飛機整機線纜自動化集成檢測技術研究現狀和發展*

王發麟，李志農，王 娜

（1.南昌航空大學航空制造工程學院，南昌 330063；2.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；3．航空工業江西洪都航空工業集團有限責任公司飛機總裝廠，南昌 330024）

飛機上的航電系統、火控系統、電氣系統、操縱系統等各系統要保證正常的運行，少不了提供控制信號、動力電源以及數據信息的、具有“神經網絡”之稱的整機線纜[1-2]。在眾多影響飛機質量的因素中，飛機整機線纜的制造質量極為重要，而線纜檢測是關乎線纜制造質量高低的一個關鍵環節，在航空制造企業受到了廣泛重視。

在以飛機航電系統、電源系統、飛控系統、動力系統等為主的系統功能試驗之前，飛機總裝過程中線纜的完整性測試是不可缺少的一個重要環節[3-5]。各分系統的線路運行情況、系統功能的完整性和可靠性等都需要通過線纜的完整性測試來得到保證。基于轉接電纜的線纜集成檢測方法，是目前國內航空制造企業對處于總裝階段的飛機整機線纜檢測所采用的技術手段。整機的線纜配置狀況、內部導通情況、絕緣情況等借助轉接電纜的方式來完成測試，這種方法對于測試點數在兩萬點以內的中小型飛機線纜檢測可以勝任。但對于如C919 等大飛機來說，由于其線纜檢測點數約3萬點，整機檢測點分布極廣且分散，如果仍采用上述基于轉接電纜的檢測方法，將會出現以下問題[6-7]：

（1）檢測的可靠性低。基于轉接電纜的方法很大程度上還是依賴于人工來進行操作，由于存在經驗和操作熟練程度的差異，整機線纜檢測的可靠性難以得到保證。

（2）檢測難度大。航電系統、電源系統、飛控系統、動力系統等涉及到的檢測點數多而分散，不同的系統在進行檢測時需要根據實際情況來調整轉接方案，加大了檢測的難度。

（3）檢測周期長，工作量大，效率低。以C919 大飛機為例，測試工作按“地面揀選轉接電纜→上機布置轉接電纜→完成轉接電纜插頭連接”進行，那么以整機3萬點的測試工作量來計算，完成全部測試工作需要3d，嚴重制約了飛機的最終交付時間。

（4）管理困難，設計成本高。檢測點數的增加，使得轉接電纜的數量也相應增加，大量的轉接電纜在取用和存放問題上給管理人員帶來難題。同時航空用的轉接電纜價格往往都比較貴，設計制造的成本將大大提高。

計算機的性能不斷提升，帶動了計算機控制技術和集成檢測技術的快速發展，使得數字化裝配、自動化檢測在飛機制造過程中得到了進一步的發展和應用[8]。利用數字化和自動化檢測方法，飛機整機的線纜檢測周期和工作量將會大大減少，整機產品質量也會顯著提升，在整個飛機總裝配檢測環節上，人力、物力、資源配置等都將得到充分優化和利用。本文結合當前航空制造企業的現狀，對飛機整機線纜檢測方法進行了比較和分析，對線纜自動化集成檢測的內涵和主要研究內容進行了介紹，對比分析了國內外線纜自動化集成檢測的研究現狀，并在此基礎上指出了當前存在的主要問題和今后的發展方向，最后對數字孿生技術在線纜自動化集成檢測中的應用進行了展望，以期為航空制造業飛機整機線纜檢測提供參考和思路。

飛機整機線纜檢測方法比較與分析

根據線纜檢測技術的成熟度，飛機整機線纜檢測方法主要有傳統手工線纜檢測方法、基于轉接電纜的線纜檢測方法和整機線纜自動化集成檢測方法[6,9]。傳統手工的檢測方法隨著技術的發展逐漸被淘汰，基于轉接電纜的檢測方法目前還是主流，短期內仍將是各航空制造企業所采用的方法，而自動化集成檢測方法則將是未來發展的主要方向。

對飛機線纜而言，其連接狀態一般包括連接正常、線路短路、線路斷路、線纜端口接觸不良、出現誤配線等情況。對于一般的線路斷路現象，通過傳統的線纜測量方式可以得到解決；而對于諸如誤配線、線路短路、線路搭接等造成的故障問題，則需要專業的儀器，采用轉接電纜的線纜檢測方法或自動化集成檢測方法對所有點進行逐點掃描，才能準確判斷；針對端口或連接器線纜接口焊接不牢、接口壓接用力不當、出現掛錫、插拔力過大而引起的線纜端口接觸不良等問題，則需要通過采用精密儀器進行精密電阻測試，根據微弱的電阻變化來判斷問題屬性。不同的測試方法具有不同的特點，下面對上述3種方法進行介紹。

1 傳統手工線纜檢測方法

傳統的手工線纜檢測方法以萬用表、兆歐表、蜂鳴器或指示燈為主要檢測工具[5]，利用手工完成每根導線的待測點搭接，通過電路中的導通電阻或蜂鳴器的聲響來判斷導線是否存在斷路故障以及每條連接線的絕緣情況。整個檢測過程要求檢測人員操作仔細，注意力集中，所處的周圍環境要達到一定的安靜程度，否則會影響檢測人員對檢測結果的誤判。在線纜檢測過程中，線纜的導通測試一般由兩人組成一個檢測小組，使用萬用表來完成；而線纜絕緣性檢測則由3 人組成一個檢測小組，使用兆歐表來完成[10]。傳統的手工線纜檢測方法存在以下缺點[5,10-12]：

（1）手工檢測完全依靠工人來完成，一方面不同工人的操作熟練程度存在差異，另一方面工人的檢測專注度會受個人情緒的影響，人為影響因素較大，工人的自覺程度直接關系到線纜是否存在錯檢、漏檢等現象的發生，同時也無法保證每根導線是否都進行過正確測試。

（2）檢測過程會產生大量測試結果，手工檢測難以實現對測試結果進行數據的信息化管理。布線設計師設計、修改和更新的數據不能及時到達工人手里，布線設計師與線纜檢測工人之間存在溝通延遲和不到位的現象，使得檢測工人因沒有及時獲得更新的數據而采用老式線纜測試參照表，導致出現本可以避免的錯誤。

（3）由于檢測工人在進行線纜測試時，采用的是人工紙質記錄的方式將測試結果記錄下來，沒有進行信息化和數字化的管理，使得紙質版測試數據容易丟失，不利于長久保存和管理，導致后續新批次的飛機整機線纜測試缺少相應的數據參考。

（4）檢測過程依賴工人對檢測點進行一一檢測，大量的整機線纜大大增加了工人的勞動強度，工作量大，檢測效率低。由于需要人工時刻觀察檢測數據，時間一長工人容易產生疲勞，注意力下降，人為漏檢和錯檢的概率增大，當出現故障時，主要依靠工人的經驗來進行排除。

除上述缺點外，傳統手工線纜檢測方法在完成線間短路安裝后如果沒有進行檢查，在后續整機線纜通電檢測中，將再次對線路故障進行排查，增加了工人的重復性工作，嚴重時會對機載設備造成損壞，這已構成了影響批生產及新機研制的“瓶頸”，制約著國產飛機的型號研制。

2 基于轉接電纜的線纜檢測方法

針對傳統手工線纜檢測存在的上述不足，為提高飛機整機線纜的檢測效率和質量，降低工人的勞動強度，基于轉接電纜的線纜檢測方法被提出。其主要原理是轉接電纜作為中間件，一端通過轉接端口與飛機上的電纜相接，另一端與布置在飛機周圍的分布式測試箱相接，飛機上的機載線纜由此接入外部的測試系統，從而實現機上線纜的檢測。基于轉接電纜的機上線纜檢測如圖1所示。

基于轉接電纜的線纜檢測方法解決了傳統手工檢測方法諸如工作量大、勞動強度高、檢測效率低等問題，為航空制造企業提升飛機整機質量起到了重要作用，對于飛機總裝階段線纜檢測模式的更新也產生了重要影響。目前該方法在國內一些航空主機廠應用較多。但正如該方法的工作原理闡述的那樣，轉接電纜兩端分別連接上了機上電纜和測試箱，為了將轉接電纜的一端與機上電纜相接，需要將轉接電纜進行拖拽，并與飛機上的不同部位進行端接。由于轉接電纜的柔性特性以及長短不一，轉接電纜在拖拽的過程中會出現纏絞、工人踩踏、轉接電纜架空等現象[9]，使得轉接電纜的存儲成為一個棘手的問題。工人在檢測前對轉接電纜的查找、檢測完后對轉接電纜的收放等，都需要耗費很多時間。對于超長轉接電纜，自身出現絕緣等問題也是難以發現的一類情況，出現這種情況反而影響現場檢測效率。例如對于大型飛機來說，測試點數接近4萬點，在飛機機頭和中機身部位測試點更為密集，如果繼續采用基于轉接電纜的線纜檢測方法，則轉接電纜數量將非常龐大，重量非常重，給安裝、拆卸和維護造成很大的困難，同時也會占用絕大部分的機內可用空間，無法放置其他測試設備[7,12]。該方法在測試準備階段耗費的時間比較多，轉接電纜的取用和歸放操作不便。另一方面，由于航空用轉接電纜價格一般比較昂貴，數量龐大的轉接電纜也會使得成本大大增加。因此，以計算機自動控制為主要技術支撐的線纜自動化集成檢測方法被提出，該方法借助了新一代信息技術，下面進行詳細闡述。

圖1 轉接電纜檢測線纜示意圖Fig.1 Schematic diagram of transfer cable detection cable

3 整機線纜自動化集成檢測方法

3.1 線纜自動化集成檢測內涵

傳統的手工線纜檢測方法和基于轉接電纜的線纜檢測方法都存在很多缺點，嚴重制約著飛機總裝的效率和整機質量。線纜自動化集成檢測技術充分利用了計算機自動控制技術，將傳統的人工勞力解放了出來，為提升飛機整機線纜測試效率和質量往前推進了一大步。其工作原理為[7,13-14]：使用工藝在線可替換單元（Line replaceable unit，LRU）、工藝轉接電纜、電纜插頭轉接器等工藝設備將飛機上待測線纜兩端連接到測試設備上，向導線輸出低壓或高壓信號，然后對導線的導通電阻、導通電流進行精確測試，從而定量分析電纜的整體連接狀況，根據施加的電壓不同而測量所對應電壓下的電流泄露情況（線纜中對地情況、線纜之間的情況），從而分析和判斷線纜的絕緣狀況，并綜合上述情況來判斷導線的電氣特性是否符合規定的要求；對全機所有導線采取上述方法，并將各導線的連接關系、測試參數等信息存儲在專門的測試軟件數據庫中，作為線纜測試標準；測試設備能夠根據比對數據庫中的數據來快速判斷所有線纜的電氣特性是否無誤，從而完成對飛機整機線纜的檢測。線纜自動化集成檢測方法相比于傳統的檢測方法和基于轉接電纜的方法有更大的優勢。

3.2 線纜自動化集成檢測技術

以歐美國家為主的航空制造企業在整機線纜集成檢測技術運用方面發展比較成熟，從20世紀60～70年代就開始在單板機模式下開展飛機線纜自動化集成檢測[12,15]。經過近60年的發展，已經基本實現了整機線纜系統檢測的數字化和智能化[13]。得益于技術上的積累，國外先進的航空制造企業在對大型飛機進行整機線纜檢測時，所需人工耗時僅為兩名工人投入兩天時間。對于自動化檢測程度高的企業，在總裝階段甚至可以省去模擬通電檢測工序，大大提高了檢測效率和生產效率。

如前所述，線纜自動化集成檢測方法主要通過工藝LRU、分布式測試箱、轉接電纜等將飛機待測線纜兩端進行連接，實現工藝LRU 和分布式測試箱的線纜集成檢測，工藝轉接電纜的數量大大減少，在提高檢測效率和質量的同時，方便了相關檢測設備及其附件的管理。飛機整機線纜自動化集成檢測如圖2所示。

線纜自動化集成檢測方法所用的主要設備如下[9,10-12]。

（1）檢測主控單元。線纜自動化集成檢測的一個優點是可以通過檢測主控單元自動設置檢測激勵源，對控制指令即時發出，根據測試單元的不同來設定開關次序[9]；同時可以實現對整個測試過程的監控，支持對測試線纜數據庫的操作、維護以及人機交互，測試結果數據可以進行傳送并打印。檢測主控單元主要由控制器、測試激勵源模塊、供電模塊等構成，是整個集成檢測系統的核心。工作時需要通過以太網與計算機連接，按操作員的測控指令來執行測試任務，同時控制與其相連的各分布式測試箱，測試結果會輸出到計算機顯示器上進行顯示。當測試過程中出現錯誤時，檢測主控單元還將發出報警信號。

（2）分布式測試箱。對于大型飛機的線纜檢測，由于機內線纜多、布局復雜，采用轉接電纜的方式來進行集中式檢測，耗費在轉接電纜預先配制上的時間將大幅增加。為解決這一問題，必須采用分布式測試箱進行布局，以替代集中式線纜檢測方法。分布式測試箱集通信功能、控制功能、復用功能、絕緣功能于一體，可在檢測主控單元與被測飛機線纜兩者之間進行信號切換。各分布式測試箱將機上線纜（被測線纜）與檢測主控單元相連接，利用主控單元中的測量儀表、測試激勵源完成導通、絕緣等相關內容測試，分布式測試箱的電能由檢測主控單元提供，其內部主要為控制信號的開關矩陣[10]。

（3）工藝LRU。飛機內部因安裝了大量的零部件，空間往往比較狹小，尤其是對于機載設備艙更加明顯。以飛機駕駛艙為例，線纜敷設往往比較密集，需要測試的點數也多，狹小空間內集中了多個矩形連接器（也被稱為機載LRU，一般采用托架進行布置），“分布式測試箱+轉接電纜”的組合測試方式一方面會造成轉接電纜數量龐大，出現纏繞和扭絞現象；另一方面給測試前的準備及測試后的收尾工作都增加了較多工作量。工藝LRU 在外形、尺寸、接口上，與機載LRU 都保持一致，在功能上與分布式測試箱相同。由于工藝LRU可以直接與機上接口相連接，省掉了轉接電纜和分布式測試箱的組合連接方式，測試準備工作量及轉接電纜數量都大為減少，是進行飛機整機線纜集成檢測的一種可行解決方案。

（4）終端模塊。整機線纜自動化集成檢測的優點還在于，相對于整個待檢測區，檢測節點數量少或不方便工人操作的區域，可以采用終端模塊來處理。該模塊是一種快速連接裝置，被測線纜一端與測試系統相連，另一端與終端模塊連接器相匹配的短接端子連接，通過線纜內部電阻和電子二級管并聯的方式，將單獨測試電纜正向導通，反向不導通，進而形成并聯回路。利用終端模塊可以減少工藝轉接電纜的數量，同時無需較長的轉接電纜，方便了工人在狹小的空間內進行測試工作。

（5）轉接電纜。轉接電纜在整機線纜自動化集成檢測中具有非常重要的作用。雖然測試過程中也采用了工藝LRU，但并不能完全替代轉接電纜。轉接電纜作為一個中間紐帶的角色，將分布式測試箱和機上待測線纜關聯起來。通過標準連接器與分布式測試箱連接，通過相匹配的插座或插頭接插件與機上待測線纜連接，由此將機上導線接入到外圍的測試系統。轉接電纜在進行插接時，由于需要頻繁的對轉接電纜本身進行拉拽和端口的插拔，轉接電纜及其插接件的可靠性關乎到整個線纜的測試結果和質量，因此在轉接電纜設計和制造時，其可靠性需要充分得到保證。

（6）控制總線。整機線纜在測試過程中，測試設備需要相應的電源和激勵源來保障其正常工作；同時測試產生的數據、各分布式測試箱內部轉換的信號等，都需要向主控單元和計算機進行傳輸，控制總線（控制電纜）用于完成上述任務。除了傳輸功能外，它還是連接檢測主控單元、分布式測試箱、工藝LRU的重要橋梁。檢測主控單元一方面為各分布式測試箱提供電能，另一方面控制各分布式測試箱內部開關矩陣的切換狀態。為防止高溫復雜狀態下控制電纜受到損傷，在設計控制電纜時會增加耐高溫、耐磨損的保護功能，以提高控制電纜的壽命。

（7）智能存儲箱。轉接電纜查找、收放等耗時多和存儲困難，是航空制造企業經常面臨的難題。檢測前的準備工作和測試結束后的收尾工作，是整個飛機線纜檢測的兩個重要階段。從某種程度上講，充分的檢測前準備，是保證檢測工作順利進行的前提；而測試結束后的收尾工作，則關系到下一次線纜檢測是否能夠有序開展。智能存儲箱對檢測過程中用到的轉接電纜、工藝LRU、終端模塊、連接器等進行智能存儲和管理。通過加裝位置識別器、RFID 等來實現智能存儲系統與整機測試系統的連接和定位識別，轉接電纜的實時存儲位置、各階段測試的狀態信息、測試設備的使用狀況等，都可以處在監控狀態下。

（8）其他輔助測試設備。用于輔助測試的其他相關設備，如復用板卡、測試探針、轉接箱、打印機、通訊線等。

4 線纜檢測方法比較

手工線纜檢測、基于轉接電纜的線纜檢測和整機線纜自動化集成檢測3種方法的比較如表1所示。

表1 線纜檢測方法比較Table1 Comparison of cable detection methods

線纜自動化集成檢測研究內容

1 線纜自動化集成檢測工藝方法設計

對于具有檢測點數多、檢測點分散等特點的飛機整機線纜檢測，現有的方法存在人為差錯幾率高、可靠性差、效率低下等問題。數字化技術和計算機自動控制技術等的發展，促進了大型飛機數字化設計與裝配的進程，進而需要研究適用于總裝配檢測環節飛機整機線纜的數字化和自動化集成檢測工藝方法。線間絕緣檢測是傳統手工檢測難以完成的工作，需要研究新的集成檢測工藝方法，在實現線間絕緣檢測的同時，還可以測量導線配電終端的電壓，以防止后續線纜通電時可能出現的安全隱患，確保整個電源系統能夠配電正確。

2 線纜自動化集成檢測轉接電纜優化設計

提高測試質量和效率是整機線纜自動化集成檢測追求的永恒目標。轉接電纜作為直接與飛機被測系統連接的重要紐帶，其優化設計及合理性對整個測試系統的功能發揮具有決定性作用。在整機線纜自動化檢測過程中，以分布式測試箱和轉接電纜為搭配組合的測試方案仍是最常使用的一種。測試前的準備工作和測試結束后的收尾工作，所占據的時間達到整個測試周期的3/4，而在這3/4的時間里，所花費時間最多的是轉接電纜與機上待測點的連接。因此，為提升整個線纜測試系統的質量和效率，需要對轉接電纜進行優化設計，以增加設計質量的最優性和現場使用的便捷性。

3 線纜自動化集成檢測故障快速定位技術

線纜檢測的目的之一就是查看整個線路連接狀態是否正常，如果檢測出故障，需要快速定位出故障所在位置并解決。飛機整機線纜常出現的現象是線路未能正常導通，造成該現象的原因主要包括開路和錯接兩種情況。其中開路一般指因虛焊或線纜質量所引起的問題；而錯接一般指兩根導線在接入同一個插頭上時插口位置被互換了。由于整機線纜數量多、連接復雜，加上敷設的長度又比較長，對其進行導通故障的定位和原因的排查、判斷成了一件非常困難的事。目前采用的傳統人工排查的方法效率低下，對線纜發生的故障位置不能實現快速定位。因此需要對不同敷設區域內線纜導通的故障特征進行分析，基于導通表和檢測結果來建立線纜的導通模型，據此確定導通狀態矩陣；對導通狀態矩陣疊加導通激勵矩陣，生成導通相應矩陣；最后根據導通狀態矩陣、導通激勵矩陣和導通相應矩陣，判斷故障的性質，定位故障的部位。

4 工藝轉接電纜智能存儲技術

對儀器設備和工具進行智能化管理，能夠有效節省前期準備時間，尤其是對于像工藝轉接電纜這樣的特殊零件，涉及的數量大、連接端口類型多，因帶柔性而彎曲纏繞明顯，采用傳統的人工管理會造成工藝轉接電纜及其附件使用信息和狀態信息以及相關使用人員信息不明確，嚴重影響檢測的進度。研究工藝轉接電纜的智能存儲技術，引入連接器位置識別技術、RFID技術等智能識別技術，將工藝轉接電纜的智能存儲系統與整機線纜集成檢測系統相結合，實現實時監測工藝轉接電纜的存儲和測試等狀態信息[16-17]。為能夠快速定位出工藝轉接電纜的準確存儲位置，以實現線纜檢測時方便快捷的取用和歸放，需要研究不同的存儲位置檢索方式。

國內外研究現狀綜述

1 國外研究現狀及其分析

飛機設計制造及數字化裝配、飛機整機的自動化檢測等，隨著計算機控制技術和自動化技術的發展而上升到了一個新的臺階，裝配手段和檢測方法都有了很大改進[18-19]。以國外先進航空制造公司為例，針對飛機線纜網絡檢測和故障診斷，自動化檢測技術已經發揮出了優勢[20]，整機線纜檢測效率得到了很大程度的提高，在檢測過程中因人為原因造成的安全隱患幾乎被排除，生產制造效率和飛機安全性都有了提高。

國外航空航天業的波音、空客以及洛克希德·馬丁公司等，在整機線纜檢測方面已經放棄了傳統的人工檢測方法，廣泛采用了整機線纜自動化集成檢測技術對總裝階段的線纜導通、線纜絕緣、線纜故障等進行功能測試和診斷，檢測過程高效、可靠、便捷[7,9]。如在軍用機方面有歐洲的A400M、美國的F-22、F-35 飛機等，在民用機方面有波音的787、空客的A350、A380 等[7]。空客漢堡公司在對線纜測試點數接近4 萬個的A318、A319 機身段進行檢測時，采用的自動化集成檢測技術只需要兩個人用不到50min 就可以完成，節省了大量時間[21]。在集成測試平臺方面，法國的NEXEYA 公司在復雜系統研發階段的系統集成驗證擁有豐富經驗，提供飛機級、系統級和關鍵設備的綜合驗證系統，其開發的通用集成測試平臺能夠實現硬件和軟件的在線測試，對于缺位的軟件可以利用模型數據來進行代替，目前該測試平臺已經成功應用于空客A380的裝配測試中，在相鄰測試空間內測試距離可以達到200m 及以上，經擴展后可達到500m，且可實現9個空間測試范圍內的1 萬多個測試點的檢測[22-23]。NEXEYA 公司的另一款產品——綜合驗證臺SYSTeam 在檢測系統需求滿足方面同樣表現出較大優勢，是航空制造企業青睞的對象[24]。

美國的航空制造業在全球都具有領先的地位。在線纜測試設備和檢測領域方面，DIT-MCO 公司在市場上占有很大的份額，經過50 多年的技術積累和發展，該公司在開發與應用方面都具有豐富的經驗，代表性的線纜測試儀產品有FACT 7000/8000型、2650型、2651型、2115型和2135型等[12,25]。作為波音的主要使用用戶之一，DIT-MCO 公司開發的上述測試設備能夠無縫連接到波音的計算機網絡系統，完成設計數據讀取、測試程序編輯、測試結果上傳等工作，能夠實時共享各分布式測試設備的測試資源，系統協調性好，工作效率高[13]。

快速定位故障位置是線纜自動化集成檢測過程中的一項重要功能。采用傳統的人工逐一排查，工作效率低，整機線纜自動檢測技術的優勢被大大削弱。因此利用自動化檢測技術實現飛機整機線纜導通故障快速定位成為一個亟待解決的問題[13]。霍尼韋爾航空航天集團公司為解決美國海軍每年需要花費大量人工成本來對飛機線纜進行維修與故障排除的難題（據統計，每年超過180 萬工時的投入），開發了一項定位線纜故障點的智能遠程維護技術，通過在Nova 線纜集成項目中的應用，可實現在1min 內完成對5000根電纜的檢測，并完成對故障類型的判斷，故障位置定位誤差精度在1cm以內[26]。Furse 等[27]研發的智能線纜測試系統能夠利用頻域反射法（Frequency domain reflection，FDR）實現線纜自動測試，通過無線通訊網絡對故障位置、故障類型等數據進行采集，并發送給相關維修人員，該系統的故障位置定位誤差精度在3cm以內。Jeon 等[28]根據施加在線纜上的信號和反射信號彼此重疊的情況來分析線纜故障的位置，即使由于故障位置與應用位置的接近而導致應用信號和反射信號重疊，也可以準確地檢查電纜的故障類型和故障位置。Ahmad 等[29]開發了一種基于數據的電力電纜系統故障診斷系統，為了實現較高的故障診斷性能，同時使用小波分析和倒譜分析生成新的特征變量。Lee 等[30]提出了一種基于時頻域反射法（Time-frequency domain reflectometry，TFDR）的多芯電纜故障診斷方法，該方法使用基于TFDR結果的聚類算法來檢測多芯電纜中的故障位置和故障線路，故障線檢測聚類算法使用TFDR 互相關和相位同步結果作為輸入特征數據，可以檢測故障線并成功識別故障點。

2 國內研究現狀及其分析

相對于歐美等發達國家的航空制造企業而言，國內對飛機線纜的檢測大多還是以采用人工操作和基于轉接電纜兩種方式為主，通過對電、光、聲等測試信號的觀察來判斷線纜的導通、絕緣等情況，而在自動化集成檢測方面仍較落后[31]。

近些年，國內的一些學者和部分航空制造企業在飛機線纜檢測技術方面進行了研究。如北京航空測控技術公司在2006年設計了一款主要用于小型設備的日常維護檢測的電纜測試儀，該電纜測試儀攜帶方便，但對于飛機的復雜大型系統，其技術指標還難以滿足要求[32]；王護利等[33]設計了一種便攜式電纜測試儀，可實現對檢測結果的實時顯示和打印，能夠滿足對于一般專用電纜的測試要求，但是只局限于小型設備的線纜檢測；李蘋慧等[34]以工控機為核心，采用模塊化設計方法設計了一款航空整機電纜自動測試系統，該系統初步面向機載電纜測試；劉長江[35]設計了基于改進電橋法的智能電纜故障定位儀，并開發軟件用于定位電纜故障點；杜金茹[36]和張大剛[37]等對目前航空電纜檢測技術的應用及未來發展進行了闡述；孫長勝等[38]對飛機電纜屏蔽層接地可靠性測試系統進行了設計，系統以NI CompactRIO機箱為核心，通過連接上位機、輔助電路以及測試工具搭建硬件測試平臺，利用LabVIEW 可視化編程語言編寫控制程序；西安安泰電子公司（Aigtek）研制出的ATX-3000 飛機線束測試儀，為飛機線束檢測行業做出了貢獻[39]。還有研究者對航空多芯電纜檢測系統[40]、數字式電纜測試儀[41]、手持式電纜測試儀[42]等進行了研究和開發。文獻[12-13]對某型飛機全機線纜自動檢測系統進行了設計與優化，同時對導通故障定位方法進行了研究。

圍繞線纜故障檢測，翟禹堯等[43]以飛機電纜的絕緣缺陷為研究對象，根據時域反射法(Time domain reflectometry，TDR)原理建立了航空電纜絕緣故障模型，并用仿真軟件針對3種不同波形的脈沖進行了仿真；高闖等[44]采用擴展頻譜時域反射法(Spread spectrum time domain reflectometry，SSTDR)，基于FPGA技術設計了一種速率為500MHz的飛機電纜故障在線檢測和定位裝置，利用該裝置在線監測電纜的健康狀態，以實現故障的檢測，在地面運營、維護方面提高了效率；毛健美等[45]提出采用感性耦合技術實現非接觸式電纜故障在線診斷的方法，以解決現有非接觸式診斷中容性耦合信號衰減量大、診斷效果不佳問題。相比于接觸式診斷，非接觸式診斷避免了診斷裝置與待測電纜的電氣連接問題；洪博等[46]針對航天器電源系統中一次母線故障的在線檢測定位問題，構建了一種基于擴展頻譜時域反射法的高定位準確度在線檢測方法。

此外，荊濤等[47]提出了一種利用魏格納數據分布矩陣檢測飛機電纜故障的方法，在計算入射參考信號和反射信號之間相關性的基礎上，通過計算相關函數波形中局部峰值時間準確確定飛機電纜故障位置；張俊民等[48]對飛機電纜出現的缺陷與故障進行了分類，著重介紹了傳統檢測方法和現代檢測方法——反射法，從理論上分析和探討反射法檢測電纜缺陷與故障的原理、試驗方法以及可行性。Shi 等[49]提出了一種基于TFDR的飛機電纜故障檢測與定位方法，以有效地檢測間歇故障，并解決在時域反射中難以檢測到的串行和后連接器故障，該方法利用反射信號和參考信號的相關函數，根據反射信號和參考信號在時頻范圍內的特征，對飛機故障進行檢測和定位，有效提高了間歇性故障的檢測和定位命中率；周訓春等[50]為了提高飛機電纜故障定位的準確性，建立了電纜衰減特性模型并用該模型進行Simulink 仿真和對4種長度的飛機電纜進行實測，所建立的衰減特性模型能較為準確地計算出信號在不同長度電纜中的衰減；Yuan 等[51]提出利用回歸分析的方式定位線纜故障的位置；Jing 等[52]指出傳統時域反射法只能判斷開路故障或者短路故障，他們提出的相位檢測頻域反射法可以檢測出冷焊點、磨損點以及其他異常點。

從上述國內外關于線纜檢測的研究現狀可以看出，經過近60年的發展，以歐美國家為主要代表的飛機制造公司（如空客、波音等）和相關的電纜集成檢測設備設計與制造公司（如英國的MK 公司、美國的CKT 公司及DIT-MCO 公司等）在線纜自動化集成檢測技術方面積累了大量的技術經驗，在該技術運用方面也比較早，技術發展比較成熟，具有很大的技術領先優勢。雖然國內圍繞線纜檢測的研究做了一些有益的工作，也研制了部分線纜測試儀器，但產品大多借鑒國外產品，缺乏創新性和核心技術，在產品的應用范圍和技術水平等方面仍落后于世界先進水平。

線纜自動化集成檢測發展趨勢

1 轉接電纜數量最小化和輕量化設計技術

對于大型飛機而言，測試點數往往是按幾萬點的數量級別來計算，由測試點數來安排所需要的轉接電纜數量也非常大。相對于傳統的檢測方法，整機線纜自動化集成檢測的一大優勢和特點在于自動測試，測試過程中對轉接電纜的操作（如揀選、取用、拖拽、歸放和保存等）是否方便、快捷，是決定整個自動測試系統成功與否的關鍵環節之一。數量最小化和輕量化設計是轉接電纜在設計和制造過程中實現操作便捷需要解決的重要難題。

2 線纜故障在線診測與性能衰退預測技術

飛機由于存在空間小、布線不規范、相鄰線纜走向不一致以及信號干擾大等特點，導致線路故障類型檢出難和定位難。飛機結構的復雜性和線纜本身的特性導致飛機線路故障定位效率低下，浪費了大量的時間和精力。線纜性能衰退狀態預測是基于收集到的線纜歷史監控數據，預測線纜未來的性能變化趨勢。由于工作狀態中的線纜會通電等緣故，對于衰退預測，線纜性能衰退中復雜的特性給預測模型帶來了較大困難。因此，研究線纜故障在線診測與性能衰退預測技術，對于提高飛機整機性能具有重要的意義。

3 線纜健康狀態評估技術

作為飛機的“神經系統和血管”，線纜在整個飛機服役期間起著極其重要的作用。飛機的整個通信系統、控制系統、動力系統等的安全直接受線纜健康狀態的影響，準確、客觀地評估線纜健康狀態，是實現飛機狀態維修的一個重要技術手段。研究新的智能檢測技術，將傳感檢測設備融入到整機電纜系統中，利用大數據分析技術對實時獲取的航空線纜數據和健康狀況進行處理和分析，實現實時在線診斷，準確評估飛機線纜的健康狀態，可以為飛機的飛行計劃和維修決策提供依據和技術支持[53]。

4 線纜工藝知識管理技術

線纜檢測工藝方法設計需要相應的工藝知識作為支撐，作為提供輔助支持的管理工具，線纜工藝知識庫需具備實時更新的功能。飛機線纜的設計具有更改頻繁的特點，對其工藝知識的研究往往很難實現自動化的應用，這就使得很多航空制造企業沒有專門的線纜工藝知識管理系統，導致線纜工藝知識的獲取、存儲與共享缺少有效的工具。另外，線纜接線邏輯的更改和工藝規則的更新，使得原先在系統里定義存儲過程的程序代碼必須做出相應的變化，這大大增加了專業的編程人員維護工藝知識庫的工作量[54]。因此，需要研究線纜工藝知識管理技術，為線纜自動化集成檢測提供知識基礎。

數字孿生技術在線纜自動化集成檢測中的應用展望

1 數字孿生技術應用于線纜檢測的優勢

數字孿生（Digital twin，DT）的概念模型[55-56]最早出現于2003年，由Grieves M.W.教授在美國密歇根大學的產品全生命周期管理（Product lifecycle management，PLM）課程上提出，最初被稱作“鏡像空間模型”（Mirrored spaced model）。2010年，美國國家航空航天局第一次將數字孿生概念引入到太空技術路線圖中，目的是采用數字孿生技術來實現飛行系統的診斷與預測功能[57]。

關于數字孿生，目前還沒有一個統一的定義。其主要思想是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[58-59]。作為一種充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術，數字孿生面向產品全生命周期過程，發揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務[60-62]。

檢測是針對被測對象某種或某些狀態參量進行的實時或非實時的定性或定量測量，在產品生產的整個過程中，檢測工作是保障各個生產環節能夠正常、有序、高效率和高質量往前推進的重要條件。發展“四高兩低”（“四高”指高效率、高質量、高精度、高可靠；“兩低”指低能耗、低消耗）[58]的檢測技術一直都是工業界和學術界的研究熱點。數字孿生驅動的飛機整機線纜自動化集成檢測模式是在虛擬空間中構建高保真度的線纜測試系統及被測線纜對象虛擬模型，借助測試數據實時傳輸、測試指令傳輸執行技術，在歷史數據和實時數據的驅動下，實現飛機線纜物理被測對象和虛擬被測對象的多學科、多尺度、多物理屬性的高逼真度仿真與交互，從而直觀、全面地反映飛機整機線纜運行過程全生命周期狀態，有效支撐基于數據和知識的科學決策。

數字孿生驅動的飛機整機線纜自動化集成檢測基于物理系統和虛擬系統的虛實共生，具有以下新特點和優勢[58]：

（1）檢測狀態和結果能夠直觀呈現。原來的檢測狀態和結果主要由狀態參量的數據化形式向工人呈現，工人需要根據自身的經驗和知識對呈現出來的結果和數據進行分析、判斷和處理；而利用數字孿生技術實現的線纜檢測狀態參量和結果則將以視覺化形式直觀呈現在工人的面前，由于是實時的測試狀態信息，工人可以較方便地得出飛機整機線纜的健康狀態。

（2）測試時間進程的轉變。整機線纜測試往往在所有線纜敷設完成后進行，或者飛機出現事故后再來進行故障的診斷和分析，屬于事后測量。而基于數字孿生的線纜集成檢測則是將線纜的測試工作安排到事前測量，整個測試過程可以在飛機線纜裝配過程中或運行期間進行在線測量。

（3）測量的物理數據與反饋更新的虛擬數據共同指導整機的線纜測試。由于以虛擬信息的形式實時復現了物理狀態下整機線纜的檢測過程和數據，虛實共生的測試數據雙向作用并指導測試操作，實現“虛實共生，以虛控實”的目標。

（4）響應方式由被動變為主動。傳統檢測方式的測試響應是根據測試結果來進行的，屬于被動響應，即出現問題再來做出相應的反應；而引入數字孿生技術后，響應過程由被動變為主動，亦即基于虛實交互的自適應主動控制。

（5）數字孿生技術的一大主要特點是全生命周期管理。基于數字孿生的飛機整機線纜自動化集成檢測由原先的狀態監測向虛實同步映射的全生命周期健康狀態預測轉變。

2 基于數字孿生的線纜自動化集成檢測

將數字孿生技術引入到線纜的自動化集成檢測中，基于制造過程中的全數字量協調傳遞過程，借助“虛實共生、以虛控實”的手段，實現線纜的自動化集成檢測。在線纜檢測過程中，數字孿生技術可以全面對線纜的各個運行參數和指標進行監測和評估，對線纜的早期故障和性能退化信息進行豐富反饋，指導線纜的維護工作和故障預防工作，使線纜能夠獲得更長的壽命周期，延伸飛機的使用壽命。圍繞數字孿生驅動的飛機整機線纜自動化集成檢測模式研究，亟需突破以下難點問題：

（1）線纜數字孿生集成檢測系統建模。數字孿生驅動的線纜集成檢測以虛實共生為主要特征，構建面向整機線纜性能和待測線纜行為的動態集成測試系統模型，為整機線纜檢測數據流管理提供理論基礎。

（2）線纜數字孿生檢測系統信息物理融合。信息物理融合是開展線纜數字孿生檢測的前提條件，整機線纜狀態測試、集成檢測以及性能評估與預測，需要研究虛實共生驅動的測試設備和虛擬測試系統之間信息物理融合方法。

隨著對數字孿生技術研究的深入和新一代信息技術（如云計算、物聯網、大數據等）的不斷發展，數字孿生驅動的飛機整機線纜自動化集成檢測將具有廣闊的應用前景。基于數字孿生的飛機整機線纜自動化集成檢測系統框架、研究內容、關鍵技術及其實現途徑，作者及課題組成員將在后續的工作中進行重點研究。