陳靜杰，肖冠平

（中國民航大學 航空自動化學院，天津300300）

0 引 言

當前，利用飛機快速存儲記錄裝置QAR 數(shù)據(jù)重建飛機油耗模型、分析和估計燃油效率得到眾多學者的關注。QAR 數(shù)據(jù)包含了大量與飛機油耗密切相關的高度、速度、起飛重量、發(fā)動機工作狀態(tài)等參數(shù)，每個參數(shù)又有大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為飛機油耗模型分析提供了良好的基礎［1－3］。

現(xiàn)有QAR 數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)主要用于飛機故障預測［4］、超限事件評估［5］和發(fā)動機監(jiān)控［6］方面，在飛機油耗分析方面的應用相對較少。針對這種需求，經(jīng)過深入分析和優(yōu)選，本文提出利用QAR 數(shù)據(jù)基于Matlab GUI設計并實現(xiàn)飛機油耗分析工具。該工具可以為飛機油耗分析提供人機交互的操作環(huán)境，并實現(xiàn)QAR 數(shù)據(jù)的保存和管理。文章最后通過實例概要闡明了分析工具的使用步驟。

1 分析工具總體設計

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

在利用QAR 數(shù)據(jù)進行飛機油耗分析時往往要對一定規(guī)模的QAR 數(shù)據(jù)進行處理，因此有必要設計與建立QAR 數(shù)據(jù)倉庫。只有建立了QAR 數(shù)據(jù)倉庫，才能方便的根據(jù)分析需求對QAR 數(shù)據(jù)進行不同條件的查詢和篩選，以便對不同條件下的飛行油耗進行統(tǒng)計回歸分析以及為建立油耗模型提供數(shù)據(jù)來源的樣本篩選。

在進行QAR 數(shù)據(jù)倉庫設計前，首先要根據(jù)分析需求考慮油耗分析中用到的各項參數(shù)，以及數(shù)據(jù)倉庫的設計對以后分析工具功能擴展是否方便等因素，然后再進行數(shù)據(jù)倉庫建模。

數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)來源于QAR 文件 （以CSV 格式存儲）。文件的讀取應能實現(xiàn)單個或批量讀取。QAR 文件讀取后根據(jù)分析需要對數(shù)據(jù)進行預處理，比如從QAR 文件中提取航段信息、起飛重量、起飛日期、起飛時間等參數(shù)，以及對飛行階段劃分為上升、巡航和下降3個階段，然后分別計算3個階段的飛行距離和油耗，并且計算全程的飛行距離和油耗等。

考慮到數(shù)據(jù)存儲的完整性和可靠性，還必須進行用戶權限設計，賦予不同用戶類型不同的使用權限。同時，工具設計還應該考慮遠程計算機終端可以通過網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行訪問。

因此，系統(tǒng)功能主要包括：①文件的讀取和處理；②QAR 數(shù)據(jù)的存儲和管理；③油耗分析和油耗建模樣本篩選。此外還包括用戶權限管理和遠程訪問機制。

1.2 系統(tǒng)框架設計

根據(jù)飛機油耗分析工具的功能需求，系統(tǒng)框架結構可以分為：數(shù)據(jù)管理模塊、輸入／輸出模塊、油耗分析模塊和權限管理模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結構

數(shù)據(jù)管理模塊用于QAR 歷史數(shù)據(jù)庫的管理、數(shù)據(jù)的查詢和篩選。輸入模塊主要完成QAR 文件的讀取，讀取過程中自動校驗文件的完整性，剔除錯誤文件，讀取完成后進行飛行階段劃分、油耗和距離計算等數(shù)據(jù)預處理。油耗分析模塊用于計算并估計在某個顯著水平條件下固定機型固定航段油耗標準、置信區(qū)間和其它統(tǒng)計回歸分析，進行多航班的參數(shù)曲線對比。

輸出模塊主要用于展示各類飛行參數(shù)曲線，顯示數(shù)值計算結果，以及分析報告和油耗建模所需樣本參數(shù)的導出。權限管理模塊通過不同的用戶類型實現(xiàn)對各模塊功能的使用限制，保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。

2 分析工具實現(xiàn)

飛機油耗分析工具在Matlab GUI開發(fā)環(huán)境下設計實現(xiàn)。QAR 數(shù)據(jù)中油耗和距離等參數(shù)的處理分析需要運用大量的矩陣運算，借鑒Matlab內(nèi)置函數(shù)進行算法設計大大加快了工具的開發(fā)速度［7］。此外，Matlab GUI開發(fā)環(huán)境可以便捷地創(chuàng)建各種圖形句柄對象，建立分析工具友好的用戶界面。

2.1 飛行階段劃分算法設計

在進行飛機油耗建模分析時需要對飛行階段進行上升段、巡航段和下降段3個階段的識別，以便有針對性的計算各個飛行階段的距離和燃油消耗以及對各個階段進行油耗模型分析。為此，對飛行階段的劃分進行了算法設計，利用QAR 數(shù)據(jù)中飛行高度參數(shù)alt、馬赫數(shù)mach 和垂直速度ivv 這3個參數(shù)的相關判斷對飛行中的3個階段進行識別：

侗族，1985年生于廣西三江侗族自治縣。2009年畢業(yè)于廣西藝術學院油畫第一工作室。結業(yè)于中國美術家協(xié)會、中央民族大學第四屆西部少數(shù)民族青年美術家創(chuàng)作高研班，第五屆西部少數(shù)民族青年美術家創(chuàng)作精品班，第六屆全國青年美展創(chuàng)作班。中國美術家協(xié)會會員、廣西美術家協(xié)會會員。2015年受聘為國家民族畫院畫家。獲2016年國家藝術基金資助青年藝術人才、2018年國家藝術基金優(yōu)秀項目滾動資助作品。多次參加省級、國家級展覽并獲獎，作品被中國美術館、國家藝術基金、廣西壯族自治區(qū)政府、吳冠中藝術館、江蘇美術館、蘇州美術館、陜西美術博物館、武狄天成藝術館、中國—東盟榜樣美術館等機構收藏。

步驟1 從飛行高度參數(shù)alt 中尋找最大高度數(shù)值altmax，再從alt中選取超過（altmax－h(huán)）數(shù)值的所有數(shù)據(jù)點altsel（h根據(jù)altmax的不同視情選取，通常取2000～3000英尺），同時依據(jù)altsel的起點和終點對應從馬赫數(shù)mach 參數(shù)和垂直速度ivv 參數(shù)中選取machsel、ivvsel。

步驟2 由于飛機在巡航階段飛行馬赫數(shù)會穩(wěn)定在某個范圍內(nèi)，從machsel中選取超過MACH 的所有數(shù)據(jù)點machsel1（MACH 根據(jù)不同的altmax和實際經(jīng)驗進行選取），同時依據(jù)machsel1的起點和終點對應從垂直速度ivvsel中選取ivvsel1。

步驟3 飛機在巡航階段垂直速度ivv 參數(shù)將在ivvl～ivvh范圍內(nèi)波動 （通常為 ［－100，＋100］英尺／分鐘），依據(jù)這個從垂直速度ivvsel1數(shù)據(jù)點中確定進入巡航段的起點begin＿point和離開巡航段的終點end＿point。

2.2 油耗和距離算法設計

飛機油耗計算利用QAR 數(shù)據(jù)中發(fā)動機的燃油流量參數(shù)ff（fuel flow），單位為PPH （磅／小時）。發(fā)動機燃油流量采樣以秒為間隔，對燃油流量按時間t進行積分運算，即可算出航段油耗［8］。計算公式為

式中：tf——發(fā)動機從啟動到關機的時間，ff1、ff2——雙發(fā)飛機左右發(fā)動機的燃油流量。利用飛行階段劃分算法中求出的巡航段起點和終點分別對各個飛行階段進行燃油流量積分運算，從而求出上升段、巡航段和下降段3個飛行階段的油耗。

飛行距離的計算是通過WGS－84坐標系下的大圓距離算法實現(xiàn)的。地面上任意兩點與地球球心確定唯一的大圓，這個大圓上連接這兩點的劣弧長度就是大圓距離。計算大圓距離的方式是利用地面上任意兩點的經(jīng)緯度，將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為球面坐標系坐標，求出兩點間的直線距離，然后利用地球半徑求出兩點連接地球球心的夾角，進而求出劣弧長度即大圓距離。

實際飛行距離的計算則是利用QAR 數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度參數(shù)，求出每秒間大圓距離，然后進行累加。各個階段的飛行距離利用飛行階段劃分算法中求出的巡航段起點和終點分別計算得到。

2.3 用戶權限模塊設計

設計思路是通過用戶登錄界面進行分析工具的登錄操作，將用戶輸入的用戶名、密碼與用戶表中存儲的用戶信息進行比較，輸入的用戶名和密碼檢驗一致后，根據(jù)用戶的類型對工具中涉及到數(shù)據(jù)管理的某些功能進行開放或屏蔽，這樣就保證了數(shù)據(jù)的安全和完整。

用戶信息的比對是通過訪問數(shù)據(jù)倉庫中的用戶信息實現(xiàn)的，但遠程計算機有可能因網(wǎng)絡故障無法連接數(shù)據(jù)倉庫，這時需要設計一個本地賬號用于登錄分析工具。本地賬號只能在網(wǎng)絡無法連接的情況下使用。本地賬號所能使用的軟件功能是最受限的。

2.4 用戶界面實現(xiàn)

分析工具的用戶界面通過Matlab GUI界面編輯器設計，利用界面編輯器可以快速、便捷地繪制所見即所得的用戶界面［9］。通過在界面編輯器上點擊面板、按鈕、坐標軸、文本框、滑動條等基本控件并將這些控件拖拽到布局區(qū)域，界面布局完成后運行界面編輯器，將會自動生成包含MATLAB函數(shù)用于控制界面運行的可編程m 文件。該m 文件提供界面初始化所需的代碼以及控件回調(diào)函數(shù)callbacks框架，通過在控件的回調(diào)函數(shù)中編寫代碼實現(xiàn)界面所要執(zhí)行的功能。

3 數(shù)據(jù)倉庫建模

QAR 數(shù)據(jù)倉庫建模是構建數(shù)據(jù)倉庫的重要組成部分，是數(shù)據(jù)倉庫構造開始的第一步［10］。通過深入分析QAR 數(shù)據(jù)特點，根據(jù)飛機油耗分析方面所關心的問題，考慮到提高查詢性能以及便于實現(xiàn)不同條件的查詢，來進行QAR 數(shù)據(jù)倉庫建模。

一個航段對應多個QAR 文件，對于QAR 文件，其記錄的飛機注冊號可能不同，飛行日期可能不同，但航段信息都是一致的，因此航段信息應單獨建立一個表，設計見表1。

表1 航段信息

距離信息表和油耗信息表用于存儲QAR 數(shù)據(jù)預處理后的距離和油耗信息，距離信息表和油耗信息表的唯一標識碼是文件名，設計見表2、表3。

表2 距離信息

表3 油耗信息

除此之外建立航班信息表用于存儲起飛日期、起飛重量等信息，設計見表4。

表4 航班信息

QAR 文件有多個參數(shù)，每個參數(shù)都有數(shù)千到數(shù)萬個數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)文件存儲表拆分為多個，能提高數(shù)據(jù)倉庫的訪問效率，設計見表5。

表5 QAR 文件信息

為了進行用戶權限管理，存儲用戶信息，還要建立用戶表。

4 實例介紹

分析人員使用管理員提供的帳號登錄飛機油耗分析工具軟件，用戶登錄界面如圖2所示。

登錄后看到的是QAR 文件處理界面，如圖3所示，該界面處理的是QAR 文件。此界面主要功能區(qū)域有菜單區(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)、信息顯示區(qū)、距離計算區(qū)、油耗計算區(qū)和繪制曲線區(qū)。用戶通過 “導入QAR 文件”按鈕導入QAR 文件，導入完成后會在各功能區(qū)域上顯示文件名、飛機注冊號、航段、起飛機場、到達機場、飛行距離以及燃油消耗等信息，還可進行QAR 數(shù)據(jù)部分參數(shù)曲線圖形繪制。點擊“保存計算結果”按鈕可以將計算結果保存到文件或數(shù)據(jù)倉庫。

圖2 用戶登錄界面

圖3 QAR 文件處理界面

圖4 油耗分析界面

點擊菜單區(qū)的 “工作方式”菜單選擇 “油耗分析”菜單項，進入油耗分析界面，如圖4所示，該界面處理的是來自QAR 數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)。此界面的主要功能區(qū)域有菜單區(qū)、數(shù)據(jù)查詢區(qū)、文件列表區(qū)、信息查看區(qū)、繪圖分析區(qū)、統(tǒng)計特性區(qū)、數(shù)據(jù)導出區(qū)以及航段管理和用戶管理功能區(qū)域。在此界面下可進行QAR 數(shù)據(jù)的查詢和管理，參數(shù)曲線分析、油耗統(tǒng)計回歸分析、油耗建模樣本參數(shù)導出、航段管理和用戶管理等操作。

航段管理界面如圖5所示，分析人員可以查看QAR 數(shù)據(jù)倉庫中的所有航段信息。

圖5 航段管理界面

5 結束語

本文設計并實現(xiàn)了一個利用QAR 數(shù)據(jù)進行飛機油耗分析的工具軟件。本文首先分析了該工具軟件的功能需求并根據(jù)功能需求闡述了其系統(tǒng)框架結構設計。文中著重介紹了飛行階段劃分算法設計、飛行油耗和距離算法設計、用戶權限管理設計和界面設計的開發(fā)思路。該工具軟件具有良好的實用性和交互性，在課題項目的實際應用中，為利用QAR 數(shù)據(jù)進行飛機油耗分析提供了有力的幫助。在今后的工作中，將進一步增強分析工具油耗模型的構建能力，并通過分析自動給出相關節(jié)油策略。

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