民航電子系統(tǒng)的光纖數(shù)據(jù)總線故障實(shí)時檢測

周聲望

（東航技術(shù)有限公司工程部，上海 200335）

引言

針對當(dāng)前民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測方法存在的檢測準(zhǔn)確度較低，檢測的及時性較差問題，提出數(shù)據(jù)挖掘的民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測方法。首先提取光纖數(shù)據(jù)總線狀態(tài)特征，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線狀態(tài)分析，然后通過卡爾曼濾波的方法實(shí)現(xiàn)信號基本正序分量的無偏估計，通過構(gòu)建民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線狀態(tài)的基本譜殘差，構(gòu)建故障檢測的解決函數(shù)，完成故障檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法檢測的精確度較高，檢測的及時性較好。

一、機(jī)載數(shù)據(jù)總線的概述

機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)是用于機(jī)載設(shè)備、子系統(tǒng)直至模塊之間的互連技術(shù)，從計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)來看，航空電子設(shè)備相當(dāng)于一臺微機(jī)，它們以機(jī)載數(shù)據(jù)總線為紐帶，互連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)信息的傳輸任務(wù)。目前其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到艦船、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和坦克等各種機(jī)動平臺上，在本質(zhì)上，它是一種實(shí)時網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)。

機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)源于航空電子綜合系統(tǒng)的發(fā)展，美軍航空電子系統(tǒng)經(jīng)歷了先前的四個階段：第一代分離式航空電子系統(tǒng)，導(dǎo)航、雷達(dá)等系統(tǒng)工作完全獨(dú)立，初期的系統(tǒng)在處理任務(wù)中甚至依賴飛行員判斷；第二代聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)各個功能相互獨(dú)立，不同設(shè)備間較少有數(shù)據(jù)交互；在第三代綜合式航空電子系統(tǒng)中，提出了“模塊”概念，利用計算機(jī)構(gòu)成信息處理模塊，從而取代子系統(tǒng)，系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，功能比較豐富能夠處理復(fù)雜的任務(wù)；目前正過渡到第四代“先進(jìn)綜合式”的研究階段，采用“統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)、模塊乃至處理芯片之間的互聯(lián)，具有高速、可擴(kuò)展性、低延遲和可容錯的特點(diǎn)。

二、傳統(tǒng)航空專用數(shù)據(jù)總線

（一）MIL_STD_1553B/1773總線

MIL_STD_1553B總線由美國自動化工程師協(xié)會于1978年發(fā)布，全稱為飛行器內(nèi)部時分命令/響應(yīng)式多路數(shù)據(jù)總線，我國與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是GJB289A-97。該總線采用冗余的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸數(shù)據(jù)率可達(dá)1Mb/s。其主要功能是為所有連接到總線上的航電系統(tǒng)提供綜合化、集中式的系統(tǒng)控制和標(biāo)準(zhǔn)化接口。該總線技術(shù)首先運(yùn)用于美國空軍F-16戰(zhàn)斗機(jī)，在過去的30多年中，被成功地應(yīng)用于多種戰(zhàn)機(jī)以及導(dǎo)彈控制、艦船控制等領(lǐng)域 。

由于MIL_STD_1553B總線使用窄帶寬的屏蔽雙絞線，難以在電磁干擾環(huán)境下提供高性能和高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸，1988年，美國國防部發(fā)布了MIL_STD_1773，利用光纖傳輸介質(zhì)來取代屏蔽雙絞線以及電纜，其他的高層協(xié)議與MIL_STD_1553B相同。目前，MIL_STD_1773已發(fā)展到了雙速率、高速度的階段，其中，波音（Boeing）公司研制了基于MIL_STD_1773標(biāo)準(zhǔn)的雙速率的收發(fā)器（具有1Mb/s和20Mb/s兩種速率），其中1Mb/s主要用于MIL_STD_1553B總線，而20Mb/s主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸。

1553B總線作為第一代軍用數(shù)據(jù)總線技術(shù)，在上世紀(jì)七八十年代日漸成熟并得到廣泛的應(yīng)用。然而，隨著對數(shù)據(jù)傳輸（視頻、音頻、分布式數(shù)據(jù)）應(yīng)用的需求日益增加，其有限的帶寬（1Mb/s）已逐漸無法完全滿足現(xiàn)代系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰壹械目偩€控制器給系統(tǒng)帶來潛在的單點(diǎn)故障這一致命威脅，被新架構(gòu)的數(shù)據(jù)總線取代已是大勢所趨。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用主板芯片類型為IntelB360，CPU型號為i5－8400的計算機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)的硬件平臺，利用Windows2010作為實(shí)驗(yàn)的操作系統(tǒng)，利用MATLAB對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬，光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測的完成時間直接影響檢測的實(shí)時性，實(shí)驗(yàn)不同方法故障檢測的完成時間(s)。本文方法檢測的完成時間最短，檢測速度快，較好的實(shí)現(xiàn)了光線數(shù)據(jù)總線故障的實(shí)時檢測，這是通過設(shè)定閾值方法及時對光纖數(shù)據(jù)總線狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高了光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測速度。實(shí)驗(yàn)不同方法進(jìn)行故障檢測的精確度，實(shí)驗(yàn)過程中，分別利用不同方法對光纖數(shù)據(jù)總線故障進(jìn)行檢測。在進(jìn)行故障檢測的過程中，無法對光纖數(shù)據(jù)總線幅值變化進(jìn)行準(zhǔn)確描述，導(dǎo)致檢測的精確度低，本文方法能夠準(zhǔn)確描述光纖數(shù)據(jù)總線狀態(tài)隨時間變化規(guī)律，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)不同方法進(jìn)行光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測占用的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存(MB)。光纖數(shù)據(jù)總線故障實(shí)時檢測是通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，不同方法檢測過程中計算機(jī)內(nèi)存的占用量直接影響計算機(jī)運(yùn)行速度。本文方法進(jìn)行光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測的過程中，占用的計算機(jī)內(nèi)存較少，對計算機(jī)運(yùn)行速度影響較小。本文方法進(jìn)行故障檢測的過程中，對光纖數(shù)據(jù)總線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行特征提取，分析光纖數(shù)據(jù)總線故障時的狀態(tài)特點(diǎn)，減少了數(shù)據(jù)的需求量，使得光纖數(shù)據(jù)總線狀態(tài)數(shù)據(jù)采集較少，減少了數(shù)據(jù)占用的計算機(jī)內(nèi)存，使得占用的計算機(jī)內(nèi)存量較少。

結(jié)語

航空科技的發(fā)展擴(kuò)大了民用航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，光纖數(shù)據(jù)總線作為民用航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，受到了相關(guān)專家學(xué)者的重視。對民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線故障進(jìn)行實(shí)時檢測能夠提高飛機(jī)運(yùn)行的可靠性，本文引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)解決當(dāng)前民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測方法存在的檢測精度較低，檢測的及時性較差問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能夠提高民用航空電子系統(tǒng)光纖數(shù)據(jù)總線故障檢測正確率。