特種飛機綜合化任務系統PHM設計與實現*

張洪亮

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

目前機載綜合化電子系統已經發展到第四代高度綜合化階段，裝備先進性、復雜性大大提高，容錯能力更強[1-2]。

故障診斷及健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)技術在未來航空領域將發揮重要作用。通過 PHM系統設計，結合飛機起飛、巡航等不同場景的應用，能夠有效提升任務完成率和裝備可靠性。PHM技術將成為支撐裝備實現高效保障、自主健康管理的最重要手段[3-4]。

國內關于PHM技術的研究起步較晚，研究內容主要集中在概念原理、技術研究及局部支撐技術，尚無完整的系統投入使用，與國外存在很大差距[5]。在航空領域，主要圍繞型號技術攻關，在機電和結構方面開展了技術研究以及部分應用，機載航空電子系統應用還處于較為初步的階段[6]。目前，軍用飛機裝備PHM存在以下幾方面問題[7]：裝備設計初期PHM設計階段考慮不足，信息感知樣本少，故障模式難以通過PHM檢測充分暴露；檢測設備對故障的檢測和隔離能力較弱，外場故障隔離主要依賴外場保障人員；裝備實時健康信息、故障場景信息等信息不足且較為離散，無法進行綜合診斷。綜合來看，目前的軍用飛機裝備離實時健康監測、故障診斷準確定位、快速高效綜合保障等PHM主要功能差距較大[5]。隨著機載航空電子信息系統綜合化程度不斷提高，資源共用帶來的系統內部交聯復雜性將進一步加大故障診斷難度。

本文針對特種飛機復雜綜合化任務系統設計并實現了一種PHM系統，能實時監控系統健康狀態，通過模塊、功能等層次化的設計分析和多功能的綜合故障診斷，能快速故障隔離并將故障定位至模塊內部芯片，對機上系統剩余能力發揮、有效降低飛機再次出動執行任務的間隔時間、大大縮短修復時間均具有重要意義。

1 PHM系統功能

PHM技術在綜合航空電子信息系統的主要功能包括狀態監測、功能性能測試、故障診斷定位、故障預測以及綜合保障及健康狀態管理[5]。國外航空領域的PHM系統主要是以F-35飛機為代表的固定翼飛機PHM系統、直升機的健康和使用健康管理系統(Health and Usage Management System,HUMS)以及波音公司為代表的大型民用飛機的飛機健康管理(Aircraft Health Management,AHM)系統[6]。目前國內對軍用特種飛機(電子戰飛機、預警機等)的PHM技術研究較少。

軍用特種飛機的任務系統往往含有大量的偵察、雷達、光電、通信等電子設備，是特種飛機的主要任務屬性以及最重要價值體現。任務系統往往較為獨立，并具有獨立的計算機與顯示器[1]。國外某戰場監視飛機的遠航程任務機組成員數量超過10人[1]。因此，針對特種飛機任務系統開展PHM研究與設計具有重要意義。

任務系統的PHM功能要考慮其使用場景(飛行前、中、后)，通過任務系統的系統結構、主要功能、基礎要素等特點切入，開展狀態監測與故障數據的采集，挖掘信息進行故障診斷與定位，建立模型推斷可能的故障，并以圖形化的顯示提供給任務機組人員；任務機組人員根據系統目前資源情況考慮功能重構以及通知地面備件準備，從而達到系統使用效能最大化，降低飛機再次出動時間以及提高效率的目的。

2 PHM使用場景分析

任務系統的PHM的應用主要貫穿于起飛前準備、巡航、地面處理三個環節，在爬升、下降、著陸等階段任務系統一般不加電。圖1為典型電子戰飛機戰場監視任務圖[1]。

圖1 典型戰場監視任務概圖

在起飛前：PHM需要對任務系統進行全面的功能、性能及健康檢測，并給出實測以及故障預測結果，為飛機的任務規劃提供重要依據。

巡航階段：進入巡航階段后，PHM需要對系統功能、性能以及系統運行狀態全面檢測。當系統發生故障時，PHM應給出診斷結果以及故障影響的范圍，并能實時提示任務機組。

地面處理階段：飛機抵達地面時，維修保障人員能夠依據PHM給出的故障信息完成維修策略以及備件更換。

3 綜合化任務系統PHM設計

3.1 綜合化任務系統典型結構

綜合化系統一般采用模塊化綜合設計思路和開放式架構進行設計，對硬件資源進行分類綜合和統一配置管理。系統資源按類別分為綜合天線孔徑、射頻信道類模塊、數字類模塊，天線孔徑與射頻信道通過射頻開關網絡互連，采樣類模塊與數字類模塊相互之間通過高速網絡互連。圖2給出了一種典型的綜合化系統體系架構。

圖2 綜合化任務系統典型結構

3.2 任務系統PHM設計

3.2.1 任務系統PHM組成

任務系統PHM分為機上與地面兩個部分。地面部分主要包括各通信、雷達檢測儀等測試設備。當飛機處于地面時，使用地面PHM設備對任務系統全部功能、性能進行檢測，并將檢測結果報送機上PHM。機上PHM依據任務系統結構特點設計，具備基礎資源級、功能級、系統級三層健康管理結構設計，并具備圖形化顯示界面，能將故障實時診斷、顯示和報送任務機組。

圖3 任務系統PHM組成

3.2.2 PHM層次劃分

任務系統PHM采用的是機上、地面一體化，機上分層設計、逐級診斷、集中處理的體系結構。結構分層圖如圖4所示。低級別的層次為模塊及網絡等基礎資源，依據系統資源重構特性，重點考慮模塊內部及網絡的資源劃分、各類測試數據的覆蓋性、準確性，以降低虛警率。中間層為功能級，搜集功能評估所需的健康數據，結合功能自身軟硬件、模式以及閉環測試進行初級診斷，并將報告上報系統級。高級別層次為系統級，系統健康管理將故障結果進行關聯分析、綜合故障診斷，并以圖形化方式通知任務機組。通過分層設計、逐級融合進一步提高故障診斷能力,減少虛警。

圖4 任務系統PHM體系結構

3.2.3 基礎資源健康管理設計

3.2.3.1 模塊健康管理設計

模塊健康管理功能主要完成模塊內部健康測試及監測功能,測試點精細化至芯片。圖 5為模塊健康設計原理。

圖5 模塊健康管理原理

該設計有以下能力：一是監測能力。對模塊內部的環境變量(溫度、濕度、振動等)實時監測；對模塊內部芯片溫度、供電電壓、時鐘等基礎要素進行采集管理；健康設計依據系統影響結合模塊內部芯片特征要素進行監測，例如數字芯片(例如CPU、大容量存儲等)的工作狀態，主頻、使用率、扇區壞道等，射頻芯片的功率、本振鎖定狀態、開關狀態等。二是初步診斷能力以及執行策略能力。采用獨立的微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)作為健康管理器，對健康數據進行采集、分析、上報，對故障進行初級分析、診斷、消除虛警，及故障隔離；在系統生成狀態策略時，MCU可以完成對本模塊動態部署、重構等動作。

3.2.3.2 數據總線及交換網絡健康管理設計

數據總線及交換網絡負責任務系統內的業務數據傳輸，一般分為控制網絡以及數據網絡。控制網絡用于傳輸控制命令、狀態參數等數據，其特點是抗干擾性、可靠性、實時性要求高，但數據量較低，網絡負荷較低。數據網絡用于傳輸雷達、光電、數據鏈等功能業務數據，其特點為數據量大，網絡負荷相對較高。因此數據總線及交換網絡的健康設計，應該考慮數據測試以及狀態監測相結合的方法。圖6為一種典型數據及控制網絡健康監測原理框圖。

圖6 監測網絡原理框圖

圖6中網絡管理模塊實時監測數據網絡，中心模塊實時監測控制網絡的健康狀態，并將網絡健康信息上報系統健康管理。該設計具備以下能力：具備端到端的網絡狀態監測與數據統計，包括收發累計包、丟棄包、錯誤包、重傳包等信息，綜合判斷任意節點在網絡中的健康狀態；在啟動或者運行中周期實時監測與之相連的模塊端口速率、連接狀態等物理狀態信息，實時監測節點網絡狀態；在啟動、運行或者維護過程中運行大規模健康數據，測試網絡帶寬、速率等網絡效能。

3.2.3.3 專用健康網絡設計

專用健康網絡用于系統對模塊的健康信息采集與傳輸。大型的綜合化任務系統內模塊數量往往較多(幾十上百)，對于模塊精細化健康設計后，會產生海量的數據。如果使用系統內業務網絡進行搜集、傳輸，一方面將會給業務總線帶寬、延時等網絡資源帶來巨大消耗，另一方面一旦出現網絡故障也會導致故障隔離難度加大。在有系統設計允許的情況下，采用專用網絡是解決上述問題的較好辦法。圖7為一種專用健康網絡結構。

該設計具備以下特點：采用多區域劃分，區域劃分子網方式，降低了故障診斷難度；區域中設計中心節點對子節點模塊進行統一管理，包含數據搜集、剔除、打包、初級判斷等；PHM系統級管理對區域中心節點通信即可完成區域內硬件管理。

3.2.4 功能健康管理設計

功能的健康管理是結合功能使用的硬件資源、功能軟件進行功能自檢。并開展功能閉環自檢。功能的健康結果需要對自檢及閉環自檢綜合診斷。

(1)功能硬件健康

功能使用的硬件資源的健康狀態搜集及綜合診斷，包含獨用以及共用射頻信道資源、信號處理資源等健康狀態。

(2)功能軟件健康

功能使用的功能軟件的健康信息的搜集以及綜合診斷，包含不同模式狀態檢測、軟件自檢狀態、功能軟件鏈路狀態檢測等。

(3)閉環檢測

依據功能的正常工作模式，采用系統內部信號源閉環的方式對功能進行檢測。

具體設計方法是在屏蔽外界信號基礎上，通過接收標準信號與預置信號比對，確定功能檢查結果，并將檢測結果報送功能健康管理。設計中的開關矩陣、變頻、AD采樣等功能所需鏈路均工作在正常的工作模式下，能有效隔離故障并降低虛警。

(4)功能健康管理的初步綜合診斷

通過功能使用的硬件、軟件以及系統資源的健康狀態，結合功能的性能指標特性綜合判斷功能可用性，并給出功能當前的健康狀態，分為正常、告警以及故障。通過閉環檢測，可以進一步剔除虛警，并確認故障位置。

3.2.5 系統健康管理設計

系統健康管理主要包括綜合診斷、功能評估、狀態策略、故障管理等環節，各個環節之間交聯如圖3所示。

3.2.5.1 綜合診斷

綜合診斷是通過多方式進行關聯診斷，將故障結果與功能故障模式關聯分析確定故障位置，流程如圖8所示。其中綜合診斷的難點在于多方式故障綜合。多方式故障綜合在設計上主要分為資源分類與多方式綜合診斷分析兩步。

圖8 綜合診斷流故障

(1)資源分類

以功能1為例對綜合診斷進行說明。圖9為功能1使用的資源，將信號處理、信道等資源用A、B、C替代，網絡、傳輸總線用圖9中互聯線表示。功能1使用的獨用資源為A1、A2、A3，公用資源為C1、C2、C3，功能2是與功能1資源相關功能。系統中所有資源分類與連接以藍圖形式預置于PHM系統中。

圖9 資源分類

(2)多方式綜合診斷

多方式綜合診斷使用基于模型推導診斷結果，結合功能1自檢及閉環自檢結果、功能2自檢及閉環自檢結果，將公用資源C1、C2、C3以及獨占資源A1、A2、A3進行綜合故障統計與概率分析。通過多方式綜合診斷，故障虛警率極大降低。圖10為多方式綜合診斷框圖。

圖10 多方式綜合診斷

圖10中模型推導采用基于卡爾曼濾波[9]方式對實際功能和功能模型產生殘差，通過殘差評價推斷故障發生，將殘差結果進行判別、分類、消除抖動等邏輯判斷，最終給出基于模型的故障結果。

3.2.5.2 功能評估

功能可用狀態的評估采用定性評估辦法，通過構建功能與鏈路上每個資源狀態的映射關系，基于綜合故障診斷結果、當前功能與資源鏈路的配置關系，評估功能的可用狀態。

3.2.5.3 狀態策略

系統依據功能評估的結果，結合當前任務規劃情況對生成該功能的狀態策略，包括降級、停止、重構等策略，并提交顯示控制，提醒操作員是否執行該策略。

3.2.5.4 故障管理

主要包括故障觸發以及過濾、信息記錄與分析。建立統一的故障觸發及過濾策略，當故障達到定義的門限時，觸發錯誤報告。對全系統的健康數據、故障日志、工作日志、系統運行狀態等實時記錄，供事后數據回放與分析。

3.2.5.5 系統健康實時顯示與控制

通過主動方式對全系統運行及健康狀態實時監測，并以圖形化實時顯示，對于出現的故障可以實時提示。

4 典型應用及效果分析

4.1 典型應用

(1)起飛前

通過PHM系統地面檢測設備、機上PHM對任務系統進行全面功能、性能及健康檢測，并給出檢測以及故障預測診斷結果，為飛機的任務規劃提供重要依據。

(2)巡航階段

在任務系統啟動工作時，PHM通過加電檢測、閉環檢測等方式，對系統功能、性能以及系統運行狀態全面檢測，并給出健康檢測以及故障診斷結果。在任務系統開始任務執行時，PHM對系統進行實時運行狀態監測、健康監測、綜合故障診斷、實時數據記錄等。當系統發生故障時，PHM給出綜合診斷結果以及故障影響的范圍，記錄故障，并將該結果以圖形化方式實時提示任務機組。任務機組依據故障診斷結果，結合本次任務，確認功能重構等策略，將當前的系統剩余能力發揮至最大；并同時將故障信息以及需要準備的備件通過數據鏈通知地面維修保障人員，地面保障人員依據故障信息，提前構建維修策略。

(3)地面處理階段

飛機抵達地面時，維修保障人員依據PHM提供的故障信息完成備件準備，通過更換備件，有效降低飛機再次出動執行任務時間間隔。同時，維修保障人員依據故障診斷結果(如圖11所示)開展故障件維修，降低故障件維修時間。

圖11 模塊典型故障提示信息

4.2 效果分析

(1)起飛前效果分析

依據檢測及故障診斷結果，對已發生或者可能發生故障預警，能有效減少因故障引發的飛機返航。

(2)巡航階段效果分析

對于機上故障，PHM給出功能評估以及故障策略，任務機組可以依據功能評估結果確認是否可用，依據故障策略確認功能重構或者返航，將當前系統剩余能力發揮至最大。

(3)地面更換備件

由于飛機抵達地面前，保障人員已經依據故障將備件準備好，因此以往設計中地面檢測、維修、更換等數天的工作流程直接被壓縮至數小時乃至1 h內,飛機再次出動執行任務時間大大降低。

(4)地面維修

由于機上PHM已經將故障信息隔離至芯片，因此地面檢測、維修設備的時間也大大降低。以往設計中地面排查、檢測、維修等數周的工作流程，可能被壓縮至數天乃至1天內，維修設備時間大大降低。

5 結 論

機載電子信息系統的綜合化、一體化設計越來越成熟，機載電子信息系統在作戰中的效益越突出。通過研究特種飛機的綜合化體系的特點，設計一體化的PHM系統是解決復雜電子信息系統健康管理設計的重要思路。

本文設計的PHM系統具備層次化體系結構、完善的基礎資源管理、多方式故障綜合診斷能力，以及統一可視化實時監測界面，使得PHM系統具備故障診斷準確、機上故障處理及時、地面維修高效等特點，為復雜綜合化電子信息系統的健康管理設計提供了參考。