基于Matlab的Cessna172R飞机飞行训练超限事件研究＊

邓永恒，赵庆伟，魏坤鹏，孙宏



基于Matlab的Cessna172R飞机飞行训练超限事件研究＊

邓永恒，赵庆伟，魏坤鹏，孙宏

（中国民航飞行学院，四川 广汉 618307）

通过分析Cessna172R飞机机载航电系统存储数据的格式，运用Matlab分析软件，提取了一次飞行训练过程中的发动机转速、指示空速、坡度三种超限事件评判数据以及时间数据，结合相关超限事件评判标准，建立了这3种超限事件评判方法，并通过仿真分析得到了此次飞行训练过程中发生的超限事件，此方法为飞行训练超限事件研究提供了一种解决思路。

Cessna172R飞机；飞行训练；Matlab；超限事件

飞行中的超限事件主要指超过飞行程序、训练手册规定范围的操纵动作，比如着陆过重、空中小速度、盘旋坡度超过机型飞行包线限制等[1-2]，飞行训练中的超限事件往往是发生飞行事故的前兆，或预示着存在潜在的安全隐患。通过对日常飞行训练中相关飞行数据的分析，及时诊断出各类超限事件并总结其发生、发展的规律，是航空安全管理工作中最重要的内容，也是防范飞行训练风险、预防事故发生的重要手段。传统诊断飞行超限事件的方法是人为报告，或在机务维修中发现飞机故障，进行倒查，但这些方法信息比较滞后且信息易失真，因此，在通航领域，超限事件分析工作的技术发展趋势是借鉴运输航空中的QAR分析工具，对机载航电系统中记录的飞行数据进行统计分析，诊断、预警不安全超限事件的发生。

目前，国内对通航飞行训练超限事件研究较少，为了解决这一问题，本文选取安装Garmin1000航电系统的训练飞机Cessna172R的训练数据，结合Matlab分析软件，编写了几种超限事件的相关程序，找出了飞行训练过程中的超限事件，此方法可以为飞行训练超限事件研究提供一种思路。

1 飞行数据获取及提取

Cessna172R飞机装载的Garmin1000航电系统带有数据采集接口，一张SD卡可以存储飞行过程中的飞参数据，通过SD卡可以获得飞行训练数据，并以.CSV格式存储[3]，使用Excel可以打开文件。文件共有64列，分别对应飞行过程中的不同参数，并每秒存储1次，前三行为相关参数，对数据提取有一定的干扰。为了避免在数据提取时造成影响，在编程时首先使用textscan函数将前三行剔除，并使用此函数提取剩余数据，存储为1×64的元胞数组，由于文件格式的特殊性，提取的数据使用%s（字符串）格式存储。如果直接使用数值型存储，则会出现列数变少、信息失真等问题。

本文主要针对飞行训练过程中的发动机转速、指示空速、坡度的超限进行分析，根据《安全程序与措施》规定，Cessna172R飞机发动机转速变化率大于等于600 r/min，构成粗猛操纵油门事件；根据《Cessna172R AFM/PRM》规定[4]，指示空速大于等于129节，构成指示空速超限事件；根据《实践考试标准》规定，Cessna172R飞机坡度超过±55°，构成坡度超限事件。

根据3个评判指标所需分析的数据，将元胞数组中对应列赋值于这3个指标，同时提取时间列。由于评价指标都为数值，需将3个指标格式转化为数值型，这4组数据构成了超限事件研究的基础。数据获取及提取流程如图1所示。

图1 数据获取及提取流程

2 评判方法的建立

根据3个评判指标以及时间的数据格式，结合上述构成超限事件的评判标准，使用Matlab中的while与if嵌套循环，便可查找每种超限事件发生的点。以下为3种超限事件的评判方法：①粗猛操纵油门的评判方法。比较前、后两个发动机转速的差值，如果差值大于等于600，则以前者为中心存储一定时间范围的发动机转速值及对应时间，不断比较直至数据的末尾，存储所有发生超限的数据，流程图如图2所示。②指示空速超限评判方法。判断每个指示空速是否大于等于129.如果结果为真，则以此为中心存储一定时间范围的指示空速值及对应时间，下一次判断则跳出此范围，不断判断直到数据的末尾，存储所有发生超限的数据，流程图如图3所示。在图3中第二个判断框出现2个评判标准，指示空速超限评判使用上半部分。③坡度超限评判方法。同指示空速超限评判方法，流程图如图3所示，仅在第二个评判框时使用下半部分的评判标准。

图2 粗猛操纵油门超限评判流程

图3 指示空速及坡度超限评判流程

3 仿真及结果分析

为了验证上述方法的可行性，选取一次飞行训练的数据，并利用此评判方法对数据进行处理，最终以折线图的形式显示，发现此次飞行训练发生3次粗猛操纵油门事件，如图4、图5、图6所示；发生1次指示空速超限事件，如图7所示；发生1次坡度超限事件，如图8所示。

图4 粗猛操纵油门事件一

图5 粗猛操纵油门事件二

图6 粗猛操纵油门事件三

图7 指示空速超限事件一

图8 坡度超限事件一

4 结论

从图4、图5、图6可以看出，起初，油门逐渐下降，然后突然猛增，这很有可能是在着陆后直接拉起进行下一项训练或复飞，但无论在任何时候，存在这样的超限事件都是不允许的；图7的指示空速也出现了猛增的现象，在发现存在问题后又迅速缩小到合理范围，但这也构成了超限；图8的坡度也存在同样的现象，很有可能是转弯进入较晚，转弯改出后为了达到既定航路，不得不使用大坡度转弯。无论在任何情况下，都要避免超限操纵，不同的飞行训练标准所要求的范围不同，但超出飞机能够承载的最大限度后，不但会对飞机造成损伤，严重时也可能机毁人亡。

本文通过对Cessna172R飞机飞行训练数据获取及格式的分析，选取了发动机转速、指示空速、坡度3种超限事件，利用Matlab分析软件，对评判这3项超限事件所需的数据进行了提取，并建立了这3种超限事件的评判方法。通过仿真分析，对发生超限事件的数据及相应时间以折现图的形式显示。编程时是以发生超限点为中心向两端截取一段数据，这样做的目的是可以在每个图中清晰地找到超限事件发生点及对应时间。

此方法仅是为了查找是否有超限事件发生，并不是为了分析超限事件发生的原因，但可以在此方法基础上修改程序，在超限事件发生段同时存储用于评判飞行品质的相关飞行数据指标，并在折线图中显示，便可判断飞行阶段以及相应的操作动作。利用此方法对同一学员的多次飞行数据进行分析，可发现学员在飞行训练中存在的问题、发生超限事件的阶段，从而可针对专项问题及时纠正，防止不安全事件发生。

［1］张帅.飞行品质监控中的超限裕度模型研究［D］.天津：中国民航大学，2014.

［2］崔晓阳.基于超限事件的飞行品质监控方法研究［D］.天津：中国民航大学，2013.

［3］李旭，马力.VB6在CSV文件格式处理中的应用研究［J］.信息技术，2009（07）：26-28，31.

［4］黄杰.训练飞行超限事件实时诊断与告警［D］.广汉：中国民用航空飞行学院，2016.

［5］邹强，刘晔璐，许志，等.基于Matlab的西锐SR20飞机飞行品质监控研究［J］.中国民航飞行学院学报，2014（04）：16-17，20.

〔编辑：张思楠〕

邓永恒（1993—），男，满族，辽宁开原人，硕士，研究方向为民航运输管理。赵庆伟（1994—），男，山东日照人，硕士，研究方向为民航运输管理。魏坤鹏（1993—），男，山东临沂人，硕士，研究方向为民航运输管理。孙宏（1966—），男，河北深县人，博士，教授，研究方向为航空公司运行管理。

大学生创新创业训练项目；民航飞行技术与飞行安全科研基地项目（编号：F2016KF05）；中国民航飞行学院科技基金项目（编号：J2014-44）

2095－6835（2018）19－0059－03

V328

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.059