新型飛機的故障診斷維修體系研究

摘 要： 針對新型飛機航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修保障難度大等問題，構(gòu)建了一個高度信息化的故障診斷維修體系，通過網(wǎng)絡(luò)資源傳輸故障數(shù)據(jù)和共享維修數(shù)據(jù)庫信息，利用快速故障診斷、增強故障診斷與遠程專家支持診斷三級工作模式，實現(xiàn)對飛機故障的診斷與排除，降低維修成本，提高飛行效率。

關(guān)鍵詞： 故障診斷； 數(shù)據(jù)庫； 遠程專家支持； 中央維護系統(tǒng)； 信息化

中圖分類號： TN711?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0009?04

Research on fault diagnosis and maintenance system for new aircraft

YU Kai1， XU Zhi?bing1， HAO Shun?yi2

（1. Jiangsu Jinling Machinery Manufacturing Plant， Nanjing 211106， China； 2. Air Force Engineering University， Xi’an 710038， China）

Abstract： In view of the problems such as complex structure and difficult maintenance of the aircraft avionic system， a highly informationalized fault diagnosis and maintenance system was established. The fault data and maintenance database sharing information is transmitted through network. The maintenance of aircraft， aircraft fault diagnosis and troubleshooting are realized by using fast fault diagnosis， enhanced fault diagnosis and remote expert support diagnosis. According to the working modes， the cost of maintenance was reduced and the flight efficiency was improved.

Keywords： fault diagnosis； database； remote expert support； CMS； informatization

隨著飛機機載電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備復(fù)雜度、集成度不斷提高，機載中央維護系統(tǒng)（OCMS）逐漸成為飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分之一。然而，在飛行中出現(xiàn)的空中故障、偶發(fā)故障、故障虛警等情況給地面維修工作帶來很大困難。如何更好發(fā)揮中央維護系統(tǒng)的功能，如何有效提高地面維修人員故障排除效率，都是值得思考的問題。因此，與新型飛機相配套的故障診斷維修體系研究是十分有意義的。

1 故障診斷維修體系架構(gòu)設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)

故障診斷維修體系構(gòu)建以故障診斷應(yīng)用平臺為中樞，機載中央維護系統(tǒng)（OCMS）作為激勵源，綜合化數(shù)據(jù)支持庫存儲維修信息，利用分布式網(wǎng)絡(luò)支撐平臺聯(lián)接便攜輔助維修裝置、中央維護系統(tǒng)地面站、遠程專家支持終端協(xié)同工作的故障診斷架構(gòu)，如圖1所示。它具有故障診斷與隔離、維修方案制定與下發(fā)、故障案例形成與存儲、信息交換與共享等功能，實現(xiàn)更加快速精確的故障診斷，幫助維修人員以最佳途徑完成排故工作。

圖1 故障診斷維修體系的架構(gòu)圖

維修人員使用便攜式維修輔助設(shè)備（PMA）、中央維護系統(tǒng)地面站（CGS）等前端硬件支撐設(shè)備，實時掌握當前飛機的技術(shù)狀態(tài)、放飛與維修記錄、飛機故障信息等重要數(shù)據(jù)。當飛機有故障時，該診斷體系將結(jié)合維修信息數(shù)據(jù)庫的資源，采用先進的診斷、預(yù)測、決策技術(shù)，生成故障診斷信息和排故方案，故障排除后形成故障案例并對案例記錄、存儲。綜合化數(shù)據(jù)支持庫還包括了完整的技術(shù)資料信息，與維修活動相關(guān)聯(lián)的構(gòu)型數(shù)據(jù)，設(shè)備的履歷信息，飛機整機、部件的測試策略庫，以及支持維修過程中操作使用的視頻教程等資料。在網(wǎng)絡(luò)支撐平臺上，采用了客戶端/服務(wù)器（C/S）和瀏覽器/服務(wù)器（B/S）融合的多層運行方式，為聯(lián)接入網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備建立物理鏈接；通過客戶端、瀏覽器、服務(wù)器上的應(yīng)用軟件以靈活多樣的形式開展維修信息的共享與融合，實現(xiàn)不同診斷維修工作模式下對數(shù)據(jù)庫的操作需求。同時，遠程專家支持平臺中的專家終端可以通過遠程支持服務(wù)器實現(xiàn)遠程故障診斷與排故指導(dǎo)、數(shù)據(jù)庫信息確認與更新、故障診斷規(guī)則與算法優(yōu)化。

1.2 硬件組成及其功能

故障診斷維修體系的硬件載體主要由故障診斷維修服務(wù)器、維修信息數(shù)據(jù)庫、遠程專家支持終端、便攜式輔助維修裝置和中央維護系統(tǒng)地面站五部分組成，如圖2所示。

圖2 硬件組成圖

1.2.1 故障診斷維修服務(wù)器

診斷維修服務(wù)器作為體系的核心部分，通過對飛機故障、狀態(tài)信息提取出的特征數(shù)據(jù)進行分析，選擇合適的診斷規(guī)則并建立診斷模型，獲取飛機故障的最佳一致性診斷結(jié)果，然后為維修人員制定出維修方案。服務(wù)器中包含了診斷規(guī)則表及相應(yīng)的診斷算法程序（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波器、ARMA模型、D矩陣等）。該服務(wù)器還能夠管理PMA和CGS設(shè)備，對這些設(shè)備上的軟件程序進行安裝、參數(shù)配置與升級；對設(shè)備大容量存儲器與維修數(shù)據(jù)庫上的信息進行同步。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

維修信息數(shù)據(jù)庫存儲著飛機技術(shù)資料、飛機使用維修技術(shù)數(shù)據(jù)、故障診斷案例等信息。在飛機使用和維修過程中，數(shù)據(jù)庫將不斷更新和完善，是故障診斷體系的關(guān)鍵要素。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是提供訪問和管理維修信息數(shù)據(jù)庫操作的軟、硬件集合。它將對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一的管理和控制，實現(xiàn)不同用戶根據(jù)其訪問權(quán)限對數(shù)據(jù)庫進行相應(yīng)操作，以保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接上服務(wù)器后，維修人員可以訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，遠程專家終端和數(shù)據(jù)庫管理人員也可以進行數(shù)據(jù)庫的更新、維護工作。

1.2.3 遠程專家支持終端

遠程專家支持終端實現(xiàn)了維修人員與飛機研制專家之間的診斷維修資源共享。研制單位的技術(shù)專家對飛機故障提供遠程診斷服務(wù)，加強了狀態(tài)信息診斷的準確性，為維修人員提供了準確的技術(shù)指導(dǎo)和決策支持。利用網(wǎng)絡(luò)支撐平臺，專家終端還可以對維修信息數(shù)據(jù)庫的更新內(nèi)容進行確認；對診斷維修服務(wù)器上的診斷策略與算法進行優(yōu)化。

遠程故障診斷服務(wù)是由維修人員提出申請，遠程支持服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)通道為專家終端提供遠程支持服務(wù)。遠程支持服務(wù)器完成以下任務(wù)：實現(xiàn)維修人員和后方專家進行視屏?xí)h、電子白板、在線討論，實時交流解決問題；實現(xiàn)將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、判定數(shù)據(jù)、BIT數(shù)據(jù)等發(fā)送給專家終端，專家對故障信息進行會診。專家完成診斷分析后及時將診斷維修方案反饋給維修人員；實現(xiàn)遠程在線檢測飛機故障，采集飛機運行時的狀態(tài)信息，專家可以對飛機進行交互式、可視化診斷。

維修人員定期對飛機保障過程中采集的故障信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并形成反饋數(shù)據(jù)包（包括故障數(shù)據(jù)、飛機技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品問題、故障診斷模型及算法修訂建議、維修預(yù)測模型及算法修訂建議等內(nèi)容）。這些數(shù)據(jù)包將反饋至專家終端，經(jīng)過專家分析、確認后再將數(shù)據(jù)庫內(nèi)容和服務(wù)器算法進行同步更新。

1.2.4 CGS中央維護系統(tǒng)地面站

中央維護系統(tǒng)地面站作為診斷維修體系的前端設(shè)備之一，協(xié)助PMA對飛行后的飛機維護信息進行分析、判斷與篩選處理。CGS對OCMS與PMA診斷的結(jié)論做進一步的匯合，為診斷維修服務(wù)器開展增強故障診斷提供準確的預(yù)處理數(shù)據(jù)。同時，CGS還實現(xiàn)飛機技術(shù)狀態(tài)管理、飛機使用時間管理、電子履歷信息管理、飛機技術(shù)資料交互閱讀和PMA數(shù)據(jù)更新管理、飛機故障案例編制管理等功能。隨著飛機各系統(tǒng)信息化、數(shù)字化、集成度的提高，CGS能夠有效管理飛機保障信息和維修數(shù)據(jù)，方便了故障診斷和維修工作的開展。

1.2.5 PMA便攜式維修輔助裝置

便攜式維修輔助裝置（PMA）是一種配合飛機現(xiàn)場維修使用的可移動計算機設(shè)備，如掌上電腦PDA、平板電腦或者筆記本計算機。維修人員將PMA與位于機輪艙和座艙的飛機數(shù)據(jù)檢測口相連，完成OCMS數(shù)據(jù)的下載和上傳，對簡單故障進行診斷與排故指導(dǎo)；還可以根據(jù)檢測需要執(zhí)行特定設(shè)備的自檢測，驗證飛機是否存在故障。

1.3 軟件設(shè)計

軟件部分采用了人機交互界面層、診斷維修應(yīng)用層、維修信息數(shù)據(jù)層的三層邏輯結(jié)構(gòu)。人機交互界面層運行在客戶端上，以Web瀏覽頁面與Windows應(yīng)用程序形式實現(xiàn)；應(yīng)用層運行在作為維修體系中樞的診斷維修服務(wù)器上，以Web Server組件服務(wù)器與Win Form服務(wù)器端軟件形式實現(xiàn)；維修信息數(shù)據(jù)層運行于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。

人機交互界面層提供了良好的交互界面服務(wù)，通過可視化界面顯示信息和搜集數(shù)據(jù)。診斷維修應(yīng)用層運用計算機、數(shù)據(jù)庫技術(shù)將復(fù)雜的診斷規(guī)則和算法以組件的形式封裝起來，實現(xiàn)診斷維修的關(guān)鍵操作。維修信息數(shù)據(jù)層存放了大量診斷、維修數(shù)據(jù)，基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、訪問和集中管理，通過數(shù)據(jù)訪問組件為應(yīng)用層提供接口，保證其完整性、安全性和可維護性。

1.4 數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)是以S1000D、S2000M標準作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的參考依據(jù)，由交互式電子手冊（IETM）數(shù)據(jù)、故障案例庫、測試/診斷策略數(shù)據(jù)和飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)組成。各組成數(shù)據(jù)的內(nèi)容如下：

IETM數(shù)據(jù)包括了描述類信息、操作類信息、維修計劃類信息、維護程序類信息、故障類信息和故障隔離類信息數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要來源于飛機的設(shè)計數(shù)據(jù)、保障性分析記錄及用戶使用需求數(shù)據(jù)。

故障案例庫主要為研制、生產(chǎn)和試飛過程中形成的故障信息庫。這些故障信息經(jīng)數(shù)據(jù)確認、特征提取、統(tǒng)計分析后形成了故障案例庫。故障案例庫主要由故障特征表、故障描述文本和故障排除方案組成。故障特征表包括了故障征兆、故障發(fā)現(xiàn)時間、故障發(fā)生環(huán)境特征等。每一個特征維護有置信度和權(quán)重，用于在案列匹配中計算相似度。故障案例文本支持進行全文檢索，當用特征表無法查找類似案例時可以通過全文檢索進行查詢。故障排除方案包括故障件、故障位置、故障原因、隔離方法等內(nèi)容，用于形成故障診斷維修報告。

測試策略庫描述了產(chǎn)品測試項目的具體實現(xiàn)，并建立測試程序。它包括了信號建模和測試程序控制建模。信號建模是測試實現(xiàn)的基礎(chǔ)，定義被測信號和測試所需的激勵信號，包括信號類型、IO方向、幅值范圍、頻率等參數(shù)。對于總線信號來說還要對總線的協(xié)議進行建模。測試程序控制建模用于控制測試程序的執(zhí)行流程，如測試程序的啟動、停止、順序、循環(huán)、延時等。診斷策略庫描述了故障檢測和隔離的判斷標準和診斷結(jié)果。故障的檢測和隔離可以采用閥值判斷法，即根據(jù)測試結(jié)果是否超差進行判斷。由此可見，診斷策略庫中的故障模型可以是一個數(shù)值區(qū)間，也可以是一個計算公式。診斷結(jié)果主要包括了故障模式、故障位置、故障原因、故障影響等信息。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)是飛機技術(shù)文件所規(guī)定產(chǎn)品在使用特征和性能差別上的信息集合，是飛機技術(shù)狀態(tài)標識的重要手段。在維修過程中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)將記錄飛機不斷更換故障件、不斷改進設(shè)計的情況，還包括了主要機載設(shè)備的安裝結(jié)構(gòu)、安裝位置、安裝數(shù)量、工作的執(zhí)行間隔和累積時間等信息。數(shù)據(jù)庫通過對維護產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對飛機使用階段技術(shù)狀態(tài)的掌握。

2 故障診斷維修體系的工作模式

故障診斷維修工作的執(zhí)行是通過從OCMS下載的故障信息和狀態(tài)信息以及飛機檢查、維修和故障排除過程中發(fā)現(xiàn)故障的診斷和隔離記錄，來分析、確定飛機的故障件集合或關(guān)鍵系統(tǒng)和部件的故障趨勢，其工作流程如圖3所示。故障診斷維修采用了三種工作模式：快速診斷模式實現(xiàn)飛機故障的快速診斷隔離，包括了OCMS數(shù)據(jù)的快速處理、案例分析法進行故障快速匹配和IETM快速引導(dǎo)排故；增強故障診斷模式是通過CMS地面站進一步篩選、匯總PMA與OCMS機載測試設(shè)備記錄的信息，由診斷維修服務(wù)器對這些維修信息開展深入診斷和故障趨勢分析；遠程專家支持模式是對疑難故障提出維修方案，并對診斷規(guī)則、算法不斷優(yōu)化。

圖3 故障診斷總體流程圖

2.1 快速故障診斷模式

快速故障診斷模式是在檢查與排故現(xiàn)場，對OCMS報出的具有故障代碼的故障執(zhí)行快速診斷。該模式下的工作流程如圖4所示，飛機在著陸后，地勤人員使用PMA從機載中央維護系統(tǒng)下載故障數(shù)據(jù)。首先查找歷史案例庫，通過案例分析法進行案例匹配。如果有匹配案例，地勤人員可以直接獲取對應(yīng)故障的故障件列表；如果沒有匹配案例，地勤人員再通過交互式電子技術(shù)手冊（IETM）數(shù)據(jù)隔離出故障件。然后對飛機進行放飛評估分析，判斷故障件是否影響下一次任務(wù)的飛行。如果影響則根據(jù)資源滿足情況給出是否立即排故建議，指導(dǎo)人員按照IETM進行故障排除。如不能立即開展維修活動，則反饋給計劃人員停止飛行。對于無法判斷的故障將轉(zhuǎn)入增強故障診斷模式。

快速診斷模式由以下三種方法具體實現(xiàn)：CMS快速處理法，OCMS獲取飛機各成員系統(tǒng)BITE發(fā)送的故障信息，去除連鎖故障得到具有詳細描述的故障信息，并向飛行員報告飛機的健康狀況。飛機著陸后，PMA快速下載OCMS上的維護信息文件及其他狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)文件，顯示輸出CMS隔離后的故障件列表信息。PMA啟動故障件的地面BIT測試再次確認故障存在，快速確認OCMS系統(tǒng)隔離的故障件；基于案例的故障診斷法，PMA通過案例匹配為有故障現(xiàn)象的案例提供快速故障確認。在PMA上部署有一個歷史故障案列庫，新的故障數(shù)據(jù)與歷史案例庫中的特征數(shù)據(jù)進行匹配，并使用匹配上的案例的結(jié)果作為故障的診斷結(jié)果。該方法會隨著故障案例庫的不斷豐富，匹配規(guī)則的不斷細化和精準，匹配成功率會不斷提高；基于IETM的診斷法，IETM交互式電子技術(shù)手冊包括了FRM故障報告手冊和FIM故障隔離手冊。地勤人員根據(jù)故障代碼或故障信息，通過IETM檢索故障代碼與修復(fù)信息關(guān)系的數(shù)據(jù)模塊，或通過信息模糊匹配檢索所有的故障報告數(shù)據(jù)模塊，依據(jù)IETM數(shù)據(jù)模塊提供的檢查步驟和檢查結(jié)果引導(dǎo)出故障位置。

圖4 快速故障診斷模式流程圖

2.2 增強故障診斷模式

增強故障診斷模式接收快速故障診斷模式無法排除的故障，對OCMS記錄的狀態(tài)信息建立知識庫，采用智能故障診斷技術(shù)給出飛機可能的故障原因集合。診斷維修服務(wù)器將運用數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理與融合、故障診斷與趨勢預(yù)測等技術(shù)手段，計算出每種故障原因發(fā)生的概率。然后根據(jù)診斷結(jié)論，服務(wù)器上的診斷維修決策軟件制定出飛機的排故方案。

如圖5所示，中央維護系統(tǒng)地面站（CGS）根據(jù)OCMS與PMA上的故障信息和飛機狀態(tài)信息，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征提取。數(shù)據(jù)處理和特征提取是針對特定的故障信號經(jīng)過時域、頻域、時頻等變換后，提取基頻、峰值等參數(shù)；為該模式下的診斷、預(yù)測工作提供并行數(shù)據(jù)的輸入。然后，診斷/預(yù)測模塊根據(jù)故障特征、經(jīng)驗數(shù)據(jù)從診斷規(guī)則表中選擇合適的診斷規(guī)則，形成診斷與預(yù)測結(jié)果給維修人員。故障順利排除后，服務(wù)器將故障診斷過程以案例的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，并實時更新PMA、CGS上的歷史故障案例庫。

圖5 增強故障診斷模式流程圖

2.3遠程專家支持模式

遠程專家支持模式是利用網(wǎng)絡(luò)資源在遠程終端對增強故障診斷模式的維修數(shù)據(jù)進行審查、測試與分析，進一步提高故障診斷定位的精確性，加強對隱含故障和偶發(fā)故障的診斷能力。當故障排除后，將測試分析的最終診斷結(jié)果反饋給故障診斷維修服務(wù)器，優(yōu)化完善服務(wù)器的故障診斷規(guī)則與推理算法；并在原有數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，補充專家診斷數(shù)據(jù)使其不斷擴充維修信息。

該模式下的工作過程是由智能專家終端、專家分析診斷模塊和診斷規(guī)則與算法修訂模塊來實現(xiàn)。智能專家終端使用遠程支持服務(wù)器與其他設(shè)備建立聯(lián)接，完成對診斷維修服務(wù)器的控制與交互，以及對維修信息數(shù)據(jù)庫的訪問與更新操作。專家分析診斷模塊利用概率計算、推理軟件等診斷工具結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計原理，對獲取到的增強診斷的分析數(shù)據(jù)和飛機狀態(tài)信息進行分析。專家將推理、診斷得到飛機可能的故障模式集合，并計算出每種故障集合產(chǎn)生異常的概率，以縮小故障范圍并制定出有效的排故方案。隨著飛機使用維修過程中的不斷積累，專家通過歸納疑難故障的特征、故障發(fā)生的時間等數(shù)據(jù)，總結(jié)找出故障規(guī)律，使用診斷規(guī)則與算法修訂模塊不斷地對故障診斷維修體系進行完善。

3 結(jié) 語

本文提出了構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)資源為通信平臺，診斷維修服務(wù)器為核心，遠程專家支持為技術(shù)支撐的分布式、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的故障診斷維修體系，并研究了基于故障案例庫、IETM數(shù)據(jù)手冊、診斷規(guī)則與決策算法、遠程專家支持方法在該體系中的應(yīng)用。目前，我國正處于飛機設(shè)計與制造的高速發(fā)展階段，一個先進的診斷維修體系將有助于飛機日常維修活動的開展，降低維修的難度和成本，大大增強了國際競爭力。

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作者簡介：俞 凱 男，1984年出生，工程師，碩士。主要從事航空機載計算機維修及航空電子系統(tǒng)綜合檢測設(shè)備研制工作。

徐志兵 男，1979年出生，高級工程師，碩士。主要從事航空電子系統(tǒng)綜合檢測設(shè)備研制及故障診斷模式的研究工作。

郝順義 男，1973年出生，教授，博士。主要研究方向為智能檢測、數(shù)據(jù)挖掘。