綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

楊德才

摘 要： 航空電子系統(tǒng)是保障現(xiàn)代飛機性能的非常關(guān)鍵因素之一，對其開展故障預(yù)測及健康管理技術(shù)的研究是保證飛機安全性的重要課題。針對航空電子系統(tǒng)綜合模塊化的發(fā)展趨勢，研究了一種面向其開放式與模塊化架構(gòu)的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)。通過對綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合關(guān)鍵子系統(tǒng)展開設(shè)計，包含了飛機PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)環(huán)節(jié)的技術(shù)實現(xiàn)。結(jié)果表明該體系結(jié)構(gòu)可滿足航空電子系統(tǒng)標準化、層次化、模塊化、開放性的要求。

關(guān)鍵詞： 航空電子系統(tǒng)； 故障預(yù)測； 健康管理； 綜合模塊化

中圖分類號： TN710?34； TP206 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0125?04

Prognostics and health management for integrated modular avionic systems

YANG De?cai

（School of Astronautics and Aeronautics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China）

Abstract： The avionics system is one of the most vital factors which can affect performance of modern planes and it is very important for research of the fault prognostic and health management （PHM） technology to ensure the safety of the avionics system and the whole plane. According to the integrated modular development tendency of the avionics system， a PHM system is proposed for open type and modular architecture. The hierarchical function allocation of avionics system is utilized in this paper to design the architecture of the PHM system and the related technology detail by the analysis of the critical subsystems. The analysis result shows that the designed PHM system can meet the demands of standardization， hierarchy， modularization and openness of avionic systems.

Keywords： avionics system； fault prognostic； health management； integrated modularization

0 引 言

航空電子系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進綜合式4個階段的演變，綜合模塊化航電系統(tǒng)是目前機載航電系統(tǒng)發(fā)展的最高階段。故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)是保護航電系統(tǒng)乃至整個飛機安全性、維護性等多種因素的重要技術(shù)之一[1?3]。 目前，PHM已成為航空電子系統(tǒng)可靠性和可維護性發(fā)展的必然趨勢，通過研究將模塊化的航電系統(tǒng)特征與PHM系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，意義重大[4?10]。

以美國的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（Joint Strike Fighter， JSF）航電系統(tǒng)為典型代表，綜合模塊化航電系統(tǒng)主要特征是采用開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，射頻與廣電孔徑綜合及傳感器預(yù)處理綜合，統(tǒng)一的航電網(wǎng)絡(luò)（Unified Avionics Network，UAN）互連，商用貨架（Commercial Off The Shelf，COTS）產(chǎn)品與創(chuàng)新技術(shù)[11]。飛機平臺通過航空電子系統(tǒng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個節(jié)點，綜合航空電子系統(tǒng)在不斷地提高智能化程度，將飛行員從操縱飛機、系統(tǒng)監(jiān)控、信息判讀、態(tài)勢掌握、武器投放等繁重工作中解脫出來，便于集中精力于高層次的戰(zhàn)術(shù)決策。因而，隨著航空信息綜合能力的增強，對航空電子系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。

在造成飛機故障的因素中，電子系統(tǒng)產(chǎn)生的故障已經(jīng)占據(jù)了總比重的40%以上，并且對電子系統(tǒng)進行維修所消耗的時間占據(jù)總飛機維修時間的[13。]由此可見，航空電子系統(tǒng)的重要地位，也就逐漸凸顯出了航空電子故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的重要性。同以往的航空電子故障診斷技術(shù)相比較而言，故障預(yù)測與健康管理技術(shù)是一種更加先進和高效的技術(shù)，逐漸成為航空電子系統(tǒng)中主流故障診斷技術(shù)。

PHM技術(shù)能夠?qū)φ麄€電子系統(tǒng)進行全方位的監(jiān)督和預(yù)測，是一種更加智能化的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能夠在很大程度上減少對電子系統(tǒng)進行監(jiān)測的時間，減少人力物力的投入，同時還能大幅度地降低維修費用，提高經(jīng)濟效益。另外，對于提升戰(zhàn)備的完好率和任務(wù)的完成率也發(fā)揮出了重要的作用。

1 航電系統(tǒng)功能分配結(jié)構(gòu)分析

飛機航電系統(tǒng)的功能需求與其任務(wù)使命是密切相關(guān)的，通過研究航電系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，歸納其共性問題與知識，可用來指導(dǎo)健康管理體系架構(gòu)設(shè)計。

美軍為JSF所提出的開放式先進航空電子系統(tǒng)如圖1所示。它有如下特點[1]：

（1） 航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)（UAN）由于光纖具有頻帶寬、質(zhì)量小和抗電磁干擾等優(yōu)點，采用以民用標準為基礎(chǔ)的統(tǒng)一的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，以較少的費用實現(xiàn)系統(tǒng)寬帶信息傳輸?shù)男枨蟆?

（2） 綜合核心處理（Integrated Core Processor，ICP）。將數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理以及其他計算性要求的任務(wù)處理等集中到共享的、容錯的和高性能的綜合核心處理區(qū)內(nèi)完成。

（3） 座艙人機接口。采用高分辨率彩色液晶顯示器和頭盔顯示器，以大圖像方式提供態(tài)勢信息，提高飛行員感知范圍和能力。

（4） 綜合射頻和綜合電光系統(tǒng)以模塊化方式構(gòu)建綜合探測系統(tǒng)，前端充分利用不斷發(fā)展的軟件無線電及開放光電系統(tǒng)方法，采用規(guī)范的部件接口，降低費用，實現(xiàn)開放目標。

如圖2所示，可以將航電系統(tǒng)按功能劃分為層次化的結(jié)構(gòu)。按照需求分解原則（如模塊化），將頂層功能進一步分解成任務(wù)管理、功能管理等分系統(tǒng)，其中任務(wù)管理分系統(tǒng)又細分為CNI（通信、導(dǎo)航、識別）、探測、電子戰(zhàn)等子功能。依次類推，將每個功能分解到可在物理實體上實現(xiàn)的獨立功能模塊為止。

由此可見，層次化結(jié)構(gòu)、開放式特征等在一定程度上降低了綜合航電系統(tǒng)的復(fù)雜性。航空電子系統(tǒng)通過層次化劃分，將系統(tǒng)分成功能相對集中的功能模塊。

2 綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)設(shè)計

模塊化航空電子系統(tǒng)是指通過一系列標準化通用功能模塊的組合，通過加載與硬件無關(guān)的軟件，完成航空電子各個設(shè)備功能的系統(tǒng)。

模塊化航空電子系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。模塊化航空電子系統(tǒng)由核心處理系統(tǒng)和非核心處理系統(tǒng)組成，核心系統(tǒng)包含了若干個機柜，而每個機柜上裝載了一定數(shù)量的通用功能模塊（Common Function Module，CFM）。非核心設(shè)備包括信號采集設(shè)備，傳感器設(shè)備等[12?16]。圖4為一個包含兩個機柜的系統(tǒng)，在其中創(chuàng)建了兩個綜合區(qū)域（Integration Areas，IA），這兩個綜合區(qū)域通過一些共享資源（如信號處理模塊SPM、網(wǎng)絡(luò)支持模塊NSM、數(shù)據(jù)處理模塊DPM、電源轉(zhuǎn)換模塊PPM、大容量存儲模塊MMM、圖形處理模塊GPM等）排列在一起。

對于綜合模塊化的航空電子系統(tǒng)，其健康管理系統(tǒng)設(shè)計要對應(yīng)其模塊化特征。

2.1 PHM系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合綜合模塊化航電系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)特征，PHM系統(tǒng)也采用開放式結(jié)構(gòu)，分為機上PHM系統(tǒng)、地面支持決策系統(tǒng)、機下機上系統(tǒng)接口三個部分，如圖5所示。

機上PHM系統(tǒng)采用分層的管理體系結(jié)構(gòu)，分為三個層次：最底層為模塊/組件級管理器，分布在飛機各分系統(tǒng)部件中的軟、硬件監(jiān)控程序，包括傳感器或機內(nèi)測試（BIT）設(shè)備，將有關(guān)信息直接提交給中間層的分系統(tǒng)級管理器；中間層為分系統(tǒng)級，具有信號處理、區(qū)域推理機功能；頂層為飛機系統(tǒng)級，通過對所有系統(tǒng)的故障信息相互關(guān)聯(lián)，確認并隔離故障，評估整個航電系統(tǒng)的健康狀態(tài)，最終形成維修信息和供飛行員使用的知識信息，傳給地面支援中心系統(tǒng)。

綜合模塊化航空電子系統(tǒng)采用機載和地面兩級維護策略。機載在線測試和維護操作時，不應(yīng)該干擾系統(tǒng)功能的執(zhí)行。在執(zhí)行測試和維護時，需要記錄所有故障，故障條目應(yīng)當包含時間，環(huán)境等信息。同時航電設(shè)備應(yīng)該提供地面測試接口，驗證在線檢測的結(jié)論。

2.2 健康狀態(tài)監(jiān)控

健康狀態(tài)監(jiān)控主要包括監(jiān)控系統(tǒng)健康狀況和檢測系統(tǒng)錯誤，還包括系統(tǒng)錯誤篩選和確定錯誤報告，如圖6所示，其中主要包括以下幾方面功能：

（1） 故障檢測機制。通過主動或被動方式完成硬件、軟件的故障檢測。

（2） 操作系統(tǒng)健康監(jiān)控服務(wù)。用來捕獲故障檢測機制傳遞來的故障和錯誤信息，經(jīng)過綜合處理后向通用系統(tǒng)管理中的健康監(jiān)控器服務(wù)報告，并傳遞診斷信息。

（3） 通用系統(tǒng)管理健康監(jiān)控器。收集從操作系統(tǒng)健康監(jiān)控服務(wù)傳來的故障信息，根據(jù)嚴重程度和性質(zhì)進行篩選，做出相應(yīng)的處理操作。

2.3 故障處理

故障處理包括掩蓋、定位、限制等機制，從而使系統(tǒng)能夠在錯誤存在的情況下繼續(xù)運行一段時間。故障處理的行為與具體的由健康監(jiān)控器報告的事件有關(guān)，故障管理器根據(jù)事件信息采取進一步的故障處理措施，如圖7所示。

圖7中，健康監(jiān)控器需要向故障管理器報告所有確認的故障。故障管理器支持各種故障的處理機制，對故障響應(yīng)將按一系列處理序列進行，一般包括故障關(guān)聯(lián)、識別和定位，向配置管理器請求重配置已實現(xiàn)故障掩蓋，請求應(yīng)用程序錯誤處理函數(shù)，向上層健康監(jiān)控器報告等。配置管理器將處理由故障管理器發(fā)來的重新配置請求，配置完后配置管理器將通知故障管理器。

3 結(jié) 論

航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的“中樞神經(jīng)”，承載著大部分任務(wù)功能。通過開展綜合模塊化航電系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)設(shè)計，可知 PHM 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的共性特征包括：系統(tǒng)分層次的體系結(jié)構(gòu)；分布式、跨平臺系統(tǒng)特點，作為未來全球自主保障支撐技術(shù)的PHM 系統(tǒng)，必然是存在多個對象系統(tǒng)之間的分布協(xié)作關(guān)系；開放性、模塊化的設(shè)計實現(xiàn)方法；實時性要求，能實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并做出決策。

本文設(shè)計的綜合航電PHM系統(tǒng)采用開放性、分布式、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化便于系統(tǒng)的集成和新技術(shù)及方法的導(dǎo)入；開放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)的更新，便于與飛機其他系統(tǒng)集成構(gòu)成更高層次的 PHM 系統(tǒng)，便于與自主式保障系統(tǒng)交聯(lián)提高整體保障效能。

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