通用航空飛行計(jì)劃評估方法綜述

一、引言

通航飛行計(jì)劃是飛行前制定的任務(wù)信息，對飛行計(jì)劃的評估可以在提高飛行安全性的同時(shí)，預(yù)計(jì)任務(wù)的執(zhí)行情況，幫助決策者審視飛行任務(wù)的各個(gè)方面。根據(jù)評估內(nèi)容的適用范圍和重要程度，首先綜述面向所有通航飛行計(jì)劃安全性和飛行成本的一般性評估方法，其中定性評估主要依據(jù)專家的主觀判斷，而定量評估則利用各項(xiàng)指標(biāo)特有的公式進(jìn)行計(jì)算，評估其是否在要求范圍內(nèi)，然后通過分析通航飛行在實(shí)際應(yīng)用中的特殊需求對通航任務(wù)進(jìn)行分類，最終比較分析各類通航飛行計(jì)劃評估方法的特點(diǎn)與局限性，對通航飛行計(jì)劃評估方法進(jìn)行系統(tǒng)性梳理。

近年來我國出臺(tái)一系列政策促進(jìn)通航發(fā)展，2017 年中國民航局發(fā)布《通用航空發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確了通航發(fā)展的總體路徑，計(jì)劃在2020年總飛行量達(dá)到200 萬小時(shí)，航空器數(shù)量達(dá)到5000 架。2017 年，民航局等部門共發(fā)布60 余條通用航空相關(guān)政策和文件，使通航產(chǎn)業(yè)迎來了新一輪快速增長機(jī)遇，但期間發(fā)生的安全事故卻為通航發(fā)展的美好前景增添了幾份陰霾。制定并評估一份完整細(xì)致的飛行計(jì)劃，可以保障飛行安全，為決策者判斷計(jì)劃的優(yōu)劣提供客觀依據(jù)。與運(yùn)輸航空相比，通航飛行需要面對低空復(fù)雜的飛行環(huán)境，且通航飛行不單以運(yùn)輸為任務(wù)目標(biāo)，攝影、噴灑等數(shù)量眾多的任務(wù)類型有著不同的指標(biāo)需求。已有的與評估相關(guān)的研究總體上將評估工作分為兩步進(jìn)行，首先根據(jù)專家知識經(jīng)驗(yàn)和客觀條件確定評估指標(biāo)體系，然后選擇相適應(yīng)的評估方法進(jìn)行全面客觀地評估。已有不少學(xué)者針對各類通航飛行提出了相應(yīng)的評估方法，但已有方法多針對具體應(yīng)用，還缺少對各種評估方法的系統(tǒng)性梳理。

本文結(jié)合國內(nèi)外通用航空飛行計(jì)劃評估方法研究現(xiàn)狀，總結(jié)適用于各類通航飛行計(jì)劃評估的一般性方法，然后依據(jù)通用航空任務(wù)分類，總結(jié)特殊通航飛行獨(dú)有的飛行計(jì)劃評估方法和內(nèi)容，為通航飛行計(jì)劃評估提供系統(tǒng)性參考。本文的第一部分以飛行安全管理和飛機(jī)性能工程為依據(jù)，總結(jié)針對通航飛行計(jì)劃安全性和飛行成本的一般性評估方法，在此基礎(chǔ)上，鑒于每類通航飛行都有其獨(dú)特的任務(wù)要求，本文的第二部分對每類通航飛行計(jì)劃評估中的專項(xiàng)內(nèi)容和評估方法進(jìn)行敘述，總結(jié)評估特定任務(wù)類型飛行計(jì)劃的不同之處。

二、通用航空飛行計(jì)劃的一般性評估方法

通航飛行計(jì)劃主要包含巡航高度、飛行路徑、所用飛行器和飛行速度等信息，利用以上信息結(jié)合恰當(dāng)?shù)脑u估方法即可分析飛行計(jì)劃的安全性和預(yù)計(jì)成本。無論何種飛行其最終目的都是在保證安全的前提下以收益最大的方式完成目標(biāo)，因此通航飛行計(jì)劃的一般性評估主要包含飛行安全和飛行成本兩方面內(nèi)容，其評估方法基于飛行安全管理和飛機(jī)性能工程展開。

2．1 飛行安全評估

2．1．1 飛行環(huán)境對飛行安全的影響評估

低空飛行環(huán)境復(fù)雜多變，除障礙物外還要面臨低空氣象對通航飛行安全的威脅。評估飛行環(huán)境時(shí)，主要利用氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)構(gòu)建評估模型，分析預(yù)報(bào)信息所給出的氣象威脅對計(jì)劃中的飛行速度和飛行路徑等要素的影響。首先利用氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中的位置信息對危險(xiǎn)氣象區(qū)域進(jìn)行建模，表示危險(xiǎn)氣象區(qū)域在空域中的分布情況，然后結(jié)合危險(xiǎn)氣象區(qū)域的幾何分布或概率信息評估危險(xiǎn)氣象區(qū)域?qū)︼w行計(jì)劃的影響程度。在保守策略中，將預(yù)報(bào)的危險(xiǎn)氣象區(qū)域視為確定性威脅，即計(jì)劃路徑不能穿過預(yù)報(bào)中的危險(xiǎn)氣象區(qū)域，利用氣象預(yù)報(bào)給出的危險(xiǎn)氣象區(qū)域邊界點(diǎn)和多邊形構(gòu)造算法構(gòu)建危險(xiǎn)氣象區(qū)域模型，如圖1黑色區(qū)域所示，確保計(jì)劃路徑在危險(xiǎn)氣象區(qū)域之外。

嚴(yán)格來講計(jì)劃路徑不應(yīng)穿越氣象預(yù)報(bào)中的危險(xiǎn)氣象區(qū)域，但計(jì)劃階段所使用的氣象預(yù)報(bào)信息存在不確定性，在實(shí)際飛行中可能出現(xiàn)危險(xiǎn)氣象區(qū)域并未如期而至的情況，利用概率氣象信息構(gòu)建評估模型是評估飛行環(huán)境對飛行計(jì)劃影響的發(fā)展趨勢。利用預(yù)報(bào)中的概率信息為每個(gè)區(qū)域設(shè)置危險(xiǎn)系數(shù)，并將其與危險(xiǎn)氣象區(qū)域內(nèi)的飛行距離相乘，使穿過每個(gè)區(qū)域的代價(jià)隨著危險(xiǎn)氣象區(qū)域出現(xiàn)概率的增高而增加，進(jìn)而評估穿過危險(xiǎn)氣象區(qū)域的安全性。顯然，利用概率信息評估危險(xiǎn)氣象的影響可以大幅減少預(yù)報(bào)情況并未如期而至?xí)r的飛行距離，更符合計(jì)劃階段使用氣象預(yù)報(bào)所具有的不確定性。

降雨和飛機(jī)結(jié)冰并不一定會(huì)產(chǎn)生致命影響，若在飛行器性能承受范圍內(nèi)，仍然可以繼續(xù)飛行，相應(yīng)的評估方法主要利用飛行動(dòng)力學(xué)模型模擬飛行器性能的變化。相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展，對于降雨而言，根據(jù)獲取的氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建歐拉方程和拉格朗日方程模擬雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡并分析其對飛行器的沖力和摩擦力，經(jīng)由飛行動(dòng)力學(xué)模型便可得到飛行速度等計(jì)劃要素的變化情況。與評估降雨的影響不同，利用數(shù)學(xué)模型模擬飛機(jī)在氣象環(huán)境中的結(jié)冰過程尚具有一定難度，因此評估結(jié)冰對飛行安全的影響多利用已有飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。可以將飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)由線性回歸方程得到不同結(jié)冰條件下的氣動(dòng)參數(shù)變化; 在數(shù)據(jù)量充足的情況下，將結(jié)冰氣象數(shù)據(jù)作為輸入，飛機(jī)氣動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)作為輸出，通過訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的兩者間的關(guān)系模型更加精確。利用概率氣象預(yù)報(bào)作為飛行計(jì)劃評估的依據(jù)是未來的發(fā)展方向，隨著集合數(shù)值預(yù)報(bào)等高精度預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，可以對飛行計(jì)劃所面臨的多種環(huán)境狀況進(jìn)行綜合分析，以狀態(tài)集合的形式呈現(xiàn)評估結(jié)果。

2．1．2 飛行安全綜合評估

飛行安全綜合評估即利用影響飛行安全各項(xiàng)內(nèi)容的評估結(jié)果，從全局角度評估通航飛行的安全性，其評估流程如圖2 所示。影響飛行安全的飛行環(huán)境、飛行器性能、機(jī)組和管理四項(xiàng)因素又可下分為航路結(jié)構(gòu)狀況、機(jī)組人員生理狀況等26 個(gè)二級指標(biāo)。對定性指標(biāo)而言，評估結(jié)果根據(jù)專家主觀認(rèn)識以優(yōu)劣程度或打分的形式呈現(xiàn)，而定量指標(biāo)則可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果所處區(qū)間對應(yīng)一個(gè)評估結(jié)果。由于評估指標(biāo)的重要程度各不相同，為便于進(jìn)行綜合性評估，需要對指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理。安全評估中定性指標(biāo)居多，且熵權(quán)法主要反映評估結(jié)果的分布情況，因此多采用層次分析法為指標(biāo)定權(quán)。層次分析法通過對指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，由判斷矩陣確定最終權(quán)重，可充分反映專家主觀認(rèn)識，并兼顧定量分析結(jié)果。

在確定權(quán)重后，可以利用綜合評估方法評估通航飛行計(jì)劃的整體安全性，其最終目的便是對多位專家的評估結(jié)果進(jìn)行綜合處理，解決評估時(shí)專家在主觀判斷上存在不確定性的問題。現(xiàn)有綜合評估方法主要為模糊綜合評價(jià)、灰色多層次分析和證據(jù)理論分析。三種方法的核心思路都是計(jì)算出飛行計(jì)劃安全性隸屬于何種等級以及對應(yīng)的比重，但三種方法在計(jì)算時(shí)所選擇的數(shù)學(xué)模型存在較大差異。

( 1) 在模糊綜合評價(jià)中，定性指標(biāo)主要利用專家給出對應(yīng)評價(jià)的頻數(shù)計(jì)算比重( 例如十位專家有七位認(rèn)為該指標(biāo)評估結(jié)果為優(yōu)，則優(yōu)的比重為0. 7) ，定量指標(biāo)則利用Zadeh 式計(jì)算比重，顯然這是一種少數(shù)服從多數(shù)的評估模式，在專家數(shù)量較少時(shí)，最終得到的綜合結(jié)果可能有失偏頗。

( 2) 灰色多層次分析主要依據(jù)專家評估結(jié)果所在的數(shù)值區(qū)間確定比重］這種方法對專家評估時(shí)的不確定性表示地更加精確，但在指標(biāo)的優(yōu)劣沒有明確的數(shù)值界定范圍時(shí)，無法充分發(fā)揮該方法的優(yōu)勢。

( 3)證據(jù)理論分析與上述兩種方法的最大不同在于專家不但要給出每項(xiàng)指標(biāo)的評估結(jié)果，還要給出該評估結(jié)果的可信度，由可信度和指標(biāo)權(quán)重即可計(jì)算出每項(xiàng)指標(biāo)評估結(jié)果的概率值，最終以期望的形式表示綜合評估結(jié)果。該方法主要利用概率模型表征專家的主觀不確定性，但其存在的不足顯而易見，即不同專家給出的可信度可能存在沖突，另外，該方法中微小的概率變化可能會(huì)使最終的綜合結(jié)果截然相反。盡管飛行安全的各項(xiàng)評估內(nèi)容中已有較為明確的評估模型，但在進(jìn)行綜合評估時(shí)，確定各項(xiàng)評估指標(biāo)的權(quán)重仍以專家主觀判斷為主，如何利用綜合評估方法減少專家主觀判斷對評估結(jié)果的影響，使評估結(jié)果更為客觀，仍是今后的主要研究方向。

2．2 飛行成本評估

飛行成本主要由燃油成本與時(shí)間成本兩項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。評估燃油成本依據(jù)飛行計(jì)劃的三個(gè)階段，從起飛、降落和巡航三方面展開?？紤]到溫度對油耗的影響，首先要結(jié)合飛行手冊對溫度進(jìn)行修正。在計(jì)算起降階段的燃油消耗時(shí)，主要利用起降過程的高度變化，通過飛機(jī)性能工程直接評估油耗。計(jì)算巡航段油耗時(shí)，則利用計(jì)劃中的巡航速度與巡航高度，通過飛機(jī)性能工程得到巡航階段單位時(shí)間的燃油消耗，再乘以計(jì)劃巡航時(shí)長即得到巡航段油耗。

上述方法計(jì)算方式相對簡便，依照飛行手冊中的數(shù)據(jù)即可快速計(jì)算出油耗的估計(jì)值，但簡便的前提是忽略了飛行過程中復(fù)雜的狀態(tài)變化，精細(xì)準(zhǔn)確的燃油消耗評估方法必然是未來發(fā)展的方向。關(guān)于精細(xì)化的燃油消耗評估方法已有一些研究進(jìn)展。一類方法結(jié)合能量守恒原理分析飛行器在計(jì)劃中的機(jī)械能變化，進(jìn)而推算燃油消耗，但這一類方法多從垂直剖面進(jìn)行分析，忽略了水平方向的飛行狀態(tài)變化。另一類方法則將已有的飛行數(shù)據(jù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，其主要思路是將數(shù)據(jù)中的飛機(jī)質(zhì)量、飛行速度等參數(shù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將燃油消耗作為輸出參數(shù)，經(jīng)過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練得到輸入和輸出間的非線性關(guān)系，進(jìn)而估計(jì)計(jì)劃油耗。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到的模型更加精確，但該方法更適用于擁有固定航線的運(yùn)輸航空，對通航而言具有一定借鑒意義。飛行成本中的時(shí)間成本主要包括小時(shí)費(fèi)和維修費(fèi)等難以用數(shù)學(xué)模型來表示的成本指標(biāo)，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以“花費(fèi)/單位時(shí)間”的形式表示。在計(jì)算機(jī)性能大幅提升的背景下，對飛行成本的評估將更多地利用飛行動(dòng)力學(xué)原理構(gòu)建飛行狀態(tài)模型，模擬飛行器在各階段的狀態(tài)變化，并利用飛行數(shù)據(jù)對模型中的各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行修正，使得飛行計(jì)劃的成本評估與實(shí)際的成本花費(fèi)更加接近。

3 針對特定應(yīng)用的飛行計(jì)劃評估方法

3．1 通用航空任務(wù)分類

通航任務(wù)種類繁多，特定任務(wù)往往有其特殊的評估指標(biāo)，如圖3 所示，通用航空的任務(wù)內(nèi)容包含作業(yè)類、消費(fèi)類和飛行訓(xùn)練三大類。

3．2 作業(yè)類飛行計(jì)劃評估方法

在完成飛行計(jì)劃的一般性評估后，作業(yè)類飛行計(jì)劃還需要根據(jù)飛行速度、巡航高度和飛行路徑等計(jì)劃要素計(jì)算出特殊任務(wù)的專項(xiàng)指標(biāo)評估結(jié)果，對應(yīng)結(jié)果必須滿足精細(xì)的數(shù)值要求。

3．2．1 航空攝影飛行計(jì)劃評估方法

航空攝影利用傳感器探測目標(biāo)反射或輻射的合成能量，得到目標(biāo)的圖像信號，但由于飛行姿態(tài)不平穩(wěn)以及大氣環(huán)境等因素，導(dǎo)致得到的圖像信號存在失真，因此利用評估模型分析攝影圖像誤差，對圖像信號進(jìn)行校正，可以提升圖像質(zhì)量。太陽光照射到地物表面后，經(jīng)地物反射或輻射穿過大氣層到達(dá)航攝儀，這一過程可以利用輻射傳輸方程進(jìn)行建模，如式( 1) 所示，B 為航攝儀中的景物亮度，B空為目標(biāo)景物在空中的亮度，K 為航攝儀物鏡透光率，δ 為雜光。結(jié)合航攝儀的物鏡透光率等參數(shù)，可以分析目標(biāo)圖像到達(dá)航攝儀的亮度變化。B=B空K+ δ ( 1)除輻射傳輸過程引發(fā)的圖像變化外，由于飛行姿態(tài)以及目標(biāo)所處地形的變化等因素會(huì)導(dǎo)致圖像的幾何形變，必須選擇與客觀條件相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對圖像進(jìn)行幾何校正。如果幾何形變并非由單一因素引發(fā)，同時(shí)沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表示這一變化，可以基于最小二乘法構(gòu)建原始圖像中目標(biāo)的幾何特征與實(shí)際特征間的多項(xiàng)式模型。多項(xiàng)式模型構(gòu)建相對簡單，且該方法已相對成熟。如若航攝像片在空間的位置和狀態(tài)參數(shù)未知，可以利用三維直接線性變換方程構(gòu)建幾何校正模型，該方法無需利用航攝像片在空間的位置和狀態(tài)參數(shù)，但由于需要大量測量控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，不適用于大范圍的航攝任務(wù)。利用表示目標(biāo)點(diǎn)、像點(diǎn)和投影中心三點(diǎn)位于同一直線的共線方程進(jìn)行幾何校正在理論上更嚴(yán)密，校正精度更高，但該方法需要用到目標(biāo)的高程數(shù)據(jù)，計(jì)算量較大。

文章來源于：今日通航

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