Open Access
Issue
JNWPU
Volume 43, Number 5, October 2025
Page(s) 967 - 977
DOI https://doi.org/10.1051/jnwpu/20254350967
Published online 05 December 2025

© 2025 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.

Licence Creative CommonsThis is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

商业民航飞行通常经历后推、起飞、爬升、巡航、下降、最终进近和着陆等飞行阶段。其中, 最终进近和着陆是飞行员面临巨大工作量和需要快速做出决策的关键阶段[1]。根据波音公司的报告, 由于着陆阶段的高工作量和飞行条件的高度可变性, 虽然此阶段仅占飞行时间的4%, 却占2013年至2022年发生致命事故的46%[2], 这些事故本可以通过复飞而不是继续进近和着陆来避免。及时发现着陆阶段安全风险, 做出执行复飞机动的决定对航空业的整体事故率有重要影响。

硬着陆是着陆阶段常见的一类超限事件, 指飞机在接地瞬间垂直方向上的载荷超过规定限度。硬着陆不仅会影响乘客的飞行体验, 严重时还可能对机体结构造成损害。快速存取记录仪(quick access recorder, QAR)数据是一种多参数高维度的时间序列数据, 实时记录了飞机状态、飞行员操作以及环境因素等参数, 被广泛应用于飞机安全状态监测、飞行品质监控、事故调查等[3]。随着人工智能/机器学习(artificial intelligence/machine learning, AI/ML)的发展, 神经网络凭借自适应、自组织、泛化能力强等优点在许多领域得到了广泛应用[4]。于是, 通过数据挖掘和机器学习技术识别与硬着陆相关的QAR参数, 提取时间序列特征并提前预测硬着陆, 是一种有效降低硬着陆风险、保障飞行安全的方法[5]。

鉴于着陆事故带来的严重后果, 近年来, 许多研究致力于开发预测模型, 以评估和提高飞机在进近和着陆阶段的飞行安全性。为了识别导致硬着陆的重要因素并减轻其后果, 一些研究使用飞行数据构建ML模型。Gil等[6]提出了一种用于硬着陆预测的混合方法, 使用飞机变量的特征建模,将时间依赖性作为神经网络的输入, 为机组人员提供基于硬着陆事件预测的复飞决策支持。Qiao等[7]基于径向基函数(radial basis function, RBF)神经网络构建硬着陆预测模型, 并与支持向量机和反向传播网络的预测性能进行了比较。Tong等[8]采用统计方法对飞机着陆数据进行分析和处理, 提出了一种基于Huber损失函数的长短期记忆(long short-term memory, LSTM)飞机着陆速度预测模型, 实现了对着陆速度的高准确度预测。王向章等[9]通过构建着陆飞行运动学方程, 确定与硬着陆相关的飞行状态参数, 基于梯度提升决策树算法(gradient boosting decision tree, GBDT)和网格搜索法(grid search, GS)构建重着陆风险预测模型。Kong等[10]利用聚类和滤波方法处理原始数据, 使用最小冗余最大相关性(MRMR)分析来筛选输入飞行参数, 训练贝叶斯递归神经网络预测着陆垂直速度并量化预测中的不确定性。

尽管研究人员针对硬着陆预测进行了许多有益的探索, 但仍有若干问题亟待解决。一方面, 目前研究中使用的神经网络在长时间序列预测任务上表现不佳。RNN模型在处理时间序列数据时, 由于序列过长, 容易出现梯度消失和梯度爆炸问题, 导致训练过程不稳定。虽然LSTM模型[11]在一定程度上克服了RNN模型的局限性, 但随着时间序列长度的增加, 其计算速度和预测效果会显著下降。另一方面, 这些模型的可解释性较差, 难以赢得航空领域利益攸关方的信任。

Informer模型在Transformer基础上进行了改进, 不仅提高了计算、内存和架构效率, 还保持更高的预测能力, 更适合长时间序列预测任务[12-13]。凭借其出色的预测性能, Informer已在农业和电力等多个领域得到应用。例如, Liu等[14]通过整合卫星数据、环境变量和历史水稻产量记录等时间序列数据, 使用Informer模型预测印度河平原的水稻产量, 并通过评估输入特征的重要性和分析隐藏特征来解释预测模型。Huang等[15]利用历史风力发电量数据训练得到初始模型后, 引入涉及动态压力模型的风速和气压训练的Informer模型, 并通过比较历史发电量修改模型, 进一步提高Multi-step Informer网络的预测准确性。

因此, 为了利用人工智能的优势, 解决航空领域的着陆安全问题, 本研究基于Informer神经网络构建硬着陆预测模型, 采用多种数据处理方法处理原始QAR数据, 组建用于模型训练的数据集, 使用本地化处理后Informer网络和数据集开展训练, 过程中评估预测性能并调整模型参数, 最后对模型预测结果进行解释, 以提升模型的可信性。

1 Informer硬着陆预测模型的构建

本文围绕QAR数据和Informer神经网络, 将硬着陆预测模型分为数据管理和模型训练2个环节。数据管理过程将向硬着陆预测模型的训练和验证等环节传递数据集, 模型训练过程是一个由数据驱动的自适应过程, 数据集的质量将直接影响模型的预测性能。

数据管理过程利用系统工程思想, 从数据自身特点出发, 选择一系列最佳数据处理方法, 以保证数据的完整性、代表性及独立性, 各过程紧密衔接最终为模型的学习训练提供高质量数据集, 为构建的硬着陆预测模型增加可信度和泛化能力。

模型训练过程将对Informer神经网络进行本地化处理, 使其在训练时消除不同航段数据间的干扰, 避免引入飞行数据突变的偏差, 影响模型训练。同时, 为了客观评价模型预测结果的准确性和有效性, 选用均方根误差ERMS和平均绝对误差EMA评估不同硬着陆预测模型的准确性, 其表达式为:

(1)

(2)

式中: yi为真实值; 为预测值; n为预测数据数量。

最后, 将经过本地化改进的Informer模型与ANN、LSTM模型的预测误差进行对比, 以验证其在长时间序列预测中的性能。

thumbnail 图1

硬着陆Informer预测模型框架

1.1 硬着陆判断

为了给飞行员提供决策支持, 模型需要根据飞行参数判断和识别硬着陆事件, 并为每条航段标注是否发生硬着陆。本文针对硬着陆的判断开展研究, 不同于过去只依赖于垂直加速度的单一指标来评估着陆是否超限, 空中客车公司于2014年更新了A330/A340飞机维修手册中的05-51-11-B(2)(b)节, 提出一种更为复杂的判断标准。该标准不仅考虑了更多参数, 还根据这些参数的多个阈值来区分不同类型的着陆超限事件[16]。进一步地, 参考美国国家运输安全委员会对硬着陆的相关定义, 并基于该机型的具体数据, 提出了2种判断硬着陆的新机制。机制A定义为, 当飞机的着陆质量不超过最大着陆质量, 且升降率ALTR超过3.048 m/s或垂直加速度VRTG超过1.3g时, 认定为硬着陆。机制B则在飞机的着陆质量不超过最大着陆质量的前提下, 当升降率超过2.743 m/s, 且垂直加速度VRTG超过1.1g时, 亦判定为硬着陆。这2种机制分别代表了以单一因素和综合因素为判断基础的硬着陆评估方法, 其判断流程详见图 2

thumbnail 图2

硬着陆判断流程

1.2 filtfilt滤波与Granger检验

由于恶劣天气、传感器设备限制、数据传输过程的干扰等因素影响, 传感器数据中存在异常值和大量噪声。前向滤波和后向滤波(filtfilt)是信号处理中常用的滤波方法, 可以去除飞行数据中的噪音或干扰, 使得信号更加平滑和清晰, 同时相较于其他滤波方法, filtfilt避免处理数据时引入相位延迟, 保障了预测的实时性。其计算公式为:

(3)

(4)

式中: y[n]是滤波器的输出;x[n]是滤波器的输入; a [k]和b[k]分别是滤波器的系数; N是前向滤波器的长度; M是反馈滤波器的长度; yfiltfilt[n]是filtfilt的输出。

QAR数据具有非平稳、非线性、间接和非对称影响的特点。传统的相关性分析方法, 如皮尔森相关系数和灰色关联分析, 往往难以处理间接关系和非对称影响。因此, 考虑采用因果分析方法来剔除冗余变量。Granger因果关系检验假设有关飞行参数YX预测的信息全部包含在参数的时间序列之中。检验要求估计(5)~(6)式所示的回归。

(5)

(6)

式中,白噪音u1tu2t假定为不相关的。(5)式假定飞行参数Y的当前值与Y自身以及X的历史值有关。若(5)式中滞后X的系数估计值在统计上整体显著不为零, 则称X是引起Y变化的原因, 即存在由XY的因果关系。(6)式同理。

1.3 Informer网络本地化

Informer神经网络常见的应用场景中, 训练所用的时间序列是连续不间断的, 而本文建立的数据集是由截取的着陆前航段飞行数据组成, 明显与常见数据不匹配。因此, 需要对Informer神经网络进行本地化处理, 避免引入飞行数据突变的偏差, 影响模型训练。首先, 数据集的格式应保证不同航段的QAR数据是相互独立的, 其次, 对Informer神经网络的编码器解码器的输入数据分割过程进行改进, 使其无法跨航段分割数据。通过修改Informer模型的时间窗口滑动规则, 使其限制在独立航段内, 避免框选跨航段的数据造成数值突变, 影响模型的训练计算。本地化改进之后的Informer模型如图 3所示。

thumbnail 图3

面向硬着陆预测问题的Informer模型示意图

2 试验与分析

2.1 数据处理过程

DASHlink是美国国家航空航天局管理的一个合作性网站, 其开源数据集记录了每次航班从起飞到降落所有飞行阶段的飞行状态数据, 每条记录有186个参数, 涵盖了适用于飞行着陆安全分析的所有重要风险因素[17-18]。

首先, 采集Tail 687航班的QAR数据作为原始数据, 其中包含5 345个航段的飞行数据。表 1显示了影响飞行着陆性能的部分参数, 这些参数分为动力学和性能参数、飞行员操作、大气环境因素和指示参数4个类型, 表中还列出了参数的单位、参数描述、采样频率等信息。

其次, 利用QAR数据中降落时刻的经纬度以及距离信息, 识别每个航班降落的机场及跑道, 并采用聚类算法计算不同机场之间的最小间隔, 以捕获在同一机场降落的航班数据。将降落点聚类阈值设置为3 km。最终选择降落航班最多的明尼阿波利斯-圣保罗国际机场(MSP)的航班数据作为原始数据集。与此同时, 对降落在MSP机场的航班数据进行硬着陆判断, 硬着陆航段约占总航段数量的4%。图 4为使用机场聚类算法后, 降落在MSP机场的航班着陆点位置分布图, 包含了正常着陆和硬着陆航段的着陆点。

在为航班数据标注降落机场和硬着陆信息后, 本文选取最小采样频率1 Hz作为数据重采样的基准频率。对于采样频率较高的数据, 通过计算特定时间间隔内的平均值来获取时间间隔为1 s的等长飞行数据。这样不仅可以保留数据的总体趋势, 还可以有效减少数据噪声。随后, 通过计算每个数据点的z分数, 剔除QAR数据中的异常值。经检测, 存在异常值的航段数量约占总数量的0.4%。若存在异常值, 则计算前后临近值的均值作为替换值。

将前向和后向2个滤波器进行级联, 通过对一定时间窗口内的数据点进行平均来实现滤波和相位补偿的目的。通过配置合适的滤波器可以在保证数据真实性的前提下, 降低噪声对预测模型的影响。图 5为采用滤波前后数据曲线的对比, 可以看出filtfilt滤波后的数据保留了原始数据的趋势特征, 也降低了突变数据的干扰。

在QAR数据中, 存在许多与硬着陆预测无关的冗余数据, 要从时间维度和参数维度上消除冗余数据。

时间维度上, 为保证数据符合模型实际运行场景, 对每个航班着陆时刻前后的数据进行识别和截取。本文使用的数据来源于MSP机场, 此机场符合CAT IIIA类精密进近, 决断高度低于30 m或无决断高度。通常情况下, 飞行员能够在决断高度前执行复飞决策, 而在某些配备辅助着陆和特殊紧急情况下, 飞行员在飞机接地前均有机会采取操作避免事故发生。为了尽可能地将硬着陆风险识别窗口前移和确保用于训练的数据体量, 同时考虑到硬着陆预测的相关性以及远离着陆时刻的数据对硬着陆预测不具备显著影响, 本文将轮胎接地质量指示(WOW)参数作为标准来确定航班的着陆时刻, 并截取着陆前60 s和着陆后6 s的数据进行分析。截取的数据覆盖了最终进近点和3类仪表着陆系统的决断高度, 同时可以满足神经网络模型训练所需的数据量。

参数维度上, 为了减少冗余参数对预测结果的影响, 使用Granger因果检验筛选出与升降率(ALTR)和垂直加速度(VRTG)变化有关的参数。具体来说, 在数据集中随机选取部分航段作为Granger因果检验样本集。鉴于Granger因果检验对数据的平稳性有一定要求, 使用差分处理方法做平稳化处理。然后, 设置不同滞后阶数(maxlag), 对代表样本集的数据进行Granger因果检验, 以减小检验误差。记录每对参数的检验结果, 对样本集的结果进行综合分析, 计算相同参数组在不同滞后阶数下的因果检验平均P值, 部分参数检验结果如图 6所示。P值越小, 表明参数组之间存在因果关系的显著性水平越高。例如BAL1(气压矫正高度1)和VRTG与ALTR的因果关系置信度较高, 这可能是由于参数之间存在积分或微分的运算关系, 侧面验证了Granger因果检验的有效性。然后结合参数分类消除冗余变量, 最终筛选出用于预测的参数,如表 2~3所示。

分别将表 2~3中与ALTR和VRTG存在因果关系的参数数据作为模型输入进行训练, 可以得到2个用于预测输出未来ALTR和VRTG数据的神经网络模型。考虑到2个模型的训练和评估过程相似度较高, 而VRTG数值波动范围较小, 本文选择可视化表现更好的ALTR预测模型作为案例展示。

数据的标准化处理将在模型内部进行, 以确保数据输入的一致性和模型训练的有效性。最后, 将经过处理的航段数据按比例随机分配为训练集、验证集以及测试集。至此, 数据处理工作完成, 生成了适用于硬着陆预测的数据集。

表1

部分QAR参数描述

thumbnail 图4

机场聚类后的飞机着陆点分布

thumbnail 图5

filtfilt滤波前后数据对比

thumbnail 图6

以ALTR和VRTG为因变量对飞行参数进行Granger检验

表2

与ALTR存在因果关系的参数

表3

与VRTG存在因果关系的参数

2.2 模型训练过程

在本节中, 根据既定的模型框架展开训练和预测实验, 下面展示了所提出方法的实验结果, 并对结果进行了分析。

为消除不同航段数据间的干扰, 避免引入飞行数据突变的偏差, 本文对Informer神经网络进行本地化改进。为评估改进后模型的有效性, 设置对比实验比较改进前后模型的预测误差。实验结果如图 7所示, 随着预测步长的增加, 预测不确定性增加, 导致误差逐渐增大, 改进后的Informer神经网络训练出的模型相比于等效原始网络, 预测精度提升了约23.5%, 证明了经过本地化改进模型的有效性。

为了确保模型有足够的数据进行训练和学习, 同时能有效评估模型的性能和泛化能力, 避免过拟合风险, 本文按照7∶2∶1的比例将数据集划分为相互独立的训练集、验证集和测试集, 并使用本地化改进后模型进行训练。图 8为训练和验证的损失图,可以看出训练损失和验证损失都随着迭代次数的增加而减少, 这表明模型在学习过程中不断改善其预测能力。在大约200次迭代后, 模型性能不再有显著提升, 意味着模型性能趋于稳定, 且未发生过拟合。

编码器和解码器在时间序列预测模型中发挥着关键作用, 编码器负责提取输入数据的特征表示, 而解码器负责根据编码器输出进行预测。调整编码器和解码器的层数可以平衡两者的能力, 确保特征提取和预测之间的有效匹配。增加编码器和解码器的层数可以增加模型的参数量, 从而提高其表达能力。层数多的模型可以更好地捕捉时间序列数据中的复杂关系和模式, 使模型能够更准确地预测未来的数值。而层数少的编码器和解码器通常具有更少的参数量和计算量, 因此训练速度更快。

编码器和解码器的层数必须在一定范围内进行调整。层数过少可能导致模型无法准确地捕捉时间序列的复杂性, 而层数过多可能导致过拟合和训练困难。选择最合适的编码器和解码器层数对于获得高性能的预测模型至关重要, 不同注意力层数的模型预测性能对比如表 4所示。实验发现, 当编码器和解码器均为2层, 模型有较高的预测性能, 同时模型复杂性较低, 所需的训练时间和资源也较少。

为验证Informer模型在长时间序列预测任务中的性能优势, 本文将ANN和LSTM神经网络作为对比模型, 并使用MAE评估预测误差。实验结果如图 9所示, 横坐标表示3个模型1次性输出的时间序列步长, 其中时间步长为1表示预测结果的第一秒的数据。图 9纵坐标代表预测时间点的误差。从图 9可以得出以下结论: 首先, 本地化改进后Informer模型在整体预测精度上优于ANN和LSTM模型, 其预测精度相比LSTM模型提高了约18.83%。其次, 在执行长时间序列预测任务时, LSTM模型的误差波动最大, ANN模型的误差波动最小, 但预测精度较低。与传统方法相比, 本地化改进后的Informer模型在预测精度和误差波动等方面具备更好的性能表现, 更适合执行硬着陆长时间序列预测的任务。

利用训练得到的推理模型模拟硬着陆预测模型的实际应用场景, 选取测试集中某一航段的数据再次进行截取, 将决断高度前的数据输入推理模型, 即可得到此次模拟航班ALTR的预测值。为了更直观地分析预测值与真实值之间的差距和预测结果的不确定性, 对同一航段的数据进行50次重复预测, 统计50次的预测值,生成如图 10所示的箱盒图, 图中橙色方框包含了50%的预测值, 数据集中度较高, 预测值的中位线和预测均值都位于灰色方框中心位置, 且只有个别预测值超出了1.5IQR的范围, 被标识为预测异常值。被截取掉决断高度后的数据即为真实值, 用蓝色点表示。大部分预测均值落在真实值附近, 表明模型具有较高的预测精度。同时, 箱盒图揭示了模型对于飞行数据预测的不确定性, 可以为理解和评估模型的稳定性提供依据。

thumbnail 图7

Informer神经网络本地化处理前后性能对比

thumbnail 图8

训练和验证损失

表4

模型预测误差与注意力层数

thumbnail 图9

不同ML模型预测ALTR时的误差

thumbnail 图10

模型预测结果与真实值对比

2.3 可解释性分析

对于黑盒内部运行逻辑的探索驱动着AI可解释性的研究。AI可解释性是指向人类提供AI/ML应用如何生成其结果的可理解的、可靠的相关信息的能力, 这些信息应以足够的细节程度并在适当的时机提供给相应人员。在开发过程中开展模型的可解释性研究时, 可分为项目级解释和输出级解释。ML项目层面的解释侧重于面向开发过程和后期运营期间涉及的利益相关者, 而对ML项目输出的解释可能对所有利益相关者有益, 包括运营中的最终用户。输出级解释通常更简单透明, 因此非AI/ML专家也可以理解。蒲天骄等[19]梳理了实现AI可解释的整体思路与技术路线, 对各类人工智能可解释方法进行了综合比较与适用性分析。Zhang等[20]利用ProbSparse自注意力处理长时间序列时的优势和可解释注意力机制, 提出了一种可解释的ProbSparse自注意机制(Intprob)方法, 并将其用于电力负荷序列的预测。

基于注意力机制的Informer神经网络, 天然具备一定的可解释性。注意力机制计算了输入序列中每个时间步对输出序列的影响权重, 通过将注意力权重可视化, 可以直观地观察到模型在做出预测时主要依赖于输入序列的哪些部分。为了尽可能理解黑盒模型的运行逻辑, 从时间维度解释影响硬着陆模型预测结果输出的关键特征, 提高模型的透明度和可信性, 本文使用注意力权重可视化的可解释性方法开展研究。

Informer硬着陆预测模型采用了2层概率稀疏自注意力机制, 每层具有8个注意力, 分别学习数据的不同特征。将某次硬着陆航段输入预测模型, 汇总分析每层的注意力头, 得到如图 11所示的注意力权重矩阵。注意力图的横纵坐标分别为输入序列和输出序列的时间步, 每一格热图的颜色代表对应输入时间步对输出时间步的影响权重大小。

可以看到, 预测时刻前几秒(22~24 s)的数据注意力权重较高, 对预测结果具有决定性影响, 可能由于这几个时间步的数据相比其他时间步具备时效性优势, 也符合越靠近预测时刻的数据对结果影响越大的常规认识。此外, 部分时刻的数据也显示出较高的注意力权重, 可能是因为这些时刻采集的飞行数据偏离了正常区间或者存在显著波动。调取此航段22~23 s的输入数据,将其作为候选硬着陆因素, 通过对比分析后发现, 从22 s开始, CWPC(机长操纵轮位置)和ROLL(横滚角)的数据与前21 s的数据相比有显著波动, 由此可以做出推断, 在22~24 s的时间段内, 可能是因为风速风向等情况影响, 飞机横滚角发生大幅波动, 飞行员紧急操纵飞机想要维持正常着陆姿态, 于是发生明显摇摆, 进而导致硬着陆的发生。经过注意力蒸馏操作之后, 注意力权重较高的数据得到重点关注, 从而提高了预测的效率, 这在前10 s的数据上尤为明显。

将正常航段输入预测模型并汇总分析第一层的注意力头得到图 12。从图中可以看到影响预测结果的高权重时间步靠近预测时刻, 且分布较为分散, 没有对预测结果影响权重极高的时间步。调取此航段的数据查看, 发现参数的数据波动较为平缓, 且无明显异常。

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注意力权重矩阵可视化-硬着陆航段

thumbnail 图12

注意力权重矩阵可视化-正常航段

3 结论

本文介绍了一种基于Informer的硬着陆预测模型, 能够准确预测最终进近和着陆阶段, 与硬着陆判断相关的QAR参数。结合理论和试验分析, 得出以下结论:

1) 结合本地化改进后的Informer神经网络与QAR数据, 解决硬着陆预测问题, 满足着陆阶段多元长时间序列数据预测的需求, 构建具备较高泛化能力和预测精度的硬着陆预测模型。

2) 对硬着陆预测模型进行数据管理, 运用filtfilt滤波、Granger因果检验等一系列合适的数据处理方法, 建立具备代表性和完整性的高质量数据集。

3) 使用注意力权重矩阵的可解释方法, 对模型预测的输出进行时间维度上的归因分析, 为基于注意力机制的神经网络模型在航空业的落地提供了可信的依据。

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All Tables

表1

部分QAR参数描述

表2

与ALTR存在因果关系的参数

表3

与VRTG存在因果关系的参数

表4

模型预测误差与注意力层数

All Figures

thumbnail 图1

硬着陆Informer预测模型框架

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硬着陆判断流程

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面向硬着陆预测问题的Informer模型示意图

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机场聚类后的飞机着陆点分布

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filtfilt滤波前后数据对比

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以ALTR和VRTG为因变量对飞行参数进行Granger检验

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Informer神经网络本地化处理前后性能对比

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训练和验证损失

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不同ML模型预测ALTR时的误差

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模型预测结果与真实值对比

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注意力权重矩阵可视化-硬着陆航段

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注意力权重矩阵可视化-正常航段

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