民用飞机机组告警系统设计研究

民用飞机机组告警系统设计研究摘要：民用飞机机组告警系统的作用是吸引飞行机组的注意，使其知晓飞机和飞机系统出现的失效或故障，或出现的其他非正常条件。

现代飞机机组告警系统的设计也需要对机组可能要采取的措施加以提示。

本文在总结相关指南材料的基础上，进一步整理不同规范和指南间的共同点和不同点，以期定义一个较为合理的机组告警系统架构。

关键词：机组告警系统告警系统架构AC/ACJ 25.1322 ADA107632 SAE ARP 4102/4 航电架构普遍公认的是，告警系统的复杂程度与航电系统或飞机系统的复杂程度成正比。

在现代民用飞机上，电气、机械或液压（或任何其他类型）等系统数量远大于早期的飞机，并且飞机系统变得更加复杂和先进，故障管理和健康监控的需求在不断增加。

由于告警机制、系统和传感器数量增加，设计告警系统变得越来越困难，并且牵涉到飞机的设计过程。

近期某些研究开始表明，在不同的告警方式间会存在冲突，例如两个冲突的告警可能同时显示或通告，导致机组反应迟滞，并导致重大或灾难级的效应。

本文主要关注3个工业界通用的指南文件。

第一个是SAE ARP 4102/4《驾驶舱告警系统》，该文件是目前最通用最著名的机组告警系统设计指南[1]。

第二个是ADA106732《FAA飞机告警系统设计指南》[2]。

最后一个是FAA咨询公告AC/ACJ25.1322《飞行机组告警》[3]。

1 机组告警系统的主要特性指南文件[1]，[2]和[3]在四个主要方面总结了机组告警系统的主要特性，表1给出了这几个方面及其内容总结。

这四方面内容可以作为机组告警系统设计标准的四个主题。

此外，机组告警系统有多种不同类型的数据源，但大多数传感器类型都不能由航电系统的设计者选择。

例如，液压系统压力传感器是由液压系统的设计者选择的。

所以数据源的定义对于机组告警系统的架构设计是一个重要的且几乎不可控的因素。

2 航电系统架构的影响现代民用飞机通常包含一个综合式或集中式架构，大量的飞机系统和飞行数据直接进入模块化综合航电系统（IMA），且大多数功能也通过驻留的应用软件在IMA上执行。

IMA使用视频信号驱动显示功能，通过数字式总线将数据发送到外部设备，将集中处理的数据分配到相关系统。

这一架构使得飞机生产商或系统集成商有机会发展自己的平台应用软件，相应的飞机级集成能力也得到了增强。

而在联邦式架构中，系统集成商受到了设备生产商的限制，不能任意通过软件实现自己的需求。

在综合式或者集中式的架构中，告警通告数据源通常由IMA采集处理。

在此类架构中，机组告警显示通常显示在LCD显示器上，而LCD显示器由IMA通过视频信号直接驱动。

在两种架构中（综合式或集中式-联邦式），某些特性是类似的。

参考文献[2]的研究说明在没有主告警功能的系统中，告警显示和驾驶员反应间的延迟更高，表明了主告警功能是告警机制中最为有效的一种。

在表1的任务4中，一种重置或确认机制也被归类为机组告警系统的最重要的特性之一，参考文献[1]，[2]和[3]都确认了这一点。

主告警功能可以用作一种重置方法，并且也是工业界的通用做法。

在表1中的另一个重要任务是任务2，即关于显示告警的特性。

在飞机进入云层上方时，外部亮度较高；而在夜间，外部亮度较低。

这些情况都需要调整驾驶舱亮度等级，以避免灯光和显示亮度不会影响机组的视觉，也不会丧失任何可读性。

而这一条件会对机组告警系统的架构产生影响，因为机组告警显示和其他驾驶舱照明需要综合调整到可接受的程度。

3 主告警装置视觉特性主告警装置是机组告警系统的一部分，其主要功能是吸引机组注意到当前发生的故障或失效。

主告警装置主要有两种类型，警告和警戒。

参考文献[3]定义了时间关键告警装置的大小需达到至少两个平方度。

当使用主告警装置作为时间关键告警装置时，两种类型的主告警装置都需要安装在机组的主视野区。

对于一个显示器距离设计眼位（DEP）距离β英寸的驾驶舱，（x/2）＝β（tanθ/2），（1）其中θ代表主告警显示上下两端与设计眼位（DEP）之间的弧度，X代表主告警显示上下间距。

图片1标注了计算中使用的角度和尺寸。

由于主告警装置独立于任何其他显示装置，主视觉告警的尺寸或者亮度特性可能更容易分析。

在某些特殊的驾驶舱内，机组负担较重，平视显示（HUD）便综合了主告警功能。

而目前所有平视显示HUD 都是单色显示，所以在使用HUD作为主告警装置时，颜色显示的视觉效应就丧失了。

因此，主告警装置更多地作为独立显示装置使用，例如红色的主警告和黄色的主警戒[1][2]。

主告警装置的闪烁功能的定义较为模糊。

对于主警告，某些FAA 咨询公告希望不要使用闪烁灯。

作为FAA文件，参考文献[2]指出闪烁功能的作用并不清晰。

而试验结果的预期则显著依赖于采取的试验方法。

参考资料[2]将两名学者Gerathewohl（1953）和Crawford（1962和1963）的工作做对比，说明对闪烁功能有不同的效果。

某些测量方法表明闪烁功能增加了机组延迟时间。

工业界倾向的结论是是主告警装置不使用闪烁特性，因为主告警装置位于机组主视野区最明显的位置，在亮度较高或频繁闪烁的情况下可能对机组造成干扰并加重机组的负担。

主告警装置可能有一个调光控制接口以用于调节亮度等级，以与仪表调光或驾驶舱照明整体协调。

因此最好的方法是将主警告装置的所有控制权限给予中央计算机。

4 显示告警的视觉特性显示告警的视觉特性这一方面本身就是与主告警装置的视觉特性相关的，十分具有挑战性的题目。

显示器本身可能是一个专用的联邦式架构中的LCD显示器，也可能是MFD页面的一部分用于告警显示。

同样主飞行显示器（PFD）也可以用于显示时间关键的告警。

对于LCD显示人为因素，最常用的指南是SAE AS 8034[4]和SAE ARP 4256A[5]。

在参考文献中，电源转换回复时间的具体数值互不相同。

对于200ms的转换间隔，参考文献[5]要求恢复时间不得高于500ms，而参考文献[4]要求恢复时间不得高于1s。

根据对上述解释的理解，使用LCD显示作为机组告警系统显示装置可能导致某些冲突，因为在不同的LCD显示指南之间存在冲突。

参考资料[2]要求允许的显示告警的最低亮度等级是15±3ft-L。

但大多数符合参考资料[4]的LCD显示器都可以调光，可以达到完全黑暗的亮度等级。

大多数标准的目标是调光信号（用于调节屏幕亮度等级的信号）丧失不会影响屏幕的可见度。

例如按照需要将系统设计成，如果调光信号丧失，那么显示器不会变黑并保持在已调节的亮度等级上。

5 优先级定义机组告警的优先级定义可能由于驾驶员操作、危险情况或条件的级别、要求的操作紧急程度或者许多类似要求的改变而改变。

在本文中所引用的所有指南中，都建议根据告警的紧急和关键程度制定一份告警分级定义，以决定不同的告警有何种优先级。

在早期航空业中，红色用于警告、琥珀色或者黄色用于警戒，而绿色或白色用于提示/通知的信息。

在民航业中，有许多机种使用青色作为提示信息，白色仅用于通知信息。

机组告警信息的分类定义在相关文献中有清楚明确的定义。

参考文献[1]给出了四种级别的明确定义，并考虑了机组需采取措施的紧急程度和相应的颜色。

参考文献[3]建议提示信息的颜色（对于有三个告警等级系统的第三个级别）不应使用红色或绿色。

所以，对于使用参考文献[3]作为主要参考的系统，提示级信息通常都使用青色信息。

在参考文献[2]中，包含了对优先级定义的文字描述，要求告警优先级应当考虑飞行阶段。

这一描述强调了在起飞和降落过程中起到关键作用的告警可能并不如在巡航阶段中一样重要。

其他例子包括降落，启动（发动机），进近等。

飞行阶段的定义需要收集许多信号以做出判断，并需要一些系统工程的方法分析飞行阶段。

时间关键的告警定义是高于所有告警级别的一种方式。

类似失速、过速、离地高度低等情况常被定义为时间关键告警。

参考文献[3]要求时间关键告警需显示在每位机组成员的主视野范围内。

对于优先级定义，对于复杂飞机的大量告警，应设计有确认机制使机组可以意识到哪些告警是新的，哪些已经确认。

参考文献[3]建议告警不应被抑制，直到告警条件被纠正。

对于每个具体的项目，最佳的解决办法是根据实际情况而改变，例如，新的警告信息伴随闪烁显示，而在机组确认后可以显示为稳定的红色；对于警戒信息的办法可以是新信息显示为带有黑色字符的琥珀色方框，确认后改变字体颜色。

对于包含足够空间显示所有告警的显示器，每条告警显示信息的设计必须考虑告警的优先级和告警分类，相同类型的告警应显示统一区域。

对于某些型号，机组告警系统显示区域可能不足以同时显示所有告警。

在此种情况下，需要非易失存储装置以避免失去其他的告警信息。

机组需要某种方法调出其他未在当前显示的告警信息。

参考文献[3]建议未被机组确认的较低优先级和较早出现的告警应可以储存，且应保留机组随时调出已存储的告警的能力。

6 建议的机组告警系统架构在图2中，提出了本文建议的机组告警系统架构。

其中机组告警功能驻留在模块化综合航电系统（IMA）中。

IMA执行数据的采集，显示告警和主告警功能的驱动。

7 结语机组告警系统是一个功能重要且复杂的系统。

在机组告警系统的设计过程中应考虑到系统和性能的分配，且系统的架构可以有多种方式。

依据本文所列举的三份主要指南材料，本文试图建立一个理想的机组告警系统架构，并总结了找出每份材料在设计要求上的异同点。

本文综合考虑了上述问题，并给出了一种较合理的机组告警系统架构。

参考文献[1] SAE Committee S7，SAE ARP 4102/4, Aerospace Recommended Practice，Flight Deck Alerting System SAE Aeros-pace Group，Europe Office，London UK，1988，2007.[2] DOT/FAA，ADA 106732 Aircraft Alerting Systems Standardization Study V olume II，Aircraft Alerting Systems Design Guidelines，Springfield，Virginia US，January 1981.[3] FAA/JAA,AC/ACJ25.1332,Flight Deck Alerting，Washington，DC USA，2002.[4] SAE，SAE AS 8034A,Minimum Per-formance Standard for Airborne Multi-purpose Electronic Displays，March 2003.[5] SAE,SAE ARP 4256A,Design Objectives for Liquid Crystal Displays for Part 25 (Transport) Aircraft,December 2001.。