Research on Special Operation of Assignment Based on HUD Technology
罗凤娥 LUO Feng-e；周广杯 ZHOU Guang-bei；李鹏程 LI Peng-cheng；娄天宇 LOU Tian-yu
（中国民用航空飞行学院空中交通交通管理学院，广汉 618307）
（School of Air Traffic Management, China Civil Aviation Flight College，Guanghan 618307，China）
摘要：近年来，我国许多城市遭受雾霾低能见天气影响，对航班正常运行造成许多困扰，能见度低于运行标准，签派员不得不延误甚至取消航班放行。为此我国引进HUD（Head up display）平视指引系统，HUD是解决低能见运行的利器，它可以辅助飞机进近和着陆，降低了Ⅰ类机场的运行标准，帮助签派员在特殊运行条件下放行航班保障运行正常性。文章主要介绍了HUD的工作原理及使用优势,以及利用模糊数学相关理论，在使用HUD实施特殊批准II类运行时，对签派员进行特殊运行的放行评估决策进行初步研究。
Abstract: In recent years, many cities in China have been affected by fog and low visibility weather, which has caused many troubles to the normal operation of flights. Visibility is below the operating standard, and dispatchers have to delay or even cancel flights. Therefore, China has introduced HUD (Head up Display) head-up guidance system. HUD is a sharp tool to solve the problem of low visibility operation. It can assist aircraft approaching and landing, reduce the operating standards of Class I airport, and help dispatchers release flights under special operating conditions to ensure the normal operation. This paper mainly introduces the working principle and advantages of HUD. Based on the theory of fuzzy mathematics, this paper makes a preliminary study on the release evaluation decision of dispatchers for special operation when using HUD to implement special approval type II operation.Under the operation of this model, under the application of HUD technology.
关键词：平视显示器；层析分析；决策支持理论；特殊运行；放行评估
Key words: head-up display；tomographic analysis；decision support theory；special operation；release evaluation
中图分类号：V243.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0234-03
1 HUD系统和运行标准介绍
1.1 HUD系统（也称平视显示器系统）
平视显示器系统（HUD），该项技术创新起初应用于军工技术，后逐步引入民航领域。HUD可以把重要的飞行信息与驾驶舱现实世界视觉相互重叠，也是一种视觉补充显示仪器，在驾驶舱显示组件上投射出一些相关的飞行信息，驾驶员可以将视觉线索和飞行信息相结合，在飞行时只要需要保持目视正前方的驾驶姿态，就可以同时获得驾驶舱外部和飞机姿态等重要信息。HUD是由一块经过特殊处理的平视镜、头顶投影仪、计算机、显示面板组成。安装在驾驶舱中与飞机的仪表着陆系统接收机、飞行管理系统（FMS）、高度和速度表、飞行控制系统、机载防撞系统（TCAS）、风切变告警（GPWS）等系统相连[1]。
1.2 运行标准的分类介绍
飞机起降的标准分为三类：一类盲降、二类盲降、三类盲降。飞机起降的最高标准是三类盲降，即在目视条件趋近于零的条件下，完全依靠飞机仪表实现飞行起降，其中三类盲降又分为3a、3b、3c，三类盲降标准的划分是由国际民航组织统一规定的，全世界通用；二类盲降是指在跑道视距不小于400m的条件下或跑道视程不小于350m，以高的进场成功概率，能将飞机引导至30m的决断高（内指点标上空）[2]。一类盲降是在跑道视距不小于800m的调价下或跑道视程不小于550m，以高的进场成功概率，能将飞机引导至60m的决断高（中指点标上空）。
以CATⅠ为例，系统可以将飞机引导至距离跑道高60m处，如果飞行员能够看清跑道则可以着陆，若驾驶员不能准确地找到跑道，必须选择复飞。CATⅢC类无决断高和跑道视程的限制，即可以完全依靠飞机的仪表系统引导飞机着陆，不需要驾驶员人为决断。目前国际民航组织还没有批准CATⅢC类运行。分类具体如表1所示。
2 HUD的运行原理以及使用优势
HUD实际上是一种机载电子光学显示设备，在驾驶舱前方视野范围内，将各种飞行符号显示在风挡玻璃或者外置的镜片上[3]。它从机载导航系统或飞行指引系统接受输入信号。HUD 使用显示组件通过飞机风挡玻璃以光学方式将显示的飞行符号和飞行员的视野结合在一起，把各种符合，如：飞行轨迹、状态参数、人工地平线叠加在飞机的前方外部环境上。它包括五个航线可更换组件（LRU）分别是计算机、控制面板（HCP）、头顶组件（OHU）、组合器信号牌面板，其安装结构如图1所示。
2.1 HUD的运行原理
2.1.1 数据来源
HUD[4]虽然是一个比较新颖的机载电子光学系统，可以将飞行需要的数据处理整合到驾驶舱正前方视野上，但是HUD的数据来源并不是独立系统支撑提供，它的数据是与飞机的其他仪表系统数据相连，也就是将其他仪表数据导入到HUD系统，经过其HUD系统的独特数据处理后，这些信号数据处理的更加图形符号化，并以其独特的显示方式投影到驾驶舱正前方视野上，以便参考。
2.1.2 HUD成像技术
HUD数据处理系统将机载其他各个系统的数据集合处理，并以图形符号的形式投影到HUD组合器上。它将重要的飞行数据信息与现实世界相互叠加，形成投影模拟机的视觉效果。HUD系统显示组件位于座舱前端，投射高度一般和驾驶视角保持水平高度，文字信息和影像数据在焦距无限远处，驾驶员在驾驶飞机的时候保持目视前方，即可在前方视野范围内获得飞行的各种数据信息。
2.2 HUD使用优势
飞行任务中依靠HUD设备的不同工作模式，可以实施Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ 类精密进近、非精密仪表进近和目视进近[5]。例如，在着陆阶段，HUD能够提供下滑引导，正常Ⅰ类ILS下滑信号在140ft以下不在稳定，HUD将接收ILS信号，不断修正ILS信号，利用专用的HGS计算机进行信号偏差相互比较，并将处理分析之后的信息图形化投射于显示系统，与机舱视野匹配，根据下降过程中前一段的下滑轨迹计算一条虚拟下滑道，投射在HUD显示组件上并指引飞机按下滑道飞行。即使是在低能见度天气条件下，依然可以通过HUD补充信息确定航向引导、对准跑道并准确的完成着陆一系列程序。
经民航局的特殊批准，HUD系统实施下可以在标准I类的进近跑道上实施II类甚至III类精密进近[6]。我国大多数机场只有I类仪表着陆系统，一旦出现低能见情况，签派员只能从气象情报部门了解低能见的预计好转时刻，根据气象部门的预测相应推迟航班放行时间。HUD实施后签派员可以根据低能见特殊运行规定，降低最低运行标准，进行特殊I类及II类运行程序，并与低能见度运行程序相结合，保证航班正常放行。在低能见情况下，保障了航班的正常性，以及后续航班运行稳定性，同时也是保证航空公司运行效益的一大利器。
3 HUD特殊运行的放行评估
3.1 建立评估指标
在对低能见天气导致航班延误、备降甚至航班取消等大量案例分析的基础之上，咨询经验丰富的放行签派员，结合放行评估程序，确定了低能见天气HUD运行下影响航班放行的评估指标及辅助指标，建立了HUD下的低能见天气放行评估体系[7]。将评估体系中的指标分为放行指标与辅助指标，其中放行指标为能见度、特殊运行标准、机场设施；辅助指标为机载设备、机组因素、单发飞行。
3.2 确定指标权重
在确定评估指标体系后，建立低能见天气评估指标层次[8][9]。采用层次分析法确定各指标权重，其中 HUD实施下的放行评估集合为A={B1，B2}，设B1为放行指标，B2为辅助指标；放行指标集合为B1={c11，c12，c13}，其中c11为能见度、c12为特殊运行标准、c13为机场设施；辅助指标集合为B2={c21，c22，c23}，c21为机载设备，c22为机组因素，c23为单发飞行。
借助 matlab 数值分析软件，对评判矩阵进行求解[10]。计算结果如表2所示。
3.3 决策支持模型理论
设集合U={u1，u2，u3…，un}为n种指标，集合v为m种评判，即V={v1，v2，v3…，vm}，设模糊集■={b1，b2…bn}∈j（v），其中bj（j=1，2…m）即vj对模糊集■的隶属度：即■（vj）=bj。
单因素评判■， ■■即■，■可由模糊矩阵■表示，■，即为单因素评判
矩阵。
二级综合评判W·B
将因素集U={u1，u2…un}分为若干组U={u1，u2…uk}，使得■，■，称U={u1，u2…uk}为第一级因素集。设对第二级因素集的ni个因素进行单因素评判，即建立模糊映射得到评判矩阵■
设■的权重■
求得综合评判■
对第一级因素集U={u1，u2…uk}作综合评判U={u1，u2…uk}，设的权重W={a1，a2…ak}，进行模糊算子计算，得出综合评判矩阵
■
3.4 实例分析
山东航空sc1177航班执飞济南-重庆，在即将起飞前济南遥墙机场出现大雾天气情况，能见度迅速降低，最低能见度标准低于RVR100m，这一标准远低于民航规章正常运行标准。按照正常运行程序，此时签派员需进行发布延误信息，如果情况持续恶化甚至会取消该航班。当日上午10:00分，天气出现变好趋势，能见度逐渐升至RVR200m，山航签派员经过HUD技术应用下的特殊运行分析，决定SC1177航班执行HUD下的RVR200m特殊运行程序，最终该航班在济南遥墙机场安全起飞，保障了公司后续运行的正常性。
在公司调研期间，收集取10位高级签派员、机长对所建立的指标进行隶属度调查评估，其详细数据结果如表3所示。
构建隶属度矩阵：
■
同时对辅助指标隶属度进行调查，结果显示如表4。
构建隶属度矩阵：
■
然后进行一级综合评判，
■
对辅助指标进行评判
■
二级综合评判：
令单因素评判矩阵为：
■
指标权重：■
二级评判得：
■
对于评语数量化为■
■
经过与高级签派员和资深机长沟通，确定风险值低于30%时，签派放行更具有安全性，不用重新评估或者取消计划，通过该模型计算，风险值D=1-0.7475=0.2525，得知在HUD系统的支撑下该运行环境条件下，确定签派员放行的风险值为25%低于30%，可知本次放行不存在高风险运行结果。同时也说明该模型对于签派员低能见或者低于普通运行标准的放行评估提供了理论支持性，能够做到辅助签派员进行特殊运行时的决策处置。
4 文章总结
文章介绍了民航盲降标准的分类，并介绍了HUD系统作为一种辅助机载电子光学装置，其工作原理和使用优势，同时介绍了在低能见情况下，航空公司在HUD技术支持下实施特殊运行过程中，对签派员的放行评估进行初步研究。利用模糊数学相关理论，提供了一种决策支持方法，通过该模型的计算处理，对于低能见HUD系统的放行评估有一定的参考意义，同时表明HUD技术应用下，提高了航空公司运行效率，科技促进发展。
参考文献：
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[2]罗皓明.使用HUD实施特殊批准Ⅱ类运行机场评估方法的初步研究[J].科技资讯，2018（16）：1-2，4.
[3]向小军，高升.使用HUD实施特殊Ⅱ类运行的研究[D].中国民用航空飞行学院，2015.
[4]Rockwell Collins.平视引导系统（HGS）运行优势.
[5]中国民用航空局.平时显示器应用于发展路线图[Z].
[6]中国民用航局飞标司.使用平视显示器实施Ⅱ类或低于标准Ⅰ类运行的评估和批准程序[Z].
[7]周涛.民航签派放行主要环节的风险控制[J].科技经济导刊，2019（01）：244-245.
[8]周永正.数学建模[M].上海：同济大学出版社，2010：165.
[9]李大利.航空公司签派放行风险评估研究[D].中国民用航空飞行学院，2015.
[10]吕跃进.基于模糊一直矩阵的模糊层次分析法的排序[J].模糊系统与数学，2001，22（04）：40-41. |
