一種基于ACARS系統的A320飛機前輪轉彎狀態監控方法

郭忠斌 楊凱 王赟 張翔 朱勇

摘要：基于ACARS的A320飛機前輪轉彎狀態監控報文是一種預測性維修方法，通過大數據分析前輪轉彎控制傳感器3GC和位置反饋傳感器4GC的角度偏差，結合飛機速度、側風等參數，設置報警門檻值，若關鍵參數超出預設的門檻值后觸發報文，ACARS會將報文實時發送到地面。該方法便于工程師提前預知故障并采取維修措施，較好地解決了A320飛機前輪轉彎故障導致的占用跑道等惡性事件。

關鍵詞：A320飛機；前輪轉彎；ACARS報文；預測性維修；邏輯建模

Keywords： A320 aircraft；N/WS；ACARS reports；prognostic maintenance；logic model

0 引言

2018年10月1日，某航一架A320飛機執行MU2125西安-武漢航班，飛機6：40準時從西安咸陽機場起飛，按照計劃9：43分抵達武漢天河機場，下降過程中ECAM（飛機電子中央監視系統）出現N/W STRG FAULT警告，機組多次重置電門無效，飛機于9：48分落地，因無法轉彎占用跑道啟動應急響應程序，10：05分使用地面拖車將飛機拖離跑道。排故檢查中發現前輪定中后左偏，調節3GC、4GC并更換4GC、6GC和BSCU后，測試正常。此事件被局方定性為事故征候。

1 A320飛機前輪轉彎故障現狀

統計國內某航近三年A320機隊前輪轉彎系統不正常事件（見表1），可以看出A320前輪轉彎系統故障率較高，前輪轉彎故障導致的運行中斷和返航/備降/滑回事件有增加趨勢，特別是2018年發生6次返航事件，在A320機隊返航/備降/滑回中排名靠前，高于客艙釋壓/發動機空停/起落架系統，其中前輪轉彎故障引起的占用跑道事件屬于公共應急響應事件，給機隊安全運行帶來較大壓力。

2 A320飛機前輪轉彎工作原理

A320飛機前輪轉彎系統取消了傳統的鋼索系統，采用電控操作，3GC控制指令信號和4GC角度位置信號是主要的控制信號源，其將前輪的角度反饋給BSCU（剎車和轉彎控制組件），前輪轉彎使用黃系統（部分舊構型飛機使用綠系統）液壓油，BSCU通過6GC（伺服控制活門）將駕駛艙手輪、腳蹬以及方向舵配平的指令信號轉變成液壓信號作動前輪轉彎作動筒工作（見圖1），地面滑行階段由手輪操控飛機方向，起飛滑跑時由腳蹬控制方向舵。落地滑跑中機組一般在40kt以上使用腳蹬，40kt以下使用手輪操控，因此低速滑行中手輪是前輪轉彎的主要控制方法，大多數滑偏主要發生在手輪操作的低速階段。手輪、腳蹬控制指令和前輪角度位置變化屬于線性變化（見圖2）。

3 前輪轉彎狀態監控報文開發

3.1 A320前輪滑偏主要原因

A320前輪滑偏的主要原因有跑道地面因素、側風、剎車不一致、前輪磨損不均、前起轉彎機械機構、轉彎控制系統等。其中，跑道不平、側風、前輪磨損不均等不可預測的因素會隨著機場變更、天氣變化、輪胎定期維護而自動消失。但由轉彎控制系統原因影響的滑偏，則是一個長期趨勢的積累，本文主要對此原因導致的前輪轉彎滑偏進行監控和預防，基于A320轉彎控制系統工作原理，提出一種前輪轉彎狀態監控報文開發思路，該思路通過對比位置角度傳感器和指令傳感器之間的差值，可以監控到BSCU輸出信號和轉彎作動器作動狀態。

3.2 基于ACARS的前輪轉彎狀態監控報文

ACARS是現代民航飛機的一種空地數據鏈系統，不但可以進行艙單、OOOI、飛機位置等數據的傳輸，還可以將飛機上各個部件的工作參數實時下傳到維修控制中心。基于ACARS系統的報文是航空公司的一種預防性維修手段，通過對比排故記錄，可以找出前輪轉彎滑偏時傳感器的工作狀態，為前輪轉彎狀態監控ACARS報文提供了一個有效方法。

采取ACARS報文可以做到準確更新數據、實時發送到維修控制中心，對于前輪轉彎故障導致的沖出跑道、占用跑道等事故征候做到及時發現、及時響應、快速處置。

3.3 報文邏輯建立

1）邏輯設定

邏輯建模是在以往多次返航備降事件的基礎上，通過分析相同的案例，確定3GC、4DC作為關鍵參數。在地面滑行和空中放起落架后一定時間預設3GC和4GC之間的差值，在一定時間后對此差值預設門檻值，超出門檻值時生成報文，通過ACARS系統實時下傳到地面；同時，對影響前輪轉彎的液壓油系統也進行監控，低于警戒值的也下傳到地面。地面處理平臺對下傳的報文二次優化，將真實報警傳遞到維修控制中心（見圖3）。

2）邏輯偏差和修正

使用3GC和4GC之間的差值，雖然理論上可以監控到前輪滑偏，但通過使用MSAP系統大數據篩選，對比2018年以來某航300多架A320飛機的數據，反映過前輪轉彎滑偏采取排故的維修記錄和差值數據吻合的不足10%，遠遠低于預測性維修所具備的百分比。分析其原因，認為主要是由于FDIMU的數據來源與BSCU一致，均是接收來自指令角度3GC和位置反饋角度4GC數值，當其中任一數值發生偏差時，FDIMU和BSCU都無法感知是傳感器的偏差還是飛機前輪物理角度的偏差，誤認為前輪角度為真實位置，從而使BSCU輸出偏差指令導致轉彎滑偏。A320機隊大部分的滑偏都是這種情況，排故主要是調節3GC、4GC阻值。導致計算機無法識別的根本原因是地面沒有機械零位參照點，這也是地面排故反復持續較長時間的原因。

根據前輪轉彎工作原理，在空中時前起落架收上，靠內部壓力通過定中凸輪將前輪固定在機械中立位，此時可以認為前輪轉彎在機械零位。起落架放下并鎖定后，BSCU立刻依次完成正常剎車、備用剎車和前輪轉彎操作測試。前輪轉彎操作測試分為5個步驟（見圖4），主起落架接地前一直保持第五步完成時的狀態，即BSCU一直輸出一個0°的控制指令，此時可以認為前輪轉彎在控制零位。分別記錄前輪轉彎在機械零位和控制零位時的前輪角度（MSAP系統對應NWS_WHEEL_ ANGLE參數），兩個數值的差值即可認為是機械零位和控制零位的角度偏差?？罩星拜喍ㄖ性砗虰SCU測試步驟解決了地面滑行時FDIMU無法識別前輪物理零位的缺點，對比這個角度差值，可以反映出前輪轉彎系統的真實偏差，特別是3GC、4GC的偏差，通過編寫ACMS報文達到監控前輪轉彎狀態的目的。

3）關鍵數據分析和驗證

利用MSAP系統，采集起落架手柄收上前20s和30s的NWS_WHEEL_ ANGLE作為機械零位時的前輪角度，采集起落架手柄收上后90s和100s的NWS_WHEEL_ANGLE作為控制零位時的前輪角度，得到2019年1月1日至2020年5月30日A320ceo機隊所有航班前輪角度差值，共計50多萬條航班數據。對所有這些前輪角度差值數據進行分析，可以發現調節3GC和4GC會改變機械零位時的NWS_WHEEL_ ANGLE，更換6GC或者6GC伺服活門會改變控制零位時的NWS_WHEEL_ ANGLE。由于MSAP系統數據有缺失和算法并不完善，導致存在一部分不正確數據，篩選角度差在1～2和-2～-1之間的航班（正負僅表示左偏或者右偏），共計3121個航班，集中在B6926、B6375、B9943等飛機（見圖5）。

對比圖5和表2數據可以看出，前輪轉彎指令零位和機械零位之間偏差是前輪轉彎滑偏的一個重要因素。實際案例也驗證了大數據分析結果，支持了以上報文邏輯的正確性。

4）報文格式

報文分為四個部分：報文及基本信息、輔助參數、觸發代碼及關鍵參數。報文和基本信息用于地面平臺獲取時的機號、時間及類別識別；輔助參數部分用于觸發報文后幫助工程師判斷是否有其他關聯系統原因；觸發代碼用于界定滑偏由哪些部件引起；關鍵參數幫助工程師進一步分析故障發生時哪個部件最有可能性能降低。報文格式可參考圖6。

4 報文的實際使用

目前，基于ACARS的A320前輪轉彎狀態監控報文已安裝到某航300多架飛機上，個別飛機已監控到前輪轉彎狀態發生了偏移。2020年8月5日，B8566飛機觸發前輪轉彎監控報文，角度偏差為1.8°，通過詢問機組，反映轉彎稍有偏差，航后檢查前輪磨損不一致，更換兩個前輪，后續報文監控顯示角度差值變為0.3°，見圖7。

利用大數據分析，通過捕捉故障發生前的關鍵參數變化規律，科學建模，開發前輪轉彎狀態監控的ACMS報文，可以很好地預防A320機隊普遍存在的、機組反映頻率較高的前輪轉彎滑偏問題。

作者簡介

郭忠斌，工程師，主要從事空客飛機技術支援與運行控制工作。