綜合模塊化航空電子系統的故障預測與健康管理技術

楊德才

摘 要： 航空電子系統是保障現代飛機性能的非常關鍵因素之一，對其開展故障預測及健康管理技術的研究是保證飛機安全性的重要課題。針對航空電子系統綜合模塊化的發展趨勢，研究了一種面向其開放式與模塊化架構的故障預測與健康管理系統。通過對綜合模塊化航空電子系統的分層結構分析，結合關鍵子系統展開設計，包含了飛機PHM系統的體系結構設計及相關環節的技術實現。結果表明該體系結構可滿足航空電子系統標準化、層次化、模塊化、開放性的要求。

關鍵詞： 航空電子系統； 故障預測； 健康管理； 綜合模塊化

中圖分類號： TN710?34； TP206 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0125?04

Prognostics and health management for integrated modular avionic systems

YANG De?cai

（School of Astronautics and Aeronautics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China）

Abstract： The avionics system is one of the most vital factors which can affect performance of modern planes and it is very important for research of the fault prognostic and health management （PHM） technology to ensure the safety of the avionics system and the whole plane. According to the integrated modular development tendency of the avionics system， a PHM system is proposed for open type and modular architecture. The hierarchical function allocation of avionics system is utilized in this paper to design the architecture of the PHM system and the related technology detail by the analysis of the critical subsystems. The analysis result shows that the designed PHM system can meet the demands of standardization， hierarchy， modularization and openness of avionic systems.

Keywords： avionics system； fault prognostic； health management； integrated modularization

0 引 言

航空電子系統的發展經歷了分立式、聯合式、綜合式和先進綜合式4個階段的演變，綜合模塊化航電系統是目前機載航電系統發展的最高階段。故障預測與健康管理（PHM）技術是保護航電系統乃至整個飛機安全性、維護性等多種因素的重要技術之一[1?3]。 目前，PHM已成為航空電子系統可靠性和可維護性發展的必然趨勢，通過研究將模塊化的航電系統特征與PHM系統有機的結合起來，意義重大[4?10]。

以美國的聯合攻擊戰斗機（Joint Strike Fighter， JSF）航電系統為典型代表，綜合模塊化航電系統主要特征是采用開放式的系統結構，射頻與廣電孔徑綜合及傳感器預處理綜合，統一的航電網絡（Unified Avionics Network，UAN）互連，商用貨架（Commercial Off The Shelf，COTS）產品與創新技術[11]。飛機平臺通過航空電子系統成為現代戰爭信息網絡系統中的一個節點，綜合航空電子系統在不斷地提高智能化程度，將飛行員從操縱飛機、系統監控、信息判讀、態勢掌握、武器投放等繁重工作中解脫出來，便于集中精力于高層次的戰術決策。因而，隨著航空信息綜合能力的增強，對航空電子系統的可靠性要求也越來越高。

在造成飛機故障的因素中，電子系統產生的故障已經占據了總比重的40%以上，并且對電子系統進行維修所消耗的時間占據總飛機維修時間的[13。]由此可見，航空電子系統的重要地位，也就逐漸凸顯出了航空電子故障預測與健康管理技術的重要性。同以往的航空電子故障診斷技術相比較而言，故障預測與健康管理技術是一種更加先進和高效的技術，逐漸成為航空電子系統中主流故障診斷技術。

PHM技術能夠對整個電子系統進行全方位的監督和預測，是一種更加智能化的動態監測系統，不僅能夠在很大程度上減少對電子系統進行監測的時間，減少人力物力的投入，同時還能大幅度地降低維修費用，提高經濟效益。另外，對于提升戰備的完好率和任務的完成率也發揮出了重要的作用。

1 航電系統功能分配結構分析

飛機航電系統的功能需求與其任務使命是密切相關的，通過研究航電系統功能與結構之間的關系，歸納其共性問題與知識，可用來指導健康管理體系架構設計。

美軍為JSF所提出的開放式先進航空電子系統如圖1所示。它有如下特點[1]：

（1） 航空電子統一網絡（UAN）由于光纖具有頻帶寬、質量小和抗電磁干擾等優點，采用以民用標準為基礎的統一的光纖傳輸網絡，以較少的費用實現系統寬帶信息傳輸的需求。

（2） 綜合核心處理（Integrated Core Processor，ICP）。將數字信號處理、數據處理以及其他計算性要求的任務處理等集中到共享的、容錯的和高性能的綜合核心處理區內完成。

（3） 座艙人機接口。采用高分辨率彩色液晶顯示器和頭盔顯示器，以大圖像方式提供態勢信息，提高飛行員感知范圍和能力。

（4） 綜合射頻和綜合電光系統以模塊化方式構建綜合探測系統，前端充分利用不斷發展的軟件無線電及開放光電系統方法，采用規范的部件接口，降低費用，實現開放目標。

如圖2所示，可以將航電系統按功能劃分為層次化的結構。按照需求分解原則（如模塊化），將頂層功能進一步分解成任務管理、功能管理等分系統，其中任務管理分系統又細分為CNI（通信、導航、識別）、探測、電子戰等子功能。依次類推，將每個功能分解到可在物理實體上實現的獨立功能模塊為止。

由此可見，層次化結構、開放式特征等在一定程度上降低了綜合航電系統的復雜性。航空電子系統通過層次化劃分，將系統分成功能相對集中的功能模塊。

2 綜合模塊化航空電子系統的健康管理系統設計

模塊化航空電子系統是指通過一系列標準化通用功能模塊的組合，通過加載與硬件無關的軟件，完成航空電子各個設備功能的系統。

模塊化航空電子系統的典型結構如圖3所示[3]。模塊化航空電子系統由核心處理系統和非核心處理系統組成，核心系統包含了若干個機柜，而每個機柜上裝載了一定數量的通用功能模塊（Common Function Module，CFM）。非核心設備包括信號采集設備，傳感器設備等[12?16]。圖4為一個包含兩個機柜的系統，在其中創建了兩個綜合區域（Integration Areas，IA），這兩個綜合區域通過一些共享資源（如信號處理模塊SPM、網絡支持模塊NSM、數據處理模塊DPM、電源轉換模塊PPM、大容量存儲模塊MMM、圖形處理模塊GPM等）排列在一起。

對于綜合模塊化的航空電子系統，其健康管理系統設計要對應其模塊化特征。

2.1 PHM系統架構

結合綜合模塊化航電系統的開放式結構特征，PHM系統也采用開放式結構，分為機上PHM系統、地面支持決策系統、機下機上系統接口三個部分，如圖5所示。

機上PHM系統采用分層的管理體系結構，分為三個層次：最底層為模塊/組件級管理器，分布在飛機各分系統部件中的軟、硬件監控程序，包括傳感器或機內測試（BIT）設備，將有關信息直接提交給中間層的分系統級管理器；中間層為分系統級，具有信號處理、區域推理機功能；頂層為飛機系統級，通過對所有系統的故障信息相互關聯，確認并隔離故障，評估整個航電系統的健康狀態，最終形成維修信息和供飛行員使用的知識信息，傳給地面支援中心系統。

綜合模塊化航空電子系統采用機載和地面兩級維護策略。機載在線測試和維護操作時，不應該干擾系統功能的執行。在執行測試和維護時，需要記錄所有故障，故障條目應當包含時間，環境等信息。同時航電設備應該提供地面測試接口，驗證在線檢測的結論。

2.2 健康狀態監控

健康狀態監控主要包括監控系統健康狀況和檢測系統錯誤，還包括系統錯誤篩選和確定錯誤報告，如圖6所示，其中主要包括以下幾方面功能：

（1） 故障檢測機制。通過主動或被動方式完成硬件、軟件的故障檢測。

（2） 操作系統健康監控服務。用來捕獲故障檢測機制傳遞來的故障和錯誤信息，經過綜合處理后向通用系統管理中的健康監控器服務報告，并傳遞診斷信息。

（3） 通用系統管理健康監控器。收集從操作系統健康監控服務傳來的故障信息，根據嚴重程度和性質進行篩選，做出相應的處理操作。

2.3 故障處理

故障處理包括掩蓋、定位、限制等機制，從而使系統能夠在錯誤存在的情況下繼續運行一段時間。故障處理的行為與具體的由健康監控器報告的事件有關，故障管理器根據事件信息采取進一步的故障處理措施，如圖7所示。

圖7中，健康監控器需要向故障管理器報告所有確認的故障。故障管理器支持各種故障的處理機制，對故障響應將按一系列處理序列進行，一般包括故障關聯、識別和定位，向配置管理器請求重配置已實現故障掩蓋，請求應用程序錯誤處理函數，向上層健康監控器報告等。配置管理器將處理由故障管理器發來的重新配置請求，配置完后配置管理器將通知故障管理器。

3 結 論

航空電子系統是現代飛機的“中樞神經”，承載著大部分任務功能。通過開展綜合模塊化航電系統的PHM系統設計，可知 PHM 系統體系結構應具備的共性特征包括：系統分層次的體系結構；分布式、跨平臺系統特點，作為未來全球自主保障支撐技術的PHM 系統，必然是存在多個對象系統之間的分布協作關系；開放性、模塊化的設計實現方法；實時性要求，能實時監測系統狀態并做出決策。

本文設計的綜合航電PHM系統采用開放性、分布式、模塊化的系統結構，模塊化便于系統的集成和新技術及方法的導入；開放性系統結構便于系統的更新，便于與飛機其他系統集成構成更高層次的 PHM 系統，便于與自主式保障系統交聯提高整體保障效能。

參考文獻

[1] 褚文奎，張鳳鳴，樊曉光，等.綜合模塊化航空電子系統軟件體系結構綜述[J].航空學報，2009，30（10）：47?51.

[2] 諸葛卉.高速發展的新一代綜合模塊化航空電子系統[J].航空電子技術，2007，38（3）：9?14.

[3] 熊華鋼，王中華.先進航空電子綜合技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[4] 叢偉，景博.航空電子系統故障管理體系結構研究[J].測控技術，2013，32（7）：125?129.

[5] 吳明輝，許愛強，戴豪民.PHM技術在綜合航空電子系統中的應用[J].兵工自動化，2013，32（4）：72?77.

[6] 趙寧社，翟正軍，王國慶.新一代航空電子綜合化及預測與健康管理技術[J].測控技術，2011，30（1）：1?4.

[7] 景博，黃以鋒，張建業.航空電子系統故障預測與健康管理技術現狀與發展[J].空軍工程大學學報：自然科學版，2010，11（6）：1?6.

[8] XU J P， XU L. Health management based on fusion prognostics for avionics systems [J]. Journal of Systems Engineering and Electronics， 2011， 22（3）： 428?436.

[9] 楊云志，羅通俊，黃進武.我國大型飛機航空電子系統的發展與思考[J].電訊技術，2007，47（4）：1?5.

[10] 寧東方，章衛國，李斌.一種飛控系統健康管理專家系統的設計[J].測控技術，2007，26（6）：76?78.

[11] 梁德文.戰斗機航空電子系統最新的發展趨勢：網絡化[J].電訊技術，2008，48（6）：93?97.

[12] 高占寶，梁旭，李行善.復雜系統綜合健康管理[J]. 測控技術，2005，24（8）：1?5.

[13] 韓國泰.航空電子的故障預測與健康管理技術[J].航空電子技術，2009，40（1）：30?38.

[14] 叢偉，景博.綜合航空電子系統故障預測問題研究[J].電光與控制，2013，20（5）：53?62.

[15] PECHT M G. Prognostics and health management of electronics [M]. [S.l.]： Wiley?Interscience， 2008： 30?35.

[16] MATHEW S， DAS D， ROSSENBERGER R， et al. Failure mechanisms based prognostics [C]// International Conference on Prognostics and Health Management. [S.l.]： IEEE， 2008： 234?238.