機電系統維護信息傳輸架構及方法研究

楊濤，王燕娜，劉世前

1.上海交通大學 航空航天學院，上海 200240

2.航空工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089

飛機機電系統包括飛機液壓、艙門、起落架、環控、電源、燃油、防火和防除冰等子系統。在早期的飛機上，各子系統都是各自獨立運行，完成各自的數據及信息處理，并通過各自專有的數據傳輸路徑與機組人員或地面維護人員進行信息交互，造成機上系統的數據傳輸關系復雜，維護效率低下。當前，國內外先進飛機（如波音787、A380、C919等）機電系統采用綜合化設計，基于多路數據傳輸總線和分布式計算機架構實現對機電系統進行控制和信息的綜合。與之適應，機電系統維護也向數據分布式采集、綜合診斷、總線傳輸、信息大容量存儲、信息數據庫等方向發展[1-4]。

當前論述機電系統的數據采集、故障診斷邏輯算法等方面的文章較多，故本文不作贅述。本文重點針對機電系統維護信息的傳輸架構和具體的維護信息傳輸實現方法進行研究。

1 需求分析

飛機機電系統涉及電、液、氣、熱、機械等多專業領域，各子系統交聯關系復雜，同時與航電系統、飛控系統也有大量信息交聯，機載設備數量眾多、故障模式繁雜，維護人員的維護難度和工作量巨大。

隨著機載設備可靠性的不斷提高和機上測試診斷能力的不斷完善，當前飛機的維修體制已由基層級、中繼級和基地級維修的三級維修體系向基層級和基地級兩級維修體系轉變，由定期維修向視情維修、自主保障轉變，這就要求飛機能夠快速、準確、便捷地向地面維護人員提供維護信息以縮短維護時間、提高維護維修效率。因此針對機電系統維護信息傳輸架構和方法進行研究十分必要。

對操作人員的實際使用、系統的實際運行場景進行分析，提出機電系統的維護信息傳輸管理設計有以下需求：

（1）隨著飛機的系列化發展、系統及機載設備的更改完善、各類加改裝項目的實施，機上的機載設備不可避免地會出現多狀態、多版本同時存在的狀態。這使得機載設備的技術狀態管理會更加困難，給維護人員進行飛機維護增加了難度，維護人員在維護過程中一旦出現狀態錯用，可能會造成極其嚴重的后果。因此需要研究一套能夠有效進行機載設備技術狀態管理的系統及架構，使維護人員能夠實時掌握機上設備的技術狀態。

（2）機電系統機載設備數量眾多，如何能夠使維護人員快速進行機載設備的健康狀態判斷，對于提高飛機的維護效率至關重要，因此需要設計一套地面測試管理架構及流程，維護人員可以在機上進行設備的健康狀態檢測操作，快速定位故障并對設備進行替換。同時該架構及流程能夠柔性適應系統的變化，避免隨著系統機載設備數量的變換而出現顛覆性的反復。

（3）機電系統故障條目多、類型繁雜，但這些故障信息是系統進行持續優化設計的重要依據，同時大量的歷史故障數據也是系統的重要技術數據資源，對系統進行故障趨勢判斷、健康管理設計及深度數據挖掘等意義重大。在飛機的實際外場使用過程中，由于數據記錄的缺失，故障信息沒有被妥善保存，致使具有重要利用價值的故障數據資源被丟棄。因此有效地進行機電系統的故障數據傳輸、管理、記錄，對系統進行故障數據積累很有必要。

本文以某型機為例對機電系統的維護信息傳輸架構及具體方法進行論述。

2 系統維護信息傳輸架構

某型飛機由機電管理計算機、機電數據總線、通用接口數據采集裝置和其他少數獨立的控制裝置共同構成機電綜合控制與管理架構。通用接口數據采集裝置和獨立的控制裝置完成傳感器信息的分布式采集及預處理，并將信息通過機電總線上傳至機電管理計算機，由機電管理計算機完成系統信息的綜合處理，并通過航電總線與航電系統和飛控系統進行數據交聯，通過航電系統實現系統的顯示、告警等功能。

在系統架構方面，機電管理計算機采用時空分區的操作系統，在正常控制、指示與告警功能外，單獨設置維護管理分區[5]。由維護管理分區完成與維護信息相關的功能處理，并將維護信息通過航電總線上傳至中央維護系統，向維護人員進行信息提示。該架構考慮了維護管理功能與系統控制、顯示等主功能的資源及信息共享，提高資源利用率。同時與主功能進行了隔離，不影響主功能的正常執行。機電系統維護信息傳輸架構如圖1所示。基于本文第一節的需求分析，進行了機電系統的軟硬件版本管理、地面測試管理和故障信息傳輸處理功能設計。

3 詳細實現原理

3.1 機載設備的技術狀態管理

機電系統各設備的技術狀態管理包含設備的軟硬件版本管理，處理流程如圖2所示，具體過程如下：（1）機電管理計算機實時將下游設備的最新通信在線狀態發送給中央維護系統[6]；（2）中央維護系統根據設備通信在線狀態，向機電管理計算機發送該設備的軟硬件配置信息請求命令，由機電管理計算機下發至下游對應設備；（3）下游設備接收到配置請求命令后，將自身的軟硬件信息通過總線上報至機電管理計算機，機電管理計算機負責完成對所有機電系統下游設備的綜合軟硬件版本管理，并與上游的中央維護系統進行指令和信息交互。

圖1 系統維護信息傳輸架構圖Fig.1 System maintenance information transmission architecture

在飛機上電過程中，由于各設備的上電時機、工作模式并不完全相同，因此統一在同一時刻去獲取所有設備的軟硬件信息十分困難，機電管理計算機作為信息傳輸的中樞環節，不能簡單地直接轉發中央維護系統的命令，需要根據下游所有設備的工作特性建立機電系統軟硬件版本管理時序流程。當機電管理計算機收到上游中央維護系統下發的軟硬件信息發送命令后，根據內部加載的軟硬件版本管理時序流程分時控制下游設備上報軟硬件信息，從而實現所有機電系統的綜合軟硬件版本信息管理。

3.2 測試管理

地面測試功能由操作人員人工啟動，機載設備在進行地面測試功能時，對自身設備的運行狀態進行自激勵檢測，并向操作人員報告自身的測試狀態信息，從而指導操作人員進行維護維修。機電管理計算機執行機電系統地面測試功能，設計地面測試流程如下：

（1）操作人員在地面根據中央維護系統提供的界面，根據需要對機電系統中某一子系統下發地面測試命令，由中央維護系統通過航電總線下發至機電管理計算機。機電管理計算機轉發至下游設備。

（2）下游設備接收到機電管理計算機的命令后，根據自身的實時工作狀態進行響應，并向機電管理計算機進行狀態回復。如果下游設備自身狀態不滿足進行地面測試條件，回復禁止，如果可以進行地面測試則回復進行中，機電管理計算機將接收到的下游設備的反饋信息實時上報給中央維護系統和操作人員。

圖2 軟硬件版本管理流程Fig.2 Software and hardware version management process

（3）在下游設備執行地面測試過程中，如果接收到停止命令或由于設備自身狀態需要停止測試，則直接停止測試并向機電管理計算機上報測試停止。如果測試完成，向機電管理計算機發送測試結果。機電管理計算機將接收到的信息上報給中央維護系統和操作人員[7,8]。地面測試管理流程如圖3所示。

圖3 地面測試管理流程Fig.3 Ground test management process

機電系統下游子系統多，可對每個子系統設備固定ID編號，機電管理計算機在向下游設備發送指令時，附加地將對應子系統的ID號同步發送給下游設備，下游設備對收到的指令進行判斷，只有滿足協議要求時才對指令進行響應，提高系統的容錯能力，該方法為各機電子系統綜合測試提供了統一的管理方案。

3.3 故障信息傳輸處理

機電系統全機分布，涉及的子系統、機載設備、傳感器、作動器、元器件、零部件等非常多。對應的故障信息也就非常多。據統計，飛機機電系統故障信息可以占全機故障總數的2/3 以上。需要制定一套標準規則將機電系統的所有故障信息高效地上報至中央維護系統。首先按照燃油、供電、液壓、環控等子系統，分類建立各子系統故障信息庫，每條故障設有唯一的故障標識ID，每條故障ID 與中央維護系統數據庫中的故障碼對應；為節省總線資源，當故障信息變化時，機電管理計算機同時將故障ID、對應的發生次數和當前的故障狀態上報給中央維護系統，由中央維護系統作為終端記錄。故障傳輸處理流程如圖4所示。

4 驗證

在工程上，對本文所述的機電系統維護信息管理系統進行了實驗室驗證試驗和機上使用驗證試驗。在實驗室試驗中，采用航電系統仿真設備模擬航電系統人機交互，對系統的軟硬件版本管理、地面測試管理和故障傳輸處理功能進行了驗證。在機上使用驗證過程中，操作人員在駕駛艙按照飛機實際使用過程進行了軟硬件版本管理和測試管理過程使用操作。驗證結果表明，系統試驗效果良好，可有效指導維護人員的使用。

5 結束語

本文圍繞機電系統的維護信息傳輸與管理，論述了機電系統綜合維護管理信息傳輸架構，并進行了系統的軟硬件版本管理、測試管理及故障傳輸處理等功能設計。通過工程驗證，滿足了用戶對飛機機電系統維護管理的需求，提高了維護效率，降低了維護成本，同時具有良好的擴展性。對國內飛機機電系統的綜合維護管理設計有一定的借鑒意義。

圖4 故障處理流程Fig.4 Fault handling process