一种基于结冰数值仿真的飞机结冰程度预报方法及系统与流程

本发明涉及结冰预报领域，具体涉及一种基于结冰数值仿真的飞机结冰程度预报方法及系统。

背景技术：

1、大量研究和实践表明，飞机结冰严重影响了民用和国防航空行动。当飞机进入过冷云层时，云层中的过冷水滴会迅速冻结在飞机迎风表面部分，降低飞机的飞行性能，对飞机安全构成威胁。中度以上飞机结冰会导致飞机升力严重下降、阻力增加、操稳特性下降，控制飞行姿态的困难，影响飞机安全，甚至会导致飞机坠毁。

2、而飞机结冰预测是飞机结冰研究中的重要组成部分，是规避严重飞机结冰的重要手段。采用数值预报模式结合飞机结冰预报算法判断结冰发生情况已成为结冰预测的主流方法。但是，目前大多数飞机结冰算法仅能对飞机结冰潜势进行预测，如cip、fip算法等，例如，参见morcrette c , brown k , bowyer r , et al. development and evaluationof in-flight icing index forecast for aviation[j]. weather and forecasting,2019(3).，其公开了一种结冰指数预测方法。

3、随着飞机结冰过程认识的深入和飞机防除冰系统的发展，轻微飞机结冰对飞行的影响越来越小，飞机结冰潜势预报算法仅能预报是否存在飞机结冰，不能满足目前飞机运行过程中对飞机结冰程度的精度预报需求，所以飞机结冰程度预报受到越来越多的关注。

4、例如，瑞典气象和水文研究所与瑞典武装部队合作开发了一种基于总液态水含量预测飞机结冰程度的算法（参见olofsson b, olsson e, andersson s, mårtensson t, mårtensson e. 2003. a new algorithm to estimate aircraft icing in the hirlammodel[j]. meteorol. appl., 2019(10):111-114.）。以及belo-pereira et al开发了基于决策树和模糊逻辑的sfip算法对飞机结冰程度进行预测（参见margarida b.comparison of in-flight aircraft icing algorithms based on ecmwf forecasts[j]. journal of applied meteorology, meteorol. appl., 2015(22):705-715.）。但是，由于该类算法主要依赖于飞行员对飞机结冰程度的语音报告，结冰程度受飞行员的主观影响较大，因此这一类算法对飞机结冰程度的预报准确率较低。

5、目前，亟需一种能够对飞机的结冰程度，如结冰速率或结冰厚度进行精准预报的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于结冰数值仿真的飞机结冰程度预报方法及系统，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够提升预报效率和精度。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：本发明的第一方面，在于提供一种基于结冰数值仿真的飞机结冰程度预报方法，包括步骤：

3、s101获取第一气象要素、第一本体要素；其中，所述第一气象要素包括：水滴中值直径、液态水含量、温度和相对湿度；所述第一本体要素包括：飞机的飞行速度；且所述水滴中值直径、液态水含量、温度、相对湿度和飞行速度还关联有对应的查算优先级；

4、s102通过预设的查算构建方式根据所述查算优先级构建查算范围，其中，所述查算构建方式为：将当前的待查算对象中查算优先级大于或等于第一设定优先级的待查算对象作为第一查算对象，并根据所述第一查算对象的实际要素值选取第一查算范围；对应地将其余待查算对象作为第二查算对象，并根据所述第二查算对象的实际要素值选取第二查算范围；其中，所述待查算对象为第一气象要素和/或第一本体要素；

5、s103通过预设的查算方式在预先构建的查算表中查算得到对应于相应查算范围的第一查算数据，其中，所述查算表包括：多组结冰数据，且所述结冰数据包括：结冰程度，以及对应第一气象要素的结冰要素值、第一本体要素的结冰要素值；所述查算方式为：利用第一查算范围从所述查算表中查算到第一结冰数据集，利用第二查算范围从所述第一结冰数据集中查算得到第二结冰数据集，将所述第二结冰数据集作为对应的查算数据；

6、s104根据s103中查算得到的第一查算数据拟合得到第一结冰函数，并通过所述第一结冰函数确定在当前的所述第一气象要素、第一本体要素条件下飞机的第一结冰程度。

7、在一些实施例中，还包括步骤：s105判断当前的结冰程度是否大于或等于预设的结冰程度阈值；若是，则执行s106，s106输出当前的所述结冰程度；若否，则执行s107，s107将当前的第二查算对象中的查算优先级大于或等于第二设定优先级的查算对象增加为第一查算对象，并根据新的第一查算对象和第二查算对象对应生成新的第一查算范围和第二查算范围，再次执行s103得到第二查算数据，根据第二查算数据拟合得到第二结冰函数。

8、在一些实施例中，所述液态水含量、水滴中值直径、飞行速度和相对湿度分别被关联为第一查算优先级、第二查算优先级、第三查算优先级、第四查算优先级。

9、在一些实施例中，还包括步骤：

10、采用线性插值法将第一结冰函数插值到第二结冰函数的格点，以计算两个结冰函数的第一差异度；

11、当所述第一差异度小于或等于预设的第一差异阈值时，则输出当前的第一结冰程度或第二结冰程度；其中，可以通过所述第二结冰函数确定在当前的所述第一气象要素、第一本体要素下飞机的第二结冰程度；

12、当所述第一差异度大于所述第一差异阈值时，则执行s107。

13、在一些实施例中，在s102之前，还包括步骤：获取所述飞机的特征指标，所述特征指标包括：机翼前缘半径；判断所述机翼前缘半径与所述查算表所关联的机翼模型是否相匹配；若是，则执行s102；若否，则发出相应提示信号。

14、在一些实施例中，查算表的构建步骤包括：

15、s201分别获取第一气象要素所对应的多个第一仿真范围，获取第一本体要素所对应的第二仿真范围，以及获取第二本体要素所对应的第三仿真范围，其中，所述第二本体要素包括：机翼模型；

16、s202采用cfd仿真方法，分别计算所述机翼模型在各个仿真场景下的结冰程度，根据所述仿真场景和对应的结冰程度构建得到所述查算表；其中，所述仿真场景包括：根据第一仿真范围、第二仿真范围、第三仿真范围交叉组合得到的多个仿真场景。

17、在一些实施例中，所述第一气象要素、第一本体要素关联有仿真优先级，s202包括：

18、（1）通过预设的仿真构建方式根据所述仿真优先级构建用于cfd仿真的仿真范围；其中，所述仿真构建方式包括：将当前仿真优先级大于或等于第三设定等级的待仿真要素作为第一仿真对象，并按照第一预设间隔根据对应的仿真范围生成第一仿真数据集；将其余待仿真要素作为第二仿真对象，并按照第二预设间隔根据对应的仿真范围生成第二仿真数据集；其中，待仿真要素为第一气象要素和第一本体要素；

19、（2）根据第一仿真数据集和第二仿真数据集组合得到多个仿真场景，采用cfd仿真方法，计算仿真得到机翼模型在多个仿真场景下的多个第三结冰程度，根据所述第三结冰程度和第一、第二仿真数据集生成第三结冰函数；

20、（3）判断所述第三结冰函数是否可靠，若是，则基于当前的结冰程度和仿真场景构建得到所述查算表；若否，则更新所述仿真数据集。

21、在一些实施例中，更新所述仿真数据集包括：

22、（4）采用第三预设间隔根据所述第一仿真范围生成新的第一仿真数据集；其中，所述第三预设间隔小于所述第一预设间隔；

23、（5）根据所述新的第一仿真数据集和当前的第二仿真数据集执行步骤（2），并对应地得到第四结冰程度，以及与之对应的第四结冰函数；

24、（6）采用线性插值法将第三结冰函数插值到第四结冰函数的格点，以计算两个结冰函数的第二差异度；当所述第二差异度小于或等于预设的第二差异阈值时，则根据当前第四结冰程度和仿真范围构建得到所述查算表；当所述第二差异度大于第二差异阈值时，则返回（4）。

25、本发明还提供了一种基于结冰数值仿真的飞机结冰程度预报系统包括：

26、要素获取模块，被配置为用于获取第一气象要素、第一本体要素；其中，所述第一气象要素包括：水滴中值直径、液态水含量、温度和相对湿度；所述第一本体要素包括：飞机的飞行速度；且所述水滴中值直径、液态水含量、温度、相对湿度和飞行速度还关联有对应的查算优先级；

27、查算范围构建模块，被配置为用于通过预设的查算构建方式根据所述查算优先级构建查算范围，其中，所述查算构建方式为：将当前的待查算对象中查算优先级大于或等于第一设定优先级的待查算对象作为第一查算对象，并根据所述第一查算对象的实际要素值选取第一查算范围；对应地将其余待查算对象作为第二查算对象，并根据所述第二查算对象的实际要素值选取第二查算范围；其中，所述待查算对象为第一气象要素和/或第一本体要素；

28、查算模块，被配置为用于通过预设的查算方式在预先构建的查算表中查算得到对应于相应查算范围的第一查算数据，其中，所述查算表包括：多组结冰数据，且所述结冰数据包括：结冰程度，以及对应第一气象要素的结冰要素值、第一本体要素的结冰要素值；所述查算方式为：利用第一查算范围从所述查算表中查算到第一结冰数据集，利用第二查算范围从所述第一结冰数据集中查算得到第二结冰数据集，将所述第二结冰数据集作为对应的查算数据；

29、预报模块，被配置为用于根据查算模块中查算得到的第一查算数据拟合得到第一结冰函数，并通过所述第一结冰函数确定在当前的所述第一气象要素、第一本体要素条件下飞机的第一结冰程度。

30、在一些实施例中，所述液态水含量、水滴中值直径、飞行速度和相对湿度分别被关联为第一查算优先级、第二查算优先级、第三查算优先级、第四查算优先级。

31、有益技术效果：

32、为了在保证飞机预报准确性的基础上，同时优化预报效率，本发明提出了一种分步式的数据查算方式，以通过分步式数据查算从预先构建的查算表中快速筛查到与当前的气象条件相关联的重点数据点，进而借助现有的重点数据点快速拟合预报得到飞机的结冰速率或结冰厚度。

33、具体地，本发明首先选用了lwc、mvd、t、v、rh等有限性关键参数作为查算对象，并依次为其设定对应查算优先级，进而构建出各个查算对象的查算主次关系（如分为第一查算对象和第二查算对象）；进而，根据构建的查算主次关系分步式地查询得到查算表中符合条件的数据。并且，值得注意的是，本发明虽然利用分步式查算方法减小了数据点的必要选取量，但根据分步式查算得到的数据点拟合得到的结冰厚度仍然具有较高和准确性。

34、可以理解的是，当涉及到长途飞行时，飞机可能经历多重复杂气候环境，而本发明所提供的查算拟合方案有利于快速地对多重环境下的结冰程度进行准确地预报。

35、进一步地，本发明还可以通过多次分步式查算对查算结果进行验证。

36、进一步地，本发明还提出了一种分步式构建查算表的方法，首先，除了上述的查算对象以外，另外引入了机翼模型（例如，其可以涉及机翼具体形态、尺寸、飞行仰角等参数）作为仿真条件，以仿真得到各种不同仿真场景（或者说，飞行场景）下的结冰厚度。

37、而本发明通过上述查算对象与机翼模型的仿真条件组合，既能够通过气象要素、本体要素组合使得仿真场景与真实飞行场景相接近，同时还能够保证即使仅选取其中部分要素（如仅选用mvd、lwc、v等等）作为重点查算对象，仍然能够确保查算结果（即结冰厚度）与有限要素之间仍然存在较高的相关性，即满足拟合条件。