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基于改进FPPN的飞控系统故障传播路径分析方法

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北京航空航天大学学报 2024年第6期50卷 1829-1841页

作者：张晓瑜张凤琪郭润夏吴军中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300 中国民航大学航空工程学院天津300300

针对飞控系统多冗余、多闭环的结构特性,结合有向图模型和模糊Petri网(FPN)模型,构建飞控系统故障传播模糊概率Petri网(FPPN)模型,以解决飞控系统特定结构下的故障传播路径问题。改进的FPPN模型包含飞控系统有向图模型、故障传播特性量... 详细信息

针对飞控系统多冗余、多闭环的结构特性,结合有向图模型和模糊Petri网(FPN)模型,构建飞控系统故障传播模糊概率Petri网(FPPN)模型,以解决飞控系统特定结构下的故障传播路径问题。改进的FPPN模型包含飞控系统有向图模型、故障传播特性量化计算模型和故障传播FPPN模型3个部分。采用面向对象技术分析飞控系统的功能行为和物理结构,综合复杂网络理论,构建系统故障传播有向图模型;引入Floyd算法,开展系统耦合关联分析,基于节点的度和边介数定义系统故障传播特性;在有向图模型的基础上,提出相应的结构映射规则,构建飞控系统故障传播FPPN模型,融合改进后的参数量化方法,设定2种推理算法对系统多冗余、闭环结构特性下的故障传播路径进行有效分析。通过数值分析与实例验证,获取飞控系统典型故障传播路径及路径上相关节点的状态值,验证所提方法的有效性。

关键词：飞控系统复杂网络理论有向图模型模糊概率Petri网模型故障传播路径分析

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)

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低雷诺数下翼型非线性气动特性及其模型预测

航空动力学报 2024年第1期39卷 207-215页

作者：张鹏孙爽中国民航大学航空工程学院天津300300

以GA(W)-1翼型为研究对象,通过数值模拟的方法探究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及物理机制,结果显示:翼型在低雷诺数工况下具有突变性、迟滞性等强烈的非线性气动特性,且迟滞环的尺寸随着雷诺数的增大而逐渐减小直到最终消失,翼型... 详细信息

以GA(W)-1翼型为研究对象,通过数值模拟的方法探究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及物理机制,结果显示:翼型在低雷诺数工况下具有突变性、迟滞性等强烈的非线性气动特性,且迟滞环的尺寸随着雷诺数的增大而逐渐减小直到最终消失,翼型前缘分离泡的破碎及该过程的不可逆性是非线性气动特性产生的物理根源。翼型在不同雷诺数工况下的非线性气动特性与尖点突变模型在空间拓扑上具有相似性,于是基于拓扑不变原理,通过发展高精度的拓扑映射方法,构建了尖点突变模型的平衡曲面与翼型非线性气动特性之间的拓扑映射关系,从而利用尖点突变模型的平衡曲面去预测低雷诺数下翼型的非线性气动特性,模型预测误差在5%以内。

关键词：翼型低雷诺数非线性气动特性尖点突变模型预测模型

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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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坠撞环境下乘员伤害分析及飞机适坠性评估

航空学报 2024年第3期45卷 169-181页

作者：牟浩蕾谢威威解江冯振宇林岚辉中国民航大学科技创新研究院天津300300 中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300

为了分析坠撞环境下的机身框段和客舱乘员的动态响应以及乘员伤害情况,开展了大型飞机典型机身框段(含2套三联座椅及4名乘员假人)在6.02 m/s速度下的垂向坠撞试验,获得了机身框段结构坠撞及乘员坠撞响应数据,进行了机身框段结构坠撞破... 详细信息

为了分析坠撞环境下的机身框段和客舱乘员的动态响应以及乘员伤害情况,开展了大型飞机典型机身框段(含2套三联座椅及4名乘员假人)在6.02 m/s速度下的垂向坠撞试验,获得了机身框段结构坠撞及乘员坠撞响应数据,进行了机身框段结构坠撞破坏及乘员伤害分析,并通过可生存空间、系留强度、乘员损伤、应急撤离4个方面对飞机适坠性进行评估。坠撞试验结果表明,客舱地板下部结构发生较大变形与破坏,在货舱地板下部结构中间支撑件区域和两侧客舱地板支撑立柱与机身框连接处产生3处塑性铰;客舱区域基本保持完整,可生存空间得到保持;座椅与客舱地板导轨的连接保持完好,且乘员安全带保持在原位;乘员假人头部伤害判据最大值为31.47,腰椎压缩载荷最大峰值为3997.2 N;乘员假人向过道倾斜,过道仍保持通畅。通过飞机适坠性评估,在6.02 m/s的垂向坠撞速度下,乘员伤害风险较小。

关键词：机身框段结构坠撞响应乘员坠撞响应乘员伤害分析适坠性评估

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物理赋能的助航灯具清洗数字孪生构建

北京航空航天大学学报 2024年第3期50卷 785-795页

作者：董慧芬孙浩远严力武云霞中国民航大学电子信息与自动化学院天津300300

机场助航灯具清洗设备工作时需要远程实时监测设备状态和清洗质量。数字孪生通过虚拟平台映射清洗设备的工作情况,而目前虚拟环境的建立仍大量依赖于数据驱动,自身缺乏感知进化和虚拟仿真的能力,且对被执行件的关注较少。针对以上问题,... 详细信息

机场助航灯具清洗设备工作时需要远程实时监测设备状态和清洗质量。数字孪生通过虚拟平台映射清洗设备的工作情况,而目前虚拟环境的建立仍大量依赖于数据驱动,自身缺乏感知进化和虚拟仿真的能力,且对被执行件的关注较少。针对以上问题,提出基于多物理引擎的数字孪生模型。该系统利用CoppeliaSim构建数据和脚本双驱动的虚拟空间,融合了虚拟传感和视觉检测,并通过BlueZero实现实时通信。为解决通信延迟造成的数据流阶梯跳跃的问题,提出一种基于改进均值滤波的运动同步性增强算法,内嵌在Qt建立的数据集成子系统中。实验结果表明:经运动增强后,所提系统的虚实同步误差为74 ms,满足同步性要求;清洗机械臂关节角度跟踪的均方误差为0.827°,末端空间位置跟踪误差不超过2.775 mm,满足跟踪精度要求;所提模型能够动态呈现灯具被清洗时的污斑状况,证明了所提模型的合理性,满足助航灯具清洗过程的应用需求。

关键词：数字孪生助航灯具机械臂粒子模型状态监测同步性增强