張文林，李玄玄，王 凱，李伯寧

(中國民航大學(xué) a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心；b.電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300)

0 引言

隨著航電系統(tǒng)性能的不斷完善，結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，其維修保障問題尤為突出[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，航電機載設(shè)備的故障次數(shù)占全機故障總數(shù)的40%以上，其維修時間占整機維修時間的1/3左右[3]。在實際維修中，傳統(tǒng)的航電系統(tǒng)故障診斷方法主要是按照故障隔離手冊(TSM)來排除故障，檢測步驟比較多，過程比較繁瑣，有時嚴重依賴維修人員的實際經(jīng)驗，這對于維修人員的素質(zhì)要求較高。在保證安全的前提下，隨著民航機隊規(guī)模的增大,運用傳統(tǒng)方法進行航線排故已越來越不能滿足要求[4]，迫切需要一種更快更智能的診斷方法。

目前航電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)大多都是專家系統(tǒng)。例如，楊占才等[5]綜合基于規(guī)則推理、模糊模型和案例等診斷方法的優(yōu)勢，設(shè)計出一套航電設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了推理的智能化和綜合化。邱永慶[6]提出了二元決策圖的故障診斷方法，并結(jié)合基于事例推理的優(yōu)勢，開發(fā)了一套飛機航線維護排故專家系統(tǒng)。但是目前專家系統(tǒng)很難將維修人員的實際經(jīng)驗有效轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)的知識，而且推理機制相對單一，很難達到預(yù)期水平。

目前市場上的新機型大多安裝有自檢裝置和機載維護系統(tǒng)(OMS)[7]，成員系統(tǒng)可以通過自檢生成維護信息，機載維護系統(tǒng)負責(zé)收集成員系統(tǒng)產(chǎn)生的維護信息，經(jīng)過分析和處理，生成相應(yīng)的故障消息[8]。飛機排故過程中，OMS系統(tǒng)可以輔助機務(wù)人員進行故障的定位。對OMS系統(tǒng)的核心—故障診斷方法進行研究可以實現(xiàn)飛機故障的快速檢測與隔離。但是目前的機載維護系統(tǒng)的故障診斷功能存在虛警率高，不能實現(xiàn)動態(tài)診斷，故障診斷方法還有待進一步完善。

綜上所述，針對目前航電系統(tǒng)診斷方法存在的不足，本文以航電集成測試系統(tǒng)為平臺，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的航電故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計方法，將實現(xiàn)并完善機載維護系統(tǒng)的故障診斷功能部分作為研究目標，有效針對航電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行快速、全面以及動態(tài)診斷，提高維修效率，簡化和優(yōu)化排故流程，并將其應(yīng)用在航電集成測試平臺中，來對故障診斷系統(tǒng)的功能、性能進行全面驗證，推動進一步應(yīng)用在真實航線維修中。

1 航電集成測試環(huán)境

1.1 航電集成測試平臺組成

航電集成測試平臺通過實時動態(tài)模擬飛機在不同飛行環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互，向系統(tǒng)提供動態(tài)運行所需的仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)仿真模型與真實機載設(shè)備之間信號的激勵、監(jiān)測、顯示與響應(yīng)[9-10]。

本實驗室的航電系統(tǒng)集成測試平臺主要包括左、右兩套航電系統(tǒng)仿真激勵器以及若干通信導(dǎo)航系統(tǒng)仿真器等。其中，航電系統(tǒng)仿真激勵器硬件包括兩套獨立的工控機、相應(yīng)板卡以及信號調(diào)理箱。

工控機：運行駐留程序，包括飛行管理系統(tǒng)(FMS)、顯控系統(tǒng)、機載維護系統(tǒng)(OMS)、綜合監(jiān)視系統(tǒng)(ISS)、大氣慣性基準系統(tǒng)(ADIRS)及遠程數(shù)據(jù)接口組件等仿真程序，仿真其接口的輸入輸出功能[11]。

板卡：包括AFDX板卡、ARINC429板卡以及離散I/O板卡等，實現(xiàn)通信導(dǎo)航數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

1.2 航電集成測試平臺的故障診斷架構(gòu)分析

航電集成測試平臺的工作流程：在工控機上運行航線想定程序，來實現(xiàn)航電系統(tǒng)接口仿真模塊在飛機運行中的動態(tài)設(shè)置，實時模擬每一飛行階段過程中可能進行的通信、導(dǎo)航信息的交互。

在飛機仿真飛行過程中，可以動態(tài)模擬典型航電系統(tǒng)常見的功能故障，生成相應(yīng)的維護信息；在飛行仿真結(jié)束后，在地面對航電系統(tǒng)(各個仿真器)進行自檢操作，也會生成維護信息。

圖1 航電集成測試平臺的故障診斷架構(gòu)

航電集成測試平臺的故障診斷架構(gòu)如圖1所示，本文的故障診斷系統(tǒng)將作為機載維護系統(tǒng)(OMS)中故障診斷的一部分，通過自動獲取ARINC664總線中傳輸?shù)木S護信息，作為本故障診斷系統(tǒng)的輸入信息來源之一，并結(jié)合其他來源信息以及歷史維修數(shù)據(jù)進行綜合分析，實現(xiàn)故障的動態(tài)診斷與全面推理。

2 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計方法

2.1 航電系統(tǒng)診斷模型

針對目前航電系統(tǒng)更快、更準的診斷需求，本文提出利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)來建立航電系統(tǒng)故障診斷模型。主要包括結(jié)構(gòu)和參數(shù)兩部分。

結(jié)構(gòu)：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的圖形化方法，可以實現(xiàn)對航電系統(tǒng)的多故障、關(guān)聯(lián)故障等復(fù)雜關(guān)系的定性表示，保證構(gòu)建的航電系統(tǒng)診斷模型易于更新。

參數(shù)：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的條件概率參數(shù)，實現(xiàn)對航電系統(tǒng)故障之間的不確定關(guān)系的定量表達。對于航空電子系統(tǒng)來說，獲取到完整的故障樣本數(shù)據(jù)很困難，而且仿真數(shù)據(jù)的真實性又難以保證?；诓煌陚涞臍v史維修數(shù)據(jù)，本文將綜合關(guān)聯(lián)規(guī)則算法與專家經(jīng)驗的結(jié)果，實現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的條件概率參數(shù)學(xué)習(xí)。隨著維修數(shù)據(jù)量的不斷增加，參數(shù)更趨向于特定飛機的實際故障頻率，保證了參數(shù)的客觀性，實現(xiàn)了參數(shù)的動態(tài)學(xué)習(xí)。

推理：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)有多種推理算法，可以實現(xiàn)雙向并行推理，不斷更新后驗概率分布，從而實現(xiàn)故障診斷的動態(tài)化。

本文以甚高頻系統(tǒng)(VHF)為例，通過分析歷史維修數(shù)據(jù)、TSM手冊、專家實際經(jīng)驗等，構(gòu)建出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的VHF系統(tǒng)診斷模型如圖2所示。

圖2 VHF系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷模型

其中，Tn為葉節(jié)點，代表系統(tǒng)現(xiàn)象；Mn代表中間節(jié)點，代表組件故障狀態(tài)；Dn為根節(jié)點，代表底層的故障原因；Bn為維護信息，作為部分觀測證據(jù)節(jié)點。部分節(jié)點的具體含義如表1所示。

表1 部分節(jié)點的含義

續(xù)表

2.2 故障診斷系統(tǒng)的功能框圖

故障診斷系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 故障診斷系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖

本文的故障診斷系統(tǒng)主要包括ARINC664接口模塊、ARINC624解碼模塊、觀測證據(jù)模塊、人機交互模塊、初始化模塊、歷史維修數(shù)據(jù)庫模塊、航電系統(tǒng)診斷模型模塊、顯示模塊等。

ARINC664接口：滿足航空總線規(guī)范，可以實時接收到ARINC664總線傳輸?shù)母鞒蓡T系統(tǒng)的維護信息；

ARINC624解碼模塊：成員系統(tǒng)的維護信息滿足機載維護系統(tǒng)要求，符合ARINC624規(guī)范，ARINC624解碼模塊用于接收和解碼ARINC664接口獲取的維護信息，為航電系統(tǒng)診斷模塊提供部分觀測證據(jù)；

觀測證據(jù)模塊：可以收集來自ARINC624解碼模塊輸入的BITE信息和人機交互模塊輸入的信息，作為觀測證據(jù)輸入到航電系統(tǒng)診斷模塊中；

航電系統(tǒng)診斷模型：實時讀取觀測證據(jù)模塊傳輸?shù)男畔?，并結(jié)合貝葉斯推理算法進行推理分析，不斷輸出故障原因的后驗概率分布，每一次觀測證據(jù)的輸入都會更新故障原因的后驗概率分布，直至輸入完所有的觀測證據(jù)。

人機交互模塊：提供維修人員來人工輸入維護信息外的其他觀測證據(jù)，包括系統(tǒng)現(xiàn)象以及利用外接設(shè)備檢測得到的結(jié)果等。

顯示模塊：實時顯示后驗概率分布與綜合維修決策，便于維修人員查看并進行指導(dǎo)維修。

歷史維修數(shù)據(jù)庫模塊：儲存歷史維修數(shù)據(jù)，便于查詢和信息挖掘操作。

2.3 故障診斷系統(tǒng)的工作流程圖

故障診斷系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 故障診斷系統(tǒng)工作流程圖

開啟診斷時，首先進行初始化操作，重新加載歷史維修數(shù)據(jù)庫，讀取航電系統(tǒng)診斷模型；其次，通過ARINC664接口自動獲取ARINC664總線傳輸?shù)母鞒蓡T系統(tǒng)的維護信息，通過ARINC624解碼模塊來解碼獲得BITE信息，人機交互模塊提示維修人員輸入已知的故障信息，并將BITE信息與人機交互模塊的信息實時傳輸?shù)接^測證據(jù)模塊；然后，觀測證據(jù)依次輸入到航電系統(tǒng)診斷模型中，結(jié)合推理算法進行實時推理分析，每一條觀測證據(jù)都不斷更新故障節(jié)點的后驗概率分布，最后給出維修決策；當(dāng)按照維修決策進行操作時，將每一步檢測的結(jié)果也要輸入到診斷模型中，再次更新后驗概率分布，直至診斷出具體的故障原因；最后，將維修結(jié)果作為新的維修數(shù)據(jù)添加到歷史維修數(shù)據(jù)庫中，故障診斷過程結(jié)束，然后重新初始化故障診斷平臺，等待下一次平臺的開啟。

2.4 故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)

故障診斷模型的輸入輸出及函數(shù)實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 航電系統(tǒng)診斷模型的輸入輸出

(1)參數(shù)輸入：故障節(jié)點的狀態(tài)為觀測證據(jù)，是故障診斷系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。觀測證據(jù)的獲取流程圖如圖6所示。

圖6 觀測證據(jù)的獲取流程圖

(2)調(diào)用與仿真實現(xiàn)：本文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)仿真軟件GeNIe2.3來建立航電系統(tǒng)故障診斷模型，保存為.xdsl格式。本文將通過SMILE接口來獲取并調(diào)用.xdsl格式的故障診斷模型，從而實現(xiàn)航電系統(tǒng)診斷模型的讀取、故障節(jié)點的查找、故障節(jié)點狀態(tài)的設(shè)置、觀測證據(jù)的輸入、后驗概率的更新及輸出顯示等，基本流程如圖7所示。

圖7 SMILE接口調(diào)用診斷模型的基本流程

(3)輸出參數(shù)

輸出參數(shù)包括后驗概率分布以及維修決策信息，并保存到數(shù)據(jù)庫中。本文數(shù)據(jù)庫的建立一方面便于利用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法讀取歷史維修數(shù)據(jù)表來挖掘歷史維修數(shù)據(jù)包含的強關(guān)聯(lián)規(guī)則，實現(xiàn)故障診斷模型參數(shù)的更新與學(xué)習(xí)，同時也保存了故障診斷模型結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，當(dāng)故障診斷模型結(jié)構(gòu)更新后，可以實現(xiàn)替換。

3 航電集成測試平臺的仿真驗證

3.1 航電集成測試平臺的激勵與仿真

(1)在工控機上運行航線想定程序，實現(xiàn)航電系統(tǒng)接口仿真模塊在飛機運行過程中的動態(tài)設(shè)置，包括飛機從供電開始，經(jīng)發(fā)動機啟動、起飛、爬升、巡航、下降、近進、著陸到發(fā)動機停車等不同階段所可能進行的通信、導(dǎo)航信息的交互。

(2)在仿真飛行過程中，模擬典型通信導(dǎo)航系統(tǒng)功能故障的發(fā)生，實現(xiàn)仿真激勵器與通信、導(dǎo)航機載設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，生成相應(yīng)的維護信息。

(3)在仿真飛行結(jié)束后，對航電系統(tǒng)中的各通信導(dǎo)航設(shè)備仿真器進行自檢。

(4)故障診斷系統(tǒng)實時通過ARINC664接口自動獲取ARINC664總線中的維護信息。

(5)提供人機交互窗口，輸入維護信息之外的其他觀測證據(jù)，同步顯示每一步的后驗概率與維修決策信息。

3.2 故障診斷系統(tǒng)的仿真結(jié)果

自動從航電集成測試平臺中獲取到相應(yīng)的維護信息，并在觀測證據(jù)選項中人工輸入其他部分觀測證據(jù)，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 故障診斷系統(tǒng)仿真結(jié)果

由故障診斷系統(tǒng)的仿真結(jié)果中可知，此時XCVR1_Hardware(收發(fā)機1硬件)的后驗概率最高，應(yīng)該先進行維修操作，但是考慮到維修的安全性指標，首先對其進行電源檢測(若部件電源已檢測，則同一電源的其他部位不再提示，避免重復(fù)檢測電源)，然后再給出節(jié)點XCVR1_Hardware的后驗概率分布以及維修步驟。

當(dāng)按照維修步驟來對XCVR1_Hardware部位實施檢測時，若確定其故障，則完成故障診斷；若檢測出無故障，則自動將XCVR1_Hardware正常的狀態(tài)作為觀測證據(jù)輸入到診斷模型中，再次更新后驗概率分布和綜合維修決策，按照相同的流程進行檢測，直至定位到故障源，實現(xiàn)故障診斷動態(tài)化過程。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計方法，并應(yīng)用到航電集成測試平臺中，通過自動獲取BITE信息并融合其他信息進行綜合診斷。仿真結(jié)果表明，本故障系統(tǒng)可以針對航電系統(tǒng)的故障進行有效推理，在功能與性能都達到了要求，提高了故障診斷的效率，簡化和優(yōu)化了排故流程，實現(xiàn)了故障診斷的動態(tài)化和智能化水平，對于國產(chǎn)機載維護系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的研究價值。