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城市空中交通动态空域垂直起降飞行器路径优化

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交通运输系统工程与信息 2024年第5期24卷 295-308页

作者：周航赵风旸胡小兵中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300 中国民航大学体系安全和智能决策实验室天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

针对目前城市空中交通动态空域航线优化方法难以保证最优性和计算效率上不足,以及对市区与市郊混合运行场景覆盖的缺陷,首先,提出一种适用于市郊和市区运行的城郊结合路网构建方法;其次,基于电动垂直起降飞行器(eVTOL)飞行动力学模型,... 详细信息

针对目前城市空中交通动态空域航线优化方法难以保证最优性和计算效率上不足,以及对市区与市郊混合运行场景覆盖的缺陷,首先,提出一种适用于市郊和市区运行的城郊结合路网构建方法;其次,基于电动垂直起降飞行器(eVTOL)飞行动力学模型,提出准确的eVTOL功率消耗模型优化飞行路径;最后,基于涟漪扩散算法(RSA)提出适用于动态空域中的动态加权路网(RSA-DWRN)算法。通过构建包含时变气流和障碍区影响的城郊结合路网结构,以优化路径耗电量、飞行时间、计算时间和匹配度为指标,比较RSA-DWRN和传统动态路径优化算法DPO-A*在5种场景下600次实验优化效果。仿真结果表明:RSA-DWRN算法在4类指标下效果最好,且当动态空域环境因素越复杂时,RSA-DWRN表现越优;当空域中存在移动障碍物时,DPO-A*算法无法预测其运动轨迹且需频繁更新路网状态,大量提高了路径规划计算成本,而RSA-DWRN算法在相同情景下与动态环境变化过程协同进化,得到同时保证优化结果和计算效率的最优解。

关键词：航空运输城郊结合路网涟漪扩散算法电动垂直起降飞行器动态空域路径优化

基于改进STPA-DEMATEL的智能航电系统致因要素分析

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系统工程与电子技术 2024年第6期46卷 2023-2033页

作者：刘嘉琛董磊陈曦梁博尧王鹏中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 中国民航大学科技创新研究院天津300300

针对智能航电系统在非线性耦合运行场景下产生的预期功能安全(safety of the intended functionality,SOTIF)问题,提出一种将系统理论过程分析(systematic theory process analysis,STPA)与决策试验与评价实验法(decision-making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)相结合的致因分析框架。首先,在定义系统级危险的基础上构建安全控制结构,识别其不安全控制行为并提取与智能化缺陷相关的STPA致因要素。接下来,引入毕达哥拉斯模糊加权平均算子和闵可夫斯基距离对传统DEMATEL方法进行优化,专家根据控制反馈回路对致因要素进行评价并计算其中心度与原因度。最后,分析STPA致因要素与SOTIF致因属性之间的映射关系,给出关键致因要素的风险减缓措施。以单一飞行员驾驶(single-pilot operation,SPO)模式下的虚拟驾驶员助理系统为例说明了所提方法的可行性与有效性。研究结果表明,改进的STPA-DEMATEL方法可以有效识别关键致因要素,且能够克服专家评价的模糊性与不确定性,为智能航电系统的安全性设计提供了参考依据。

关键词：智能航电系统单一飞行员驾驶系统理论过程分析决策试验与评价实验法毕达哥拉斯模糊理论致因分析

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基于有限谓词追踪的民机系统需求一致性检查方法

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系统工程与电子技术 2024年第1期46卷 205-218页

作者：王鹏岳舒婷张帆董磊中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

针对民机安全关键系统在正向研发过程中,系统级需求的正确性难以在设计早期全部完成确认的问题,提出一种基于有限谓词追踪的功能需求一致性检查体系。首先,引入一阶逻辑中的谓词追踪,建立系统内部功能需求与交互功能需求形式化规约方法... 详细信息

针对民机安全关键系统在正向研发过程中,系统级需求的正确性难以在设计早期全部完成确认的问题,提出一种基于有限谓词追踪的功能需求一致性检查体系。首先,引入一阶逻辑中的谓词追踪,建立系统内部功能需求与交互功能需求形式化规约方法。其次,针对单条、多条需求内容正确性以及需求关系一致性,构建需求一致性检查形式化规约,开展需求自冲突、集冲突与需求关系一致性检验,并生成可解释的检查反例进行需求迭代。最后,以机载平视显示(head-up display,HUD)系统飞行信息符号生成与显示功能为例,验证该方法的正确性与有效性。研究结果表明,基于有限谓词追踪的功能需求一致性检查方法能够提高需求一致性检查效率、降低研发成本,为民机系统级需求确认提供支持。

关键词：需求一致性定理证明功能需求正确性一阶逻辑需求冲突

飞机离地姿态与飞行操作“因果-时序”耦合动态Bayes网络模型

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第6期64卷 1070-1081页

作者：张秀艳王琪中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

在民航飞机起飞离地过程中,飞行员的操作失误容易导致擦机尾等安全事故。飞机离地姿态与飞行操作紧密耦合。针对飞机离地姿态与飞行操作解耦问题,该文以“安全II”模式为指导,关注飞机离地风险应对的全过程表现,对飞机离地姿态与飞行操... 详细信息

在民航飞机起飞离地过程中,飞行员的操作失误容易导致擦机尾等安全事故。飞机离地姿态与飞行操作紧密耦合。针对飞机离地姿态与飞行操作解耦问题,该文以“安全II”模式为指导,关注飞机离地风险应对的全过程表现,对飞机离地姿态与飞行操作之间的耦合机理进行研究。根据安全韧性理论,构建了飞机离地姿态与飞行操作“因果-时序”耦合模型;基于国内某航空公司A319机队1359个航段快速存取记录器(QAR)数据,利用动态Bayes网络进行正常操作与超限操作的特征量化与验证。结果表明:该模型可对飞机离地姿态的动态形成机理进行有效分析;选择“重载”“轻载”“顺风”“逆风”等单一情景及其组合情景,通过调节关键飞行操作节点的概率分布得到最佳飞行操作模式。该研究得到了不同情景变量影响下飞机离地姿态与飞行操作之间的耦合机理,有助于提高飞行员的风险预测与应对能力。

关键词：飞机姿态飞行操作风险应对快速存取记录器(QAR)数据动态Bayes网络(DBN)

复合翼eVTOL电池需求及对动力总成安全性的影响

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推进技术 2024年第3期45卷 207-221页

作者：丁水汀丁硕孙爽但敏赵自庆中国民航大学航空工程学院天津300300

动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能... 详细信息

动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能、适航性能和安全性能的影响。利用开源软件SUAVE(Stanford University Aerospace Vehicle Environment,SUAVE)对复合翼eVTOL进行了整机与动力总成的建模,利用故障树分析(Fault Tree analysis,FTA)方法对动力总成进行了安全性分析。通过仿真,发现在现有电池技术水平下,电池的放电倍率约束是决定电池性能需求的关键限制条件,针对本文设计的eVTOL,372 Wh/kg是满足所有安全约束的最低能量密度,在使用过程中电池容量的衰退是设计者选择电池能量密度的重要参考指标。单独改善电池的可靠性对动力总成可靠性的提升是有限的,但电池性能的衰退将使电池成为动力总成失效的主要因素。通过FTA发现本文搭建的典型动力总成失效率为1.524×10^(-7),接近SC-VTOL-01中单座飞行器的基础级灾难性故障率要求。

关键词：复合翼eVTOL 电池全电动力总成故障树分析安全性

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基于视觉的机场无人驱鸟车路径规划算法

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1446-1453页

作者：王蕊李金洺史玉龙孙辉中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300

机场飞行区存在的低空飞鸟严重威胁飞行器的起飞和降落安全,现有的驱鸟措施难以高效驱离低空飞鸟,且存在设备资源消耗高、受时空影响大等问题。为此,使用无人驱鸟车替代有人驾驶车辆进行驱鸟工作,并使用搭载固定摄像云台的无人驱鸟车对... 详细信息

机场飞行区存在的低空飞鸟严重威胁飞行器的起飞和降落安全,现有的驱鸟措施难以高效驱离低空飞鸟,且存在设备资源消耗高、受时空影响大等问题。为此,使用无人驱鸟车替代有人驾驶车辆进行驱鸟工作,并使用搭载固定摄像云台的无人驱鸟车对机场低空中鸟类进行实时检测,获取鸟情数据后,为无人驱鸟车路径规划提供鸟情数据基础。针对鸟类检测的问题,提出一种基于坐标注意力机制改进的YOLOv5网络,对小目标鸟类进行高效的实时检测,使网络更加精准地对鸟类进行定位;针对传统路径规划算法存在路径距离较长、拐点较多等缺陷,提出一种改进的天牛群算法,可有效缩短无人驱鸟车行驶距离,精准躲避机场内静态障碍物和动态障碍物,并快速到达指定驱鸟位置。实验结果表明:所提算法可对机场鸟类进行有效检测,为无人驱鸟车及时提供鸟情数据,利用改进的天牛群算法缩短规划路径的距离,使无人驱鸟车更加精准快速地到达指定驱鸟位置,有效减少人力资源投入,节约无人驱鸟车行进所需能源,提高驱鸟效率。

关键词：卷积神经网络鸟类检测无人车天牛群算法路径规划

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基于微分平坦的高超声速飞行器跟踪控制方法

系统工程与电子技术 2024年第3期46卷 1084-1092页

作者：赵昱宇索超王雨潇中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300

针对高超声速飞行器跟踪控制存在控制相对阶较高、过程状态约束强等问题,提出基于微分平坦的高超声速飞行器跟踪控制和外环跟踪控制方法,避免串级自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)等控制方法带来的鲁棒性问题,微... 详细信息

针对高超声速飞行器跟踪控制存在控制相对阶较高、过程状态约束强等问题,提出基于微分平坦的高超声速飞行器跟踪控制和外环跟踪控制方法,避免串级自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)等控制方法带来的鲁棒性问题,微分平坦将过程状态和控制输入映射为关于平坦输出的函数,在模型线性化的同时实现了轨迹规划的约束降维。针对不确定性较强的姿控内环,搭配ADRC从而避免微分高阶模型推导下的微分爆炸问题,ADRC不依赖于精确模型信息,提升了控制系统鲁棒性。仿真结果表明,微分平坦和ADRC互补对方缺陷,具有良好的控制性能和鲁棒性。

关键词：自抗扰控制微分平坦高超声速飞行器轨迹跟踪姿态控制

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多因素影响下的驾驶舱拨动开关反应时研究

北京航空航天大学学报 2024年第8期50卷 2413-2420页

作者：靳慧斌杨瑜常银霞邹国良中国民航大学交通科学与工程学院天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300 中国民用航空局北京100710

针对飞行员操纵驾驶舱拨动开关的反应时问题,通过搭建飞行模拟实验舱,采集飞行员操纵驾驶舱拨动开关的反应时数据,应用多因素方差分析方法,研究在多因素影响下,影响飞行员反应时的因素。结果表明:驾驶舱拨动开关位于飞行员正前方左侧水... 详细信息

针对飞行员操纵驾驶舱拨动开关的反应时问题,通过搭建飞行模拟实验舱,采集飞行员操纵驾驶舱拨动开关的反应时数据,应用多因素方差分析方法,研究在多因素影响下,影响飞行员反应时的因素。结果表明:驾驶舱拨动开关位于飞行员正前方左侧水平斜向下45°的面板,反应时最短;规定正确的操作开关方向为向前为正,相比方向为向后为正,飞行员的操纵反应时更短;高负荷因素下,飞行员反应时更长;有灯光引导条件下可以降低飞行员的反应时;面板位置、负荷处理、灯光引导3种因素主体之间的交互作用对飞行员操纵驾驶舱拨动开关的反应时的影响显著。通过实验研究与数据处理分析,结果客观真实,有助于提升飞行员的飞行安全水平,也为操纵器件设计问题提供了基础实验研究和建议。

关键词：人机工效学驾驶舱拨动开关反应时影响因素

基于DCGAN的终端区激光雷达晴空湍流识别

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航空学报 2024年第16期45卷 195-206页

作者：庄子波张春辉陈星邵靖媛陈柏纬中国民航大学航空气象研究所天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 中国民航大学空中交通管理学院天津300300 香港天文台中国香港999077

针对在飞行终端区采用激光雷达进行晴空湍流识别时湍流样本不充足、识别率低的问题,提出了一种改进的深度卷积生成对抗网络(DCGAN)算法。使用中川机场雷达实验平台9个月的径向风速数据构建涡流耗散率(EDR)图像,筛选存在晴空湍流的样本... 详细信息

针对在飞行终端区采用激光雷达进行晴空湍流识别时湍流样本不充足、识别率低的问题,提出了一种改进的深度卷积生成对抗网络(DCGAN)算法。使用中川机场雷达实验平台9个月的径向风速数据构建涡流耗散率(EDR)图像,筛选存在晴空湍流的样本构建湍流样本集;通过扩充卷积层和转置卷积层改进了DCGAN结构,实现样本的扩充,并使用对抗训练后的判别器进行识别。结果表明:用原始样本集和增广样本集训练的对抗后判别器识别准确率均优于卷积神经网络(CNN)和对抗前判别器,分别提高了6.55%、8.25%和0.31%、1.9%;最后,用实测样本进行检验,识别准确率分别提高了3.33%、6.67%,验证了所提方法的可行性。

关键词：激光雷达晴空湍流涡流耗散率(EDR) 深度卷积生成对抗网络(DCGAN) 判别器