基于PXI 總線的電氣導線互聯系統故障檢查技術

李博

（國營長虹機械廠，廣西桂林 541003）

電氣導線互連系統[1](Electric Wiring Interconnection System，EWIS)主要應用在飛機中，能夠連接飛機上任何區域的不同電線，在兩個或多個端接口連接，能夠傳輸電能數據和電能信號。EWIS 在整個民用飛機設計系統中越來越受到重視，尤其是美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration of FAR25)頒布了第123 號修正案后，EWIS 從原來單獨的功能系統部分，發展為一個獨立的部門[2]，已被認為是一種相對獨立而重要的專業體系。

若EWIS 在飛機上受損，則對飛機的影響程度較大。EWIS 飛機老化給EWIS 帶來很大壓力，但飛機老化并非EWIS 狀況惡化的唯一原因。由于環境因素和意外也會造成EWIS 損壞，因此，EWIS 損壞也可能在新飛機上出現。航空公司應加強維護EWIS，注意日常維護、修理和改造過程中可能遇到的問題，確保EWIS 持續適航，保證飛機安全。

PXI 總線是PXI 聯盟發布的一款強大基于PC 的測量和自動化平臺，能夠將PCI 的電子總線特性與緊湊PC 的堅固、模塊和Eurocard 機械包裝特性結合起來，進而開發出一種適用于測試、測量和數據采集應用、電氣和軟件規范的機器[3]。

文中基于PXI 總線研究了一種電氣互聯系統故障檢測技術，通過計算EWIS 多余度可靠度，判斷其是否存在失效數據，進而實現故障檢測。實驗結果表明，采用所提方法可為電氣互聯系統故障檢測技術提供有力的理論依據。

1 多余度EWIS壽命分布函數

分析機載EWIS 可靠性，將機載EWIS 電氣系統分成不同的單元模塊，單元模塊標記為L1、L2…Ln，這些單元模塊彼此獨立卻又互相牽制，以導線相連，這些導線形成電氣導線互連系統，負責傳遞電力信息和電力能量，由于所有的導線是以串聯的方式連接，所以一旦一個導線出現問題，其對應的與之相連的所有功能單元均會出現問題，這種故障在系統的單余度設計中更為明顯[4]。

多余度設計包含的獨立單元共有兩個，分別是Li、，系統功能單元連接方式有兩種，分別為并聯、串聯，采用的總體方式是先并聯，后串聯，系統的框架如圖1 所示。

圖1 系統框架

為了更好地分析故障，系統的各個單元設定模式均不同，通常設定可靠度為1，與不同單元上連接的導線使用壽命也不同[5]，觀察圖1 可知，與Li連接的導線使用壽命為Xi，與連接的導線使用壽命為Yi，不同單元壽命的最小值決定了EWIS 的壽命值，而Li、建立的子系統壽命，能夠決定兩者壽命最大值，計算公式為：

根據壽命計算公式，可以判斷EWIS 的使用壽命，進而確定影響EWIS 設備損傷的因素。目前，電氣損傷種類主要包括電氣導線內部出現碎屑、金屬銷、機械損壞、受熱氣影響、存在油污、磨損、腐蝕以及加熱過熱[6]。

金屬碎片是在鉆孔或機械加工時產生，碎屑常在線束間聚集起來，斷路器的一級被線束或電氣元件污染或跌落，造成絕緣破壞，產生短弧線，一旦進入線束，金屬碎片很難清除。力學損傷安裝不當會損壞附加線路。組裝和維修過程中，不正確的連接、卷邊和線端操作都會導致線路斷裂，減少電線使用壽命。除此之外，氣態、高溫氣體也會影響電氣導線使用壽命。導線高溫下加速老化，絕緣層破裂，與高溫物體直接接觸會使絕緣層迅速損壞[7]。

2 多余度EWIS可靠度計算

在不同影響因素下，電氣導線互聯系統的并串聯系統壽命分布函數不同，由于Li和所對應的子系統相互獨立，因此要根據多余度系統統計量計算電氣導線互聯系統組成多余度系統壽命分布函數[8]，計算公式為：

當電氣導線互連系統處于相同環境時，系統內部導線壽命滿足指數分布，根據這一條件，對功能單元Li的失效密度函數進行計算，計算公式為：

式中，λi表示電氣導線互聯系統的失效率，計算單位為h-1，e為導線參數。失效率越高，表示電氣導線互聯系統的故障率越高；失效率越低，表示電氣導線互聯系統的故障率越低，如果失效率為0[9]，則代表電氣導線互聯系統不存在故障，由此可以根據公式（4）得到電氣系統的故障分布函數，如公式（5）所示。

由此可以得到電氣導線互聯系統的壽命分布函數。

3 電氣導線互聯系統故障檢測

在獲取電氣導線互聯系統的壽命分布函數基礎上，將公式（6）直接使用到實際工程中，將會變得十分復雜。因此，在實際使用時，需要進行簡化處理，進而分析可靠性[10]。

由于電氣導線互聯系統中包含多個部分，若其中一部分出現故障將會影響系統的整體使用壽命[11]。因此，導線壽命滿足威布爾分布規律。設定文中研究的電氣導線互聯系統為一個整體，其中兩個獨立單元彼此關聯，選取N個EWIS，根據Li、的失效率分別為λi、μi，壽命分別為Xi、Yi，則可以通過定性分析判斷EWIS 的使用壽命，有效降低檢測過程的復雜度。利用PXI總線進行故障檢測，其內部結構如圖2所示。

圖2 PXI總線結構

PXI 總線包含機箱、PXI 背板、系統控制器、若干外圍模塊。中央處理器模塊是系統控制器，位于機箱左邊的第一個插槽。左邊留出3 個擴展槽，以便系統控制器插入功能復雜、容量大的系統卡，由第二槽開始至第八槽，稱為外圍槽，使用者可依需要插入不同儀器模組[12-13]。

根據系統不同單元失效率計算結果，利用PXI總線檢測電氣導線互聯系統故障，每一個EWIS 功能模塊都有兩個單獨的單元，相互備份，在飛行過程中很少出現由于兩個功能模塊故障導致的系統故障；如果只有一個功能模塊發生故障，不會造成系統故障，飛行后可以通過飛行自檢定位故障單元進行維修。這樣機載冗余EWIS 呈現出整個生命周期的無失效狀態，并用無失效數據法處理其可靠性[14-15]。

EWIS 的壽命滿足威布爾分布規律，則得到飛機故障的水平最優置信下限[16]計算公式為：

式中，m表示故障元素個數，?表示威爾分布形狀參數，β表示尺度參數，R表示得到的飛機故障水平最優置信下限。確定水平最優置信下限后，根據不同地區進行檢測。

4 實驗研究

4.1 實驗方案

在指數分布下，提取圖1 中不同功能單元的使用壽命，功能單元Li的使用壽命Xi、的使用壽命Yi，使用壽命Xi對應的失效率為λi，使用壽命Yi對應的失效率為μi，通過抽樣檢測確定電氣互聯系統故障，進而確定電氣互聯系統的故障分布特點。電氣互聯系統故障數據的威布爾分布概率圖如圖3所示。

圖3 故障數據威布爾分布概率圖

確定威布爾分布形狀參數和尺度參數后，設定邊界點，根據置信水平計量，計算統計量，如果統計量小于校驗值，則表示故障率隨時間減小；如果統計量大于校驗值，則證明系統故障率隨時間增加。

選取一般目視檢查法、詳細目視檢查法和基于PXI 總線的電氣導線互聯系統故障檢測技術同時進行檢測，確定置信度，選取的飛機共10 架，飛行狀態顯示為無故障飛行，記錄工作時間，結果如下：

根據上述工作時間，得到最大值為1 950，最大值記為Z(n)，置信度計算公式為：

根據置信水平得到EWIS 的可靠度，在不同工作時間下可靠度不同。

1）如果工作時間大于最大值，即z＞z(n)=1 700時，則代表此時的可靠度為0，即R=0；

2）如果工作時間等于最大值，即z=z(n)=1 700時，則代表此時的可靠度為0.05，即R=0.05；

3）如果工作時間大于1 361.7，小于最大值，即1 306.7＜z＜z(n)=1 700 時，則代表此時需要確定單元數量值。

4.2 結果分析

為了驗證所提方法的科學性和有效性，實驗分析了一般目視檢查法、詳細目視檢查法和基于PXI總線的電氣導線互聯系統故障檢查技術得到的最優置信下限結果，實驗結果如圖4 所示。

圖4 不同方法可靠度結果

分析圖4 可知，當飛機的工作時間趨于最大值時，所有方法估算的可靠度估計值都迅速下降，與實際值存在一定的差距。其中，一般目視檢查與實際值相差最大，所提方法與實際值相差相對較小。相較于實際值，所提方法故障檢測技術準確率高達95.21%，詳細目視檢查法的準確率為90.05%，一般目視檢查法的準確率為87.23%。相比之下，所提方法的可靠度更高，這是由于該文方法引入PXI 總線。PXI 總線具有極強的檢測能力，每隔兩個工作時間段能完成故障檢測，及時處理信息。

為了進一步驗證所提方法的可行性，實驗分析了所提方法、一般目視檢查法以及詳細目視檢查法檢測耗時，實驗結果如表1 所示。

表1 不同方法故障檢測耗時對比

分析表1 可知，采用3 種方法進行故障檢測的耗時存在一定差距，其中，所提方法的檢測耗時最短，而其他兩種方法由于依靠自身經驗進行檢測，故導致耗時較長，驗證了所提方法的可行性。

5 結束語

PXI 總線將電氣導線互聯系統分成功能單元，在分析單元壽命后，確定單元壽命是否服從指數分布，利用多余度EWIS 可靠度函數檢測EWIS 是否服從威布爾分布，確定EWIS 內部數據符合威布爾分布后，分析內部故障數據，通過可靠性分析提高數據分析的準確度。該技術具有很強的故障檢查能力。