一种商用飞机飞行场景演示系统及分析方法

摘要

本发明提供了一种商用飞机飞行场景演示系统及分析方法。能够实现飞行场景结构化要素的导入和导出、飞机系统状态及飞行参数的设置和图形化演示、基于时间轴机载系统功能/动作演示、场景与系统设计需求的追溯性管理四大功能，提供虚拟驾驶舱模块、飞行信息模块、视景模块、场景演示模块和场景设置模块，实现不同飞行场景分析的可视化程度，便于设计人员熟悉预期的运行环境和场景，从而更好地进行飞机概念设计和初步设计阶段的需求确认活动。

说明书

技术领域

本发明涉及航空工程分析技术领域，特别涉及一种商用飞机飞行场景演示系统及分析方法。

背景技术

场景分析是一种常用的需求捕获的技术，是指把要开发的产品置于其运营的场景中，通过分析其在场景中的预期行为,从而获得需求的方法。

场景分析是一种创造性思维。通过这种方法,可以降低系统中重要的需求被忽视的可能性,同时开发场景的活动能够促进组织机构内部之间的沟通。飞行场景是指飞机在机组(飞行员和乘务组)、外部环境(大气、无线电、地形、电磁等)以及内部状态(工作模式及故障)的组合中的预期行为(即功能)。

所谓功能是指产品的预期行为，该行为是由一系列的需求定义的，并且与具体的实现过程无关。功能是进行场景分析的主体。需求是产品必须满足的性能或者设计约束的描述，必须是可验证的，且需要经过确认,以保证捕获的需求是正确的和完整的。功能场景分析的过程，即分析功能在场景中的预期行为，从而进行需求的捕获和确认。那如何开发和确定这些场景,则是功能场景分析方法的重要基础。

飞机的运营环境、操作、飞机产品本身都异常复杂。飞行场景开发的目的是为了捕获并确认需求,为了保证所捕获得到的需求的完整性,那么需要飞行场景尽量的完整，能够覆盖到所有可能的场景。因此，本发明提出飞行场景的维度，建立飞行场景多维矩阵，以尽可能的保证场景的完整性。

本发明基于商用飞机飞行运行场景，通过虚拟驾驶舱模块、飞行信息模块、视景模块、场景演示模块和场景设置模块，实现了基于飞行场景五个维度(时间维度、环境维度、状态维度、任务维度和干系人维度)考虑的直观显示。同时，通过对于上述模块对应界面上的各类选项进行定向性的选择，最终实现基于飞机飞行运行场景下的目标运行状态的各维度相关联的可视化展示，以达到帮助设计人员熟悉预期的运行环境和场景，从而更好地进行飞机概念设计和初步设计阶段的需求确认活动的目标。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种商用飞机飞行场景演示系统及分析方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种商用飞机飞行场景演示系统，包括虚拟驾驶舱模块、视景模块、飞行信息模块、场景演示模块、场景设置模块；

所述虚拟驾驶舱模块为操作者提供飞机航空电子任务系统的信息；

所述视景模块包括舱外视景和驾驶舱内视景；

所述舱外视景展示的信息包括飞机的整体机体、地形和天空；

所述驾驶舱内视景模拟展示飞行员在驾驶舱中的视角；

所述飞行信息模块通过导入相关的工程文件以展示飞机飞行状态和飞机飞行任务；

所述场景演示模块设置有不同的飞机运行场景并供操作者选择；

所述场景设置模块可以设置的内容包括飞行阶段、环境设置、基本状态、系统状态和任务场景；

所述商用飞机飞行场景演示系统通过所述虚拟驾驶舱模块、所述视景模块、所述飞行信息模块、所述场景演示模块和所述场景设置模块中的各类选项进行定向性的选择，对基于飞机飞行运行场景下的目标运行状态的各个维度进行相关联的可视化展示，帮助设计人员熟悉预期的运行环境和场景，进行飞机概念设计和初步设计阶段的需求确认活动的目标。

优选地，所述虚拟驾驶舱模块包括辅助面板、飞机电子集中监视系统和电子飞行仪表系统；

其中，

所述辅助面板设置有数字时钟；所述数字时钟显示信息包括当地时间、24小时显示协调世界时和已飞行时间；

所述飞机电子集中监视系统检测并显示发动机参数和飞机系统状态，并发动机参数和飞机系统状态发生异常时报警；

所述电子飞行仪表系统显示的信息包括姿态、高度、空速、马赫数、LOC/GS偏差和磁航向。

优选地，所述飞行阶段包括静立、推出、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、滑入和停机。

优选地，所述环境设置可设置的信息包括起飞机场、目标机场、机场跑道、气象活跃程度和气象范围。

一种商用飞机飞行场景分析方法，其特征在于，使用一种商用飞机飞行场景演示系统。

包括步骤如下，

S1：导入工程配置文件；

S2：检查虚拟驾驶舱模块数据显示状态；

S3：检查飞行信息模块数据显示状态；

S4：调整视景模块；

S5：设定场景演示模块；

S6：设定场景设置模块；

S7：在菜单栏中开始或暂停场景，或按需导出场景。

优选地，所述S4步骤包括，

S4.1：根据飞行阶段和目标需要调整舱外视景；

S4.2：根据飞行场景和任务需要调整驾驶舱视景。

优选地，所述S5步骤包括，

S5.1：按需选择飞行运行场景；

S5.2：检查场景演示模块人员、关键系统和环境显示状态。

优选地，所述S6步骤包括，

S6.1：定义飞行阶段，选择任一供选择飞行阶段之一；

S6.2：环境设置，定义起飞机场和目的机场以及对应机场信息以及飞机周围气象状态；

S6.3：定义基本状态，选择飞机襟翼缝翼位置，起落架位置，配平，油量和重心位置；

S6.4：定义系统状态，按照ATA章节划分飞机系统，查阅此时刻的飞机状态或按需设定系统故障；

S6.5：检查任务场景，按需选择利益攸关方，查阅对应此时刻下该利益攸关方的任务。

本发明基于商用飞机飞行运行场景，通过虚拟驾驶舱模块、飞行信息模块、视景模块、场景演示模块和场景设置模块，实现了基于飞行场景五个维度(时间维度、环境维度、状态维度、任务维度和干系人维度)考虑的直观显示。同时，通过对于上述模块对应界面上的各类选项进行定向性的选择，最终实现基于飞机飞行运行场景下的目标运行状态的各维度相关联的可视化展示，以达到帮助设计人员熟悉预期的运行环境和场景，从而更好地进行飞机概念设计和初步设计阶段的需求确认活动的目标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为演示系统的整体界面图；

图2为菜单栏；

图3为虚拟驾驶舱模块界面图；

图4为飞行信息模块界面图图；

图5为视景模块界面图；

图6为场景演示模块界面图；

图7为场景设置模块中的环境设置界面图；

图8为场景设置模块中的飞行阶段界面图；

图9为场景设置模块中的基本状态界面图；

图10为场景设置模块中的系统状态界面图；

图11为场景设置模块中的任务场景界面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

在一种具体的实施例中，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，一种商用飞机飞行场景分析方法，使用一种商用飞机飞行场景演示系统。

所述演示系统包括包括虚拟驾驶舱模块、视景模块、飞行信息模块、场景演示模块、场景设置模块；

虚拟驾驶舱模块：为操作者提供飞机航空电子任务系统的信息，使操作者能及时获得关于飞机内部和飞机外界环境的各种信息。

本发明中构建的虚拟驾驶舱模块主要包含如下系统：

辅助面板Auxiliary Panel：

辅助面板为每位驾驶员提供一个数字时钟。时钟主要显示当地时间、24小时显示协调世界时(UTC)和已飞行时间。时钟通常与GPS时间同步，在无GPS信号输入的情况下，时钟系统接收飞行管理系统的时间。

飞机电子集中监视系统ECAM：

飞机电子集中监视系统提供发动机参数显示、机组告警功能(包括中央警告功能)及飞机系统状态显示。

当发动机或其它飞机系统出现不安全情况或处于不安全状态时，以视觉方式向驾驶员发出告警信号，以引起驾驶员注意，从而采取相应的措施，保证飞机飞行安全。

电子飞行仪表系统EFIS：

电子飞行仪表系统包括主仪表板外侧的两个显示器为主飞行显示器(PFD)，主仪表板内侧的两个显示器和中央操纵台上的显示器为多功能显示器(MFD)。系统的主要功能是为驾驶员提供姿态、高度、空速、马赫数、LOC/GS偏差、磁航向等信息。

视景模块：

视景模块包括舱外视景(第三视角)和驾驶舱内视景(第一视角)。

舱外视景展示整体的飞机机体、地形、天空等信息。舱外视景以飞机机体为轴心，实现三维方向上的视景转动调整。

机体模型是动态模型，可以实现操作舵面的偏转和移动，包括襟翼、缝翼、副翼、扰流板、升降舵、水平安定面、起落架等。

地形和天空是静态模型，地形以WGS-84坐标系开发，按照真实地形显示山川河流、城市乡村以及各类建筑物，天空主要显示气象信息，包括云、雾、雪、雨、霾等。运用多层天空模型对环境光源进行模拟，呈现出不同大气条件下的光照效果，还可以模拟昼间、夜间及不同条件下的外景。

驾驶舱内视景显示以飞行员座位为轴心的第一人称视角，模拟飞行员在驾驶舱种的视角。包括驾驶舱内的中控台，仪表板，顶板等，以及从模拟驾驶舱看到的窗外景色。同样，此视角支持三维方向上的视景转动调整。

飞行信息模块：

飞行信息模块通过导入的工程文件，识别各类数据。此模块通过垂直飞行剖面图展示飞机的飞行阶段和飞行状态。飞行剖面图作为制定飞行计划的依据，用于计算完成具体航线任务需要的时间、燃油消耗量和备用油量。以起飞机场为原点，纵坐标为飞行高度，横坐标为飞行距离。飞行剖面图标出飞行任务和备用油计算两部分。飞行任务包括：滑出、起飞并加速、爬升、巡航、下降、进场着陆、滑入等几个阶段，具体航线对各段有明确的速度、高度或时间(滑出、滑入时间)规定；备用油计算部分包括备降油、应急油和等待油。

同时，在垂直飞行剖面图上展示关键节点(时间和空间)。从空间来说，剖面图展示整个航线上所有航路点的位置；从时间上说，按照飞行管理系统FMS计算的下降顶点、进近激活建议点的位置显示在垂直剖面图上。

整个飞行信息模块通过导入的工程文件识别每一个飞行任务，飞行任务也可以通过时间进度条进行拖动查阅。

场景演示模块：

场景演示模块通过提供多种运行场景的选择，展开显示该运行场景下的利益攸关方的任务行为，该运行场景下的关键系统工作状态，外部环境状态。结合飞行信息模块的时间轴，在此场景演示模块同样围绕此时间轴展开利益攸关方、系统工作状态和外部环境状态的信息显示。

人员(利益攸关方)包含飞行机组、乘务组和空中交通管制ATC。人员的任务行为均通过指定机型或运行标准的标准操作程序和应急处置程序来定义。

关键系统指的是指定运行场景下的飞机关键系统，关键系统的工作状态以场景设置状态和导入的工程文件中所定义的状态为准。

外部环境状态内容包含风、温度和机场。风定义为飞机周围的风向和风速，温度为飞机外界空气温度OAT，机场则聚焦于起飞和着陆阶段，定义为起飞机场和着陆机场。

场景设置模块：

此处场景设置考虑五个维度，即时间维度、环境维度、状态维度、任务维度和干系人维度。

时间维度：飞机所处的运营阶段，包括地面阶段、地面滑跑、起飞、爬升、巡航、进近、着陆等。通过飞机状态和外部环境定义飞机的运营或维护阶段。

环境设置：飞机运营所在地的宏观气候、微观的天气、重力场、电磁环境、跑道的长度、跑道所在位置的海拔高度、风沙、空气含盐量等。在本实施例中定义环境包括起始机场、目的地机场、起飞跑道、着陆跑道、跑道状况(干、湿、污染)、跑道等级、道面宽度、跑道长度、跑道材质等。另外可定义气象情况，包括气象活跃程度(低中高)和气象范围(10海里-320海里)。

状态维度：飞机的正常构型状态，如襟缝翼、起落架、水平安定面、液压系统等；系统的不同模式，如正常模式、备用模式和直接模式；失效状态，如单发失效、双发失效、舵面卡阻、单套液压系统失效等；在本发明中通过考虑状态维度实现系统状态的定义。使用ATA章节排列飞机系统，基于ATA章节选择飞机系统，从而观看或者设定飞机系统状态，包括正常状态和故障状态。

任务维度：包括正常的航线运营、飞行试验、维修等不同场景。在此发明中按照不同利益攸关方的日常正常操作程序设定场景。主体按照飞行员标准操作程序SOP中的时间节点和场景划分，包括飞行前准备、外部安全检查、驾驶舱预准备、燃油加注、驾驶舱准备、推出/启动前、发动机启动、滑行、起飞、爬升、巡航、下降准备、下降、进近、着陆、复飞等

干系人维度：即从干系人的角度考虑场景，例如飞行员的正常航线飞行场景、乘务员与乘客的应急撤离场景、乘务员的厨房操作场景、乘客的盥洗室操作场景、航前维护场景等。在此发明中，围绕任务维度，开展干系人(利益攸关方)维度定义。包括飞行员、乘务组、ATC、AOC和机务。

所述分析方法包括步骤如下，

S1：导入工程配置文件；

S2：检查虚拟驾驶舱模块数据显示状态；

S3：检查飞行信息模块数据显示状态；

S4：调整视景模块；

S4.1：根据飞行阶段和目标需要调整舱外视景；

S4.2：根据飞行场景和任务需要调整驾驶舱视景。

S5：设定场景演示模块；

S5.1：按需选择飞行运行场景；

S5.2：检查场景演示模块人员、关键系统和环境显示状态。

S6：设定场景设置模块；

S6.1：定义飞行阶段，选择任一供选择飞行阶段之一；

S6.2：环境设置，定义起飞机场和目的机场以及对应机场信息以及飞机周围气象状态；

S6.3：定义基本状态，选择飞机襟翼缝翼位置，起落架位置，配平，油量和重心位置；

S6.4：定义系统状态，按照ATA章节划分飞机系统，查阅此时刻的飞机状态或按需设定系统故障；

S6.5：检查任务场景，按需选择利益攸关方，查阅对应此时刻下该利益攸关方的任务。

S7：在菜单栏中开始或暂停场景，或按需导出场景。

下面对本分析方法进行详细描述。

如图2所示，通过外部工程配置文件，将飞行数据上传至飞行场景系统。虚拟驾驶舱模块、飞行信息模块、视景模块、场景演示模块和场景设置模块根据工程配置文件读取相应所需数据。

根据所导入的工程配置文件(即飞行数据)，开展下一步其他模块的配置操作。

检查虚拟驾驶舱模块数据显示状态：

如图3所示，根据所导入的外部工程配置文件(飞行数据)，检查虚拟驾驶舱模块相应数据。在驾驶舱人机交互面板上检查相应信息是否有显示。包括：辅助面板AuxiliaryPanel、飞行航班号、甚高频VHFL频率、飞机尾流等级、应答机编号、UTC时间、日期、当地时间、预计到达时间、静温、总温、客舱高度、客舱高度升降率、内外压差、着陆标高、舱内温度、机组氧气含量、主飞行显示PFD、空速、滚转角、俯仰角、气压高度、垂直速度、气压值、地速、真空速、风速、风向、导航台频率、导航台距离、飞机方位、飞机航向、多功能飞行显示MFD、地速、真空速、风速、风向、导航台频率、导航台距离、飞机方位、飞机航向、气象情况、其他飞机方位、垂直显示、飞机电子集中监视系统ECAM、发动机N1、发动机排气温度EGT、发动机N2、燃油流量、滑油温度、滑油压力、N1振动值、N2振动值、起落架位置、襟缝翼位置、扰流板状态、燃油量、配平位置、方向舵偏转位置、告警信息和咨询信息。

检查飞行信息模块数据显示状态：

飞行信息模块通过导入的工程文件，识别各类数据。此模块通过垂直飞行剖面展示飞机飞行阶段和飞行状态。

如图4所示，导入工程文件后，飞行信息模块识别该工程文件。显示垂直飞行剖面，以起飞机场为原点，纵坐标为飞行高度，横坐标为飞行距离。

在以飞行距离为横坐标的横轴上，11个飞行阶段(包括：滑出、起飞并加速、爬升、巡航、下降、进场着陆、滑入等几个阶段)按工程文件中数据的实际发生情况显示。

垂直剖面上显示飞行计划中的所有航路点，以及飞行管理系统计算出的下降顶点、进近激活点等。

整体模块以时间轴定义，即从第一时刻到末了时刻，此时间进度条可以拖动，与横坐标飞行距离相关联。

调整视景模块：

根据导入的工程配置文件(飞行数据)，视景模块识别飞机所处的环境，从而显示舱外视景和驾驶舱内视景。

如图5所示，根据导入工程配置文件所默认的T0时刻，显示对应视景。舱外视景包括飞机机体、天空和地形。飞机机体模型的起落架、襟翼缝翼、扰流板、副翼、水平安定面和方向舵位置与虚拟驾驶舱模块中ECAM所显示的数据一致；天空中的气象视景，尤其是云雨雾霾雪应与MFD中气象雷达数据一致。地形显示山川河流、城市乡村以及各类建筑物，假定T0时刻是飞机静止阶段，那么舱外地形视景则显示机场地形，包括廊桥、候机楼、机位信号牌、滑行道、跑道、各类信号灯以及其他飞机等。操作者按需以飞机机体为轴心，在三维方向上调整视角。

驾驶舱内视景显示以飞行员座位为轴心的第一人称视角，从舱内透过驾驶舱窗往外所看到的地形信息和天气信息应与舱外视角所看到的信息一致。驾驶舱内视景还包括驾驶舱内仪表显示，因此上述仪表显示状态应与虚拟驾驶舱模块信息一致。操作者按需以驾驶座为轴心，在三维方向上调整视角。

设定场景演示模块：

如图6所示，操作者按需选择运行场景，包括RNAV APP、RNP AR、RVSM、ETOPS、CATI、CAT II等日常运行场景和特殊运行场景。

RNAV APP，区域导航进近，是一种依靠卫星或地面导航台导航至最终进近定位点的进近方式。在此运行场景下，关键系统包括了飞控系统、飞行管理系统、发动机系统、导航系统和燃油系统。系统状态根据导入的工程配置文件中定义的状态显示，同时也可以通过场景设置模块中的系统状态进行实时修改定义。在此RNAV APP场景中，关键人员是飞行机组和空中交通管制ATC，关键人员的重要节点行为在以时间为横轴的矩阵中展示。此时间轴与飞行信息模块的时间轴一致。围绕时间轴，显示环境信息，包括环境风、外界温度和机场信息。

设定场景设置模块：

场景设定模块的设定内容包括飞行阶段、环境设置、基本状态、系统状态和任务场景。

如图8所示，飞行阶段设定提供了11个飞行任务，分别是：静立、推出、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、滑入和停机。

此飞行任务与飞行信息模块中的横轴(飞行距离)和时间轴相关联，选择任一飞行阶段，飞机参数更新至该飞行阶段T0时刻的状态。

环境设置提供了机场信息设定和气象环境设定。

如图7所示，机场信息包括起飞机场和目的机场，机场名称以CAAC定义的机场代号显示，ZSSS为上海虹桥机场，ZBAA为北京国际机场。跑道信息按照该机场具备的真实跑道定义，如ZSSS上海虹桥机场，该机场共有两条跑道，因此跑道号分别为18L、18R、36L和36R。选择具体某一条跑道，还提供该跑道详细信息的显示，包括：跑道等级、道面宽度、跑道长度和道面材质。

道面情况根据雨雪天气的污染不同，也可定义，分别为干、湿和污染。

干跑道：飞机起降需用距离和宽度范围内的表面上没有污染物或可见的潮湿条件跑道。

湿跑道：当跑到表面覆盖有厚度等于或小于3毫米(0.118英寸)的水，或者当量厚度等于或小于3毫米(0.118英寸)深的积水，或者被当量厚度超过3毫米(0.118英寸)水深的融雪、湿雪、干雪，或者压紧的雪和冰(包括湿冰)等污染物污染的跑道。

气象云团状态根据工程配置文件中的定义呈现，同时也提供低中高三种剧烈程度的自定义选择，同时搭配气祥云团范围从10海里-320海里的大小选择。形状随机生成，通过拖动，设定在所需要的地理位置。

基本状态设定如图9所示，提供飞机基础信息的自定义。包括襟翼缝翼位置，以空客A320和国产大飞机C919为例，襟缝翼位置一共有五档，分别为光洁形态(0)、形态1(1)、形态2(2)、形态3(3)和形态全(全)。起落架位置有UP和DN两种选择，分别对应起落架收上和放下两个状态。水平安定面提供具体数值的定义，范围为UP2.5-DN2.5。此参数的不合理定义会引起飞机俯仰方向上的不平衡。重心位置提供具体数值的定义，范围为17-40。重心位置与飞机载重平衡和油量直接相关。轮挡油量指的是飞机在地面加油时加注油量。基本状态参数由初始工程文件定义，操作者按需自定义。

系统状态定义如图10所示，系统状态以ATA系统章节划分，直观显示飞机实时的系统状态，以ATA-28FUEL燃油系统为例，此时左右油箱油量为2300KG，中央油箱油量5400KG；左中右燃油泵共6个，状态正常；交输供油阀门状态为关闭。围绕系统设备的特点，系统状态定义提供故障状态的设定，例如油箱泄露、燃油泵故障和阀门故障。此系统状态与虚拟驾驶舱模块和视景模块状态关联。

任务场景定义如图11所示，任务场景指的是不同利益攸关方在上述所有定义的场景中的任务或行为。提供5种利益攸关方选择，分别为飞行员、乘务组、空中交通管制ATC、机务、航空运行控制中心AOC。

根据利益攸关方的标准操作程序或应急处置程序中划分的时间定义阶段。以飞行员为例，在标准操作程序SOP中定义了如下阶段：飞行前准备、外部安全检查、驾驶舱预准备、燃油加注、驾驶舱准备、推出/启动前、发动机启动、滑行、起飞、爬升、巡航、下降准备、下降、进近、着陆和复飞。

根据其他模块所选的时间点，显示在该时刻下的飞行员的操作(任务)。

同样提供选择飞行员的操作任务，从而反向定义时间，其他模块的相应状态和参数按照时间变化更新数据。

在菜单栏中开始或暂停场景，或按需导出场景：

在上述五个模块定义完成后，按需开始或暂停场景运行。由于模块中存在自定义选项，加入新的变量，因此导入后的工程文件中的数据发生变化，可以导出变化后的场景。

本实施例通过所述虚拟驾驶舱模块、所述视景模块、所述飞行信息模块、所述场景演示模块和所述场景设置模块中的各类选项进行定向性的选择，对基于飞机飞行运行场景下的目标运行状态的各个维度进行相关联的可视化展示，帮助设计人员熟悉预期的运行环境和场景，进行飞机概念设计和初步设计阶段的需求确认活动的目标。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。