飞参判读专家系统的Excel实现_荆竹.pdf

80航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/1 型所拥有的判读软件都是针对该机型专门编写的，判读软件与飞参数据处理软件融为一体，虽方便了该机型的处理，但判读没有通用性可言。另一方面，所有的飞参数据处理软件，都是将原始数据处理后，保存飞参数据为 csv、txt 等格式的表格3，这为判读软件的统一化提供了切入点。图 10 引言飞参系统主要记录了大量的飞机飞行状态信息、操纵系统工作状态信息、发动机工作状态信息以及飞机其他子系统及设备相关信息1，对飞行监控、事故调查、故障分析、设备维护等都有着巨大的作用2。传统的人工判读低效易错，而自动判读尚不通用普及，只有少部分机型具有快速判读软件。本文基于专家系统的推理机与知识库分离的思想，对飞参判读进行抽象，并针对普适的飞参数据文件接口，讨论采用 VBA 编程语言操控 Excel，实现通用的飞参判读。1 飞参数据的统一形式少部分具有飞参快速判读软件的机飞参判读专家系统的 Excel 实现Excel Implementation of Flight Parameter Interpretation Expert System 荆竹刘钊岳菁菁张锋/中国飞行试验研究院摘要：传统的人工飞参判读方法费时低效，且易发生错漏，而自动快速判读系统尚不通用普及。本文运用专家系统原理，设计了推理机与知识库分离的通用飞参判读系统，并采用 Excel VBA 语言予以编程实现。关键词：飞参判读；专家系统；VBAKeywords：flight parameter interpretation；expert system；VBA说明符合性时，需要对假设条件成立与否进行迭代，输入条件要遵循规章要求，算法及结果要符合设计手册中的基本规定。4 改进方向及结论安装方式方面有如下两个改进点，一是通过计算发现部分应力超过了材料的疲劳强度，应该对飞行工况是否适用高低周疲劳分析进行评估；二是为了不拆除剪线器，前角盒处借用了该处机身原有的孔，造成角盒壁厚和适用螺栓直径较小，而角盒处是整个结构中应力最大点，若能进行扩孔，更换螺栓，整个结构的强度裕度将获得大幅增加。本文对某加改装项目STC取证流程、审定基础及符合性验证方法的选择、强度校核计算做了分析说明，可供航空器加改装业务取证申请人参考借鉴。参考文献1 赵晶.C919 货舱拦阻网固定装置设计及适航验证研究 D.南京：南京航空航天大学，2019.2 黄烁桥.PMA 件使用指南 J.航空维修与工程，2021，263（9）：31-36.3 陈亮，张裕兵，刘展志，李江剑，杨宇，等.某型直升机改装设计中机载设备环境试验适航验证方法研究 J.航空维修与工程，2016，301（6）：39-41.4 张涛，李艳军，李成新，杨绵鹏，等.浅谈直升机重要改装设计适航符合性验证方法 J.飞机设计，2015（1）.5 机械设计手册编委会.机械设计手册 M.北京：机械工业出版社.2004.其中，1.15 为螺纹接头系数，1080为 30CrMnSiA 螺栓的抗拉强度。稳定性结果如图 5 所示，此时强度裕度为 28。图5设备框架气动载荷下的屈曲模态根据计算校核结果，所有结构件的强度裕度均可满足要求。在通过分析计算.工 程 ENGINEERING MSDOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.01.02281AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/1 图1 表格形式的飞参数据为表格形式的飞参数据示例，其中首行表示参数名称，首列表示时刻，表中任一单元格表示某参数某时刻的值。2 传统方法与专家系统的对比传统的针对类似图 1 时间序列数据处理的编程，是将需要的判断条件、时间计算、状态统计等需求，“硬”编码进程序。这样处理只能解决单机型飞参判读的需求，不具有通用性，若要推广至其他机型，还需要根据需求硬编码多次，费时费力，效率低下。引入专家系统原理可以有效解决这一 问题。专家系统是人工智能的一个重要分支4，它以知识库（判据库）与推理机（推理程序）相分离为特色，可以看作是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统，一般采用人工智能中的知识表示和知识推理技术来模拟通常由领域专家才能解决的复杂问题5。专家系统的基本结构如图 2 所示。专家系统固化了推理程序，开放了知识库，以便人类专家灵活编辑。当输入数据库时，推理机便依据知识库进行推理，自动得出结论。这种结构中的知识库可以针对不同机型改写，巧妙地解决了传统编程中处理数据的问题。3 飞参判读的抽象常见的飞参判读的判据大致可以分为三类：1）规则判断类，即参数满足公式一定时间后，事件成立，输出事件到判读报表。如发动机的使用限制，该类判据最为常见，某型机飞参判读记录表（部分）如图 3 所示。2）状态事件类，即参数满足公式一定时间后，状态成立，设置变量值，以备其他判据使用。如起飞、着陆事件。3）参数统计类，即参数满足公式一定时间后，计算或统计参数值。如空中时间统计。结合专家系统的特点，本文定义了一种单行判据书写语法，如表 1 所示。事件号：判据的自定义编号；判据内容：逻辑表达式，是判断事件成立与否的核心；持续时间：为确认公式 成 立，“判据内容”中的逻辑表达式最少为真的时长；事件类别：对不同类事件进行编号，便于程序对不同类事件进行不同着色；事件名称：对事件的描述；用户变量：自定义的变量，便于设置状态或累加时间等；表达式：对用户变量（自定义变量）进行赋值的表达式；打印类型：控制输出显示方式；参数值：根据需要显示变量的值；参考依据：该条判据的来源；处置措施：该条判据的处理意见。整个程序的处理逻辑为一个二重循环：顺序地将飞参数据的每一行都针对图3某型机飞参判读记录表（部分）表1 判据书写语法事件号判据内容持续时间事件类别事件名称用户变量表达式打印类型参数值参考依据处置措施知识库(判据库)规则 m:IF-THEN判据库(飞参数据)事实n结论(判读报表)推理机(推理程序)图2专家系统的基本结构82航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/1 每一条判据顺序解释执行一遍。单条判据的推理逻辑为：当“判据内容”连续成立时间“持续时间”，记录开始时间，操作赋值表达式（即令“用户变量”=“表达式”）；当“判据内容”不成立时，若该条判据成立过，则按“打印类型”打印输出显示本条事件，否则跳过。由上面的判据书写语法可知，三类判据的功能均可实现：1）规则判断类，需设置除“用户变量”“表达式”“参数值”之外的其他各列，重点是设置“判据内容”和“持续时间”两列；2）状态事件类，需设置除“参数值”“参考依据”“处置措施”之外的其他各列，除了重点设置“判据内容”和“持续时间”两列，还需重点设置“用户变量”和“表达式”两列；3）参数统计类，需两条判据实现一项统计，以统计空中时间为例，第一条判据重点是设置“判据内容”“持续时间”“用户变量”和“表达式”四列，当“判据内容”成立时“用户变量”累加时间，不打印输出；第二条判据的“判据内容”填 1，“持续时间”填 0，待统计完成后打印输出显示结果。此外，判据书写语法还可组合出其他复杂的变化，实现丰富的功能。在此不对该判据书写语法能满足所有判读要求作严密的证明，仅从数学归纳法的角度进行简要说明：1）在第一拍的时刻，显然判据语法可以记录（通过操作赋值表达式可以实现），并输出该时刻及其以前时刻（平凡地成立）的判读信息；2）假设任意时刻之前的所有时刻的判读信息均可记录和输出，那么结合利用该时刻的数据操作赋值表达式和打印逻辑，即可记录和输出包含该时刻及其以前时刻的所有判读信息。综上可知，理论上该判据书写语法可以满足任意判读要求。实践中对具体判据要求的书写，还需一些经验和技巧。回顾思考该判据书写语法的设计可知，其中“操作赋值表达式”的设计和对信息输出时机的设计这两点非常 关键。4 判据书写语言的构造和解释上 述 定 义 的判据书写语法，从某种角度看，实质上是定义了一种小型 的 编 程 语 言，需要利用编译原理6编写一个专门的编译器或解释器实现上述语言的功能7。本文采用Excel VBA 编程语言，构造了一个该判据语言的小型解释器，巧妙避免了复杂的编译原理问题。VBA（Visual Basic for Applications）是 Visual Basic 的 一 种 宏 语 言，是 在其桌面应用程序中执行通用的自动化（OLE）任务的编程语言，主要用来扩展windows 的应用程序功能，特别是 Office软件8。通俗地说，VBA 能够通过代码将一切对 Office 系列软件的手动操作自动化，可以让复杂的工作简易化，减少不必要的重复性工作，大大提高工作效率9。本文主要运用的是 VBA 对 Excel 的操纵控制，重点是对整个程序的处理逻辑和单条判据的推理逻辑进行转化执行。对于整个程序的处理逻辑，采用两层 For 循环即可实现，外层循环遍历飞参数据的每一行，内层循环遍历每一条判据10。对于单条判据的推理逻辑，为了将“判据内容”书写为逻辑表达式，需要用变量代替图 1 中飞参数据表中的每一单元格数据。而 Excel 具有为单元格命名别名的功能，利用该功能，添加“系统变量”工作表，将表格形式的飞参数据的首行进行行列转置后复制到“系统变量”工作表的 B 列，则 B 列中的每一个单元格代表一个飞参参数。在每一个飞参参数单元格的左侧的 A 列单元格，用字母、数字、下划线的组合字符为该飞参参数取一个名字，再利用 VBA 代码，将该飞参参数单元格右侧的 C 列单元格取单元格别名为 A 列单元格中的字符。当程序执行每一次外层循环时，通过 VLOOKUP 函数的查找，将每一行飞参数据填入“系统变量”工作表的 C列，这样就可以用“系统变量”工作表A 列的字符书写“判据内容”的逻辑表达式。同理，增设“用户变量”工作表，即可书写“表达式”的逻辑表达式。其他的如利用“事件类别”区分着色快速报表界面等功能都较易用 VBA 代码控制 Excel 实现。图4软件主界面即“快速报表”界面工 程 ENGINEERING 83AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/1 于飞行手册、维护手册、使用限制等技术资料向飞参人员提供丰富的监控判读依据；飞参判读人员将监控判读依据进行公式转化，输入判据库，软件自动进行每架次飞参数据的判读。判读质量和效率都得到了大幅提高，能够为飞参判读专业的发展和保障模式变革注入新的活力。参考文献1 巩美娟，王希.基于规则的飞参快速处理判据编制方法研究 C.西安：中国飞行试验研究院，2021.2 苏永贵.基于专家系统的飞参判读软件优化 C.西安：中国飞行试验研究院，2021.3 胡朝江，陈列，杨全法.飞机飞参系统及应用 M.北京：国防工业出版社，2012.4 M Negnevitsky.人工智能：智能系统指南 M.北京：机械工业出版社，2018.5 J C Giarratano，G D Riley.专家系统：原理与编程 M.北京：机械工业出版社，2010.6 A V Aho，M S Lam，R Sethi编译原理 M.北京：机械工业出版社，2009.7 H Abelson，G Jay Sussman，J Sussman 计算机程序的构造和解释M.北京：机械工业出版社，2019.8 J WalkenbachExcel2007 高 级VBA 编程宝典 M.北京：清华大学出版社，2009.9 B Jelen，T SyrstadExcel2007V-BA 与宏完全剖析 M.北京：人民邮电出版社，2008.10 T H Cormen，C E Leiserson，R L Rivest，C Stein算法导论 M.北京：机械工业出版社，2013.5 软件界面软件主界面即“快速报表”界面如图 4 所示，在打开软件后，打开飞参数据文件即可自动运行判读程序，得出快速报表。“系统变量”设置界面如图5所示，“用户变量”设置界面