楊濤，王燕娜，劉世前

1.上海交通大學 航空航天學院，上海 200240

2.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，陜西 西安 710089

飛機機電系統(tǒng)包括飛機液壓、艙門、起落架、環(huán)控、電源、燃油、防火和防除冰等子系統(tǒng)。在早期的飛機上，各子系統(tǒng)都是各自獨立運行，完成各自的數(shù)據(jù)及信息處理，并通過各自專有的數(shù)據(jù)傳輸路徑與機組人員或地面維護人員進行信息交互，造成機上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系復(fù)雜，維護效率低下。當前，國內(nèi)外先進飛機（如波音787、A380、C919等）機電系統(tǒng)采用綜合化設(shè)計，基于多路數(shù)據(jù)傳輸總線和分布式計算機架構(gòu)實現(xiàn)對機電系統(tǒng)進行控制和信息的綜合。與之適應(yīng)，機電系統(tǒng)維護也向數(shù)據(jù)分布式采集、綜合診斷、總線傳輸、信息大容量存儲、信息數(shù)據(jù)庫等方向發(fā)展[1-4]。

當前論述機電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、故障診斷邏輯算法等方面的文章較多，故本文不作贅述。本文重點針對機電系統(tǒng)維護信息的傳輸架構(gòu)和具體的維護信息傳輸實現(xiàn)方法進行研究。

1 需求分析

飛機機電系統(tǒng)涉及電、液、氣、熱、機械等多專業(yè)領(lǐng)域，各子系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，同時與航電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)也有大量信息交聯(lián)，機載設(shè)備數(shù)量眾多、故障模式繁雜，維護人員的維護難度和工作量巨大。

隨著機載設(shè)備可靠性的不斷提高和機上測試診斷能力的不斷完善，當前飛機的維修體制已由基層級、中繼級和基地級維修的三級維修體系向基層級和基地級兩級維修體系轉(zhuǎn)變，由定期維修向視情維修、自主保障轉(zhuǎn)變，這就要求飛機能夠快速、準確、便捷地向地面維護人員提供維護信息以縮短維護時間、提高維護維修效率。因此針對機電系統(tǒng)維護信息傳輸架構(gòu)和方法進行研究十分必要。

對操作人員的實際使用、系統(tǒng)的實際運行場景進行分析，提出機電系統(tǒng)的維護信息傳輸管理設(shè)計有以下需求：

（1）隨著飛機的系列化發(fā)展、系統(tǒng)及機載設(shè)備的更改完善、各類加改裝項目的實施，機上的機載設(shè)備不可避免地會出現(xiàn)多狀態(tài)、多版本同時存在的狀態(tài)。這使得機載設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)管理會更加困難，給維護人員進行飛機維護增加了難度，維護人員在維護過程中一旦出現(xiàn)狀態(tài)錯用，可能會造成極其嚴重的后果。因此需要研究一套能夠有效進行機載設(shè)備技術(shù)狀態(tài)管理的系統(tǒng)及架構(gòu)，使維護人員能夠?qū)崟r掌握機上設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)。

（2）機電系統(tǒng)機載設(shè)備數(shù)量眾多，如何能夠使維護人員快速進行機載設(shè)備的健康狀態(tài)判斷，對于提高飛機的維護效率至關(guān)重要，因此需要設(shè)計一套地面測試管理架構(gòu)及流程，維護人員可以在機上進行設(shè)備的健康狀態(tài)檢測操作，快速定位故障并對設(shè)備進行替換。同時該架構(gòu)及流程能夠柔性適應(yīng)系統(tǒng)的變化，避免隨著系統(tǒng)機載設(shè)備數(shù)量的變換而出現(xiàn)顛覆性的反復(fù)。

（3）機電系統(tǒng)故障條目多、類型繁雜，但這些故障信息是系統(tǒng)進行持續(xù)優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)，同時大量的歷史故障數(shù)據(jù)也是系統(tǒng)的重要技術(shù)數(shù)據(jù)資源，對系統(tǒng)進行故障趨勢判斷、健康管理設(shè)計及深度數(shù)據(jù)挖掘等意義重大。在飛機的實際外場使用過程中，由于數(shù)據(jù)記錄的缺失，故障信息沒有被妥善保存，致使具有重要利用價值的故障數(shù)據(jù)資源被丟棄。因此有效地進行機電系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)傳輸、管理、記錄，對系統(tǒng)進行故障數(shù)據(jù)積累很有必要。

本文以某型機為例對機電系統(tǒng)的維護信息傳輸架構(gòu)及具體方法進行論述。

2 系統(tǒng)維護信息傳輸架構(gòu)

某型飛機由機電管理計算機、機電數(shù)據(jù)總線、通用接口數(shù)據(jù)采集裝置和其他少數(shù)獨立的控制裝置共同構(gòu)成機電綜合控制與管理架構(gòu)。通用接口數(shù)據(jù)采集裝置和獨立的控制裝置完成傳感器信息的分布式采集及預(yù)處理，并將信息通過機電總線上傳至機電管理計算機，由機電管理計算機完成系統(tǒng)信息的綜合處理，并通過航電總線與航電系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交聯(lián)，通過航電系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的顯示、告警等功能。

在系統(tǒng)架構(gòu)方面，機電管理計算機采用時空分區(qū)的操作系統(tǒng)，在正常控制、指示與告警功能外，單獨設(shè)置維護管理分區(qū)[5]。由維護管理分區(qū)完成與維護信息相關(guān)的功能處理，并將維護信息通過航電總線上傳至中央維護系統(tǒng)，向維護人員進行信息提示。該架構(gòu)考慮了維護管理功能與系統(tǒng)控制、顯示等主功能的資源及信息共享，提高資源利用率。同時與主功能進行了隔離，不影響主功能的正常執(zhí)行。機電系統(tǒng)維護信息傳輸架構(gòu)如圖1所示。基于本文第一節(jié)的需求分析，進行了機電系統(tǒng)的軟硬件版本管理、地面測試管理和故障信息傳輸處理功能設(shè)計。

3 詳細實現(xiàn)原理

3.1 機載設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)管理

機電系統(tǒng)各設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)管理包含設(shè)備的軟硬件版本管理，處理流程如圖2所示，具體過程如下：（1）機電管理計算機實時將下游設(shè)備的最新通信在線狀態(tài)發(fā)送給中央維護系統(tǒng)[6]；（2）中央維護系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備通信在線狀態(tài)，向機電管理計算機發(fā)送該設(shè)備的軟硬件配置信息請求命令，由機電管理計算機下發(fā)至下游對應(yīng)設(shè)備；（3）下游設(shè)備接收到配置請求命令后，將自身的軟硬件信息通過總線上報至機電管理計算機，機電管理計算機負責完成對所有機電系統(tǒng)下游設(shè)備的綜合軟硬件版本管理，并與上游的中央維護系統(tǒng)進行指令和信息交互。

圖1 系統(tǒng)維護信息傳輸架構(gòu)圖Fig.1 System maintenance information transmission architecture

在飛機上電過程中，由于各設(shè)備的上電時機、工作模式并不完全相同，因此統(tǒng)一在同一時刻去獲取所有設(shè)備的軟硬件信息十分困難，機電管理計算機作為信息傳輸?shù)闹袠协h(huán)節(jié)，不能簡單地直接轉(zhuǎn)發(fā)中央維護系統(tǒng)的命令，需要根據(jù)下游所有設(shè)備的工作特性建立機電系統(tǒng)軟硬件版本管理時序流程。當機電管理計算機收到上游中央維護系統(tǒng)下發(fā)的軟硬件信息發(fā)送命令后，根據(jù)內(nèi)部加載的軟硬件版本管理時序流程分時控制下游設(shè)備上報軟硬件信息，從而實現(xiàn)所有機電系統(tǒng)的綜合軟硬件版本信息管理。

3.2 測試管理

地面測試功能由操作人員人工啟動，機載設(shè)備在進行地面測試功能時，對自身設(shè)備的運行狀態(tài)進行自激勵檢測，并向操作人員報告自身的測試狀態(tài)信息，從而指導(dǎo)操作人員進行維護維修。機電管理計算機執(zhí)行機電系統(tǒng)地面測試功能，設(shè)計地面測試流程如下：

（1）操作人員在地面根據(jù)中央維護系統(tǒng)提供的界面，根據(jù)需要對機電系統(tǒng)中某一子系統(tǒng)下發(fā)地面測試命令，由中央維護系統(tǒng)通過航電總線下發(fā)至機電管理計算機。機電管理計算機轉(zhuǎn)發(fā)至下游設(shè)備。

（2）下游設(shè)備接收到機電管理計算機的命令后，根據(jù)自身的實時工作狀態(tài)進行響應(yīng)，并向機電管理計算機進行狀態(tài)回復(fù)。如果下游設(shè)備自身狀態(tài)不滿足進行地面測試條件，回復(fù)禁止，如果可以進行地面測試則回復(fù)進行中，機電管理計算機將接收到的下游設(shè)備的反饋信息實時上報給中央維護系統(tǒng)和操作人員。

圖2 軟硬件版本管理流程Fig.2 Software and hardware version management process

（3）在下游設(shè)備執(zhí)行地面測試過程中，如果接收到停止命令或由于設(shè)備自身狀態(tài)需要停止測試，則直接停止測試并向機電管理計算機上報測試停止。如果測試完成，向機電管理計算機發(fā)送測試結(jié)果。機電管理計算機將接收到的信息上報給中央維護系統(tǒng)和操作人員[7,8]。地面測試管理流程如圖3所示。

圖3 地面測試管理流程Fig.3 Ground test management process

機電系統(tǒng)下游子系統(tǒng)多，可對每個子系統(tǒng)設(shè)備固定ID編號，機電管理計算機在向下游設(shè)備發(fā)送指令時，附加地將對應(yīng)子系統(tǒng)的ID號同步發(fā)送給下游設(shè)備，下游設(shè)備對收到的指令進行判斷，只有滿足協(xié)議要求時才對指令進行響應(yīng)，提高系統(tǒng)的容錯能力，該方法為各機電子系統(tǒng)綜合測試提供了統(tǒng)一的管理方案。

3.3 故障信息傳輸處理

機電系統(tǒng)全機分布，涉及的子系統(tǒng)、機載設(shè)備、傳感器、作動器、元器件、零部件等非常多。對應(yīng)的故障信息也就非常多。據(jù)統(tǒng)計，飛機機電系統(tǒng)故障信息可以占全機故障總數(shù)的2/3 以上。需要制定一套標準規(guī)則將機電系統(tǒng)的所有故障信息高效地上報至中央維護系統(tǒng)。首先按照燃油、供電、液壓、環(huán)控等子系統(tǒng)，分類建立各子系統(tǒng)故障信息庫，每條故障設(shè)有唯一的故障標識ID，每條故障ID 與中央維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的故障碼對應(yīng)；為節(jié)省總線資源，當故障信息變化時，機電管理計算機同時將故障ID、對應(yīng)的發(fā)生次數(shù)和當前的故障狀態(tài)上報給中央維護系統(tǒng)，由中央維護系統(tǒng)作為終端記錄。故障傳輸處理流程如圖4所示。

4 驗證

在工程上，對本文所述的機電系統(tǒng)維護信息管理系統(tǒng)進行了實驗室驗證試驗和機上使用驗證試驗。在實驗室試驗中，采用航電系統(tǒng)仿真設(shè)備模擬航電系統(tǒng)人機交互，對系統(tǒng)的軟硬件版本管理、地面測試管理和故障傳輸處理功能進行了驗證。在機上使用驗證過程中，操作人員在駕駛艙按照飛機實際使用過程進行了軟硬件版本管理和測試管理過程使用操作。驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)試驗效果良好，可有效指導(dǎo)維護人員的使用。

5 結(jié)束語

本文圍繞機電系統(tǒng)的維護信息傳輸與管理，論述了機電系統(tǒng)綜合維護管理信息傳輸架構(gòu)，并進行了系統(tǒng)的軟硬件版本管理、測試管理及故障傳輸處理等功能設(shè)計。通過工程驗證，滿足了用戶對飛機機電系統(tǒng)維護管理的需求，提高了維護效率，降低了維護成本，同時具有良好的擴展性。對國內(nèi)飛機機電系統(tǒng)的綜合維護管理設(shè)計有一定的借鑒意義。

圖4 故障處理流程Fig.4 Fault handling process