设置，无法重现飞行机组、飞机及环境的动态关系，没有建立与最小飞行机组准则之间的关联，不能够反映并适用于飞行机组的工作 量评估计划，飞行场景的变化或飞行场景之间的差异无法在经测量所得的飞行机组工作量中得到明确、一致的反映。同时，这些飞行场景具有诸多其他缺点或缺陷，如，不便于有效地测量飞行机组工作量、不便于实施、不具有必要的可重复性、难于扩展或组合、缺少必要的自动化功能，特别是，不能用于飞机设计阶段。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使飞行场景便于实施、具有必要的可重复性、可得到真实、全面、准确、可信的飞行测试结论的用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤I)设定考察目标，命名飞行场景；2)设定机场及跑道；3)设定起飞时间；4)设定飞机重量、平衡状况和最小设备清单；5)设定各飞行航段的天气条件；6)设定飞行计划、派遣放行单、航空交通管制、特殊飞行事件；7)设定飞机故障及事件；8)将在步骤2) 步骤5)条件下完成步骤6) 步骤7)任务的机组任务分解为与操作相关的单一操纵；9)建立操作相关的单一操纵与基本工作量功能及因素之间的映射；10)根据步骤9)所建立的映射设定窗口事件及数据项； 11)转步骤2)并进一步调整并完善步骤2) 步骤10)，直至考察目标全部得到体现；12)定义与飞行动力学控制系统及视景仿真系统之间的接口 ；13)生成完整的飞行场景配置文件及飞行场景报告文件。所述的步骤5)中的飞行航段包括起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆；天气条件包括能见度、云、颠簸、雨雪、积雷暴、风向和风速。所述的步骤8)中的机组任务分解具体为在设定的天气条件及飞机因素情况下，逐步划分完成飞行计划、遵守航空交通管制、处理飞机故障、响应飞机事件及特殊飞行事件所需的机组任务及操纵，直至机组任务及操纵为与操作相关的单一操纵。所述的步骤9)中的建立操作相关的单一操纵与工作量功能及因素之间的映射具 体为采用16维向量表示基本工作量功能及因素，向量的每一维代表一项基本工作量功能或因素，若与操作相关的操纵与某项基本工作量功能或因素相关，则向量中相应的维置1，否则置O。所述的步骤10)中的数据项指与基本工作量功能及因素映射向量中数值为I的功能或因素关联的全部机组操纵；所述的窗口事件指根据数据项的定义动态触发对数据项的记录及存储；所述的数据项和窗口事件共同构成数据窗口，有助于获取飞行测试数据并最终得到飞行测试结论。所述的步骤12)中的飞行动力学控制系统接口用于将天气条件、飞机因素动态反馈至飞行动力学控制系统，使飞行动力学控制系统中对天气条件及飞机因素相关的设置与机组执行任务的条件保持一致；所述的视景仿真系统接口用于将天气条件反馈至视景仿真系统，使视景仿真系统中对天气条件相关的设置与机组执行任务的条件保持一致。所述的步骤13)中的飞行场景配置文件存储飞行动力学控制系统接口配置及视景仿真系统接口配置，为全数字仿真飞行测试及半物理仿真飞行测试提供天气条件及飞机因素相关的动态信息，是机组执行任务的动态条件；飞行场景报告文件存储适航飞行测试计划及仿真飞行测试计划，为飞行测试提供详尽的机组任务及操纵信息，是机组执行任务的具体操作。所述的飞行场景包括一般飞行场景、专场飞行场景以及由一般飞行场景和专场飞行场景组成的组合飞行场景；一般飞行场景用于典型可靠性飞行测试，专场飞行场景用于特殊可靠性飞行测试。与现有技术相比，本发明提出的飞行场景开发方法考虑了适航审定中的工作量功能及因素和最小飞行机组准则，可根据考察目标配置天气条件、飞机因素、飞行环境，建立飞行机组、飞机及环境的动态关系，可建立飞行机组完成各项任务所需的操纵与工作量功能及因素之间的映射关系，可定义与机组任务执行情况相关的数据项及动态触发对任务执行情况进行记录并保存的窗口事件，可定义与飞行动力学控制系统及视景仿真系统的接口。飞行场景开发方法在上述工作量功能及因素和最小飞行机组准则、动态关系、映射关系、数据项、窗口事件、接口等方面的特征使所开发的飞行场景具有诸多优点便于实施，具有必要的可重复性，易于扩展或组合，具有必要的自动化功能，可用于工作量功能及因素的覆盖性并计算覆盖率，可用于验证飞行机组工作量的有效性、充分性及可接受性，可用于飞机设计阶段分析飞行性能、飞行安全、飞行品质、经济性、舒适性，可用于完成安全的飞机操纵所需的最小飞行机组、可用于飞机设计评估及适航审定，便于飞行场景的组合使用以得到真实、全面、准确、可信的飞行测试结论。
图I为本发明飞行场景开发方法及的流程框图；图2为本发明开发飞行场景的目的、价值、原则及要求的示意图；图3为本发明飞行场景开发思想的示意图；图4为本发明飞行机组任务分解及建立机组任务与最小飞行机组准则映射关系的不意图；图5为本发明·飞行场景的应用环境示意图；图6为本发明飞行场景的组合应用及综合评价的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图I所示，本发明用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，如图I中虚线箭头所示，步骤可简述为第0步设定主要考察目标，命名飞行场景；第I步设定机场及跑道；第2步设定起飞时间；第3步设定飞机重量、平衡状况、最小设备清单等飞机因素；第4步设定各航段的天气状况；第5步设定飞行计划、派遣放行单、航空交通管制、特殊飞行事件；第6步设定飞机故障及事件；第7步将在I 4条件下完成5 6任务的机组任务分解为与操作相关的单一操纵；第8步建立操作相关的单一操纵与工作量功能及因素之间的映射；第9步根据8所建立的映射设定窗口事件及数据项；第10步转I并进一步调整并完善I 9，直至主要考察目标全部得到体现；第11步定义与飞行动力学控制系统及视景仿真系统之间的接口 ；第12步生成完整的飞行场景配置文件及报告文件。其中，5 9，尤其是7 9，是开发飞行场景的关键步骤。如图I中实线部分所示，飞行场景的使用步骤如下第0步根据飞行测试的考察目标开发一组有针对性的飞行场景，包括一般飞行场景和专场飞行场景；第I步根据飞行场景的应用环境选择飞行场景并组织飞行测试，获得飞行测试数据；第2步根据飞行测试数据进行基本工作量功能及因素覆盖性验证；第3步根据飞行测试数据进行工作量可接受性验证；第4步根据飞行测试数据进行飞行性能、飞行安全、飞行品质、经济性及舒适性分析；第5步根据2 4所 得结论，得出综合的飞行测试结论；第6步作出飞机设计综合评价或确定最小飞行机组。图2从飞行场景使用方面描述飞行场景的目的和价值，从飞行场景的开发方面描述飞行场景的原则和要求。开发飞行场景的目的是为了能够在全数字仿真飞行测试、半物理仿真飞行测试及适航飞行测试中重现飞行机组、飞机及环境的动态关系，其价值在于能够保证在飞机设计评估及适航审定中得到在飞行性能、飞行安全、飞行品质、经济性、舒适性、机组工作量、最小飞行机组等方面的真实、全面、准确、可信的飞行测试结论。开发飞行场景的原则及要求主要体现在工作量功能及因素、机组任务及操纵两个方面，是与现有的飞行场景开发方法的最大不同之处，也是使所开发的飞行场景能够达到其上述目的并实现其上述价值的保证。开发飞行场景的目的、价值、原则及要求是开发及使用飞行场景的纲领性指导。为了更详细地描述开发飞行场景的实质内容和核心步骤及使用飞行场景的验证要点和分析重点，为了更具体地解释在实施飞行场景开发方法及飞行场景使用方法过程中的关键技术，下面，首先对飞行场景的开发思想作概括性表述述，然后对建立飞行机组与飞机及环境的动态关系、机组任务分解、建立机组任务与最小飞行机组准则映射关系、窗口事件及数据项这四项飞行场景开发方法的核心技术作详实的说明，之后对工作量功能及因素覆盖性验证和工作量可接受性验证这两项飞行场景使用方法的核心技术作详实说明，接着对飞行场景的应用环境和适用阶段作必要的说明，最后对飞行场景的组合应用及综合评价作简要的总结。飞行场景的开发思想参考图I和图3，其中图I以流程框图的形式描绘飞行场景开发方法及使用方法的逻辑关系和先后次序，侧重于对飞行场景开发方法的核心步骤及使用方法的验证要点和分析重点的说明，而图3以工具及指南的形式描绘飞行场景开发方法的实施方案，侧重于对开发飞行场景的实质内容的说明。图3所示意的飞行场景的开发思想可表述为结合考察目标，以选项组合的形式，分别选取、配置并组合机组、飞机及环境在各个飞行阶段各个方面的动态关系，建立飞行机组完成各项任务所需的操纵与机组工作量功能及因素之间的映射关系，定义窗口事件及数据项，定义与飞行动力学控制系统及视景仿真系统的接口，形成飞行场景文件及报告。图3所示飞行场景的开发思想是实现图I所示飞行场景开发方法及使用方法的实施指导，也有助于对本发明的核心技术的理解，这些技术包括飞行机组与飞机及环境动态关系的建立技术、机组任务分解技术、窗口事件及数据项定义技术、工作量功能及因素覆盖性验证技术、工作量可接受性验证技术。建立飞行机组与飞机及环境的动态关系飞行机组与飞机及环境的动态关系构成飞行场景的内容实体。飞行机组与飞机及环境的动态关系将飞机及环境方面的要素视为飞行机组任务及操纵的条件，相对于现有的飞行场景，其内容在方面得到扩充，其组织结构更合理。从图I可知，飞行机组与飞机及环境的动态关系的建立涉及考察目标、飞行航段、考察方面、机组任务及任务分解。从图3可知，飞行机组与飞机及环境的动态关系的建立可以通过结合考察目标以选项组合的形式选取、配置并组合而成。
建立飞行机组与飞机及环境的动态关系的第一步是，根据考察目标划分并选择航段；第二步是，根据考察目标以选项组合的方式配置各航段在天气条件、飞机因素及飞行环境三个方面的飞行要素；第三步是，确定在设定的天气条件及飞机因素的情况下完成飞行计划、遵守航空交通管制、处理飞机故障、响应飞机事件及特殊飞行事件所需的机组任务。 其中，飞行航段划分为起飞、爬升、巡航、下降、进近及着陆五个航段，这些航段还可根据考察目标的需要进一步细分。飞行要素划分为天气条件、飞机因素及飞行环境三个方面，天气条件包括能见度、云、颠簸、雨雪、积雷暴、风向、风速等要素，飞机因素包括重量及平衡、最小设备清单、飞机故障、飞机事件等要素，飞行环境包括飞行计划、派遣放行单、航空交通管制、特殊飞行事件等要素。值得说明的是，考察目标，如，失速感知、下降剖面管理、进近剖面管理、防止飞机撞地、复飞等，可增强飞行场景的针对性，避免盲目性；飞行计划的制定方法已经比较完善，有成熟的商业飞行计划可供参考；一些飞机故障，如，发动机故障、控制系统故障、仪表故障、系统故障、无线电故障，以及一些特殊飞行事件，如，因能见度低跑道不可见导致复飞、跑道变更，是增加机组工作量的主要原因，极有可能引发飞行事故甚至影响飞行安全，一般不会在商业飞行计划中出现，需特别予以关注。机组任务分解机组任务分解是建立飞行机组与飞机及环境的动态关系中的一部分，由于机组任务分解是本发明的难点之一，有必要对其特征及实施方法特别加以详细说明。机组任务分解的原则是，逐步划分在设定的天气条件及飞机因素的情况下飞行机组完成飞行计划、遵守航空交 通管制、处理飞机故障、响应飞机事件及特殊飞行事件所需的机组任务及操纵，直到所划分的机组任务及操纵是与操纵相关的单一操纵。图4为分解接地任务的示意图接地任务的子任务之一是实现由平飘到接地，由平飘到接地子任务的三个子任务是使着陆姿态平行于跑道、使空速降低至失速速度、调整升降舵维持正迎角；其中调整升降舵维持正迎角为与操作相关的操纵，无须再进一步划分，而使着陆姿态平行于跑道、使空速降低至失速速度则需分别进一步划分为察看外视界、监视姿态仪表、调整方向舵和调整油门、调整襟翼、调整扰流板。另一个机组任务分解的例子是着陆航段中的拉平任务分解其核心的任务是使飞机过渡到着陆姿态，着陆姿态过渡任务可进一步分解为逐渐拉平航迹、逐渐增加俯仰姿态和迎角、保持正确的视线角度、获得正确的视觉深度感知。定义飞行航段的任务场景为
Sw =I机组子任务[与操作相关的单一操纵]j(I)定义航线的任务场景为
Sar = I飞行航段机组任务e |J[S,T3;|(2)将天气条件及飞机因素分别定义为Cw及CA，则飞行机组与飞机及环境的动态关系可表不为SF^CW CA SAR(3)
作为飞行场景的内容实体，飞行机组与飞机及环境的动态关的这一独特的组织结构，使其配置过程更明确，也使飞行机组、飞机、环境、飞行计划等飞行要素之间的动态关系的描述更灵活，同时，也更便于机组任务与最小飞行机组准则映射关系的建立。建立机组任务与最小飞行机组准则映射关系定义最小飞行机组准则为Cmfc = {工作量功能及因素e FAR 25. 1523附录D}(4)则，机组任务与最小飞行机组准则映射关系可以通过如下方式建立
权利要求
1.一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)设定考察目标，命名飞行场景； 2)设定机场及跑道； 3)设定起飞时间； 4)设定飞机重量、平衡状况和最小设备清单； 5)设定各飞行航段的天气条件； 6)设定飞行计划、派遣放行单、航空交通管制、特殊飞行事件； 7)设定飞机故障及事件； 8)将在步骤2) 步骤5)条件下完成步骤6) 步骤7)任务的机组任务分解为与操作相关的单一操纵； 9)建立操作相关的单一操纵与基本工作量功能及因素之间的映射； 10)根据步骤9)所建立的映射设定窗口事件及数据项； 11)转步骤2)并进一步调整并完善步骤2) 步骤10)，直至考察目标全部得到体现； 12)定义与飞行动力学控制系统及视景仿真系统之间的接口； 13)生成完整的飞行场景配置文件及飞行场景报告文件。
2.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的步骤5)中的飞行航段包括起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆；天气条件包括能见度、云、颠簸、雨雪、积雷暴、风向和风速。
3.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的步骤8)中的机组任务分解具体为在设定的天气条件及飞机因素情况下，逐步划分完成飞行计划、遵守航空交通管制、处理飞机故障、响应飞机事件及特殊飞行事件所需的机组任务及操纵，直至机组任务及操纵为与操作相关的单一操纵。
4.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的步骤9)中的建立操作相关的单一操纵与工作量功能及因素之间的映射具体为采用16维向量表示基本工作量功能及因素，向量的每一维代表一项基本工作量功能或因素，若与操作相关的操纵与某项基本工作量功能或因素相关，则向量中相应的维置I，否则置O。
5.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的步骤10)中的数据项指与基本工作量功能及因素映射向量中数值为I的功能或因素关联的全部机组操纵；所述的窗口事件指根据数据项的定义动态触发对数据项的记录及存储；所述的数据项和窗口事件共同构成数据窗口，有助于获取飞行测试数据并最终得到飞行测试结论。
6.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的步骤12)中的飞行动力学控制系统接口用于将天气条件、飞机因素动态反馈至飞行动力学控制系统，使飞行动力学控制系统中对天气条件及飞机因素相关的设置与机组执行任务的条件保持一致；所述的视景仿真系统接口用于将天气条件反馈至视景仿真系统，使视景仿真系统中对天气条件相关的设置与机组执行任务的条件保持一致。
7.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的步骤13)中的飞行场景配置文件存储飞行动力学控制系统接口配置及视景仿真系统接口配置，为全数字仿真飞行测试及半物理仿真飞行测试提供天气条件及飞机因素相关的动态信息，是机组执行任务的动态条件；飞行场景报告文件存储适航飞行测试计划及仿真飞行测试计划，为飞行测试提供详尽的机组任务及操纵信息，是机组执行任务的具体操作。
8.根据权利要求I所述的一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，其特征在于，所述的飞行场景包括一般飞行场景、专场飞行场景以及由一般飞行场景和专场飞行场景组成的组合飞行场景；一般飞行场景用于典型可靠性飞行测试，专场飞行场景用于特殊可靠性飞行测试。
全文摘要
本发明涉及一种用于飞机适航审定及设计评估的飞行场景开发方法，包括以下步骤设定考察目标，命名飞行场景；设定机场、跑道、起飞时间；设定飞机重量、平衡状况、最小设备清单；设定各飞行航段的天气条件；设定飞行计划、派遣放行单、航空交通管制、特殊飞行事件；设定飞机故障及事件；将机组任务分解为与操作相关的单一操纵；建立操作相关的单一操纵与基本工作量功能及因素之间的映射；根据所建立的映射设定窗口事件及数据项；定义与飞行动力学控制系统及视景仿真系统之间的接口；生成飞行场景配置文件及报告文件。与现有技术相比，根据本发明方法开发的飞行场景便于可重复飞行测试的实施，便于机组工作量测量，使飞行测试的结论准确可靠。
文档编号G06F17/50GK102722624SQ201210189459
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者傅山, 尹堂文 申请人:上海交通大学