一種飛機(jī)TCAS電子系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董健康，潘玉娥，耿宏

(中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

交通警戒及防撞系統(tǒng)TCAS(Traffic Collision Avoidance System)向鄰近的飛機(jī)發(fā)出詢問信號(hào)，通過入侵飛機(jī)的機(jī)載應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)對詢問信號(hào)的應(yīng)答，獲得入侵飛機(jī)的代碼、高度、航向和其他數(shù)據(jù)。進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析，判斷出入侵飛機(jī)相對本機(jī)的威脅等級(jí)。如存在威脅，TCAS系統(tǒng)將向駕駛員發(fā)出咨詢提示，或發(fā)出垂直機(jī)動(dòng)指示，避免發(fā)生沖突。如果不存在威脅，TCAS系統(tǒng)將顯示它的相對位置和軌跡[1]。

TCAS系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)的重要機(jī)載電子設(shè)備，其復(fù)雜的系統(tǒng)交聯(lián)和內(nèi)部構(gòu)造，對系統(tǒng)維護(hù)和故障排除提出了很高的要求。TCAS系統(tǒng)對信號(hào)的靈敏度和精度有很高的要求，大量的數(shù)據(jù)計(jì)算是其提供高精度電子識(shí)別的基礎(chǔ)，再加上機(jī)上復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境，造成了各型飛機(jī)上TCAS系統(tǒng)故障率相對較高的情況。TCAS系統(tǒng)主要由TCAS處理器、上下兩部天線、TCAS/ATC控制盒、EFIS系統(tǒng)、音響警告系統(tǒng)等部件構(gòu)成，TCAS計(jì)算機(jī)的計(jì)算需要其他系統(tǒng)提供許多信息，如IRS的姿態(tài)和氣壓高度數(shù)據(jù)、RA的無線電高度信號(hào)、EFIS控制板、TCAS/ATC控制板、S模式應(yīng)答機(jī)、最大空速數(shù)據(jù)、空地邏輯信號(hào)、起落架手柄信號(hào)等等，因此它的排故也是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。通過對它的常見故障的分析，一般有電源故障、線路故障和組件損壞等。

1 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

故障診斷系統(tǒng)硬件部分采用工控機(jī)和數(shù)集采集卡構(gòu)成模擬量輸入通道，通過測量電壓和電阻為程序的故障診斷提供依據(jù)。這里使用的是凌華PCI-9812 20 MHz同步4通道模擬量輸入卡，有20 MHz采樣頻率，由香農(nóng)采樣定理可知最大無失真處理10 MHz的信號(hào)，足夠檢測TCAS上400 Hz的交流電源。由于TCAS上電源是115 V 400 Hz交流電，遠(yuǎn)超過PCI-9812的A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍，因此必須通過圖1所示調(diào)理電路處理。

圖1 電壓輸入通道

由于線路的電阻，如繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等觸點(diǎn)的接觸電阻常是毫歐(1.5～150 mΩ)，而天線連接的電阻的阻值也很低,這里使用恒流源四引線法測量電阻[2]，如圖2所示。

圖2 電阻測量輸入通道

2 故障分析及模型設(shè)計(jì)

2.1 故障分析

TCAS有電源、天線、模擬、離散接口和程序銷釘,還有數(shù)字接口,因?yàn)閿?shù)字接口通過ARINC 735A標(biāo)準(zhǔn)定義，而物理連接是ARINC429高速輸入通道,這里只檢測TCAS系統(tǒng)中的電源、天線、模擬、離散接口和程序銷釘?shù)炔糠帧CAS計(jì)算機(jī)自檢時(shí)能給出一些檢測信息[3]，常見故障如表1所示。

表1 通過BIT或機(jī)組記錄的故障

分解關(guān)系如表2所示，此外，抑制總線檢測故障直接檢測連接TCAS計(jì)算機(jī)、ATC應(yīng)答機(jī)和DME測距機(jī)這幾套設(shè)備的抑制線電阻。

表2 子故障表

2.2 模型及算法設(shè)計(jì)

電源質(zhì)量直接關(guān)系到TCAS系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，電壓、電流、頻率是三個(gè)基本參數(shù)，此外，還有一諧波含量等參數(shù)需要得到,這里通過間接測量獲得。頻率和諧波含量分析采用離散傅里葉變換獲得:

由于直流脈動(dòng)的頻率范圍很寬，為了防止頻域混疊，比較準(zhǔn)確測量這些數(shù)據(jù)，需要使用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波(防脈沖干擾濾波算法)[4]:

特征提取需獲取頻率中心C和頻率純度W,分別定義為:

電源質(zhì)量檢測處理過程如圖3所示。

圖3 檢測數(shù)據(jù)流

通過檢測電源質(zhì)量的特征提取、電壓或電阻的測量，能獲取器件的狀態(tài)，進(jìn)一步的故障判斷是通過基于統(tǒng)計(jì)的貝葉斯決策方法判斷。設(shè)e表示故障，s表示正常，f表示建議更換，并且先驗(yàn)概率p(e)、p(s)和p(f)通過經(jīng)驗(yàn)獲取。由于條件概率p(x|e)、p(x|s)和p(x|f)各類的值都較多分布在均值周圍，設(shè)它們是正態(tài)分布，并通過參數(shù)估計(jì)得出。判別函數(shù)為:

則判別規(guī)則為:

通過上面算法可以判斷單個(gè)器件的故障。從前面對TCAS常見故障的分析可知，需要一個(gè)故障推理機(jī)制逐個(gè)排除故障。從上面分析可知，它們具有樹狀組織結(jié)構(gòu)，并且為了可擴(kuò)展性，使用面向?qū)ο蟮臎Q策樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。將各個(gè)決策樹節(jié)點(diǎn)的屬性和方法進(jìn)行封裝，如圖4所示。

圖4 決策樹UML靜態(tài)結(jié)構(gòu)

處理流程如圖5所示。

圖5 決策樹處理流程

2.3 檢測流程

檢測過程是通過決策樹進(jìn)行故障部位的推理，而決策樹處理中需要一些測量數(shù)據(jù)支持，因此系統(tǒng)處理流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)處理流程

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)編程主要涉及三個(gè)層面的問題:底層驅(qū)動(dòng)接口、應(yīng)用層和人機(jī)界面層。底層驅(qū)動(dòng)接口主要對數(shù)據(jù)采集卡控制及數(shù)據(jù)獲取；應(yīng)用層是完成數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)和處理；人機(jī)界面層就是設(shè)計(jì)友好的交互界面。這里采用VC2005.net作為開發(fā)工具，并采用MFC框架的SDI框架設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件界面設(shè)計(jì)方式是按照向?qū)Ｊ皆O(shè)計(jì)，能使故障隔離和排除過程更加友好和便捷。為了便于決策樹的維護(hù)，這里將整個(gè)決策樹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于面向?qū)ο蟮妮p量級(jí)數(shù)據(jù)庫XML文件中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)ORM圖如圖8所示。其中Test節(jié)點(diǎn)是測試函數(shù)內(nèi)容，type屬性是指測試內(nèi)容是測電壓或電阻或等待用戶輸入，而script屬性通過腳本能提供更加靈活的控制策略。通過XML儲(chǔ)存文件可以很容易地?cái)U(kuò)展和修改決策樹。

本文通過對TCAS系統(tǒng)常見故障的分析，采用工控機(jī)和凌華PCI-9812采集卡，使用防脈沖干擾濾波算法、離散傅里葉變換和特征提取實(shí)現(xiàn)了對電源數(shù)據(jù)和電阻的采集和處理。而后統(tǒng)一通過基于統(tǒng)計(jì)的貝葉斯決策，實(shí)現(xiàn)器件的故障識(shí)別，并使用面向?qū)ο蟮臎Q策樹，實(shí)現(xiàn)了TCAS系統(tǒng)故障的定位和隔離。

這里采用模塊化設(shè)計(jì)方法，向?qū)Х绞降呐殴式缑妫峁┯押玫慕换ソ缑妫⑼ㄟ^XML文件存儲(chǔ)面向?qū)ο蟮臎Q策樹，以提供較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和維護(hù)性，并且使用基于統(tǒng)計(jì)的故障診斷，并可在排故同時(shí)檢測可能的隱患，實(shí)現(xiàn)了以工業(yè)控制機(jī)為主機(jī)的TCAS電子系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)。

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