略论国产大型飞机安全警告系统的设计
王有隆 关志宇
中国民航飞行学院航空工程学院 四川广汉618307
东方航空公司飞行部 上海200335
摘要 航空安全是国际民航界最关心的问题。设计先进、完善的安全警告系统并使之成为一个亮点，对于提高飞机安全性，获得国际民航界认可，保证国产大型飞机成功具有十分重要的意义。现代飞机安全警告系统以电子飞机中央监控系统ECAM或发动机指示/机组警告系统EICAS为核心，特别强化关键飞行状态和环境状态警告功能，有效提高了飞行安全性。但它们还存在可能受外来电磁干扰，较容易出现机械、电气故障，报警软件和设备性能还需要改进等问题。我们应当建立专门研制部门，负责全面、系统地研究、设计安全警告系统。系统应当全面、完善、先进。以下技术和问题可供设计参考：采用摄像监控和视景合成警告信息；采用ADS－B等新技术增加报警距离、延长预警时间；改进警告装置的显示和报警技术；采用空地数据链向地面监控人员传送飞机重要的告警信息；进一步改进警告设备传感器和告警算法软件、数据库，减少误警率；积极开展“智能化告警”、“拒绝误操纵”、“拒绝坠毁”技术的研究；采用开放式系统结构；采用一体化飞机环境监视和通信系统；系统应具有良好的可维修性；全系列飞机的安全警告系统应采用通用性设计，以利于人员培训，减少营运成本等。
关键词 飞机 安全警告 系统 特点 设计
1 引言
航空安全是国际民航界最关心的问题。在同飞行事故的斗争中，技术进步、科学管理、人员
培训三大措施促使航空安全取得了显著进步。在技术进步中，飞机安全警告设备的发展和应用，
对于帮助飞行员及时发现危险、减少飞行事故起了重要作用。
统计表明，自从安装了近地警告系统GPWS，可控飞行撞地CFIT事件降低了75%。在美国，自从1989年开始为飞机安装空中交通警戒与防撞系统TCAS后，至今没有发生过大型飞机空中相撞事件［1］。
笔者认为，设计先进、完善的安全警告系统是国产大飞机安全、成功的重要条件之一，本文从民航飞机安全警告设备发展及飞行安全的角度分析国产大型飞机安全警告系统设计应注意的问题。
2 飞机安全警告设备的功能、发展及特点
2.1 安全警告的功能
唤起飞行员注意，说明事件性质，指导飞行员采取正确行动。它应具有良好的人机工效，使驾驶员迅速注意、正确理解；同时又能最大限度不干扰驾驶员正常工作［2］。
目前，警告信号主要采用警告音（警铃、喇叭、语音等）、警告灯、振动信号和文字、图形信息。研究表明，不同告警信号驾驶员的操作反映时间是不同的。
2.2 安全警告设备的发展及特点［3］
70年代中期以前，飞机警告技术的特点是：信息分散，多而杂；不完善，一般只有设备故障警告没有环境形势警告；不能给出处置指导；警告设备技术水平低。
70年代中期以后，安全警告技术出现了重大突破，这就是电子飞机中央监控系统EACM或发动机指示/机组警告系统EICAS、近地警告系统GPWS（或增强型近地警告系统EGPWS）、空中交通警戒与防撞系统TCAS、预警性风切变警告PWS等。它们的特点是：警告信息集中；全面，包括设备故障警告和环境形势警告，包括文字说明、指导等；技术水平高；人机工效好；高度自动化。 （1）电子飞机中央监控系统或发动机指示/机组警告系统是核心
ECAM（空客系列）或EICAS（波音系列）连续不断地监测飞机各系统的工作状态，如果出现故障，就会给出警告信息及处置方法。所有信息集中显示，并分为警告和备忘两类。警告信息又根据重要程度分为警告、注意、咨询三个级别，同时采用不同的报警信号，人机工效好。监控系统还可以通过ARINC通信寻址和报告系统，向地面实时传送工作和故障信息。
（2）强化了关键飞行状态警告功能
民航飞机重要的关键飞行状态警告包括：起飞、着陆形态警告，失速、超速警告，高度警戒，近地警告，空中交通警戒与防撞警告，风切变警告，最低安全高度警告，火警警告等。
随着航空设备技术水平的提高，由于人为因素造成的CFIT及其它飞行事故已经成为商用飞机机毁人亡的主要原因。为此，从70年代中期开始人们在飞机上安装了GPWS、TCAS等。它们有效地监控着各种关键飞行状态及环境状态，及时提供告警、向飞行员提出处置建议，大大减少了CFIT 和撞机事故，提高了飞行安全水平。
3 目前安全警告设备存在的不足
从民航飞机使用情况来看，目前安全警告设备仍存在许多不足。
3.1 可能受外来电磁干扰
2005年9月，美国航空安全报告系统通报了一份关于TCAS受外来电磁干扰的报告。报告说某机组在一次飞行过程中经历三次错误的TCAS决策提示，三次均提示有冲突目标在其后方0.1英里且与其同高度层，其中两次建议飞机下降高度，一次建议监控垂直速度。第二次提示后，机组和ATC联系得知附近没有其他飞机。机组开始怀疑受到来自客舱的电磁干扰。在第三次提示之后，机组对客舱进行检查，发现一位乘客正在使用笔记本电脑，电脑的无线网络处于开启状态。一旦无线网络关闭，TCAS的异常情况就消失了［4］。
该例说明，电磁干扰是很复杂的，安全警告系统的抗电磁干扰能力还需要进一步提高。
3.2 设备较容易出现机械、电气等故障
任何设备在长期使用中都会出现机械、电气故障，特别是在雷雨季节或温度、湿度等外界环境变化较大的情况下。
近年来，南航新疆分公司两架波音757的TCAS曾出现几起误警信号。检查发现原因是飞机TCAS 下天线有一馈线松动。
南航乌鲁木齐维修基地还发现每到冬春交替季节，TCAS的故障频率就比较高。分析证明，TCAS 天线上凝结的水气容易造成设备故障。凝结的水气改变了天线的阻抗和属性，使天线功率受到影响，也可能产生旁波瓣，而旁波瓣是造成假信号的最主要原因。
3.3 安全警告设备的报警软件还存在不足
韩国民航自愿报告系统第54期报告，2000年某日，一架飞机TCAS出现TA告警（像是喷气式战斗机），显示入侵飞机处在后方低一点的高度上。过了1～2秒后RA“下降”语音告警出现。机组开始采用手动控制下降。但是，当机组检查显示器上的交通状况时，发现入侵飞机比他们低大
约100～200英尺。于是机组立即停止下降，在水平方向上右转以避免交通冲突。避开以后，当机组人员再次检查核实EHSI上的交通时，RA告警消失，该交通在5点钟方位，距飞机6～7英里，上面200～300英尺处［4］。
系统评论说 “TCAS装备仍需要改进完善。这起事件很可能是由于另一架飞机爬升速度过快及其特有姿态而引发告警的典型事例。”如果两架飞机距离较近，两架飞机就可能相撞！
3.4 安全警告设备的性能还存在不足
2002年7月1日晚，一架图154和一架波音757在德国博登湖上空相撞。调查表明，两架飞机的TCAS在撞机前50秒都发出了交通警戒信息，在撞机前36秒都发出了交通避让指示。波音757机组正确执行了TCAS “下降”指令，但图154机组却没有执行TCAS “爬升”指令，错误地执行了调度员的“下降”命令，导致两机相撞［3］。
事故的直接原因是调度员和飞行员的人为错误，但是如果TCAS告警时间更长、显示范围更大，并且不仅能显示水平还能显示垂直交通状况，甚至能给出错误操作警告，事故有可能避免。
3.5 有时安全警告设备的数据库存在不足
许多安全警告设备需要正确有效的数据库才能正常工作，但是有时由于公司为了节省经费没有定期更新数据库，有时由于有的航线、机场没有提供正确有效的地形和障碍物信息，可能造成飞行事故。2001年11月24日，Crossair航空公司一架Avro146-RJ100飞机在苏黎世机场进近时撞地。调查发现，机组使用的杰普逊进近图没有标出机场进近航路上的两处障碍物。调查认为，如果飞机安装了EGPWS，如果安装了有效的地形数据库，事故有可能避免［4］。
4 设计先进、完善的安全警告系统，提高飞行安全性和国际认可度
根据民航飞机安全警告设备发展及飞行安全的现状，笔者认为以下一些问题应该注意。 （1）充分认识设计先进、完善的安全警告系统对于国产大飞机提高飞行安全性和国际认可度具有十分重要的意义。
2004年国际民航组织第35届会议专门发布了新的全球航空安全计划。敦促各国实施预防CFIT 的有关规定，同时会议也遗憾地指出只有75%被审计的缔约国执行了对GPWS的要求！［1］
（2）建立专门设计部门，负责全面、系统地研究、设计安全警告系统。
（3）设计全面、完善、先进的安全警告系统
具有电子飞机中央监控系统。能够对飞机、发动机各系统进行全面、集中、自动监控；人机工效好。例如：采用“静暗驾驶舱”原则；合理的彩色编码；恰当的声音、振动信号；适当的灯光信号；具有正确的警告抑制功能；具有故障记录、存贮、再现，故障说明、处置措施，故障隔离功能；具有空地数据传输功能，便于进行远距诊断及维修等。
具有完善的关键飞行状态警告设备。包括：起飞、着陆形态警告，失速、超速警告，高度警戒，近地警告，空中交通警戒与防撞警告，风切变警告，最低安全高度警告，火警警告等。
（4）采用先进的安全警告设备
30多年前，空客飞机打破传统，大胆采用崭新的电传操纵和侧杆驾驶系统等先进技术，最终获得了巨大成功。国产大型飞机研制部门应主动研制，或向国外制造厂商提出更高要求，或选用更先进的设备，提高飞机安全性，并使它们成为国产飞机的的一个亮点。笔者认为以下技术值得关注。
①采用摄像监控和视景合成警告信息。目前的警告信息都不够直观，我们可以采用摄像方式对关键部位（如起落架、火警位置等）监控，提供直观的图像报警信息。美国航天飞机发射采用的摄像监控系统，A380安装在垂直尾翼侧面和机舱腹部的照相机都提供了很好的范例。
②采用新技术增加报警距离、延长预警时间。为了减少无线电干扰，TCAS的前向作用距离限定在30－40海里，侧向和后向探测距离更短，如果采用ADS-B技术，可使探测距离增加到160－200海里。
③改进警告装置的显示和报警技术。统计表明70%以上的CFIT事故都是机组缺乏垂直警觉性或高度错误的结果。当前大多数仪表都是水平二维显示，如TCAS的显示是平面二维形式，而要求的避让操作是俯仰垂直运动，但飞行员不能从显示器上直观地观察到航线上下的情况，可能产生误操作。目前新的显示和报警技术具有三维显示，还可以显示可能在何处发生碰撞。如果系统能够在飞行员选择了错误的操作方向时，驾驶盘还可以给出抖杆警告，甚至锁定，不能进行反向操作，安全性能必将进一步提高。
④采用空地数据链向地面监控人员传送飞机重要的告警信息，既提高了飞机危险状况监控余度，同时又可以进行实时地面支援。
⑤进一步改进警告设备传感器和告警算法软件、数据库，减少误警率。例如改进火警传感器的误报，EGPWS静态前视预测改为动态预测［5］，发展能给出水平方向避让指令的新一代TCAS，采取国际行动建立不断更新、完善准确的电子数据库等。
⑥积极开展“智能化告警”、“拒绝误操纵”、“拒绝坠毁”技术的研究。希望最终能发展出当飞机进入不安全状态时能防止坠毁、防止碰撞的自主飞行控制系统，正如目前已在军机上取得进展的自动防撞地技术一样。
⑦采用开放式系统结构。结构设计应具有不断更新和进一步扩展能力，并可根据客户的需求和设备的发展不断添加，从而保证当软件升级和设备发展以后，系统可以不断更新发展，使系统的生命周期与飞机的生命周期同步。
⑧采用一体化飞机环境监视和通信系统。系统可将地形了解和告警系统、空中交通警戒与防撞系统、气象雷达和S模式通信等综合在一起，对于信息共享、提高设备性能、提高飞机安全性具有重要意义。
⑨系统应该具有良好的可维修性。全系统应当具有集中自检、故障显示功能，具有远距诊断及维修功能，应便于自动化检测和排故，设备安装应便于外场检查、更换，降低维修成本、提高营运效率。
⑩全系列飞机的安全警告系统应采用通用性设计，有利于航空公司飞行员、维护人员培训，减少营运成本。
5 结束语
航空安全是国际民航界最关心的重要课题。从民航飞机安全警告设备发展及飞行安全的角度来看，国产大飞机应设计全面、完善、先进的安全警告系统，采用先进的安全警告设备，并使之成为一个亮点，对于保证飞机安全性，获得国际民航界认可，保证项目成功都具有十分重要的意义。
参 考 文 献
［1］ICAO全球航空安全计划（GASP）.《世界民航安全信息》，中国民航总局航空安全办公室，2004.9
［2］罗晓利.《驾驶舱资源管理》.西南交通大学出版社，2002.10
［3］王有隆，张德银.飞机安全警告设备与飞行安全.《飞行技术与航空安全研究》，四川科学技术出版社，2006.8 ［4］自愿报告系统报告.《世界民航安全信息》，中国民航总局航空安全办公室，2004.7
［5］贺作豪.T2CAS一种先进的交通与地形防撞系统.国际航空，2003.4
作者简介：王有隆（1946－），四川成都市人，教授，获国务院政府津贴，四川省专家评审委员会委员。主要从事航空电子与飞行安全教学和研究工作。中国航空学会会员，证号川－00982 Email:cafcwyl@https://www.doczj.com/doc/4211535972.html, 手机：130********。关志宇（1974－），学士，空客320机长、教员。
略论国产大型飞机安全警告系统的设计
作者：王有隆， 关志宇
作者单位：王有隆(中国民航飞行学院航空工程学院,四川广汉,618307)， 关志宇(东方航空公司飞行部,上海,200335)
相似文献(1条)
1.期刊论文王有隆.关志宇略论国产大型飞机安全警告系统的设计-中国民航飞行学院学报2008,19(1)
分析了现代民航飞机安全警告系统的组成及特点,根据民航飞行实践指出了它们的不足,进而从民航飞机安全警告设备发展及飞行安全的角度,针对我国国产大型飞机安全警告系统的设计提出了一些建议.
本文链接：https://www.doczj.com/doc/4211535972.html,/Conference_6391170.aspx
授权使用：国防科技大学(gfkjdx)，授权号：a1649829-5053-4a8e-9932-9e34014a8ddd
下载时间：2010年11月20日