航空電子系統(tǒng)的安全性診斷技術(shù)探討

王志強(qiáng)

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

由于航空電子系統(tǒng)具有電子化和集成化的特點(diǎn)，導(dǎo)致其出現(xiàn)的故障類型十分復(fù)雜，并且對(duì)于單一的故障在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法做出精準(zhǔn)定位，促使航空電子系統(tǒng)安全性診斷越來(lái)越專業(yè)化，增加了航空公司的診斷與維護(hù)成本[1]。基于此，研究高效的航空電子系統(tǒng)安全性診斷技術(shù)，不僅有利于節(jié)約成本，還有利于提升診斷質(zhì)量與效率。

1 航空電子系統(tǒng)基本構(gòu)成

航空電子系統(tǒng)中的各模塊是一個(gè)復(fù)雜的整體，但同時(shí)它們之間又具有獨(dú)立性，以此來(lái)滿足不同飛機(jī)電子系統(tǒng)占比的需求。因此，飛機(jī)中的電子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，但是航空電子系統(tǒng)為滿足飛機(jī)的不同飛行高度和角度需要，其中的各項(xiàng)功能大同小異。航空電子系統(tǒng)主要包括：任務(wù)管理系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、核心處理系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)、機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)以及綜合顯示系統(tǒng)等。因此，航空電子系統(tǒng)在飛機(jī)中具有重要作用，可以有效提升航空電子系統(tǒng)的安全性與可靠性。但是，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，航空電子系統(tǒng)中的硬件設(shè)備日益復(fù)雜，使得航空電子系統(tǒng)維修成本較高[2]。如果飛行過(guò)程中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出問(wèn)題，維修人員就要根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，針對(duì)性地進(jìn)行檢測(cè)與維修。目前，基于飛行數(shù)據(jù)的航空電子系統(tǒng)安全性檢測(cè)方式正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢測(cè)維修方式。

2 航空電子系統(tǒng)安全性診斷面臨的問(wèn)題

2.1 特征參數(shù)不易獲取

特征參數(shù)具有直觀性和簡(jiǎn)單性，可以為航空電子系統(tǒng)故障檢測(cè)提供較大便利，并能夠在相關(guān)機(jī)械系統(tǒng)中大范圍應(yīng)用。不過(guò)在航空電子系統(tǒng)中，獲取飛機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)有一定難度，導(dǎo)致特征參數(shù)在航空電子系統(tǒng)中無(wú)法發(fā)揮最大作用。例如，特征參數(shù)在PHM機(jī)械系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，正常情況下可以直接找到潛在故障，隨后通過(guò)相應(yīng)的推理算法，對(duì)潛在故障進(jìn)行研究與分析。但是，如果飛機(jī)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重或者振動(dòng)信號(hào)改變的情況，航空電子系統(tǒng)中的特征參數(shù)就無(wú)法找到相應(yīng)的故障參數(shù)，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)信息檢測(cè)參數(shù)對(duì)飛機(jī)中的設(shè)備進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)飛機(jī)發(fā)生突發(fā)性故障，但是特征參數(shù)無(wú)法第一時(shí)間預(yù)測(cè)的情況[3]。目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)中電路發(fā)生故障的概率非常大。針對(duì)電路故障，Impact 航空公司提出了多種參數(shù)的預(yù)測(cè)方法，該方法實(shí)用性較高，并且檢測(cè)過(guò)程十分便利。

2.2 故障模型建立困難

相關(guān)調(diào)查研究表明，航空電子系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的故障往往是多種因素共同作用的結(jié)果。因此，維修人員想要準(zhǔn)確判斷航空電子系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，就要將多種因素對(duì)航空電子系統(tǒng)造成的故障損傷進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析，繼而建立完善的航空電子系統(tǒng)故障模型，并針對(duì)各類損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，繼而找出多種因素之間的關(guān)聯(lián)性，隨后再判斷多種因素疊加在一起會(huì)產(chǎn)生多重的損傷程度[4]。但是，現(xiàn)階段航空電子系統(tǒng)影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致故障模型建立困難，無(wú)法準(zhǔn)確地根據(jù)模型對(duì)航空電子中的潛在故障進(jìn)行判斷。

3 航空電子系統(tǒng)的安全性診斷技術(shù)

3.1 利用監(jiān)測(cè)特征參數(shù)法監(jiān)管

自從空客A320 系列使用的電子系統(tǒng)成功后，航空電子系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在航空業(yè)中的使用率非常高。但是，目前最先進(jìn)的航空電子系統(tǒng)是空客A380 飛機(jī)和波音787 型飛機(jī)中的電子系統(tǒng)，該電子系統(tǒng)將傳統(tǒng)的功能全部統(tǒng)一在綜合機(jī)電系統(tǒng)下，促使飛機(jī)在飛行過(guò)程中，只要出現(xiàn)細(xì)微的變化，運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)被影響。例如，波音737MAX 發(fā)生事故的主要原因就是航空電子系統(tǒng)檢測(cè)到故障后，飛機(jī)的控制系統(tǒng)處理方式缺少合理性，繼而引發(fā)飛機(jī)失控。基于此，應(yīng)該定期維護(hù)與檢修飛機(jī)的安全性控制系統(tǒng)，不斷完善相關(guān)電子設(shè)備，并充分利用航空和電子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)飛機(jī)的特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，繼而檢測(cè)出潛在故障[5]。但是，需要注意的是，這種特征參數(shù)檢測(cè)方法會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)信息，維修人員需要在海量數(shù)據(jù)信息中挑選有效的數(shù)據(jù)信息，隨后通過(guò)預(yù)測(cè)算法的方式對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，并且由于航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有一定差異性，獲得特征參數(shù)的數(shù)據(jù)信息就會(huì)呈現(xiàn)多樣化。但是，想要改變這種方式，就要將無(wú)線傳感器和GPS 定位相結(jié)合。例如，某航空公司將飛機(jī)中的無(wú)線傳感器和GPS 定位機(jī)二者結(jié)合，形成了一個(gè)精準(zhǔn)的無(wú)線接收系統(tǒng)，然后利用加速實(shí)驗(yàn)就可以提取飛機(jī)中的各項(xiàng)參數(shù)，有助于維修人員快速開(kāi)展工作，利用提取后的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息就可以對(duì)飛機(jī)航空電子系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估[6]。

3.2 傳統(tǒng)的安全性檢測(cè)維修方案

隨著飛機(jī)中各項(xiàng)電子設(shè)備不斷更新，航空公司需要控制飛行的穩(wěn)定性，早期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生故障的概率非常高，并且飛機(jī)中各項(xiàng)電子設(shè)備的功能會(huì)隨著年限的增加而持續(xù)下降。傳統(tǒng)飛機(jī)的維修和故障檢測(cè)技術(shù)水平相對(duì)較低，主要是通過(guò)工作人員對(duì)飛機(jī)進(jìn)行維護(hù)與檢測(cè)，并且工作人員只能有效解決飛機(jī)表面故障。飛機(jī)故障主要是通過(guò)失效率的時(shí)間進(jìn)行判斷，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式中，維護(hù)人員只能通過(guò)機(jī)械檢測(cè)的方式應(yīng)對(duì)飛機(jī)出現(xiàn)的故障。與此同時(shí)，維護(hù)人員針對(duì)特殊的故障問(wèn)題缺少有效的解決方法，繼而導(dǎo)致飛機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)失控的問(wèn)題。但是，現(xiàn)階段航空電子系統(tǒng)逐漸集成化和復(fù)雜化，新型材料在航空業(yè)中的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的飛機(jī)維修與檢測(cè)方式已經(jīng)無(wú)法滿足航空電子系統(tǒng)的檢測(cè)要求。從大部分故障分析來(lái)看，故障發(fā)生原因也越來(lái)越復(fù)雜。基于此，航空業(yè)應(yīng)該基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，針對(duì)航空電子系統(tǒng)中的潛在故障進(jìn)行評(píng)估與分析，繼而提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并及時(shí)解決問(wèn)題[7]。

3.3 故障診斷專家系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)主要是在航空領(lǐng)域形成對(duì)應(yīng)的專業(yè)知識(shí)庫(kù)和工程經(jīng)驗(yàn)，并且該故障診斷系統(tǒng)可以定期對(duì)飛機(jī)信息進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，促使采集的參數(shù)和結(jié)構(gòu)形成綜合的知識(shí)庫(kù)，再進(jìn)行一系列分析，最終精準(zhǔn)定位航空電子系統(tǒng)故障。航空電子系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)就是普通的維護(hù)人員也可以解決高難度的故障問(wèn)題，降低維修人員的門檻。其中，航空電子系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)主要包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、信息采集以及人機(jī)接口。故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

航空電子系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)主要分為地面故障診斷專家系統(tǒng)和機(jī)載故障診斷專家系統(tǒng)兩個(gè)部分。地面故障診斷專家系統(tǒng)主要是通過(guò)人機(jī)接口對(duì)地面進(jìn)行診斷，再由地面診斷設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)錄入、故障分析等，然后在知識(shí)庫(kù)中顯示結(jié)果。機(jī)載故障診斷專家系統(tǒng)主要通過(guò)本地專家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行故障分析，并將分析后的結(jié)果送往機(jī)載顯示設(shè)備。機(jī)載顯示設(shè)備主要具有顯示和自動(dòng)檢測(cè)功能，地面故障診斷系統(tǒng)主要具有信息采集功能，主要對(duì)航空電子系統(tǒng)中的各項(xiàng)硬件進(jìn)行測(cè)試[8]。

3.4 多控制面?zhèn)文婕夹g(shù)

飛機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)面臨未知的故障，正常情況下，處理故障的方式都是模塊系統(tǒng)重新啟動(dòng)，就可以解決運(yùn)行中出現(xiàn)的故障。如果飛機(jī)表面發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，模塊系統(tǒng)就會(huì)無(wú)法重新啟動(dòng)，導(dǎo)致飛機(jī)在運(yùn)行中可能會(huì)失去控制，降低飛機(jī)的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性。基于此，多控制面?zhèn)文婕夹g(shù)可以有效解決損傷嚴(yán)重問(wèn)題，因?yàn)槎嗫刂泼鎮(zhèn)文婕夹g(shù)作為冗余設(shè)計(jì)法，當(dāng)飛機(jī)表面出現(xiàn)異常或者長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法啟動(dòng)某種功能時(shí)，多控制面?zhèn)文婕夹g(shù)就可以自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)，并且對(duì)飛機(jī)局部系統(tǒng)進(jìn)行重新構(gòu)造。在飛機(jī)局部系統(tǒng)重新構(gòu)造的過(guò)程中，其可以保證航空電子系統(tǒng)中各項(xiàng)功能不受影響，促使飛機(jī)保持原本的運(yùn)行狀態(tài)[9]。另外，多控制面?zhèn)文婕夹g(shù)還具有局部模式切換的功能，在飛機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以無(wú)縫銜接切換其他模式。

3.5 數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù)

航空電子系統(tǒng)中的PHM 數(shù)據(jù)主要是通過(guò)傳感技術(shù)采集而來(lái)的，傳感技術(shù)可以對(duì)海量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集，并且還可以保證PHM系統(tǒng)正常運(yùn)行。基于此，航空業(yè)針對(duì)傳感技術(shù)的精準(zhǔn)性和帶寬提出了更高的要求，只有保證傳統(tǒng)技術(shù)的精準(zhǔn)性和帶寬，才能保證PHM系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10]。與此同時(shí)，航空電子系統(tǒng)的故障錯(cuò)綜復(fù)雜，PHM系統(tǒng)在監(jiān)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)的過(guò)程中，需要使用大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，還要對(duì)電子系統(tǒng)內(nèi)其他參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。因此，其他參數(shù)也要配備傳感器，這導(dǎo)致航空電子系統(tǒng)中存在大量的傳感器，如果沒(méi)有及時(shí)安裝，航空電子系統(tǒng)就會(huì)無(wú)法正常運(yùn)行。

3.6 解析冗余診斷技術(shù)

飛機(jī)在某些狀態(tài)下，故障隱患可能不會(huì)影響飛機(jī)運(yùn)行，但是一旦飛機(jī)切換另一種狀態(tài)，潛在的隱患問(wèn)題就會(huì)立即暴露出來(lái)。例如，飛機(jī)在降落和起飛過(guò)程中出現(xiàn)安全隱患問(wèn)題，這個(gè)階段屬于人工駕駛階段，在這個(gè)階段可以由飛行員自行操控信號(hào)解決，這樣對(duì)飛機(jī)的影響也較小。針對(duì)巡航階段，飛機(jī)的飛行屬于自動(dòng)駕駛模式，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是飛機(jī)在一定高度保持平直飛行，如果這個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)振動(dòng)故障，那對(duì)飛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生較大影響，降低飛行的舒適度，甚至還會(huì)影響飛機(jī)的安全。飛機(jī)之所以檢測(cè)到振動(dòng)故障，主要是因?yàn)閭鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)和氣動(dòng)彈性發(fā)生故障，飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)彈性因外部氣動(dòng)力的壓力而產(chǎn)生較大振動(dòng)頻率，并且飛機(jī)在這個(gè)時(shí)間始終保持飛行，繼而引發(fā)飛機(jī)表面出現(xiàn)振動(dòng)故障。解析冗余診斷技術(shù)主要就是將飛機(jī)的傳感器和飛機(jī)表面進(jìn)行對(duì)比，判斷飛機(jī)出現(xiàn)故障的真實(shí)情況，繼而利用該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)地對(duì)故障進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，航空電子系統(tǒng)安全性主要聚焦在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用監(jiān)測(cè)特征參數(shù)法監(jiān)管、傳統(tǒng)的安全性檢測(cè)維修方案、故障診斷專家系統(tǒng)、多控制面?zhèn)文婕夹g(shù)、數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù)、解析冗余診斷技術(shù)等航空電子系統(tǒng)的安全性診斷技術(shù)都可以很好地解決航空電子系統(tǒng)安全故障問(wèn)題。高效的航空電子系統(tǒng)安全性診斷技術(shù)，不僅可以節(jié)約成本，還可以提升診斷質(zhì)量與效率，并對(duì)飛機(jī)飛行起到很好的保護(hù)作用。同時(shí)，航空業(yè)應(yīng)該針對(duì)飛機(jī)電子系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，提前進(jìn)行評(píng)估與診斷，繼而做出針對(duì)性的調(diào)整，有助于提升飛機(jī)的安全性。