基于本體和FMECA的飛行操縱系統(tǒng)故障診斷方法

段照斌，張　鵬

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津　300300）

基于本體和FMECA的飛行操縱系統(tǒng)故障診斷方法

段照斌，張鵬

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

現(xiàn)代民航客機(jī)越來(lái)越多地采用電傳操縱系統(tǒng)，其維護(hù)方法和故障診斷知識(shí)的缺乏成為航空公司機(jī)務(wù)系統(tǒng)的一大難題。為滿(mǎn)足飛行操縱系統(tǒng)的維護(hù)需要，提出一種智能故障診斷方法，以B777飛機(jī)為例，將其飛行操縱系統(tǒng)的FMECA分析作為本體建模的知識(shí)源，通過(guò)JESS規(guī)則推理機(jī)，維護(hù)人員可迅速進(jìn)行故障定位，并選擇相應(yīng)的處理措施。這種診斷方法實(shí)現(xiàn)了知識(shí)在飛機(jī)制造商與飛機(jī)使用者之間的共享，可為飛行操縱系統(tǒng)故障診斷提供良好的支持。

飛行操縱系統(tǒng)；FMECA；本體；故障診斷

現(xiàn)代民航客機(jī)的發(fā)展表明：21世紀(jì)的飛機(jī)維修將依賴(lài)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)，向著以監(jiān)控維修（CMM,condition monitoring maintenance）為主的智能化方向發(fā)展，因此，在飛機(jī)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及飛機(jī)維修過(guò)程中，故障診斷方法居于核心地位[1-2]，找到一種切實(shí)可行的故障診斷方法對(duì)飛行操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用都極其重要。

故障模式影響與危害度分析（FMECA,fail mode, effect and criticality analysis）是一種在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與使用階段經(jīng)常用于評(píng)估故障在系統(tǒng)功能、可靠性、可維護(hù)性等方面影響的方法，其中包含系統(tǒng)部件級(jí)別的故障，可作為本體論中準(zhǔn)確的知識(shí)數(shù)據(jù)源，并能夠呈現(xiàn)良好的層級(jí)結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（OWL,ontology web language）可以將FMECA的知識(shí)結(jié)構(gòu)化，采用語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言（SWRL,semantic web rule language）可以解釋領(lǐng)域推理規(guī)則，采用Java專(zhuān)家系統(tǒng)外殼（JESS,java expert system shell）推理機(jī)則可完成故障診斷的推理過(guò)程。

1　現(xiàn)代民航客機(jī)的飛行操縱系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，電傳飛行操縱系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)，其具有體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、降低機(jī)械操縱系統(tǒng)的非線(xiàn)性因素等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了飛機(jī)的性能。以B777等機(jī)型為代表的新型民航客機(jī)都采用電傳操縱系統(tǒng)[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

正常模式下，主飛行計(jì)算機(jī)（PFC,primary flight computer）從機(jī)組和自動(dòng)駕駛儀接收命令并對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱，PFC利用來(lái)自大氣數(shù)據(jù)慣性組件的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，計(jì)算基于控制規(guī)律和飛行包線(xiàn)保護(hù)功能的飛行控制命令。PFC的數(shù)字命令信號(hào)進(jìn)入作動(dòng)筒電控組件（ACE,actuator control electronics），ACE將這些命令信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)然后發(fā)送到動(dòng)力控制組件（PCU, power control unit）或安定面配平控制組件（STCM,stabilizer trim control module），由他們通過(guò)機(jī)械連接控制舵面作動(dòng)[4]。

圖1　B777飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)原理Fig.1　Principle of B777 flight control system

ACE/STCM和PCU之間為帶反饋的控制回路，響應(yīng)PFC計(jì)算的舵面指令，PCU的伺服回路控制是由ACE實(shí)現(xiàn)的，而PFC與導(dǎo)航組件構(gòu)成控制回路，響應(yīng)機(jī)組和自動(dòng)駕駛儀的控制命令。因此，PFC、ACE、PCU是電傳飛行操縱系統(tǒng)的核心組成部分。

ACE內(nèi)部有自測(cè)試、傳感器監(jiān)測(cè)、PCU監(jiān)控等功能。當(dāng)PCU的某個(gè)閥門(mén)發(fā)生故障時(shí)，ACE可監(jiān)測(cè)到并將閥門(mén)關(guān)閉。ACE隨后將故障活門(mén)的測(cè)試結(jié)果送給PFC，由PFC整理成故障報(bào)告，并最終進(jìn)入故障報(bào)告系統(tǒng)。

PFC將報(bào)告以字符串發(fā)送到飛行控制ARINC629總線(xiàn)，CMC接收到報(bào)告，利用預(yù)加載故障信息表產(chǎn)生一個(gè)維護(hù)信息，并將維護(hù)信息和駕駛艙效應(yīng)關(guān)聯(lián)。

現(xiàn)代大型民航客機(jī)多采用冗余設(shè)計(jì)，以B777飛機(jī)為例，ACE共有4套，分別為L(zhǎng)1、L2、C、R，PFC共3套，分別為L(zhǎng)、C、R，同時(shí)其使用到的總線(xiàn)也是冗余的。本文分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是為了進(jìn)行故障診斷，因此在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先將原理以及功能完全相同的冗余系統(tǒng)簡(jiǎn)化以便分析。

2　故障關(guān)聯(lián)方法

故障關(guān)聯(lián)是飛機(jī)中央維護(hù)系統(tǒng)的主要功能之一，故障關(guān)聯(lián)的作用是通過(guò)計(jì)算找到維護(hù)信息與飛機(jī)真實(shí)故障之間的關(guān)系，為排故提供一個(gè)具體的操作方法。

這里提到的維護(hù)信息與飛機(jī)的故障代碼不同，維護(hù)信息里包含了系統(tǒng)組件之間的物理關(guān)系。飛機(jī)的故障代碼實(shí)際上是在系統(tǒng)層面對(duì)故障的描述，其與駕駛艙效應(yīng)（FDE,flight deck effect）一一匹配。而維護(hù)信息是在組件層和子系統(tǒng)層對(duì)故障的一種描述，因此一個(gè)故障代碼可與多個(gè)維護(hù)信息相對(duì)應(yīng)。

飛行操縱系統(tǒng)主要包括ATA章節(jié)27章，其中故障代碼共有約170條，而其對(duì)應(yīng)維護(hù)信息則有約583條，針對(duì)不同的故障類(lèi)型，部分維護(hù)信息號(hào)及其數(shù)量的實(shí)例如表1所示。

表1　B777飛機(jī)的維護(hù)信息舉例Tab.1　Example of B777 maintenance message

B787飛機(jī)采用霍尼韋爾設(shè)計(jì)的維護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于模型的診斷系統(tǒng)，采用集成故障報(bào)告輔助系統(tǒng)（SAIFR,system aid for integrated fault report）工具來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的故障診斷，使用航空電子模型來(lái)診斷出現(xiàn)的問(wèn)題。在此診斷系統(tǒng)中，采用數(shù)以千計(jì)的邏輯方程來(lái)預(yù)期潛在的異常情況，并確定故障和可能征兆之間的映射關(guān)系[5]，模型故障診斷方法如圖2所示。

圖2　基于模型的故障診斷方法Fig.2　Fault diagnosis method based on model

3　飛行操縱系統(tǒng)本體建模

3.1本體論

本體論的方法起源于哲學(xué)，近年來(lái)，在人工智能領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。基本的本體模型可用以下公式表示

其中：C代表本體類(lèi)；OP代表對(duì)象屬性；DP代表數(shù)據(jù)類(lèi)型；I代表實(shí)例集[6-7]。

OWL是由萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C,world wide web consortium）推薦的標(biāo)準(zhǔn)本體描述語(yǔ)言，其實(shí)質(zhì)是一種對(duì)客觀世界的分類(lèi)描述方法，可以描述對(duì)某一領(lǐng)域內(nèi)事物的共同理解。

SWRL是基于OWL語(yǔ)言的規(guī)則表述方法，其使用需借助JESS推理機(jī)，在本文使用的Protégé軟件中，采用JessTab插件進(jìn)行規(guī)則推理。

3.2FMECA方法

FMECA是一種在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用階段經(jīng)常使用的可靠性分析方法，設(shè)計(jì)者通過(guò)FMECA分析可改進(jìn)設(shè)計(jì)，分析系統(tǒng)安全性，產(chǎn)品使用者可通過(guò)FMECA分析進(jìn)行安全管理，提高經(jīng)濟(jì)效益。按照FMECA方法，一個(gè)組件所有m個(gè)故障模式的危害性可表述為[8]

其中：αj表示第j個(gè)故障在所有故障中發(fā)生的概率，取值為[0，1]，主要來(lái)自統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；βj是指第j個(gè)故障發(fā)生后對(duì)系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度，取值為[0，1]，數(shù)據(jù)主要來(lái)自專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)；λt是在工作時(shí)間t內(nèi)，故障的發(fā)生率。

飛行操縱系統(tǒng)的FMECA報(bào)告如表2所示，利用某航空公司B777機(jī)隊(duì)3年的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出機(jī)隊(duì)中所有飛機(jī)27章組件的FMECA報(bào)表作為系統(tǒng)模型的知識(shí)源。

表2　FMECA報(bào)表Tab.2　FMECA report forms

3.3FMECA知識(shí)的提取和選擇

在簡(jiǎn)單系統(tǒng)的故障診斷中，該領(lǐng)域方面的專(zhuān)家通常用經(jīng)驗(yàn)即可完成故障診斷，但如果系統(tǒng)復(fù)雜或故障從未發(fā)生過(guò)，領(lǐng)域?qū)＜揖托枰鶕?jù)基本的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。因此故障診斷知識(shí)源可分為2類(lèi)：一類(lèi)是淺知識(shí)，指基于系統(tǒng)組件和結(jié)構(gòu)本身的知識(shí)；另一類(lèi)是深知識(shí)，指領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

在飛行操縱系統(tǒng)的建模過(guò)程中，單純的淺知識(shí)和深知識(shí)都難以滿(mǎn)足需要，因此需要兩者相結(jié)合。結(jié)構(gòu)模型屬于淺知識(shí)，通過(guò)飛機(jī)維修手冊(cè)[9]較易獲得，而故障的危害性、關(guān)聯(lián)性以及故障率需要統(tǒng)計(jì)或來(lái)自專(zhuān)家知識(shí)。這里建模過(guò)程中如果出現(xiàn)邏輯不清楚、前后矛盾的情況，在最終的故障診斷中是無(wú)法推理出正確結(jié)論的。

3.4FMECA的本體模型

在本體模型中，根據(jù)需要對(duì)飛行操縱系統(tǒng)劃分不同的主類(lèi)，同時(shí)對(duì)每個(gè)主類(lèi)也要?jiǎng)澐植煌淖宇?lèi)。故障原因和故障效應(yīng)可以認(rèn)為是故障模式的子類(lèi)，所有的故障模式類(lèi)（FailMode）具有相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，如表3所示，不同的實(shí)例可以通過(guò)子類(lèi)的編號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。

表3　FMECA本體的主類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型Tab.3　Main class data type of FMECA ontology

飛行操縱系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3所示，劃分為系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層、部件層、組件層。最終建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示，其中清晰地表示了不同類(lèi)與邏輯詞之間的關(guān)系。在Protégé軟件中，采用OWL語(yǔ)言將此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述出來(lái)，為進(jìn)一步故障推理提供依據(jù)。

3.5故障診斷的規(guī)則表述

本體類(lèi)和本體模型屬性通過(guò)SWRL規(guī)則進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)與領(lǐng)域內(nèi)容直接相關(guān)。在FMECA的域中，僅用OWL語(yǔ)言是不能夠完整描述的，因此需要根據(jù)FMECA本體進(jìn)行規(guī)則建立。

前已述及，本體的層級(jí)結(jié)構(gòu)以及關(guān)聯(lián)可以使用OWL語(yǔ)言進(jìn)行描述，然而推理規(guī)則使用SWRL語(yǔ)言進(jìn)行編碼，因此在推理時(shí)需要將其轉(zhuǎn)化為JESS規(guī)則引擎可以識(shí)別的語(yǔ)句[10-11]。

圖3　飛行操縱系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.3　Hierarchy of flight control system

圖4　故障模式、故障效應(yīng)、故障原因之間的關(guān)系Fig.4　Relationship among failure modes，effects and causes

圖5　FMECA本體結(jié)構(gòu)模型Fig.5　Structure of FMECA ontology model

限于篇幅，給出推理使用到的11條規(guī)則中的一部分，如表4所示。Rule-1中當(dāng)某一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了故障時(shí)，F(xiàn)ailMode的hasHappened屬性被置為true，規(guī)則可以自動(dòng)找出相同級(jí)別的其他系統(tǒng)的故障，經(jīng)過(guò)推理可以得到在子系統(tǒng)級(jí)的故障原因，再由Rule-2進(jìn)行更深一步的推理，直至找到部件層的故障原因?yàn)橹埂?/p>

表4　推理規(guī)則表Tab.4　Reasoning rules

3.6故障診斷推理過(guò)程

另外，三維模型的建立有利于材料統(tǒng)計(jì)工作的實(shí)施。傳統(tǒng)項(xiàng)目中的儀表材料用量通常都是估計(jì)量加裕量，主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，材料用量很難準(zhǔn)確控制，容易導(dǎo)致施工中出現(xiàn)糾紛，最終的結(jié)果就是材料用量超預(yù)算采購(gòu)量。在三維模型中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)變送器、接線(xiàn)箱、閥門(mén)等儀表設(shè)備的位置，準(zhǔn)確計(jì)算電纜、氣源管、支架等各類(lèi)安裝材料數(shù)量，大幅提高了材料統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，既有利于成本控制，也能做到有據(jù)可查。

故障診斷的推理過(guò)程如圖6所示，圖中虛線(xiàn)表示有故障發(fā)生，實(shí)線(xiàn)表示推理規(guī)則的執(zhí)行方向。當(dāng)高級(jí)別的故障發(fā)生之后，推理規(guī)則可以發(fā)現(xiàn)所有的可能故障原因。

圖6　故障診斷推理過(guò)程Fig.6　Fault diagnosis reasoning process

在本文中，設(shè)定FailMode的hasHappened屬性作為推理規(guī)則的觸發(fā)開(kāi)關(guān)，當(dāng)不同層次的故障發(fā)生時(shí)，對(duì)應(yīng)的推理規(guī)則也不同。例如，當(dāng)出現(xiàn)了系統(tǒng)層故障后，Rule-1會(huì)被觸發(fā)，規(guī)則可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障是由哪些子系統(tǒng)引起的；與此同時(shí)，相應(yīng)子系統(tǒng)層的推理規(guī)則Rule-2也會(huì)被觸發(fā)，找到組件層的故障原因，進(jìn)一步觸發(fā)Rule-3，以此類(lèi)推。

如果發(fā)生的故障層次較低，有可能使得多項(xiàng)規(guī)則同時(shí)觸發(fā)，這時(shí)需考慮推理進(jìn)行的先后次序。在本文中，將故障發(fā)生率作為優(yōu)先級(jí)的衡量值，當(dāng)有同一層次的多個(gè)故障同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，先對(duì)故障發(fā)生率較大的故障進(jìn)行推理，由此可以大大提高推理效率[12]。

4　實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)分析中搜集了某航空公司10架B777飛機(jī)3年來(lái)的故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到FMECA數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)填入飛行操縱系統(tǒng)本體模型當(dāng)中，副翼PCU的FMECA信息如表5所示。當(dāng)一個(gè)故障模式發(fā)生以后，觸發(fā)推理規(guī)則，基于OWL語(yǔ)言描述的本體模型被轉(zhuǎn)化為JESS格式，基于SWRL描述的規(guī)則被轉(zhuǎn)化為JESS格式，執(zhí)行故障診斷程序。

表5　副翼PCU的FMECA信息Tab.5　FMECA messages of aileron PCU

當(dāng)發(fā)生一個(gè)子系統(tǒng)級(jí)故障時(shí)，如圖7所示，駕駛員操縱裝置失效，則在子系統(tǒng)層可能的原因有6個(gè)，每個(gè)子系統(tǒng)層的原因又可能是組件層或部件層故障引起的，按照組件層和部件層的推理方法，如圖8、圖9可以找到可能的故障部件，在相應(yīng)的故障部件中，hasCausePossibleValue為由此部件造成故障的可能性，至此完成整個(gè)推理過(guò)程。

圖7　子系統(tǒng)級(jí)故障診斷推理Fig.7　Diagnosis reasoning result of subsystem fault

圖8　組件級(jí)故障診斷推理Fig.8　Diagnosis reasoning result of unit level fault

圖9　部件級(jí)故障診斷推理Fig.9　Diagnosis reasoning result of part level fault

由此可見(jiàn)，當(dāng)把FMECA數(shù)據(jù)作為知識(shí)源，采用本體方法進(jìn)行描述和推理后，其故障診斷的結(jié)果能夠?yàn)榫S護(hù)人員提供很多信息：①故障效應(yīng)在不同層次的系統(tǒng)中傳遞的路徑；②在不同層次的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)和排除故障的方法；③在同一級(jí)別的系統(tǒng)中，故障影響到的組件都有哪些。這些信息為排故提供了充分的依據(jù)。

5　結(jié)語(yǔ)

基于FMECA本體的故障診斷方法，充分利用了FMECA統(tǒng)計(jì)知識(shí)的科學(xué)性和本體理論的靈活性，利用JESS推理機(jī)可以分析得到故障可能的原因，以及故障在系統(tǒng)中的傳遞效果，能夠?qū)⒐收舷嚓P(guān)的信息提供給排故人員作參考。這種建模與分析方法立足實(shí)踐，避免了傳統(tǒng)故障診斷方法理論性強(qiáng)、難以真正應(yīng)用的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了故障診斷知識(shí)在飛機(jī)制造商、飛機(jī)使用者、科研工作者之間的共享，能夠?yàn)楹娇展咎岣哌\(yùn)行效率，增加航班安全提供極大的幫助。

限于自身水平，本文還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步優(yōu)化。

1）由于當(dāng)前航空公司使用的主要機(jī)型都產(chǎn)自國(guó)外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的FMECA數(shù)據(jù)很難獲取，只能根據(jù)使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果能夠獲得更為充分的FMECA數(shù)據(jù)，可使本體建模更加科學(xué)準(zhǔn)確；

2）在對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分方面，將系統(tǒng)劃分為4個(gè)層次仍顯得有些簡(jiǎn)單，可在進(jìn)一步的工作當(dāng)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更細(xì)致劃分；

3）由于研究還處于初級(jí)階段，對(duì)于故障診斷方法的準(zhǔn)確性、誤報(bào)率等指標(biāo)還未有進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于這種故障診斷方法的評(píng)價(jià)仍需更多的數(shù)據(jù)和進(jìn)一步的研究。

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（責(zé)任編輯：劉智勇）

Fault diagnosis method of flight control system based on ontology and FMECA

DUAN Zhaobin，ZHANG Peng
（Engineering Techniques Training Center,CAUC,Tianjin 300300,China）

The fly-by-wire flight control system is increasingly used in modern airliners.The lack of maintenance method and fault diagnosis knowledge becomes a major problem.In order to meet the needs for flight control system maintenance,an intelligent fault diagnosis method is proposed.The FMECA analysis of flight control system of B777 aircraft is taken as the knowledge source of this ontology modeling.By JESS rule reasoning machine,maintenance personnel can rapidly locate the source of the fault,and can select corresponding measures.This diagnosing method realizes the knowledge sharing between aircraft manufacturers and aircraft users,which can provide a strong support for fault diagnosis of flight control system.

fly-by-wire flight control system;FMECA;ontology;fault diagnosis

V267

A

1674-5590（2016）04-0021-06

2016-01-13；

2016-03-22基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(3122016D006)

段照斌（1989—），男，河南南陽(yáng)人，助教，碩士，研究方向?yàn)楹娇针娮?