陳靜杰，肖冠平

（中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

0 引 言

當(dāng)前，利用飛機(jī)快速存儲(chǔ)記錄裝置QAR 數(shù)據(jù)重建飛機(jī)油耗模型、分析和估計(jì)燃油效率得到眾多學(xué)者的關(guān)注。QAR 數(shù)據(jù)包含了大量與飛機(jī)油耗密切相關(guān)的高度、速度、起飛重量、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等參數(shù)，每個(gè)參數(shù)又有大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為飛機(jī)油耗模型分析提供了良好的基礎(chǔ)［1－3］。

現(xiàn)有QAR 數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)主要用于飛機(jī)故障預(yù)測(cè)［4］、超限事件評(píng)估［5］和發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控［6］方面，在飛機(jī)油耗分析方面的應(yīng)用相對(duì)較少。針對(duì)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)飛機(jī)油耗分析工具。該工具可以為飛機(jī)油耗分析提供人機(jī)交互的操作環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)QAR 數(shù)據(jù)的保存和管理。文章最后通過實(shí)例概要闡明了分析工具的使用步驟。

1 分析工具總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

在利用QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)油耗分析時(shí)往往要對(duì)一定規(guī)模的QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此有必要設(shè)計(jì)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(duì)QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行不同條件的查詢和篩選，以便對(duì)不同條件下的飛行油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計(jì)前，首先要根據(jù)分析需求考慮油耗分析中用到的各項(xiàng)參數(shù)，以及數(shù)據(jù)倉庫的設(shè)計(jì)對(duì)以后分析工具功能擴(kuò)展是否方便等因素，然后再進(jìn)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(chǔ)）。文件的讀取應(yīng)能實(shí)現(xiàn)單個(gè)或批量讀取。QAR 文件讀取后根據(jù)分析需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(shí)間等參數(shù)，以及對(duì)飛行階段劃分為上升、巡航和下降3個(gè)階段，然后分別計(jì)算3個(gè)階段的飛行距離和油耗，并且計(jì)算全程的飛行距離和油耗等。

考慮到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性和可靠性，還必須進(jìn)行用戶權(quán)限設(shè)計(jì)，賦予不同用戶類型不同的使用權(quán)限。同時(shí)，工具設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)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(quán)限管理和遠(yuǎn)程訪問機(jī)制。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)飛機(jī)油耗分析工具的功能需求，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)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(quán)限管理模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

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(dòng)校驗(yàn)文件的完整性，剔除錯(cuò)誤文件，讀取完成后進(jìn)行飛行階段劃分、油耗和距離計(jì)算等數(shù)據(jù)預(yù)處理。油耗分析模塊用于計(jì)算并估計(jì)在某個(gè)顯著水平條件下固定機(jī)型固定航段油耗標(biāo)準(zhǔn)、置信區(qū)間和其它統(tǒng)計(jì)回歸分析，進(jìn)行多航班的參數(shù)曲線對(duì)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(jì)算結(jié)果，以及分析報(bào)告和油耗建模所需樣本參數(shù)的導(dǎo)出。權(quán)限管理模塊通過不同的用戶類型實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)

飛機(jī)油耗分析工具在Matlab GUI開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)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(yùn)用大量的矩陣運(yùn)算，借鑒Matlab內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)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(duì)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(shè)計(jì)

在進(jìn)行飛機(jī)油耗建模分析時(shí)需要對(duì)飛行階段進(jìn)行上升段、巡航段和下降段3個(gè)階段的識(shí)別，以便有針對(duì)性的計(jì)算各個(gè)飛行階段的距離和燃油消耗以及對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行油耗模型分析。為此，對(duì)飛行階段的劃分進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)，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(gè)參數(shù)的相關(guān)判斷對(duì)飛行中的3個(gè)階段進(jìn)行識(shí)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(shù)學(xué)院油畫第一工作室。結(jié)業(yè)于中國美術(shù)家協(xié)會(huì)、中央民族大學(xué)第四屆西部少數(shù)民族青年美術(shù)家創(chuàng)作高研班，第五屆西部少數(shù)民族青年美術(shù)家創(chuàng)作精品班，第六屆全國青年美展創(chuàng)作班。中國美術(shù)家協(xié)會(huì)會(huì)員、廣西美術(shù)家協(xié)會(huì)會(huì)員。2015年受聘為國家民族畫院畫家。獲2016年國家藝術(shù)基金資助青年藝術(shù)人才、2018年國家藝術(shù)基金優(yōu)秀項(xiàng)目滾動(dòng)資助作品。多次參加省級(jí)、國家級(jí)展覽并獲獎(jiǎng)，作品被中國美術(shù)館、國家藝術(shù)基金、廣西壯族自治區(qū)政府、吳冠中藝術(shù)館、江蘇美術(shù)館、蘇州美術(shù)館、陜西美術(shù)博物館、武狄天成藝術(shù)館、中國—東盟榜樣美術(shù)館等機(jī)構(gòu)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(diǎn)altsel（h根據(jù)altmax的不同視情選取，通常取2000～3000英尺），同時(shí)依據(jù)altsel的起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(jī)在巡航階段飛行馬赫數(shù)會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)范圍內(nèi)，從machsel中選取超過MACH 的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)machsel1（MACH 根據(jù)不同的altmax和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選?。?，同時(shí)依據(jù)machsel1的起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)從垂直速度ivvsel中選取ivvsel1。

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

2.2 油耗和距離算法設(shè)計(jì)

飛機(jī)油耗計(jì)算利用QAR 數(shù)據(jù)中發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量參數(shù)ff（fuel flow），單位為PPH （磅／小時(shí)）。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量采樣以秒為間隔，對(duì)燃油流量按時(shí)間t進(jìn)行積分運(yùn)算，即可算出航段油耗［8］。計(jì)算公式為

式中：tf——發(fā)動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到關(guān)機(jī)的時(shí)間，ff1、ff2——雙發(fā)飛機(jī)左右發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量。利用飛行階段劃分算法中求出的巡航段起點(diǎn)和終點(diǎn)分別對(duì)各個(gè)飛行階段進(jìn)行燃油流量積分運(yùn)算，從而求出上升段、巡航段和下降段3個(gè)飛行階段的油耗。

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

實(shí)際飛行距離的計(jì)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(jìn)行累加。各個(gè)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(diǎn)和終點(diǎn)分別計(jì)算得到。

2.3 用戶權(quán)限模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路是通過用戶登錄界面進(jìn)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(chǔ)的用戶信息進(jìn)行比較，輸入的用戶名和密碼檢驗(yàn)一致后，根據(jù)用戶的類型對(duì)工具中涉及到數(shù)據(jù)管理的某些功能進(jìn)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(duì)是通過訪問數(shù)據(jù)倉庫中的用戶信息實(shí)現(xiàn)的，但遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)有可能因網(wǎng)絡(luò)故障無法連接數(shù)據(jù)倉庫，這時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)本地賬號(hào)用于登錄分析工具。本地賬號(hào)只能在網(wǎng)絡(luò)無法連接的情況下使用。本地賬號(hào)所能使用的軟件功能是最受限的。

2.4 用戶界面實(shí)現(xiàn)

分析工具的用戶界面通過Matlab GUI界面編輯器設(shè)計(jì)，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(diǎn)擊面板、按鈕、坐標(biāo)軸、文本框、滑動(dòng)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(yùn)行界面編輯器，將會(huì)自動(dòng)生成包含MATLAB函數(shù)用于控制界面運(yùn)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(shí)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(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫的重要組成部分，是數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)造開始的第一步［10］。通過深入分析QAR 數(shù)據(jù)特點(diǎn)，根據(jù)飛機(jī)油耗分析方面所關(guān)心的問題，考慮到提高查詢性能以及便于實(shí)現(xiàn)不同條件的查詢，來進(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)倉庫建模。

一個(gè)航段對(duì)應(yīng)多個(gè)QAR 文件，對(duì)于QAR 文件，其記錄的飛機(jī)注冊(cè)號(hào)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(yīng)單獨(dú)建立一個(gè)表，設(shè)計(jì)見表1。

表1 航段信息

距離信息表和油耗信息表用于存儲(chǔ)QAR 數(shù)據(jù)預(yù)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(biāo)識(shí)碼是文件名，設(shè)計(jì)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(chǔ)起飛日期、起飛重量等信息，設(shè)計(jì)見表4。

表4 航班信息

QAR 文件有多個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都有數(shù)千到數(shù)萬個(gè)數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)表拆分為多個(gè)，能提高數(shù)據(jù)倉庫的訪問效率，設(shè)計(jì)見表5。

表5 QAR 文件信息

為了進(jìn)行用戶權(quán)限管理，存儲(chǔ)用戶信息，還要建立用戶表。

4 實(shí)例介紹

分析人員使用管理員提供的帳號(hào)登錄飛機(jī)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(jì)算區(qū)、油耗計(jì)算區(qū)和繪制曲線區(qū)。用戶通過 “導(dǎo)入QAR 文件”按鈕導(dǎo)入QAR 文件，導(dǎo)入完成后會(huì)在各功能區(qū)域上顯示文件名、飛機(jī)注冊(cè)號(hào)、航段、起飛機(jī)場、到達(dá)機(jī)場、飛行距離以及燃油消耗等信息，還可進(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)部分參數(shù)曲線圖形繪制。點(diǎn)擊“保存計(jì)算結(jié)果”按鈕可以將計(jì)算結(jié)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(diǎn)擊菜單區(qū)的 “工作方式”菜單選擇 “油耗分析”菜單項(xiàng)，進(jìn)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(jì)特性區(qū)、數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jìn)行QAR 數(shù)據(jù)的查詢和管理，參數(shù)曲線分析、油耗統(tǒng)計(jì)回歸分析、油耗建模樣本參數(shù)導(dǎo)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(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)利用QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文中著重介紹了飛行階段劃分算法設(shè)計(jì)、飛行油耗和距離算法設(shè)計(jì)、用戶權(quán)限管理設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)的開發(fā)思路。該工具軟件具有良好的實(shí)用性和交互性，在課題項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，為利用QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)油耗分析提供了有力的幫助。在今后的工作中，將進(jìn)一步增強(qiáng)分析工具油耗模型的構(gòu)建能力，并通過分析自動(dòng)給出相關(guān)節(jié)油策略。

［1］Kim BY，F(xiàn)leming GG，Lee JJ，et al.System for assessing aviation’s global emissions （SAGE），Part 1：Model description and inventory results ［J］.Transportation Research Part D：Transport and Environment，2007，12 （5）：325－346.

［2］Egenhofer C.The making of the EU emissions trading scheme：Status，prospects and implications for business［J］.European Management Journal，2007，25 （6）：453－463.

［3］LIU Jing.The aircraft fuel estimation model based on flight data analysis ［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010 （in Chinese）. ［劉婧.基于飛行數(shù)據(jù)分析的飛機(jī)燃油估計(jì)模型 ［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.］

［4］QING Liyong.Research on airplane fault prognosis and diagnosis system based on flight data［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007 （in Chinese）.［卿立勇.基于飛行數(shù)據(jù)的飛機(jī)故障預(yù)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.］

［5］WANG Tianming.Research of flight safety model based on QAR ［D］.Tianjin：Civil Aviation University of China，2008（in Chinese）.［王天明.基于QAR 數(shù)據(jù)的飛行安全模型研究［D］.天津：中國民航大學(xué)，2008.］

［6］ZHOU Baizheng.Design and implementation of qar data processing system ［D］.Tianjin：Civil Aviation University of China，2009 （in Chinese）.［周百政.QAR 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［D］.天津：中國民航大學(xué)，2009.］

［7］CAO Yuru，ZHENG Jiming.Image compression and its completed based on toolbox of Matlab ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （12）：2998－3000 （in Chinese）.［曹玉茹，鄭戟明.基于Matlab的圖像壓縮實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30 （12）：2998－3000.］

［8］CHEN Jingjie，ZOU Yinghuan.Simulation for significant impact parameter extraction method in fuel consumption estimation［J］.Computer Simulation，2013，30 （6）：55－58 （in Chinese）.［陳靜杰，鄒迎歡.油耗預(yù)測(cè)中顯著影響參數(shù)提取方法的仿真 ［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2013，30 （6）：55－58.］

［9］WANG Yulin，GE Lei，LI Yanbin.New－style interface development tool： MATLAB／GUI ［J］.Radio Communication Technology，2008，34 （6）：50－52 （in Chinese）. ［王玉林，葛蕾，李艷斌.新型界面開發(fā)工具：MATLAB／GUI［J］.無線電通信技術(shù)，2008，34 （6）：50－52.］

［10］DOU Hongxia，YANG Hui，LIANG Lingjun.Realization of the QAR data warehouse based on SQL server［J］.Aviation Maintenance and Engineering，2013 （2）：64－67 （in Chinese）.［竇紅霞，楊慧，梁領(lǐng)軍.基于SQLServer的QAR 數(shù)據(jù)倉庫實(shí)現(xiàn) ［J］.航空維修與工程，2013 （2）：64－67.］