| 标题 | 基于带延迟的多通道多优先级控制命令的语音告警方法 |
| 范文 | 米耘锋 刘文学 李文军 摘要：针对机载航电语音告警系统的控制命令通道常采用多通道互为备份，在共同决策时易于因延迟出现漏报警和误报警的问题。本文提出一种方法，在多通道带延迟而导致控制命令潜在冲突时，可实现共同决策，避免漏告警和误报警。进一步的，可在多优先级告警类型较多而导致单个控制命令无法描述所有告警状态的情况下，简化该复杂问题，使其可以进行统一的搜索和处理，并减少搜索时间，提高响应速度。 关键词：航电系统；多通道；多优先级；延迟；语音告警 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）11-0214-04 随着民用航空的高速发展，越来越多的电子系统出现在飞机上，它们从彼此独立工作到现如今，系统间具有复杂的相互作用，这些系统对于飞机的安全运行是必不可少的[1]。 近年来，随着中国低空空域的逐渐开放，使通用航空也将进入快速发展期，通用飞机分立式座舱向综合化座舱系统转化也已成为发展趋势，为了避免可能引起灾难性、危险性、严重性的功能失效，需要采取容错技术将故障的概率降低到符合相应的可靠性等级要求[2]。 民用飞机及其航电系统高安全性的要求，使得许多航电系统之间或系统内设备之间进行连接时会保证物理线路的冗余，以确保当一路通道因某种干扰异常工作时，其他通道仍能工作以确保安全。但是，由于实际线路传输中往往因各种干扰的存在导致无法避免的控制命令延迟问题，文献[3]研究了数字通道传输延迟和一种数字通道传输延迟时间的测量方法。 文献[4]指出告警系统主要用于唤起飞行员注意；说明事件性质；指导飞行员采取正确行动。同时，告警级别的定义要根据功能危害分析中相应功能丧失的危害来设定，在不影响飞行，干扰飞行员操纵的情况下，要尽可能采取多感官的告警形式。 文献[5]指出座舱告警系统应能够对飞机各系统自动监控，并在必要时向飞行员提供有关信息。视觉告警盒听觉告警应考虑“人机工效”的特点，并且应确定告警信息等级和优先级。 文献[6]指出集中告警的工作原理是由计算机采集飞机上发动机、自动飞行控制、灭火、燃油、电源、液压、环境控制、起落架控制、舱门控制等各子系统的告警信号，并由其对采集到的各告警信号按优先级排序进行逻辑判断、控制处理后，将告警信息以特定的形式输出。 文献[7]指出了一种具体的紫外告警设备误告警问题的原因分析并展望了相应的解决方法。期望减少或消除误告警现象，提高飞机在空中作业的安全性。 1 问题描述 当前航电系统为提高安全性、可靠性，航电系统之间或系统内设备之间进行连接时会保证物理线路的冗余。 1.1 告警系统架构 基于之前的工作，本文描述的方法针对的问题为航电告警系统中，由视觉告警系统将控制命令发送给听觉告警系统，并由听觉告警系统进一步进行语音或语调告警的告警系统，其中，由视觉告警系统向听觉告警系统发送控制命令时，为确保安全性，采用多路独立的物理通道作为互相备份。以三通道为例的多通道告警系統架构如图1所示。 1.2 控制命令冲突原因分析 当多条通道的控制命令存在延迟时，将易于产生命令冲突，延迟图如图2所示。 通过图2进行分析，可得出有两种情况可能出现控制命令冲突问题。第一种情况，当发送速度快的通道1（本文中将发送速度快的通道定义为通道1，因延迟而发送速度慢的通道定义为通道2，…，因延迟而发送速度最慢的通道定义为通道N）开始发送，而发送速度慢的通道2尚未开始时（从通道1发送控制命令起，记150ms以内），第二种情况为通道1发送控制命令终止时，而通道2发送控制命令尚未终止时（从通道1发送控制命令终止时，记150ms以内），在这两个时段控制命令产生冲突，执行系统易于采集到不一致的控制命令，可能会造成执行系统的异常。 1.3 多优先级语音告警问题分析 座舱告警系统通常需要汇集机上多种告警信息并通过视觉告警或听觉告警的方式提醒飞行员做出相应的规定动作，以上信息往往无法通过单个控制命令完整表达，当带延迟的多通道多优先级告警命令由视觉告警系统向听觉告警系统发送控制命令时，听觉告警系统可能因无法掌握全部报警信息，而导致执行报警优先级顺序的异常。 1.4 当前解决方法 告警方法一：通过视觉告警系统向听觉系统发送命令，首先发送哪个通道当前有效的命令，并保证始终只有一个通道有效，之后发送告警命令；听觉告警系统首先确认当前有效通道，之后在唯一有效的通道中执行告警命令的解析及语音告警。该方法的缺点：1、虽然有多通道，一次只确认唯一通道有效，从安全性的角度考虑，实质上并没有发挥到多个通道互相备份的安全性作用；2、增加了上一级视觉系统的设计复杂性，每次需额外指定当前唯一有效通道，当有效通道出现异常，若不能及时检测出，将造成漏报警的严重后果；3、由于每次需要额外指定当前唯一有效通道，该命令持续产生和处理所固定占有的通道资源及处理资源导致了系统响应速度的降低。 告警方法二：听觉告警系统基于多通道的共同决策，同时采集多个通道的告警命令，同时基于全部为逻辑0时，听觉告警认为是逻辑0，全部通道是逻辑1时，听觉告警认为是逻辑1，当识别全部逻辑0，以及再次识别全部逻辑1之后，触发语音告警；当识别全部逻辑1，以及再次识别全部逻辑0之后，结束告警。该方法的缺点：多通道之间通常会存在延迟，当延迟大于人反应时间时，基于以上方法会产生实际的与延迟时间相关的漏报问题，该问题可能引起严重后果。另外，该方法在延迟时间内还易出现二次告警的问题。 2 本文方法 2.1 方法描述 本文提出的基于带延迟的多通道多优先级控制命令的语音告警方法，定义逻辑1为告警，逻辑0为不告警；依照语音告警命令的优先级高低，依次定义为1级告警、2级告警，……，m级告警。 为便于说明，以3通道、每个通道之间延迟150ms、有5种不同优先级的告警命令为例，依照语音告警命令的优先级从高到低，依次定义为1级告警、2级告警，……，5级告警；假设每个通道接收的有效数据中，1级告警命令在该有效数据的第5位，2级告警命令在该有效数据的第1位，3级告警在该有效数据的第2位，4级告警在该有效数据的第3位，5级告警在该有效数据的第4位。包括以下步骤： 步骤1：系统初始化，包括系统语音配置初始化、3个接收通道的通信配置初始化、一维告警命令数组M[5]初始化； 步骤2：对发送通道和接收通道编号，将发送速度最快的发送通道对应的接收通道定义为接收通道1；相对前述发送速度最快的发送通道，延迟150ms的发送通道对应的接收通道定义为接收通道2；相对前述发送速度最快的发送通道，延迟300ms的发送通道对应的接收通道定义为接收通道3，如图2所示； 步骤3：告警命令采集，按顺序依次采集接收通道1、接收通道2和接收通道3的接收数据； 步骤4：根据视觉告警系统和听觉告警系统之间约定的通信协议，依次判断三路接收通道的接收数据是否有效，分以下三种情况： 第一种情况，采集的三路通道数据均为无效数据，当前任务结束，跳转至步骤3）； 第二种情况，采集的三路通道数据中有一路是有效数据，假设该有效数据为（1，0，0，1，0），则 步骤1：将这一个有效数据（1，0，0，1，0）作为当前轮决策结果，并将其中的5级告警命令，按优先级从高到低，依次放入一维告警命令数组M[5]中，如表1所示； 步骤2：按照一维告警命令数组M[5]的序列，由低位到高位进行搜索；在第二位搜索到第一个逻辑值为1的告警命令（即2级告警命令）时搜索结束，然后播放2级告警命令，跳转至步骤5）；在其他实施例中，若当前轮决策结果为（0，0，0，0，0），则从第一位搜索至第五位后才结束搜索，且不告警，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集； 第三种情况，采集的三路通道数据中有二路是有效数据，则 步骤1：将这两路有效数据进行“或”操作，假设该“或”操作结果为（1，0，0，1，0）；将该“或”操作结果（1，0，0，1，0）中的5级告警命令，作为当前轮决策结果，并将其中的5级告警命令按优先级从高到低，依次放入一维告警命令数组M[5]中，如表2所示； 步骤2：按照一维告警命令数组M[5]的序列，由低位到高位进行搜索；在第二位搜索到第一个逻辑值为1的告警命令（即2级告警命令）时搜索结束，然后播放2级告警命令，跳转至步骤5）；在其他实施例中，若当前轮决策结果为（0，0，0，0，0），则从第一位搜索至第五位后才结束搜索，且不告警，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集； 第四种情况，采集的三路通道数据中有三路为有效数据，则 步骤1：将三路有效数据进行“或”操作，假设该“或”操作结果为（1，0，0，1，0）；将该“或”操作结果（1，0，0，1，0）中的5级告警命令，作为当前轮决策结果，并将其中的5级告警命令按优先级从高到低，依次放入一维告警命令数组M[5]中，如表3所示； 步骤2：按照一维告警命令数组M[5]的序列，由低位到高位进行搜索；在第二位搜索到第一个逻辑值为1的告警命令（即2级告警命令）时搜索结束，然后播放2级告警命令，跳转至步骤5）；在其他实施例中，若当前轮决策结果为（0，0，0，0，0），则从第二位搜索至第五位后才结束搜索，且不告警，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集； 5）告警命令采集，按顺序依次采集接收通道1、接收通道2和接收通道3的接收数据； 6）根据视觉告警系统和听觉告警系统之间约定的通信协议，依次判断三路接收通道的接收数据是否有效： 第一种情况，采集的三路通道数据均为无效数据，当前任务结束，跳转至步骤5）； 第二种情况，采集的三路通道数据有一路是有效数据，假设该有效数据为（0，1，0，0，0），则： 步骤1：以该有效数据（0，1，0，0，0）中的5级告警命令，作为当前轮的临时决策结果，并将该临时决策结果（0，1，0，0，0）与上一轮决策结果（1，0，0，1，0）进行“或”操作，得到本轮决策结果（1，1，0，1，0），如表4所示； 步骤2：将本轮决策结果（1，1，0，1，0）对应的所有告警命令按优先级从高到低，依次放入一维告警命令数组M[5]，如表4所示； 步骤3：按照一维告警命令数组M[5]的序列，由低位到高位进行搜索，在第二位搜索到第一个逻辑值为1的告警命令（即2级告警命令），搜索结束，然后播放2级告警命令，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集；在其他实施例中，若当前轮决策结果为（0，0，0，0，0），则从第二位搜索至第五位后才结束搜索，且不告警，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集； 第三种情况，采集的三路通道数据中有二路是有效数据，则 步骤1：将两路有效数据进行“或”操作，假设该“或”操作结果为（0，1，0，0，0）；以该“或”操作结果作为本轮的临时决策结果，并将该临时决策结果（0，1，0，0，0）與上一轮决策结果（1，0，0，1，0）进行“或”操作，得到本轮决策结果（1，1，0，1，0），如表5所示； 步骤2：将本轮决策结果（1，1，0，1，0）中的5级告警命令按优先级从高到低，依次放入一维告警命令数组M[5]，如表5所示； 步骤3：按照一维告警命令数组M[5]的序列，由低位到高位进行搜索；在第二位搜索到第一个逻辑值为1的告警命令（即2级告警命令），搜索结束，然后播放2级告警命令，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集；在其他实施例中，若当前轮决策结果为（0，0，0，0，0），则从第二位搜索至第五位后才结束搜索，且不告警，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集； 第四种情况，采集的三路通道数据中有三路有效数据，则 步骤1：将这三路有效数据进行“或”操作，假设该“或”操作结果为（0，1，0，0，0）；以该“或”操作结果作为本轮的临时决策结果，并将该临时决策结果（0，1，0，0，0）与上一轮决策结果（1，0，0，1，0）进行“或”操作，得到本轮决策结果（1，1，0，1，0），如表6所示； 步骤2：将本轮决策结果（1，1，0，1，0）中的5级告警命令按优先级高低，依次放入一维告警命令数组M[5]，如表6所示； 步骤3：按照一维告警命令数组M[5]的序列，由低位到高位进行搜索；在第二位搜索到第一个逻辑值为1的告警命令（即2级告警命令），搜索结束，然后播放2级告警命令，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集。在其他实施例中，若当前轮决策结果为（0，0，0，0，0），则从第二位搜索至第五位后才结束搜索，且不告警，跳转至步骤5），进行下一次告警命令采集。 最后需要说明的是，上述方法步骤中，若定义逻辑0为告警，1为不告警，則上述“或”运算均变为“与”运算。 2.2 方法流程图 基于带延迟的多通道多优先级控制命令的语音告警方法流程图如图3所示。 3 设计思想 本文提出的基于带延迟的多通道多优先级控制命令的语音告警方法的设计思想如下： 首先，依据发送速度定义通道采集顺序，按照定义的通道采集顺序，将当前轮采集的有效数据进行“或”操作，在告警发生阶段，能够第一时间将告警命令进行识别，有效避免了漏告警。 其次，用当前轮采集的有效数据的“或”操作结果形成的临时决策结果与上一轮决策结果进行“或”运算，形成当前轮的最终决策结果，在告警结束阶段，先结束告警的通道恢复不告警命令时，由于始终与上一轮决策结果进行“或”运算，可以防止误认为告警结束，并在延迟后结束告警的通道采集到告警命令，而产生误报警，有效避免了二次报警。 第三，将告警命令按照优先级高低依次放入一维告警命令数组M[m]，简化了当告警类型较多，具有多种告警命令而一组有效数据不能处理完整的复杂问题，使其可以进行统一的搜索和处理，并按照一维告警命令数组M[m]的序列，由低位到高位进行搜索，当搜索到第一个逻辑值为1的告警命令时即可结束搜索，通过按序搜索和不用将整个数组全部搜索一遍，减少了搜索时间，提高了听觉告警系统的响应速度。 第四，仅在听觉告警系统侧进行改进，便能防止漏告警和二次告警，与其配合的上一级视觉告警系统无需作任何更改，具有较广泛的适用性。 最后，在通道之间延迟时间较大的情况下，也不会产生漏告警和二次告警。 4 结论 为了解决现有机载航电系统的语音告警方法易产生漏告警和二次告警的问题，本文提出一种基于带延迟的多通道多优先级控制命令的语音告警方法。本文的方法按照定义的通道采集顺序将当前轮采集的有效数据进行“或”操作，在告警发生阶段，能第一时间识别告警命令，有效避免了漏告警；用当前轮采集有效数据的“或”操作结果与上一轮决策结果进行“或”运算，形成当前轮最终决策结果，在告警结束阶段，先结束告警的通道恢复不告警命令时，由于始终与上一轮决策结果进行“或”运算，有效避免了二次报警；将告警命令按优先级高低依次放入一维告警命令数组，通过按序搜索和不用将整个数组全部搜索一遍，减少了搜索时间，提高了听觉告警系统的响应速度。本方法的局限是，无法解决当多优先级告警中含有同优先级告警的应用场景，通过对本方法的进一步研究和完善可使本方法有更广的应用场景。 参考文献： [1] MOIR I，SEABRIDGE A..民用航空电子[M].范秋丽，等译.北京：航空工业出版社，2009. [2] 张双 茹伟 张磊.小型综合座舱显示系统软件设计与实现[J].电光与控制，2013（6）：62-65. [3] 顾梦霞. 数字通道传输延迟时间测量方法研究[J]. 计算机工程与科学，2015（5）：1825-1830. [4] 李磊. 现代民机告警系统综述[J]. 信息技术，2015（6）：15. [5] 张晓磊. 座舱告警系统研究[J]. 黑龙江科技信息，2016（7）：29. [6] 温海东.飞机集中告警系统设计[J]. 科技创业家，2013（6）：29. [7] 朱丽.飞机紫外告警设备误告警问题的原因分析及解决方法展望[J]. 中国新通信，2015（8）：58. |
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