藍屹群

（上海民航職業(yè)技術(shù)學院，200232）

WSN技術(shù)在飛機系統(tǒng)參數(shù)測試中的應用與展望

藍屹群

（上海民航職業(yè)技術(shù)學院，200232）

本文主要介紹了無線傳感技術(shù)的概念，討論了其在機載測試方面應用的可能性，分析了可能遇到的一些問題，并對其未來的應用作了估計。

無線傳感技術(shù)；機載測試

0　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Net， 簡稱WSN）是近年來國際、國內(nèi)研究的熱點。該技術(shù)綜合了信息采集、信息處理技和信息傳輸功能于一體，實現(xiàn)了與周圍環(huán)境的信息交互，在軍用和民用領(lǐng)域有廣泛的應用前景。鑒于此，國家自然科學基金委NFSC連續(xù)資助了一系列WSN的研究項目。同時，隨著人們的日益關(guān)注與重視，WSN技術(shù)在理論與實際應用方面研究成果顯著。本文擬就后者探討WSN在飛機系統(tǒng)參數(shù)測試上的應用。

1　WSN技術(shù)概述

WSN主要通過在人們所感興趣的、被監(jiān)測的區(qū)域布置一些微型的傳感器，這些傳感器以無線的方式構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)，如下圖1示，每個傳感器在網(wǎng)絡(luò)中亦稱為一個節(jié)點，每個節(jié)點將自己感知到的、人們所關(guān)心的信息（數(shù)據(jù)）如溫度、光照強度、壓力、物體運動的速度和方向等互相傳遞、匯聚，再由匯聚節(jié)點（匯聚傳感器）以有線或無線的方式將收集到的數(shù)據(jù)傳遞給用戶。因此，WSN實際上是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與以往有線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，WSN具有低功耗、低成本、安裝方便、維護費用低等特點，因此受到人們普遍重視。下面即討論WSN在飛行試驗中，對飛機各項參數(shù)測試方面的應用可能性。

圖1　WSN基本結(jié)構(gòu)示意圖

2　飛機試驗的意義、傳統(tǒng)測試方法與特點

所謂飛行試驗，即通過飛機飛行，獲取大量相關(guān)的定性、定量的數(shù)據(jù)信息，通過對數(shù)據(jù)的分析，確定飛機及其系統(tǒng)的性能，從而檢驗新機型飛機對各種技術(shù)指標、設(shè)計標準規(guī)范的符合性。為獲得這些數(shù)據(jù)，必須在機上組建相應的數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)，傳統(tǒng)的試飛測試系統(tǒng)（如ADAS）測試主要工作過程為，先由傳感器（包括信號調(diào)節(jié)器）將感知到的重要飛機參數(shù)如（迎角、側(cè)滑角等）送入專用的數(shù)據(jù)采集器（如1553B），數(shù)據(jù)采集器則將多個測量參數(shù)按一定的格式合并為一個單一的數(shù)據(jù)流，然后通過無線信道將其發(fā)送出去，或利用磁記錄系統(tǒng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)后，在地面可對其進行處理分析，根據(jù)處理結(jié)果建立數(shù)學模型，得出飛機相關(guān)系統(tǒng)性能的結(jié)論。

然而，該測試系統(tǒng)面臨的問題是，對機載傳感器而言，無論是電源的輸送、數(shù)據(jù)的傳輸，都需由電纜提供。傳感器數(shù)量如此之多，勢必導致電纜數(shù)量相應增長，從而使系統(tǒng)復雜、布線困難。有些傳感器的位置比較特殊，所處位置并不適合敷設(shè)電纜，否則會影響測控性能。然而，隨著人們對飛機安全性要求的不斷提高，試驗必將測試更多的系統(tǒng)參數(shù)，容易想象，如繼續(xù)使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將使電纜的數(shù)量達到難以接受的程度，如此極大地增加了飛機的重量，進而影響飛機的飛行性能。因此，有必要研制出一種新型的測試系統(tǒng)，解決此問題。下文以測量飛機顫振參數(shù)為例，探討在飛機上建立WSN測試系統(tǒng)的構(gòu)想。

3　WSN飛機參數(shù)測試系統(tǒng)的方案

顫振，是飛機飛行時產(chǎn)生的一種危險的現(xiàn)象，其發(fā)生原因，簡單說是由于飛機機翼上的瞬時氣動力與機翼彈性位移之間存在相位差，因而使振動機翼不斷從氣流中吸取能量而擴大振幅，尤其當飛機速度達到臨界速度V（亦稱顫振速度）時，振動開始發(fā)散，從而有可能導致結(jié)構(gòu)破壞。故對顫振參數(shù)的測試是十分重要的，飛機WSN顫振測試方案結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

如圖，在飛機的各個部位分布一定數(shù)量的無線傳感器，可稱之為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其作用為監(jiān)測傳感器所在區(qū)域的各項飛機狀態(tài)參數(shù)。如前文所述，欲測量機翼顫振狀況，即可在圖2所示飛機機翼與飛機機身接口處A、B位置安裝無線傳感器節(jié)點。終端計算機帶有一個匯聚節(jié)點。A、B傳感器將所感知到的機翼顫振狀態(tài)以單跳或多跳方式匯聚到終端計算機，終端計算機又與監(jiān)視計算機（監(jiān)控中心）相聯(lián)系。終端計算機的匯聚節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)視計算機，如此，測試者可通過觀察監(jiān)視計算機顯示器獲知飛機機翼的顫振狀況以及其變化趨勢。整個測控系統(tǒng)還應配有服務器，用以儲存所觀測到的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)作實時的處理，最后將處理的結(jié)構(gòu)送至終端計算機。

以上方案與傳統(tǒng)機載有線測試系統(tǒng)相比，有許多自身的優(yōu)勢，比如，在飛機各處的無線傳感器屬于微電子機載系統(tǒng)（MEMS），其本身體積小、重量輕，即使大量布置也不會過多增加飛機的重量，如此飛機的燃油利用率也大大提升，使航程更遠。另外，以往在對飛機各項參數(shù)測試過程中，由于環(huán)境的變化或測試方案的改變，傳統(tǒng)電纜式傳感器測試系統(tǒng)往往面臨大幅度的調(diào)整，缺乏靈活性，工作難度、復雜度與人力、物力與時間成本大大上升，甚至影響新機適航取證的進度。然而，WSN是一種自組織的的網(wǎng)絡(luò)，也就是說，網(wǎng)絡(luò)允許根據(jù)需要加入新的監(jiān)測節(jié)點，該節(jié)點將于原測控系統(tǒng)中的其它節(jié)點自發(fā)組成一個新的網(wǎng)絡(luò)，提高了靈活性，降低了改裝的開銷，這對測試者來說是極具吸引力的。我國一些科研單位對此已作出了一些有益的嘗試，如西安閻良飛行試驗研究院研制出一套基于WSN的飛機剎車壓力測試系統(tǒng)，并作了實地測試，結(jié)果表明測試性能與傳統(tǒng)有線測試網(wǎng)絡(luò)相比相差無幾，完全滿足飛行試驗對測試精度的要求。

圖2　WSN飛機測試系統(tǒng)方案示意圖

4　進一步的設(shè)想

前文所述的測試，主要指在不改變飛機原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前提下，為獲得更多的性能參數(shù)，在飛機上加裝許多無線傳感器構(gòu)成測試網(wǎng)絡(luò)。然而，飛機本體就有許多參數(shù)測試系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將測到的參數(shù)通過電纜輸送到儀表或者其他系統(tǒng)，使后者能夠發(fā)揮自身的作用。同樣，由于機內(nèi)測試系統(tǒng)信號傳輸采用電纜傳輸，導致電纜數(shù)量過多，布線困難，維護不便，甚至有因電纜發(fā)生電氣失效而造成飛機墜毀的例子。循上文思路，我們可以設(shè)想，在飛機內(nèi)部參數(shù)測試網(wǎng)絡(luò)也采用WSN技術(shù)，則可很大程度上解決此類問題。

雖然此設(shè)想的前景十分誘人，但就現(xiàn)狀而言，仍然有一些困難需要克服。

其一，由于WSN采用無線通信方式，然而飛機上本身載又有其它電子設(shè)備（如通信、導航設(shè)施），故WSN測控系統(tǒng)工作時并非處于完全不受干擾的狀態(tài)。此外，機上的乘客常帶有電子產(chǎn)品，因此WSN網(wǎng)絡(luò)與后二者之間的電磁兼容問題必須予以考慮。如后者影響前者，則WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)誤差，影響測試參數(shù)的精度；如前者影響后者，則會導致機上其它電子設(shè)備不能正常工作，嚴重時可能會危及飛機飛行安全。

其二，若欲在飛機上布置WSN測控網(wǎng)絡(luò)，則需在飛機各個位置安裝無線傳感器，安裝須在飛機結(jié)構(gòu)上開孔。這樣就必須考慮孔所在位置是否影響飛機結(jié)構(gòu)性能。

第三，WSN網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器都自帶供電模塊，不由外界供電。但其容量十分有限，若在機載測試過程中電池耗盡，則該傳感器將失效，則相關(guān)系統(tǒng)也將失效。因此，WSN系統(tǒng)電源持續(xù)性的問題有待進一步研究解決。

5　總結(jié)與展望

由以上可知，WSN因自身的特殊優(yōu)勢，在飛行試驗中已有一些應用，效果良好。但若將該項技術(shù)運用與飛機內(nèi)部參數(shù)測試系統(tǒng)，鑒于上文所提到的一些實際問題，出于對飛機安全性的要求，目前尚無任何型號的飛機嘗試此項技術(shù)。但我們?nèi)匀豢梢哉J為，它是有著巨大潛力的。相信隨著WSN技術(shù)不斷成熟完善，WSN在機載上的應用將會越來越廣，甚至有可能使飛機的系統(tǒng)設(shè)計觀念發(fā)生產(chǎn)生革命性的變化。無論如何，其未來是十分值得期待的。

［1］ 王恒亮.胡濤.機載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用及適航性研究.航空科學技術(shù) 2014.2

［2］張瑩.張國強.基于ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛機狀態(tài)檢測系統(tǒng).計算機測量與控制 2010.5

［3］孫科.連帥.面向試飛測試領(lǐng)域的無線傳感器及其組網(wǎng)技術(shù)研究.高科技產(chǎn)品研發(fā) 2013.7

［4］鄭軍.張寶賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).2012.2

Application and Prospect of WSN technology in aircraft system parameter test

Lan Yiqun
（Shanghai Civil Aviation College，200232）

This paper introduces the concept of wireless sensor technology，discusses the possibility of application in the field of airborne testing，analyzes some of the problems that may be encountered，and its future applications are estimated.

Wireless sensor technology；airborne test