鄧澤勇,曹 東,邵海龍

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211100)

1 引言

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)主要由感知飛行狀態(tài)的傳感器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制功能的機(jī)載飛行控制計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱“飛控計(jì)算機(jī)”)以及操縱舵面運(yùn)動(dòng)的伺服子系統(tǒng)組成[1]。飛控計(jì)算機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)的調(diào)度，管理無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的其它子模塊[2]，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)調(diào)整系統(tǒng)控制策略。無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境復(fù)雜惡劣，任務(wù)載荷大，無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備長(zhǎng)期遭受如強(qiáng)震、高低溫、電磁干擾和硬部件結(jié)構(gòu)損傷等因素影響；同時(shí)，由于飛控計(jì)算機(jī)自身的原因，例如飛控軟件程序設(shè)計(jì)、測(cè)試不完善，電路結(jié)構(gòu)、元器件老化等因素，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤，這些都可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)期間飛控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)各種類型的故障，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)整個(gè)系統(tǒng)失效。利用容錯(cuò)技術(shù)可以顯著提高飛控計(jì)算機(jī)的任務(wù)可靠性和安全性。容錯(cuò)技術(shù)是指系統(tǒng)在其組成部分出現(xiàn)特定故障或差錯(cuò)的情況下仍然能執(zhí)行規(guī)定功能的一種特性[3]，主動(dòng)容錯(cuò)控制技術(shù)需要在最短時(shí)間內(nèi)捕獲故障信息，因此實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)容錯(cuò)最主要、最基本的要求。為了提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，飛控計(jì)算機(jī)通常采用余度技術(shù)。作為各余度模塊之間信息傳遞的通道，總線在余度技術(shù)中具有至關(guān)重要的作用。

ARINC659背板數(shù)據(jù)總線(簡(jiǎn)稱ARINC659總線)是基于時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)的雙-雙余度配置的容錯(cuò)串行總線[4]，支持魯棒的時(shí)間分區(qū)和空間分區(qū)。相比其它總線，該基于時(shí)間表驅(qū)動(dòng)的總線型多節(jié)點(diǎn)串行通信總線，具有完備的數(shù)據(jù)通信確定性和容錯(cuò)性、高數(shù)據(jù)傳輸量等特點(diǎn)，非常適合在對(duì)可靠性和冗余容錯(cuò)性要求較高的飛行器綜合電子系統(tǒng)中作為標(biāo)準(zhǔn)背板總線使用。因此，在本文多余度飛控計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)上采用ARINC659總線，并且設(shè)計(jì)針對(duì)該對(duì)象飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法，之后搭建半物理仿真平臺(tái)，通過(guò)半物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該策略的有效性。

Figure 1 Structure of ARINC659 bus圖1 ARINC659 總線體系結(jié)構(gòu)

2 具有高容錯(cuò)性的ARINC659總線

ARINC659總線是美國(guó)航空電子工程師協(xié)會(huì)(AEEC)在1993年頒布的民用航空電子系統(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)背板總線。該總線具有高可靠性、強(qiáng)容錯(cuò)能力、傳輸數(shù)據(jù)確定和高吞吐量等特點(diǎn)[5]。ARINC659總線采用表驅(qū)動(dòng)比例訪問(wèn)的通信機(jī)制，通過(guò)表程序事先定義每個(gè)時(shí)間串口上發(fā)送、接收的模塊單元和收發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，因此不存在數(shù)據(jù)傳輸沖突與硬件模塊等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。在傳輸量方面，ARINC659總線最大的數(shù)據(jù)傳輸速率為60 Mbps，傳輸效率達(dá)到98%[6]。在線可更換模塊LRM(Line Replaceable Module)之間可以通過(guò)總線進(jìn)行信息交互。ARINC659 總線體系架構(gòu)如圖1所示，ARINC659總線使用4條總線同時(shí)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)和半雙工傳輸[7]，1條ARINC659總線配置有雙總線對(duì)(A與B)，每對(duì)總線具有“x總線”與“y總線”2條總線，共4條總線(Ax，Ay，Bx，By)。這4條總線上的數(shù)據(jù)傳輸由2個(gè)總線接口單元BIUx與BIUy控制，BIUx負(fù)責(zé)Ax和Bx總線數(shù)據(jù)的收發(fā)，BIUy負(fù)責(zé)Ay和By總線數(shù)據(jù)的收發(fā)，2個(gè)總線接口單元BIU(Basic Interface Unit)在對(duì)4條總線數(shù)據(jù)接收的同時(shí)，也對(duì)4條總線進(jìn)行Ax=Ay，Bx=By，Ax=By，Bx=Ay的交叉檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)4條總線之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選擇正確的數(shù)據(jù)同時(shí)糾正錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，因此ARINC659總線具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性。

3 飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

Figure 2 Structure of flight control computer based on ARINC659 bus圖2 ARINC659飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

ARINC659總線多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)架構(gòu)主要由3個(gè)模塊組成，包括Zynq處理器模塊ZPM(Zynq Processor Module)、接口模塊IOM(Input and Output Module)和供電模塊PSM(Power Supply Module)。ZPM負(fù)責(zé)控制律的計(jì)算、飛行任務(wù)的管理、故障的診斷與容錯(cuò)策略的實(shí)施。IOM用于外部數(shù)據(jù)輸入輸出，輸入和輸出的信號(hào)量包括模擬量(AD，DA)、開(kāi)關(guān)量(DI，DO)、RS232/RS422數(shù)字量和PWM信號(hào)。IOM采集外部設(shè)備信號(hào)，通過(guò)ARINC659總線發(fā)送至ZPM，為ZPM提供導(dǎo)航信息與外部設(shè)備的工作狀態(tài)。ZPM則通過(guò)ARINC659總線將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給IOM。IOM與ZPM之間都可以通過(guò)ARINC659總線和通道故障邏輯信號(hào)CFL(Channel Fault Logic)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

ARINC659總線飛控計(jì)算機(jī)采用的是相似多余度結(jié)構(gòu)，在硬件層面，采用的是n個(gè)獨(dú)立的、硬件資源與結(jié)構(gòu)完全一致的ZPM與m個(gè)IOM；軟件層面上，n個(gè)ZPM運(yùn)行相同的程序，通過(guò)表決確定各自優(yōu)先級(jí)。ZPM的工作方式為主從熱備份。對(duì)于飛控計(jì)算機(jī)而言，n個(gè)ZPM開(kāi)機(jī)之后同時(shí)工作，響應(yīng)完全相同的外部指令，執(zhí)行相同的控制策略，運(yùn)算相同的控制律算法，但是只有主控ZPM有權(quán)向外發(fā)出控制指令和數(shù)據(jù)，備份 ZPM只有監(jiān)測(cè)權(quán)限不具有控制權(quán)限，只接收外部信息的輸入，不控制指令和數(shù)據(jù)的輸出。工作過(guò)程中，每個(gè)ZPM將自身的運(yùn)行狀態(tài)向其它節(jié)點(diǎn)透明傳輸，并共同監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到主控ZPM發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)切斷主控ZPM與機(jī)載設(shè)備的聯(lián)系，由正常的備份ZPM接管控制權(quán)；當(dāng)檢測(cè)到備份ZPM故障時(shí)，不切換控制權(quán)限。該架構(gòu)下飛控計(jì)算機(jī)指令輸出時(shí)不需要經(jīng)過(guò)多通道表決，1個(gè)ZPM就具備完整的對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制權(quán)。

CFL信號(hào)是用于支持余度通道之間同步及故障診斷的離散量，包括CHV和DPV(Differential Pulse Voltammetry)2種信號(hào)。CHV信號(hào)的特點(diǎn)是一對(duì)多，即1個(gè)ZPM或IOM發(fā)送2路CHV信號(hào)，其余ZPM與IOM同時(shí)接收發(fā)送的CHV信號(hào);DPV信號(hào)的特點(diǎn)是一對(duì)一，即ZPM或IOM發(fā)送2路DPV信號(hào)，特定的某一個(gè)板卡接收該信號(hào)。因此,1個(gè)板卡上有2(m+n-1)路DPV信號(hào)發(fā)送端。這2個(gè)信號(hào)都可以用于支持余度通道之間的容錯(cuò)。以m=3，n=2為例，信號(hào)連接示意圖如圖3和圖4所示。

Figure 3 CHV signal connection diagram圖3 CHV信號(hào)連接示意圖

Figure 4 DPV signal connection diagram圖4 DPV信號(hào)連接示意圖

4 飛控計(jì)算機(jī)故障檢測(cè)

故障檢測(cè)是指當(dāng)系統(tǒng)有故障發(fā)生時(shí)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地判別發(fā)生的故障[8]。對(duì)于無(wú)人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)，可能發(fā)生的故障類型多種多樣，不同的故障產(chǎn)生的現(xiàn)象可能相同。飛控計(jì)算機(jī)故障檢測(cè)策略的側(cè)重點(diǎn)在于故障的結(jié)果，不需要精確定位故障的位置，而是從模塊層面上進(jìn)行檢測(cè)，關(guān)注點(diǎn)在于當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，設(shè)計(jì)的檢測(cè)策略能否及時(shí)有效地檢測(cè)出處于故障狀態(tài)的模塊，進(jìn)而及時(shí)將故障模塊進(jìn)行隔離處理。

4.1 故障類型描述

飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障主要分為軟件故障和硬件故障，從故障的時(shí)長(zhǎng)和可維護(hù)角度又可以分為間歇性故障、瞬態(tài)故障和永久故障[9,10]。飛控計(jì)算機(jī)中主要的故障模式及其產(chǎn)生的影響如表1所示。

通過(guò)上述故障模式分析可知，在無(wú)人機(jī)正常飛行過(guò)程中，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)生的故障多種多樣，且大多數(shù)故障是瞬時(shí)故障或者間歇故障，只有少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)永久故障[11]。飛控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、控制律算法、航路規(guī)劃和飛行任務(wù)管理等，控制無(wú)人機(jī)正常飛行與執(zhí)行任務(wù)。由于飛控計(jì)算機(jī)的重要性，故應(yīng)盡可能提高對(duì)飛控計(jì)算機(jī)故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和覆蓋率，保障飛控計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行。因此，本文提出3種針對(duì)上述故障的檢測(cè)方法：基于系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的故障檢測(cè)、基于通道故障邏輯信號(hào)CFL的故障檢測(cè)和基于自適應(yīng)心跳信號(hào)的故障檢測(cè)。

Table 1 Failure modes and the corresponding influence analysis of flight control computer表1 飛控計(jì)算機(jī)故障模式及其影響分析

4.2 基于系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的故障檢測(cè)

ZPM中每個(gè)板卡的軟件運(yùn)行狀態(tài)分為3種，分別為空閑狀態(tài)、檢測(cè)狀態(tài)和控制狀態(tài)，各狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換。

(1)空閑狀態(tài)：ZPM處于上電之后的空閑態(tài)，只執(zhí)行最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)交互任務(wù)。

(2)檢測(cè)狀態(tài)：無(wú)人機(jī)在地面時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)處于檢測(cè)無(wú)人機(jī)狀態(tài)的模式，仍不進(jìn)行與控制有關(guān)的任務(wù)調(diào)度算法。

(3)控制狀態(tài)：ZPM的進(jìn)行與控制有關(guān)的任務(wù)的調(diào)度算法，無(wú)人機(jī)處于從滑跑到著陸的某個(gè)階段，在該階段中ZPM負(fù)責(zé)控制無(wú)人機(jī)正常運(yùn)行。

狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要指令，若在飛控計(jì)算機(jī)未收到相應(yīng)指令的情況下發(fā)生ZPM狀態(tài)轉(zhuǎn)換，則可判斷軟件出現(xiàn)異常。

3個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。

Figure 5 State transfer diagram of ZPM software圖5 ZPM軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

ZPM狀態(tài)可以通過(guò)軟件來(lái)表示，通過(guò)ARINC659總線傳輸至其余ZPM，其余ZPM通過(guò)將自身的運(yùn)行狀態(tài)與檢測(cè)到的其余ZPM狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，既可以判斷自身是否發(fā)生故障，又可以判斷其他節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障，是一種自檢測(cè)與互檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)方法。

4.3 基于通道故障邏輯信號(hào)CFL的故障檢測(cè)

利用CFL信號(hào)進(jìn)行故障檢測(cè)的基本思想是：針對(duì)CFL信號(hào)，設(shè)置一種特定的信號(hào)發(fā)送邏輯，當(dāng)系統(tǒng)軟件或硬件出現(xiàn)故障時(shí)，CFL信號(hào)發(fā)送邏輯發(fā)生改變，與原設(shè)定發(fā)送方式不匹配。因此，可以通過(guò)檢測(cè)CFL信號(hào)來(lái)判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

每個(gè)ZPM與IOM上含有2路CHV信號(hào)，分別用CHV0和CHV1來(lái)表示，每個(gè)ZPM或IOM發(fā)出2路CHV信號(hào)，其余ZPM與IOM同時(shí)接收，2路CHV信號(hào)以周期50 ms的方波信號(hào)形式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，同時(shí)CHV0與CHV1信號(hào)電平相反，避免了偶然性，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確率，具體如圖6所示。

Figure 6 Changes diagram of CFL signal 圖6 CFL信號(hào)變化圖

圖6中的T為方波翻轉(zhuǎn)周期，T1是采集CHV信號(hào)的周期。因?yàn)樘冄靥幍碾娖绞遣环€(wěn)定的，為了防止在采集CHV0與CHV1信號(hào)時(shí)恰好取到跳變沿，采集周期應(yīng)當(dāng)略大于方波的翻轉(zhuǎn)周期，因此取T1=52 ms。具體的檢測(cè)過(guò)程如下所示。

每個(gè)ZPM與IOM對(duì)采集到的來(lái)自其余ZPM與IOM的2路CHV信號(hào)，首先進(jìn)行極性判斷，以ZPMj為例，其余ZPM與IOM對(duì)ZPMj的CHV0與CHV1信號(hào)進(jìn)行采集檢測(cè)并進(jìn)行判斷。

條件1當(dāng)ZPMj正常處于主控或熱備份狀態(tài)時(shí)，其余ZPM與IOM采集到的ZPMj的CHV0與CHV1信號(hào)電平應(yīng)當(dāng)相反。

條件2當(dāng)前時(shí)刻ZMP與IOM采集到的ZPMj的CHV0和CHV1信號(hào)應(yīng)當(dāng)與上個(gè)時(shí)刻采集到的CHV0和CHV1信號(hào)電平相反。

只有當(dāng)條件1與條件2都滿足時(shí)，才能判定被檢測(cè)的ZPMj處于正常狀態(tài)。當(dāng)條件1與條件2中有1個(gè)不滿足時(shí)，故障次數(shù)加1，當(dāng)同時(shí)滿足條件1與條件2時(shí)，則將故障次數(shù)清零。當(dāng)累積故障次數(shù)大于給定閾值時(shí)，則可以判定ZPMj發(fā)生了故障。

2.4.3 穩(wěn)定性試驗(yàn) 取橘葉藥材粉末（S14），按“2.1”項(xiàng)下方法制備供試品溶液，按“2.2”色譜條件，分別于0、2、4、6、12、24 h進(jìn)樣采集色譜圖。以橙皮苷為參照峰，各共有峰相對(duì)保留時(shí)間RSD＜1.0%，相對(duì)峰面積的RSD＜5.0%。結(jié)果表明，樣品在室溫下24小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定。

在CHV信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，引用DPV信號(hào)來(lái)進(jìn)一步提高檢測(cè)的可靠性?？梢岳肈PV信號(hào)來(lái)表征系統(tǒng)狀態(tài)，每個(gè)ZPM有2路DPV信號(hào)發(fā)送端，可以表示4個(gè)狀態(tài)，選用其中3個(gè)可以表示系統(tǒng)空閑狀態(tài)、檢測(cè)狀態(tài)與控制狀態(tài)，如表2示。

Table 2 State of the system represented by CFL表2 CFL表征的系統(tǒng)狀態(tài)

DPV表征的系統(tǒng)狀態(tài)根據(jù)CHV0與CHV1的變化而變化，避免了系統(tǒng)故障檢測(cè)的偶然性。4.2節(jié)中基于系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)是在軟件層面上進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)ARINC659總線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。基于CFL信號(hào)的故障檢測(cè)則是從硬件層面上，通過(guò)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行信息交互，與基于總線傳輸?shù)臓顟B(tài)檢測(cè)形成互補(bǔ)，對(duì)某個(gè)ZPM當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，其他ZPM既可通過(guò)總線獲取狀態(tài)信息，也可根據(jù)CFL信號(hào)來(lái)獲取，當(dāng)二者結(jié)果不一致時(shí)，會(huì)給出以下判斷：

(1)被檢測(cè)ZPM的CFL信號(hào)出現(xiàn)了故障；

(2)被檢測(cè)ZPM的軟件運(yùn)行出現(xiàn)了故障；

(3)被檢測(cè)ZPM的軟件運(yùn)行與CFL信號(hào)均出現(xiàn)了故障。

對(duì)于以上3種情況，無(wú)論哪種情況下，均認(rèn)為此時(shí)被檢測(cè)的ZPM不再可靠，判定該ZPM出現(xiàn)了故障，在之后的容錯(cuò)策略中會(huì)對(duì)故障進(jìn)行隔離與系統(tǒng)重構(gòu)。

4.4 基于自適應(yīng)心跳信號(hào)的故障檢測(cè)

在ZPM與IOM軟件運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建心跳檢測(cè)任務(wù)，每隔1個(gè)時(shí)間周期T，每個(gè)ZPM與IOM通過(guò)ARINC659總線向其余ZPM與IOM發(fā)送心跳包。以ZPM為例，心跳信號(hào)檢測(cè)流程如圖7所示。

Figure 7 Flow chart of fault detection based on adaptive heartbeat signal圖7 基于自適應(yīng)心跳信號(hào)的故障檢測(cè)流程圖

檢測(cè)結(jié)果存在以下幾種情況：

(1)其余ZPM與IOM在連續(xù)k個(gè)周期內(nèi)收到某個(gè)ZPM的心跳包；

(2)其余ZPM與IOM在連續(xù)k個(gè)周期內(nèi)未收到某個(gè)ZPM的心跳包；

(3)有一部分其余ZPM與IOM在連續(xù)k個(gè)周期內(nèi)收到了某個(gè)ZPM的心跳包，另一部分仍未收到。

對(duì)于情況1，認(rèn)定被檢測(cè)ZPM心跳信號(hào)正常。

對(duì)于情況2，認(rèn)定被檢測(cè)ZPM心跳信號(hào)發(fā)生了故障，從而認(rèn)定被檢測(cè)ZPM軟件運(yùn)行發(fā)生了故障。

對(duì)于情況3，通過(guò)多數(shù)表決策略，并且結(jié)合上面2種故障檢測(cè)策略來(lái)判定被檢測(cè)ZPM是否正常。

4.5 多種故障檢測(cè)策略的融合與準(zhǔn)確性分析

如圖8所示，本文利用軟件檢測(cè)與硬件檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)策略來(lái)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)。

Figure 8 Fault detection structure diagram圖8 故障檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖

評(píng)判一個(gè)故障檢測(cè)策略是否正確有效的重要指標(biāo)包含故障檢測(cè)可信度與準(zhǔn)確率，現(xiàn)就針對(duì)表1中的故障模式對(duì)本文提出的故障檢測(cè)方法進(jìn)行分析。

對(duì)于每種單一的故障檢測(cè)方法，都存在一定的局限性，對(duì)某一部分故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率較低，對(duì)于故障類型的判斷也存在一定誤檢率與虛警率，同時(shí)也可能存在對(duì)某種故障的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)沖突的現(xiàn)象，因此本文融合以上3種方法來(lái)對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)。具體方法是給予每種檢測(cè)方法一定的權(quán)值α，通過(guò)權(quán)值α與每種檢測(cè)方法檢測(cè)的準(zhǔn)確率的乘積來(lái)定量表征3種方法融合后對(duì)故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率Pd，其計(jì)算方式如式(1)所示：

(1)

其中，Pdj表示對(duì)第j種故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率；Pdij表示第i種檢測(cè)方法對(duì)第j種故障的檢測(cè)準(zhǔn)確率；aij表示第i種故障檢測(cè)方法對(duì)第j種故障檢測(cè)的權(quán)值。

對(duì)于3種故障檢測(cè)方法各自的可信度，可以結(jié)合C-F模型來(lái)表征。在C-F模型中知識(shí)不確定性表示為CF(H,E)，代表可信度因子，取值在[-1,1]。當(dāng)相應(yīng)證據(jù)的出現(xiàn)會(huì)增加結(jié)論H為真的可靠度時(shí)，則CF(H,E)>0，證據(jù)的出現(xiàn)越能證明H為真的可靠度越大，就使得CF(H,E)的值越大;反之CF(H,E)<0，證據(jù)的出現(xiàn)支持H為假的可靠度越大，CF(H,E)的值越小。

本文采用專家經(jīng)驗(yàn)法，定量地確定各故障檢測(cè)方法檢測(cè)不同類型故障的可信度CF(H,E)，并通過(guò)可信度確定其加權(quán)值α。α應(yīng)滿足式(2)。

(2)

其中，CF(Hi,Ej)表示當(dāng)?shù)趈種故障發(fā)生時(shí)，基于故障檢測(cè)方法Hi檢測(cè)出該故障的可信度因子。

本文通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行判別，得到的結(jié)果如表3所示。表3中，H1表示基于系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)；H2基于通道故障邏輯信號(hào)CFL的故障檢測(cè)；H3表示基于自適應(yīng)心跳信號(hào)的故障檢測(cè)。

Table 3 Weight allocation table of fault detection method 表3 故障檢測(cè)方法權(quán)值分配表

通過(guò)專家系統(tǒng)分析判斷第i種故障檢測(cè)方法檢測(cè)第j種故障的準(zhǔn)確率Pij，根據(jù)各檢測(cè)方法所占的權(quán)重，由式(1)計(jì)算3種故障檢測(cè)方法融合后對(duì)故障的檢測(cè)準(zhǔn)確率，結(jié)果如表4示。從表4可以看出，對(duì)于故障E1、E3、E7和E8這4種故障，3種檢測(cè)方法融合后的檢測(cè)準(zhǔn)確率較高，而對(duì)于E4、E6、E11和E12的綜合故障檢測(cè)準(zhǔn)確率次之。當(dāng)診斷結(jié)果發(fā)生沖突時(shí)，可以根據(jù)不同檢測(cè)方法的權(quán)值α的大小來(lái)確定是否發(fā)生了故障。

5 故障檢測(cè)策略的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證故障檢測(cè)策略的正確性，本文搭建了如圖5所示的閉環(huán)半物理仿真測(cè)試環(huán)境，通過(guò)故障注入軟件向某個(gè)ZPM(這里以ZPM1為例)注入特定軟件故障。對(duì)于部分硬件故障，采用通道注入技術(shù)模擬硬件故障發(fā)生，通過(guò)系統(tǒng)反饋的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出故障檢測(cè)的結(jié)果。通過(guò)觀察主控ZPM狀態(tài)與ZPM故障標(biāo)識(shí)來(lái)判別綜合以上3種檢測(cè)方法的故障檢測(cè)手段是否有效，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性上，3種方法融合后針對(duì)E1、E3、E4、E6、E7、E8和E117種飛控計(jì)算機(jī)常見(jiàn)的故障，檢測(cè)出故障的時(shí)間都在50 ms以內(nèi)，具有良好的實(shí)時(shí)性；而對(duì)于E9和E122種故障，主要出現(xiàn)在無(wú)人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)的研發(fā)測(cè)試階段，在正式飛行過(guò)程中此類故障出現(xiàn)的可能性低，即使出現(xiàn)該類故障，150 ms的檢測(cè)時(shí)間在工程中也能夠滿足絕大部分飛控計(jì)算機(jī)的故障檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求；對(duì)于E2、E5和E103種類型的故障，故障產(chǎn)生的影響具有一定的不確定性，因此對(duì)于故障檢測(cè)實(shí)時(shí)性相比其他幾種故障要差，但檢測(cè)時(shí)間也基本維持在1 s內(nèi)，能夠滿足大部分中低速無(wú)人機(jī)的故障檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求。

Table 5 Statistical results of fault detection表5 故障檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Figure 9 Environment of semi-physical closed-loop simulation test 圖9 半物理閉環(huán)仿真測(cè)試環(huán)境

對(duì)于故障檢測(cè)的覆蓋率，3種方法聯(lián)合使用后，對(duì)于上述提到的飛控計(jì)算機(jī)故障類型基本可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)，故障檢測(cè)覆蓋率在工程上已達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)。并且相對(duì)于單一的方法檢測(cè)，3種方法聯(lián)合后對(duì)于絕大多數(shù)故障的檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。但是，對(duì)于某些少數(shù)特定故障類型，如E2和E5的存儲(chǔ)器故障，E10和E12的應(yīng)用層故障，由于故障影響的不確定性，僅僅聯(lián)合使用以上3種檢測(cè)方法在檢測(cè)的準(zhǔn)確性上仍具有一定局限性，故后續(xù)仍需針對(duì)以上故障設(shè)計(jì)特定的故障檢測(cè)方法。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在基于ARINC659總線的多余度飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，介紹了幾種軟硬件結(jié)合的故障檢測(cè)策略，能夠更加及時(shí)有效地檢測(cè)系統(tǒng)模塊的故障，以便及時(shí)對(duì)故障模塊進(jìn)行隔離切換，不僅保障了系統(tǒng)的安全性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠度。最后通過(guò)搭建半物理仿真平臺(tái)，進(jìn)行了故障注入驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上故障檢測(cè)策略設(shè)計(jì)合理，具有良好的實(shí)時(shí)性與檢測(cè)覆蓋率，能夠及時(shí)有效地檢測(cè)模塊故障，為系統(tǒng)余度管理和運(yùn)行可靠性提供了保障。